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01 Bei den Industrie-PC haben sich mit 19 Zoll, Panel und Box drei Formfaktoren etabliert

Maßarbeiter im Maßanzug

02 Die verschiedenen IPC-Bauformen im Vergleich

03 Das praktische, leicht zugängliche Design der Powerbox 3000 mit ihren Serviceklappen vereinfacht die Wartungsarbeit

04 Display und Recheneinheit sind beim Powertwin getrennte Module, die sich individuell kombinieren lassen

Industrie 4.0, Smart Factory, Industrial Internet – die Schlagworte rund um die Digitalisierung der Produktion illustrieren, dass der Aufgaben- und Einsatzbereich für den Industrie-PC breiter und vielschichtiger wird. Um die verschiedenartigen Einsatzszenarien zu bedienen, haben Anwender die Wahl zwischen Systemen mit unterschiedlichen Bauformen und Leistungsstufen.

Die Trendstudie „IT und Automatisierungstechnik in den Produkten des Maschinenbaus“ des VDMA bestätigt eine Entwicklung, die branchenübergreifend in Produktion und Fertigung zu beobachten ist. Innovationen des Maschinen- und Anlagenbaus, die mit Slogans wie Industrie 4.0, Smart Factory und Industrial Internet umschrieben werden, basieren auf einer intelligenten Vernetzung sowie Steuerung, um die industrielle Automatisierung und Steuerung weiter voranzutreiben. Diesen Trend begleitet eine wachsende Intelligenz der Maschinenkomponenten vor Ort. Für den Industrie-PC (IPC) als zentrale Plattform für Mess- und Steuerungsaufgaben wird das Einsatzspektrum damit noch vielschichtiger. Gleichzeitig schaffen die Entwicklungsschübe in der PC-Technik neue Umsetzungsalternativen. Der Weg zu einem maßgeschneiderten IPC kann im Detail sowohl komplex als auch kompliziert sein.

Formen und Fakten
Da ein IPC immer auch ein PC mit all seinen Eigenschaften ist, gibt es keinen universellen IPC. Stattdessen haben sich in der Hauptsache drei grundlegende Formfaktoren im Markt etabliert: 19 Zoll Rack-PC, Mini- beziehungsweise Box-PC als Embedded-Systeme mit und ohne Lüfter sowie Display-Systeme beziehungsweise Panel-PC (Bild 1). Jede dieser Bauformen verfügt über grundlegende Stärken und Schwächen (Tabelle in Bild 2), die sich abhängig vom Einsatzfeld unterschiedlich gut bewähren. Die Hauptvorteile der Systeme mit 19-Zoll-Formfaktor sind zweifellos hohe Leistungsdaten, üppige Ausstattungsmöglichkeiten sowie Ausfallschutz durch Redundanz. Inhärent sind allerdings ein höherer Platzbedarf und ein Mehraufwand für Verkabelung, da zusätzlich ein Rack aufgestellt wird. Der Mini-PC lässt sich mit seinen kompakten Maßen dicht an den Anlagen montieren. Mit seiner geschlossenen Bauform ist er für den Einsatz in raueren Betriebsumgebungen prädestiniert, wobei die lüfterlosen Modelle oft als 24/7-Dauerläufer widrigen Bedingungen trotzen. Das auffälligste Kennzeichen eines Panel-PC ist das Display, das neben der Visualisierung in der (Multi-)Touchvariante auch zur Bedienung dient. Die Recheneinheit auf Basis eines Mini-PC ist in puncto Ausbaumöglichkeit gegenüber den beiden zuvor erwähnten Formfaktoren deutlich eingeschränkter. Im industriellen Alltag lassen sich die konkreten Aufgabenfelder allerdings nur im Ausnahmefall trennscharf der einen oder anderen IPC-Kategorie zuordnen. Der Grund hierfür ist, dass sich die Umgebungsbedingungen und technischen Leistungsanforderungen in den einzelnen Einsatzszenarien wechselseitig stark beeinflussen, miteinander konkurrieren und sich zum Teil sogar ausschließen. Die Suche nach dem optimalen IPC sollte daher stets mit einer akribischen Bedarfsanalyse starten. Die fünf maßgeblichen Bewertungskategorien hierbei heißen:
•Umgebungsbedingungen,
•Einbauvorgaben,
•Leistung und Architektur,
•Erweiterbarkeit und Einbindung sowie
•Betriebs- und Einsatzkosten inklusive Langzeitverfügbarkeit.

Umgebungsbedingungen
Die beiden erstgenannten Bewertungskategorien, die Umgebungs- und Einbaubedingungen, sind neben den technischen Leistungserfordernissen unstrittig die prägenden Elemente in der Analyse, da elektromagnetische Strahlung, Hitze, Schmutz und Vibration am Einsatzort schlichtweg nicht verhandelbar sind. Wird ein IPC als Embedded-System einer Anlage geplant, muss dessen Aufbau und Architektur über die geforderte Robustheit verfügen, um den vorherrschenden Umwelteinflüssen standzuhalten. Im Falle von Schmutz und Feuchtigkeit ist beispielsweise ein geschlossenes Gehäuse mit dicht ausgeführten Schnittstellen unverzichtbar. In einer Umgebung mit hohen mechanischen Belastungen wie Vibrationen, sind mechanische Verschleißteile zu vermeiden. Zweckmäßig ist daher ein System mit einem modularen, lüfterlosen Design und kabellosem Aufbau, um die Gefahr eines Ausfalls durch Kabelbruch oder Materialermüdung zu umgehen. Wenn jedoch vor Ort zumindest zeitweise Temperaturen außerhalb des Toleranzbereichs eines lüfterlosen Modells herrschen, muss man reagieren. Der Einbau oder die Zuschaltung eines Lüfters bei Erreichen einer vordefinierten Temperaturschwelle ermöglicht zwar, die Betriebstemperatur innerhalb der tolerierten Bandbreite zu halten. Dies erkauft man sich allerdings durch ein erhöhtes Verschleißrisiko aufgrund der mechanischen Komponente „Lüfter“. Hinzu kommt, dass gerade in sehr schmutzigen Umgebungen mit einem gesteigerten Wartungsaufwand aufgrund des Reinigungsbedarfs verschmutzter Filter zu rechnen ist. Wer dieses zusätzliche Risiko und den Mehraufwand meiden möchte, muss zwangsläufig einen Standortwechsel für den IPC ins Auge fassen.

