Компьютеры большие...

      

На верхнем уровне иерархии PC-совместимых промышленных систем находятся мощные компьютеры, предназначенные для управления производственными и технологическими процессами в масштабах производственного участка, цеха или завода. Это машины повышенной надежности, способные круглосуточно работать в условиях запыленности, больших перепадов температуры, вибрации и воздействия других неблагоприятных факторов, к которым можно отнести и невысокий уровень подготовки персонала.

      

Первые энтузиасты промышленного применения персональных компьютеров брали за основу системные платы обычных офисных ПК и помещали их в специальные корпуса. С течением времени, однако, выработались вполне определенные черты, которыми отличаются современные промышленные ПК.

      

Как правило, вместо стандартной системной платы применяется пассивная объединительная панель, в один из разъемов которой вставляется процессорная плата. Для связи с различными датчиками, исполнительными устройствами и каналами коммуникации может понадобиться большое количество плат расширения, поэтому их допустимое число в промышленных ПК достигает 12 - 14 в отличие от 6 - 8 в офисных моделях. Иногда применяются секционные панели, позволяющие компоновать несколько независимых компьютеров в одном корпусе. Применение пассивной панели способствует существенному сокращению времени ремонта, а соответственно и времени простоя технологического оборудования. Замена любой платы, в том числе процессорной, не превышает 5 - 10 минут. Кто хотя бы один раз менял системную плату в стандартном ПК, согласится, что это хорошее время.

      

Промышленные компьютеры имеют упрочненные металлические корпуса, как правило, монтируемые в стандартные стойки шириной 19 дюймов (48,26 см). Во многих системах применяются специальные средства, обеспечивающие повышенную виброустойчивость. Для предохранения от загрязнений и несанкционированного доступа НГМД часто запирается специальной дверцей с замком. Получили распространение так называемые индустриальные рабочие станции (Industrial Workstation), у которых системный блок и дисплей размещены в одном защищенном корпусе, а клавиатура, выполненная по мембранной технологии, встроена непосредственно в переднюю панель.

      

Обычно промышленные компьютеры снабжены источником питания большой мощности и имеют развитую систему воздушного охлаждения со сменными пылеулавливающими фильтрами и положительным внутренним давлением очищенного воздуха.

      

Некоторые фирмы для особо ответственных приложений выпускают отказоустойчивые компьютеры с возможностью дублирования важнейших узлов и их замены во время работы.

      

На наш рынок промышленные компьютеры поставляют фирмы Advantech, Intecolor, Texas Micro и др. (рис. 1 - 3).

      

Рис. 1. Типовой системный блок индустриального компьютера

Рис. 2. Монитор в защитном корпусе с приспособлениями

для обеспечения вибростойкости

Рис. 3. Типичная индустриальная рабочая станция

...И маленькие

      

Сегодня мы можем смело утверждать, что архитектура IBM PC распространяется все ниже в иерархии автоматизированных систем управления. В автомобильной промышленности США, которая потребляет 35% рынка PLC-контроллеров, уже принято решение о переходе на IBM PC-совместимые компьютеры и контроллеры. Более того, разработка и начало производства однокристальных IBM PC такими компаниями, как Intel, AMD, C&T, привели к тому, что сейчас эта архитектура вторгается на рынок недорогих контроллеров, где раньше безраздельно господствовали микроконтроллеры типа 8051 или 68HC11.

      

Системы автоматизации нижнего уровня отличаются тем, что их можно встраивать непосредственно в промышленное или бортовое оборудование. Они располагаются на самом объекте управления и часто должны работать в необорудованных и неотапливаемых помещениях, а то и просто на улице. Во многих случаях управляющие компьютеры и контроллеры являются неотъемлемой частью какого-либо прибора, станка или агрегата, поэтому их часто называют встраиваемыми. Но хотя мы и относим такие компьютеры к нижнему уровню систем управления, это не означает, что их возможности или быстродействие ограничены. В то же время особенности их применения накладывают ряд специфических требований.

