Новые универсальные промышленные компьютеры семейства Gridex

Издание: ИСУП, в № 5(77) журнала «ИСУП», ноябрь 2018 г.

Дата публикации: 13.11.2018


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.

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

Рисунок 1.2.2 – Лицевая панель IPC GRIDEX II в корпусе 19" с электропитанием 12-24 VDC

Назначение элементов лицевой панели описано в таблице 1.2.1.

Обозначение Описание
Фиксированные элементы
HDMI 1; HDMI 2 Разъемы подключения видеомониторов*
LAN 1 Разъем Ethernet, порт процессорного модуля COM Express
USB 1; USB 2 Разъемы интерфейса USB 2.0 Host (с поддержкой USB 1.1)
USB 3; USB 4 Разъем интерфейса USB 3.0 Host (с поддержкой USB 2.0 и USB 1.1)
SD Разъем подключения SD карты
  Аудио выход, стерео. Микрофон, моно. Стандарт CTIA
HDD Индикатор активности дисковой подсистемы
LED Пользовательский светодиод
PWR Индикатор рабочего состояния (ВКЛ/ВЫКЛ)
  Кнопка управления питанием
RST Кнопка аппаратного сброса
Конфигурируемые элементы
12…24 VDC
230 VAC/220 VDC
Разъем питания
LAN 2…LAN 5 Разъем Ethernet, порт устанавливаемого сетевого адаптера


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.

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.

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

Наименование характеристики

Реализация

Процессорный модуль

SOM стандарта Qseven (Q7):

  • Процессор Intel® Atom™ E3845, 4 × 1.91 GHz, 2MB L2 cache, 10 W;

  • ОЗУ 2 GByte DDR3L до 1333 MT/s;

  • Графический контроллер Intel®Valleyview SoC integrated Graphics

Видеоадаптер

Обеспечивает согласование сигналов видеоинтерфейсов LVDS, SDVO, HDMI, Display Port из модуля SOM с разъемом DVI для видеомонитора: DVI-D Single Link, разрешение до 1920 × 1200, 24 бит, 60 Гц

Шина PCIe

  • Поддержка PCIe 1.1 (2.5 Гбит/c) и PCIe 2.0 (5 Гбит/c).

  • Подключение до 6 устройств (модулей) расширения.

  • Выведена на разъемы PCIe (х3) и miniPCIe (х3)

Интерфейсы SATA

Два независимых интерфейса SATA с поддержкой SATA 1.0 (1,5 Гбит/с) и SATA 2.0 (3 Гбит/с). Возможно подключение одного внешнего накопителя через стандартный SATA-кабель и установка на плату до двух накопителей типа miniSATA

Дисковая подсистема

До одного НDD в 11-дюймовом корпусе. До двух HDD в 19-дюймовом корпусе. До двух miniSATA SSD

SD Card

Есть разъем для подключения SD-карты

USB

Четыре порта, поддержка USB 2.0 (480 Мбит/с) и USB 1.1 (12 Мбит/с)

Ethernet

До пяти портов 10/100/1000 Base-T

Boot ROM

Есть

Интерфейс RS-232

До четырех портов, скорость до 460 кбит/c, без гальванической развязки

Интерфейс RS-485 / RS-422

До четырех портов, скорость до 1200 кбит/c, гальваническая развязка

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

Наименование характеристики

Реализация

Процессорный модуль

SOM стандарта COM Express Type 6 ESM-BDW-5010-A1R компании Avalue:

  • процессор Intel® Core™ i3-5010U 2,1 ГГц, кеш 3 МБ, 15 В;

  • chipset Intel Wildcat Point (WPT-LP);

  • ОЗУ до 16 ГБ DDR3L 1333/1600 MT/s, SODIMM;

  • графический контроллер Intel® HD Graphics 5500;

  • аудиоконтроллер Intel® HD Audio

Видеоадаптер

Обеспечивает согласование сигналов видеоинтерфейсов DVI, HDMI, Display Port, VGA из модуля SOM с одним или двумя портами видеовыхода: HDMI 4096 × 2304, DVI 4096 × 2304, DisplayPort 3840 × 2160, VGA 1920 × 1200

Аудио

Аудиовыход, микрофон: разъем 3,5 мм, стереовыход, микрофон моно, 4 контакта. Аудиокодек CS4207 (Cirrus Logic)

Шина PCIe

Поддержка PCIe 1.1 (2,5 Гбит/c) и PCIe 2.0 (5 Гбит/c). Подключение до семи устройств (модулей) расширения. Выведена на разъемы PCIe (х4) и miniPCIe (х2)

Интерфейсы SATA

Три независимых интерфейса с поддержкой SATA 1.0 (1,5 Гбит/с), SATA 2.0 (3 Гбит/с), SATA 3.0 (6 Гбит/с). Выведены на два разъема miniPCIe и три разъема SATA

Дисковая подсистема

До одного НDD в 11-дюймовом корпусе. До двух HDD в 19-дюймовом корпусе. До двух miniSATA SSD

SD Card

Имеется слот для подключения SD-карты

USB

Пять портов:

  • два USB 2.0 (480 Мбит/с), поддержка USB1.1 (12 Мбит/с);

  • два USB 3.0 (5 Гбит/с), поддержка USB2.0 и USB1.1;

  • один USB 2.0 (480 Мбит/с), поддержка USB1.1 (разъем установлен внутри корпуса);

  • линии USB также выведены на три разъема miniPCIe

Ethernet

До пяти портов 10/100/1000 Base-T

Boot ROM

Есть

Интерфейс RS-232

До четырех портов, скорость до 460 кбит/c, без гальванической развязки

Интерфейс RS-485 / RS-422

До четырех портов в 11-дюймовом корпусе и до шести портов в 19-дюймовом корпусе, скорость до 1200 кбит/c, гальваническая развязка

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.