Eksplorowanie mocy komputera przemysłowego w automatyce

Rola komputera przemysłowego w nowoczesnych systemach automatyki

Komputery przemysłowe, zwane także IPC, stanowią podstawowy element obliczeniowy współczesnych systemów automatyki przemysłowej. Urządzenia te łączą trwałe komponenty sprzętowe z mocą obliczeniową niezbędną do wykonywania skomplikowanych zadań sterowania, które pozwalają fabrykom działać bez przeszkód. To, co odróżnia je od tradycyjnych sterowników PLC, to fakt, że w jednej obudowie łączą kilka różnych funkcji: kontrolę procesów w czasie rzeczywistym, zbieranie danych z różnych źródeł oraz obsługę ekranów HMI potrzebnych operatorom, aby widzieć, co się dzieje. Najnowsza generacja IPC może nieprzerwanie monitorować linii produkcyjnych dzień po dniu, ponieważ łączy się bezpośrednio z czujnikami i elementami wykonawczymi na całym poziomie hali produkcyjnej. Niektóre modele potrafią obsługiwać jednocześnie aż 5000 punktów wejścia/wyjścia i nadal odpowiadać na polecenia w czasie krótszym niż milisekunda. Taka szybkość ma ogromne znaczenie, gdy na hali fabrycznej wszystko dzieje się bardzo szybko.

Znaczący przeskok w przemyśle ma miejsce, ponieważ 62% producentów wykorzystuje obecnie architektury sterowania oparte na komputerze PC zamiast autonomicznych sterowników PLC, zgodnie z raportem Industrial Automation 2024. Taki przejazd pozwala na uruchamianie algorytmów wizyjnych maszyn wraz z logiką PLC na tym samym przemysłowym komputerze PC, zmniejszając złożoność systemu o 40% w porównaniu do tradycyjnych konfiguracji.

Najnowszym przypadkiem dużego europejskiego producenta samochodów jest wykorzystanie komputerów przemysłowych do koordynowania linii produkcyjnej z 12 stanowiskami spawalniczymi robotów oraz 8 kamerami kontrolnymi jakości w całym procesie montażu. Okazało się, że system komputerowy skrócił opóźnienia między tymi stanowiskami aż o trzy czwarte, dokładnie około 83%. Co ważniejsze, umożliwiał wprowadzanie korekt w trakcie pracy, gdy części nieznacznie odbiegały od specyfikacji. Analiza tego przypadku pokazuje, dlaczego komputery przemysłowe stają się tak istotne w łączeniu operacji z poziomu hali produkcyjnej z systemami IT przedsiębiorstwa. Te hybrydowe konfiguracje przestają być jedynie teoretyczne – tworzą podstawę dla tzw. Przemysłu 4.0 w zakładach produkcyjnych na całym świecie.

Wydurable Projektowanie i odporność środowiskowa komputerów przemysłowych

Kluczowe wytrzymałe cechy: uszczelnienie IP65/NEMA4, szeroki zakres temperatur, odporność na wibracje

Komputery przemysłowe są budowane solidnie, aby wytrzymać trudne warunki pracy. Dysponują uszczelnionymi obudowami o klasie ochrony IP65 lub NEMA4, co oznacza, że skutecznie chronią je przed pyłem, wodą i innymi cząstkami. Ma to ogromne znaczenie w miejscach takich jak zakłady mięsne czy warsztaty samochodowe, gdzie przez cały dzień wszystko się porusza. Systemy montażowe wewnątrz tych maszyn również potrafią wytrzymać znaczne obciążenia. Pozostają nietknięte nawet po wystawieniu na wibracje o sile od 5 do 50G, dzięki czemu działają niezawodnie tuż obok dużych maszyn, które wprawiają podłogę w drżenie. Zwyczajne komputery stacjonarne po prostu nie radzą sobie w takich warunkach. Większość z nich ma plastikowe obudowy z wlotami powietrza, które choć wspomagają wentylację, to jednocześnie stanowią potencjalne źródło problemów. Wersje przemysłowe zrezygnowały całkowicie z wentylatorów na rzecz solidnych ram aluminiowych. Taki wybór projektowy eliminuje typowe punkty awarii występujące w standardowym sprzęcie komputerowym.

