Twardziel na linii produkcyjnej

Dysk twardy, często określany angielskim terminem HDD (Hard Disk Drive), jest jednym z najpopularniejszych typów pamięci masowych szeroko wykorzystywanych nie tylko w komputerach, ale też w różnego rodzaju urządzeniach mobilnych i systemach przemysłowych.

W tym ostatnim przypadku nie można jednak skorzystać ze zwykłego pecetowego twardziela - przemysłowy dysk twardy znacząco różni się bowiem od jego komputerowego odpowiednika. Dysk twardy ma stosunkowo prostą konstrukcję. Każdy napęd HDD składa się z zamkniętego w obudowie, wirującego wokół własnej osi dysku (nazywanego talerzem) lub zespołu talerzy, które wykonane są z wypolerowanego stopu aluminium. Talerze te pokryte są warstwą materiału magnetycznego, na którym zapisywane są informacje. Do zapisu i odczytu danych wykorzystuje się głowice elektromagnetyczne (na każdą powierzchnię każdego talerza dysku przypada po jednej głowicy odczytująco-zapisującej) zamontowane na elastycznych, metalowych ramionach. W czasie pracy głowice unoszą się nad powierzchnią talerza, a ich odległość nad nim jest stabilizowana dzięki sile aerodynamicznej tworzącej powietrzną poduszkę pod głowicą. Ramię głowicy dysku ustawia ją w odpowiedniej odległości od osi obrotu talerza, dzięki czemu dane mogą być zapisywane i odczytywane z określonego miejsca na powierzchni dysku. Obrazu konstrukcji dysku twardego dopełniają silniki elektryczne napędzające talerze oraz silniki krokowe precyzyjnie sterujące ruchem ramion głowic, a także elektronika sterująca pracą całego urządzenia i odpowiadająca za przesył danych do i z dysku twardego.

Ograniczenia konstrukcji mechanicznej
Nie wdając się w szczegóły konstrukcyjne dysku twardego, z punktu widzenia zastosowania tego typu urządzenia w systemach przemysłowych jego najważniejszymi ograniczeniami jest odporność dysku na drgania i temperatury. Dysk do zastosowań przemysłowy musi bowiem pracować w szerokim zakresie temperatur, przy tym sam nie może się zbytnio nagrzewać, musi być odporny na wilgoć oraz wibracje. Innymi słowy, musi on zapewniać nieprzerwaną pracę w ekstremalnych, przemysłowych warunkach. Najlepsze przemysłowe dyski twarde mogą zwykle pracować w zakresie temperatur od -30°C do +85°C, wilgotności od 5 do 95% oraz przy wibracjach do około 30 G i częstotliwości do 500 Hz.
Większość twardzieli przeznaczonych do zastosowań przemysłowych skonstruowanych jest tak, aby były w stanie pracować w temperaturach od 0-5°C do ok. 55-65°C przy wilgotności dochodzącej do 85%. Są to wystarczające parametry techniczne, które pozwalają stosować tego typu dyski twarde w systemach sterowania maszyn CNC, przemysłowych komputerach PC oraz kontrolerach automatyki przemysłowej wykorzystywanych w halach fabrycznych.

Do maszyny i do kontroli
Przemysłowe dyski twarde wykorzystywane są w dwóch grupach produktów. Pierwszą stanowią wspomniane przed chwilą systemy sterowania maszyn CNC, przemysłowe komputery PC oraz kontrolery automatyki przemysłowej, drugą grupą są systemy cyfrowego monitoringu wideo. W obu wypadkach wymagania techniczne stawiane urządzeniom są zarazem podobne, ale jednocześnie też nieco inne. Przede wszystkim obie grupy zastosowań wymagają podobnych właściwości, jeśli chodzi o warunki pracy, ale już szybkość i niezawodność podczas pracy ciągłej są inne. W systemach sterowania dysk twardy nie musi być ani szybki, ani pojemny, ani też nie musi cechować się wyśrubowaną, kilkumilionową liczbą godzin pracy MTBF (Mean Time
Between Failures), czyli średnim czasem bezawaryjnej pracy, przez który urządzenie może działać bez przerwy - tutaj wystarczą czasy na poziomie 1 000 000 godzin pracy, tak jak w wypadku zwykłych, montowanych w pecetach dysków twardych.
Dysk twardy zamontowany w sterowaniu automatyki przemysłowej służy do przechowywania stosunkowo niewielkich ilości danych oraz oprogramowania i nie pracuje przez cały czas. W przypadku systemów monitoringu przemysłowego dysk twardy obraca się 24 godziny na dobę przez siedem dni w tygodniu. Musi bardzo szybko pracować, zapisując dane z systemu kamer przemysłowych, które dostarczają ich ogromne ilości. Dlatego też konstrukcje przemysłowych dysków twardych do obu zastosowań nieco się różnią.

