Вернуться к статьям

Взгляд на эволюцию компьютеров, автоматизирующих производство

Алексей Шаталов
«Автоматизация в промышленности» №3 2009

Я не вижу никакого смысла в том, чтобы в каждом доме стоял компьютер. 1977 г. Кен Олсен (в те годы президент DEC)
А какой смысл покупать машину, чтобы разъезжать по асфальту? Там, где асфальт, ничего интересного, а где интересно, там нет асфальта. А. и Б. Стругацкие («Понедельник начинается в субботу»)

Для начала проясним отношение приведенных цитат к дальнейшему повествованию. Первая цитата — яркий пример того, как консервативен человек по сути своей и, как велико его заблуждение в свете прогнозов на будущее. В наши дни компьютер стал не только неотъемлемой частью производственных процессов и машин, но еще более прочно вошел в быт и способ существования человека. Совершенно очевидно и, полагаю, никому этого не надо пояснять и доказывать, что для каждого рода задач применяется свой вид компьютеров. Для вычислений в офисе — один, для работы в дороге — другой, для связи — третий, здесь я имею в виду современные мобильные телефоны и прочие «гаджеты». Теперь можно понять смысл и второй цитаты. В условиях «компьютерного бездорожья» офисному компьютеру делать нечего. Для настоящих покорителей тяжелых условий нужны специальные, подготовленные и приспособленные машины.

Отметим, что данная статья не предназначена для восстановления «исторической справедливости» и точного воспроизведения хронологии всех событий с привязкой к конкретным датам. Автор приводит собственные наблюдения, стараясь разглядеть «большое» с расстояния времени, анализирует процесс эволюции компьютеров, делает попытку построить прогноз и предугадать направление развития встраиваемых систем для автоматизации производства, для управления машинами, механизмами, процессами.

Начнем с того, что первая массовая волна автоматизации производств «новейшей истории» была связана с появлением персональных компьютеров IBM PC в качестве преемника терминальному доступу к вычислительным ресурсам громоздких машин типа ЕС ЭВМ и СМ ЭВМ.

За терминалом Телетайп 33

Кен Томпсон (Kenneth Thompson) за терминалом Телетайп 33 
и Денис Ритчи (Dennis MacAlistair Ritchie) перед PDP-11

Появление IBM PC не означало отсутствия альтернативы отечественного производства, но тягаться в борьбе за потребителя альтернатива не могла и, можно сказать, почила в бозе в конце 80–х – начале 90–х годов ХХ века. Использование коммерческих компьютеров для задач промышленной автоматизации в тот период было обусловлено абсолютным голодом рынка в части предложения специальных решений для узких и частных задач. Предприятия массово закупали наиболее бюджетные варианты компьютеров, не особо вдаваясь в перспективы их практического применения и сложности интеграции в производственный процесс. В силу определенных запретов и экономических барьеров, существовавших в описываемый период времени во взаимоотношениях западных стран с Советским Союзом, ПК могли поставляться только через третьи страны, например, через Индию. Об исчерпывающих описаниях и документации к ним речи быть не могло, что приводило к появлению большого числа различных, несовместимых между собой программ и форматов хранения и передачи данных. Та же причина скудности документации на аппаратную часть приводила к высоким издержкам на разработку периферии и дополнительных модулей к «новому чуду техники».

Ответом на растущие потребности в специальных решениях для автоматизации производства и применение коммерческих наработок для использования в промышленности стало объединение крупнейших производителей и разработчиков вычислительной техники в консорциум PICMG в 1994 г. Целью консорциума было расширение стандарта PCI для использования на нетрадиционных компьютерных рынках: промышленной автоматизации, медицины, военной техники и телекоммуникаций. Сегодня эта организация насчитывает более сотни действующих и втрое больше ассоциированных компаний–членов. Среди них Intel, Texas Instruments, 3M, Cisco Systems, NEC Corporation и другие не менее известные бренды. Это демонстрирует интерес со стороны разработчиков и производителей к развитию процессоров, модулей, плат, а также периферии и конструктивных элементов. Результаты деятельности концерна более, чем реальные. Тем не менее стандартизация и применение необходимых технических решений в промышленных стоечных (rack–mount) компьютерах, как например, «горячая замена» плат, не избавили их от рудиментов, ограничивающих области использования готовых систем. Так, осталась необходимость принудительной вентиляции корпусов машин и связанные с этим ограничения и проблемы, разрешение которых позволило бы расширить диапазон возможных сфер применения компьютеров. Сохранилась проблема защиты от пыли, решаемая при помощи фильтрации воздуха, но влекущая за собой необходимость обслуживания фильтрующих элементов. Рабочий температурный диапазон по–прежнему существенно ограничен. Нет возможности эксплуатировать системы при высоких температурах, что влечет за собой необходимость в кондиционированных помещениях. Невозможен старт систем, в частности, накопителей на жестких дисках и процессоров при низких температурах. В промышленных стоечных системах по–прежнему используются коммерческие процессоры за неимением специализированной элементной базы.

