ПРЕСС-ЦЕНТР

Передовые компьютерные технологии и продуктовая линейка Kontron ThinkIO

Control Engineering RE 7/2007

Владимир Бретман

Линейка Kontron ThinkIO продолжает развиваться по направлению интеграции новых вычислительных и интерфейсных технологий. Очередной вехой на этом пути стало появление продукта ThinkIO-Duo, построенного на базе двуядерного процессора Intel Core Duo. Данную версию ThinkIO отличают высокая производительность, быстрый ввод-вывод и отсутствие необходимости в техническом обслуживании.

Двуядерный этап

Новые технологии внедряются в линейку ThinkIO постепенно и планомерно. Компьютер ThinkIO-Duo, рассмотрению которого посвящена настоящая статья, добавляет в модельный ряд Kontron ThinkIO поддержку последних достижений в индустрии микропроцессоров (Рис.1). Как и другие представители продуктовой линейки ThinkIO, рассматриваемый продукт монтируется на стандартную рейку DIN и адресован промышленным приложениям. Двуядерный процессор Intel Core Duo U2500 с тактовой частотой 1,2 ГГц и ряд других технологических и конструктивных особенностей обуславливают ориентацию ThinkIO-Duo на те индустриальные задачи, где требуется не только высокая производительность, но и надежность.

Промышленный компьютер ThinkIO-Duo на базе процессора Intel Core Duo U2500, 'укомплектованный' периферией WAGO.
Рис.1. Промышленный компьютер ThinkIO-Duo на базе процессора Intel Core Duo U2500, «укомплектованный» периферией WAGO.

Сетевых интерфейсов у новой версии ThinkIO стало три: два Gigabit Ethernet и один Fast Ethernet. Гигабитные Ethernet-порты открывают перед линейкой Kontron ThinkIO прежде недоступные ей области применения, требующие высокой интенсивности ввода-вывода и/или дублирования соединений.

Следующим шагом в развитии продуктовой линейки ThinkIO должно стать появление интегрированной поддержки передовых версий Industrial Ethernet.

Топ-модели

Наиболее сбалансированным и хорошо укомплектованным продуктом в линейке Kontron ThinkIO является ThinkIO-Premium. Это изделие, совмещающее в себе функциональность промышленного компьютера и программируемого контроллера, обладает большой вычислительной мощью, широчайшими коммуникационными возможностями и может использоваться практически везде, где возникает потребность в применении решений класса Industrial PC или высокопроизводительных ПЛК со средой программирования CoDeSys.

Появление в семействе Kontron ThinkIO модели ThinkIO-Duo, оснащенной многоядерным процессором, явилось ожидаемым и вполне закономерным шагом. В наши дни процессоры с архитектурой Intel Core Duo активно проникают буквально во все сектора компьютерной индустрии. Холдинг Kontron, всегда славившийся своей оперативностью по части предложения рынку продуктов на базе новых технологий, стал одним из первых производителей, интегрировавших современные многоядерные ЦП от Intel в свои промышленные продуктовые линейки.

Вместе с тем, холдинг Kontron всегда прилагал большие усилия для того, чтобы сделать миграцию на новые технологии максимально безболезненной для своих клиентов. Все изделия серии Kontron ThinkIO имеют гарантированный срок доступности на рынке не менее пяти лет. Подобные гарантии высоко ценятся разработчиками промышленных приложений, что во многом и обуславливает традиционно высокую популярность торговой марки Kontron на соответствующем рынке.

Промышленный компьютер ThinkIO-Premium может использоваться для организации комплексного управления, связанного с обработкой «промышленных» изображений, а также для поддержки сложной визуализации и построения систем управления перемещениями. Кроме того, благодаря богатой и расширяемой интерфейсной функциональности этого контроллера с его помощью можно осуществлять сбор и анализ данных от самых разных источников, а также организовывать связь между оборудованием и подсистемами разных типов. А отсутствие вентилятора, жесткое конструктивное исполнение, устойчивость к воздействию неблагоприятных факторов окружающей среды и поддержка расширенного диапазона температур делают ThinkIO-Premium пригодным для эксплуатации в неблагоприятных условиях.

