Embedded-Lösungen für die Industrie Komplexe Systemdesigns „Made in Germany“

Autor / Redakteur: Günther Dumsky * / Margit Kuther

Embedded-Systeme und kundenspezifische Industrielösungen lassen sich auch in Deutschland wirtschaftlich fertigen. Wie, verrät MSC Technologies.

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Bild 2: Temperatursimulation zur Erkennung von Hot Spots
Bild 2: Temperatursimulation zur Erkennung von Hot Spots
(Bild: MSC Technologies)

Leistungsfähige Industrierechner zeichnen sich heute mehr denn je durch ihre hohe Individualität und flexible Konfigurationen aus. Die Erwartungen der Kunden setzen zwar eine breite Palette an Standardprodukten voraus. Für zahlreiche Anwendungen kommen jedoch nur angepasste Standardsysteme bzw. kundenspezifisch entwickelte Rechner in Frage.

Bei einem Custom Design lassen sich beispielsweise die Ausführung der Schnittstellen, die Einbausituation des Gehäuses oder die Erfüllung bestimmter Schutzklassen optimieren. Um im Embedded-Markt erfolgreich zu sein, müssen die maßgeschneiderten Entwicklungen auch für Projekte mit kleineren Stückzahlen machbar sein.

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MSC Technologies hat sich neben dem breit gefächerten Standardportfolio an Embedded-Systemen und Industrierechnern auf kundenspezifische Lösungen für die Industrie spezialisiert. Voraussetzung für eine schnelle Entwicklung und wirtschaftliche Fertigung der Rechner in Deutschland ist die Beherrschung der Komplexität des gesamten Systemdesigns.

Vordefinierte Building Blocks halten die Kosten niedrig

Um die Kosten des auf die Anwendung optimierten Industrierechners im Rahmen zu halten, baut MSC Technologies so weit wie möglich auf vordefinierte Building Blocks, die auf dem umfangreichen Angebot an modularen Standardprodukten basieren. Die vielfältigen Building Blocks sind in ihren Leistungsdaten skalierbar und können kurzfristig bereitgestellt werden. Einzelne Komponenten lassen sich bei Bedarf auch schnell modifizieren. Voraussetzung dafür ist die Beherrschung der Komplexität des gesamten System-Designs.

Flexible, an Kundenwünschen orientierte Produktion

Zur Entwicklung und Fertigung von Embedded-Systemen für die Industrie hat MSC Technologies in seinen Design Centern und hochautomatisierten Produktionsstätten hier in Deutschland ein fundiertes technisches Wissen aufgebaut und kann eine langjährige Erfahrung vorweisen. Das MSC-eigene Werk in Freiburg wurde kontinuierlich so ausgebaut, dass sich die Produktion flexibel an die Kundenaufträge anpassen lässt.

So stehen beispielsweise für Aufträge mit geringeren Stückzahlen effektive Kanban-Zellen zur Verfügung. Für hohe Volumen sind die installierten Fertigungslinien geeignet. Der Fertigungsprozess passt sich an die Losgrößen, die Auslastung und die Produktmodelle an. In vielen Fällen liegen zwischen Auftrag und Lieferung der ersten kundenoptimierten Prototypen weniger als drei Monate. „Made in Germany“ steht nach wie vor für optimierte Embedded-Lösungen und höchste Qualität.

Im Vorfeld eines Standard- oder Kunden-Projekts werden die einzelnen Anforderungen des gewünschten Systems detailliert mit dem Kunden abgestimmt (Bild 1). Dies beinhaltet die genaue Beschreibung der späteren Aufgaben und der Anwendungsbereiche des Rechners sowie das marktspezifische Umfeld, z.B. welche Normen erfüllt werden müssen. Anschließend erfolgen die Festlegung der Leistungsdaten, der benötigten Schnittstellen, der Stromversorgung, des Gehäuses, des Betriebssystems, BIOS und weitere definierte Merkmale. Berücksichtig werden muss auch die Einbausituation einschließlich der vorgegeben Umweltbedingungen wie Temperatur, Schock und Vibration.

Time-to-Market und Kostenrahmen als wichtige Eckdaten

Daneben spielen natürlich auch die wirtschaftlichen Eckdaten, z.B. Time-to-Market und der Kostenrahmen, eine entscheidende Rolle. Heute erwarten Kunden auch bei technisch anspruchsvollen Produkten immer kürzer werdende Entwicklungs- und Protoyping-Zeiten, um das System schnell auf den Markt zu bringen. Die robusten Industriesysteme sollen zudem im Betrieb einfach zu warten sein und zuverlässig arbeiten. In vielen Anwendungen ist eine lange Lebensdauer des Produkts von zehn bis zwanzig Jahren Voraussetzung. Bei zahlreichen Einsatzgebieten, z.B. in Schienenfahrzeugen oder Medizingeräten, ist eine lange Verfügbarkeit der eingesetzten Bauteile gefordert.

