Izpētot industriālā datora spēku automatizācijā

Industriālā datora loma modernās automatizācijas sistēmās

Industriālie datori jeb saīsināti IPC veido kodolkomponenti, kas veido mūsdienu industriālās automatizācijas sistēmu pamatu. Šie datori apvieno izturīgas aparatūras komponentes ar spēcīgu procesoru, lai veiktu sarežģītas kontroles uzdevumus, kas nodrošina rūpnīcu gludu darbību. To atšķirība no parastajiem PLC ir tā, ka tie vienā ierīcē apvieno vairākas funkcijas — reāllaika procesu kontroli, datu ievākšanu no dažādiem avotiem un HMI ekrānu apstrādi, kas vajadzīga operatoriem, lai redzētu, kas notiek. Jaunākās paaudzes IPC var nepārtraukti uzraudzīt ražošanas līnijas dienu pēc dienas, jo tie tieši savienojas ar sensoriem un izpildmehānismiem visā ražošanas telpā. Daži modeļi vienlaikus var apstrādāt pat vairāk nekā 5000 ievades/izvades punktus, turklāt joprojām reaģēt uz komandām mazāk nekā milisekundē. Tieši šāda ātruma dēļ viss notiek ātri un precīzi uz rūpnīcas grīdas.

Nozīmīga nozaru pārmaiņa notiek tādēļ, ka 62% ražotāju tagad izmanto PC bāzētas kontroles arhitektūras, nevis atsevišķas PLC ierīces, saskaņā ar 2024. gada Rūpnieciskās automatizācijas ziņojumu. Šī pāreja ļauj iekārtām vienlaikus darbināt mašīnvīzijas algoritmus un PLC loģiku uz viena industriālā datora, samazinot sistēmas sarežģītību par 40% salīdzinājumā ar tradicionālām iekārtām.

Lielais Eiropas automobiļu ražotājs nesen izmantoja industriālos datorus, lai koordinētu to ražošanas līniju ar 12 robotu metināšanas stacijām un 8 kvalitātes pārbaudes kamerām visā montāžas procesā. Rezultātā tika konstatēts, ka datoru sistēma samazināja aizkavēšanos starp šīm stacijām gandrīz par trīs ceturtdaļām, faktiski apmēram par 83%. Vēl svarīgāk ir tas, ka tā ļāva veikt pielāgojumus reāllaikā, kad detaļas nedaudz atšķīrās no norādītajām specifikācijām. Šī piemēra izpēte parāda, kāpēc industriālie datori kļūst par būtisku saikni starp ražošanas grīdas darbībām un uzņēmuma IT sistēmām. Šāda veida hibrīda arhitektūra vairs nav tikai teorētiska — tā ir pamats, uz kura visā pasaulē tiek veidota t.s. Industrijas 4.0 infrastruktūra.

Industriālo datoru izturīgais dizains un izturība pret ārējiem apstākļiem

Galvenās izturīgās īpašības: IP65/NEMA4 hermētiskums, platā temperatūras izturība, vibrāciju izturība

Industriālie datoriem ir izturīga konstrukcija, kas paredzēta darbam grūtos apstākļos. Tie tiek komplektēti ar noslēgtām kastēm, kuru aizsardzības klase ir IP65 vai NEMA4 standarts, kas nozīmē, ka tie aizsargā pret putekļiem, ūdeni un citām daļiņām. Tas ir ļoti svarīgi tādās vietās kā gaļas pārstrādes uzņēmumi vai automašīnu remonta darbnīcas, kur visa diena notiek darbā, kur viss tiek izmētāts. Arī šo mašīnu iekšējās montāžas sistēmas var izturēt lielu slodzi. Tās saglabā integritāti pat pēc vibrācijām no 5 līdz 50G spēkiem, tāpēc tās darbojas uzticami blakus lielām mašīnām, kas drebina grīdu. Parasti darbvirsmas datori šeit nedarbojas. Vairumā tiem ir plastmasas korpusi ar ventilācijas atverēm, kas ļauj gaisam plūst, bet vienlaikus rada problēmas. Industriālie varianti vispār iztiek bez ventilatoriem un izmanto vienotas alumīnija konstrukcijas. Šāda dizaina izvēle novērš biežas atteices, kas raksturīgas standarta datoraparatūrai.

