Boards für den industriellen Einsatz Jenseits konventioneller Ultra-Robustheit

Es gibt eine Vielzahl konventioneller Motherboards, die eine hohe Haltbarkeit zu niedrigen Kosten versprechen. Vergleicht man sie aber mit wirklich industriegerechten Motherboards, werden die Unterschiede jedoch mehr als deutlich.

Das Lösungsversprechen industrieller Motherboards reicht viel weiter, als das Versprechen erweiterter Services für konventionelle IT-Umgebungen.

Von der gemeinsamen Unterstützung gleicher Standards profitieren sowohl der konventionelle IT-Markt als auch der industrielle. Das gemeinsame Ökosystem der wiederverwendbaren Komponenten ist nämlich größer, da die Chiphersteller so einen größeren Zielmarkt erreichen können. OEMs können deshalb auch auf eine größere Lieferantenbasis zurückgreifen und profitieren von niedrigeren Stückkosten aufgrund größerer Stückzahlen. Eine Standardisierung stellt zudem sicher, dass neue Komponenten immer denselben Fußabdruck aufweisen, was die NRE-Kosten (Non-Recurring-Engineering-Costs) reduziert. Mini-ITX ist ein solcher Standard. 

Schlechte Vergleiche 
 
Mini-ITX-Motherboards eignen sich für vielfältige kommerzielle und industrielle Applikationen, wie Kiosk- und Retail-Systeme, Spielautomaten und Digital-Signage-Installationen sowie SCADA-Systeme, HMIs und GUIs für industrielle Maschinen und Anlagen. 

Aber OEMs in diesen Märkten müssen genau hinschauen, welche Plattformen sie zur Lösung ihrer Aufgaben einsetzen wollen. Hersteller von konventionellen Motherboards, die das obere Segment des IT-Marktes bedienen, adressieren zunehmend industrielle Applikationen, indem sie ihr Produkte als ultra-robust bezeichnen. Allerdings sollte man sich davor hüten zu denken, dass diese Robustheit, auf die sie sich beziehen, mit der von Motherboards vergleichbar ist, die wirklich für industrielle Anforderungen ausgelegt sind. Worin liegt aber der Unterschied?

In konventionellen IT-Applikationen bedeutet eine hohe Robustheit in der Regel lediglich, dass einige Komponenten – wie zum Beispiel Feststoffkondensatoren – eine höhere Qualität aufweisen. Manchmal ist damit einfach nur eine Metallblende um die High-Speed-Steckplätze für PCIe-Karten und DDR-Speicher gemeint oder etwas dickere Kupferschichten für die Erdungs- und Stromlayer der Platinen. Selbstverständlich erhöhen die meisten dieser Maßnahmen die Haltbarkeit. Dies aber nur in konventionellen Einsatzszenarios wie in Büro- oder Heim-PCs, wo die Umgebungstemperaturen keine Extreme aufweisen – also nicht unter 0 °C oder über 40 °C liegen – und wo gut ventilierte Gehäuse die Temperatur der Komponenten unter 45 °C halten. 

Fürs Extreme geschaffen 

Diese Anforderungen unterscheiden sich deutlich von denen des industriellen Marktes: Equipment in Fabrikhallen und Maschinen ist oftmals Temperaturen von 0 °C bis 60 °C ausgesetzt. Und bei Systemen, die im Freien betrieben werden, ist der erforderliche Betriebstemperaturbereich sogar noch größer: Geräte, die permanent oder temporär im Freien oder in Fahrzeugen wie Zügen, Bussen und Nutzfahrzeugen sowie zunehmend in autonomen Fahrzeugen eingesetzt werden, müssen extreme Temperaturen zwischen -40 °C und +85 °C aushalten. Können kommerzielle Motherboards unter diesen Bedingungen zuverlässig funktionieren? Die Antwort ist natürlich: nein. Selbst die als ultra-robust beworbenen Boards sind nur für Betriebstemperaturen zwischen 0 °C und 40 °C ausgelegt. Und selbst wenn sie nicht sofort ausfallen sollten, so würden sie sich dennoch ähnlich wie bei der Übertaktung einer CPU verhalten: Wird dadurch mehr Abwärme erzeugt, leiden sowohl die Performanz als auch die Zuverlässigkeit. Eine zu lange Belastung – und im Industriesegment wird oft 24/7 gefordert – wird schnell zu einem Ausfall der Komponenten vom Prozessor über Controller und Spannungswandler bis hin zu Kondensatoren und sogar Steckverbindern führen. Selbst wenn nur eine dieser Komponenten ausfällt, steht die Zuverlässigkeit des gesamten Boards auf dem Spiel. Das macht den spezifizierten Betriebstemperaturbereich zu einem der wichtigsten Unterscheidungsmerkmale zwischen konventionellen und durchweg industriegerecht ausgelegten Motherboards. 

