Новые универсальные промышленные компьютеры семейства Gridex

В статье рассматривается новая линейка промышленных компьютеров IPC Gridex II. Рассказано о цели ее создания, особенностях и отличиях IPC Gridex II от IPC Gridex I, сферах применения новой линейки ПК. Показаны перспективы развития за счет платформенности заложенных в ПК семейства Gridex решений.

Под «промышленным компьютером» сегодня принято понимать два основных свойства: первое связано с понятием «компьютер», в которое вкладывается в первую очередь идентичность привычными компьютерами, которыми мы пользуемся повседневно и повсеместно, и второе - с понятием «промышленное оборудование», которое подразумевает ряд серьезных требований, таких как: долгий срок службы, жесткие условия эксплуатации, наличие специфических интерфейсов и пр. Сочетая эти свойства, мы получаем на технологическом объекте управления (ТОУ) оборудование с максимально возможными на текущий момент характеристиками по производительности, объему памяти, дисков, сетевому взаимодействию и программному обеспечению. В итоге, «промышленный компьютер» является современным, универсальным и весьма мощным инструментом автоматизации практически в любых отраслях, будь то энергетика, химия и нефтехимия, транспорт или общепромышленные АСУ ТП.

При разработке своей линейки промышленных компьютеров Gridex, мы максимально стремились применить платформенный подход, что бы иметь возможность без трудностей собирать конфигурации, необходимые в конкретных случаях, для решения различных задач и соответствовать всем требуемым параметрам.

Программно-технический Комплекс (ПТК) «Торнадо-N» также является платформенным решением, основанным на «промышленных компьютерах» и сетевом распределенном вводе-выводе с дублированным Ethernet интерфейсом. Рынок ПК достаточно большой и представлен рядом известных производителей. Между тем, несколько лет назад нами было принято решение разработать свой собственный ПК, прежде всего для его использования в составе ПТК «Торнадо-N». Это позволило:

1. Избавиться от диктата производителей ПК, цели и задачи которых зачастую не совпадают с нашими, как производителя и поставщика ПТК для крупных АСУТП энергоблоков, электростанций и других подобных объектов.
2. Получить собственное стабильное и проверенное решение, готовое к тиражированию длительное время, более 10 лет.
3. Наработать компетенции, позволяющие создавать для наших систем именно такие компьютеры, которые нам требуются.
4. Создать перспективы развития ПТК в том числе и за счет развития собственных ПК.
5. Построить ПТК, полностью состоящий из оборудования нашей разработки с единым сроком службы – 15-20 лет, включая и компьютерное оборудование.

Так были разработаны промышленные компьютерные платформы семейства Gridex. Модульная конструкция не просто позволяет семейству Gridex быть универсальной вычислительной платформой: любой элемент такого компьютера можно модернизировать с применением новых, только что появившихся на рынке электронных компонентов, включая процессоры.

IPC Gridex

Промышленные компьютеры IPC Gridex, разработанные и выпускаемые компанией «Модульные Системы Торнадо», отличаются надежностью, производительностью и подходят для решения широкого спектра задач. Они имеют пассивное охлаждение, срок службы не менее 15 лет и не требуют обслуживания. Гибкий выбор оптимальной для конкретной задачи конфигурации обеспечивается модульной конструкцией IPC Gridex. Вычислительная система «всё в одном» (SOM — System on Module) с процессором нужной мощности от любого производителя (Intel, AMD, Freescale, TI, МЦСТ, «Байкал Электроникс» и др.) устанавливается на плате-носителе собственной разработки, оснащенной рядом интерфейсов для подключения требуемой периферии, что позволяет снабдить IPC Gridex необходимой функциональностью и возможностями.

Промышленные компьютеры семейства Gridex представлены сегодня двумя линейками – Gridex и Gridex II. При этом они очень схожи по структуре и архитектуре и разнятся только в некоторых технических нюансах.

Gridex (или Gridex I) основан на SOM технологии на базе Q7. Ввиду значительных ограничений по энерговыделению технологии Q7 – не более 12 Вт, в этой линейке могут быть представлены только модели на базе процессоров типа Intel Atom или аналогичных от других производителей на базе архитектур ARM, PowerPC. В рамках стандарта Q7 возможен достаточно богатый выбор процессорных архитектур. За счет применения Q7, Gridex I имеет более широкие диапазоны рабочих температур, он более стоек к жестким условиям эксплуатации.

