Endüstriyel Bilgisayarlar

Kısa bir tarihçe: Günümüzde popüler olan endüstriyel otomasyon uygulamalarında tüm proses sürecini denetleyecek standart bir bilgisayar gereklidir. Bu gün yaşamımızın her evresinde yoğun olarak kullandığımız ve bilgisayar olarak dilimize çevrilen Computer / Hesaplayıcı cihazlar icadından bu güne kadar çok çeşitli ve hızlı evrelerden geçmiştir. Örneğin ilk hesaplayıcı sayılan Abakus M.Ö 3000 yıllarında Asurlular tarafından kullanıldığı bilinmektedir. İlk mekanik hesaplayıcı M.S 1642 de Pascal tarafından icat edilmiştir. 1904 de Vakum tüpün icadından sonra yaşanan hızlı gelişmeler sonunda ve özellikle II dünya savaşı yıllarında Harvard Üniversitesi profesörü Howard AIKEN tarafından ilk modern bilgisayar IBM Fabrikasında gerçekleştirilmiş ve Harvard'a gönderilmiştir. Bu makine askeri silah tasarım ve hesaplamalarında 15 yıl boyunca kullanılmıştır. Ama bugün kullanılan bilgisayarın babası sayılan ilk bilgisayar ise ENIAC adıyla 1946 yılında ve balistik hesaplamaların yapılması amacıyla gene USA da yapılmıştır. Bu bilgisayar ilk elektronik bilgisayardır ve belirlenen tek bir programın koşturulmasına göre tasarlanmıştır. 18 000 vakum tüpün kullanılmasıyla gerçekleştirilen bu cihaz 500 m2 lik bir alana sığdırılabilmiştir. (Bu cihaz çalışmaya başladığında öyle bir güç çekmekteydi ki kurulu bulunduğu Philadelphiada şebekedeki voltaj geriliminin düşmesi nedeniyle aydınlatma lambalarında kararma başlamaktaydı). Bu cihaz bu gün için komik gibi gözüken saniyede 5000 toplama ve 300 çarpma işlemini gerçekleştirebilme kapasitesine ulaşmıştır. Nihayet günümüze doğru gelindiğinde 1971'de 4004 koduyla 4 bitlik ilk mikro kontrol yongası INTEL tarafından gerçekleştirilmiştir. Bu yonga Saniyede 60 000 operasyon gerçekleştirebilme kabiliyetine sahip olmuştur. Bu gün bilgisayarlarda en yaygın kullanılan mikroişlemci yongasının babası ise 8 bit/8080 dir ve ilk kez 1974de gene Intel tarafından piyasaya çıkartılmıştır. Bu yongayla operasyon sayısı saniyede 1 milyona çıkmıştır. Nihayet bu gün kullandığımız bilgisayarların anası olan ve Personel Computer (PC-XT) / Kişisel bilgisayar kodlamasıyla anons edilen cihaz IBM tarafından 1981 de piyasaya sürülmüştür. IBM bu ürününde MicroSoft ile işbirliği yaparak yazılım konusunda işbirliğini başlatmıştır. Daha sonraları işbirliğini sürdüren bu iki firma 1987'de DOS (Disk Operating System) ile çalışan ilk PC yi pazara sürmüşlerdir. 1990'ların başından itibaren piyasaya sürülen PC'lerde MS Windows ve Intel CPU standart hale gelmiştir. Gelişmesini sürdüren PC Teknolojisi bugün yazılım olarak MS Windows XP ve Merkezi işlem birimi olarak Intel Pentium IV/2.2GHz kullanımı seviyesine ulaşmıştır. Bu yongayla saniyede 4.4 Milyar İşlem kapasitesine ulaşılmıştır.
Bu arada gelişimini hızla sürdüren Macintosh bilgisayar ve Motorola işlemcilerle ilgili ayrıntılara genelde PC' nin endüstride daha yaygın kullanılması sebebiyle değinilmemiştir.
Bu gün endüstriyel ortamlarda karmaşık makine ağlarının kontrolünde Veri toplama, Görüntü tanıma, Hareket kontrolü, Karmaşık veri analizi ve SCADA gibi kontrol, test ve otomasyon uygulamalarında sabit olarak konumlandırılmış olan ve aslında standart bir PC olup özel kullanım amacına göre yapılandırılmış ve IPC olarak adlandırılan Endüstriyel PC ler yoğun olarak kullanılmaktadır. Sistemin doğası gereği özellikle kritik önem taşıyan bu tip endüstriyel uygulamalarda, tüm üretim, test ya da kontrol sisteminin bilgisayardan kaynaklanacak hatalardan dolayı durması istenmez. Üretim ortamındaki birçok olumsuz faktör diğer elektronik cihazların olduğu gibi bilgisayarlarında çalışma performansını doğrudan etkilemektedir. Bu yüzden standart PC lere endüstriyel özellikler ilave edilerek bu zor çalışma şartlarına uyumları sağlanmıştır. Bu tip endüstriyel PC'lerde bilgisayarın iç ve dış ortamı birbirinden özenle yalıtılır.
Bir endüstriyel bilgisayarı normal masaüstü yada diz üstü bilgisayarlardan ayıran en önemli özellikler temel olarak endüstriyel PC'nin mekanik tasarımından gelir. Kullanılan özel malzemelerle tasarlanan muhafazalar, su ve toz sızdırmazlık özellikleri, özel havalandırma sistemleri, şok sönümleme yapıları, özel dizayn güç besleme ünitesi, kart yuvalarının mekanik vibrasyona uygun yapısı, elektromanyetik gürültü ve elektrostatik etkilere karşı ekran koruması gibi özellikler endüstriyel PC'nin kalitesini belirleyen en önemli faktörlerdir. İyi bir endüstriyel PC'nin şok, titreşim, sıcaklık, nem, yer seviyesinin üstünde veya altında çalışma şartlarına dayanıklılık kriterleri gibi endüstriyel normlara sahip olması gereklidir.
Bunlara paralel olarak bazı endüstriyel PC'ler çok özel testlerde kullanılabilmeleri açısından kolay taşınabilir olma ya da kolay kart takılabilme ve genişleyebilir yuva özelliği de içermektedirler (Compact PCI / PXI). Örneğin bu tip bilgisayarlar ve monitörler, yüksek performanslı bilgisayar veri yolu analizi, yüksek hızlı telekom testleri, çoklu protokollü ağ analizi, PLC programlama, taşınabilirlik ve yüksek performans özelliklerinin ön plana çıktığı, Deniz, hava, kara kuvvetlerinde, petrol arama platformlarında, deniz taşımacılığı gibi saha çalışması gerektiren uygulamalarında, mobil sistemlerin performans testlerinde ve diğer dayanıklılık özelliğinin ön plana çıktığı zor koşullarda saha çalışması gerektiren uygulamalarda kullanılmaktadır.