Uzticams darbs ekstrēmos apstākļos: -20°C līdz 60°C un vairāk

Sistēmas izmanto rūpnieciskas izturības detaļas, kas var izturēt daudz karstākas un aukstākas ārējas vides nekā parasti ir standarta aprīkojumam. Kondensatori darbojas bez problēmām gan tad, ja tie atrodas aukstā noliktavā ar mīnus 20 grādiem pēc Celsija, gan arī tērauda ceha vadības telpā, kur temperatūra pārsniedz 60 grādus. Šāda veida izturība pret siltumu nozīmē, ka šīs ierīces var izmantot mobilās naftas platformās un lietuves, kur temperatūra pastāvīgi svārstās. Arī aukstā ķēdes loģistikai izturīgi mobilie datori turpina darboties bez problēmām pat tad, kad tie pārvietojas no ļoti aukstās uzglabāšanas telpas ar mīnus 30 grādiem līdz siltām vidēm ar temperatūru līdz 40 grādiem, kamēr kravas kuģi šķērso okeānus.

Dati: 87% no rūpniecisko personālo datoru darbojas uzticami ļoti grūtās rūpnieciskās vides apstākļos (pētījumu konsultāciju grupa ARC Advisory Group)

Industriālie datoriem ir pierādīta izturība saskaņā ar jaunākajiem pētījumiem. Pēc ARC Advisory Group datiem, aptuveni 87 procenti šo mašīnu joprojām darbojas labi pat vibrāciju, mitruma uzkrāšanās un putekļu daļiņu ietekmē. Šāda uzticama darbība nozīmē mazāk pārtraukumu rūpniecības iekārtām, kas ir ļoti svarīgi bezpārtraukti darbojošās rūpnīcās, jo katras zaudētās stundas izmaksas pārsniedz piecdesmit tūkstošus dolāru. Skaitļu analīze skaidri parāda, kāpēc industriālie datori izceļas salīdzinājumā ar parastajiem darbvirsmas datoriem. Kamēr standarta datoriem parasti ilgst apmēram trīsdesmit tūkstošus stundu, pirms nepieciešams remonts nelabvēlīgos apstākļos, industriālie modeļi bieži darbojas vairāk nekā simts tūkstošus stundu bez pārtraukumiem.

Industriālais dators pret komerciālo datoru: uzticamība un ilgtermiņa vērtība automatizācijā

Izturība un 24/7 darbības uzticamība industriālā vidē

Rūpnieciskie datoriem vienkārši ir labāki nekā parastie darbvirsmas datori, jo tie ir būvēti izturīgi, lai izturētu dažādas grūtas apstākļus. Mēs runājam par vidēm, kas pildītas ar putekļiem, mitrumu, ekstrēmām temperatūrām no -20°C līdz pat 60°C, kā arī pastāvīgu vibrāciju, kas sabojātu normālu iekārtu. Vairumtirdzniecības klases datori ilgi neiztur vispār, ja tos novieto uz rūpniecisko ražošanas līniju, bieži vien izbeidzot darbu jau pēc dažiem mēnešiem. Rūpnieciskie modeļi tomēr turpina darboties uzticami, neskatoties uz visu šo slogu. Šīm iekārtām ir rezerves elektropadeves avoti, cietās diskdrukatas (SSD) vietā tradicionālajiem cietajiem diskiem un īpašas dzesēšanas sistēmas, kas nesaredz ventilatorus. Tas ir ļoti svarīgi tādās vietās kā automašīnu ražošanas rūpnīcas vai ķīmisko apstrādes iekārtas, kur negaidīti izslēgšanās var maksāt uzņēmumiem vairāk nekā septiņi simti četrdesmit tūkstoši dolāru katru vienu stundu saskaņā ar 2023. gada pētījumu, ko veikusi Ponemon Institute.

Izdevumu analīze: Augstākas sākotnējās izmaksas pret ilgāku kalpošanas laiku un zemāku kopējām izmaksām

Industriālie datoriem patiešām ir augstāka sākotnējā cena, parasti tās maksā divas līdz trīs reizes vairāk nekā standarta datoriem. Tomēr, raugoties uz lielāko ainu, šīs ierīces kalpo no pieciem līdz desmit gadiem vai ilgāk, tādējādi ievērojami samazinot pastāvīgās izmaksas. Lielākā daļa ražotāju tur rezerves daļas vairāk nekā desmit gadus, tāpēc nav nepieciešams ik pēc trim vai četriem gadiem nomainīt visu sistēmu, kā tas notiek ar parastajām datoru sistēmām. Daudzi rūpnīcu vadītāji ir novērojuši, ka kopējās izmaksas ir samazinājušās apmēram par 40% septiņu gadu laikā, jo nav nepieciešams pastāvīgi mainīt aparatūru, risināt ražošanas pārtraukumus, kas rodas maiņas laikā, vai atkārtoti veikt programmatūras validāciju. Uzņēmumiem, kas vēlas ieviest Industry 4.0 tehnoloģijas, uzticamas kontroles sistēmas, kuras nevajadzēs nomainīt drīzā nākotnē, kļūst par kritiski svarīgu elementu. Ilgāks kalpošanas laiks nozīmē mazāk pārtraukumu un labāku ieguldījumu atdevi ilgtermiņā.