      

Наряду с ужесточением требований к вибростойкости, ударопрочности, рабочему диапазону температур добавляются такие, как малые габариты и низкий уровень потребляемой мощности. Кроме того, к ним могут предъявляться достаточно экзотические требования по взрывобезопасности, радиационной стойкости, стойкости к химически агрессивным средам или сильным электромагнитным полям. С функциональной точки зрения здесь можно найти средства, не характерные для офисных компьютеров, например сторожевой таймер, автоматически перезапускающий систему в случае зависания программы, или хранение параметров Setup в энергонезависимой памяти, что позволяет обходиться без специальных батареек. Часто операционная система загружается из ПЗУ, а в качестве накопителей используются электронные диски, в том числе на базе флэш-памяти.

      

Разработчики встраиваемых систем, желающие использовать архитектуру IBM PC, стоят перед выбором: либо разрабатывать систему "с нуля", используя тот или иной набор микросхем, либо применять в качестве основы готовые изделия специализированных компаний. Можно констатировать, что второй подход все чаще берет верх, и тому есть несколько причин.

      

1 Разработка вычислительной системы, например класса 386 или 486, является дорогим удовольствием. Для этого необходим штат высококвалифицированных схемотехников и программистов. Высокие тактовые частоты используемых микропроцессоров требуют особо тщательного проектирования печатных плат, а современная элементная база даже для изготовления прототипа нуждается в высококлассном технологическом оборудовании, обеспечивающем монтаж на поверхность. Хотя кажется, что устройство, разработанное с учетом конкретных нужд и не включающее в себя ничего лишнего, должно обойтись дешевле, чем универсальные, а значит, избыточные изделия специализированных компаний, но это впечатление может оказаться обманчивым, так как существует множество процессов, несущих скрытые затраты, таких, как организация и поддержка разработки и производства, входной и выходной контроль, испытания и тестирование, отладка программного обеспечения, выполнение гарантийных обязательств и т. п. Кроме того, изготовители стандартных плат закупают комплектующие большими партиями по более дешевым ценам. Вот почему самостоятельная разработка может быть экономически выгодна только при достаточно большой тиражности изделия.

      

- В условиях жесткой конкуренции очень важно минимизировать время от идеи до готового изделия (Time-to-Market). Поэтому многие даже крупные компании предпочитают сосредоточить свои ресурсы на том, что они умеют делать лучше других, а не изобретать колесо, особенно если стоимость системы управления составляет лишь малую долю стоимости всего изделия.

      

- Время жизни наборов микросхем, используемых в ПК, часто не превышает одного года. Закончив разработку, вы можете неожиданно обнаружить, что микросхемы, использованные в проекте, сняты с производства. Время же жизненного цикла систем автоматизации достигает 10 лет. В этой ситуации фирмы, специализирующиеся на изготовлении плат, как правило, заключают соглашения с ведущими изготовителями компонентов, в соответствии с которыми те заблаговременно информируют их как о планах снятия тех или иных компонентов с производства, так и о планах выпуска новых. Это позволяет фирмам закупить необходимое количество критических важных компонентов для обеспечения жизненного цикла своей продукции. Кроме того, они способны обеспечить полную совместимость снизу вверх последующих поколений своих изделий.

      

- При приемлемом тираже вашей продукции специализированные фирмы могут внести необходимые изменения в свои стандартные изделия, чтобы удовлетворить ваши требования.

      

У нас известны такие производители встраиваемых ПК, как Octagon Systems, Ampro, Advantech, PEP, Radisys и др.

