Общие конструктивные особенности промышленных компьютеров

БОБРОВ М.А., ГЕРАСЬКИН Е.В., ШИШОВ О. В. ОБЩИЕ КОНСТРУКТИВНЫЕ ОСОБЕННОСТИ ПРОМЫШЛЕННЫХ КОМПЬЮТЕРОВ Аннотация. Раскрывается понятие «Интеллектуальный датчик». Определяются тенденции развития этого понятия.

Ключевые слова: датчик, погрешности, достоверность данных, электронный паспорт.

BOBROV M.A., GERASKIN E.V., SHISHOV O. V., GENERAL DESIGN FEATURES OF INDUSTRIAL COMPUTERS Abstract. The article considers the general design features of industrial computers. Particularly, a classification of industrial computers by the number of their units and the principles of their association is presented.

Keywords: sensor, errors, the accuracy of the data, the electronic passport.

Еще недавно первые энтузиасты применения средств вычислительной техники в промышленности брали за основу материнские платы обычных офисных компьютеров и просто помещали их в специальные корпуса. С течением времени, однако, выработались вполне определенные черты, которыми отличаются современные компьютеры для промышленного использования. Попробуем отметить конструктивные отличия, которые характерны для большинства компьютеров в промышленном исполнении:

• фактически все промышленные компьютеры используют разработки, позволяющие установленной электронике выжить в условиях цеха;

• внешний вид промышленных компьютеров далек от изысканных дизайнерских решений -главное это функциональность;

• более тяжелая металлическая конструкция.

• применение известного форм-фактора корпуса для монтажа в окружающую обстановку или оборудование;

• дополнительное воздушное охлаждение с использованием воздушного фильтра;

• альтернативные методы охлаждения, такие как принудительная вентиляция, охлаждение жидкостями и используя тепловыделение корпуса;

• поддержка большого числа слотов расширения, в том числе и устаревших;

• защита от радиопомех;

• усовершенствованная защита от пыли, водных брызг или даже возможность погружения в воду;

• прорезиненные разъемные соединения;

• более надежное управление;

• более качественное электропитание;

• контроль доступа к портам ввода-вывода и к питанию при помощи блокировки дверцы корпуса;

• наличие сторожевого таймера, который автоматически перегружает систему при зависании программного обеспечения.

Поскольку надежность всего устройства напрямую зависит от надежности каждого из компонентов (плат, соединений, корпуса, источников питания, системы теплоотвода и т. д.), разработка и выбор каждого из этих компонентов должны быть произведены с особой тщательностью и вниманием к деталям.

Запросы пользователей относительно функциональности и надежности системы управления, построенной на базе компьютерных технологий, часто требуют особых усилий разработчиков и специфических инженерных решений для их реализации.

Фундаментом для создания процессорных модулей и модульных компьютерных систем служат современные микро- и наноэлектронные технологии. Выпуск микропроцессоров с технологией 180, 90 и 65 нм позволил создать по-настоящему компактные встраиваемые модульные системы. Современные технологии обеспечивают возможности создания законченного компьютера, сетевых коммуникационных средств, средств связи с периферийными объектами на одной плате модуля и даже в микромодуле (кристалле).

Развитие модульной технологии создания промышленных систем управления и микроэлектроники привело к появлению таких изделий, как одноплатные модули (англ. COM -Computer-On-Module, «компьютер на модуле») или одноплатные компьютеры (SBC - Single Board Computer) и SOM (System-On-Module, «система на модуле»).

Компактный компьютер на модуле COM содержит все необходимые компоненты с интерфейсами для встраивания в систему, а система на модуле SOM является функционально полной и законченной системой с развитыми системными и сетевыми интерфейсами связи в модуле.

Одноплатный компьютерный модуль COM представляет собой плату, на которой установлены:

• центральный процессор;

• чипсет;

• память;

• некоторый набор дополнительных контроллеров (зависит от типа COM);

• разъёмы, через которые к модулю подключается платы приложения или несущая плата.

Кроме тех элементов, что имеются на COM, на модуле SOM дополнительно устанавливаются:

2

• функциональные узлы, требуемые системой управления, например линейка процессоров DSP, преобразователи АЦП/ЦАП, преобразователи нестандартных сигналов, цепи гальванической развязки или оптоэлектронные преобразователи, необходимое количество портов стандартных промышленных интерфейсов, таких как RS-232, RS-485, CAN и др.;

• первичные цепи питания всей системы (как процессора, так и периферии);

• оконечные каскады интерфейсов, такие как трансформаторы сетей Ethernet, те или иные реализации интерфейсов с мониторами;

• индикаторы, кнопки управления, специфические разъёмы и прочие конструктивные элементы, подобранные для каждого конкретного исполнения системы, и др.

В основе построения COM и SOM используют современные микропроцессоры разных типов, главным требованием к которым было и остаётся низкое энергопотребление.

Если функциональной насыщенности одноплатного варианта на основе COM или SOM модуле не хватает, то к ним подключают дополнительные модули. При этом должен быть реализован тот или иной способ их конструктивного объединения в единое целое. Проводимая на основе этих признаков классификация промышленных компьютеров представлена на рисунке 1.

Рис. 1. Классификация промышленных компьютеров по количеству, входящих в него модулей, и принципов их объединения

Конструктивное объединение компьютерных модулей в единое целое осуществляется по двум основным принципам - использование магистрально-модульных и стековых систем.