Endüstriyel bilgisayarlar iki ana grupta incelenmektedir :

A) Taşınabilir endüstriyel bilgisayarlar

Veri toplama, ağ analizi gibi özel uygulamalarda kullanılacak donanımlar belli bazı üreticiler tarafından belirlenmiştir ve alternatifleri çoğu zaman sınırlıdır. Standart ISA/PCI tipteki bir kart kullanımının gerektiği özellikle saha çalışması gerektiren hallerde yeterli sayıda yuvaya (slot) ihtiyaç duyulur. Genel olarak taşınabilir PC denildiğinde ilk akla gelen Not Book ya da Lap Top olarak adlandırılan portatif bilgisayarlardır. Ancak bu bilgisayarlar PCMCIA kart yuvaları dışındaki kartlarla çalışmaya olanak tanımadıkları gibi zor saha koşullarına da dayanıklı değillerdir. Bu nedenlerden dolayı bu tür işler için özel tasarlanmış, Standart tip kartların ve genişleyebilir kart yuvaların bulunduğu bilgisayarlar üretilmiştir. Taşınabilirlik, sağlamlık ve zor koşullarda performans özelliklerinin bir araya getirildiği bu bilgisayarlar özellikle zor saha çalışması gerektiren uygulamalarda geniş kullanım imkanı yaratmaktadır. DOLCH firmasının ürettiği FlexPAC, FieldPAC, MegaPAC ve tümüyle dizüstü bilgisayar boyutlarında olan NotPAC gibi taşınabilir modeller bu tip zorlu kullanım gerektiren özel uygulamalarda oldukça popüler sayılmaktadır. Bu bilgisayarlar uzun zamandan beri test edilen "kabuk içinde kabuk" paketleme teknolojisi sayesinde kendi sınıfındaki tüm bilgisayarlardan daha sağlamdır. Özel taslanmış bu kasalar onları gerçekten başka bilgisayarların dayanamayacağı çevre koşullarına karşı korur. Dıştaki muhafaza fiber ile güçlendirilmiş polikarbonat alaşımıdır. Bu malzeme ağırlık olarak hafif ancak çelikten daha dayanıklıdır. İçteki muhafaza uçaklarda kullanılan titanyum - alüminyum alaşımıdır. Bu tip taşınabilir bilgisayarlar kritik önem taşıyan ve farklı sayıda kart ve sürücü gerektiren uygulamalar için ideal bir platformdur. Alüminyum -Titanyum karışımı bir kasa içindeki bu bilgisayarlar, sahadaki kurulum ve çalışma sırasında ortaya çıkabilecek sarsıntılara rahatlıkla ve güvenli olarak dayanabilmektedir. Sağlanan bu özellikteki ürünlerin kalitesini garanti altına almak için tasarım ve üretim aşamasında pek çok mekanik test uygulanır. Bu testler arasında bilgisayar çalışırken veya kapalıyken titreşim uygulama, (3-500 Hz. arası) düşme ve sızdırmazlık testleri yer almaktadır. Ayrıca ürünlerin soğutma tasarımını test etmek için çeşitli ısı testlerine de tabi tutulurlar. Bunların yanı sıra tüm ürünlerin dinamik testleri kalibre edilmiş elektrodinamik şok ve vibrasyon test sistemi kullanılarak gerçekleştirilir. Son derece zorlu olan bu test aşamalarından başarıyla geçebilen bilgisayarların uluslararası standartlara uyumları ispatlanmış olur ve bu durum kalibrasyon sertifikalarıyla belgelenir. Bu tip bilgisayarlar kullanım amacına göre standart olarak ISA, PCI, CompactPCI (PXI), PCMCIA gibi genişleme yuvalarına