Nicht nur Anzüge können maßgeschneidert werden, sondern auch Industrie-PCs.

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Maßgeschneiderte Komplettlösungen Kompakte Industrie-PC's nach Maß

22.10.2018

Höhere Leistung auf immer kleineren Raum – dies sind zentrale Anforderungen an Industrie-PCs. Doch solche Systeme im Do-it-Yourself-Verfahren zusammenzustellen, ist aufwändig und riskant. Eine Alternative bieten zertifizierte IPC-Bausätze.

Die Nachfrage nach Industrie-PCs (IPCs) ist ungebrochen. Dies habe mehrere Gründe, so das Marktforschungsunternehmen Markets and Markets. So etabliert sich das Internet der Dinge (IoT) verstärkt in Bereichen wie der Fertigung. Zudem spielen IPCs in Industrie 4.0-Umgebungen, im Handel und im Digital-Signage-Bereich eine zentrale Rolle. Die Folge ist, dass laut Markets and Markets der weltweite Umsatz mit IPCs jährlich um mehr als sechs Prozent steigt und 2022 ein Volumen von 4,2 Milliarden Dollar erreichen wird.

Effizient mit Standardkomponenten

Doch der Bau von Industrie-PCs ist äußerst anspruchsvoll. Die Kundenanforderungen im Hinblick auf die Bauform, sei es als Panel, Rack oder boxed IPC und Abmessungen, Rechenleistung, Kühllösung, die Umgebungsbedingungen, Ausbaufähigkeit und Schnittstellen aber auch Zielkosten variieren enorm. Damit verteilt sich das große und stetig wachsende Markt-Volumen auf sehr viele unterschiedliche Produkte. Abhängig von der Wirtschaftlichkeit greifen Hersteller im einfachsten Fall auf Standardkomponenten zurück.

Diese Standartkomponenten sind in der Regel kostengünstig. Zudem lassen sich Systeme auf diese Art sehr schnell realisieren. Dafür müssen Nutzer aber häufig Kompromisse hinsichtlich Design, Abmessungen und Funktionalität in Kauf nehmen. Insbesondere bei kleinen und kompakten Geräten scheitert die Zusammensetzung von sogenannten off-the-shelf-Komponenten häufig schon an der mechanischen Kompatibilität. Zudem bedeutet die Koordination von vielen unterschiedlichen Lieferanten eine gewisse
Herausforderung an die Beschaffung der Komponenten sowie an das Lifecycle-Management.

Bei komplexen Anwendungen werden Industrie-PCs auch komplett oder in überwiegenden Teilen in Eigenregie entwickelt. Damit lässt sich ein System exakt auf den jeweiligen Einsatzzweck zuschneiden und die Komponenten können optimal aufeinander abgestimmt werden. Allerdings sind solche Maßanfertigungen äußerst kostspielig und auch die Entwicklungszeit samt Erstellung von Werkzeugen und Fertigungsmitteln ist länger.

Zertifizierungen, Normen und Tests

Ein Manko, das beide Ansätze aufweisen: Die Systeme müssen geltende Normen und Zertifizierungen erfüllen. Zudem muss die Zuverlässigkeit für die gegebenen Kundenanforderungen durch Tests nachgewiesen werden. Denn selbst wenn auf Standardkomponenten, welche einzeln die benötigten Zertifizierungen besitzen, zurückgegriffen wurde, bedeutet das nicht, dass das Komplettsystem diese ebenso erfüllt.

