Komponenty automatyki przemysłowej

Komputery jednopłytkowe do zastosowań przemysłowych

Gracze rynku komputerów jednopłytkowych to m.in. Digi, VersaLogic, Wandboard, Eurotech, Advantech, Kontron, Adlink, Radisys, Mercury Systems, Winsonic, Syslogic, Qbic, American Portwell, Arbor Solutions, Aaeon, Diamond Systems, iEi, Avalue, Variscite, DFI, Congatec, iBase, MPL, Protech i wiele innych. Mamy też pojedyncze krajowe firmy, które projektują i produkują takie jednostki – Grinn i SomLabs.

Bezsprzecznie sektor komputerów jednopłytkowych z każdym kolejnym rokiem staje się coraz bardziej otwarty dla "przeciętnego" konstruktora, a coraz niższe ceny i większa dostępność sprawiają, że dostęp do tych rozwiązań jest praktycznie nieograniczony. Rynek SBC przenika się ponadto ze światem tradycyjnych pecetów, z których rozwiązania w postaci nowych wersji miniaturowych płyt głównych stają się bazą dla komputerów przemysłowych, jak na przykład Pico-ITX, oraz rynkiem półprofesjonalnym (jak Raspberry Pi).

Oprócz nastawienia na coraz większą miniaturyzację, producenci zwracają uwagę głównie na możliwości rozbudowy komputera o kolejne interfejsy we/wy. Poprzez specjalizowane złącze (np. na spodzie płytki SMARC) tworzą w ten sposób rozwiązania podobne do "kanapki", które do tej pory były wykorzystywane w rzadziej już stosowanych komputerach PC/104. Wprowadzanie kolejnych generacji energooszczędnych procesorów Intel Atom, Celeron czy Pentium spowodowało, że producenci wypuszczają na rynek nowe modele komputerów SBC z interfejsami do tej pory niewystępującymi, jak np. dla pamięci dyskowej w postaci złączy M2.

Mała seria i wersje customizowane

W kraju komputery jednopłytkowe są postrzegane jako istotny produkt, bo wytwarzamy krótkie serie specjalistycznych urządzeń, do których nie opłaca się tworzyć własnego sterownika. Próg opłacalności określający minimalną skalę realizowanej produkcji własnej, która jest niezbędna do tego, aby taka konstrukcja miała sens ekonomiczny z upływem lat jest coraz mniejszy i określa się na około 4‒5 tys. sztuk rocznie. W realiach krajowych to dość dużo, co skutecznie wybija z głowy pomysły rozwijania własnych platform.

Niemniej duża część rozwiązań przemysłowych jest w Polsce realizowana jako projekty tworzone przez integratorów, firmy inżynierskie lub też producentów specjalistycznych urządzeń na zamówienie. Tak zdefiniowany obszar działania obejmuje rozwiązania liczone w pojedynczych sztukach, przez co nawet aplikacja komputerów jednopłytkowych napotyka barierę opłacalności i czasu.

Przy takich małych ilościach w zdecydowanej większości przypadków zastosowanie komputera jednopłytkowego wiąże się z ogromem dodatkowej pracy związanej z przygotowaniem obudowy zapewniającej wymaganą ochronę przed oddziaływaniem środowiska zewnętrznego, dobrej jakości układu zasilania, wymaganych peryferii oraz przygotowania płytki bazowej. Dodatkowo takie urządzenie w celu uzyskania odpowiedniego certyfikatu musi zostać przetestowanie pod względem poprawnej pracy w różnych warunkach np. pod wpływem niskiej lub wysokiej temperatury. Cały ten proces jest kosztowny i pracochłonny. W przypadku większych projektów jest to opłacalne, bo dostarczane jest urządzenie szyte na miarę. Niemniej wielu klientów woli drogę na skróty, czyli użycie gotowego komputera z półki (typu Box). W przypadku niewielkiego projektu fakt, że dane urządzenie nie będzie idealnie dopasowane do danej aplikacji (przykładowo tylko niewielka liczba dostępnych portów będzie wykorzystana), nie jest taki istotny, ponieważ w porównaniu do rozwiązania opartego na SBC, relatywne koszy integracji będą niższe, a czas wprowadzenia produktu na rynek (time to market) zdecydowanie krótszy. Koszt pracy inżynierskiej ma coraz większy udział w przygotowaniu produktu i każde działanie które prowadzi do oszczędności czasu i wysiłku włożonego w przygotowanie sprzedaży ma realny wymiar kosztowy.

Najważniejsze cechy i właściwości SBC od strony technicznej #1

 

Za najważniejsze parametry techniczne i funkcjonalność komputerów jednopłytkowych uznano w naszym badaniu ankietowym niski pobór mocy (definiowany poprzez TDP) oraz dużą wydajność obliczeniową. Te dwa kryteria są do siebie w opozycji, a więc w praktyce chodzi o to, aby proporcje między tymi wielkościami były jak najlepsze. Trzecią pozycję w zestawieniu zajęła duża niezawodność i odporność środowiskowa, co jest pochodną zastosowań przemysłowych i profesjonalnych takich komputerów, natomiast pojęcia takie, jak wiele interfejsów oraz małe wymiary wiążą się z możliwościami aplikacyjnymi oraz możliwością zastosowania ich w sprzęcie mobilnym.

Miniaturyzacja i mały pobór mocy

Niewielki pobór mocy przy zachowaniu dużej wydajności obliczeniowej jest najważniejszym trendem technicznym zmieniającym nie tylko rynek komputerów jednopłytkowych, ale i całą elektronikę. Efektem tego procesu jest to, że wielkość komputerów głównie ograniczają złącza i obudowa, a wzrost wydajności obliczeniowej przestał być czymś, do czego się bardzo dąży. Najbardziej widać to w zakresie pecetów, ale w przypadku omawianych urządzeń też daje się to dostrzec.

