Choisir le bon standard de module ordinateur pour l'équipement d'automatisation industrielle

L'automatisation industrielle nécessite une large gamme de systèmes électroniques avancés, allant des plateformes de contrôle des machines et d'analyse de données aux lignes d'assemblage robotisées, systèmes d'inspection visuelle, interfaces homme-machine (IHM), et plus encore. Au sein de ces systèmes, l'informatique de pointe sophistiquée est essentielle pour interfacer avec un ensemble diversifié de périphériques et traiter les données avec une latence minimale pour garantir que l'équipement reste sûr et maximisé en efficacité.

De plus, ces systèmes doivent fonctionner de manière fiable dans des environnements industriels difficiles, car toute interruption réduit les opportunités de génération de revenus pour les fabricants. Pour maximiser le temps de fonctionnement, les architectures d'équipement modulaire offrent un entretien plus rapide grâce à des composants faciles à remplacer. Avec une planification adéquate, la modularité facilite également les mises à niveau qui peuvent prolonger les cycles de vie de l'équipement pour maximiser encore plus les revenus.

Ce blog propose une introduction aux normes ouvertes d'ordinateur-sur-module (COM) comme approche pour permettre un traitement embarqué évolutif. Il fournira ensuite des conseils sur les critères de sélection pour l'équipement d'automatisation industrielle et illustrera les implications à long terme du choix de la norme COM en comparant deux COM différents utilisant le même processeur.

Les avantages des COM dans l'automatisation industrielle

La conception basée sur COM prend les ressources informatiques de base d'un système et les place toutes sur un seul module qui peut être facilement retiré et remplacé. Cela simplifie considérablement les réparations—et donc minimise les temps d'arrêt—par rapport aux systèmes monolithiques où les processeurs sont soudés directement sur les cartes mères. De même, cette approche facilite les mises à niveau des processeurs pour prolonger les cycles de vie de l'équipement tout en guidant les systèmes vers l'ère moderne.

Les COM commerciaux sur étagère (COTS) basés sur des normes ouvertes offrent plusieurs avantages supplémentaires par rapport aux conceptions entièrement personnalisées lors de l'accélération des réparations ou des mises à niveau de l'équipement :

• Les plateformes informatiques prêtes à l'emploi offrent un temps de mise sur le marché plus rapide et une disponibilité des composants tout en rationalisant le développement.
• L'intégration standardisée favorise une plus grande interopérabilité entre différents chipsets de traitement et solutions de plusieurs fournisseurs, facilitant les préoccupations de la chaîne d'approvisionnement.
• Des niveaux élevés d'intégration soutiennent souvent la robustesse de qualité industrielle, certains fournisseurs offrant une pré-certification contre les chocs et les vibrations, par exemple.

Aussi connus sous le nom de systèmes-sur-modules (SOM), les COM sont généralement montés sur une carte porteuse spécifique à l'application qui fournit l'accès aux ports de connexion externes, aux écrans et à d'autres fonctionnalités orientées opérateur. En maintenant le même design de carte porteuse et en remplaçant simplement le COM par un de la même norme et brochage, les fabricants peuvent facilement mettre à niveau les lignes de produits avec des changements matériels minimaux sur plusieurs générations de produits, économisant ainsi un temps et un coût de développement significatifs. Cependant, le choix de la norme COM et la conception initiale de la carte porteuse définissent les interfaces disponibles pour l'application, donc ces décisions ont des implications à long terme.

SMARC versus COM Express – Performance et mise en œuvre pratique

Bien qu'il existe de nombreuses normes COM ouvertes disponibles, SMARC et COM Express présentent deux normes bien adaptées aux environnements industriels. Les deux offrent des interfaces à haute vitesse comme PCI Express (PCIe), USB et Ethernet Gigabit (GbE) pour prendre en charge les périphériques à large bande passante des systèmes industriels, mais il existe des différences fondamentales entre elles.