sahip olabilirler. Ayrıca bu bilgisayarlara ilave edilebilen batarya opsiyonuyla altı saate kadar kesintisiz kullanım imkanı sağlanmaktadır. Bu arada endüstriyel diz üstü bilgisayarlarda kullanılan kartların özellikleri diğer standart kartlara göre farklılıklar içerir. PC Card (PCMCIA-DAC) denilen bu kartlar taşınabilir, tam donanımlı tak-çalıştır (Plug-in-Play) özelliğindedir. Bu kartlar ISA ya da PCI bus tipi kartların verebileceği her özelliği sağlayabilmektedirler. Bu ürünler değişik boyutlarda ve değişik veriyolları için dizayn edilmiştir. PC Card (PCMCIA) veri toplama alanında oldukça yeni bir teknolojidir. Bu kartlar ASIC tasarımlar sayesinde, büyük ölçekli plug-in kart yeteneklerine sahiptirler. PCMCIA (Personel Computer Memory Card Internatıonal Association) 300 den fazla üyesi olan ve PC kart teknolojisini geliştirmeyi, desteklemeyi ve üretilen ürünler için standart oluşturmayı amaçlayan bir kuruluştur. Bu kartlar kredi kartı boyutlarındadır ve 68 pinli bağlantı yuvasına sahiptirler. Konu edilen bu kartların düşük güç tüketmeleri, minyatür boyutlu oluşları ve sağlamlıkları en önemli avantajlarıdır. PC Kartların kalınlıkları farklı olan 3 ayrı tipi vardır. Bu kartlarla PCI, Compact PCI, ISA, VXI, USB, ve paralel port arasında ölçümlendirilebilen uygulamaların geliştirilebilmesi olanaklıdır ve taşınabilir veri toplama çözümleri için yüksek hızda veri toplama, eş-zamanlı örnekleme, analog tetikleme, counter/timer işlemleri gibi enstrumantasyon sınıfı yetenekler gerçekleştirilebilir. Bunlar dışında son zamanlarda oldukça popüler olan Universal Serial Bus (USB) tipi ürünler, veri toplamak için, dış araçları bilgisayara bağlamada endüstriyel standard olarak ortaya çıkmıştır. USB kisaca fare veya klavye gibi "multiple peripherals" ın birlikte (simultene) kullanımını sağlayan tak-çalıştır (plug and play) yeteneğidir ve yüksek hızlı seri veri yolu protokoluna sahiptir.

B) Sabit endüstriyel bilgisayarlar :

Önden ve arkadan açılan kapaklar sayesinde bilgisayara bir kart takmak ya da çıkarmak, olağan bakımlarını yapmak çok daha kolaylaşır. İçerideki kart ve sürücülerin titreşimden en az etkilenmesi için özel yuvalar ve montaj şekilleri bu durum dikkate alınarak tasarlanmaktadır.
Endüstriyel bilgisayarlar, pano tipi, rack tipi, 19" slide-in tip, kontrol kabin tipi gibi farklı tasarımları ile birçok farklı endüstriyel uygulamaya uygunluk göstermektedirler.

 

c) Yarı sabit Bilgisayarlar :

Bu tip bilgisayarlar en genel tanımıyla hem sabit hemde mobil olabilmektedirler. Genellikle karmaşık test istasyonlarında kullanımları oldukça pratiktir. Standart olan bilgisayarlara göre fazla sayıda genişleyebilen kart yuvalarına sahiptirler.
Bu tip bilgisayarlara örnek olarak ilk kez National Instruments tarafından üretilen ve PXI adı verilen sistemler verilebilir. Bu sistemin avantajları aşağıdaki gibi kısaca açıklanabilir.

