Izturīgi iebūvētie datori: būtiski ekstremālos apstākļos

Kad standarta aprīkojums vienkārši nespēj izturēt ekspluatāciju

Ieiet jebkurā ražotnes telpā, ārējā uzraudzības objektā vai transporta centra teritorijā — vides apstākļi skaidri liecina par situāciju. Temperatūra svārstās no saldzeres naktī līdz neizturami augstām dienas temperatūrām. Gaisā ir putekļi un citi mikrodaļiņu veidi. Smagas mašīnas rada vibrācijas, kas izplatās pa grīdām un montāžas virsmām. Mitruma ietekme — reizēm tikai gaisa mitrums, reizēm tieši šļakstīšanās — apdraud katru atklāto komponenti.

Standarta komerciālie datori nav izstrādāti šādām vajadzībām. To dzesēšanas ventilatori iesūc gaisu, kas piesātināts ar putekļiem. To cietie diski satur kustīgās daļas, kas sabojājas vibrācijas ietekmē. To korpusi nepiedāvā hermētiskumu, kas nepieciešams, lai novērstu mitruma iekļūšanu. Izturīgie iegultie datori šīs vājības novērš, izvēloties konstrukcijas risinājumus, kuros izturība tiek prioritizēta pār izmaksu taupīšanu. Šī atšķirība redzama vidējās darbības laika starp atteicēm, tehniskās apkopes izsaukumu biežumā un kopējās īpašniecības izmaksās visā aprīkojuma kalpošanas laikā.

Iepazīstieties ar ieejas aizsardzības klasi

IP reitingu sistēma, ko definē EN 60529 standarts, nodrošina standartizētu veidu, kā izprast, cik labi ierobežojums aizsargā pret cietiem un šķidriem objektiem. Pirmais cipars norāda aizsardzību pret cietiem objektiem — putekļiem, netīrumiem un nejaušu pieskaršanos. Otrais cipars attiecas uz šķidruma iekļūšanu — no lāsēm līdz augsspiediena ūdens strūklām. IP65 reitings nozīmē, ka ierīce ir pilnīgi putekļnecaurlaidīga un aizsargāta pret zemspiediena ūdens strūklām. IP66 nodrošina aizsardzību pret spēcīgākām ūdens strūklām. IP67 ļauj īslaicīgi iegremdēt ierīci ūdenī.

Šie reitingi ir svarīgi, jo tie tieši atspoguļo reālās pasaules izturību. Iebūvētais dators, ko izmanto ceļmalas satiksmes skapī, pastāvīgi saskaras ar putekļiem no braucošām transportlīdzekļu un reizēm ar lietus vai ielas tīrīšanas izraisītu šļakatu. IP65 nodrošina pietiekamu aizsardzību. Tas pats dators, ko uzstāda pārtikas apstrādes rūpnīcā tuvu mazgāšanas stacijai, prasa IP66 vai augstāku reitingu. Reitingu sistēmas izpratne palīdz izvēlēties piemērotu aprīkojumu konkrētajam vides apstākļiem, nevis minēt un cerēt.

Temperatūras ekstremālās vērtības un pasīvā dzesēšana

Dzesēšanas ventilatora trūkuma konstrukcija ir viens no svarīgākajiem panākumiem ilgmūžīgos iegultajos datoros. Dzesēšanas ventilatora izņemšana novērš vienu no biežāk sastopamajām atteikumu vietām — ventilatori nodilst, bultiņas stingst, lāpstiņas uzkrāj putekļus, līdz tās pārstāj griezties. Tomēr darbība bez dzesēšanas ventilatora prasa citu siltuma vadības risinājumu. Procesors rada siltumu, ko jāizkliedē caur pašu korpusu, izmantojot korpusu kā milzīgu siltumvadītāju.

Šī pieeja labi darbojas vidējās apkārtējās temperatūras apstākļos. Grūtības rodas ekstrēmos apstākļos. Izturīga iegulta datora iekārta saules enerģijas stacijā tuksnesī var sasniegt iekšējo temperatūru, kas ir daudz augstāka par to, ko pasīvā dzesēšana spēj izturēt. Tas pats ierīces modelis aukstuma krātuvē saskaras ar pretēju problēmu — kondensāta veidošanos uz iekšējiem komponentiem, kad silts, mitrs gaiss saskaras ar aukstām virsmām. Pareiza termiskā konstrukcija ņem vērā abus šos scenārijus, izmantojot materiālus ar atbilstošu termisko vadītspēju un pārklājumus, kas novērš mitruma uzkrāšanos.

Vibrāciju izturība un cietās datnes krātuves

Mehāniskajām cietajām datnēm nav vietas ekstrēmos vides apstākļos. Lasīšanas/rakstīšanas galviņas peld tikai nanometrus virs rotējošajām disku virsmām. Vibrācijas izraisa galviņu sadursmes. Trieciens transportēšanas vai uzstādīšanas laikā var padarīt disku neizmantojamu. Izturīgie iegultie datoriem izmanto vienīgi cietās datnes krātuves — bez kustīgajām daļām, bez galviņām, kas var sadurties, un bez disku virsmām, kurām var rasties skrāpējumi.

