Print

Jednodeskové počítače pro řídicí aplikace

-- 01.09.08

Jednou z největších výhod vestavných systémů pro řídicí aplikace je rozmanitost dostupných formátů.

Haydn Povey, produktový manažer společnosti ARM, zabývající se navrhováním vestavných procesorů, zdůrazňuje: „S tím, jak se řídicí algoritmy stávají stále složitějšími, uživatelé přecházejí od PLC ke špičkovým mikrořadičům.“

Jak připomíná David Pursley, aplikační technik společnosti Kontron, také změny mezi samotnými techniky podporují trend ústupu od tradiční řídicí technologie: „V posledních dvou třech letech jsme od vedoucích techniků slýchávali, že noví technici přicházející z univerzit umějí programovat PC, ale už ne PLC.“

Ale i řídicí systémy na bázi PC mají svá slabá místa.

„Standardní PC trpí řadou problémů,“ říká Povey. „Především jsou vyráběny s ohledem na minimalizaci nákladů, takže nejsou příliš robustní. Také operační systém PC je navržen jako velice otevřený, protože nikdy nevíte, na co jej budou uživatelé používat. Vestavné platformy bývají více specializované.“

Tento článek popisuje třetí možnost – vestavný systém využívající jako řídicí prvek jednodeskový počítač (Single-Board Computer – SBC). Eric Lai, produktový manažer platformy pro vestavné systémy společnosti Advantech America, popisuje výhody SBC takto:

  • Větší výpočetní výkon. Současná řešení SBC nabízejí výkon procesoru P4 až Dual či Quad Core.
  • Možnosti rozšíření. Systém SBC o výšce 4U může poskytnout až 20 PCI slotů.
  • Relativně nízké náklady na vlastnictví. SBC je stabilní a v praxi ověřené řešení se standardizovanými platformami a s možností výběru ze standardních operačních systémů. Aplikační software a hardware jsou široce dostupné.

 

 

 

Jednodeskové počítače obsahují na jediné desce veškeré obvody potřebné pro úplné výpočetní řešení (procesory, paměť, datová komunikace).

 

 

Wikipedia definuje SBC takto: „Jednodeskové počítače jsou úplné počítače postavené na jediné desce plošného spoje. Konstrukční provedení obsahuje jedno- nebo dvoujádrový mikroprocesor, paměť RAM, I/O a všechny další součásti potřebné pro funkční počítač na jediné desce plošného spoje.“ Srovnejte si toto provedení s vnitřnostmi počítače PC na vašem pracovním stole. Zde jsou například čipy operační paměti (RAM) připájeny k přídavným deskám označovaným jako „karty“, jež jsou zasouvány do konektorů, které je drží v pravém úhlu k základní desce. Toto provedení je často označováno jako „mezaninová“ karta. Další nezbytné součásti mohou být namontovány na „dceřiných“ deskách instalovaných paralelně k základní desce na distančních prvcích.

Také některé vestavné systémy SBC využívají mezaninové karty a dceřiné desky. Rozdíl spočívá v tom, že tyto přídavné karty vykonávají funkce, které, ačkoli jsou potřebné pro celkovou funkci systému, nejsou nezbytné pro vytvoření funkčního počítače.

Je tento rozdíl pouze akademický? Pokud navrhujete vestavný řídicí systém, tak není. Volba SBC jako vašeho řídicího prvku vám umožňuje soustředit se na navrhování řídicího systému namísto navrhování vlastního počítače.

„Motivací k volbě řešení na bázi SBC,“ říká Povey, „by měla být kombinace omezeného dostupného prostoru, požadavku na výkon procesoru nebo potřeby flexibility pro případnou následnou modernizaci.“

 

Jednodeskové počítače SBC mohou mít malé rozměry a zároveň poskytovat značný výpočetní výkon a schopnosti datové komunikace (práce v síti). Zdroj: Microchip Technology

 

 

Tyto atributy přesně splňují počítače SBC.

