Jak wybrać komputer przemysłowy do inteligentnej produkcji?

Ocena mocy obliczeniowej i potrzeb związanych z obliczeniami AI

Dopasowanie wydajności procesora do obciążeń przemysłowych

Komputery przemysłowe wymagają procesorów, które zapewniają dobry balans między wydajnością jednowątkową a możliwościami wielordzeniowymi. W przypadku intensywnych obciążeń automatyki, takich jak systemy utrzymania ruchu predykcyjnego czy synchronizacja sterowników PLC, większość zakładów wybiera opcje wielordzeniowe, takie jak modele Intel Core i7 lub AMD Ryzen 9, które potrafią utrzymywać taktowanie powyżej 3,5 GHz. Aplikacje, w których bardzo ważne jest zachowanie czasu, szczególnie takie jak sterowanie ruchem robotów, wymagają procesorów zdolnych do obsługi przerwań w ciągu około 5 mikrosekund. Taka szybka reakcja sprawia, że te systemy są wystarczająco niezawodne dla precyzyjnych operacji produkcyjnych, gdzie nawet niewielkie opóźnienia mogą powodować problemy.

Rola GPU i VPU w sztucznej inteligencji brzegowej i wizji maszynowej

Jednostki przetwarzania grafiki zdolne do obsługi czterech teraflopów lub więcej napędzają obecnie około 72 procent systemów wizji maszynowej w nowoczesnych inteligentnych fabrykach. Te systemy potrafią wykrywać wady w czasie rzeczywistym z prędkością sięgającą 120 klatek na sekundę. Jednak gdy chodzi o lżejsze zadania AI, specjalistyczne jednostki przetwarzania wizji osiągają lepszą wydajność energetyczną. Niedawne badania przeprowadzone wśród producentów oryginalnego sprzętu to potwierdzają, pokazując, że jednostki VPU zmniejszają zapotrzebowanie na energię o około 40% w porównaniu z tradycyjnymi GPU w przypadku prostszych modeli. Weźmy pod uwagę aplikacje takie jak sortowanie optyczne, gdzie wymagania obliczeniowe nie są duże, ale bardzo liczy się niezawodność.

Ocena wymagań dotyczących pamięci RAM, pamięci masowej i przetwarzania w czasie rzeczywistym

Ta konfiguracja zapewnia niezawodne przetwarzanie danych z czujników o dużej przepustowości i wspiera podejmowanie decyzji w czasie rzeczywistym na brzegu sieci.

Tendencje przyszłości: Rosnące zapotrzebowanie na przemysłowe komputery z obsługą sztucznej inteligencji

Zgodnie z raportem MarketsandMarkets z 2024 roku, światowy rynek przemysłowych komputerów zoptymalizowanych pod kątem sztucznej inteligencji ma się szybko rozszerzać, rosnąc w tempie około 19,8 procent rocznie do roku 2030. Ten wzrost jest głównie napędzany integracją technologii generatywnej sztucznej inteligencji bezpośrednio w systemy SCADA przez przedsiębiorstwa. W perspektywie przyszłości producenci projektują maszyny nowej generacji wyposażone w zaawansowane systemy chłodzenia cieczowego, zdolne radzić sobie z wydajnymi zestawami układów o termicznym punkcie projektowym wynoszącym 350 watów. Mimo to, nowe modele nadal posiadają obudowy ochronne ocenione na poziomie IP66, co czyni je idealnym rozwiązaniem dla trudnych warunków przemysłowych, takich jak odlewnie o wysokich temperaturach czy hale stalowni narażone codziennie na surowe warunki.

Zapewnienie trwałości środowiskowej i długoterminowej niezawodności

Odporność na trudne warunki: temperaturę, wibracje i kurz

Komputery przemysłowe muszą działać bez przerwy, nawet w najtrudniejszych warunkach. Mówimy o temperaturach wahających się od aż -40 stopni Celsjusza do parzących 85 stopni Celsjusza, dodatkowo o stałych wibracjach, które czasem przekraczają 5 Grms, nie wspominając już o miejscach, gdzie unosi się mnóstwo drobnych cząsteczek. Spójrzmy na to, co dzieje się np. w warsztatach metalowych. Badania materiałowe wykazały dość niepokojący fakt: około dwie trzecie systemów bez odpowiedniego uszczelnienia ulega awarii już po 18 miesiącach, ponieważ kurz przedostaje się do wnętrza i powoduje problemy z przewodnictwem. Dlatego inteligentne firmy dokładają szczególnej staranności, testując swoje produkty zgodnie ze standardami wojskowymi, takimi jak MIL-STD-810G dla odporności na wstrząsy i wibracje, oraz ISO 15999, która określa skuteczność działania w warunkach narażenia na różne rodzaje cząstek. Te testy zapewniają, że komputery będą działać wystarczająco długo w surowych warunkach, takich jak roboty w kopalniach węgla, na platformach wiertniczych na morzu czy wszędzie tam, gdzie zwykłe urządzenia po prostu zbyt szybko by zawiodły.

