При наличии таких одноплатных компьютеров, как, например, Raspberry Pi, которые продаются всего за 40 долларов США за одну плату, неплохая стратегия — поставить на эти макетные платы, просто руководствуясь их низкой ценой. Каковы некоторые из ключевых факторов, которые необходимо учесть при выборе встраиваемого вычислительного решения для промышленных приложений? Могут ли макетные платы справляться со сложными требованиями со стороны IIoT-приложений и обеспечивать надежность эксплуатационных характеристик для критически важной производственной деятельности? Как лучше всего получить свои IIoT-прототипы из макетной платы для создания специализированного промышленного решения, отвечающего всем вычислительным нуждам? В данной статье приводятся преимущества и недостатки использования одноплатных компьютеров или макетных плат для IIoT-приложений в сравнении со встраиваемыми промышленными решениями. Мы рассматриваем следующие вопросы:

– макетные платы в сравнении с решениями для промышленного применения

– перспективы аппаратного обеспечения

• готовая к развертыванию платформа
• многочисленные вводы и выводы
• сертификация на соответствие стандартам промышленной безопасности
• защита от проникновения пыли и воды
• гарантия на продукты

– перспективы ПО

• обслуживание и поддержка программного обеспечения
• оптимизация платформы
• утилиты и библиотеки
• долгосрочная поддержка
• кибербезопасность
• преимущество открытой платформы

Макетные платы в сравнении с решениями для промышленного применения

Такие макетные платы, как Qualcomm DragonBoard 410c, Raspberry Pi, Arduino, Intel Galileo, BeagleBone Black и Spark Core, обеспечивают экономически эффективный способ для проверки идей в области автоматизации. Но когда дело доходит до реализации этих идей в реальных промышленных сценариях, например IIoT, протестированное и зарекомендовавшее себя встраиваемое вычислительное решение для промышленного применения — наилучший вариант выбора, так как в нем предусматривается высокопроизводительная, устойчивая и защищенная система, которая может удовлетворить большинство потребностей в области автоматизации.

Перспективы аппаратного обеспечения

Первое, на что обычно смотрят инженеры при оценке вычислительных платформ — это цена.

Это особенно относится к IIoT-приложениям, когда децентрализованная архитектура коммуникационной сети и большое количество сетевых устройств обусловливают высокие расходы на развертывание. И хотя макетные платы могут обеспечить начальное преимущество в прототипировании приложений и создании концептуального прототипа, значительные трудности возникают, когда вы хотите реализовать эти идеи в производственной среде. Большинство макетных плат проектируются для любительского использования и не подходят для решения сложных прикладных задач промышленного класса.

Готовая к развертыванию платформа

Макетные платы — это обычно «скелетные» компоненты, которые нужно собрать вместе, исходя из конкретных прикладных нужд.

Сегодня на рынке большинство макетных плат поставляется только с компьютерной платой; в них обычно отсутствует интерфейс с блоком питания, ОС, память и наружный корпус. Нужно будет все поэтапно собрать воедино, а это длительный и трудоемкий процесс. С другой стороны, большинство промышленных вычислительных платформ готовы к развертыванию и поставляются с некоторыми или всеми следующими средствами:

• надежная конструкция с несколькими вариантами монтажа, которая может выдержать пребывание в экстремальных производственных средах
• настроенные под заказчика ОС, утилиты, библиотеки и приложения
• многочисленные вводы-выводы и интерфейсы связи со встроенными средствами удаленной связи
• поддержка промышленных протоколов, таких как Modbus, и оптимизация под сбор данных сполевых устройств
• средства обеспечения простоты мониторинга и устранения неисправностей
• интерфейсы API для дополнительных настроек и интеграции с другими системами и приложениями.

В зависимости от нужд приложения и сложности проекта, возможно, удастся развернуть и использовать эти вычислительные платформы сразу же, что сократит срок его вывода на рынок.