„Životnost počítačů SBC je o něco delší,“ dodává Christine Van De Graaf, manažerka produktového marketingu divize vestavných prvků společnosti Kontron. „Hovoříme zde o cílovém životním cyklu o délce 10 let, minimálně však pět let. Životní cyklus technologie komerčních PC je obvykle nanejvýš tři roky.“

Při budování řídicích prvků na bázi SBC se uplatňují dva přístupy: vlastní návrh (Roll-Your- Own – RYO) nebo komerčně dostupné řešení (Commercial-Off-The-Shelf – COTS). Oba přístupy začínají seznamem specifikací. Tento seznam by měl obsahovat:

  • rozměry a tvar „otvoru“, do něhož by se měl počítač SBC vejít,
  • hmotnostní omezení,
  • maximální dostupný příkon pro provoz SBC,
  • omezení, pokud jde o chlazení (můžete použít ventilátor, nebo jste odkázáni na přirozené proudění vzduchu, nebo dokonce jen odvádění tepla pouzdrem),
  • požadavky na výpočetní rychlost,
  • požadavky na odezvy v reálném čase, nebo pomaleji než v reálném čase,
  • požadavky na ukládání dat,
  • analogové a digitální I/O kanály,
  • síťovou konektivitu,
  • softwarové požadavky a
  • další požadavky podle příslušné aplikace.

 

„Jakmile máte tento seznam požadavků vypracován,“ říká Pursley, „můžete podle něj vybírat vhodné formáty a volit kompromisy.“

 

 

Zdroje počítače SBC mohou být doplněny přídavnými obvody nainstalovanými na mezaninových kartách a dceřiných deskách.

 

Podle myšlenky „nevynalézat znovu kolo“ by mělo být vlastní řešení (RYO) tou opravdu poslední volbou. Předpokládáme-li, že jste již dospěli k závěru, že tradiční řešení PLC nebo PAC vám nebude vyhovovat a vyloučili jste i variantu na bázi PC, na řadě je komerční řešení (COTS).

„Budu-li potřebovat jen několik jednotek bez velkých nároků na vysokorychlostní sběr dat,“ říká Joseph Chung, poradce společnosti Via Technologies pro oblast vestavných komponent, „rozhodl bych se pro komerčně dostupnou desku (COTS).“

 

 

Architektura komerčně dostupných řešení (COTS)

 

Komerčně dostupné počítače SBC tvoří mikroprocesor, nebo jednotka mikrořadiče (Microcontroller Unit – MCU) nainstalovaná na desce s plošnými spoji společně s dalšími čipy a součástkami pro periferní zařízení, jako jsou hodiny, přídavná paměť, ovladače USB, rádiové sady pro bezdrátovou komunikaci, ethernetové čipy a analogová výstupní zařízení.

Počet a typy periferních zařízení určuje míra integrace v hlavní procesorové jednotce. Některé mikrořadiče integrují celé systémy do čipu MCU, zatímco jiná zařízení, jako například čtyřjádrové procesory, využívají široce dostupné mikroprocesorové čipy pro špičkový výpočetní výkon při nízkých nákladech a periferie pak řídí přídavné čipy namontované na desce. V tom se liší MCU od standardního mikroprocesoru.

„Snažíme se do našich čipů implementovat mnoho funkcí pro vestavné řízení,“ říká Jennifer Woods, manažerka produktového marketingu společnosti Freescale Semiconductor, dodavatele MCU, „abychom ušetřili místo na desce, zvýšili výkon, poskytli větší flexibilitu a přinesli co možná nejkomplexnější jednočipové řešení.“

„S příchodem špičkových, vysoce výkonných 32bitových platforem mikrořadičů,“ říká Povey ze společnosti ARM, „máte možnost velmi deterministických operací a přitom provozovat špičkové operační systémy, které lze programovat v jazycích vyšší úrovně.“

Pro řídícího technika, který specifikuje požadavek na komerčně dostupné počítače SBC, je identita procesoru a periferních zařízení do značné míry nepodstatná. Otázka zní: „Splňuje SBC jako kompletní systém příslušné požadavky?“