Zertifizierungen müssen unter anderen in den Bereichen elektromagnetische Verträglichkeit (EMV), Produktsicherheit und Energieeffizienz vorliegen. Weitere Spezifikationen betreffen die Umweltverträglichkeit sowie die Widerstandsfähigkeit gegen Erschütterungen und Vibrationen. In der Europäischen Union müssen IPCs mit einer CE-Kennzeichnung versehen sein sowie diverse DIN- und EN-Normen erfüllen. Hinzu kommen häufig länderspezifische Zulassungen und Zertifizierungen wie UL, CSA, FCC oder CCC. Ist das nicht der Fall, haftet nicht nur der Hersteller eines solchen Systems, sondern auch der Nutzer. Das ist beispielsweise dann der Fall, wenn durch einen nicht zugelassenen IPC ein Mitarbeiter zu Schaden kommt. Hinzu kommt ein erhöhtes Risiko, dass ein solches System ausfällt und Produktionsabläufe stört.

Hoher Test-Aufwand

Die Zuverlässigkeit eines Systems wird im ersten Schritt durch umfangreiche Funktionstests überprüft. Dabei kommt es auf eine saubere Implementierung sämtlicher Funktionen, wie unter anderem die Grafik, USB, COM, PCI/PCIe, aber auch ein einwandfreies Zusammenspiel aller Komponenten wie Mainboard, RAM, HDD/SSD und PSU, an. Für die Prüfung der Systemstabilität bieten sich neben Dauer- und Stresstests auch Reboot-Tests an.

Betrachtet man lediglich das Thema Umgebungseinflüsse, welche in der DIN 60068-2 geregelt sind, wird schnell klar, wie aufwändig so ein Test sein kann. Hierbei muss gewährleistet sein, dass ein System und damit all dessen Komponenten im Dauerbetrieb zuverlässig funktionieren, wenn die Umgebungstemperatur dauerhaft bei beispielsweise 50 °C liegt. Um das sicherzustellen, muss der Hersteller eines IPC eine aufwändige Erprobung in einer Klimakammer durchführen. Dabei wird unter anderem ermittelt, ob Bauteile wie Prozessor, Kondensatoren, Spannungswandler und Controller ausreichend gekühlt werden. Hierzu ist es zwingend erforderlich, die Grenzwerte aller temperaturempfindlichen Bauteile zu kennen. Die Temperaturverträglichkeit nur mit einem Funktionstest zu prüfen, ist nicht zielführend, da die Aussagekraft eher als eine Momentaufnahme zu bewerten ist. Sie kann somit nicht als Ableitung für den Dauerbetrieb dienen. Weitere Tests hinsichtlich Umgebungsbedingungen betreffen unter anderem Erschütterungen und Vibrationen, Luftfeuchtigkeit und Schadgas.

Lösung: Zertifizierte IPC-Baukästen

Es liegt auf der Hand, dass solche Zertifizierungen und Testläufe nur für einen Bruchteil der Anbieter und Nutzer von IPCs erschwinglich sind. Einen Ausweg bieten allerdings Bausätze für Industrie-Rechner wie die Smartcase Lösungen von Fujitsu. Diese Bausätze bestehen zunächst einmal aus Gehäuse, Mainboard, Kühllösung, Stromversorgungen, Wifi/BT-Lösungen und haben unzählige, diverse Erweiterungsmöglichkeiten.

Sie ermöglichen es Anbietern und Nutzern von IPCs, mit gut überschaubarem Aufwand Industrie-Rechner und boxed IPCs zusammenzustellen, welche sich flexibel an jedes Einsatzgebiet anpassen lassen. Ein wesentlicher Vorteil solcher Baukästen: Die Komponenten sind optimal aufeinander abgestimmt und der Anbieter hat für die Bausätze auf Systemebene die wichtigsten Zertifizierungen bereits durchgeführt.

Kühlung unter erschwerten Bedingungen

Besonders heikel ist bei einem IPC die Frage der Kühlung der einzelnen Komponenten. Zum einen, weil solche Industrie-
Computer-Systeme oft in Umgebungen mit hohen Umgebungstemperaturen zum Einsatz kommen. Zum anderen erschwert der kompakte Aufbau solcher Systeme die Kühlung. Bausätze für IPCs stellen daher unterschiedliche Kühlkonzepte zur Verfügung. Eine passive Kühlung verwendet Kühlplatten und Heat Pipes.