Gridex II использует другую SOM технологию – COM Express Compact Type 6. Она допускает заметно большее энерговыделение в сравнение с Q7 – до 18 Вт, благодаря чему в Gridex II могут быть имплементированы процессоры iCore i3, i5 и i7 всех поколений, что значительно расширяет вычислительные возможности ПК Gridex II и позволяет их использовать для самых разных задач, включая те, где требуются значительные вычислительные ресурсы.

Назначение

Семейство промышленных компьютеров Gridex предназначено для решения задач, требующих высокой надежности и производительности вычислительных средств. При разработке и изготовлении компьютеров Gridex соблюдены жесткие требования, предъявляемые к компонентам систем и средств промышленной автоматизации для критически важных инфраструктурных и индустриальных объектов, поэтому они успешно применяются на объектах энергетики различного масштаба, в том числе в АСУ ТП крупных энергоблоков.

Структура

Как уже отмечалось, компьютер Gridex имеет модульную конструкцию: он состоит из платы-носителя, поддерживающей набор стандартных интерфейсов для интеграции всех элементов компьютера в одно целое – от процессорного модуля SOM до сетевых, видео, периферийных контроллеров, носителей информации.

Плата-носитель обеспечивает механическое крепление, электропитание и сопряжение процессорного модуля c модулями расширения. Процессорный модуль SOM — это самодостаточное процессорное устройство, способное функционировать под управлением операционной системы. Состав интерфейсов компьютера Gridex определяется при сборке и при необходимости может быть изменен в ходе эксплуатации путем замены имеющихся и/или добавления новых модулей расширения.

В поставляемой номенклатуре модулей расширения реализованы практически все общераспространенные интерфейсы с внешними устройствами. Стандартизованные требования к исполнению модулей расширения позволяют комплектовать компьютеры Gridex как модулями собственной разработки, так и доступными на рынке и вновь разработанными модулями других производителей. Также возможны быстрые разработка и производство новых модулей, поддерживающих специализированные интерфейсы, необходимые по условиям применения. При заказе разработки и изготовления специализированных модулей расширения, отсутствующих в номенклатуре, компания «Модульные Системы Торнадо» обеспечивает оперативное взаимодействии со специалистами заказчика на всех этапах работ и последующее техническое сопровождение вновь разработанных комплектующих.

Программное обеспечение

IPC Gridex обладает высоким уровнем совместимости со стандартными ПК, благодаря которому без ограничений поддерживается и общераспространенное, и специализированное системное и прикладное программное обеспечение. Находящиеся сейчас в эксплуатации компьютеры семейства Gridex работают под управлением операционных систем Microsoft Windows 7/8/10, Microsoft Windows Embedded 7/8/10, QNX6, а также операционных систем на базе OS Linux.

На промышленные компьютеры серии Gridex возможна установка любого PC-совместимого программного обеспечения.

Условия эксплуатации

Разработанные для особо ответственных применений и не требующие обслуживания безвентиляторные промышленные компьютеры Gridex рассчитаны на срок непрерывной круглосуточной работы не менее 15 лет при температуре от 0 до 60 °C.

Такие эксплуатационные характеристики обеспечены за счет:

• использования электронных компонентов с низким энергопотреблением, малым тепловыделением и гарантированным сроком службы не менее 15 лет;
• отсутствия элементов, содержащих электролиты;
• отсутствия механически подвижных частей;
• применения в конструкции и при монтаже современных материалов и технологий, гарантирующих надежную работу изделий в течение 15–20 лет;
• использования разъемов и конструкций, нечувствительных к вибрации;
• реализации эффективной защиты от электромагнитных помех.

Прочный металлический корпус в соответствии со степенью IP40 обеспечивает защиту аппаратуры компьютера Gridex от пыли. При этом компьютеры серии Gridex в типовом исполнении не предназначены для применения во взрывоопасных зонах. Если по условиям применения необходимо обеспечить более высокий уровень защиты, аппаратура компьютера может быть установлена в специальном боксе или в шкафу соответствующего класса применения, включая взрывоопасные зоны.

