Chlad je stejně vražedný jako teplo

Nemluví se o tom často, ale mrazivé teploty mohou být pro počítače vážný problém, v některých případech dokonce větší problém než teplo. Extrémní chlad může způsobit deformace obrazu, jako například skvrny nebo pohybové rozostření. Nebo poškození elektroniky nepředvídatelným způsobem vedoucí až k selhání systému. U venkovních mrazivých lokalit je to rozhodující hledisko pro volbu použitého řídicího systému pro automatizaci.

Každý technik v ropném průmyslu vám potvrdí, že údržba zobrazovacích panelů v arktických podmínkách a ochrana počítačů před zimou je přinejmenším stejný problém jako jejich ochrana před teplem. Zima není menší problém a kvůli přehlížení způsobuje v průmyslu potíže dokonce častěji. Přidání externího vyhřívání je neefektivní a často neúčinné. Řešením je budování systémů s vestavěným regulovaným vyhříváním. Bohužel ale mnoho systémů s řízeným vyhříváním není o mnoho sofistikovanějších, než je běžné odmlžování zrcadel. Člověk by si mohl myslet, že průmyslová zařízení ve 21. století budou vyžadovat složitější řešení, než to co najdete v každém místním železářství, ale bohužel ve většině systému to takový případ není.

Průmyslové aplikace potřebují víc než komerční technologie

Hotelová zrcadla jsou poměrně jednoduchá: topné těleso v omítce na zadní straně zrcadla a spínač. Po zapnutí začne vyhřívat, dokud jeho teplota nedosáhne maxima. Kromě vypnutí nepoužívá žádnou další regulaci. Pro výpočetní systémy používané v otevřených mrazivých lokalitách je potřeba víc než jen on-off ohřívač. Takový druh regulačního obvodu se nazývá bang-bang řízení a jak se dá předpokládat, není dostatečně přesný pro kritické systémy vyžadující udržování teploty v úzkém rozsahu teplot (mimo jiné mezi ně patří zobrazovací panely s dotykovým displejem). V citlivých zařízeních přináší bang-bang regulace příliš velké riziko předčasného selhání systému kvůli poškození hardwaru nebo snížení výkonu. U vestavěných topných systémů není možné jednoduše nastavit požadovanou teplotu a zapnout topení. Pokročilý průmyslový počítačový hardware vyžaduje mnohem citlivější řízení, kde je aktuální teplota průběžně měřena a výkon vyhřívání inteligentně průběžně upravován podle relativní odchylky od požadovaného stavu.

Proporcionální řízení inteligentního vyhřívání

Proporcionální řízení ohřevu pracuje na principu plynule proměnného výkonu místo pouhého zapnutí nebo vypnutí. Jak je vidět na obrázku níže, dodávka elektrické energie do topného článku je závislá na senzoru, který monitoruje teplotu a softwarového systému, který neustále porovnává aktuální a požadovanou teplotu.

Obrázek 1: Zpětná vazba v základní smyčce proporcionální regulace

Na tomto obrázku vidíme základní prvky proporcionální zpětné vazby. Výstup teplotního čidla je připojen ke komparátoru, který ovládá regulátor (PWM). Regulátor může vyhřívání buď úplně vypnout (pokud je systém dostatečně teplý) nebo může zvýšit či snížit dodávku energie pro topné těleso a tím plynule měnit jeho teplotu. Změny tepelného výkonu jsou registrovány termistorem, který předává informaci zpět do komparátoru. Regulační smyčka je nepřetržitý cyklus a může být ukončena pouze vlastním vypnutím. Z těchto důvodů má i hrubá proporcionální regulace podstatně větší účinnost a bezpečnost než bang-bang přístup.

