Miten valita teollisuuskäyttöön tarkoitettu PC älyvalmistusta varten?

Suorituskyvyn ja tekoälylaskennan tarpeiden arviointi

Keskuksen suorituskyvyn yhdistäminen teollisiin työmääriin

Teollisuuden PC:t tarvitsevat prosessoreita, jotka tarjoavat hyvän tasapainon yhden säikeen tehon ja moniytimisten ominaisuuksien välillä. Kun on kyse raskaiden automaatiotyötaakkojen, kuten ennakoivan kunnossapidon järjestelmien ja ohjelmoitavien logiikkapiirien synkronoinnin, suorittamisesta, useimmat laitokset valitsevat moniytimisiä vaihtoehtoja, kuten Intel Core i7- tai AMD Ryzen 9 -malleja, jotka voivat ylläpitää kellotaajuutta yli 3,5 GHz. Sovelluksissa, joissa ajoitus on erityisen tärkeää, erityisesti esimerkiksi robottien liikkeenohjauksessa, vaaditaan prosessoreita, jotka pystyvät käsittelemään keskeytyksiä noin 5 mikrosekunnin sisällä. Tämäntyyppinen nopea reaktioaika tekee järjestelmistä tarpeeksi luotettavia tarkkoihin valmistusoperaatioihin, joissa jo pienet viiveet voivat aiheuttaa ongelmia.

GPU:n ja VPU:n rooli reuna-AI:ssa ja koneen näköjärjestelmissä

Neljä teraflopsia tai enemmän käsittelevät grafiikkaprosessoriyksiköt (GPU) ovat nykyisin käytössä noin 72 prosentissa koneellisen näön järjestelmistä modernissa älykkäässä teollisuudessa. Nämä järjestelmät voivat havaita virheitä reaaliajassa nopeudella, joka saavuttaa 120 kuvakehystä sekunnissa. Kevyemmissä tekoälytehtävissä erikoistuneet visuaaliset prosessoriyksiköt (VPU) suoriutuvat kuitenkin paremmin energiankäytön kannalta. Viimeaikainen alkuperäisten laitteiden valmistajien kysely tukee tätä: VPU:t vähentävät virtakulutusta noin 40 prosenttia perinteisiin GPUihin verrattuna yksinkertaisemmissa malleissa. Ajattele sovelluksia, kuten optista lajittelua, jossa laskentavaatimukset eivät ole erityisen suuret, mutta luotettavuudella on suuri merkitys.

RAM-, tallennus- ja reaaliaikaisen käsittelyn vaatimusten arviointi

Tämä konfiguraatio takaa luotettavan käsittelyn suuritahoiselle anturidatalle ja tukee reaaliaikaista päätöksentekoa reunassa.

Tulevaisuuden trendit: kasvava kysyntä tekoälyllä varustetuista teollisuustietokoneista

MarketsandMarketsin mukaan vuodelta 2024 maailmanlaajuinen tekoälyllä optimoituja teollisuustietokoneita koskeva markkina odotetaan kasvavan nopeasti, n. 19,8 prosentin vuosittaisella yhdistetyllä kasvuvauhdilla aina vuoteen 2030 saakka. Tätä kasvua on pääasiassa kiihdyttänyt se, miten yritykset alkavat integroida generatiivisen tekoälyn teknologioita suoraan SCADA-järjestelmiinsä. Tulevaisuudessa valmistajat suunnittelevat nyt seuraavan sukupolven koneita, joissa on kehittyneet nestemäisen jäähdytyksen ominaisuudet, jotka kestävät tehokkaat 350 watin lämpösuunnittelun mukaan mitoitetut piirisarjat. Nämä uudet mallit säilyttävät kuitenkin IP66-luokitellut suojakotelot, mikä tekee niistä täydellisiä vaativiin teollisiin olosuhteisiin, kuten valimoissa, joissa lämpötilat ovat korkeat, tai terästehtaiden raskaiden päivittäisten olosuhteiden keskellä.