Структура IPC GRIDEX II

IPC GRIDEX II построены с применением процессорных модулей, выполненных в стандарте COM Express Compact Type 6. Конструкция IPC GRIDEX II дает возможность создавать различные их модификации путем конфигурирования всех составляющих элементов: процессорного модуля, памяти, накопителей и периферии. Принцип «конструктора» позволяет получить компьютер, отвечающий конкретным целям как для систем автоматизации объектов промышленного назначения, так и для решения любых других задач, требующих высокой надежности, производительности и малого энергопотребления. IPC GRIDEX II сочетают в себе низкое энергопотребление, высокие вычислительные и широкие коммуникационные возможности.

Внешние разъемы, элементы управления и индикации выведены на лицевую панель IPC GRIDEX II. На тыльной стороне (противоположной лицевой панели) располагаются разъемы для подключения интерфейсов RS-232, RS-485/RS-422, GPIO.

Состав элементов лицевой панели содержит фиксированную часть, присутствующую во всех модификациях IPC GRIDEX II, и конфигурируемую, зависящую от набора устройств расширения.

Внешний вид лицевых панелей IPC GRIDEX II для двух типов корпусов 11` и 19` показан на рисунках 1.2.1. – 1.2.3.

Назначение элементов лицевой панели описано в таблице 1.2.1.

Внешний вид тыльной стороны панелей IPC GRIDEX II для двух типов корпусов 11` и 19` показан на рисунках 1.2.4 и 1.2.5.

Места маркировки разъемов

Рисунок 1.2.4 – Тыльная сторона IPC GRIDEX II в корпусе 11". Позиции 1 - 4 – разъемы DSUB-9.

Места маркировки разъемов

Рисунок 1.2.5 – Тыльная сторона IPC GRIDEX II в корпусе 19" . Позиции 1 - 6 – разъемы DSUB-9.

На тыльной стороне располагаются разъемы DSUB-9 для подключения интерфейсов RS-232, RS-485/RS-422, GPIO или других интерфейсов и место крепления внешнего защитного заземления. Интерфейсы, подключаемые с тыльной стороны, формируются устанавливаемыми в IPC GRIDEX II модулями в формфакторе miniPCIe (рисунки 1.2.4, 1.2.5), устанавливаемыми в разъемы X14, X16, X19 платы-носителя.:

- M1 (разъем Х14) с подключением портов к разъемам DSUB-9, позиции 1,2;

- M2 (разъем Х16) с подключением портов к разъемам DSUB-9, позиции 3,4;

- M3 (разъем Х19) с подключением портов к разъемам DSUB-9, позиции 5,6; (для корпуса 19”).

1.2.1.3 Аппаратная часть IPC GRIDEX II состоит из платы-носителя (CBCE), процессорного модуля (SOM) и набора модулей расширения.

SOM является системой на модуле – самодостаточным процессорным устройством, способным функционировать под управлением операционной системы. В IPC GRIDEX II применяются SOM стандарта COM Express Compact Type 6. Плата-носитель обеспечивает механическое крепление SOM, его электропитание, формирование служебных сигналов, согласование периферийных интерфейсов с внешними элементами коммутации и расширение состава интерфейсов. Электрические цепи, объединяющие SOM и CBCE, образованы набором разнородных сигналов и шин в соответствии со стандартом COM Express Type 6 и коммутируются специализированным разъемом – COM Express.

Исполнение процессорной части компьютера в виде самостоятельного стандартизированного модуля (SOM) предоставляет возможность оптимизации параметров IPC GRIDEX II в соответствии с областью его применения без изменения конструкции.

Конструкция IPC GRIDEX II предусматривает возможность изменения пользователем состава внутреннего оборудования и набора внешних интерфейсов.

Варианты исполнения и характеристики IPC GRIDEX II определяются конкретными требованиями к изделию и специфицируются при заказе.

Ниже описана кодировка условного обозначения IPC GRIDEX II:

Полное условное обозначение:

IPC GRIDEX II XWU—YRRD—M1 M2 M3 V—PPPP—T

Где:

Х – назначение: 0 – процессорный блок ПТК, 1 – контроллер телемеханики с поддержкой протоколов МЭК-104, 61850, МЭК-101, 2 – промышленный компьютер для розничной продажи.

W – исполнение корпуса: 0 – 11 дюймов (для установки на плиту, стену), 1 – 19 дюймов.

