Применение промышленных компьютеров на производстве

Материал для любознательных

Вся информация, поступающая к человеку, состоит из сигналов. Известно, что таких сигналов человек получает значительно больше, чем в состоянии обработать его мозг. Человек так устроен, что он:

• не может принять непонятную ему информацию;
• необъективен, то есть зачастую воспринимает информацию не такой, какая она есть, а такой, какой она ему кажется;
• быстро устаёт и может ошибаться, обрабатывая информацию;
• не может долго хранить информацию: если не закреплять знания постоянными упражнениями, информация очень быстро забывается.

Справляться с этими проблемами человеку помогает компьютер.

Компьютер имеет дело с данными. Данные — это информация, представленная в форме, пригодной для обработки компьютером. Это могут быть числа и буквы, рисунки и звуки. За малое время компьютер способен обработать большое количество данных.

Компьютер обрабатывает данные по заданным инструкциям и создаёт информацию для человека. Этим работакомпьютера похожа на работу человеческого мозга.

В отличие от человека компьютер не может думать. Он выполняет только то, что ему предписано. Часто говорят о компьютерных ошибках, но, как правило, это ошибки людей, разработавших неверные инструкции для компьютера.

Сегодня компьютер является незаменимым помощником человека в любой сфере деятельности. Какими же «профессиями» он владеет?

Вычислитель — прямая (по названию) и первая (исторически) из его «профессий». С помощью компьютера проводятся математические вычисления в различных областях науки и техники. Это и обработка результатов экспериментов, и расчёт траекторий космических аппаратов, астрономические исследования и многое другое.

Пишущая машинка. Набор и редактирование текстов, хранение и печать документов широко используются во всех сферах деятельности.

Делопроизводитель. Можно реализовать ведение личных дел сотрудников, подготовку приказов и распоряжений.

Личный секретарь. Под этим подразумевается ведение делового дневника, напоминание о важных делах и знаменательных событиях.

Бухгалтер. Производится быстрый расчёт заработной платы для всего предприятия, учёт доходов и налогов, подготовка документации.

Справочное бюро. Компьютер представляет вам информацию по множеству вопросов.

Библиотекарь. Компьютер позволяет хранить сотни тысяч томов, осуществлять быстрый поиск и предоставление на экране нужного материала.

Издатель. С помощью компьютера можно создавать макеты книг, газет, журналов, рекламных проспектов и плакатов.

Переводчик. Компьютер может осуществлять перевод отдельных слов и текстов с русского языка на иностранный и наоборот.

Почтальон. Ваши сообщения могут быть доставлены в любую точку планеты за считанные минуты.

Художник. На компьютере можно создавать новые изображения и редактировать (изменять размеры, форму, цвет, добавлять и удалять фрагменты) имеющиеся рисунки и фотографии.

Мультипликатор. На компьютере можно создавать двумерные и трёхмерные движущиеся изображения, всевозможные видеоэффекты.

Модельер. На компьютере можно разрабатывать модели обуви и одежды, подготавливать выкройки.

Архитектор. Компьютер позволяет проектировать здания и сооружения, представлять их не только в чертежах, но и в макетах на экране, с возможностью просмотра конструкций снаружи и внутри.

Дизайнер. На компьютере можно разрабатывать дизайн помещений, создавать на экране интерьеры, подбирать фактуру и цвет отделочных материалов, моделировать расстановку мебели.

Конструктор. Компьютер позволяет проектировать и рассчитывать механизмы и конструкции.

Композитор и музыкант. Компьютер позволяет сочинять, создавать аранжировку и исполнять музыкальные произведения.

Врач. Имеется возможность обследования, диагностирования и назначения лечения.

Учитель. В наглядной форме подставляется учебный материал по любому предмету, моделируются эксперименты, проводится тестирование, исправление ошибок, оценивание.

Игротека. Существует необычайно широкий круг захватывающих компьютерных игр.

Применение промышленных компьютеров на производстве

В статье охарактеризованы особенности промышленных компьютеров и перечислены их преимущества, позволяющие им являться самым высокопроизводительным, гибким и универсальным средством автоматизации производственных процессов.

Что умеют современные промышленные компьютеры

Без сомнения, компьютеры в настоящее время играют серьезную роль в промышленных системах автоматизации. Применение первых мейнфреймов, облегчивших документооборот в офисах крупных корпораций, стало важным шагом, но проникновение мини- и микрокомпьютеров на уровень цеха представляло собой настоящую революцию.