Wyrobu z odpornym projektem: chłodzenie bezwentylatorowe i stopnie ochrony IP65/NEMA-4

Systemy zarządzania temperaturą bez wentylatorów pozbywają się irytujących ruchomych części, które z czasem mają tendencję do zapychania się. Zgodnie z raportem Industrial Computing za 2023 rok, taki projekt zmniejsza awarie o około 42% w zakurzonych miejscach, takich jak hale cementowe, gdzie tradycyjne rozwiązania chłodzące po prostu nie wytrzymują. Ważne są również specyfikacje uszczelnienia. Systemy o klasie IP65 lub spełniające normy NEMA-4 dobrze znoszą działanie strumieni wody i agresywnych chemikaliów, dlatego świetnie sprawdzają się w zakładach przetwórstwa spożywczego oraz na statkach zajmujących się ładunkami. Porozmawiajmy też o trwałości. Nowoczesne obudowy wykonane z mieszanki aluminium i poliwęglanu są znacznie bardziej trwałe niż większość alternatyw. Mamy tu do czynienia z urządzeniem, które może pracować bez przerwy ponad 100 000 godzin, nawet przy stałym narażeniu na powietrze morskie, co czyni je praktycznie niezniszczalnymi w trudnych warunkach przemysłowych.

Wybór pod kątem długości życia operacyjnego i efektywności konserwacji

Kluczowym czynnikiem dla długoterminowej niezawodności systemu jest czas trwania poszczególnych komponentów oraz możliwość ich łatwej konserwacji w razie potrzeby. Wybierając komputery przemysłowe, warto zwrócić uwagę na modele oferujące dostępność komponentów przez co najmniej 10 lat oraz cechy modułowej konstrukcji, takie jak opcje dysków wymiennych w locie czy wymienne moduły GPU. To pozwala utrzymać ciągłość pracy linii produkcyjnych bez nieoczekiwanych przerw. Obecnie osiągnięcie wskaźnika MTBF przekraczającego 300 000 godzin stało się praktycznie standardem poważnych wdrożeń sztucznej inteligencji brzegowej w zakładach produkcyjnych. Przetwórstwo żywności szczególnie korzysta z czołowych paneli serwisowych wbudowanych w systemy modułowe, ponieważ znacznie skracają one czas konserwacji podczas codziennych cykli czyszczenia, które szybko zużywają tradycyjne urządzenia w tak surowych warunkach.

Maksymalizacja łączności i bezproblemowa integracja systemów

Obsługa różnorodnych interfejsów I/O dla konwergencji OT i IT

Łączenie technologii operacyjnej (OT) z technologią informatyczną (IT) staje się kluczowe dla nowoczesnych komputerów przemysłowych, które muszą obsługiwać różne typy połączeń wejścia/wyjścia. Obecnie większość producentów chce, aby ich urządzenia były kompatybilne z protokołami Profinet, EtherCAT i MQTT, umożliwiając podłączanie starych maszyn do nowoczesnych narzędzi analitycznych opartych na chmurze. Najlepsze komputery przemysłowe dostępne na rynku są wyposażone w od 8 do 16 programowalnych portów GPIO oraz dwa kontrolery Gigabit Ethernet. Takie specyfikacje zapewniają płynny przepływ danych między sterownikami PLC a systemami ERP bez zakłóceń. Zgodnie z badaniami opublikowanymi na początku 2024 roku na temat sieci przemysłowych, firmy wykorzystujące zintegrowane architektury wejścia/wyjścia odnotowały spadek czasu reakcji maszyn na system ERP o około 40 procent w porównaniu z firmami korzystającymi z oddzielnych systemów. Tego rodzaju poprawa przekłada się na realne korzyści w codziennych operacjach.

Włączanie hybrydowych sieci: przewodowe, bezprzewodowe, LoRa i komórkowe

Komputery przemysłowe o wysokiej wydajności naprawdę wyróżniają się pod względem swoich możliwości hybrydowego łączenia sieciowego. Te maszyny są wyposażone w zintegrowane modemy 5G, technologię WiFi 6E oraz porty Ethernet obsługujące Time-Sensitive Networking (TSN), co oznacza, że mogą łączyć się zarówno z lokalnymi czujnikami rozmieszczonymi w całych obiektach, jak i jednocześnie uzyskiwać dostęp do centralnych jednostek przetwarzania sztucznej inteligencji. W przypadku zdalnego monitorowania te systemy korzystają z LoRaWAN w paśmie 2,4 GHz, utrzymując czas odpowiedzi poniżej 100 milisekund, nawet na odległości około 15 kilometrów. Taki zasięg ma absolutnie kluczowe znaczenie w przypadku monitorowania rurociągów naftowych i gazowych czy zarządzania sieciami energetycznymi, gdzie najważniejsze są szybkie reakcje. Zgodnie z testami przeprowadzonymi w różnych branżach, urządzenia połączone za pomocą tych hybrydowych sieci zmniejszają nieplanowane przestoje o około 29%. Dzieje się tak, ponieważ operatorzy mogą teraz przeprowadzać konserwację predykcyjną w różnych segmentach sieci, zanim jeszcze pojawią się problemy.