Vývoj proporcionální regulace

Choulostivou částí teplotního designu jsou systémové zdroje a to jak softwarové, tak i hardwarové. To je problém při regulaci výkonu pro vyhřívání na cílovou teplotu. Zaručit, že elektrická energie dodá předvídatelný tepelný výkon pro požadovanou teplotu v cílovém rozmezí, není tak jednoduché jak to zní. Za prvé, každá hardwarová platforma má unikátní teplotní profil a bude vykazovat unikátní chování při různých teplotách. Za druhé, hardwarové komponenty se někdy chovají nevyzpytatelně vzhledem k celému systému: odpory na základní desce mění při nízkých teplotách svou charakteristiku a to může způsobit nepředvídatelné chování počítače nebo jeho zhroucení.

Obrázek 2: Průběh teploty během 40 minutového vyhřívání z teploty -40 °C na 0 °C

Přehled funkčního návrhu

Pokud automatizovaný systém vyhřívání u proporcionálního řízení obdrží signál k zapnutí, jeho komparátor nejdříve změří aktuální teplotu. Pokud termistor naměří například -40 °C, jsou topné elementy zapnuty na plný výkon. Softwarový podsystém pak nepřetržitě monitoruje příkon a porovnává ho s tepelným výkonem a informace z termistoru je předávána do komparátoru, který rozhoduje o tom, jestli pokračovat ve vyhřívání. Pokud ano, nastaví regulátor jako další článek řetězce podle potřeby vyšší nebo nižší výkon topného elementu.

Po zahřátí systému na teplotu těsně nad 0 °C vytvoří buď regulátor rovnovážný stav, nebo pokud teplo generované samotným hardwarem počítače dostačuje k udržení systému na požadované teplotě, vypne komparátor vyhřívání úplně. Jedná se o zdokonalenou a účinnější verzi proporcionální regulace a to je to co dává inteligenci inteligentnímu systému.

Obrázek 3: Křivka zobrazuje závislost výkonu dodávaného do vyhřívání během
zahřívání počítače z teploty -40 °C na 30 °C na teplotě
Osa Y zobrazuje výstup PWM regulátoru jako procenta aktivní části periody. Osa X zobrazuje teplotu.

Dosažené výsledky

Věnovali jsme dostatek času a úsilí pečlivému výběru komponent, dostatečné spolehlivosti, rozsáhlému testování a modelování chování jednotlivých hardwarových platforem pro vytvoření bezpečného a spolehlivého inteligentního systému vytápění umožňujícího provozovat počítač v širokém rozsahu nízkých teplot, které nejsou slučitelné s provozními podmínkami dané hardwarové platformy.

Věnovali jsme dostatek času a úsilí pečlivému výběru komponent, dostatečné spolehlivosti, rozsáhlému testování a modelování chování jednotlivých hardwarových platforem pro vytvoření bezpečného a spolehlivého inteligentního systému vytápění umožňujícího provozovat počítač v širokém rozsahu nízkých teplot, které nejsou slučitelné s provozními podmínkami dané hardwarové platformy.

Obrázek 4: průběh teploty během dvou teplotních cyklů v celkové délce téměř 40 hodin nepřetržitého provozu.
Jedná se o jeden z testů provedených během vývoje inteligentního systému vyhřívání Moxa. Osa X je čas a osa Y je teplota ve stupních Celsia. Vrcholky jsou 30 °C a minima jsou -40 °C. Žlutá čára zobrazuje okolní teplotu, ostatní průběhy jsou měřené v různých místech počítače. Náběžné hrany teploty jsou dlouhé asi půl hodiny, sestupné hrany jsou dlouhé přibližně 2 hodiny.

Nejnovější řada panelových počítačů Moxa EXPC-1319 přichází s inteligentním vyhřívacím systémem Moxa IHS (Intelligent Heating Solution). Pro IHS bylo vyvinuto několik patentovaných technologií, které slouží k bezpečnému, spolehlivému a energeticky efektivnímu vyhřívání počítačů v mrazivých podmínkách a umožňujících jim podávat potřebný výkon v kritických průmyslových aplikacích.

Přečtěte si o technických detailech inteligentního vyhřívacího řešení Moxa v následující studii.