Stressresistenter 

Umgebungstemperaturen können sich im industriellen Umfeld schnell ändern. Innerhalb kürzester Zeit können die Boards abwechselnd kalten und heißen Umgebungen ausgesetzt sein, wie zum Beispiel in einem Gabelstapler, der im Winter im Freien und direkt danach in der Werkshalle an einem Industrieofen arbeitet. Pendelt er häufig hin und her, müssen die elektronischen Komponenten deutlich besser gegen Temperaturschwankungen gehärtet sein als bei einem Motherboard im Büro-PC. 

Auch wenn solche Komponenten natürlich mehr kosten als ihre konventionellen Pendants, liegt ihr Mehrwert jedoch deutlich über den höheren Kosten. Je nach Umgebungsbedingungen würden kommerzielle Motherboards nämlich innerhalb weniger Tage oder Wochen ausfallen. Im Gegensatz dazu sind durchgängig industriegerechte Motherboards für einen kontinuierlichen 24/7-Dauerbetrieb unter besonders rauen Umgebungsbedingungen ausgelegt. Hat der Entwickler dies einmal verstanden, kennt er die wichtigsten Unterscheidungsmerkmale zwischen kommerziellen und industriellen Komponenten.

Es gilt aber noch weitere Faktoren zu beachten, wie die Resistenz gegen Schocks und Vibrationen. So nutzen kommerzielle Motherboards Sockel für die Montage wichtiger Komponenten, wie Prozessoren, die sich häufig in vergleichsweise empfindlichen LGA-Sockeln befinden.

Komponenten in Sockeln sind oftmals empfindlich gegen Schocks und Vibrationen. Deshalb sind bei industriegerechten Motherboards typischerweise alle kritischen Komponenten direkt auf das Board gelötet, was sie deutlich widerstandsfähiger gegen Schocks und Vibrationen macht. Wirklich vertrauenswürdige Hersteller können alle relevanten Testzertifikate von unabhängigen Prüflaboren vorlegen, in denen sie die erzielten Toleranzniveaus der Schock- und Vibrationsbelastungen nachweisen. 

Toleranter gegen Spannungsschwankungen 

Während die Anforderungen in kommerziellen Anwendungen weitgehend identisch sind, können sich die Anforderungen der unterschiedlichen Industriekunden erheblich unterscheiden. Die Schnittstellenanforderungen eines Maschinen-GUIs oder HMIs unterscheiden sich nämlich deutlich von Computern, die beispielsweise in einem Büro oder zuhause eingesetzt werden. 

Diese Unterschiede beginnen bereits bei ganz grundlegenden Elementen wie der Stromversorgung. Konventionelle Office- und Home-PC-Motherboards arbeiten mit einer Standard-ATX-Stromversorgung. Diese ist recht groß und normalerweise werden von ihr drei verschiedene Spannungen mit Toleranzen von etwa ±10 % bereitgestellt. Industrielle Motherboards sind hingegen so ausgelegt, dass sie in einem Umfeld betrieben werden können, in dem zur Sicherheit oder aus praktischen Gründen nur eine Spannung über ein Kabel verfügbar ist. In einem solchen Umfeld wird die Spannung mit deutlich höheren Schwankungen übertragen. Aus diesem Grund haben industrielle Motherboards eine deutlich robustere und spannungstolerantere Stromversorgung. Oft ist sie in der Lage, Spannungen im Bereich von 12 V bis 24 V DC zu akzeptieren. Einige industrielle Motherboards bieten sogar Smart-Battery-Support, sodass sie in sicherheitskritischen Anwendungen wie medizinischen Geräten von einer Backup-Batterie versorgt werden können, wenn die Netzspannung ausfällt. 