Industriālā PC integrācija ar automatizācijas programmatūru un industriālajām tīklām

Nevainojama integrācija ar automatizācijas programmatūru: SCADA, HMI un kustības kontroles sistēmām

Industriālie datori veido mūsdienu automatizēto rūpnīcu pamatu, apvienojot vairākas galvenās sastāvdaļas. Tie savieno SCADA sistēmas, kas uzrauga visas ražošanas vietas, HMI, kas ļauj operatoriem viegli mijiedarboties ar mašīnām, un kustības kontroles programmatūru, kas nodrošina precīzu iekārtu savstarpēju darbību. Šiem datoriem ir spēcīgi daudzdzinēju procesori, kas spējīgi veikt kritiskas darbības, piemēram, robotu kustību plānošanu tajā pašā laikā, kad tie sūta informāciju uz lielākām uzņēmējdarbības sistēmām. Šī divkāršā funkcionalitāte nozīmē, ka rūpnīcu vadītāji var optimizēt darbības visās jomās, neuztraucoties par datu apstrādes aizkavēšanos vai palēnināšanos.

Pieslēgums industriālajām tīklām: EtherCAT, Ethernet/IP, Modbus TCP/IP

Darbs ar dažādiem protokoliem nozīmē, ka lielākajai daļai industriālo datoru šodienas realitātē ir iespēja savienoties ar aptuveni 94% lauka ierīcēm caur tīkliem reālā laikā. Piemēram, EtherCAT var apstrādāt kustības kontroles ciklus līdz pat 250 mikrosekundēm, kas ir diezgan iespaidīgi. Savukārt Modbus TCP/IP joprojām labi darbojas ar vecākiem iekārtām, kas izmantotas jau vairākus gadus. Saskaņā ar nesen publicētu nozares ziņojumu pagājušajā gadā, rūpnīcām, kas pārslēdzās uz Ethernet/IP kopā ar industriālajiem datoriem, sakaru problēmas samazinājās aptuveni par vienu trešdaļu salīdzinājumā ar tām, kas joprojām izmantoja vecās vārtpriekšnieku sistēmas. Kāpēc? Šādas jaunākas konfigurācijas nodrošina daudz prognozējamāku datu maršrutizāciju, kas rada gludāku darbību ražošanas telpās.

IT un OT savienošana, lai ražotu gudrāku, datu vadītu ražošanu

Apvienojot IT un OT tīklus, industriālie datori nodrošina drošu divvirzienu datu plūsmu starp rūpnīcas aprīkojumu un mākoņa platformām. Šāda integrācija atbalsta prognozējošās apkopes algoritmus, kas analizē vibrācijas un siltuma rakstus, samazinot neplānotu darbības pārtraukumu līdz pat 52% dažādās viedās ražošanas ieviešanās jomās.

Edge computing ar industriālajiem datoriem reāllaikā notiekošai datu apstrādei

Industriālie datori, kas aprīkoti ar edge computing, var apstrādāt redzes sistēmu datus tieši uz vietas, apstrādājot tos apmēram 2,5 reizes ātrāk nekā tradicionālās mākoņa platformas, saskaņā ar testiem farmācijas produktu inspekcijā. Šīs iekārtas izmanto spēcīgas GPU, lai noteiktu sīkas kļūdas tabletēs jau 8 milisekunžu laikā. Tajā pašā laikā tās samazina datu paketes, kas tiek nosūtītas atpakaļ AI apmācībai. Šāda konfigurācija ļauj ražotājiem uzreiz saņemt atsauksmes par produkta kvalitāti, vienlaikus nodrošinot vērtīgu informāciju ražošanas procesu uzlabošanai ilgtermiņā.

Industriālo datoru pielietojums 4. paaudzes rūpniecībā, ražošanā un robotikā

Robotu kontrole, mašīnu vadība un sensoru datu vākšana automatizācijā

Industriālie datori (IPC) kalpo kā robotu sistēmu aprēķinu pamats, veicot reāllaika kustības kontroles algoritmus un apstrādājot sensoru datus no redzes sistēmām, lidar un momenta sensoriem. Tas ļauj robotu rokām veikt uzdevumus ar precizitāti līdz pat mikrometram automašīnu metināšanas līnijās un iepakošanas iekārtās, saglabājot cikla laiku zem 0,5 sekundēm.