      

Условно встраиваемые компьютеры можно разделить на две группы. К первой относятся машины, которые собираются из нескольких плат, объединяемых системной шиной, а ко второй  -  одноплатные компьютеры, где все необходимые функции интегрированы на одной плате небольшого размера. Стандартный подход с системной шиной позволяет создавать более функционально мощные системы управления, обладающие гибкостью в плане переконфигурации и настройки на конкретное приложение. Компьютеры на одной плате, не имеющие средств поддержки общей системной шины, могут оказаться более дешевым решением в тех случаях, когда особая гибкость не нужна. Тем не менее одноплатные компьютеры, как правило, снабжаются шиной расширения, или, как ее иногда называют, мезонинной шиной (mezzanine bus), для подключения дополнительных плат, выполняющих специфические функции, требуемые в конкретных приложениях. Необходимо отметить, что и в области шин расширения уже чувствуется влияние PCI и даже разработан стандарт на ее использование в качестве мезонинной шины.

       

Какие только шины не используют изготовители, чтобы разместить IBM PC на платах, размер которых меньше стандартного. Это и ESP, и PC/104, и AT96, и VME, и многие другие.

      

Пожалуй, только фирма Octagon Systems при размере платы 114х124 мм сохранила полную совместимость с IBM PC по разъему. Кроме того, эта компания является крупнейшим поставщиком компьютеров для расширенного температурного диапазона ( - 40...+85С°). Предложенная фирмой Ampro шина PC/104 получила широкое распространение взамен iSBX в качестве мезонинной шины для одноплатных компьютеров. В то же время ряд фирм выпускает и процессорные платы, имеющие стандартный для PC/104 размер 90х96 мм. Однако ограниченная нагрузочная способность PC/104, препятствующая в большинстве случаев подключению к ней более чем трех плат, остается ахиллесовой пятой этого стандарта. Да и победное шествие процессоров Pentium и 586 обходит его стороной: размеры PC/104 оказались действительно очень малыми.

      

Процессорный модуль фирмы Advantech (рис. 4) объединяет на небольшой плате все возможности системной платы IBM PC/386  -  4 Мб ОЗУ, электронный диск емкостью до 1 Мб, а также последовательный и параллельный порты.

     

Рис. 4. Процессорный модуль фирмы Advantech

 

Процессорная плата фирмы Octagon Systems (рис. 5), включающая все функции системной платы IBM PC/586-133, до 24 Мб ОЗУ, два электронных диска общей емкостью до 1,5 Мб, два последовательных и один двунаправленный параллельный порт, контроллер клавиатуры, сторожевой таймер, а также программатор флэш-памяти. На одном из электронных дисков предварительно установлена DOS V6. Плата универсальна и может использоваться как в машинах с пассивной системной шиной, так и в качестве одноплатного компьютера.

      

Рис. 5. Процессорная плата фирмы Octagon Systems

На рис. 6 показан одноплатный компьютер фирмы Octagon Systems размером 150х200 мм. Он имеет вычислительную мощность до 486DX4-100, объем ОЗУ до 32 Мб, три электронных диска общей емкостью до 2,5 Мб, четыре последовательных порта RS-232/485, параллельный порт принтера, порт клавиатуры, программатор флэш-памяти, IDE-контроллер гибких и жестких дисков; к локальной шине с тактовой частотой 33 МГц подключены контроллеры SCSI, Ethernet и SVGA (1 Мб) с поддержкой ЭЛТ-дисплеев и плоских панелей; шина расширения  -  PC/104.

      

Рис. 6. Одноплатный компьютер фирмы Octagon Systems

Отдельного разговора заслуживают специальные защищенные и упрочненные компьютеры для мобильных пользователей. Так, компьютер фирмы Getac (рис. 7) может работать как в условиях пыльной бури, так и во время морского шторма. Несмотря на внешнее сходство с обыкновенным блокнотным ПК, он имеет ряд уникальных характеристик, таких, как наличие пыле- и водонепроницаемого металлического корпуса, вибро- и ударопрочность в соответствии с военными стандартами, рабочий диапазон температур от  - 20 до +50С° и др. Такие защищенные компьютеры находят применение как в военной, так и в промышленной сфере, например для съема данных с необслуживаемых станций, в передвижных диагностических лабораториях и т. д.

      

Рис. 7. Защищенный мобильный компьютер фирмы Getac