Ympäristökestävyyden ja pitkän aikavälin luotettavuuden varmistaminen

Kovia olosuhteita vastaan: lämpötila, tärinä ja pöly

Teollisuustietokoneiden on pystyttävä toimimaan, vaikka olosuhteet olisivat erittäin rajuja. Puhumme lämpötilavaihtelusta, joka voi vaihdella kylmästä -40 celsiusastetta aina helteiseen 85 celsiusasteeseen saakka, lisäksi tulee jatkuvaa tärinää, joka joskus ylittää 5 Grms:n, ilman mainitsematta paikkoja, joissa ilmaan leijuu runsaasti pieniä hiukkasia. Tarkastellaan tilannetta esimerkiksi metallitehtaissa. Materiaaleihin tehtyjen testien mukaan noin kaksi kolmasosaa tiivistämättömistä järjestelmistä hajoaa jo 18 kuukauden kuluessa, koska pöly pääsee sisään ja aiheuttaa ongelmia sähkönjohtavuudessa. Siksi älykkäät yritykset panostavat tuotteidensa testaukseen sotilasstandardien, kuten MIL-STD-810G:n (iskut ja tärinä) ja ISO 15999:n (hiukkasten altistuminen), mukaisesti. Näillä testeillä varmistetaan, että nämä tietokoneet kestävät riittävän pitkään toimiakseen kunnolla rajoissa olevissa ympäristöissä, kuten hiilikaivoksissa, merellä olevilla öljyaluksilla tai muualla, missä tavallinen laitteisto pettäisi liian nopeasti.

Kestävät suunnittelutoiminnot: tuulettimeton jäähdytys ja IP65/NEMA-4 -luokitukset

Tuulettimetön lämpöhallintajärjestelmä eliminoi ne ärsyttävät liikkuvat osat, jotka tukkeutuvat ajan myötä. Teollisuustietokoneiden raportin vuodelta 2023 mukaan tämä rakenne vähentää vikoja noin 42 % pölyisissä paikoissa, kuten sementtitehtaiden yhteydessä, joissa perinteiset jäähdytysratkaisut eivät kestä. Tiivistystiedot ovat myös merkityksellisiä. IP65-luokitellut tai NEMA-4 -standardin täyttävät järjestelmät kestävät hyvin vesijetohuuhtelua ja kovia kemikaaleja, mikä tekee niistä erinomaisia elintarviketeollisuuden tiloissa ja rahtialuksilla. Puhutaanpa kestävyydestä. Näistä alumiinista ja polikarbonaatista valmistetuista nykyaikaisista koteloinneista kestää huomattavasti pidempään kuin useimmat vaihtoehdot. Puhutaan laitteesta, joka voi toimia jatkuvasti yli 100 000 tuntia, vaikka sitä altistettaisiin suorastaan suolaiselle ilmalle, mikä tekee siitä käytännössä luodinkestävän vaativiin teollisiin olosuhteisiin.

Toiminnallisen käyttöiän ja huoltotehokkuuden valinta

Pitkän aikavälin järjestelmän luotettavuuden kannalta ratkaisevaa on komponenttien kesto ja se, voidaanko niitä tarvittaessa helposti huoltaa. Teollisuustietokoneita valittaessa tulisi etsiä malleja, jotka lupautuvat vähintään 10 vuoden komponenttisaatavuuteen sekä modulaariseen suunnitteluun, kuten lämpövaihtokelpoisia tallennusvaihtoehtoja ja vaihdettavia GPU-moduuleja. Tämä auttaa pitämään tuotantolinjat toiminnassa sujuvasti odottamattomilta keskeytyksiltä suojattuna. Nykyään MTBF-arvot, jotka ylittävät 300 000 tuntia, ovat käytännössä standardikäytäntö vakavissa teollisuuden valmistustiloissa toteutetuissa reuna-AI-ratkaisuissa. Erityisesti elintarviketeollisuus hyötyy modulaarisissa järjestelmissä olevista etupaneelipohjaisista huoltoluukuista, koska ne vähentävät huoltokalenteria dramaattisesti päivittäisten puhdistussyklien aikana, jotka usein kuluttavat perinteistä laitteistoa nopeasti näissä rajoissa olosuhteissa.