История промышленных компьютеров началась в 1984 году, когда компания IBM вывела на рынок Industrial Computer 5531 – специализированную версию IBM XT под управлением MSDOS версии 5. Это изделие могло быть установлено рядом со шкафом управления и использовано для сбора и анализа данных с помощью пакета Lotus 1-2-3. Для упрощения этой процедуры могли быть использованы специализированные платы, вставлявшиеся в слоты ISA. Чтобы компьютер не потерял работоспособность в промышленных условиях, в него был установлен усиленный блок питания, добавлена система фильтрации приточного воздуха. Появление этого изделия способствовало ускорению обработки и анализа оперативных данных о работе технологического оборудования.

Рис. 1. Компьютер управления стерилизатором IPC477D PRO

Основным фактором, усилившим эту тенденцию в дальнейшем, стала гибкость. Инженеры могли достаточно быстро адаптировать алгоритмы системы управления к требуемым изменениям. Однако имелись и недостатки:
— поскольку основным языком программирования в то время был ассемблер, требовалось наличие собственного штата квалифицированного персонала;
— компьютер тогда был достаточно дорогим устройством. Он должен был заменять собой довольно большое количество рабочих, чтобы окупиться;
— системы имели ограниченные возможности общения с оператором – черно-белый текстовый или псевдографический дисплей, кнопочную клавиатуру.

По мере становления этого сегмента рынка было разработано программное обеспечение, позволившее использовать программирование на основе диаграмм (так называемые средства разработки low-code и no-code). Стоимость микроэлектроники последовательно и быстро снижалась: примерно в 10 раз за каждые 4 го­да. К настоящему дню эти тенденции привели к существенному расширению спектра применений в условиях промышленного производства, что и будет рассмотрено в данной статье.

Рис. 2. Панель управления на молочном производстве

Отличия компьютеров промышленного класса

При работе над проектом у заказчиков зачастую возникает желание использовать в промышленной среде компьютеры бытового или коммерческого классов. Они мотивируют это ценовым фактором. Рассмотрим те характеристики компьютеров промышленного класса, которые заставляют отдать им предпочтение при выборе конкретного изделия для проекта.

Прежде всего компьютеры промышленного класса допускают более суровые условия эксплуатации (широкий диапазон рабочих температур, воздействие вибрации, высокий уровень допустимых электромагнитных помех). Ряд изделий имеют также повышенную степень защиты корпуса от пыли и влаги, а плат электроники – от биологически, химически и механически активных веществ. Для реализации этих требований используются различные приемы, отсутствующие в изделиях коммерческого класса: специализированная компонентная ба­за (SMD-элементы, вентиляторы и т. п.), дополнительные покрытия печатной платы и установленных элементов, увеличенная ширина дорожек печатных плат и площадь пайки компонентов (для компенсации разницы температурного расширения печатной платы и самого элемента) и т. п. Все эти приемы призваны увеличить срок службы собранного изделия до возникновения отказа (и, как следствие, остановки управляемого оборудования).

Вторым важным фактором следует признать компоненты с длительным сроком производства (longevity). Промышленные системы призваны работать на протяжении многих лет, поэтому ремонтопригодность системы в целом определяется доступностью отдельных компонентов. В мире промышленных компьютеров для отсчета сроков обычно используется календарь Intel, где отмечено снятие с производства центральных процессоров и чипсетов. Для чипов категории Embedded эта величина составляет 7 лет, а для категории Desktop – 3…5 лет.

Совместимость с имеющимся программным обеспечением при замене аппаратной платформы – это третий фактор, имеющий значение при подборе промышленного компьютера. В идеальном случае вендором программного и аппаратного обеспечения должна выступить одна и та же организация. Тогда может быть обеспечена не только совместимость, но и преемственность версий при модернизации всего комплекса.

Четвертый фактор в пользу выбора специализированного решения – это расширяемость. Для ПК бытового или коммерческого назначения обычным является наличие 2…4 слотов для плат расширения типа PCIe. В большем количестве нет необходимости. Для промышленных же систем на архитектуре ATX привычное решение – 9…11 слотов, а для архитектуры PICMG 1.0/1.3 – до 20 слотов. Такие величины отвечают потребностям в скоростном обмене с внешними линиями дискретного или аналогового ввода/вывода или специализированными платами коммуникационных портов. При этом следует отметить, что в промышленных компьютерах до сих пор встречаются не только платы PCI, но и платы ISA, давно забытые в других сегментах этого рынка.

