Projektowanie systemów wbudowanych dla nowoczesnych fabryk i rozbudowanych sieci informacyjnych to ciągłe balansowanie między wydajnością a fizycznymi ograniczeniami sprzętu. Instalacje typu industrial control czy digital signage pracują najczęściej w trudnych warunkach środowiskowych, gdzie brakuje miejsca na swobodną cyrkulację powietrza. Inżynierowie wiedzą, że stosowanie prądożernych procesorów szybko kończy się problemami z odprowadzaniem ciepła. Odpowiedzią Intela na te wyzwania jest architektura Twin Lake. Rozwiązanie to pozwala budować komputery jednopłytkowe (SBC), które radzą sobie z lokalnym przetwarzaniem danych, nie generując przy tym zbędnych obciążeń termicznych.
Czego wymaga współczesne sterowanie przemysłowe i digital signage?
Hale produkcyjne i inteligentne nośniki reklamowe to środowiska, w których istotna jest bezawaryjność. Aplikacje z obszaru factory automation opierają się na ciągłym zbieraniu danych z czujników, sterowaniu maszynami w czasie rzeczywistym i lokalnej analizie obrazu. Wymaga to odpowiedniej mocy obliczeniowej, ale standardowe procesory desktopowe generują zbyt dużo ciepła, wymuszając stosowanie wentylatorów. Elementy mechaniczne w układach chłodzenia są z kolei bardzo podatne na awarie spowodowane pyłem i wibracjami.
Projektanci od dawna szukali układu, który pozwoli na przejście w pełni na chłodzenie pasywne bez wyraźnych spadków wydajności. Właśnie tutaj architektura Twin Lake pokazuje swoją wartość. Procesory z tej rodziny, bazujące na rdzeniach Gracemont, oferują bardzo dobry stosunek instrukcji wykonywanych w jednym cyklu zegara do pobieranej energii. Przy TDP na poziomie 6W do 15W, sprzęt po prostu się nie grzeje, zachowując stabilność nawet po wielu miesiącach nieprzerwanej pracy.
Architektura Twin Lake – specyfikacja krytyczna dla inżyniera
Aby zrozumieć, dlaczego te układy tak dobrze sprawdzają się na rynku automatyki i zaawansowanych systemów wizualnych, trzeba zajrzeć w ich specyfikację. Poniżej rozbijamy na czynniki pierwsze najważniejsze parametry, które mają bezpośredni wpływ na wdrożenia.
Podsystem obliczeniowy i obsługa pamięci
Procesory takie jak Intel N150, N250 czy N355 działają w konfiguracjach czterordzeniowych i ośmiordzeniowych. Taka struktura spokojnie obsługuje wielowątkowe aplikacje HMI (Human-Machine Interface) oraz lokalne bazy danych. Z perspektywy stabilności ogromne znaczenie ma wsparcie dla pamięci DDR5 i LPDDR5 z opcją IBECC. Mechanizm ten sprzętowo koryguje błędy pamięci bez narzutu kosztowego, jaki generują klasyczne pamięci serwerowe. Szybki start systemu zapewniają z kolei linie PCI Express dedykowane pod dyski M.2 NVMe.
Przetwarzanie grafiki i obsługa wielu ekranów
W systemach digital signage obraz jest punktem wyjścia. Zintegrowany układ Intel Xe (posiadający do 32 jednostek wykonawczych) sprzętowo dekoduje i koduje wideo w nowoczesnych formatach, włączając w to kodek AV1. Płyty główne wykorzystujące procesory Twin Lake mogą sterować kilkoma niezależnymi wyświetlaczami w rozdzielczości 4K. Pozwala to z jednego niewielkiego komputera zasilić rozbudowaną ścianę wideo w centrum handlowym lub skomplikowany panel sterowania na linii produkcyjnej.
Bezpieczeństwo danych i komunikacja sieciowa
Ochrona infrastruktury OT (Operational Technology) to obecnie standardowy wymóg. Prezentowana platforma sprzętowo wspiera moduły TPM 2.0 oraz instrukcje szyfrujące (m.in. AES-NI). W kwestii komunikacji układy te bez problemu współpracują z kontrolerami sieciowymi 2.5GbE LAN. Takie parametry pozwalają na bezpieczną integrację urządzeń w rozproszonych środowiskach IoT oraz sprawną wymianę pakietów w sieciach czasu rzeczywistego.
Jetway F35-TWL3, czyli format 3.5 cala na hali produkcyjnej
Przykładem praktycznego wykorzystania nowej platformy jest płyta Jetway F35-TWL3. Została zaprojektowana w standardowym dla przemysłu formacie 3.5 cala (148 x 102 mm) i wykorzystuje procesor Intel N150. Konstruktorzy firmy Jetway postawili na elastyczność interfejsów, co dobrze sprawdza się w automatyce fabrycznej.