Komerčně dostupné počítače SBC obecně splňují jeden z omezeného počtu standardních průmyslových formátů, které spravuje průmyslové konsorcium nebo speciální zájmová skupina, jako je specifikace PC/104, definovaná konsorciem PC/104 Embedded Consortium, nebo COM Express, spravovaná skupinou PCI Industrial Computer Manufacturers’ Group (PICMG). Tyto normy specifikují (přinejmenším) velikost a tvar desky a uspořádání vývodů konektoru. Velikost a tvar desky určuje, zda bude vyhovovat rozměrům „otvoru“ ve vaší aplikaci. Uspořádání vývodů konektoru je důležité pro kompatibilitu rozhraní. Pokud vaše aplikace například vyžaduje mnoho analogových vstupů, potřebujete pro připojení dostatečný počet vývodů.

„Moduly PC/104 nemají externí konektory přímo na deskách,“ připomíná Van De Graaf. „Mají kolíkové konektory, které se připojují k plochým kabelům vedoucím k externím konektorům na libovolném, vámi zvolenému pouzdru. Poté, podobně jako Lego, do desky zasunete kartu pro periférie. Tuto sestavu zamontujete do plechového pouzdra a pak budete mít k dispozici všechny potřebné externí řídicí prvky.“

Jde-li o prostorově omezenou aplikaci, volte samozřejmě pouze ty standardy SBC, které mají dostatečně malé rozměry. Nabídka standardů SBC však sahá až k mainframovým řešením, jako je VME, které může pojmout desky až do výšky 9U (40 cm). (Více informací o „standardech Eurocard“ naleznete v on-line verzi tohoto článku.)

Komerčně dostupná řešení sahají od „holých“ obvodových desek, které ponechávají na systémových integrátorech odpovědnost za zajištění fyzické podpory a ochrany elektroniky před vnějšími vlivy, až po moduly Compact PCI, které vklouznou do precizně definovaných standardních miniaturních stojanů (sub-rack), jež se postarají o řešení téměř všech těchto otázek.

„Několik účastníků soutěže DARPA Grand Challenge používalo moduly Compact PCI, protože zde velmi mnoho záleželo na spolehlivosti,“ vzpomíná Pursley ze společnosti Kontron. „Musely se vypořádat s mnohem silnějšími nárazy a vibracemi, než jaké existují v prostředí výrobního závodu. Mnoho uživatelů průmyslové automatizace nyní volí moduly Compact PCI nebo VME, protože jsou ještě odolnější než standardní PLC.“

Mezi holými obvodovými deskami a řešeními pro miniaturní stojany existují počítače SBC montované do mnoha typů (většinou zakázkově specifikovaných) pouzder s nejrůznější úrovní odolnosti vůči vlivům vnějšího prostředí. Například pro aplikace vyžadující ochranu před vniknutím prachu nebo vody několik výrobců nabízí hermeticky uzavřená pouzdra bez ventilátorů, u nichž je teplo odváděno vedením materiálem pouzdra. Obvyklejší jsou pouzdra SBC opatřená výřezy či štěrbinami poskytujícími omezenou ochranu před postříkáním kapalinami, prachem nebo fyzickým vniknutím. Potřeba ochrany, stejně jako vše ostatní, závisí na aplikaci.

