Архив / 1999 / №2(17) / Параллели

Промышленные компьютеры

Помимо специализированных микропроцессорных контроллеров, традиционно используемых в задачах АСУ ТП, все чаще для этих целей стали применяться IBM-совместимые промышленные компьютеры. Полная программная и аппаратная совместимость этих устройств с широко распространенными офисными (бытовыми) компьютерами обеспечивает существенное сокращение сроков и стоимости работ при создании различных систем автоматизации производства. Неограниченная номенклатура разнообразнейших плат ввода-вывода как аналоговых, так и дискретных (цифровых), возможность гибкой модернизации системы с использованием современнейшего системного и специализированного программного обеспечения (в том числе SCADA-систем), а также постоянное снижение цен на компьютерную технику – вот основные определяющие факторы в пользу промышленных компьютеров при выборе платформы АСУ ТП верхнего и нижнего уровней.

Имея много общего с традиционными РС (процессоры, элементная база, схемотехническая архитектура) компьютеры, использующиеся для промышленного назначения, имеют ряд существенных отличий и особенностей, которые определяются требованиями повышенной надежности и ремонтопригодности, более жесткими условиями эксплуатации, повышенной механической стойкостью к ударным и вибрационным нагрузкам, поддержкой большого (до 20-ти) числа плат расширения, функциональными возможностями и другими факторами.

Обычно в офисных (настольных) компьютерах все основные функции реализованы на одной «материнской плате». При том, что такой метод компоновки наиболее выгоден с точки зрения стоимости, он оставляет желать много лучшего, когда речь идет об использовании компьютера для промышленных целей. Материнская плата, изготовленная из многослойного материала малой толщины, с большими габаритными размерами гнется, когда в нее вставляют платы расширения. Этот изгиб может вызвать, а часто и вызывает, разрыв печатных дорожек и межслойных переходов на материнской плате компьютера. Замена неисправной материнской платы требует полной разборки компьютера с отсоединением всех плат и кабелей от основной системы, что вызывает простой компьютера от 30 минут до нескольких часов. Такое время ремонта неприемлемо для большинства промышленных систем и компьютерной телефонии. Поскольку модели материнских плат меняются буквально ежемесячно, часто невозможно найти точно такую же взамен. При использовании другой материнской платы часто возникают программные проблемы из-за изменения версии BIOS, драйверов устройств и временных характеристик. Полное разрешение данной проблемы может занять дни и недели.

В промышленных компьютерах все компоненты, обычно размещаемые на материнской плате офисного компьютера, устанавливаются на отдельной процессорной плате, которая похожа на привычную плату расширеную плату», которая выполняет только функцию межплатных соединений. Подобная объединительная плата проста, прочна и имеет очень высокую надежность.

Системы с пассивной объединительной платой имеют несколько преимуществ. Во-первых, улучшается технология монтажа, и по сравнению с компьютером на традиционной материнской плате, такие системы имеют меньшее время ремонта (замены). Во-вторых, упрощается процедура замены процессорной платы на другую с более быстродействующим процессором. В-третьих, пассивные объединительные  и процессорные платы производятся преимущественно компаниями-изготовителями промышленных компьютеров, которые обеспечивают более строгий контроль за качеством и надежностью продукции и кроме того обеспечивают более длительный срок, в течение которого гарантируется производство и поставка изделий, по сравнению с поставщиками настольных PC.

Основным узлом, определяющим характеристики промышленной компьютерной системы, является процессорная плата. Наибольшее распространение нашли процессорные платы половинной длины с шиной ISA и полноразмерные платы стандарта PICMG, которые имеют как шину ISA, так и PCI. Номенклатура подобных плат, выпускающихся в настоящее время, чрезвычайно разнообразна: от плат с процессорами 386SX (NEAT-335), до плат, на которых установлено два процессора Pentium II или Pentium III (PEAK-6220).