Niezawodna praca w ekstremalnych warunkach: od -20°C do 60°C i więcej

Systemy wykorzystują komponenty o przemysłowej wytrzymałości, które potrafią funkcjonować w znacznie bardziej ekstremalnych warunkach temperaturowych niż standardowe urządzenia. Kondensatory działają bez zarzutu zarówno w zimnych jak minus 20 stopni Celsjusza w magazynach, jak i w gorących pomieszczeniach kontrolnych huty stali, gdzie temperatura przekracza 60 stopni. Taka odporność na temperaturę oznacza, że urządzenia te mogą być używane na mobilnych platformach wiertniczych oraz w hutach, gdzie temperatura znacznie się zmienia. W logistyce łańcucha chłodniczego również komputery przemysłowe działają bez problemu nawet podczas przemieszczania się między bardzo zimnymi magazynami o temperaturze minus 30 stopni a ciepłymi środowiskami o temperaturze do 40 stopni, gdy statki przekraczają oceany.

Dane: 87% komputerów przemysłowych działa niezawodnie w trudnych warunkach przemysłowych (ARC Advisory Group)

Komputery przemysłowe udowodniły swoją wytrzymałość zgodnie z najnowszymi wynikami badań. ARC Advisory Group stwierdził, że około 87 procent tych maszyn nadal działa poprawnie nawet w warunkach drgań, gromadzenia się wilgoci oraz obecności unoszących się cząstek kurzu. Taka niezawodna praca oznacza mniej przerw w działaniu maszyn produkcyjnych, co ma ogromne znaczenie w zakładach pracujących non-stop, ponieważ każda utracona godzina może kosztować ponad pięćdziesiąt tysięcy dolarów. Spojrzenie na liczby wyjaśnia, dlatego komputery przemysłowe wyróżniają się tak bardzo w porównaniu do zwykłych komputerów stacjonarnych. Podczas gdy standardowe komputery PC zazwyczaj działają około trzydziestu tysięcy godzin zanim wymagają naprawy w trudnych warunkach, modele przemysłowe często pracują ponad sto tysięcy godzin bez przerwy bez wystąpienia awarii.

Komputer przemysłowy kontra komputer biurowy: niezawodność i długoterminowa wartość w automatyce

Wytrzymałość oraz niezawodność pracy w trybie 24/7 w środowiskach przemysłowych

Komputery przemysłowe są po prostu lepsze od zwykłych komputerów stacjonarnych, ponieważ są budowane w taki sposób, by wytrzymać różnego rodzaju surowe warunki. Mówimy o środowiskach pełnych kurzu, wilgoci, skrajnych temperaturach wahających się od -20°C aż do 60°C, oraz ciągłych wibracjach, które mogłyby zniszczyć normalne urządzenia. Większość komputerów klasy komercyjnej nie działa długo, gdy zostaną umieszczone na liniach produkcyjnych w fabrykach – często przestają działać już po kilku miesiącach. Modele przemysłowe natomiast działają niezawodnie mimo tych wszystkich trudności. Urządzenia te są wyposażone w zasilanie awaryjne, dyski SSD zamiast tradycyjnych twardych dysków, oraz specjalne systemy chłodzenia nie wykorzystujące wentylatorów. Ma to ogromne znaczenie w miejscach takich jak zakłady produkujące samochody czy instalacje przetwarzające chemikalia, gdzie nieplanowane wyłączenia mogą kosztować firmy ponad 740 000 dolarów co godzinę, według badań przeprowadzonych w 2023 roku przez Instytut Ponemon.

Analiza kosztów: wyższy koszt początkowy a dłuższy cykl życia i niższy całkowity koszt posiadania

Komputery przemysłowe rzeczywiście mają wyższą początkową cenę, zazwyczaj kosztują dwa do trzy razy więcej niż standardowe komputery. Jednak patrząc na sytuację w szerszej perspektywie, maszyny te mogą służyć od pięciu do dziesięciu lat lub dłużej, co znacznie obniża koszty eksploatacyjne. Większość producentów przez około dziesięć lat utrzymuje zapasy części zamiennych, więc nie ma potrzeby wymieniania całego systemu co trzy lub cztery lata, jak ma to miejsce w przypadku zwykłych systemów komputerowych. Wiele menedżerów fabryk zauważyło, że ich ogólne koszty zmniejszyły się o około 40% w ciągu siedmiu lat, ponieważ nie muszą oni stale wymieniać sprzętu, zmagając się z przerwami w produkcji podczas jego aktualizacji ani wielokrotnie przechodzić procesu walidacji oprogramowania. Dla firm planujących wdrożenie technologii przemysłu 4.0, posiadanie niezawodnych systemów sterowania, które nie będą wymagały szybkiej wymiany, staje się absolutnie krytyczne. Dłuższy okres eksploatacji oznacza mniej zakłóceń i lepszy zwrot z inwestycji na dłuższą metę.