Schlank 

congatec ist einer der wenigen globalen Anbieter von industriegerechten Motherboards, die erhebliche Aufwendungen in die Umsetzung wirklich durchgängig industriegerechter Motherboards gesteckt haben, um den Einsatz etablierter IT-Technologien im industriellen Umfeld zu ermöglichen. Das Unternehmen hat den Mini-ITX Standard, der ursprünglich für den Consumer- und Office-Bereich entwickelt wurde, erfolgreich in einen Formfaktor überführt, der nun zuverlässig in industriellen Anwendungen eingesetzt werden kann. Und obwohl der Mini-ITX-Standard hierfür keine grundlegende Überarbeitung benötigte, macht es doch einen riesigen Unterschied, wenn ein Anbieter einen solchen Formfaktor in durchgängig industriegerechter Qualität entwickelt, fertigt und ausliefert. So implementierte das Unternehmen beispielsweise die »Thin«-Spezifikation für Mini-ITX als mechanische Ergänzung. Diese Ergänzung wurde von Intel im Jahr 2011 veröffentlicht. Sie begrenzt die maximale Bauhöhe für Motherboards auf lediglich 20 mm (Bild 1). Damit ist das Thin-Mini-ITX-Format ideal für kompakte Applikationen wie HMI-Terminals oder GUIs für Maschinen und Anlagen. Solche Motherboards können direkt hinter den Displays installiert werden, was extrem kompakte Lösungen ermöglicht. congatec bietet hierfür speziell entwickelte Kühlsysteme an, die innerhalb der maximalen Bauhöhe des Thin-Mini-ITX-Formats bleiben. Damit können HMI-Systeme umgesetzt werden, die trotz aller industriellen Anforderungen an die Robustheit nicht tiefer als 30 mm sind. 

Konstant 

Es gilt aber noch weitere Faktoren, die bei der Auswahl industriegerechter Motherboards zu beachten sind. So verwendet congatec nur Komponenten aus den Embedded Segment mit klar definierten Roadmaps und hoher Langzeitverfügbarkeit. Das ist wichtig, weil dadurch sichergestellt wird, dass Boards in identischer Konfiguration über mehrere Jahre hinweg und nicht nur für wenige Monate verfügbar sind, wie es häufig bei kommerziellen Lösungen der Fall ist. Möglich wird dadurch eine längere Nutzungsdauer eines bestehenden Designs. 

Zudem wird sichergestellt, dass Dokumentationen und Zertifizierungen nur einmal innerhalb eines kompletten Produktlebenszyklus des OEM-Produkts durchgeführt werden müssen. Auch die Ersatzteilbevorratung wird einfacher, wenn man weiß, dass identische Board-Konfigurationen für allfällige Reparaturen oder Ersatzbeschaffungen verfügbar sind. Und wenn eines Tages doch eine Komponente wegen Obsoleszenz oder aus anderen Gründen geändert werden muss, werden die Kunden von congatec informiert, sofern sie sich für diesen kostenfreien Service angemeldet haben. So können selbst kleinste Revisionen unmittelbar und in einem angemessenen, stressfreien Zeitrahmen validiert werden. Die Platinenlayouts haben zudem mehr Layer, sodass sie robuster sind und im Vergleich zu kommerziellen Lösungen eine höhere elektromagnetische Verträglichkeit und geringere Störstrahlung bieten.

Werden die Prozessoren aus den Embedded Roadmaps ausgewählt, bedeutet dies, dass industriegerechte Motherboardlösungen Low-Power- oder sogar Ultra-Low-Power-CPUs verwenden. Auch das verbessert die Zuverlässigkeit, Langlebigkeit und Umweltfreundlichkeit des gesamten Systems, da keine aktiven Lüfter benötigt werden. 

Transparent 

Neben der Langzeitverfügbarkeit und eingebauten Robustheit haben speziell für industrielle Anwendungen entwickelte Motherboards, noch weitere Unterscheidungsmerkmale, die sie deutlich von ihren konventionellen kommerziellen Pendants abheben. Denn congatec integriert seine eigenen Board-Management-Controller-Technologie (BMC), die einen nichtflüchtigem Speicher nutzt, um wichtige Informationen zu speichern. Dazu zählen unter anderem Anwendungs-, Hersteller- und Boardinformationen sowie Backup und BIOS/UEFI-Daten.