Модель ThinkIO-Duo имеет смысл применять в тех случаях, когда налицо повышенные требования к производительности и скорости передачи данных. ThinkIO-Duo – это очередной этап в развитии продуктового семейства Kontron ThinkIO, содержащего различные модификации, версии и варианты поставки, из которых разработчики могут выбрать те, что наилучшим образом отвечают специфике их задач.

Промышленный компьютер ThinkIO-Duo в деталях

Такие характеристики промышленного компьютера Kontron ThinkIO-Duo, как высокая производительность, большая пропускная способность бортового ввода-вывода и отсутствие необходимости в техническом обслуживании позволяют ему достойно смотреться на фоне конкурирующих изделий (см. Таблицу 1).

Таблица 1. Продукт ThinkIO-Duo в окружении конкурентов.

ThinkIO-Duo

Beckhoff CX1030

Siemens Microbox 427B

B&R X20

  • Двуядерный процессор Intel Core Duo с тактовой частотой 1,2 ГГц
  • Два порта Gigabit Ethernet + один порт Fast Ethernet
  • Быстрый интегрированный ввод-вывод
  • Не имеет движущихся частей и не требует технического обслуживания
  • Работает при температурах 0°C ... +55°C
  • Процессор Intel Pentium M с тактовой частотой 1,8 ГГц
  • Вентиляторное охлаждение
  • Процессор Celeron M или Pentium M с тактовыми частотами от 900 МГц до 1,4 ГГц
  • Процессор Celeron с тактовой частотой от 266 до 650 МГц
  • Температурный диапазон для 650-мегагерцовой версии составляет 0°C ... +55°C при наличии вентилятора и 0°C ... +45°C при его отсутствии

Размеры ThinkIO-Duo составляют 224 x 100 x 70 мм (236 x 100 x 70 мм при наличии интерфейсного модуля для подключения периферии WAGO), и потому его можно устанавливать в те же шкафы/системы, что и более ранние модели ThinkIO. Быстрый процессор, примененный в новой версии ThinkIO, поддерживается ОЗУ объемом 512 Мбайт или 1 Гбайт. В дополнение к интегрированной флэш-памяти, объем которой может составлять от 512 Мбайт до 2 Гбайт, промышленный компьютер Kontron ThinkIO-Duo имеет разъем CompactFlash, куда можно устанавливать накопители соответствующего формата для хранения данных, создания резервных копий и/или обновления ПО.

Коммуникационная подсистема ThinkIO-Duo, реализованная на базе чипсета Intel 945GM + ICH7-M, включает два интерфейса USB 2.0, порт RS232, выход DVI-I, один порт Fast Ethernet и два порта Gigabit Ethernet (Рис.2). Интегрированное графическое ядро обеспечивает визуализацию в разрешениях до 1600 x 1200 и до 2048 x 1536 соответственно для аналоговых и для цифровых дисплеев.

Вид ThinkIO-Duo со стороны передней панели.
Рис.2. Вид ThinkIO-Duo со стороны передней панели.

Профессиональную направленность ThinkIO-Duo на промышленную автоматизацию подтверждают такие атрибуты данного продукта, как наличие линий цифрового ввода/вывода, сторожевого таймера и часов реального времени, а также жесткое исполнение и опциональная поддержка модульных средств ввода-вывода WAGO 750/753. Модули WAGO весьма популярны у разработчиков индустриальных приложений, поскольку позволяют создавать большие и сложные, но гибкие системы автоматизации.

В комплект поставки Kontron ThinkIO-Duo включен BSP-пакет на базе операционной системы Windows XP Embedded или Linux (Linux OSADL).

Практическое применение компьютера ThinkIO-Duo

Для инженеров-практиков ThinkIO-Duo интересен, прежде всего, своей развитой функциональностью ввода-вывода и эксплуатационной надежностью, а также высокой производительностью и другими особенностями, обусловленными наличием процессора Intel Core Duo.