Integracja komputera przemysłowego z oprogramowaniem automatyki i sieciami przemysłowymi

Bezproblemowa integracja z oprogramowaniem automatyki: SCADA, HMI oraz sterowaniem ruchu

Komputery przemysłowe stanowią podstawę współczesnych fabryk automatycznych, łącząc kilka kluczowych komponentów. Łączą systemy SCADA monitorujące całe zakłady, interfejsy HMI umożliwiające operatorom łatwą interakcję z maszynami oraz oprogramowanie sterujące ruchem, które zapewnia precyzyjne współdziałanie całego sprzętu. Komputery te są wyposażone w wydajne procesory wielordzeniowe, zdolne do wykonywania zadań krytycznych, takich jak wyznaczanie tras ruchu robotów, w tym samym czasie przesyłając informacje do większych systemów biznesowych. Taka podwójna funkcjonalność pozwala menedżerom fabryk optymalizować działania na szeroką skalę, bez obawy o opóźnienia lub zwolnienia w przetwarzaniu danych.

Łączenie się z sieciami przemysłowymi: EtherCAT, Ethernet/IP, Modbus TCP/IP

Możliwość pracy z różnymi protokołami oznacza, że większość komputerów przemysłowych może komunikować się z około 94% urządzeń w terenie poprzez sieci czasu rzeczywistego. Weźmy na przykład EtherCAT – obsługuje cykle sterowania ruchem o częstotliwości do 250 mikrosekund, co jest naprawdę imponujące. Tymczasem Modbus TCP/IP nadal dobrze współpracuje ze starszym sprzętem z wcześniejszych lat. Zgodnie z ostatnim branżowym raportem sprzed roku, fabryki, które przełączyły się na Ethernet/IP wraz z komputerami przemysłowymi, odnotowały około trzykrotnie mniej problemów z komunikacją niż te, które nadal korzystają ze starszych systemów bramkowych. Dlaczego? Nowocześniejsze konfiguracje kierują dane w sposób znacznie bardziej przewidywalny, umożliwiając płynniejsze działanie na hali produkcyjnej.

Łączenie IT i OT dla bardziej inteligentnej, opartej na danych produkcji

Poprzez łączenie sieci IT i OT, komputery przemysłowe umożliwiają bezpieczny dwukierunkowy przepływ danych pomiędzy urządzeniami fabrycznymi a platformami chmurowymi. Ta integracja wspiera algorytmy utrzymania predykcyjnego, które analizują sygnatury drgań i wzorce termalne, zmniejszając nieplanowane przestoje o do 52% w realizacjach inteligentnej produkcji.

Przetwarzanie brzegowe z komputerami przemysłowymi do natychmiastowej obróbki danych

Komputery przemysłowe wyposażone w przetwarzanie brzegowe potrafią lokalnie obsłużyć dane systemu wizyjnego, przetwarzając je około 2,5 raza szybciej niż w przypadku tradycyjnych systemów opartych na chmurze, według testów przeprowadzonych w inspekcjach farmaceutycznych. Maszyny te wykorzystują wydajne karty graficzne do wykrywania najmniejszych wad tabletek w zaledwie 8 milisekund. Jednocześnie skutecznie zmniejszają rozmiar pakietów danych wysyłanych z powrotem do celów uczenia sztucznej inteligencji. Taka konfiguracja daje producentom natychmiastową informację zwrotną o jakości produktu, jednocześnie dostarczając wartościowych danych do dalszego doskonalenia procesów produkcyjnych.

Zastosowanie komputerów przemysłowych (IPC) w przemyśle 4.0, produkcji i robotyce

Sterowanie robotami, prowadzenie maszyn i zbieranie danych z czujników w automatyce

Komputery przemysłowe (IPC) stanowią podstawę obliczeniową systemów robotycznych, realizując algorytmy sterowania ruchem w czasie rzeczywistym oraz przetwarzając dane z czujników wizyjnych, lidarów i czujników momentu obrotowego. Umożliwia to ramionom robotów wykonywanie zadań z precyzją submilimetrową na liniach spawalniczych samochodów czy w zakładach pakujących, przy czasie cyklu krótszym niż 0,5 sekundy.