U – тип питания: 0 – питание 24В DC (для W=0, W=1), 1 – питание 230В AC/220В DC (для W=1); 2 – дублированное питание 230В AC/220В DC (для W=1).

Y – количество портов Ethernet: минимум 1, максимум 5.

RR – размер оперативной памяти: 02 – 2 GB, 04 – 4 GB, 08 – 8 GB; 16 – 16 GB.

D – Диски 2,5” SATA: 0 – нет, 1 – 1 HDD SATA, 2 – 2 HDD SATA (для W=1), 3 – 1 SSD SATA, 4 – 2 SSD SATA (для W=1).

M1 – плата miniPCIe & USB: 0 – нет, 2 – плата 2хRS-485/RS-422, 3 – плата 1хRS-485/RS-422+1хRS-232, 4 – плата 2хGPIO, 5 – плата Neuron.

M2 – плата miniPCIe & miniSATA & USB: 0 – нет, 1 – SSD диск, 2 – плата 2хRS-485/RS-422, 3 – плата 1хRS-485/RS-422+1хRS-232, 4 – плата 2хGPIO, 5 – плата Neuron.

M3 – плата miniSATA & USB: 0 – нет, 1 – SSD диск, 2 – плата 2хRS-485/RS-422, 3 – плата 1хRS-485/RS-422+1хRS-232, 4 – плата 2хGPIO.

V – видеокарта: 0 – 2 HDMI.

PPPP – тип процессорного модуля (таблица 1.2.2), где:

- Pppp – семейство или поколение процессора: «P» - Intel Pentium, «A» - Intel Atom/Celeron, «5» - Intel пятое поколение, «6» - Intel шестое поколение, «7» - Intel шестое поколение;

- pPPp – модель процессора: «N4» - Pentium N4200, «BT» - Bay Trail, «i3» - Core i3, «i5» - Core i5, «i7» - Core i7;

- pppP – производитель процессорных модулей: «A» - Avalue.

T – рабочая температура окружающего воздуха: B – (base) от 0 до 60 С, S – (standard) от 0 до +70 С, I – (industrial) от минус 25 до 70 С, E – (extended) от минус 40 до 80 С.

Таблица 1.2.2 – Типы процессорных модулей, комплектуемых сегодня в составе Gridex II

PPPP	Температурный диапазон	Benchmarks (PassMark® Software Pty Ltd)	Описание
7i7A	Base: 0°C ~ 60°C Extend:-40°C ~ 75°C	5477	KBLU Intel® Core™ i7-7600U Type6 COMe Compact Module
7i5A	Base: 0°C ~ 60°C Extend:-40°C ~ 75°C	5084	KBLU Intel® Core™ i5-7300U Type6 COMe Compact Module
7i3A	Base: 0°C ~ 60°C Extend:-40°C ~ 75°C	3799	KBLU Intel® Core™ i3-7100U Type6 COMe Compact Module
6i7A	Base: -20°C ~ 80°C	4803	SKLU Intel® Core™ i7-6600U Type6 COMe Compact Module
6i5A	Base: -20°C ~ 80°C	4375	SKLU Intel® Core™ i5-6300U Type6 COMe Compact Module
6i3A	Base: -20°C ~ 80°C	3602	SKLU Intel® Core™ i3-6100U Type6 COMe Compact Module
5i7A	Base: 0°C ~ 60°C	4224	BDW Intel® Core™ intel Core™ i7-5650U Type6 COMe Compact Module
5i5A	Base: 0°C ~ 60°C	3358	BDW Intel® Core™ intel Core™ i5-5350U Type6 COMe Compact Module
5i3A	Base: 0°C ~ 60°C	3052	BDW Intel® Core™ intel Core™ i3-5010U Type6 COMe Compact Module
ABTA	Base: 0°C ~ 60°C Extend: -40°C ~ 85°C	1490	Bay Trail Intel® Atom™ SoC Processor E3845 Type6 COMe Compact Module
PN4A	Base: 0°C ~ 60°C	2011	Intel® Pentium®  SoC Processor N4200 Type6 COMe Compact Module

Исполнения

Типовые варианты исполнения промышленных компьютеров Gridex:

1. В металлическом корпусе шириной 11 дюймов (252 × 163 × 56 мм), с внешним питанием постоянного тока от 12 до 24 В, для крепления на плите.

