Das richtige Format für kompakte Industrie-PCs

| Autor / Redakteur: Peter Hoser * / Margit Kuther

Alternative Formfaktoren: COM Express Compact und Qseven

Als Alternative zu klassischen Mainboards gelten Lösungen auf Grundlage von Modulen. Zwei dieser Ansätze sind COM Express Compact (95 mm x 95 mm) sowie Qseven (70 mm x 70 mm). COM-Express-Compact-Module verfügen über diverse Anschlüsse, etwa PCI-Express 3.0, USB 3.0, SATA 3, Ethernet und serielle Interfaces. Hinzu kommen integrierte Grafik- und Audio-Chips sowie CPUs, etwa Dual-Core-Prozessoren von Intel. Auch Qseven-Module sind kompakte Rechner mit x86- oder ARM-Prozessoren und Schnittstellen wie PCIe, SATA, USB und Ethernet. Dazu kommen integrierte Grafik- und Audiofunktionen sowie Schnittstellen für LPC (Low Pin Count Interface), den CAN-Bus und SPI (Serial Peripheral Interface).

Dagegen fehlen ältere Schnittstellen wie RS 232. Ein Manko von COM Express Compact und Qseven ist der hohe Preis der Module, bedingt durch hohe Kosten für die hohe Lagenzahl der kleinformatigen Leiterplatte. Ein weiterer Kostenfaktor ist, dass die Module auf einer Basiseinheit aufgesetzt werden müssen – einem Carrier-Board. Für COM Express Compact sind beispielsweise Carrier im Format Mini-ITX verfügbar. Sie stellen die externen Schnittstellen zur Verfügung, etwa USB und Ethernet. Problematisch für Systementwickler und Nutzer ist außerdem der Mangel an standardisierten und kostengünstigen Gehäusen.

Rar in Industriesystemen: Nano-ITX und Thin Mini-ITX

Im Gegensatz zu Lösungen auf Basis von Modulen haben sich Single-Board-Computer im Format 3,5 Zoll (146 mm x 102 mm) bereits im Embedded-Bereich etabliert. Etwa 20% der Stand-Alone-Mainboards für solche Anwendungen entfallen auf diesen Formfaktor. Dagegen haben sich die ITX-Varianten Nano-ITX (120 mm x 120 mm) und Pico-ITX (100 mm x 72 mm) bei Industrial-PCs nicht durchsetzen können.

Eine bessere Alternative ist die Mini-STX-Spezifikation (140 mm x 148 mm), die 2016 vorgestellt wurde. Mit entsprechenden Mainboards mit einem System-on-a-Chip (SoC) sind besonders kleine, energiesparende und dennoch leistungsfähige Rechnersysteme realisierbar. Entwickler von IPCs haben somit mehr Optionen als bei anderen Formfaktoren.

Für Embedded- und Industrial-PCs, bei denen eine besonders flache Bauweise gefordert ist, kommt die Spezifikation Thin Mini-ITX (170 x 170 x 20 mm) in Betracht. Bei diesem Formfaktor ist die Höhe des Systemaufbaus, inklusive Kühlsystemen und Stromversorgung, auf 20 Millimeter begrenzt. Fujitsu hat beispielsweise mit dem D3674-B ein Thin-Mini-ITX-Board für semi-industrielle Anwendungen entwickelt. Typische Einsatzgebiete dieses Mainboards aus der Extended Lifecycle Serie sind flache Bedienterminals, digitale Mischpulte, POS-Systeme sowie Panel-PCs (Human Machine Interface).

Unabhängig davon, welchen Formfaktor Hersteller von IPCs bei Mainboards bevorzugen, stellt sich bei kompakten Industrierechnern mit einem Volumen von etwa einem Liter oder sogar weniger ein grundsätzliches Problem: Komponenten wie Mainboard, Prozessor, das Gehäuse, Erweiterungskarten, Stromversorgung und die Kühltechnik müssen optimal zusammenspielen. Das zu erreichen ist eine Herausforderung, vor allem dann, wenn Standardkomponenten zum Zuge kommen.

Herausforderungen bei kleinen Bauformen

Eine Hürde ist die begrenzte mechanische Komptabilität solcher Komponenten. So ist es erforderlich, eine optimale Position von Prozessor, Steckern und Kabeln zu finden. Das ist in der Praxis oft nur schwer beziehungsweise mit hohem Aufwand zu bewerkstelligen. Hinzu kommt der Faktor Kühlung. Sind die Komponenten nicht optimal aufeinander abgestimmt, besteht die Gefahr, dass sich im Gehäuse und auf den Platinen „Hotspots“ bilden. Solche Hitzeinseln reduzieren nicht nur die Lebensdauer der Komponenten, sondern führen im Extremfall zum Ausfall des Rechners oder des Embedded-Geräts.

Nicht unterschätzt werden sollte zudem der Aufwand für die Zertifizierung der Komponenten und des kompletten Systems. Ein Trugschluss ist beispielsweise, dass für einen IPC bereits dann eine CE-Zertifizierung vorliegt, wenn für jede seiner Komponenten ein solches Zertifikat vorhanden ist. Vielmehr muss das System als Ganzes gemäß CE zertifiziert werden. Die Europäische Union schreibt vor, dass jeder IPC mit einer solchen Kennzeichnung zu versehen ist.

Um eine Zertifizierung zu erreichen, müssen zahlreiche Tests durchgeführt werden, sowohl auf der Komponenten- als auch auf der Systemebene. Das kostet Zeit und Geld.

Lösung: Komplettsystem oder Bausätze

Problematisch ist vor diesem Hintergrund, dass etwa 80% der Industrial-PCs kundenspezifische Anpassungen benötigen. Nur ein Fünftel wird in Standardkonfigurationen ausgeliefert. Den Griff zu einem Standard-IPC bezahlen Nutzer mit einer geringeren Flexibilität. Statt eines Systems, das auf ihre Anforderungen optimal zugeschnitten ist, müssen sie Kompromisse eingehen.

Einen Ausweg bieten Bausätze für Industrial-PCs, etwa die SMARTCASE-Linie von Fujitsu. Mit ihnen können die Hersteller und Nutzer Industrierechner nach ihren Vorstellungen zusammenstellen. Zur Wahl stehen in diesem Fall diverse Mainboards und Versionen von Kühlern und Stromversorgungen. Zudem sind Einbaumöglichkeiten für Riser-Karten verfügbar, außerdem die passende Verkabelung. Ein Vorteil solcher Kits ist, dass alle Bestandteile aufeinander abgestimmt, getestet und zertifiziert wurden. Das gilt auch für die diversen Systemvarianten, die sich damit zusammenstellen lassen. Solche Kits sind daher für alle Anwender interessant, die eine praktikable Lösung suchen, um einen PC für die Industrie zusammenzustellen. Wer dagegen hoch spezielle Anforderungen hat, wird nicht umhinkommen, sich mit den unterschiedlichen Mainboard-Formfaktoren und darauf aufbauenden Systemen auseinanderzusetzen.

* Peter Hoser ist Director Sales OEM bei Fujitsu, Augsburg

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