Mit diesen detaillierten Informationen können OEMs professionelle Manamegent-Strategien für ihre Masseninstallationen umsetzen. Ebenso ist ein Multi-Stage-Watchdog ist integriert. Er kann so ausgelegt werden, dass bei einer Unterbrechung spezifische Applikationen oder das gesamten System neu gestartet wird, um so automatisiert einen kontinuierlichen Betrieb sicherzustellen. Das hat sich insbesondere bei verteilten und unbeaufsichtigten Installationen wie zum Beispiel bei Verkaufsautomaten bewährt. Kann sich das System automatisch neu starten, werden Ausfallzeiten minimiert und Wartungseinsätze reduziert, was letztlich sowohl die Kundenzufriedenheit als auch die Profitabilität erhöht. 

Flexibel und offen

Neben generischen Erweiterungsoptionen über PCIe- und Mini-PCIe-Slots erfordert das industrielle Umfeld zudem deutlich umfassendere Schnittstellen für die Peripherie- und Displayanbindung, als der kommerzielle Sektor. Im kommerziellen Sektor hat sich USB als Standard durchgesetzt und andere Schnittstellen langsam aber sicher verdrängt. In industriellen Applikationen sind jedoch serielle Ports und weitere Schnittstellen immer noch weit verbreitet, um externe Geräte wie Ticketleser, Münzspender oder industrielle Steuerungen anzubinden. Auch GPIOs sind weit verbreitet. Sie werden über dedizierte Stiftleisten (Pin-Header) ausgeführt und ermöglichen die einfache Integration von Schaltern zur Manipulationserkennung (Bild 2). Eine solche Einbruchserkennung ist beispielsweise in Spielautomaten vorgeschrieben. Sie wird aber häufig in Bank- und Verkaufsautomaten eingesetzt. Bei den Videoschnittstellen sind neben den etablierten Schnittstellen wie DisplayPort, HDMI und DVI für die Anbindung mehrerer Displays auf industriegerechten Motherboards auch Displayschnittstellen für kosteneffizientere LCD-Panels zu finden. Diese werden häufig in industriellen Panel-PCs sowie in der Medizintechnik eingesetzt und erfordern den Support von LVDS. 

Eine hohe Flexibilität führt häufig zu dem Bedarf, die Oberfläche der BIOS/UEFI Konfiguration kundenspezifisch anzupassen. Bei kommerziellen Motherboards ist das unmöglich umzusetzen und ist selbst bei vielen industriegerechten Motherboards nur im Rahmen eines vom Boardhersteller durchzuführenden, kostenintensiven kundenspezifischen Anpassungsverfahrens möglich. Deshalb ist das frei verfügbare CGUTIL-Flash-Tool von congatec ein höchst effizienter Helfer, der Zeit und Kosten spart. Es bietet OEMs alles, was sie brauchen, um die BIOS/UEFI-Firmware der congatec Boards anzupassen. 

Smart und mehrsprachig 

Da das IoT immer mehr Bereiche unseres Lebens betrifft, müssen Boardlevel-Anbieter auch industriegerechten IoT-Support anbieten. Die Motherboards von congatec auf Basis der neuesten Core-Prozessoren von Intel (die siebte Generation mit Codename Kaby-Lake) bieten deshalb einen integrierten Sockel für SIM-Karten (über einen M.2-Steckplatz) und unterstützen congatecs neue Cloud-API für IoT-Gatways. Das ist insbesondere für OEMs von unschätzbarem Wert, die ihre Motherboards auch als Gateways für ihre Maschinen- und Sensornetzwerke einsetzen wollen, die übrigens die derzeit am schnellsten wachsenden Anwendungsgebiete des IoTs sind. 

Das Cloud-API für IoT Gateways von congatec, das vor Ort mit intelligenten Sensoren kommuniziert, verarbeitet und konvertiert die empfangenen Sensordaten. Es führt über eine lokale Rule-Engine automatisierte Aktionen aus, was den Datenverkehr zur IoT-Cloud reduziert und schnelle Reaktionen vor Ort ermöglicht. Für den sicheren bidirektionalen Datenaustausch sorgt das TLS-gesicherte MQTT-Protokoll. congatec stellt OEMs auf Anfrage alle benötigten Softwaremodule im Quellcode für C++ zur Verfügung, was die Entwicklung eigener IoT-Applikationen für Linux und Windows auf Basis dieses applikationsfertigen Referenzdesigns deutlich vereinfacht. Bei Bedarf hält congatec weitere Softwaredienstleistungen für das Cloud-API und die Cloud-Anbindung bereit.