Dyski do systemów sterowania
Napędy HDD do systemów sterowania to przede wszystkim zmodyfikowane, 2,5-calowe znane z notebooków konstrukcje dysków twardych. W ich produkcji specjalizuje się firma Toshiba. Przemysłowe dyski tego producenta przeznaczone są przede wszystkim do systemów sterowania automatyki oraz kontrolerów robotów przemysłowych. Mogą pracować w systemie 24/7 (dwadzieścia cztery godziny na dobę, siedem dni w tygodniu), a ich szybkość obrotowa to 5400 obr./min. - czyli są jak na dzisiejsze standardy stosunkowo powolne (czas dostępu do danych to ok. 10 ms). Wykorzystano w nich specjalny system kompensacji wibracji - Rotational Vibration (RV) compensation.
Temperatura, w której pracować mogą te urządzenia, to 5-55°C. Cechują się one też bardzo dużą odpornością na wstrząsy - działają poprawnie przy wibracjach o sile 1 G pojawiających się z częstotliwością 5-500 Hz. Są też bardzo odporne na uderzenia. Podczas pracy są w stanie wytrzymać krótkotrwałe uderzenie (2 ms) o sile nawet 325 G, a podczas spoczynku milisekundowy wstrząs o sile 900 G - zastosowano tu czujnik swobodnego upadku. Urządzenia te produkowane są w pojemnościach 80, 120, 160 i 250 GB. Dostępne są też modele o podwyższonej tolerancji na temperatury pracy (-30°C do 85°C) i zwiększone wibracje (3 G przy wstrząsach o częstotliwości 8-50 Hz, 2,5 G dla zakresu 50-200 Hz, dla 2G, 200-500 Hz) i wysokości, na której mogą pracować (-300 do 5650 m n.p.m).

Dyski do systemów monitoringu przemysłowego
W produkcji dysków do monitoringu przemysłowego specjalizuje się firma Western Digital. Dyski te z serii WD RE4 i WD RE3 bazują na konstrukcjach 3,5-calowych pecetowych dysków twardych. Niemniej zostały tak zmodyfikowane, żeby mogły pracować w niskiej temperaturze i dużą niezawodność. Wprowadzono tutaj technologię o nazwie NoTouch Ramp Load, która całkowicie eliminuje możliwość dotknięcia głowicę talerza – zarówno w trakcie pracy jak i transportu.
Z kolei system RAFF (Rotary Acceleration Feed Forward) monitoruje działanie i zachowanie dysku, a następnie koryguje wibracje liniowe i rotacyjne, na które podatne są wielodyskowe systemy monitoringu przemysłowego. Oczywiście, również te dyski przystosowane są do działania w trybie 24/7, a ich niezawodność szacowana jest na 1,2 miliona godzin MTBF. Ciekawostką jest to, że w urządzeniach tych przewidziano minimum 600 tys. cykli włączenia i wyłączenia urządzenia. Dyski twarde WD RE4 są wyposażone w pamięć podręczną 64 MB, dwa procesory oraz mechanizm dwuetapowego ruchu głowicy (dual stage actuation). Dzięki tym funkcjom konstruktorom udało się osiągnąć bardzo wysoką wydajność. Temperatura podczas pracy tych urządzeń może mieścić się w zakresie od 5°C do 55°C i są one w stanie wytrzymać krótkotrwałe uderzenie (2 ms) o sile 30 G, a podczas spoczynku wstrząs o sile 300 G. Dyski te obecnie produkowane są w pojemnościach od 250 GB do 2 TB, także dostępne są wersji o obniżonym zużyciu energii (WD RE4-GP) – zużycie energii zmniejszono w nich o ponad 40%.

MM Magazyn Przemysłowy 5-6/2024

Chcesz otrzymać nasze czasopismo?

Zamów prenumeratę