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Cos’è un PC industriale ?

Come primo articolo sul ns. blog abbiamo pensato di partire dalla base, spiegando quali siano le caratteristiche che differenziano un computer industriale da un computer per uso privato o da ufficio.


Da questa prima premessa emergono già delle differenze in termini di ambito d’uso. I PC office e consumer nascono per un utilizzo privato o comunque personale ed essendo macchine gestite da un utente sono sempre collocate in ambienti controllati con temperature d’esercizio di tipo domestico e con usi limitati nel corso della giornata.  Hanno inoltre un ciclo d’utilizzo limitato nel tempo e legato all’ evoluzione dell’ecosistema del mondo PC a livello di sistemi operativi, programmi e periferiche.  Di conseguenza anche il loro ciclo di vita risulta limitato nel tempo; un computer office è tipicamente disponibile in un arco temporale che va da 3 a 6 mesi prima che il produttore lo dismetta per rimpiazzarlo con un nuovo modello.


E’ invece molto diverso l’impiego di un computer in applicazioni industriali. I PC industriali svolgono infatti la funzione di supervisore e/o controller di macchine e impianti industriali. Operano molto spesso senza la presenza di un operatore e in maniera continuativa nella così detta modalità 24/7 (uso 24 ore su 24, 7 giorni su 7). L’ambito in cui vengono utilizzati è estremamente variegato; da ambienti controllati ad ambienti estremi caratterizzati da escursioni termiche, elevati livelli di umidità, presenza di polveri ed elementi corrosivi.


Di seguito troveremo quindi un’analisi punto di quali siano le caratteristiche di un PC industriali e come esso risponda alle varie esigenze applicative


1) STABILITA’ E LIFECYCLE ESTESO:

I PC industriali vengono utilizzati (come sotto sistema) in macchinari, dispositivi e impianti che godono di un ciclo di vita piuttosto lungo (talvolta superiore a 10 anni) e sono stati sviluppati selezionando componenti che possano seguire tale ciclo di vita. Questo vale non solo per i componenti chiave quali CPU e chipset ma anche e soprattutto per tutta la lista di componenti che fanno parte del sistema. A livello di processori e chipset infatti i maggiori vendor come Intel, AMD ed NXP offrono linee di prodotti dedicati al mercato industriale e automotive con cicli di vita garantiti che vanno dai 7 ai 15 anni. E’ poi compito del produttore di PC industriali adottare una lista di componenti che abbia un ciclo di vita compatibile con quello dei processori adottati. In genere i PC industriali da noi distribuiti godono di un lifecycle di minimo 5 anni per sistemi finiti e fino a 10-15 anni per sotto sistemi quali moduli e schede per integrazioni custom. La stabilità dei PC industriali è un’altra caratteristica chiave nell’ottica dell’omologazione di prodotto. La possibilità di acquistare lo stesso oggetto nel tempo consente al produttore di non dover gestire processi di ri-certificazione continua sui propri macchinari.


2) ROBUSTEZZA: TEMPERATURE, UMIDITA’, SHOCK, VIBRAZIONI ED ALTRI ELEMENTI

L’ambito applicativo di un PC industriale è estremamente variegato. Molto spesso con la definizione “industriale” vengono identificati vari tipi di mercati e applicazioni con caratteristiche ed esigenze differenti (automazione industriale, telecomunicazioni, sistemi medicali, sistemi per il trasporto ecc). All’interno di quelle che vengono definite applicazioni “industriali” vi sono quindi differenti standard di robustezza richiesti in funzione dell’applicazione.

Temperatura d’esercizio: è spesso considerata la discriminante principale tra un PC industriale e un PC office. In genere i PC industriali hanno temperature d’esercizio elevate che possono arrivare fino ad intervalli da -40° a +85° C. I valori di MTBF (Mean Time Between Failures) di un sistema variano drasticamente in funzione della loro temperatura d’esercizio.  Supponiamo che in un impianto industriale la temperatura sia costante a 40° C. A parità di architettura e componenti, un sistema sviluppato per operare da 0° a 70° C avrà un MTBF decisamente più elevato di un sistema dichiarato per operare da 0° a 50° C. Aldilà della scelta dei componenti vi sono quindi criteri costruttivi in grado di garantire range di temperatura elevati; l’analisi termica e lo studio della dissipazione sono quindi due aspetti fondamentali nello sviluppo di un sistema per uso industriale.

Shock e Vibrazioni: un altro aspetto estremamente variabile in funzione dell’applicazione. I PC industriali molto spesso vengono integrati in macchine utensili e altri dispositivi che generano un elevato livello di shock e vibrazioni. Un’altro caso ancora più estremo è rappresentato dai sistemi installati a bordo di veicoli quali treni, autobus, metropolitane ecc. Vi sono quindi standard e normative internazionali da rispettare e diversi approcci tecnici che ne scaturiscono. Un approccio comune è quello di evitare la presenza di parti meccaniche in movimento come HDD e ventole qualora possibile. L’utilizzo di memorie a stato solido ad esempio consente di eliminare un elemento di fragilità come l’Hard Disk. Nelle applicazioni più gravose si interviene addirittura a livello progettuale con accortezze quali l’uso di componenti di tipo saldato (SMD) per funzionalità che solitamente sono demandate a periferiche su socket come memorie RAM e flash.