Для построения магистрально-модульной системы применяются платы компьютерных модулей, которые устанавливаются в шасси с объединительной платой (кросс-платой). Объединительная плата (англ. backplane) является монтажной или печатной платой, на которой

расположено несколько различных слотов (до 20 и более) и разведена объединительная шина. Офисные персональные компьютеры так же используют объединительную плату с платами расширения. В то время как материнская плата офисного ПК может выполнять функции объединительной платы, объединительная плата промышленного компьютера - выполнять функции материнской платы не может. На объединительной плате отсутствуют вычислительные элементы. Центральный процессор расположен на плате расширения, которую можно легко заменить.

Объединительные платы бывают двух типов: пассивные и активные. Пассивные объединительные платы вообще не содержат никакой электроники, все находится на конструктивно одинаковых модулях (процессорных и картах расширения). Подобная конструкция позволяет модернизировать промышленный компьютер и расширять его возможности без существенных затрат. Высокая стоимость подобных решений для промышленных компьютеров не позволяет использовать эти решения в офисных или домашних компьютерах. Однако для систем промышленной автоматизации это решение очень популярно. Эти решения так же встречаются в некоторых мощных серверах. Примерами таких систем могут служить наиболее распространённые системы форматов Сотрас1РС1, 'УМЕ, AdvancedTCA, МюшРС. Защищенное исполнение в таких системах достигается путём применения защищенных шасси.

Активные объединительные платы содержат схемы управления шиной и множество других компонентов. На большинстве таких плат содержится вся электроника обычной системной платы, нет только процессорного модуля. Активные объединительные платы более сложные, соответственно у них больший риск выхода из строя.

Решения с объединительной панелью и требуемым набором модулей отличают гибкость, производительность, высокая надёжность, широкий диапазон рабочих температур, защищённость от вибрации, пыли и влаги, из-за чего они находят применение во многих системах автоматизации в промышленности, медицине, науке, военном деле и т. д.

Жесткие условия эксплуатации систем, собранных из нескольких модулей, требуют их установки внутри корпуса для защиты от внешних механических, электромагнитных и климатических воздействий. При этом промышленный компьютер представляет собой законченное конструктивное решение. Кроме обычных корпусов, крейтов, шасси существуют изделия, которые позиционируются как платформы для построения расширяемого встраиваемого защищенного компьютера для жёстких условий эксплуатации. Понятие «платформа» подразумевает наличие в комплексном исполнении средств обеспечения основной функциональности - процессорного модуля, модуля источника питания и той или иной объединительной панели, а также корпуса (шасси). Все остальные модули (модуль

4

видеопроцессора, коммуникационные и навигационные модули) являются опциональными, как и модули расширения, разработанные заказчиком. Главное - это соответствие модулей расширения стандарту (форм-фактору) и изготовление интерфейсного кабеля для вывода интерфейсов с модулей расширения на лицевую панель.

Грамотное проектирование и создание таких платформ существенно упрощает проектирование и обслуживанию систем, повышает их ресурс и надёжность.

Стековые системы не используют объединительную плату. Соединение модулей осуществляется путём подсоединения модулей друг к другу через стековые разъёмы, на которые выведена объединительная шина. Получается своеобразный многоплатный «бутерброд», слои которого объединяются разъемами, ответные части которого находятся на соседних платах и обращены друг к другу. Стековым системам принадлежат, в первую очередь, модули, соответствующие спецификациям PC/104, PC/104-Plus, PCI-104, PCI/104-Express, СОМ/104, а также EPIC, EBX, 3,5", ЕТХ и модули, выполненные по ряду спецификаций SFF-SIG (Small Form Factor Special Interest Group). Другим вариантом соединения между собой модулей, собранных в стек, выступает применение для этих целей плоских кабелей.

При необходимости стековые системы устанавливаются в корпус. Для вывода основных выходных интерфейсов к стандартным разъемам на лицевой панели корпуса могут применяться кабели. Однако практика соединения модулей между собой, модулей с интерфейсными разъемами на панели корпуса с помощью кабелей потенциально небезопасна и неудобна. Наличие кабельной разводки внутри корпуса ухудшает теплоотвод, снижает устойчивость к помехам, вибрациям и ударам, а также увеличивает электромагнитное излучение, что приводит к уменьшению надежности всей системы. Поэтому стараются применять другое решение -внешние интерфейсы, собранные в стековых разъемах, выводят на лицевую панель корпуса с помощью недорогого и простого терминального модуля с набором стандартных интерфейсных разъемов. Так делается, например, в стандарте форм-фактора СОМ/104.

Стековые системы устанавливаются в корпуса весьма ограниченного размера. В таких корпусах лицевой панелью является одна из сторон корпуса, на которую выведены необходимые интерфейсные разъёмы. Такая конструкция обеспечивает компактное расположение интерфейсных разъёмов и позволяет производить установку корпуса в нишу без доступа к его задней и боковым стенкам. Защита от пыли и/или влаги обеспечивается за счёт применения герметизированных интерфейсных разъёмов. Одним из достоинств таких защищенных систем является возможность их функционального расширения. Ведь в данном случае в стек можно устанавливать любые модули расширения соответствующего форм-фактора, в том числе и самостоятельно разработанные заказчиком специализированные модули; всё, что необходимо в

данном случае, - это переработка только одной детали корпуса - лицевой панели, а всё остальное будет без изменений.