Возвращаясь немного назад, стоит отметить, что развитие технологий и инструментария привело к появлению микроконтроллеров, значительно снизивших размеры, энергопотребление и стоимость устройств, построенных на их базе. Основу понятия «микроконтроллер» заложили инженеры Texas Instruments  М. Кочрен и Г. Бун, запатентовав в 1971 г. «однокристальную микро–ЭВМ». Они предложили разместить на одном кристалле и микропроцессор, и память, и устройства ввода/вывода. В итоге с микроконтроллерами мы приблизились к объектам, но принесли в жертву вычислительную мощность.

Встречное движение со стороны rack–mount систем было направлено в изыскания по общей защите систем и, в частности, в совершенствование защиты от вибраций. Дополнительные вложения в развитие технологий позволили повысить надежность и отказоустойчивость создаваемых систем и еще более приблизить вычислительные мощности к производственным объектам. Короткий жизненный цикл производства модулей PICMG, обусловленный использованием в них коммерческой быстро сменяющейся элементной базы, не дает возможности разработчикам и производителям систем промышленной автоматизации гарантировать потребителю доступность тех же модулей без изменений по прошествии всего пары лет.

Период 90–х. На стыке микроконтроллеров, стоечных и серверных решений, промышленных PICMG создаются универсальные встраиваемые системы, открывая новые горизонты и перспективы использования. Набор качеств встраиваемых систем повышает их шансы на долгое и успешное применение и закладывает большой потенциал развития концепции. Компактность, пыле–, влаго–, вибро– и ударозащищенность, малое энергопотребление, высокая надежность и продолжительный срок службы – это именно те характеристики, которые наиболее востребованы современностью. Универсальность достигается применением «мезонинного» – модульного принципа построения систем в стек из набора плат с необходимыми вычислительными мощностями, дополнительными интерфейсами ввода/вывода, платами обработки сигналов или модулями резервного питания системы. Такой подход к проектированию вычислительных систем позволяет существенно сократить время и средства, затрачиваемые на разработку, и соответственно сократить время выхода готового решения на рынок. Это повышает и рентабельность бизнеса, и его конкурентоспособность в целом. Именно в эти годы, в феврале 1992 г. создается консорциум PC/104. Создан он был 12 компаниями с общим видением адаптации настольных компьютерных технологий для встраиваемых приложений. Среди них – компании Ampro Computers, Tri–M Engineering and Systems, VersaLogic Corporation, MicroSys, Octagon Systems, EuroTech (www.pc104.org). В том же 1992 г., в марте была выпущена первая спецификация РС/104, предложившая сочетание возможностей IBM–совместимого персонального компьютера и размеры, идеально подходящие для встраиваемых приложений. Простая и элегантная в конструкции технология РС/104 стала связующим звеном между успешными решениями прошлого и техническими достижениями будущего.

Остановимся на существующих проблемах встраиваемых систем, которые лежат как в сфере технологической, так и в сфере организационной. Одна из основных организационных проблем – необходимость высоких расходов на поддержание жизненного цикла продуктов, требующих сертификации для использования в какой–либо прикладной области: медицине, военной технике, гражданской авионике, ответственных отраслях производства, сложных системах управления объектами. Простой подсчет наглядно демонстрирует корень этой проблемы. На разработку системы, например, для мониторинга работы насосной станции затрачивается 1..2 года. Сюда входят и процессы постановки задачи, разработки технического задания, этапы конструирования, подбора современной элементной базы, построения системы, ее отладки и испытания. Затем наступает момент сертификации системы для ее использования на объекте, который также имеет некоторую продолжительность. Требования сертифицирующих органов накладывают ограничения на минимальный срок жизненного цикла готовой системы, на протяжении которого производителю необходимо иметь возможность осуществлять поддержку. В эту цепочку включаются и поставщики компонентов, из которых система построена. А значит, необходим или складской запас комплектующих, или поддержание работоспособной линии по их оперативному производству. Все это складывается в годы. То есть, за технологическим развитием, учитывая современные темпы, не стоит забывать и об элементах, устаревающих к моменту окончания жизненного цикла заложенных решений.

Одной из основных технологических проблем, точнее, технических особенностей встраиваемых систем, к которым предъявляются повышенные требования по защищенности и низкому энергопотреблению, является невысокая производительность процессоров в отличие от коммерческих и настольных компьютеров.