Skoro można kupić peceta w obudowie wielkości pendrive, to także w zakresie komputerów do zastosowań embedded gotowe rozwiązania są nieduże. To po raz kolejny potwierdza, że w wielu zastosowaniach dobrym wyborem staje się wykorzystanie komputera typu Box, a więc małe jednostki w obudowie chłodzonej pasywnie, bo jest ona tylko nieznacznie większa, tylko trochę droższa, ale ma już rozwiązany problem chłodzenia, zasilania, złączy i mocowania (np. na szynę DIN, VESA itd.) przez producenta. A do komputera jednopłytkowego, np. takiego w postaci modułu o wielkości równoważnej pamięci DRAM do komputera trzeba jeszcze dodać płytę bazową, której przygotowanie też jest czasochłonne i kosztowne, zwłaszcza gdy seria jest mała.

IoT i Przemysł 4.0

Przemysłowy Internet Rzeczy oraz Przemysł 4.0 to dwa ważne trendy, które zmieniają współczesny rynek elektroniki. Oba wiążą się w pewnym zakresie z obszarem komputerów jednopłytkowych, gdyż tytułowe produkty są aplikowane w takich obszarach. Niemniej granice są tu bardzo płynne – cały obszar IoT oraz przemysłowego IoT (IIoT) jest nieprecyzyjnie zdefiniowany i w praktyce wrzuca się do niego miniaturowe rozwiązania czujnikowe zasilane z baterii i bardzo wysoko zintegrowane (do jednego chipu najczęściej) oraz komputery do zastosowań embedded wykorzystywane w automatyce przemysłowej, sieciach komputerowych i telekomunikacyjnych, a także wszystkich aplikacjach "smart". Jest oczywiste, że dla rynku SBC te rozwiązania najbardziej bliskie idei IoT, a więc maksymalnie zintegrowane, są niedostępne, obojętnie, kto i jak by je kategoryzował i naciągał. W omawianym temacie prędzej chodzi o koncepcję Przemysłu 4.0 oraz ogólną automatyzację i podłączanie do sieci. Myjnia samochodowa, automat sprzedaży, stacja pomiarowa monitoringu czy też aparat EKG, to przykłady takich rozwiązań, gdzie potrzebny jest jakiś komputer. Można dyskutować, czy w danym zastosowaniu wystarczy jeszcze mikrokontroler, czy już potrzebna jest większa wydajność, ale w praktyce decyzje są wielowymiarowym zagadnieniem. Proste zdalne sterowanie automatem sprzedaży z kontrolą przez sieć można zrealizować na kilkanaście różnych sposobów z użyciem gotowych modułów z mikrokontrolerami, sprzęt medyczny być może będzie wymagał komputera SBC, który zapewni pamięć, wydajność i grafikę, natomiast aplikacja klasy digital signage z multimediami być może najprościej powstanie z użyciem komputera box. Bezsprzecznie mamy dzisiaj bardzo dużo sposobów realizacji urządzeń i nie ma jednego uniwersalnego podejścia.

Najważniejsze zjawiska pozytywne dla rozwoju rynku komputerów jednopłytkowych #2

 

Komputery jednopłytkowe już dawno przestały być dobrem luksusowym i wraz z otwarciem się rynku na procesory produkowane przez inne firmy niż Intel można powiedzieć, że trafiły pod strzechy. Dla rynku IoT, aplikacji kategoryzowanych jako Przemysł 4.0, stały się one kołem zamachowym zapewniającym rozwój. Jako drugi czynnik, prawie tak samo istotny, wskazywano w ankietach coraz większe nasycenie naszego otoczenia elektroniką, w czym kryją się wszystkie koncepcje „smart”. Pomaga też to, że przemysł już rozwiązał problemy z wydzielaniem się ciepła i hasło bezwentylatorowy już mocno wyblakło. Cały czas maleją wymiary takich komputerów. Całkiem wydajne jednostki mogą być dzisiaj niewiele większe od pudełka zapałek.

Rola standardów wzrasta

W obszarze komputerów jednopłytkowych ważną rolę odgrywają standardy zapewniające możliwość korzystania z produktów wielu producentów. Chodzi o zapewnienie zgodności mechanicznej i pinowej, użycie jednakowego złącza, zasilania itd. Korzystając z rozwiązań standardowych, można zapewnić sobie większą swobodę wyboru producenta. Standardy w tym obszarze są także istotne dla tych, którzy wytwarzają urządzenia oparte na danym typie przez wiele lat, np. w obszarze medycyny.

Za pozytywną wiadomość można uznać to, że tych standardów definiujących obszar SBC nie ma już dzisiaj wcale tak wiele, przez co rola jaką pełnią one w branży, się zwiększa. Być może wynika to z tego, że w mniejszym stopniu są one wynikiem narzucenia przez duże firmy swoich pomysłów, a w większym stopniu, że jest to wspólny projekt stowarzyszenia lub organizacji branżowej. Ostatnim ważniejszym wydarzeniem sprzed kilku lat był tutaj debiut SMARC, teraz nadchodzi COM-HPC. Nazwa taka w praktyce określa tzw. form factor, czyli wymiary, rozkład złączy, możliwości w zakresie chłodzenia, tak aby zapewniona była możliwość wymiany produktów kompatybilnych.

Nie da się jednak ukryć, że część producentów nie zaprząta sobie głowy normalizacją i tworzy własne konstrukcje. Popularnym formatem jest płytka o wielkości pamięci DRAM do peceta, bo łatwo dla niej kupić złącza i wiele oprogramowania inżynierskiego ma takie komponenty w bibliotekach.