3D-Designstudie in der frühen Entwicklungsphase

MSC Technologies erstellt nach der Analyse aller Anforderungen des Projekts ein optimiertes Systemkonzept (Bild 1). Auf der Basis des umfangreichen Angebots an bereits vordefinierten und sofort einsatzfähigen Komponenten werden die geeigneten Lösungen ausgewählt und ein prinzipieller Aufbau erarbeitet. Um frühzeitig eine Vorstellung des zu entwickelnden Produkts zu erhalten, kann innerhalb von wenigen Tagen eine 3D-Designstudie vorgelegt werden. Es besteht die Möglichkeit, mit einem Standard-PC als Funktionsmuster parallel zum Design mit dem funktionalen Test und der Anpassung der Software zu beginnen.

Wärmemanagement und EMV sind entscheidende Parameter

Im nächsten Schritt wird ein Konzept für das Wärmemanagement und die elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) erstellt. Die Optimierung der thermischen Auslegung des kompletten Embedded-Systems spielt eine große Rolle, da die Bauteiletemperatur einen direkten Einfluss auf die Lebensdauer des Industrierechners hat. Als Faustformel geht man von einer Halbierung der Lebensdauer bei einer Erhöhung der Bauteiletemperatur von 10 K aus.

Während der Entwicklungsphase setzt MSC Technologies eine Thermosimulations-Software zur Berechnung der Temperaturverteilungen innerhalb des Gehäuses ein. Auf der Basis des 3D-Entwurfs lassen sich die im System auftretenden Temperaturen und Strömungen einfach und anschaulich darstellen.

In Bild 2 ist die Temperatursimulation eines Rechners von MSC Technologies dargestellt. Man erkennt, wo im System Hot Spots auftreten und kann somit leicht feststellen, ob diese innerhalb der spezifizierten Grenzen der Bauteile liegen. Mit der Thermosimulation lässt sich das spätere Temperaturverhalten mit einer guten Genauigkeit voraussagen, um bereits im Vorfeld die passive Kühlung und das Lüftungskonzept zu optimieren.

Strömungssimulation in geschlossenen Systemen

Bild 3 zeigt eine Strömungssimulation in einem geschlossenen PC-Gehäuse. Damit können Strömungen der Luft sichtbar gemacht und entsprechend optimiert werden. Die einzelnen Farben stehen für unterschiedliche Strömungsgeschwindigkeiten in einer Ebene.

Nach dem Design-Review zusammen mit dem Kunden wird der erste Prototyp aufgebaut. Anschließend erfolgt während der Verifikationsphase der funktionale Test des Geräts, der das Zusammenspiel aller verbauten Komponenten und gewünschten Anforderungen berücksichtigt (Bild 1).

MSC Technologies misst im Klimaschrank das Temperaturverhalten und die Grenztemperaturen des Rechners. Ergänzend dazu stehen EMV-Tests und eine Prüfung der elektrischen Sicherheit auf dem Programm. Die EMV-Tests umfassen unter anderem die Messung der Störbeeinflussung und die Funkstörstrahlung nach der geltenden europäischen Produktnorm für IT-Geräte.

Nach dem Review der Nullserie erfolgen noch weitere Temperaturtests, Funktionstests und ein CE-Abschlusstest. Zulassungen nach CE, FCC, UL, EN 60601 usw. werden bei den meisten Projekten durchgeführt. Darüber hinaus wird die Produzierbarkeit des Systems überprüft. Der Abschluss ist dann die Serienfreigabe.

Mit dem erfahrenen Team an Entwicklern, den verfügbaren Ausrüstungen und einer vollautomatisierten Fertigung ist MSC Technologies in der Lage, den Kunden schnell und zuverlässig die passende Lösung zu liefern. Da bei Custom Designs der Kunde in den gesamten Entwicklungs- und Prototypenfertigungsprozess mit eingebunden ist, hat er die Sicherheit, dass sein kundenspezifisches Rechnersystem perfekt auf seine Anwendung angepasst ist.

* Günther Dumsky ist Product Marketing Manager System Solutions bei MSC Technologies

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