Управление технологическими единицами

Когда речь заходит о промышленных компьютерах, первое, о чем вспоминают проектировщики, это решение задач управления технологическим оборудованием. Визуализация на основе ПК обычно применяется для задач с объемом от 400–500 тегов (для проектов меньшего размера берут операторские панели).

Применение панельных или безвентиляторных компьютеров для управления отдельными технологическими объектами или постами является хорошим решением при наличии потребностей, чуть превышающих стандартную функциональность операторских панелей. К таковым относятся:
— сложные сетевые конфигурации (VPN, авторизация, фильтрация трафика, работа с модемами и т. п.);
— архивирование и (или) периодическая отправка собранных данных;
— обращение к уровню ОС (драйвера устройств, прочие программные компоненты).

Рис. 3. Операторский пост на заводе ThyssenKrupp («ТюссенКрупп»)

При решении таких задач обычно нет высоких требований к производительности, а наиболее критичными техническими параметрами становятся требуемое разрешение (и соответственно размер экрана), необходимые порты связи и допустимые условия эксплуатации. Примерами используемого в таких случаях программного обеспечения являются Siemens WinCC Advanced и Advantech WebAccess/HMI.

Системы визуализации

Наиболее распространено применение промышленных компьютеров в SCADA-системах, управляющих совокупностями технологических объектов (производственными участками и линиями). Они могут создаваться в ви­де как одноместных, так и клиент-серверных конфигураций, реализуя задачи объемом от одной до десятков тысяч переменных. Применение промышленных компьютеров в таких проектах обосновывается установкой постов управления в операторских, которые обычно находятся в непосредственной близости к управляемому оборудованию, а также потребностью в поддержке промышленных коммуникационных шин.

Требования к промышленным ПК для систем визуализации меняются в достаточно широких пределах и определяются выбранным программным обеспечением. Самыми критичными параметрами следует признать объем оперативной памяти и структуру реализации системы хранения данных.

Говоря о современных SCADA-системах, необходимо упомянуть о двух тенденциях их развития. Первая связана с виртуализацией серверной части приложений. С одной стороны, это требует от эксплуатирующей организации переработать ИТ-инфраструктуру предприятия (уменьшить количество серверов и увеличить производительность каждого отдельного сервера, увеличить пропускную способность сети, вероятно, модернизировать систему хранения данных), с другой стороны, такой переход заметно упрощает дальнейшее развитие системы, повышает ее устойчивость к различным воздействиям.

Второй тенденцией является уменьшение применяемой доли «толстых» клиентов (то есть классических компьютеров с полномасштабной операционной системой и программным обеспечением) в пользу «тонких» клиентов, работающих по HTTP/HTML5. Данное решение также удешевляет стоимость владения системой в целом, упрощает расширение и ремонт в случае отказа отдельных рабочих мест. Еще одним следствием такого перехода является автоматическое разрешение использовать переносные устройства (в том числе принадлежащие персоналу, если это позволяет структура системы безопасности) в качестве устройств управления.

Посты сборки и контроля качества

Отдельно следует упомянуть применения, когда панельный компьютер является центральным элементом рабочей станции поста сборки или контроля качества. Решение таких задач хорошо укладывается в современную тенденцию повышения охвата автоматизированными системами всё большего количества процессов на промышленном предприятии. Как следствие, улучшается прослеживаемость отдельных выпущенных экземпляров продукции, системы аналитики могут на основании показателей качества, близких к граничным, предсказывать реальные сроки отказа продукции в процессе эксплуатации.

Рис. 4. Пост контроля качества на производстве турбин

В обоих случаях прикладное программное обеспечение, скорее всего, будет выполнено с использованием языков программирования высокого уровня либо систем лабораторного уровня типа LabView или MathLab. Требования к вычислительной мощности, наличию возможностей расширения основной платформы и другим характеристикам определяются исключительно поставленной задачей в каждом конкретном случае.

Шлюзы данных и Edge Computing

Увеличение доступности и пропускной способности беспроводных сетей привело к появлению идеологии интернета вещей. Как следствие, появилась возможность сбора информации из тех точек, которые раньше были недоступны. Для решения этой задачи был создан отдельный тип промышленных компьютеров с невысокой вычислительной мощностью, наличием одного или нескольких слотов miniPCIe для компактных коммуникационных плат (LoRa, NB-IoT, 3G/4G, Wi-Fi и др.) и зачастую расширенным диапазоном рабочих температур. При этом конструкция может быть и рассчитанной только на коммуникации, и содержать небольшое количество входов/выходов.