Многочисленные вводы и выводы

В большинстве случаев, недорогие макетные платы поставляются только с одним Ethernet-портом и несколькими USB-портами. Последовательные порты, необходимые для сопряжения с полевыми устройствами и беспроводными интерфейсами для дистанционного сбора данных, чаще всего не предусматриваются. Любой дополнительный интерфейс нужно интегрировать, тестировать и оптимизировать самостоятельно. Вычислительные решения для промышленного применения, как правило, поставляются с несколькими интерфейсы связи, включающими интерфейсы сети Ethernet, последовательной передачи данных и сотовой связи для максимальной гибкости при крупномасштабном промышленном внедрении.

Защита от проникновения пыли и воды

Промышленное оборудование подвергается высокому риску регулярного воздействия пыли и воды.

Любое оборудование, не защищенное от проникновения производственной пыли и воды, может выйти из строя.

У большинства компьютерных макетных плат нет корпуса и, следовательно, конформное покрытие, необходимое для защиты электрических цепей от влаги и коррозионно-активных веществ для обеспечения долгого срока службы изделия, нельзя наносить на эти платы. Компьютеры промышленного применения, с другой стороны, должны соответствовать требованиям защиты от проникновения пыли и воды. Сертификация степени защиты (IP), которая гарантирует высокий уровень защиты от проникновения воды и пыли, обязательна для использования этих компьютеров в некоторых областях, например, в морской и нефтегазовой сферах. Соответствие стандартам IP гарантирует, что промышленные вычислительные платформы могут выдерживать неблагоприятные условия производственных сред и иметь длительный ресурс.

Гарантия на продукты

Макетные платы часто поставляются с гарантией лишь на один год.

На изделие для промышленного применения должна быть гарантия на срок не менее 5 лет.

Вследствие высокой стоимости замены промышленного оборудования эксплуатирующие организации ожидают, что их оборудование будет бесперебойно работать 10–15 лет и более.
Этот стандарт относится также и к решениям в области промышленных компьютерных систем.

Макетные платы просто не могут соответствовать требованиям к сроку эксплуатации изделий для промышленного применения.

Таким образом, на первый взгляд, к компьютерным макетным платам можно было бы обратиться по причине их низкой стоимости и популярности. Однако, учитывая отсутствие у них необходимых возможностей и функций, вы скорее всего согласитесь, что фактическая стоимость использования макетных плат в IIoT-приложениях может быть выше, чем при внедрении опробованного и протестированного промышленного вычислительного решения.

Перспективы ПО

Программные компоненты используются в системе IIoT для расширения возможностей аппаратных средств промышленного применения, включая компьютеры. К типичным областям применения относятся в том числе сбор данных, контроль и мониторинг устройств и преобразование данных. Помимо программных приложений нам необходимо также рассмотреть операционные системы, на ресурсах которых они размещаются, и комплекты разработчика ПО, используемые разработчиками для настройки или создания нового ПО. Следующие факторы могут обеспечить уменьшение стоимости разработки вашего ПО, а также срок вывода на рынок:

Обслуживание и поддержка программного обеспечения

Консультирование и услуги, связанные с ПО, — это спасательный круг, на который полагаются разработчики, когда у них недостает знаний об определенных программных компонентах в системе или они не могут решить ежедневно возникающие проблемы.

Например, если разработчик сталкивается c проблемами, связанными с операционной системой, и не может быстро их устранить, вместо того чтобы изобретать колесо, разработчик может связаться со специалистами поддержки, обладающими профессиональными знаниями и опытом, необходимыми для устранения таких проблем. Таким образом разработчик может сосредоточиться на создании программных приложений, а не тратить время на устранение проблем, связанных с платформой. Если вы используете макетную плату и встречаетесь с такими проблемами, единственный вариант — разместить свои вопросы на форуме разработчика и надеяться, что какой-нибудь другой пользователь столкнулся с аналогичной проблемой и ответит на ваш пост.