Vizma ražošana un 4. paaudzes rūpniecība: industriālo datoru loma digitālajā transformācijā

IPC sistēmas savieno IT pasauli ar operatīvo tehnoloģiju smart rūpnīcās, ļaujot optimizēt ražošanas darbību, pamatojoties uz faktiskiem datiem. Pēdējie Industry 4.0 pieņemšanas dati liecina, ka aptuveni trīs no četrām smart rūpnīcām jau šobrīd izmanto IPC sistēmas edge analīzei. Šīs sistēmas pārveido dažādus mašīndatus, piemēram, iekārtu vibrācijas un siltuma attēlus, par brīdinājumiem par iespējamām apkopes problēmām, pirms kaut kas pilnībā iziet no ierindas. Rezultāti runā paši par sevi — daudzas rūpnīcas ziņo, ka pēkšņas apstāšanās laiks samazinājies gandrīz par pusi pēc šādas sistēmas ieviešanas, kas ir ļoti svarīgi ražotājiem, kuriem darbojas strauji attīstības rindās, kur katru minūti skaita.

Gadījuma pētījums: Pusvadītāju ražošanas rūpnīca, izmantojot IPC sistēmas precīzai procesu kontrolei

Vadošs pusvadītāju ražotājs izvietoja rūpnieciskos personāldatorus (IPC) visā tā 300 mm disku ražošanas līnijā, sasniedzot 99,998 % procesa stabilitāti, analizējot 15 000+ datu punktus reālā laikā uz katra rīka. IPC tīkls koordinē robotizētus materiālu pārvadātājus, plazmas ķīmiskās apstrādes sistēmas un mērīšanas iekārtas, vienlaikus nodrošinot atbilstību tīrības telpu klasei 1 ar filtrētu bezventilatoru dzesēšanu.

Mērogojamība un nākotnes drošināšana automatizācijas sistēmām ar datoru arhitektūru

Mūsdienu rūpnieciskie personāldatori atbalsta modulāru paplašināšanos caur PCIe/VPX interfeisiem, ļaujot ražotājiem pakāpeniski uzlabot mašīnredzes spējas vai pievienot 5G bezvadu moduļus, neaizstājot visu kontroles sistēmu. Šāda mērogojamība, kombinēta ar IEC 62443 kibers drošības atbilstību, nodrošina datoru arhitektūras pamatu nākamās paaudzes lietojumiem, piemēram, digitālo dubultnieku simulācijai un mākslīgā intelekta balstītai kvalitātes pārbaudei.

Bieži uzdotie jautājumi

Kas ir rūpnieciskie personāldatori?

Rūpnieciskie datoru modeļi ir izturīgi aprēķinu ierīces, kas paredzēti vadīšanas un uzraudzības uzdevumiem automatizētās rūpnieciskās vides. Tie integrē procesu vadības, datu vākšanas un HMI funkcionalitāti.

Kāpēc rūpnieciskos datorus dod priekšroku salīdzinājumā ar tradicionālajiem PLC?

Rūpnieciskie datori piedāvā plašu iespēju klāstu vienā ierīcē, ļaujot ražošanas iekārtām vienlaikus izpildīt mašīnvīzijas algoritmus un PLC loģiku, ievērojami samazinot sistēmas sarežģītību salīdzinājumā ar tradicionālām iekārtām.

Kā rūpnieciskie datori uztur uzticamību grūtās darbības vidē?

Rūpnieciskie datori tiek būvēti ar izturīgu dizainu un aprīkoti ar jaudīgām aparatūras sastāvdaļām, lai izturētu ekstrēmas temperatūras, vibrācijas, mitrumu un putekļus, nodrošinot uzticamību prasīgās rūpnieciskās vides apstākļos.

Kāda loma rūpnieciskajiem datoriem ir Industry 4.0?

Industriālie datori darbojas kā gudro fabriku pamats, nodrošinot bezšuvju integrāciju starp IT un OT sistēmām. Tie atbalsta malu apstrādi, prognozējošo uzturēšanu, reāllaikā notiekošu datu apstrādi un veicina digitālo pārtransformāciju, kas ir nepieciešama Industrijas 4.0 ietvaros.

Vai industriālos datorus var integrēt ar esošajām industriālajām sistēmām?

Jā, industriālie datori bez problēmām var integrēties ar SCADA, HMI un kustības kontroles sistēmām, kā arī pieslēgties dažādām industriālajām tīklu sistēmām, piemēram, EtherCAT, Ethernet/IP un Modbus TCP/IP, lai nodrošinātu optimālu saziņu ar lauka ierīcēm.