Многопортовая поддержка Ethernet позволяет организовывать удаленный доступ, мониторинг и управление, а также обеспечивают простоту интеграции ThinkIO-Duo в корпоративные системы типа MES и/или ERP. Расширенные сетевые возможности нового продукта позволяют использовать его в роли шлюза, объединяющего устройства и подсистемы различных уровней.

Промышленный компьютер Kontron ThinkIO-Duo позиционируется как высоконадежное «монолитное» решение, не требующее никакого технического обслуживания в процессе эксплуатации. Последнее выражается в том, что ThinkIO-Duo лишен движущихся частей (вентиляторов и механических накопителей), а для поддержки его энергонезависимой памяти объемом 512 Кбайт используется не традиционная литий-ионная батарея, а ионистор Gold Cap. Иными словами, в ThinkIO-Duo просто нет компонентов с малым сроком службы.

О возможностях, открываемых архитектурой Intel Core Duo, следует сказать особо. Примененный в ThinkIO-Duo процессор Intel Core Duo U2500 отличается пониженным энергопотреблением, что позволяет воспользоваться преимуществами симметричной многопроцессорной обработки (Symmetric Multi-Processing – SMP) без принятия дополнительных мер по отводу тепла. Еще одним связанным с Intel Core Duo новшеством является поддержка технологии Intel VT (Virtualization Technology), которая упрощает администрирование аппаратных средств и позволяет создавать разнообразные «гибридные» решения. Уменьшая число используемых устройств до двух раз, можно получать экономию на аппаратных средствах, пропорциональную этому уменьшению.

Рассмотрим, как ThinkIO-Duo может помочь разработчикам в тех или иных практических ситуациях.

Как правило, в системах промышленной автоматизации необходимо обеспечить управление в реальном времени и визуализацию процесса. Благодаря технологии Intel VT, данная задача может быть решена с привлечением одного ThinkIO-Duo, для чего необходимо запустить программный человеко-машинный интерфейс на одном ядре (в одной виртуальной машине), а управляющее ПО – на другом. Причем такое решение будет еще и весьма надежным: виртуальные машины используют разные ресурсы, и потому сбой в подсистеме визуализации не сможет повлиять на работу критической части системы даже теоретически.

При необходимости обеспечить повышенную надежность передачи данных, можно использовать два гигабитных порта Ethernet ThinkIO-Duo для организации дублирования соединений, а порт Fast Ethernet выделить под удаленное управление.

Если необходимо обеспечить поддержку полевой шины, хватит и одного интерфейса Fast Ethernet; соответствующий стек протоколов имеет смысл запустить под ОСРВ на одном из ядер процессора Intel Core Duo.

Порт Fast Ethernet придет на помощь и тогда, когда требуется обеспечить связь с перемещающимся объектом (мобильная передача данных). В этом случае по 100-мегабитному каналу к ThinkIO-Duo следует подключить точку доступа беспроводной сети.

Два интерфейса Gigabit Ethernet будут весьма полезны при построении систем машинного зрения, применяющихся, например, на линиях упаковки. Подключив к сдвоенным Ethernet-портам ThinkIO-Duo две гигабитных камеры, можно организовать автоматизированный контроль работы такой линии, и высокая производительность процессора Intel Core Duo будет тут как нельзя кстати.

Новый процессор будет полезен также и в тех многочисленных и многообразных ситуациях, когда вычислительный потенциал системы нужно повысить, но свободное пространство ограничено. Малые размеры ThinkIO-Duo позволяют устанавливать этот компьютер в стандартные 80-миллиметровые шкафы.

Еще один достаточно широкий класс задач, в которых востребован ThinkIO-Duo образуют приложения, предъявляющие повышенные требования к надежности оборудования. Поскольку батарея, вентилятор и другие движущиеся части у ThinkIO-Duo отсутствуют, его можно использовать для создания необслуживаемых и/или удаленных систем (добыча/перекачка нефти и газа и др.).

Во многих промышленных приложениях оборудование подвергается значительным ударно-вибрационным нагрузкам. Благодаря пайке компонентов непосредственно на печатную плату и отсутствию жесткого диска, ThinkIO-Duo будет хорошим выбором для таких задач.