Этот класс устройств помимо собственно формирования канала связи обычно также реализует функции преобразования протоколов и контроль целостности канала передачи данных. Для этого могут использоваться как программирование на языках высокого уровня, так и различные варианты систем low-code и no-code (например, Node-Red или Advantech TagLink).

Рис. 5. Шлюз данных Simatic IPC127E

Следует отметить, что описываемые применения уже сейчас укладываются в рамки зарождающейся идеологии Edge Computing (граничных или краевых вычислений). Эта идеология зародилась, когда возникло понимание, что не все данные, собираемые с полевых устройств, реально нужны в облаке для дальнейшего анализа. Технология граничных вычислений подразумевает, что измеренные величины перед отправкой проходят масштабирование, фильтрацию и анализ и пересылаются на хранение только в случае потребности. Этот процесс, во‑первых, снижает нагрузку на коммуникационный канал, а во‑вторых, позволяет реализовать местную реакцию на отклонение величин от нормальных значений с более высокой надежностью, чем в случае использования классических УСПД.

Промышленные компьютеры уже несколько десятков лет являются неотъемлемой частью спектра средств автоматизации. Они отличаются большей гибкостью и производительностью, чем классические ПЛК, и большей универсальностью, чем операторские панели. По мере роста вычислительных возможностей на современном производстве появляется все больше новых задач, решение которых может быть выполнено с использованием ПК. Разумеется, описываемый класс устройств может применяться еще в целом ряде отраслей, не включенных в данную статью (на транспорте, в системах видеонаблюдения, контроля доступа, управления зданиями, для обработки платежей и т. д.). Этот вопрос будет освещен в следующих публикациях.

Рассказ о компьютере

Почти в каждом доме есть компьютер. Некоторым он нужен для работы, а другим для общения и проведения досуга. Хотя еще 100 лет назад люди и слова такого как «компьютер» не знали.

Только в 1946 году в США собрали первый в мире компьютер, который предназначался для нужд армии и был огромным.
На его строительство ушло около полумиллиона долларов. Над ним работали примерно три года. Он весил 28 тонн. А охлаждался первый компьютер авиационными двигателями.
1950 — группой Лебедева в Киеве создана первая советская электронная вычислительная машина.

Создание первых персональных компьютеров стало возможно только в 1970-х годах.
Во второй половине 1970-х годов появляются удачные образцы микрокомпьютеров американской фирмы Apple, но широкое распространение персональные компьютеры получили с созданием в августе 1981 фирмой Ай-Би-Эм (IBM) модели микрокомпьютера IBM PC .

Персональный компьютер имеет следующие части:

• материнская плата,
• блок питания,
• оперативная память,
• процессор,
• видеоадаптер,
• жесткий диск,
• дисковод,
• платы расширения.

Процесс взаимодействия человека с ПК насчитывает уже более 40 лет. До недавнего времени в этом процессе могли участвовать только специалисты-инженер, математики — программисты, операторы. Сейчас ситуация изменилась, в роли пользователя может быть не только специалист, но и любой человек, будь то школьник или домохозяйка, врач или учитель, рабочий или инженер.

Бытовые персональные компьютеры используют в домашних условиях. Их основное назначение:

1. обеспечение несложных расчетов,
2. выполнение функции записной книжки,
3. ведение личной картотеки,
4. средство обучения,
5. инструмент доступа к интернету.
6. Сейчас чаще компютер используют как средство развлечения — для игр, для просмотра видео, для общения в социальных сетях.

Профессиональные персональные ЭВМ используют в конкретной профессиональной сфере, все программные и технические средства ориентированы на конкретную профессию.

Компьютер занял важное место в нашей жизни. Без него уже не может обходиться ни один человек. Компьютер стал верным помощником, который помогает облегчить работу, разнообразить досуг, стал незаменимым источником информации и ее хранителем!
Но нужно помнить и о вредном влиянии компьютера на организм человека. Необходимо правильно организовать свое рабочее место, помнить о продолжительности работы за компьютером, выполнять профилактические упражнения для снятия напряжения.

Надеемся, изложенная информация о компьютере помогла Вам. А свой рассказ о компьютере Вы можете оставлять через форму комментариев.