Atšķirība uzticamībā redzama lauka datu analīzē. Iestādes, kas pārgāja no tradicionālajām personālajām datoriem uz iebūvētiem datoriem ar cieto disku krātuvi, ziņoja par mazāku skaitu krātuves saistītu darbības traucējumu. Uzlabojums nebija nenozīmīgs — tas bija tik ievērojams, ka izmainīja iegādes lēmumus visās organizācijās. Krātuves jomā pārsniedzot, visu sistēmu ietekmē arī samazināta mehāniskā sarežģītība. Mazāk kustīgu daļu nozīmē mazāk iespēju kļūdām, kas nozīmē mazāk apkopes un mazāk ārkārtas aizvietojumu.

Uzstādīšanas un savienojuma izcilība

Ekstrēmas vides ne tikai ietekmē iekšējās sastāvdaļas — tās spriedz arī fiziskos savienojumus. Standarta Ethernet porti ar plastmasas spraugām sabrūk, ja kabeļus atkārtoti velk. USB porti ar laiku atlaižas vibrācijas ietekmē. Barošanas savienotāji arī atlaižas, izraisot periodiskas izslēgšanās, kuras ir ļoti grūti diagnosticēt.

Izturīgi iebūvētie datori novērš šos vājās vietas, izmantojot pastiprinātus savienotājus, bloķēšanas mehānismus un rūpnieciskās klases ievadi/izvadi. M12 savienotāji, kas sākotnēji tika izstrādāti rūpnieciskiem sensoriem un izpildmehānismiem, nodrošina drošus, vibrācijām izturīgus savienojumus Ethernet un strāvai. Šie savienotāji tiek uzskrūvēti vietā, nevis balstās uz berzes spraugām. Tie saglabā savienojuma integritāti pat nepārtrauktas vibrācijas apstākļos. Atšķirība šķiet nenozīmīga, līdz esat pavadījuši stundām ilgu laiku, meklējot pārtrauktu savienojumu, kas pārtraucas tikai tad, kad tuvumā esoša mašīna darbojas pilnā jaudā.

Pielietojums reālajā pasaulē: piekrastes uzraudzības stacija

Valsts iestādes pārvaldītā piekrastes vides uzraudzības stacija bija tipisks piemērs, kurā nepieciešami izturīgi iebūvēti datori. Stacija atradās uz kaija, pakļauta sāls miglai, stipriem vējiem, temperatūras svārstībām — no gandrīz saldēšanās ziemas naktīm līdz mitrām vasaras pēcpusdienām — un nepārtrauktai vibrācijai, ko viļņu darbība pārnes caur kaija konstrukciju.

Sākotnējā izvietošana izmantoja standarta rūpnieciskos personāldatorus ar ventilatoriem un mehāniskajiem diskiem. Darbības traucējumu biežums bija augsts — aptuveni viena trešdaļa ierīču prasīja apkopi pirmajā gadā. Aģentūra tās aizvietoja ar ventilatorus nesaturīgiem iegultajiem datoriem, kuriem ir IP66 klases korpusi, plaša temperatūras diapazona komponenti un cietās diskas uzglabāšana. Uzlabojums bija ievērojams. Apkalpošanas intervāli pagarinājās no mēnešiem līdz gadiem. Datori vienkārši turpināja darboties, savācot sensoru datus un tos nosūtot atpakaļ galvenajā birojā bez jebkādām problēmām. Sākotnējās izmaksu atšķirības ātri kompensēja samazinātās apkopes apmeklējumu skaita un novērsto avārijas aizvietošanu.

Tad, kad ilgmūžīgums nenozīmē neuzbojājamību

Godīga novērtējuma būtība ir atzīt robežas. Ilgstoši darbojošies iebūvētie datoru sistēmas iztur apstākļus, kuri iznīcinātu standarta aprīkojumu, tomēr tās nav neuzvaramas. Ārkārtīgi augstas vai zemas temperatūras ārpus norādītā diapazona beigās izraisīs darbības pārtraukumu. Ilgstoša iedarbība ar korozīviem ķīmiskajiem savienojumiem var iznīcināt blīves un pārklājumus. Fiziski triecieni, kas pārsniedz norādītās robežvērtības, var bojāt korpusus un iekšējās sastāvdaļas.

Būtiski ir pielāgot aprīkojuma specifikācijas faktiskajai ekspluatācijas videi — ne ideālajai videi, ne videi, kuru kāds vēlētos redzēt, bet reālajai videi. Tas nozīmē temperatūras diapazona izpēti visos gadalaikos, putekļu un mitruma līmeņa novērtējumu, vibrāciju mērīšanu, ja iespējams, un aprīkojuma izvēli ar tādām raksturistikām, kas nodrošina drošības rezervi. Pārmērīgi augstas prasības palielina sākotnējās izmaksas, tačau samazina atteikumu skaitu. Zemākas prasības sākumā ietaupa naudu, tačau ilgtermiņā rada augstākas kopējās izmaksas. Pareizais līdzsvars ir atkarīgs no konkrētās lietojumprogrammas un tās pieļaujamās darbības pārtraukuma ilguma.