Inteligentna produkcja i Przemysł 4.0: Rola komputerów przemysłowych w transformacji cyfrowej

Systemy IPC łączą świat IT z technologią operacyjną w inteligentnych fabrykach, umożliwiając optymalizację procesów produkcyjnych na podstawie rzeczywistych danych. Najnowsze dane dotyczące wdrażania przemysłu 4.0 wskazują, że około trzy czwarte inteligentnych fabryk wykorzystuje już IPC-y do analiz brzegowych. Systemy te przetwarzają różnorodne dane maszynowe, takie jak wibracje urządzeń czy obrazy termiczne, przekształcając je w ostrzeżenia przed potencjalnymi problemami serwisowymi zanim dojdzie do całkowitego zatrzymania. Rezultaty są przekonujące – wiele zakładów raportuje zmniejszenie nieplanowanych przestojów o prawie połowę po wdrożeniu takiego systemu, co w warunkach szybko płynących linii produkcyjnych, gdzie każda minuta się liczy, ma ogromne znaczenie.

Studium przypadku: Fabryka półprzewodników wykorzystująca IPC-y do precyzyjnej kontroli procesu

Wiodący producent półprzewodników wdrożył komputery przemysłowe (IPC) na całej linii produkcji waferów 300mm, osiągając stabilność procesu na poziomie 99,998% dzięki analizie w czasie rzeczywistym ponad 15 000 punktów danych z każdego narzędzia. Sieć IPC koordynuje robotyczne systemy transportowe, systemy trawienia plazmowego oraz narzędzia metrologiczne, jednocześnie zapewniając zgodność z wymogami pomieszczeń czystych klasy 1 dzięki chłodzeniu z filtrem i bezwentylatorowemu.

Rozszerzalność i przygotowanie systemów automatyki na przyszłość dzięki architekturze opartej na komputerach PC

Nowoczesne komputery przemysłowe (IPC) obsługują rozbudowę modułową poprzez interfejsy PCIe/VPX, pozwalając producentom stopniowo ulepszać możliwości inspekcji wizyjnej lub dodawać moduły bezprzewodowe 5G bez konieczności zastępowania całych systemów sterowania. Ta skalowalność, w połączeniu z zgodnością z normą bezpieczeństwa IEC 62443, umożliwia systemom automatyki opartym na komputerach PC wspieranie aplikacji nowej generacji, takich jak symulacja cyfrowego bliźniaka czy inspekcja jakości wspieranej przez sztuczną inteligencję.

Często zadawane pytania

Czym są komputery przemysłowe (IPC)?

Komputery przemysłowe to urządzenia obliczeniowe o wzmocnionej konstrukcji, zaprojektowane do wykonywania zadań związanych z kontrolą i monitorowaniem w zautomatyzowanych środowiskach przemysłowych. Integrują funkcje sterowania procesami, zbierania danych oraz interfejsu człowiek-maszyna (HMI).

Dlaczego komputery przemysłowe są preferowane w porównaniu do tradycyjnych sterowników PLC?

Komputery przemysłowe oferują szeroki zakres możliwości w jednej jednostce, pozwalając zakładom produkcyjnym uruchamiać jednocześnie algorytmy wizyjne i logikę PLC, znacznie redukując złożoność systemu w porównaniu do tradycyjnych konfiguracji.

W jaki sposób komputery przemysłowe zachowują niezawodność w trudnych warunkach środowiskowych?

Komputery przemysłowe są budowane z wykorzystaniem trwałych konstrukcji i wyposażone w wydajne komponenty sprzętowe, które pozwalają im wytrzymać ekstremalne temperatury, wibracje, wilgoć i kurz, zapewniając niezawodność w wymagających środowiskach przemysłowych.

Jaką rolę odgrywają komputery przemysłowe w Industrii 4.0?

Komputery przemysłowe stanowią podstawę inteligentnych fabryk, umożliwiając płynną integrację systemów IT i OT. Obsługują obliczenia brzegowe, utrzymanie predykcyjne, przetwarzanie danych w czasie rzeczywistym oraz wspierają transformację cyfrową wymaganą w Przemyśle 4.0.

Czy komputery przemysłowe można zintegrować z istniejącymi systemami przemysłowymi?

Tak, komputery przemysłowe mogą płynnie integrować się z systemami SCADA, HMI i sterowania ruchem oraz mogą łączyć się z różnymi sieciami przemysłowymi, takimi jak EtherCAT, Ethernet/IP i Modbus TCP/IP, zapewniając optymalną komunikację z urządzeniami terenowymi.