PXI Sistemleri ( Compact PCI EXtension for Interface) :
PXI, yüksek hızlı PCI veri yolunun endüstrideki test ve otomasyon sistemlerinde kullanımına yönelik tasarlanmış özel bir PC'dir. PCI veri yolu açısından modüler bir yapıya sahiptir. Bu sistemler kolay sistem tasarımı ve normal PC'den daha fazla genişletilebilir slota sahiptir ( 128 adete kadar).
Aşağıda sistem ile ilgili genel özelliklere yer verilmektedir.
" Farklı alanlar için uygulama modülleri ( Birçok üretici tarafından üretilen Veri işleme, görüntü işleme, hareket kontrolü vb)
" Daha yüksek performans
" Uygun modül ve uygun yazılımlarla ( Örneğin LabVIEW RT ) gerçek zamanda ölçüm imkanı
" Düşük maliyet
" Gerçeklenebilirlik
" Modüler yapı
" Esneklik
" Mobilite

Yüksek performans gerektiren ve birden fazla Node ' a sahip test, ölçüm ve otomasyon sistemlerinde mükemmel çözümler sunan PXI (Compact PCI eXtensions for Instrumentation) platformu günümüzde hızla yaygınlaşmakta ve bu tip işler için standartlaşmaya doğru yönelmektedir. PXI sistemleri Mobilite, esneklik, düşük maliyet, hız ve kolay kullanım gibi PC teknolojisinin sağladığı birçok avantaja sahip olmanın yanında endüstri standartlarıyla da tam bir uyum içindedir.
1997 yılında ortaya atılan PXI sistemler, 1987'de kullanılmaya başlanan VXI sistemlerine alternatif olarak ortaya cıkmıştır. Aşağıda verilen tablo ile bu sistemlerin teknik bazda karşılaştırması yapılmıştır.

ENDÜSTRİYEL ÇEVRE BİRİMLERİ

Özellikle saha koşullarının zorlu olduğu ortamlarda sabit bilgisayarın ana kontrol ünitesi kadar ekran, klavye maus, inkjet yazıcı ve barkod okuyucu gibi diğer birimler de kullanım ve dayanıklılık açısından önemlidir. Endüstriyel standartlarda LCD monitörler ile enerji tüketimi en aza indirilir ve hacimden yer tasarrufu sağlanır. Bu koşullarda kullanılan ekranlar suya, ortamdaki kirleticilere dayanabilmeleri için kullanım amacına göre dokunma tik ekran tipi seçilebilirler. Touch-Screen denilen bu olanakla düşük bilgi seviyesindeki operatörlerin bile sistemi kolayca kullanımı imkanlı hale gelebilir. Ekranın altındaki bölüme veya ekranın yanına ergonomik olarak yerleştirilen alfa-numerik klavye ve touch-pad denilen dokunmatik fare ile bilgisayarın klavye ve fare işlevleri en ergonomik şekilde sağlanmış olur. Opsiyon el olarak eklenebilen fonksiyon tuşları ile PLC yada diğer denetleyiciler ile doğrudan haberleşme sağlanabilir.
Bu tür ekranlardan aranan en önemli özelliklerden biri görüş açısının genişliğidir. İyi bir ekranda 90 derece olarak standartlaştırılmış bu görüş açısında günün her saatinde rahat bir okunabilirlik / görülebilirlik aydınlığı olması istenir. Bu ekranlar darbelere karşı dayanıklı dış kılıflarla korundukları gibi ekran camı özel tasarlanmış darbe sönümleyici ince filmle kaplanmıştır. . Klavyeler ise genellikle paslanmaz çelik alaşımlı özel kılıfla korunmuşlardır ve tuş takımları sızdırmazlık ve darbeye dayanıklılık özelliğine sahiptir.
Flat( Düz)-panel monitörler ve endüstriyel klavyeler genellikle yerin kısıtlı, çevre koşullarının elverişsiz olduğu ortamlarda operatör arabirimleri olarak başarıyla çalışabilirler.
Düz panel monitörlerin işlemciye sahip olan tipleri mevcuttur ve bunlar pekçok değişik korunmaya sahiptirler Bu tip endüstriyel ekranlar zorlu üretim sahasında proses kontrolünden, jeofizik veri toplamaya, kara ve hava taşıtlarında proses izlemeye kadar çok geniş bir yelpazede kendilerine kullanım alanı bulmaktadırlar.

Endüstriyel tip bilgisayarların sahip olması gerekli bazı uluslararası standartlara uyumluluk kriterleri aşağıda gösterilmektedir.