Einbauvorgaben
Grenzen setzt im besten Sinn des Wortes die Einbausituation vor Ort. Ist der verfügbare Raum an der Anlage knapp bemessen, fehlt es im IPC-Gehäuse mitunter an Platz für die gewünschte Zahl an Schnittstellenkarten für Feldbusse, Aktoren oder Sensoren. Es muss daher vielleicht eine andere Stelle gewählt werden, die größere Ausmaße und bessere Zugänglichkeit bietet. Jeder Standortwechsel – aus welchen Motiven auch immer – bedeutet jedoch zwangsläufig andere Umgebungsbedingungen und führt damit zu einer Neubewertung der prinzipiellen Eignung einer IPC-Architektur.

Rechenleistung
Ein weiteres wichtiges Kriterium in der Bedarfsanalyse ist die Frage, ob eine vergleichsweise stabile Arbeitslast anfällt oder ob Leistungs- und Ausbaureserven benötigt werden. In diesem Punkt haben die Fortschritte in der PC-Technik fraglos die größten Verbesserungen bewirkt. Durch den Einbau der Intel-Core-i-Prozessoren der 4. Generation (Haswell) stellt beispielsweise die Powerbox 3000 (Bild 3) von Spectra als Vertreter einer neuen Embedded Mini-IPC-Ära für viele Anwendungen eine echte Lösungsalternative dar, in denen zuvor nur 19-Zoll-Systeme zum Zuge kamen. Diese wiederum rücken durch den Einbau von Server-CPU ihrerseits in neue Aufgabengebiete, zum Beispiel die Signalverarbeitung von Sensoren, vor, die bislang den zentralen Servern im Rechenzentrum vorbehalten waren. Wie die großen Systeme profitieren die kleineren Mini-PC am unteren Leistungsende gleichfalls von den technischen Entwicklungen. Vertreter der Nise 24×0-Familie von Spectra, in denen nun Prozessoren der Intel-Atom-E3800-Prozessorfamilie (Bay-Trail) arbeiten, sind im Vergleich zu den Vorgängermodellen nicht nur leistungsstärker, sondern auch energieeffizienter. Über die Unterstützung weiterer Betriebssystem-Umgebungen, wie Linux oder Android, neben Windows sind sie auch in der Lage, neue Anwendungen für industrielle Automatisierungs- und Steuerungsaufgaben aufzunehmen.

Erweiterbarkeit und Kosten
Die Frage der Leistungsbandbreite und des Ausbaupotenzials ist auch aus betriebswirtschaftlich-organisatorischer Sicht von Bedeutung. Universell einsetzbare Systeme wie Powerbox 3000 helfen die Zahl der Systemarchitekturen gering zu halten, wenn IPC für unterschiedliche Maschinengrößen und Aufgaben einzuführen sind. Je mehr Anwendungen sich mit dem Spectra-System abdecken lassen, desto weniger Spezialwissen ist bei der Administration zu schulen. Ein vereinfachtes Wartungs- beziehungsweise Ersatzteilmanagement hilft zusätzlich Betriebs- und Einsatzkosten zu begrenzen. Eine abnehmbare Frontplatte ermöglicht es zum Beispiel vor Ort Komponenten wie Speicher oder CMOS-Batterie bequem und einfach auszutauschen. Der positive Einfluss einer wohl überlegten Systemarchitektur lässt sich auch bei dem Architekturprinzip des Panel- PC Powertwin (Bild 4) von Spectra beobachten. Anstelle des üblichen All-in-One-Ansatzes werden die Hauptkomponenten Anzeige (Display) und Systemeinheit als unabhängige logische Einheiten ausgeführt und über ein einheitliches Steck-Verbindungssystem kombiniert. Ändern sich Anforderungen oder ist eine Hauptkomponente defekt, lässt sich das betroffene Teil und nicht, wie bei anderen Architekturprinzipien üblich, das Gesamtsystem austauschen. Soll beispielsweise nur die PC-Einheit hochgerüstet werden, muss nicht auch noch eigens das Display inklusive der notwendigen Ausschnitt-Anpassungen am Maschinengehäuse neu angebracht werden.

Fazit
Jede Anwendung ist anders. Jede Umgebung ist unterschiedlich. Ungeachtet der technischen Errungenschaften lässt sich deshalb die Frage, über welche Eigenschaft ein System mit optimalen Betriebs- und Kosteneigenschaften verfügen muss, nicht pauschal beantworten. Mit Blick auf die konkreten Einsatzbedingungen, aber auch auf die vorhandene Infrastruktur ist jeder Fall individuell zu bewerten. Es ist deshalb wichtig, die Suche nach dem optimalen IPC unvoreingenommen zu starten und anhand der genannten fünf Kriterien sowie der Frage nach Leistung und Kosten abzuwägen. (no)

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Autor:
Eric Biank ist Produktmanager Embedded-Systeme bei der Spectra GmbH in Reutlingen. eric.biank@spectra.de