Кроме того, для разработки встраиваемой вычислительной платформы необходимы глубокие знания о том, как работают эти системы. Например, современная платформа RISC поставляется с флеш-накопителем NAND/NOR для корневой файловой системы. Неопытный программист нередко проектирует приложение, которое часто считывает и записывает данные без надлежащего подтверждения приема, ограничивая таким образом производительность жесткого диска. Это может также привести к появлению поврежденных секторов на диске и в итоге повлечь отказ при загрузке. Если вы привлечете фирму-консультанта к работе с платформой, ее специалисты помогут лучше спроектировать приложение, посоветуют, например, где сохранять временные данные в файловой системе RAM, и поделятся другим передовым опытом.

Большинство промышленных вычислительных платформ поставляются с пакетами обслуживания и поддержки разных уровней. Для решения прикладных задач IIoT спокойнее работать с компанией, которая оказывает услуги, связанные с ПО, техническую поддержку, а также поддержку аппаратного обеспечения и НИОКР.

Оптимизация платформы

Зачастую производители аппаратных средств не тратят время на интеграцию периферийных компонентов, таких как USB или интерфейсы PCIe, которыми укомплектованы их аппаратные платформы. В составе своей платформы они часто продают компоненты сторонних производителей без тщательного тестирования совместимости этих компонентов. Помимо аппаратных компонентов поставщики должны также предпринять шаги по оптимизации своей аппаратной платформы, включая ускорение загрузки, интеграцию ядра и драйверов устройств.

Предоставление драйверов устройств и утилит для загрузки поштучно не очень эффективно, поскольку пользователи иногда вынуждены самостоятельно устранять конфликты драйверов, особенно если используется много разнотипных устройств.

В чрезвычайных случаях эти драйверы могут нарушить работу ОС. Защититься от этого фактора можно выбором поставщика аппаратной платформы, который предоставляет полный испытанный и выверенный образ программного обеспечения. Поставщик операционной системы должен не только предоставлять базовую операционную систему, но и иметь возможность удалить ненужные процессы и приложения, создать ядро, которое лучше всего подходит для промышленных применений, а также постоянно предоставлять исправления и модернизированные версии системы для устранения слабых мест в системе безопасности.

Утилиты и библиотеки

Утилиты и библиотеки — лучшие друзья разработчика.

Ключ к успеху любой аппаратной платформы — широкий набор библиотек и утилит, которые позволяют настроить платформу и сделать ее более удобной для пользователей.

Без этих библиотек разработчики вынуждены были бы тратить массу времени на создание функций, связанных с платформой.

Если сэкономить это время, его можно потратить на создание новых приложений. Функции автодиагностики аппаратных средств тоже очень полезны в производственной среде. Например, функция нажимной кнопки, которая запускает самодиагностику промышленного оборудования, помогает разработчикам быстро проанализировать проблему, возникшую на производственной площадке. Другие полезные функции, такие как сохранение системы, восстановление системных значений по умолчанию, автоматический коммутируемый доступ, а также средства и утилиты, способные читать сигналы Wi-Fi и сотовой радиосвязи, могут сократить время, которое разработчик вынужден тратить на устранение неисправностей, особенно проблем, связанных с системным разделом. Это также устраняет необходимость для разработчиков запоминать все AT-команды и разные варианты команд.

Библиотеки ПО, реализующие конкретные функции и протоколы промышленной автоматизации или IIoT, например библиотека аппаратных средств OpenSSL, Modbus, Ethernet/IP, шина CAN и MQTT обеспечивают явное преимущество для разработчиков, работающих в области IIoT.

Хороший провайдер платформы будет выделять ресурсы для оптимизации своей аппаратной платформы, разрабатывая утилиты и библиотеки ПО. Разработчики могут пользоваться этими расширенными возможностями, не написав ни строчки программного кода.

Долгосрочная поддержка

Типичное время существования промышленной платформы — 5 лет и более.

Поэтому поставщики платформ для промышленного применения должны выделять ресурсы для долгосрочного технического обслуживания своей программной среды. Все обновления ядра или библиотек вычислительной платформы перед выпуском необходимо тщательно тестировать, чтобы они не повлекли сбоя прикладного ПО на этих платформах. Поставщики макетных плат обычно не придерживаются этих требований, так как эти платы первоначально были созданы как образовательные средства в помощь разработчикам при создании концептуального прототипа. Хотя некоторые организации, например фонд Raspberry Pi, известны своими крупными активными сообществами разработчиков, долговременная поддержка обычно не входит в число приоритетов.