Na laminacie znajdziemy gniazdo na pamięć SO-DIMM DDR5, podwójny port Gigabit Ethernet oraz aż cztery złącza szeregowe COM. Te ostatnie są nadal szeroko stosowane do komunikacji ze sterownikami PLC i starszymi maszynami. Urządzenie obsługuje szeroki zakres temperatur pracy (-20°C do 60°C) i pozwala na instalację dodatkowych modułów komunikacyjnych (Wi-Fi, modemy komórkowe) poprzez złącza M.2. To solidna baza do budowy komputerów panelowych instalowanych bezpośrednio w szafach sterowniczych.
SECO SBC-pITX-TWL, gdy liczy się każdy milimetr
Są jednak projekty, gdzie standardowe 3.5 cala to wciąż za dużo. Do zadań wymagających ścisłej integracji mechanicznej, na przykład w niewielkich kioskach interaktywnych czy autonomicznych wózkach magazynowych (AGV), zaprojektowano SECO SBC-pITX-TWL. Ten komputer w standardzie Pico-ITX mierzy zaledwie 100 na 72 milimetry.
Pomimo tak małych rozmiarów, inżynierom udało się zaimplementować pełnoprawną platformę. Architektura Twin Lake występuje tutaj w szerszej palecie (w tym wydajniejsze modele N355). Pamięć RAM to wlutowane kości LPDDR5, co uodparnia sprzęt na wibracje. Co ciekawe, SECO może dostarczyć to rozwiązanie ze zintegrowanym środowiskiem Clea. Ułatwia to zdalne zarządzanie flotą urządzeń, monitorowanie ich stanu i bezpieczne dostarczanie aktualizacji oprogramowania na odległość.
Aspekt biznesowy: jak wybór sprzętu obniża koszty operacyjne
Odłóżmy na chwilę parametry techniczne. Z punktu widzenia kadry zarządzającej zakładem produkcyjnym, wybór odpowiednich komputerów SBC musi mieć ekonomiczne uzasadnienie. Wdrażanie systemów bazujących na tak energooszczędnych układach przynosi wymierne efekty w postaci redukcji kosztów utrzymania (OPEX).
Po pierwsze, pasywne chłodzenie oznacza brak filtrów do wymiany i wentylatorów, które ulegają zatarciu. To prosta droga do zminimalizowania przestojów technologicznych. Po drugie, niski pobór energii przy setkach urządzeń w skali całej fabryki obniża rachunki za prąd. Długi cykl życia komponentów przemysłowych chroni również przed koniecznością szybkiej modernizacji całej infrastruktury w przypadku zmian po stronie oprogramowania użytkowego.
Zestawienie sprzętowe płyt głównych
Aby ułatwić dobór rozwiązania do konkretnej aplikacji, poniższa tabela zestawia parametry obu opisywanych urządzeń.
| Cecha konstrukcyjna | Jetway F35-TWL3 | SECO SBC-pITX-TWL |
| Rozmiar laminatu | 3.5″ (148 x 102 mm) | Pico-ITX (100 x 72 mm) |
| Rodzina procesorów | Intel N150 | Intel N150 / N250 / N355 |
| Wsparcie dla pamięci | Wymienny moduł SO-DIMM DDR5 | Wlutowana LPDDR5 (odporność na wstrząsy) |
| Komunikacja sieciowa | 2x GbE LAN | Do 2x 2.5GbE LAN |
| Naturalne środowisko wdrożeń | Szafy sterownicze, stanowiska HMI | Małe nośniki digital signage, urządzenia AGV |
Integracja nowych systemów w środowisku fabrycznym
Zaprojektowanie niezawodnej sieci na brzegu infrastruktury wymaga dokładnego zbadania potrzeb danej instalacji. Architektura Twin Lake dostarcza inżynierom bardzo elastyczne narzędzie, ale to konkretny format płyty i zestaw złączy decydują o pomyślnym wdrożeniu. Niezależnie od tego, czy celem jest obsługa zrobotyzowanej linii produkcyjnej, czy wdrożenie sieci interaktywnych ekranów informacyjnych, przejście na energooszczędne i pasywnie chłodzone komputery SBC to rozsądny kierunek technologiczny. Przeniesienie ciężaru obliczeń na brzeg sieci z wykorzystaniem takich urządzeń zauważalnie odciąża infrastrukturę serwerową i przyspiesza działanie aplikacji lokalnych.
Szukasz niezawodnych rozwiązań do lokalnego przetwarzania danych? Oferujemy technologie edge computing, które skutecznie uzupełniają środowiska chmurowe.
Napisz na: info@me-embedded.eu lub kliknij „Zapytanie ofertowe” w prawym górnym rogu strony.