В системах противоаварийной защиты, где требуется быстрая оценка ситуации и быстрая реакция (аварии на энергоподстанциях, трубопроводах и т.п.), пригодятся такие характеристики ThinkIO-Duo, как высокая производительность и наличие быстрого ввода/вывода. Стандартные 24-вольтовые выключатели можно подключать к этому компьютеру напрямую.

EtherCAT, netX и др.

Расширение линейки ThinkIO идет в точном соответствии с планом, обнародованным холдингом Kontron в прошлом году (см. Рис.3). Первый из анонсированных этапов, связанный с переходом на многоядерные процессоры, можно считать благополучно завершенным. На очереди – освоение перспективной коммуникационной технологии EtherCAT.

Программа развития продуктового семейства ThinkIO.
Рис.3. Программа развития продуктового семейства ThinkIO.

Протокол EtherCAT отличается высочайшей производительностью (до 10 раз быстрее PowerLink!) и является на сегодняшний день единственной реализацией Industrial Ethernet, не требующей применения специального аппаратного интерфейса на стороне мастера. Кроме того, из всех промышленных Ethernet-технологий именно EtherCAT имеет наибольшее число сторонников. В этой связи выбор холдингом Kontron технологии EtherCAT следует признать весьма мудрым и взвешенным шагом, отвечающим стратегии Kontron по отслеживанию ситуации на смежных рынках и обеспечению доступности своих продуктов в долгосрочной перспективе.

Врез 1. EtherCAT: удобная и быстрая промышленная сеть.

На рынке Industrial Ethernet аппаратные и программные средства EtherCAT (Ethernet for Control and Automation Technology) весьма популярны: ассоциация EtherCAT Technology Group насчитывает в настоящее время более 330 компаний-участников. Сети EtherCAT стандартизованы: различные аспекты одноименной технологии описаны в спецификациях IEC 61784-2 (требования к каналам передачи данных и команд), IEC 61158 (общие требования к полевым шинам) и ISO 15745 (требования к протоколам передачи данных в системах промышленной автоматизации).

На сегодняшний день EtherCAT является едва ли не самой перспективной и совершенной в технологическом отношении реализаций Industrial Ethernet. По таким параметрам, как производительность, гибкость топологии и удобство конфигурирования EtherCAT приближается к лучшим промышленным шинам, сохраняя при этом свойственную классическим сетям Ethernet простоту и дешевизну. Обмен данными на базе этой технологии организуется в кратчайшие сроки и с минимальными усилиями, что позволяет использовать EtherCAT не только в классических промышленных приложениях, но и в тех задачах, где ранее сети не применялись.

С точки зрения внешней сети Ethernet коммуникационная подсистема EtherCAT выглядит как один большой Ethernet-узел, принимающий и отправляющий Ethernet-пакеты. Внутри этой подсистемы находится множество ведомых EtherCAT-устройств, обрабатывающих входящий поток пакетов. Первое устройство извлекает из пакета нужные ему данные и передает его второму, второе – третьему и т.д.; при этом задержка на прохождение пакета через каждое устройство составляет единицы микросекунд. Цикл обработки завершается, когда последнее EtherCAT-устройство возвращает пакет первому.

Для интеграции дополнительных Ethernet-устройств каналы EtherCAT можно подключать к обычным Ethernet-коммутаторам. Ведущий узел EtherCAT не требует наличия специальной платы и может быть реализован на любом Ethernet-контроллере.

Огромная скорость опроса устройств в сетях EtherCAT обеспечивается аппаратной реализацией критических частей протокола, что делает его полностью независимым от драйверов и прикладных программ. При использовании EtherCAT для 1000 дискретных линий ввода-вывода время обновления составляет всего 30 мкс, а реализованный в EtherCAT метод распределенных часов позволяет синхронизовать сервооси с погрешностью менее 1 мс. Возможность включения данных других протоколов (CAN, SERCOS, TCP/UDP/IP/FTP) в обкладки пакета EtherCAT позволяет использовать в EtherCAT-сетях приложения и устройства, ориентированные на другие сети. Аппаратная часть EtherCAT стоит дешево, поскольку данная технология полностью совместима с обычным Ethernet-оборудованием. Технология EtherCAT подходит для применения как в системах автоматизации любой степени сложности.