Solche lüfterlosen Industrie-PCs sind robust, sie eignen sich vor allem für Umgebungen, in denen Spritzwasser und Staub an der Tagesordnung sind. Allerdings sollten IPC-Kits auch den Aufbau von Industrierechnern mit einer aktiven Kühlung ermöglichen, also mit Lüftern. Vor allem Industrie-PCs, bei denen Grafikkarte und Prozessor eine verhältnismäßig hohe Abwärme produzieren, benötigen eine aktive Kühlung.

Wenig Strom gleich wenig Wärme

Gerade im Zusammenhang mit diesen Umständen empfiehlt sich ein Blick auf die unterstützten Temperaturbereiche und Stromverbrauchswerte, die der Anbieter eines IPC-Kit angibt. Als Faustregel gilt: Je geringer der Strombedarf, desto niedriger fällt auch die anfallende Wärme aus.

Zudem sollten die Bestandteile eines Baukastens für IPCs ausschließlich mit ICs bestückt sein, die für eine Dauerlast unter hohen Temperaturen ausgelegt sind. Das gilt besonders für Kondensatoren und Quarze sowie die Pufferbausteine für die RS-232-Schnittstellen. Anbieter, die an dieser Stelle sparen wollen, nehmen eine höhere Ausfallquote der ICs und damit jeder einzelnen Systemkomponente in Kauf.

Schnittstellen für jeden Zweck

Auch bei den verfügbaren Schnittstellen sollte ein IPC-Bausatz dem Nutzer eine möglichst große Auswahl bieten. Wichtig sind bei Industrial PCs beispielsweise COM-Schnittstellen wie RS-232 und Grafik-Interfaces wie DVI und Embedded Display Port. Noch flexibler sind Kits, die Riser-Karten mit einer PCIe-Schnittstelle kombinieren. Damit kann ein Systemdesigner beispielsweise eine Grafikkarte oder einen Wireless-LAN-Adapter in einen Industrie-PC integrieren. Auch hier gilt, dass der Anbieter für alle Interfaces und Erweiterungskarten die Garantie dafür übernimmt, dass diese für bestimmte Temperaturbereiche ausgelegt sind und die gängigen CE- und DIN-/EN-Vorgaben einhalten.

Minimierter Platzbedarf

Zum Abschluss des Beitrages ein Blick auf die Größenformate, die ein IPC-Baukasten unterstützen sollte. Während für größere IPCs im 19-Zoll-Rackformat mit zwei, beziehungsweise vier Höheneinheiten oder die aus dem Desktopbereich üblichen µATX-Tower-Formate ausreichend Gehäuse- und Kühllösungen zur Verfügung stehen, wird die Auswahl bei kleiner Formaten wie Thin-ITX, 3,5 Zoll oder Mini-STX immer geringer.

Der Platz hat sich mittlerweile auf ein Volumen von unter 0,9 Liter minimiert. Diese Anforderung erschwert es, mechanisch und thermisch kompatible Komponenten – vorwiegend Mainboard, Kühler und eventuell Netzteil – zu finden. Gerade hier spielen aufeinander abgestimmte Bausätze ihre Stärke aus.

Bildergalerie

  • Zertifizierte IPC-Bausätze wie die Smartcases von Fujitsu machen es einfach, einen Industrie-PC nach Maß zusammenzustellen. Zum Beispiel mit einem Mainboard im Format Mini-STX, welches sich für kompakte Industrie-PCs eignet.

    Bild: Fujitsu Technology Solutions

  • Die Rückseite des Smartcase offenbart die gewünschten Schnittstellen.

    Bild: Fujitsu Technology Solutions

  • Die kleinen Mainboards im Format Mini-STX eignen sich ideal für kompakte Industrie-PCs.

    Bild: Fujitsu

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