Попытаемся рассмотреть причины отставания мощностей встраиваемых систем от коммерческих ПК. В первую очередь это обусловлено необходимостью высокой надежности встраиваемых систем, убедиться в которой и выполнить необходимые доработки позволяет лишь время. Так, появление 65–нанометровой топологии во встраиваемых приложениях стало возможным лишь по прошествии нескольких лет, потраченных на тестирование и отладку технологий и решения задач адаптации, одна из которых, – питание процессоров низким уровнем напряжения (LV, ULV). Обеспечение низкого энергопотребления также влечет отставание в разработке встраиваемых систем от настольных. Кроме перечисленных есть еще и фактор времени жизненных циклов различных устройств комплекса, в который интегрируется встраиваемый компьютер. Для обеспечения совместимости с устройствами с большим жизненным циклом, встраиваемые системы вынуждены поддерживать устаревающие стандарты и шины данных. Согласитесь, расточительно заменять работающую периферию старого образца, в целом удовлетворяющую насущные потребности и решающую необходимые задачи, лишь потому, что новый компьютер способен «общаться» с периферийными устройствами посредством новых и более совершенных интерфейсов. Именно поэтому сегодня можно встретить системы с современной шиной PCI–Express и устаревшей ISA «в одном флаконе».

Несмотря на все сложности, встраиваемые системы уверенно развиваются и следуют за технологическим прогрессом «старших братьев». Крупные производители, осознавая важность отрасли и понимая необходимость, начали выпуск процессоров и элементной базы с низким энергопотреблением и большим сроком жизни. Естественно, что наибольшие вложения в развитие технологий делают ведущие бренды, задавая тон всей индустрии. Прогресс в этом направлении подстегивается и коммерческими разработками, на которых есть возможность вышлифовывать компоненты и доводить их до возможности использования на промышленных рынках. Пример тому, – компактные и субкомпактные носимые компьютеры, ноутбуки и нетбуки. Так, подчиняясь насущной необходимости в увеличении вычислительной мощности и следуя общим тенденциям увеличения числа ядер процессора, подтягиваются и промышленные встраиваемые системы.

Опишем ключевые характеристики промышленного компьютера, предназначенного для эксплуатации в суровых условиях современного интенсивного производственного процесса. Такой компьютер должен отвечать требованиям времени и быть построенным на шине PCI–Express с высокопроизводительным процессором Core 2 Duo, быть оснащенным мощным графическим контроллером с DVI выходом, гигабитным Ethernet портом, высокоскоростными портами USB 2.0, иметь необходимые последовательные порты в достаточном количестве для коммуникаций с периферией, обладать низким энергопотреблением, выдерживать вибро– и ударные нагрузки, уверенно работать в широком диапазоне температур от сибирских морозов до пустынной жары, оставаясь при этом защищенным от присущих этим климатическим зонам особенностей: снега, влаги и пыли. Именно такую машину анонсировала компания «МикроМакс Системс» на прошедшем в октябре 2008 г. 10–м ежегодном семинаре «Встраиваемые компьютерные системы». Эта разработка, имя которой M-Max 800, будет являться достойной преемницей целой плеяды защищенных и промышленных машин, ведущих свою историю от компьютера M Max 600 – защищенного, миниатюрного, полнофункционального в прочном алюминиевом корпусе для эксплуатации в жестких условиях промышленных предприятий, транспортных средств, объектов добычи и переработки сырья. Нельзя не упомянуть и о компьютере M-Max 700 IP66 со степенью защиты, которую несложно прочесть в его названии.

M-Max 700 IP66 в снегу

M-Max 700 IP66 в снегу

Подобные машины успешно работают не только на автомобильном и железнодорожном транспорте, но и на морских судах, где противостоят агрессивному воздействию вибраций и соленого тумана.

M-Max 700 в транспортном исполнении

M-Max 700 в транспортном исполнении

Что же в итоге мы имеем? Формулировка, описывающая современные тенденции развития компьютеров, вообще, и средств автоматизации производств, в частности, претерпевает мало изменений в ходе времени. Одним словом, «в Багдаде все спокойно». По–прежнему актуальны: рост производительности для обеспечения возрастающих потребностей человечества, уменьшение габаритов и веса, движение к мировой стандартизации и унификации всего и вся для снижения издержек производства и сокращения времени вывода на рынок, снижение энергопотребления и использование экологически безопасных материалов.

Продолжая мысль о постоянстве тенденций развития и опираясь на современные реалии, можно предположить, что развитие технологий будет идти по пути приближения вычислителей к объектам вычислений, датчики станут «умнее». И не только датчики, но и все звенья цепочки «инструментов» и «механизмов», которыми человек взаимодействует с окружающей средой. Информация от них будет передаваться уже предварительно обработанной и готовой для принятия решений. Все большее число объектов будет оснащаться интеллектуальной обратной связью для обеспечения контроля функционирования, отслеживания состояния и интеграции с большой технологической цепочкой, поддерживая жизнедеятельность человечества, обеспечивая его безопасность и стремление жить вечно. В «голове» этой цепочки – системы искусственного интеллекта, ответственные за автоматическое или автоматизированное принятие решений.

Возможно, мои наблюдения для кого–то выглядят очевидными, и выводы не вызывают сомнений, тем не менее иногда стоит сверить свои взгляды и рассуждения с другими, чтобы удостовериться в правоте или получить новую тему для спора и поиска истины.

Вход / Регистрация
укажите почту
введите пароль
Забыли пароль?
CAPTCHA
Отправляем данные...
Подписаться на рассылку
укажите как с вами связаться