IoT e Industria 4.0 sono gli indubbi protagonisti dell’innovazione del settore industriale in questi ultimi anni. L’aspetto tecnologico che sta stravolgendo il mercato riguarda sicuramente l’interfacciamento di macchine e sistemi produttivi, in precedenza disconnessi, con i reparti IT e coi sistemi gestionali aziendali. Questo nuovo approccio ha portato le software house e i grandi system integrator a essere dei nuovi attori nel settore industriale, operando come ponte nell’integrazione dei reparti OT (Operational Technology) con i reparti IT (Information Technology), aree che storicamente sono sempre state ben distinte e distanti, con culture e linguaggi propri.

Con l’avvento dell’IoT e dell’industria 4.0 i paradigmi stanno cambiando. Sempre più spesso le software house e i system integrator si trovano ad affrontare progetti che coinvolgono hardware e software in entrambi gli ambiti, IT ed OT. È evidente che, nella scelta dell’hardware, funzione IT e OT partano da due approcci differenti.

L’ambiente di fabbrica porta con sé sfide particolari e problematiche specifiche da affrontare. I PC industriali svolgono infatti la funzione di supervisore o controller di macchinari e impianti industriali operando spesso senza la presenza di un operatore e in maniera continuativa, nella cosidetta modalità 24/7 (24 ore su 24, 7 giorni su 7). L’ambito in cui vengono utilizzati è estremamente variegato: si va da ambienti controllati e climatizzati ad ambienti estremi, caratterizzati da escursioni termiche, elevati livelli di umidità, presenza di polveri ed elementi corrosivi nonché cariche elettrostatiche e fenomeni di elettromagnetismo. I macchinari e gli impianti che utilizzano PC industriali godono inoltre di un ciclo di vita piuttosto lungo (talvolta superiore ai 10 anni) e vengono sviluppati e prodotti secondo logiche di selezione di componenti con lifecycle esteso.

Ciclo dei vita e supporto del PC industriale

I PC industriali devono seguire strettamente queste logiche. Questo vale non solo per i componenti chiave quali CPU e Chipset, per cui i principali brand come Intel, AMD ed NXP garantiscono linee di prodotto dedicate all’industria con garanzia di supporto a lungo termine, ma anche per tutta la componentistica. In genere i PC industriali distribuiti da Contradata godono di un lifecycle minimo da 5 a 7 anni per i sistemi finiti e fino a 10-15 anni per sotto sistemi quali Computer-on-Module e Single-Board-Computer.

Temperature di esercizio dei PC industriali

Affrontata la prima problematica riguardante la stabilità di prodotto, subentrano le problematiche relative all’ambiente. La temperatura di esercizio è spesso considerata la discriminante principale tra PC office e PC industriali. In genere i PC industriali sono in grado di operare a temperature estreme, da -40 °C a +85 °C.

I valori di MTBF (Mean Time Between Failures, tempo medio tra i malfunzionamenti) di un sistema variano drasticamente in funzione della sua 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 °C a 70 °C avrà un MTBF decisamente più elevato di un sistema dichiarato per operare da 0 a 50 °C. Al di là 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 meccanici e vibrazioni

Shock meccanici e vibrazioni sono 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 caso ancor più estremo è rappresentato dai sistemi installati a bordo di veicoli quali treni, autobus, metropolitane eccetera. 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 hard disk meccanici e ventole qualora possibile (trovate qui ulteriori informazioni sui criteri per la scelta di un PC senza ventole). L’utilizzo di memorie a stato solido consente di eliminare un elemento di fragilità come i piatti rotanti e le testine degli 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 memorie flash.

Impermeabilità ad acqua, umidità e liquidi 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 ambienti di questo tipo. Nel caso di pannelli digitali per il controllo macchina che utilizzano un PC da pannello con touch screen (Human Machine Interaction con Panel PC, per dirla col gergo OT), un ulteriore requisito è la resistenza all’acqua, in quanto molto spesso l’operatore azionerà i comandi con mani bagnate e in presenza di spruzzi d’acqua o altri liquidi.

Un’ulteriore esigenza è quella di potere detergere il PC industriale, per 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” delle schede elettroniche (conformal coating) che consiste nell’applicazione di una resina protettiva in grado di offrire a componenti e circuiti stampati una protezione dalla corrosione.

Fault tolerance e riduzione dei fermi macchina

I PC industriali svolgono spesso la funzione di controllori o supervisori di macchinari e impianti industriali e per tale motivo devono garantire il massimo livello di affidabilità per evitare dispendiosi fermi macchina, incidenti o la perdita di dati di produzione. Una causa frequente di fermo macchina è la mancanza improvvisa di alimentazione del PC, che può essere causata da diversi motivi. L’alimentatore in quanto elemento di potenza ha una fragilità intrinseca, e per questo motivo l’alimentazione dei PC industriali è particolarmente curata e rafforzata.

Gli alimentatori per PC industriali sono basati su componenti selezionati in grado di garantire elevati valori di MTBF. Molto spesso vengono inoltre utilizzati alimentatori ridondati in grado di garantire la continuità delle operazioni anche in caso di guasto dell’alimentatore principale.

Visto che spesso nell’impianto è già presente una fonte di alimentazione in corrente continua, la maggior parte dei PC industriali può essere alimentata con tensioni da 9 a 36 VDC e in alcuni casi anche tra 9 e 48 VDC, compatibili con la tipica tensione da quadro a 24 VDC.

Frequentemente 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.

Protezione del BIOS

Anche il BIOS dei PC industriali deve avere caratteristiche particolari. La funzionalità di watchdog per esempio consente di mandare automaticamente il sistema in reset in caso di blocco, e in molte schede industriali sono previsti anche dei BIOS con watchdog multi-evento, che consentono di impostare varie fasi correttive prima di procedere con il reset. Altre funzionalità tipiche dei BIOS degli industrial PC sono la possibilità di salvare le personalizzazioni di setup su memoria flash, implementare il proprio logo nelle schermate di boot, impostare password per evitare che persone non autorizzate accedano al BIOS, memorizzare un registro dei cicli di boot e di ore di utilizzo della macchina e molto altro.

In combinazione con l’uso di sistemi operativi per applicazioni embedded come Windows 7 Embedded e Windows 10 IoT è possibile inoltre attivare delle protezioni sui registri di sistema per garantirne l’integrità in caso di spegnimenti improvvisi della macchina, senza seguire la normale procedura di shut-down.

Semplicità di gestione e manutenzione

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 hard disk vengono gestiti in modalità RAID e montati con cassetti estraibili accessibili dall’esterno.

Alcuni dei PC industriali distribuiti da Contradata offrono inoltre la possibilità di accesso dall’esterno alla batteria CMOS, allo slot per scheda SIM e ai vari slot per memorie a stato solido che vengono spesso configurate come dispositivo di boot in modalità di sola lettura.

Dimensionamento e personalizzazione dei PC industriali

Mentre nel mondo Office il livello di personalizzazione è tipicamente basso, i PC industriali sono tipicamente configurati e assemblati sulle singole esigenze del cliente. 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 nella scelta dell’hardware sottostante, che dovrà essere dotato di driver compatibili con l’OS. 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.

Se siete alla ricerca di PC industriali o che devono operare in condizioni ambientali critiche, potete contattare Contradata, leader nella distribuzione di PC industriali e sistemi embedded, da questa pagina.