Yhteyksien maksimointi ja saumaton järjestelmäintegraatio

Erilaisten I/O-liityntöjen tukeminen OT:n ja IT:n yhdistämiseksi

Operaatioteknologian (OT) ja informaatioteknologian (IT) yhdistäminen on muodostunut välttämättömäksi nykyaikaisille teollisuustietokoneille, jotka joutuvat käsittelemään kaikenlaisia syöttö- ja tulostusyhteyksiä. Useimmat valmistajat haluavat nykyään laitteidensa olevan yhteensopivia Profinet-, EtherCAT- ja MQTT-protokollien kanssa, jotta vanhat koneet voidaan liittää uusiin pilvipohjaisiin analyysityökaluihin. Markkinoiden parhailla teollisuustietokoneilla on yleensä 8–16 ohjelmoitavaa GPIO-porttia sekä kaksi Gigabit Ethernet -ohjainta. Nämä tekniset tiedot mahdollistavat sujuvan tiedonsiirron PLC:ien ja ERP-järjestelmien välillä ilman häiriöitä. Helmikuussa 2024 julkaistun teollisen verkkoyhteyden tutkimuksen mukaan yritykset, jotka käyttivät integroituja I/O-rakenteita, saavuttivat noin 40 prosenttia paremman koneiden ja ERP-järjestelmien välisten reaktioaikojen parantumisen verrattuna niihin, jotka käyttivät erillisiä järjestelmiä. Tällainen parannus merkitsee todellista eroa arjen toiminnassa.

Hybridiverkkojen mahdollistaminen: Kaapeli, langaton, LoRa ja soluverkko

Tehokkaat teollisuustietokoneet loistavat erityisesti hybridiverkkojen osalta. Nämä koneet sisältävät integroidut 5G-modulit, WiFi 6E -tekniikan sekä Time-Sensitive Networking (TSN) -toiminnon tukemat Ethernet-portit, mikä mahdollistaa yhteyden paikallisiin laitosten läpi sijoitettuihin antureihin ja keskitettyihin tekoälyprosessointiyksikköihin samanaikaisesti. Etävalvonnassa nämä järjestelmät hyödyntävät LoRaWAN-teknologiaa 2,4 GHz taajuusalueella pitääkseen vastausajat alle 100 millisekuntia jopa noin 15 kilometrin etäisyydellä. Tällainen kantama on ehdottoman tärkeää esimerkiksi öljy- ja kaasuputkistojen valvonnassa tai energiaverkkojen hallinnassa, joissa nopeat reaktiot ovat ratkaisevan tärkeitä. Erilaisten teollisuuden alojen käytännön testien mukaan näiden hybridiverkkojen kautta liitetty laitteisto vähentää odottamatonta seisontia noin 29 prosenttia. Tämä johtuu siitä, että käyttäjät voivat suorittaa ennakoivaa huoltoa eri verkkosegmenteissä ennen kuin ongelmia esiintyy.

Tulevaisuudenvarmistus modulaarisella laajennettavuudella ja skaalautuvalla suunnittelulla

Suurimmalle osalle yrityksistä, jotka siirtyvät teollisuuden 4.0 -aallolle, skaalautuvuus on erittäin tärkeää – noin seitsemän kymmenestä kiinnittää tämän seikan huomiota laitteita valitessaan. Siksi monet valitsevat teollisuustietokoneita, joissa on PCIe/PCI-laajennuspaikat ja DIN-kiinnitys mahdollistavat asennusvaihtoehdot. Modulaarinen rakenne todella auttaa, koska sen ansiosta yritykset voivat päivittää esimerkiksi GPU-kiihdyttimiä tai asentaa OPC UA-palvelimia purkamatta koko olemassa olevaa laitteistoa. Olemme nähneet tämän toimivan hyvin autojen valmistamisessa, missä yritykset ovat kehittäneet omat erityismenetelmänsä näiden komponenttien integrointiin. Älkäämme unohtako laitteita, joissa on vaihdettavat tallennustilakomponentit ja helppo pääsy laajennusmoduuleihin. Nämä ominaisuudet vähentävät jälkiasennusaikaa noin kaksi kolmasosaa teollisuusraporttien mukaan, mikä on järkevää tulevia parannuksia suunniteltaessa samalla kun varmistetaan, että toiminta jatkuu sujuvasti ilman merkittäviä keskeytyksiä.