Przyszłościowe zabezpieczenie dzięki modułowej rozbudowie i skalowalnemu projektowi

Dla większości firm wchodzących w ślad za przemysłem 4.0 skalowalność ma ogromne znaczenie — około siedmiu na dziesięć firm faktycznie zwraca uwagę na ten aspekt przy wyborze sprzętu. Dlatego wiele z nich wybiera komputery przemysłowe wyposażone w gniazda rozszerzeń PCIe/PCI oraz opcje montażu na szynie DIN. Projekt modułowy naprawdę się przydaje, ponieważ oznacza, że firmy mogą uaktualniać elementy takie jak akceleratory GPU lub konfigurować serwery OPC UA bez konieczności rozbierania całego istniejącego sprzętu. Obserwowaliśmy to w zakładach produkcyjnych samochodów, gdzie opracowano własne, specjalne sposoby integracji tych komponentów. Nie możemy również zapominać o urządzeniach z wymiennymi na gorąco komorami dyskowymi i łatym dostępem do modułów rozszerzeń. Te cechy skracają czas modernizacji o około dwie trzecie, według niektórych raportów branżowych, co ma sens przy planowaniu przyszłych ulepszeń, jednocześnie utrzymując płynny przebieg operacji bez większych przerw.

Weryfikacja zgodności oprogramowania i certyfikatów branżowych

Wybierając komputery przemysłowe do inteligentnej produkcji, należy dokładnie zweryfikować ekosystemy oprogramowania oraz zgodność z przepisami. Te czynniki zapewniają długoterminową interoperacyjność i legalne funkcjonowanie na rynkach międzynarodowych.

Wybór odpowiedniego systemu operacyjnego: Windows, Linux czy system czasu rzeczywistego

Podczas wybierania systemu operacyjnego ma znaczenie, jakie aplikacje muszą być uruchamiane oraz które narzędzia programistyczne są wykorzystywane. Windows IoT doskonale działa z starszym oprogramowaniem produkcyjnym, na którym wiele fabryk wciąż polega. Z drugiej strony, dystrybucje Linuksa takie jak Ubuntu Core dają programistom większą swobodę pisania własnego kodu automatyki. Jeśli natomiast mówimy o bardzo szybkich aplikacjach, gdzie czas reakcji musi być poniżej milisekundy – np. roboty przemieszczające elementy lub kontrolujące maszyny w czasie rzeczywistym – to systemy operacyjne czasu rzeczywistego (RTOS) są po prostu nie do pobicia. Radzą sobie z wymaganiami czasowymi lepiej niż każdy inny system operacyjny.

Obsługa konteneryzacji i platform orkiestracji brzegowych

Używanie Dockera do konteneryzacji w połączeniu z Kubernetesem do orkiestracji umożliwia wdrażanie aktualizacji kontrolowanych wersjami bez przestojów w systemach produkcyjnych. Platformy brzegowe, takie jak Azure IoT Edge firmy Microsoft lub AWS Greengrass firmy Amazon, ułatwiają bezpieczne wdrażanie modeli uczenia maszynowego w rozproszonych konfiguracjach sieciowych. Cała konfiguracja skraca pracę niezbędną do walidacji o około 30–35% w porównaniu z tradycyjnymi architekturami monolitycznymi, ponieważ usługi są od siebie oddzielone, a wycofywanie zmian staje się znacznie prostsze. To oddzielenie pozwala zespołom szybciej testować nowe funkcje przed ich wdrożeniem do produkcji.

Spełnianie standardów zgodności: CE, UL, FCC, ATEX i FDA

Podczas wdrażania systemów na całym świecie firmy muszą przestrzegać ścisłych zasad certyfikacji. Oznaczenie CE świadczy o tym, że urządzenie prawidłowo współpracuje z inną elektroniką w całej Europie. W Ameryce Północnej produkty wymagają aprobaty UL i FCC, aby spełniać wymagania bezpieczeństwa oraz kontrolować zakłócenia elektromagnetyczne. W miejscach, gdzie istnieje ryzyko wybuchu, certyfikaty ATEX i IECEx potwierdzają, że urządzenia nie wywołają niebezpiecznych reakcji iskrowych. Testowanie nie kończy się po uzyskaniu certyfikatu. Producentom należy przeprowadzać nowe testy za każdym razem, gdy wprowadzają zmiany sprzętowe, by utrzymać ważność certyfikatu zgodnie z najnowszymi wytycznymi Aqua Cloud z ubiegłego roku. Obecnie około 7 na 10 układów produkcyjnych wymaga weryfikacji niezależnej przed dopuszczeniem czegokolwiek do produkcji. Dlatego tak ważne są przepisy takie jak FDA 21 CFR Part 11 dla branż zajmujących się materiałami wrażliwymi, szczególnie w przemyśle farmaceutycznym, gdzie nawet drobne błędy mogą prowadzić do poważnych problemów w dalszym etapie.