Процессор

Процессор представляет собой микросхему, предназначенную для выполнения основных вычислительных операций. Процессоры выпускаются двумя фирмами AMD и Intel. В зависимости от производителя процессора отличается и разъем (место его установки), поэтому при выборе материнской платы следует это не забывать. Вы просто не вставите процессор AMD в материнскую плату для процессоров Intel.

Современные компьютерные технологии для детей

ПК, а с ними и новейшие информационно-компьютерные технологии, всё более интенсивно вторгаются в нашу повседневную жизнь. Сегодня каждому образованному человеку, а уж тем более учителю необходимы хотя бы элементарные знания, умения и навыки работы на ПК. Учитель просто обязан быть информационно компетентным, без этого современное образование просто уже невозможно себе представить.

Как можно использовать компьютер

Использование в учебном процессе компьютера помогает:

• оптимизировать и интенсифицировать учебный процесс,
• повысить интерес школьников к изучаемому предмету,
• воплотить идеи развивающего обучения,
• повысить темп урока,
• увеличить объём самостоятельной работы.

Кроме того, новые информационные технологии способствуют развитию интеллектуальной и творческой одарённости учащихся, развивают логическое мышление, культуру умственного труда, формируют навыки самостоятельной работы, существенно влияют на мотивационную сферу учебного процесса.

Компьютер на уроке является оперативным средством наглядности, помогает при отработке практических умений учащихся, в ходе организации и проведения опроса и контроля школьников, в контроле и оценке домашних заданий, при работе с таблицами, графиками, схемами и т.д.

Наглядность, которую обеспечивает ПК, особенно важна для младших школьников, так как у них ведущим является наглядно-образное и наглядно-действенное мышление.

Технические средства обучения, проекционное оборудование, мультимедиа системы позволяют одновременно задействовать все каналы, воспринимающие учебную информацию (визуальный, аудиальный, кинетический), что значительно повышает качество усвоения учебного материала.

Знания, полученные с помощью экранно-звуковых образов, в дальнейшем позволяют перейти к более высоким ступеням познания – понятиям и теоретическим выводам.

Учитель на уроке с использованием ПК выполняет функцию консультанта и организатора всего урока. Компьютер во время урока не заменяет учителя или учебник, но в корне изменяет характер педагогической деятельности. Он обеспечивает преподавателя новыми средствами обучения, позволяющими решать даже такие проблемы, которые ранее оставались нерешёнными.

На сегодня мы уже имеем значительный список всевозможных обучающих программ. Многие из них имеют некоторые недостатки, но сам факт их многочисленного существования говорит о том, что они востребованы и, несомненно, представляют собой определённую ценность.

Учитель может использовать на уроке несколько видов компьютерных программ:

1. Учебные (наставнические). Чаще всего используются для объяснения нового материала, для максимально полного и успешного его усвоения.
2. Программы-тренажёры. Применяются, когда теоретический материал обучаемым уже известен для формирования и закрепления навыков и умений учащихся, а также для их самоподготовки.
3. Контролирующие программы. Обеспечивают контроль уровня знаний и умений учеников. Эти программы разработаны в виде разнообразных проверочных заданий, в том числе и в тестовой форме.
4. Демонстрационные программы. Программы для наглядной демонстрации учебного материала описательного характера, разных наглядных пособий (картин, фотографий, видеофрагментов).
5. Информационно-справочные программы. Выводят необходимую информацию при подключении к образовательным ресурсам сети Интернет.
6. Мультимедиа-учебники. Представляют собой комплексные программы, сочетающие в себе большинство возможностей перечисленных выше видов программ.

Между тем информационно-компьютерные технологии продолжают стремительно развиваться. И, вероятно, уже не за горами тот день, когда голосовые команды, используемые сегодня при управлении сотовыми телефонами или системой «умный дом», будут использоваться в учебном процессе. Учитель сможет подавать голосовые команды на компьютер, и, находясь в любой точке класса, управлять информацией, выводимой на экран.

Таким образом, информационно-компьютерные технологии существенно повышают эффективность образовательного процесса, решая задачи, стоящие перед образовательным учреждением, по всестороннему развитию творчески свободной личности.

На основании вышеперечисленного можно сделать следующие выводы: использование компьютера учителем для организации учебного процесса на уровне класса позволяет повысить интеллектуальный уровень детей, раскрыть их творческий потенциал, развить интерес к окружающему миру через игровой процесс.

При правильном применении компьютер способствует всестороннему развитию ребенка и повышает его интерес к обучению.