Выбор конкретной модели процессорной платы определяется той задачей, для реализации которой будет использован  компьютер, условиями эксплуатации, требуемыми габаритами и другими факторами. Например, при применении промышленного компьютера в качестве контроллера АСУ ТП нижнего уровня целесообразно ис-пользовать процессорные платы половинной длины с шиной ISA. Уже упоминавшаяся плата NEAT-335 с запа-янным процессором ALI M6117 (совместим с 80386SX) с тактовой частотой 40 МГц реализует традиционные функции, присущие всем другим процессорным платам с шиной ISA, такие как: контроллеры 2-х FDD и 2-х НDD с интерфейсом IDE, двунаправленный параллельный интерфейс с поддержкой протоколов обмена EPP/ECP, сторожевой таймер («watch dog timer»), обеспечивающий перезагрузку компьютера или выдачу
прерывания при зависании управляющей программы с программируемым интервалом до 63 секунд, разъемы для подключения клавиатуры и мыши стандарта PS/2, разъем для установки модуля энергонезависимой Flash-памяти типа DiskOnChip емкостью до 144 Мбайт, а также разъем для установки модулей в стандарте PC/104. Помимо вышеперечисленного плата NEAT-335 имеет в своем составе ви-деоконтроллер с памятью размером 1 Мбайт и максимальным разрешением 1024 х 768 точек, два последовательных порта из которых один может быть настроен на поддержку интерфейсов RS-232, RS-422 или RS-485. Имея питание только от одного источника напряжением +5 В с током потребления не более 1.5 А и небольшую цену (USD 225) данная плата может быть использована как для построения небольших систем, так и в качестве одноплатного компьютера. Следует заметить, что данную процессорную плату целесообразно использовать при работе с операционной системой MS-DOS. При этом, как сама операцион-ная система, так и рабочие программы могут находиться в энергонезависимой Flash-памяти DiskOnChip.

Для построения систем, предназначенных для работы с большим числом параметров, целесообразно использовать процессорные платы с более мощными процессора-ми. Одной из наиболее популярных плат этого класса яв-ляется NEAT-406. На этой плате имеется запаянный процессор типа AMD 486DX5 с тактовой частотой 133 МГц, предустановленная оперативная память 4 Мбайта с возможностью расширения до 36 Мбайт. По своим функ-циональным возможностям плата NEAT-406 аналогична вышеописанной плате NEAT-335, кроме видеоконтроллера, который на данной плате отсутствует. Выпускаются также модификация этой платы NEAT-470 с видеоконтроллером, который поддерживает как электроннолучевые (CRT) дисплеи, так и плоскопанельные дисплеи: жидко-кристаллические (TFT, DSTN) и электролюминесцентные (EL). Кроме того, существует плата NEAT-460, которая отличается от предыдущей наличием сетевого контроллера Ethernet 10BaseТ.

Кроме плат с процессором 486DX выпускается несколько моделей плат половинной длины с шиной ISA, которые предназначены для работы с процессорами класса Pentium от различных поставщиков (Intel, AMD, Cyrix) для архитектуры Socket 7, например NEAT-575. Данные платы предусматривают поддержку процессоров Intel Pentium MMX с низким энергопотреблением. Эти маломощные процессоры имеют мощность потребления всего лишь 2.9 Вт на частоте 166 МГц и 4.5 Вт на частоте 266 МГц, что составляет всего 25% от мощности, потребляемым обычным процессором Pentium MMX. При этом, в некоторых случаях, процессорные платы можно использовать без принудительного охлаждения.

Процессор архитектуры Celeron Socket 370 с тактовой частотой до 500МГц позволил создать полнофункцио-нальный компьютер класса Pentium-II на плате половинного размера (185 х 122мм) типа NEAT-665. Помимо ви-деоконтроллера с памятью 2 Мбайта данная плата имеет сетевой контроллер Ethernet Intel 82558 10/10Base TX.

 

Сравнительно небольшие габариты (185 х 122 мм) процессорных плат половинной длины с шиной ISA, многочисленные функциональные возможности и незначительная цена в сочетании с широкой номенклатурой разнообразных устройств и плат аналогового и дискретного ввода-вывода создают реальную перспективу для построения на их основе высокопроизводительных интеллектуальных контроллеров.

Наиболее производительные модели реализованы в виде полноразмерных процессорных плат в стандарте PICMG, базирующихся на архитектуре Slot 1 с одним или двумя процессорами Pentium II или Pentium III. Такие системы имеют наивысшее быстродействие, максимальную возможность расширения, обладают высокой надежностью при эксплуатации в тяжелых условиях и используются в качестве серверов в ответственных применениях. Ярким представителем этого семейства является процессорная плата PEAK-6220.