Umidità relativa, tenuta all’acqua ed elementi corrosivi: molto spesso l’ambito industriale è caratterizzato da alti livelli di umidità, talvolta con presenza di condensa. I PC per uso industriale sono protetti per operare in presenza di elevati livelli di umidità. Se parliamo di applicazioni HMI basate su Panel PC un ulteriore requisito è la tenuta all’acqua in quanto molto spesso l’operatore opera con mani bagnate e/o in presenza di spruzzi d’acqua e di altri liquidi. Un’ ulteriore esigenza è quella di potere detergere il PC industriale come ad esempio nel caso dei computer collocati su linee di produzione alimentare. In altre applicazioni si arriva addirittura ad avere la presenza di elementi corrosivi. In questi casi viene richiesta la procedura di tropicalizzazione (conformal coating) delle schede elettroniche che consiste nell’applicazione di una resina protettiva su componenti e PCB in grado di offrire protezione dalla corrosione.

Fault Tolerance e riduzione dei fermi macchina: i PC industriali svolgono spesso la funzione di controllori e/o supervisori di macchinari e impianti industriali e per tale motivo devono garantire il massimo livello di affidabilità per evitare dispendiosi fermi macchina e/o la perdita di dati di produzione. Una causa frequente di fermo macchina è la mancanza improvvisa di alimentazione che può essere causata da una serie di motivi. L’alimentatore in quanto elemento di potenza ha una fragilità intrinseca. Una delle principali differenze tra PC industriali e PC consumer riguarda infatti l’alimentazione. Gli alimentatori per PC industriali sono basati su componenti selezionati in grado di garantire elevati livelli di MTBF. Molto spesso vengono inoltre utilizzati alimentatori ridondanti in grado di garantire la continuità delle operazioni anche in caso di guasto dell’alimentatore principale. Molto spesso invece è presente nell’impianto o nel macchinario alimentazione in corrente continua. La maggior parte dei PC industriali prevede ingresso per alimentazione estesa da 9 a 36 VDC, in alcuni casi anche 9 – 48 VDC per poter essere alimentati con una tipica tensione da quadro a 24 VDC. Molto spesso inoltre si è in presenza di fonti d’alimentazioni instabili a cui i PC industriali possono fare fronte grazie a funzionalità quali protezioni per sovra-tensioni e sovra-correnti.

Un’altra caratteristica dei PC industriali è legata al BIOS che offre funzionalità dedicate al mercato industriale. Il watchdog ad esempio consente ad esempio di mandare automaticamente il sistema in reset in caso di blocco. In molte schede industriali inoltre il BIOS prevede inoltre dei watchdog multi-evento che consentono di impostare varie fasi correttive prima di procedere con il reset. Inoltre molto spesso su schede industriali sono disponibili utilità per effettuare significative modifiche al BIOS tra cui: salvare le personalizzazioni di setup BIOS come default memorizzato su flash, implementare il proprio logo nelle schermate di boot, impostare password per evitare che persone non autorizzate accedando al BIOS, memorizzare un registro dei cicli di boot e di ore di utilizzo della macchina ecc.

Infine i PC industriali sono generalmente costruiti con criteri che garantiscono la massima facilità per interventi di manutenzione. Le periferiche che sono maggiormente soggette a guasti come gli HDD vengono gestiti in modalità RAID e montati con cassetti estraibili dotati di accesso dall’esterno. Alcuni dei ns. PC industriali offrono inoltre possibilità di accesso dall’esterno alla batteria CMOS, slot per scheda SIM e ai vari slot per memorie a stato solido che vengono spesso utilizzate come dispositivo di boot in modalità di sola lettura. In combinazione con l’uso di sistemi operativi per applicazioni embedded come Windows 7 Embedded o Windows 10 IoT Enterprise è possibile inoltre attivare delle protezioni sui registri di sistema per consentirne l’integrità in caso di spegnimenti improvvisi della macchina senza eseguire la normale procedura di shut-down.

Corretto dimensionamento e personalizzazione: I PC industriali sono tipicamente configurati e assemblati sulle singole esigenze del cliente mentre nel mondo office il livello di personalizzazione è tipicamente basso. In fase progettuale è possibile discutere con il fornitore di tutti gli aspetti che caratterizzano il progetto stesso. Si parte tipicamente dal sistema operativo da utilizzare che rappresenta il primo vincolo da rispettare in quanto l’hardware sottostante dovrà avere tutti i driver compatibili in base al sistema operativo scelto. Si passa poi ad analizzare altri requisiti come la potenza di calcolo richiesta, le interfacce di I/O, l’alimentazione, le esigenze di storage, i parametri di resistenza ambientali, le certificazioni richieste, l’espandibilità, la scalabilità futura e la disponibilità nel tempo.