Ohjelmiston yhteensopivuuden ja alan sertifiointien varmistaminen

Teollisuustietokoneiden valinta älykkääseen valmistukseen edellyttää ohjelmistojärjestelmien ja säädösten noudattamisen perusteellista tarkistamista. Nämä tekijät takaavat pitkän aikavälin yhteensopivuuden ja laillisen toiminnan kansainvälisillä markkinoilla.

Oikean käyttöjärjestelmän valitseminen: Windows, Linux tai reaaliaikainen käyttöjärjestelmä

Kun valitaan käyttöjärjestelmää, on erittäin tärkeää, mitä sovelluksia täytyy suorittaa ja mitä kehitystyökaluja käytetään. Windows IoT toimii erinomaisesti vanhan valmistusohjelmiston kanssa, johon monet tehtaat luottavat yhä. Toisaalta Linux-pohjaiset vaihtoehdot, kuten Ubuntu Core, tarjoavat kehittäjille enemmän vapautta kirjoittaa omaa automaatiokoodia. Jos taas puhutaan erittäin nopeista sovelluksista, joissa vastausajan täytyy olla alle millisekunti – kuten robottien osien siirtämisessä tai koneiden reaaliaikaisessa ohjauksessa – niin reaaliaikaiset käyttöjärjestelmät (RTOS) ovat vertaansa vailla. Ne hoitavat nämä ajoitusvaatimukset paremmin kuin mikään muu käyttöjärjestelmä.

Sisällön virtualisoinnin ja reuna-orkesterointialustojen tuki

Dockerin käyttö konttisoinnissa yhdessä Kubernetesin kanssa mahdollistaa versiohallinnan päivitykset ilman käyttökatkoja oikeilla järjestelmissä. Reunaverkon alustat, kuten Microsoftin Azure IoT Edge tai Amazonin AWS Greengrass, helpottavat koneoppimismallien turvallista käyttöönottoa hajautettujen verkkorakenteiden läpi. Koko rakenne vähentää validointityötä noin 30–35 % verrattuna perinteisiin monoliittisiin arkkitehtuureihin, koska palvelut ovat eriytettyjä toisistaan ja muutosten palauttaminen takaisin on huomattavasti yksinkertaisempaa. Tämä eriytys auttaa tiimejä testaamaan asioita nopeammin ennen tuotantoon siirtymistä.

Määräysten noudattaminen: CE, UL, FCC, ATEX ja FDA

Kun järjestelmiä otetaan käyttöön maailmanlaajuisesti, yritysten on noudatettava tiukkoja sertifiointisääntöjä. CE-merkintä osoittaa, että laitteisto toimii asianmukaisesti muiden elektronisten laitteiden kanssa koko Euroopassa. Pohjois-Amerikassa tuotteet tarvitsevat UL- ja FCC-hyväksynnän täyttääkseen turvallisuusvaatimukset ja hallitakseen sähkömagneettista häiriöalttiutta. Räjähdysvaarallisissa ympäristöissä ATEX- ja IECEx-sertifikaatit todistavat, etteivät laitteet aiheuta vaarallisia syttymissyitä. Testaaminen ei lopu sertifioinnin jälkeenkään. Valmistajien on suoritettava uudet testit aina kun he tekevät muutoksia laitteistoon, jotta heidän sertifiointinsa pysyy voimassa Aqua Cloudin viime vuoden ohjeistusten mukaan. Nykyään noin 7 kahdestatoista valmistuskonfiguraatiosta vaatii riippumattoman varmennuksen ennen kuin mitään hyväksytään tuotantoon. Siksi säännökset, kuten FDA 21 CFR Osa 11, ovat niin tärkeitä teollisuudenaloilla, jotka käsittelevät herkkiä materiaaleja, erityisesti lääketeollisuudessa, jossa jo pienetkin virheet voivat johtaa merkittäviin ongelmiin myöhemmin.