2. В металлическом корпусе шириной 19 дюймов и высотой 1 U (483 × 163 × 44 мм), с внешним питанием постоянного тока от 12 до 24 В, для крепления в стойке или другого размещения.

3) В металлическом корпусе шириной 19 дюймов и высотой 1 U (483 × 163 × 44 мм), с внутренним дублированным источником питания (подключается к двум независимым фидерам переменного и/или постоянного тока с напряжением от 100 до 220 В), для крепления в стойке или другого размещения.

На передней и задней панели корпуса размещаются разъемы интерфейсов. Съемная верхняя крышка выполнена в форме радиатора конвекционного безвентиляторного охлаждения. На нижней стенке находится закрытый крышкой лючок для установки внешнего диска без разбора корпуса.

IPC Gridex I

Технические характеристики IPC Gridex I базовой комплектации см. в табл. 1.

Таблица 1. Технические характеристики IPC Gridex I

Эксплуатация промышленного компьютера IPC Gridex I допускается при температуре окружающего воздуха от -25 до +70 °C и относительной влажности от 5 до 95 % без конденсации влаги.

Степень защиты от внешних воздействий, обеспечиваемая корпусом IPC Gridex I, соответствует IP40 по ГОСТ 14254.

Среднее время наработки на отказ — не менее 150 000 часов.

IPC Gridex II

Технические характеристики IPC Gridex II в базовой комплектации см. в табл. 2.

Таблица 2. Технические характеристики IPC Gridex II базовой модели

В промышленном компьютере IPC Gridex II реализованы сторожевой таймер и прием внешнего сигнала Power Good.

Эксплуатация компьютера в базовой комплектации допускается при температуре окружающего воздуха от 0 до +70 °C и относительной влажности от 5 до 95 % без конденсации влаги. По специальному требованию поставляется исполнение от -40 до +80 °C.

Степень защиты от внешних воздействий, обеспечиваемая корпусом IPC Gridex II, соответствует IP40 по ГОСТ 14254. Среднее время наработки на отказ — не менее 150 000 часов.

Модули расширения для компьютеров семейства IPC Gridex

Адаптер сети Ethernet GE1P-I210 (1 порт)

В сетевом адаптере GE1P-I210 реализованы порт Ethernet с аппаратной поддержкой протокола IEEE 1588 (PTP) и вывод цифрового сигнала синхронизации через дополнительный разъем.

Адаптер устанавливается в слот PCIe x1.

Технические характеристики сетевого адаптера GE1P-I210 см. в табл. 3.

Таблица 3. Технические характеристики сетевого адаптера GE1P-I210

Адаптер сети Ethernet GE4P82574 (4 порта)

В сетевом адаптере GE4P82574 реализованы четыре порта Ethernet (табл. 4).

Адаптер подключается к слоту PCIe x1 через специальный переходник.

Таблица 4. Технические характеристики сетевого адаптера GE4P82574

Переходник EPCIEX1_X1

Переходник EPCIEX1_X1 удлиняет цепи разъема PCIe x1 и используется для установки в IPC Gridex модулей расширения нестандартной конструкции.

Переходник EPCIEX1_X16

Переходник EPCIEX1_X16 согласует цепи разъемов PCIe x1и PCIe x16 и используется для установки в IPC Gridex модулей расширения формата PCIe x16. В том числе, переходник может использоваться для установки в IPC Gridex видеокарт формата PCIe x16.

Модуль последовательных интерфейсов USB-COM

Модуль USB-COM обеспечивает расширение IPC Gridex интерфейсами RS-232 и RS-485 / RS-422. Выполнен в форм-факторе miniPCIe Card. В среде операционной системы модуль представляется как два стандартных COM-порта. Для интерфейса RS-485 / RS-422 обеспечивается гальваническая развязка. Тип интерфейса (RS-485 или RS-422) выбирается путем установки перемычек. Также с помощью перемычек активируются терминаторы линий связи.

Технические характеристики модуля USB-COM отражены в табл. 5.

Таблица 5. Технические характеристики модуля USB-COM

Видеоадаптер QSDVI

Модуль видеоадаптера QSDVI предназначен для подключения к IPC Gridex видеомонитора с интерфейсом DVI-D. В модуле реализована защита от разрядов статического электричества.