Кибербезопасность

В последние годы выросло число инцидентов, связанных с кибератаками на производственные системы. Поскольку все больше устройств вводятся в онлайн-режиме в сети IIoT, защищенность систем становится ключевой проблемой как для пользователей, так и для эксплуатирующих организаций. Несанкционированный доступ к критически важным промышленным сетям — реальная угроза, с которой вынуждены бороться эксплуатирующие организации. Ваши встраиваемые приложения должны создаваться на защищенной платформе, которая может расширить свойства безопасности на размещаемые на ней приложения. Кроме того, соответствие стандартам кибербезопасности, например IEC 62443-4, гарантирует высокий уровень защищенности.

Убедитесь, что выбираемая вами платформа разработки приложений поддерживает стандарты кибербезопасности, необходимые для вашего приложения. Дополнительные функции, например безопасная загрузка, обеспечивающая защиту от несанкционированного доступа, может помочь в повышении защищенности ваших встраиваемых приложений.

Преимущество открытой платформы

Открытое ПО и открытая ОС обеспечивают разработчикам максимальную гибкость.

В этой модели разработчики являются совладельцами и имеют равную долю в добавлении новых функциональных возможностей и решении существующих проблем, а это означает, что ПО постоянно развивается. Поскольку проблемы защищенности влияют на все сообщество пользователей, решения находятся довольно быстро и становятся общедоступны. Debian Linux — хороший пример распространения популярной операционной системы. Во многих компаниях есть специализированные группы, работающие над созданием библиотек и драйверов для такого распространения. Универсальное правило при разработке таких библиотек и драйверов — придерживаться существующей архитектуры и руководящих принципов для платформы с открытым кодом.

Если вычислительная платформа не поддерживает основные функции, разработчики вынуждены тратить много времени на создание обходных решений. Рассмотрите пример сторожевого таймера. Многие поставщики платформ не адаптировали свои сторожевые драйверы для их совместимости со сторожевыми приложениями, существующими в имеющихся дистрибутивах, так как трудно и затратно по времени полностью понять функциональные возможности сторожевой схемы. В результате разработчики вынуждены тратить лишнее время и силы на изменение способа, каким их вызовы функций были записаны в стандартной ОС Linux, чтобы эти функции сторожевой схемы работали. Убедитесь, что выбранная вами открытая платформа соответствует требованиям к вашей системе и дает возможность разрабатывать библиотеки или утилиты на ее базе либо своими силами,
либо с помощью сторонних консультационных фирм.

Компьютеры промышленного применения компании Moxa

Компьютеры промышленного применения компании Moxa предназначены для построения надежных, защищенных систем, наиболее удобных пользователям на разных вертикальных рынках, включая автоматизацию в интеллектуальных энергосистемах, судоходстве, нефтегазовой отрасли и железнодорожных перевозках.

Вычислительная платформа UC-8100 предназначена для встраиваемых приложений сбора данных. Компьютер поставляется с одним или двумя последовательными портами RS-232/422/485 и сдвоенными портами LAN по стандарту Ethernet на 10/100 Мбит/с, а также разъем Mini PCIe для поддержки модулей сотовой связи. Эти универсальные функции подключения позволяют пользователям эффективно адаптировать UC-8100 к самым разным сложным решениям в области связи.

Платформа UC-8100 создана на базе процессора Cortex-A8 RISC, оптимизированного для использования в системах мониторинга энергопотребления, но также с пользой применяется в разных других решениях для промышленного применения. Этот компактный встраиваемый компьютер с богатым набором интерфейсов — надежный и защищенный шлюз для сбора и обработки данных на производственных площадках, а также полезная коммуникационная платформа для многих других случаев крупномасштабного внедрения.

Дополнительные материалы для чтения

https://wiki.debian.org/Apt
http://www.moxa.com/product/uc-8100.htm

По всем вопросам относительно устройств, производимых компанией Moxa, обращайтесь [email protected].