Потребляемая мощность таких плат достаточно велика и может достигать величины 100 Вт. Поэтому главная проблема заключается в обеспечении приемлемого теплового режима в условиях ограниченного размера платы и корпуса микропроцессора, так как это является основным фактором, влияющим на надежность системы. Обычно используемые для процессоров Pentium II и III наборы микросхем компании Intel 440LX и 440BX имеют встроенную шину AGP, но в двухпроцессорных платах эта функция, как правило, блокируется. Это позволяет снизить потребляемую мощность платы и уменьшить температуру кристаллов процессоров с 85°C до 65°C. Однопроцессорные платы Pentium-II и Pentium не имеют таких жестких условий работы. Поэтому варианты построения таких плат в стандарте PICMG имеют большее разнообразие. Типичным представителем процессорных плат данного класса является семейство плат типа PEAK-630, насчитывающее 6 различных моделей, которые различаются наличием или
отсутствием видеоконтроллера с памятью 2 Мбайта, поддерживающего электроннолучевые и LCD-дисплеи, сетевого контрол-лера Ethernet Intel 82558 10/100 BaseТ, контроллера интер-фейса Ultra II SCSI Adaptec AIC7890 со скоростью обмена 80 Мбайт/сек. Следует заметить, что основная масса проб-лем при конфигурации компьютера чаще всего связана с некорректной работой отдельных внешних контроллеров. В случае использования процессорной платы с интегрированными на ней контроллерами, ответственность за корректную и сбалансированную работу всех компонент берет на себя производитель процессорных плат, который имеет возможность оперативно решать все возникающие проблемы, так как при этом заранее известна конфигурация вычислительной платформы. Процессорные платы этого типа имеют очень широкое применение при построении различных систем, в том числе верхнего уровня АСУ ТП, корпоративной IP-телефонии, Internet и для других целей.

Корпуса, в которых размещаются промышленные компьютеры, также существенно отличаются от традиционных офисных решений. Наиболее распространенными в настоящее время являются корпуса, предназначенные для монтажа в 19-дюймовые промышленные шкафы. При этом ширина корпуса, определяемая конструктивным проемом стойки, строго регламентирована и не превышает 450 мм. Высота корпуса обычно кратна величине 44,45 мм (1 Unit). Наибольшее распространение нашли корпуса высотой 4U (176 мм). Глубина корпуса не должна превышать глубину шкафа (от 600 до 800 мм) и, как правило, не превышает 500 мм.

Корпус промышленного компьютера имеет очень прочную металлическую конструкцию. Для обеспечения надежного заземления и максимального подавления электромагнитных помех внутри корпуса наносится специальное гальваническое покрытие.

Надежность индустриальной компьютерной системы во многом определяется тепловыми режимами работы отдельных компонентов. Для эффективной вентиляции промышленные корпуса имеют помимо вентилятора, установленного в блоке питания, дополнительные приточные вентиляторы, которые устанавливаются на передней панели корпуса и снабжаются пылезащитными фильтрами. Такое решение не только увеличивает зону охлаждения, но и обеспечивает повышенную пылезащищенность, так как данная система вентиляции создает внутри корпуса избыточное давление, препятствующее проникновению пыли.

Одним из наиболее значительных параметров, определяющих возможности корпуса, является устанавливае-мое количество полноразмерных плат расширения. В наиболее популярной модели RPC-500 19-дюймового корпуса высотой 4U можно установить до 14 плат. Этот корпус имеет 2 отсека для установки накопителей размером 5.25 дюйм и 3 отсека для накопителей размером 3.5 дюйма.Для снижения ударных и вибрационных нагрузок отсеки накопителей снабжены специальными амортизирующими элементами. Надежная фиксация плат обеспечивается прижимной планкой с регулируемыми по высоте прижимами.На передней панели корпуса имеется запираемая дверца, препятствующая несанкционированному доступу к накопителям, кнопкам включения питания, сброса и блокировки клавиатуры.

Для сложных систем с большим числом плат расширения (до 20-ти) используются корпуса высотой более 4U. Пример такого решения – корпус RACK-3035, имеющий двухэтажную конструкцию. На верхнем этаже монтируется объединительная плата с 20-ю слотами расширения и 4 вентилятора охлаждения. На нижнем этаже устанавливаются дублированные источники питания мощностью до 600 Вт с возможностью «горячей» замены и до 6 накопителей размерами 5.25 и 3.5 дюйма. Корпус имеет встроенную систему контроля температуры, как микро-процессоров вычислительной системы, так и в 4-х точках (зонах) внутри корпуса. Кроме этого контролируются все выходные напряжения блоков питания и частота вращения вентиляторов. Имеется возможность дистанционного мониторинга системы контроля с использованием локальной сети, модема или Internet.

Кроме 19-дюймовых корпусов выпускаются различные компактные корпуса для плат как половинной длины, так и для полноразмерных плат с числом слотов расширения от 3-х до 10-ти. Все эти корпуса имеют прочный стальной корпус, прижимы для плат, эффективную систему вентиляции, противоударное крепление накопителей, съемные кронштейны для крепления на плоскость (например, на стену). Такие корпуса чаще всего используются при реализации сравнительно небольших систем, например специализированных котроллеров нижнего уровня распределенных систем управления и сбора данных.