Технические характеристики модуля видеоадаптера QSDVI приведены в табл. 6.

Таблица 6. Технические характеристики модуля QSDVI

Модуль программируемого логического контроллера PES6

Модуль программируемого логического контроллера PES6 предназначен для построения специализированных устройств расширения, функции которых задаются пользователем. Функциональность пользовательского контроллера обеспечена ресурсами программируемой логической микросхемы FPGA типа XC6SLX25T-2CSG324 (производство компании Xilinx), которая может быть многократно перепрограммирована. Модуль выполнен в формате miniPCIe Card (табл. 7).

Таблица 7. Технические характеристики модуля PES6

Модуль дискретного ввода-вывода GPIO (General Purpose Input/Output)

Модуль дискретного ввода-вывода GPIO обеспечивает расширение IPC GRIDEX II интерфейсом GPIO, выполнен в форм-факторе miniPCIe Card (рисунок 1а) и может устанавливаться в разъемы X14, X16, X19 платы-носителя.

Модуль построен на базе преобразователя USB-UART типа FT2232HL компании FTDI Chip. В среде операционной системы модуль представляется как два стандартных COM-порта. Управление каналами осуществляется с помощью драйвера API D2XX. Тип канала (вход,выход) устанавливается программно. Уровень напряжения порта определяется наличием перемычек J1 и J2 на плате (рисунок 1) и может быть: 3.3В выход типа push-pull и 5В выход типа open-drain. Максимальный ток на канал – 15мА.

Модуль имеет два 8-ми разрядных порта GPIO. Порты выводятся на два стандартные разъемы типа DB-9F.

Модуль может использоваться как для GPIO интерфейса, так и для JTAG, I2C, SMBus или SPI интерфейсов.

Таблица 1 – Основные технические характеристики модуля GPIO

Примеры применения компьютеров серии Gridex

• Коммуникационный компьютер в системах автоматизации подстанций и общепромышленных объектов. IPC Gridex широко применяется в качестве основного процессорного компонента в системах автоматизации подстанций. Основные факторы, определяющие успешность такого использования, – соответствие требованиям по электромагнитной совместимости, определенных стандартом МЭК-61850, поддержка современных протоколов синхронизации времени PTP. Наличие до пяти портов Ethernet 1Гбит/с позволяет создавать современные системы автоматизации, разделять технологичные сети по разным сегментам, что особенно важно с точки зрения информационной безопасности. Для общепромышленных применений важны такие характеристики, как широкий диапазон рабочей температуры, высокая вибрационная стойкость.
• Автоматизированная рабочая станция персонала. Модели IPC Gridex I и IPC Gridex II могут успешно использоваться как одно- и двухмониторный компьютер рабочего места персонала. Применение промышленного компьютера в таком качестве позволяет продлить срок эксплуатации АРМ с обычных 5–6 лет (при использовании обычных РС) до 15 лет без значимого обслуживания и покупки новых версий, а также замены системного и прикладного ПО.
• Сервер автоматизированной системы управления или локальной инфраструктуры ИТ. Процессорная мощность IPC Gridex II (доступность различных процессоров с разной производительностью) вместе с возможностью установки до двух HDD позволяет использовать эту модель в качестве серверов. Безвентиляторное решение с возможностью дублирования питания 220 В и достаточно низким энергопотреблением создает принципиально новые функциональные характеристики в части серверных компонентов системы автоматизации. Еще одно возможное направление применения IPC Gridex II – серверы поддержки локальной ИТ-инфраструктуры (DHCP, DNS и др.) в составе небольших серверных. Низкое энергопотребление и промышленные характеристики позволяют использовать IPC Gridex II не только для отдельных сервисов, но и как сервер, работающий от ИБП в режиме отключения внешнего электропитания и управляющий запуском основного серверного оборудования после восстановления внешнего электропитания.
• Контроллер систем мониторинга. Основным назначением систем мониторинга является отслеживание ключевых характеристик различного технологического оборудования и передача этой информации с соответствующие центры мониторинга. Для этих приложений такие характеристики IPC Gridex, как срок эксплуатации до 15 лет и развитые интерфейсные возможности (5 Eth + RS), позволяют создавать системы мониторинга с широким спектром возможностей по подключению первичных микропроцессорных источников информации.