Jednou z výhod počítačů SBC zabudovaných do pouzdra je to, že pro namontování celého pouzdra někam na konstrukci systému stačí vyvrtat jen pár otvorů. Připojení elektrického napájení a signálových vývodů je řešeno standardními konektory. Chung zdůrazňuje: „Stačí vám jej umístit pod stůl, přišroubovat a jste v podstatě hotovi.“

 

Vlastní návrh

 

„Potřebuje-li konečný uživatel nanejvýš jeden či dva, nebo možná i 50 nebo 100 kusů,“ říká Chung, „budete usilovat o co nejmenší míru zákaznických úprav. Jakmile začnete s úpravami, složitost značně narůstá.“

Zákaznické úpravy vás řadí do tábora vlastních návrhů, kde řídící technik musí být také počítačovým technikem. „Vlastní návrh je na místě, když vyvíjíte komerční produkt s předpokládaným objemem výroby přes 500–1 000 kusů,“ říká Chung, „a výsledku nemůžete dosáhnout pomocí komerčně dostupného řešení.“

„Před několika lety jsem se setkal s aplikací, kdy technici, testující tryskové motory, potřebovali zabudovat celý systém sběru dat (DAQ) do čepu ložiska. Elektronika DAQ zahrnovala senzory, zařízení na úpravu signálu, analogovědigitální převodníky, bezdrátovou komunikaci – a hostitelský počítač. Technici umístili celý systém DAQ do obvodové desky tvaru půlměsíce, kterou zabudovali do vnitřního kroužku valivého ložiska. Neexistoval žádný komerčně dostupný počítač SBC, který by se do tohoto prostoru vešel.“

Řídicí prvky strojů jsou nyní dostupné v široké a zároveň komplexní nabídce formátů. Na jednom konci nabídky stojí tradiční PLC a PAC, které jsou vysoce optimalizovány pro tradiční aplikace. Na druhém konci stojí počítače SBC v provedení od standardizovaných miniaturních stojanů až po zakázkové návrhy ve zcela libovolných tvarech a velikostech. K nejlepší volbě dospějete tak, že pečlivě vyhodnotíte potřeby vaší aplikace a následně tyto potřeby porovnáte s dostupnou nabídkou.

ce

C. G. Masi je vedoucí redaktor časopisu

Control Engineering. Kontaktujte jej na adrese

charlie.masi@reedbusiness.com.

Autor: C. G. Masi
Control Engineering


Sponzorované odkazy

 
Aktuální vydání
Reklama

Navštivte rovněž

  •   Události  
  •   Katalog  

Události

Trendy v robotizaci 2020
2020-01-28 - 2020-01-30
Místo: Best Western Premier / Avanti, Brno
DIAGO 2020
2020-01-28 - 2020-01-29
Místo: Orea Resort Devět Skal ***, Sněžné - Milovy
Trendy automobilové logistiky 2020
2020-02-20 - 2020-02-20
Místo: Parkhotel Plzeň
Úspory v průmyslu
2020-03-03 - 2020-03-03
Místo: Ostrava
AMPER TOUR 2020
2020-03-17 - 2020-03-19
Místo: Brno

Katalog

BALLUFF CZ s.r.o.
BALLUFF CZ s.r.o.
Pelušková 1400
19800 Praha
tel. 724697790

EWWH, s. r. o.
EWWH, s. r. o.
Hornoměcholupská 68
102 00 Praha 10
tel. 734 823 339

B+R automatizace, spol. s r.o.
B+R automatizace, spol. s r.o.
Stránského 39
616 00 Brno
tel. +420 541 4203 -11

Schneider Electric CZ, s. r. o.
Schneider Electric CZ, s. r. o.
U Trezorky 921/2
158 00 Praha 5
tel. 00420737266673

COGNEX
COGNEX
Emmy-Noether-Str. 11
76131 Karlsruhe
tel. 720 981 181

všechny firmy
Reklama


Tematické newslettery




Anketa


Na internetu
V tištěných médiích
Na veletrzích a výstavách
Jinde

O nás   |   Reklama   |   Mapa stránek   |   Kontakt   |   Užitečné odkazy   |   Bezplatné zasílání   |   RSS   |   
Copyright © 2007-2019 Trade Media International s. r. o.
Navštivte naše další stránky
Trade Media International s. r. o. Trade Media International s. r. o. - Remote Marketing Továrna - vše o průmyslu Control Engineering Česko Řízení a údržba průmyslového podniku Inteligentní budovy Almanach produkce – katalog firem a produktů pro průmysl Konference TMI