Следующим шагом должна стать интеграция в линейку Kontron ThinkIO еще одной технологии с поддержкой Industrial Ethernet, называющейся netX. Чип netX компании Hilscher способен навсегда закрыть вопрос коммуникационно-протокольной совместимости различных устройств и подсистем, позволяя реализовывать поддержку самых различных сетевых и шинных технологий в самых причудливых сочетаниях.

Врез 2. Технология netX: универсальное коммуникационное решение на одном кристалле.

Разработанный компанией Hilscher коммуникационный чип netX позволяет наделять промышленное оборудование поддержкой разнообразных сетевых протоколов. На базе netX можно реализовывать ведущие и ведомые узлы как всех основных полевых шин (AS-Interface, CANopen, DeviceNet, InterBus, PROFIBUS), так и всех наиболее распространенных версий Industrial Ethernet (Ethernet/IP, Ethernet Powerlink, EtherCAT, PROFINET-RT, SERCOS III).

Чип netX построен на процессорном ядре ARM 926 и имеет две пары сетевых портов, одна из которых может использоваться для подключения к полевым шинам, а вторая – для подключения к полевым шинам или же к сетям Ethernet. Последнее обстоятельство вкупе с богатой встроенной периферией делает netX чрезвычайно гибким коммуникационным решением, которое можно использовать для реализации сетевой и шинной функциональности в самых различных устройствах, а также для создания сетевых сопроцессоров, взаимодействующих с хост-системой через двухпортовую память, интерфейс USB или последовательный порт (Рис.4). Вторым важнейшим свойством netX является универсальность: одно и то же устройство на базе этого чипа можно подключать к разным сетям.

Архитектура однокристальной системы netX
Рис.4. Архитектура однокристальной системы netX. В настоящее время специалисты холдинга Kontron работают над портированием на платформу ThinkIO-Duo популярного пакета CoDeSys для реализации функций ПЛК.

Компания Intel уже производит процессоры Intel Core Duo, способные работать при температурах -40°C ... +85°C и предназначенные для создания конечных продуктов в E2-исполнении. В этой связи следует ожидать скорого появления версии ThinkIO-Duo для расширенного температурного диапазона. По общей логике развития промышленных линеек Kontron, вслед за «стандартными» моделями, привносящими в ту или иную продуктовую серию холдинга те или иные новые технологии, обычно выходят версии «для жестких условий эксплуатации».

Будущее и настоящее

В ближайшие годы продуктовое семейство Kontron ThinkIO продолжит расширяться. Выпустив промышленный компьютер ThinkIO-Duo, холдинг Kontron сделал первый шаг по пути реализации своих масштабных планов, состоящих в насыщении линейки Kontron ThinkIO передовыми компьютерными технологиями. Следующим шагом должно стать обновление коммуникационной функциональности: все промышленные продуктовые линейки холдинга Kontron будут переводиться на EtherCAT и netX.

Промышленный компьютер ThinkIO-Duo может с успехом использоваться для решения тех сложных и комплексных задач автоматизации, которые ставит перед разработчиками современность. Залогом тому – быстрый процессор Intel Core Duo с поддержкой технологии виртуализации Intel VT, богатая функциональность ввода-вывода отсутствие необходимости в техническом обслуживании. Приняв на вооружение интегрированную монолитную платформу ThinkIO-Duo, клиенты холдинга Kontron получают возможность больше внимания уделять разработке прикладного программного обеспечения и вопросам системной интеграции. Однако ThinkIO-Duo полезен не только на этапе разработки. Будучи весьма надежным и гибким продуктом, не требующим технического обслуживания в процессе эксплуатации, Kontron ThinkIO-Duo способствует снижению расходов на протяжении всего жизненного цикла конечной системы. Пользователи ThinkIO-Duo, таким образом, могут быстрее выходить на рынок, экономя на аппаратных средствах, которые ранее требовались для реализации дополнительных функций, а затем продолжать экономить на техническом обслуживании эксплуатирующихся систем.