Typiquement, SMARC offre un large support Arm et x86 basse consommation et s'adresse à des appareils plus petits et à faible consommation, avec des E/S axées sur la vision comme MIPI-CSI pour les caméras et LVDS pour les écrans plats, ce qui le rend idéal pour les déploiements mobiles. En revanche, COM Express englobe plusieurs sous-types qui soutiennent principalement des processeurs x86 plus performants et des E/S à plus large bande passante. Cela augmente la polyvalence des applications au détriment d'une consommation d'énergie généralement plus élevée. Les sous-types COM Express offrent un compromis entre la taille de la carte, le signalement et les enveloppes de puissance. Le tableau 1 résume comment ces différences affectent à la fois la conception de la carte porteuse et la pertinence de SMARC vs COM Express Type 6 Compact pour des applications spécifiques d'automatisation industrielle.

Tableau 1 : Comparaison de l'effet de la norme COM sur la conception de la carte porteuse et le domaine d'application.

Lorsqu'on vise à réduire les temps d'arrêt et à faciliter les mises à niveau, le support étendu d'Arm et x86 basse consommation de SMARC augmente la flexibilité de remplacement des COM avec peu ou pas de refonte de la carte porteuse—bien que certaines différences d'E/S puissent nécessiter une considération lors de la configuration initiale. Néanmoins, les voies à haute vitesse moins nombreuses de SMARC fixent un plafond de performance inférieur à celui de COM Express, limitant la fonctionnalité. Alternativement, COM Express présente une alternative plus flexible et puissante à SMARC, avec un écosystème mature qui peut être utile lors de la recherche de modules de remplacement. Cependant, les chipsets à TDP plus élevé peuvent rendre plus difficile la création d'équipements scellés et sans ventilateur nécessitant moins de maintenance, augmentant les exigences de temps d'arrêt de routine.

Comment les normes COM définissent la fonctionnalité de l'équipement

Pour illustrer l'importance du choix de la norme COM lors de la conception d'équipements d'automatisation industrielle, la comparaison suivante présente deux COM différents avec des processeurs identiques mais un potentiel très différent.

Les SOM-SMARC-ASL et SOM-COMe-CT6-ASL de qualité industrielle de SECO sont tous deux basés sur les processeurs Intel Atom® x7000RE Series—nom de code Amston Lake—et prennent en charge les fonctionnalités TSN (Time Sensitive Networking) et TCC (Time Coordinated Computing) qui sont essentielles pour les tâches d'automatisation étroitement coordonnées. Bien que les deux COM disposent d'un contrôleur graphique Intel UHD intégré prenant en charge jusqu'à 3 écrans indépendants, une analyse plus approfondie—montrée dans le tableau 2—révèle l'accent mis par SOM-SMARC-ASL sur les graphiques et le réseau et le passage de SOM-COMe-CT6-ASL vers des interfaces périphériques à haute vitesse et de stockage de masse.

Tableau 2 : Comparaison des implémentations Intel Atom x7000RE sur différentes normes COM.

En examinant les deux COM de cette manière, il est plus facile de voir pourquoi SMARC est mieux adapté aux passerelles IoT et aux IHM compactes et pourquoi COM Express prospère dans les systèmes d'assemblage et d'inspection automatisés—malgré des processeurs identiques au cœur de chaque COM. Pour le SOM-COMe-CT6-ASL, la performance par watt élevée des processeurs Intel Atom facilite également les exigences de gestion thermique, permettant des conceptions plus compactes que les solutions COM Express typiques.

Il est néanmoins important de comprendre pourquoi choisir la bonne norme COM est plus important que les chipsets spécifiques pour minimiser les temps d'arrêt et prolonger les cycles de vie de l'équipement : Les chipsets et les performances peuvent être mis à niveau, mais la fonctionnalité de base est définie par la carte porteuse et la norme COM qui repose dessus.

Des détails supplémentaires sur les solutions basées sur SMARC et COM Express construites sur des processeurs Intel Atom sont disponibles sur les pages produits de SECO.

Si ces considérations architecturales sont pertinentes pour votre feuille de route, vous pouvez nous contacter pour entamer une discussion technique et explorer quelle approche convient le mieux à vos exigences d'application spécifiques.