Следует заметить, что существуют пассивные объединительные платы, которые позволяют в одном корпусе разместить до 4-х отдельных независимых компьютерных платформ.

Кроме пассивных объединительных плат выпускаются активные объединительные платы, обеспечивающие поддержку более 4-х слотов PCI (до 19-ти) за счет использования специальных мостовых контроллеров типа Intel 21150. Кроме вышеописанных компьютеров, построенных на базе стандарта PICMG и шины ISA, выпускаются различ-ные встраиваемые компьютеры на основе стандарта PC/104 и PC/104+, одноплатные компьютеры, а также компьютеры, выполненные по стандарту CompactPCI, пришедшего на смену шине VME и Multibus в конструктиве Евромеханика.

Еще одной разновидностью промышленных компью-теров являются устройства, предназначенные для установки (монтажа) на панель – панельные компьютеры и рабочие станции.

Панельные компьютеры представляют собой, как правило, одноплатный компьютер, который имеет законченную конструкцию, предназначенную для монтажа на горизонтальную или наклонную плоскость с жидко-кристаллическим монитором. Чаще всего такие компьютеры не имеют собственной клавиатуры, а снабжены специальным сенсорным экраном. Возможности расширения обычно ограничены установкой одного слота. Эти компьютеры отличаются малой толщиной и наличием всех функций обычного РС, включая контроллеры мыши, клавиатуры, последовательных портов и других интерфейсов. Причем все разъемы для подключения внешних устройств и цепей расположены на задней панели компьютера.

В отличие от панельных компьютеров рабочие станции имеют несколько различных слотов расширения (ISA и PCI), а также расположенные на передней панели уст-ройства: развитую функциональную клавиатуру, разъемы для подключения мыши и стандартной клавиатуры, доступ к накопителям (FDD и CD-ROM). Цветной LCD-экран имеет размеры не менее 10 дюймов и может быть снабжен сенсорным экраном. Конструкция рабочей станции, как правило, предусматривает возможность ее монтажа в стандартную 19-дюймовую стойку.

Невозможно отразить весь круг проблем и вопросов, которые возникают при выборе и реализации промышленных компьютеров. Для облегчения этой задачи компания «Индустриальные компьютерные системы» выпускает законченные промышленные компьютерные платформы серий ROBO.

Компьютерная платформа серии ROBO-1000 реализуется в 19-дюймовых стальных корпусах высотой от 6U до 8U. Имеет пассивную или активную объединительную плату, дублированный источник питания, микропроцес-сорную систему контроля температурного режима с удаленным мониторингом, возможность установки RAID-массивов. Используется для отказоустойчивых мощных многопроцессорных или многосистемных решений на базе процессоров Pentium III или Xeon.

Для промышленных компьютеров серии ROBO-2000 используются стальные корпуса высотой 4U для монтажа в стандартную 19-дюймовую стойку. Продуманная система охлаждения с защитой от пыли, контроль за температурным режимом, противоударное крепление накопителей в сочетании с высокоинтегрированными процессорными платами с архитектурой Socket 7, Slot 1 или Socket 370 обеспечивают оптимальное соотношение надежности, производительности и стоимости компьютерной платформы.

Серия ROBO-3000 выполнена в компактных корпусах с числом слотов расширения от 4 до 10 на базе полнораз-мерных процессорных плат или плат половинной длины с процессорами класса 386, 486 и Pentium. Малые габари-ты и низкое энергопотребление позволяют использовать эту компьютерную платформу в составе мобильных систем или в условиях ограниченного пространства.

Серия ROBO-4000 основана на шине и конструктивах стандарта CompactPCI. Удачный компромисс между высокой пропускной способностью шины CompactPCI, соответствующей быстродействию современных процессоров, с возможностью использования большого числа плат расширения, малыми размерами и значительной устойчивостью конструктива  Евромеханика к внешним воздействиям создают реальную перспективу применения компьютеров серии ROBO-4000 во встраиваемых системах, телекоммуникационных приложениях, отказоустойчивых системах управления и других областях  промышленности.

Все компьютеры серии ROBO собираются из надежных комплектующих и проходят всестороннее тестирование. Конкретная конфигурация компьютерной платформы ROBO определяется заказчиком. Компьютеры серии ROBO разработаны в соответствии с промышленными стандартами на аппаратуру специального назначения и обладают повышенной надежностью, что подтверждено необходимыми сертификатами качества и безопасности Госстандарта России. На все компьютерные платформы серии ROBO предоставляется 2-х летняя гарантия.