Auch der Softwaresupport für Protokolle ist im industriellen Sektor sehr wichtig. Ein Beispiel ist ccTalk, ein serielles Protokoll das von OEMs mit Zahlungsverkehr stark nachgefragt wird. So ist insbesondere die Gaming-Industrie an der Unterstützung dieses Protokolls interessiert. Es wird aber ebenfalls in vielen weiteren Märkten gefordert, die einen maschinellen Zahlungsverkehr einsetzen. Deshalb ist es in Anwendungen für den Retail-Markt und in Point-of-Sales Terminals weit verbreitet. Peripheriegeräte wie Währungsdetektoren für Münzen und Banknoten finden sich quasi überall – von Mautstellen über Ticketautomaten an Haltestellen oder in Parkhäusern bis hin zu Münzfernsprechern verwenden nahezu alle ccTalk für die Kommunikation mit dem Host-Prozessor. 

Persönliche Unterstützung 

Benötigen Entwickler bei der Integration der Boards Unterstützung, sollte den OEM-Kunden entsprechend umfassende Unterstützung – bis hin zu Design-In-Trainings zur Anwendung der Carrierboard-Design-Guides der PICMG und SGET – angeboten werden. Einer der hilfreichsten Services für industriegerechte Motherboards ist dabei der persönliche Integrationssupport. Er sorgt dafür, dass Kunden immer denselben Ansprechpartner haben und nicht in anonymen Warteschleifen verharren müssen, um letztlich mit ständig wechselnden Gesprächspartnern zu enden. Diesen Service stellt congatec weltweit vor Ort zur Verfügung, sodass Kunden den technischen Support immer während ihrer Arbeitszeit erreichen können. 

Letztlich wird ein Motherboard aber erst mit dem zur Kundenapplikation passenden Zubehör zu einer vollständigen, industriegerechten Lösungsplattform. Hierzu gehören nicht nur perfekt auf den Prozessor abgestimmte Kühlkörper, die die Bauhöhe von Thin-Mini-ITX-Motherboards nicht übersteigen. Es werden darüber hinaus noch viele weitere Komponenten benötigt. Deshalb ist es für OEMs äußerst wichtig, wenn sie vom Lieferanten auch die anderen benötigten Zubehörteile erhalten, die auf eine Verwendung mit dem jeweiligen Board getestet und verifiziert sind.

Dazu zählen unter anderem passende I/O-Blenden, Kabelsätze für die Anbindung der externen Gehäusestecker an die Embedded Konnektoren auf dem Board sowie Monitoradapter, Netzteile, Arbeitsspeicher und Speichermedien wie SSDs. Erst ein solch umfangreiches Zubehör macht aus einem industriegerechten Board eine vollständig applikationsfertige Lösungsplattform. 

Individuell 

In industriellen Applikationen ist es zudem nicht unüblich, dass Motherboards mit kundenspezifischen Anpassungen benötigt werden. So kann es für manche Anwendungen einfach nur notwendig sein, aus Sicherheitsgründen die externen USB-Anschlüsse zu entfernen. Um seinen Kunden solche und weitere bedarfsgerechten Lösungen bereitzustellen zu können, bedarf es auf solche Wünsche spezialisierte Embedded Design & Manufacturing Services, kurz EDMS. Bei congatec kommen alle Boards mit voller Dokumentation und umfassenden Lifecycle-Management sowie Supply-Chain-Services wie Kanban oder Konsignationslager. 

Alle diese Merkmale machen die Mini-ITX- und Pico-ITX Formfaktoren zu einer industriegerechten Lösung und einem professionellen und einfach einzusetzendem Produkt für unterschiedlichste industrielle Anwendungen, die in jeder nur gewünschten Prozessorbestückung zur Verfügung gestellt werden kann. (fr)

 
Wenn ‘Mini’ nicht klein genug ist 

Falls der Small-Formfaktor-Standard Thin-Mini-ITX (170 mm × 170 mm) noch nicht klein genug sein sollte und nur klassische industrielle I/Os benötigt werden, steht OEMs sogar ein noch kleinerer Board-Formfaktor-Standard zur Verfügung: Pico-ITX (72 mm × 100 mm). Auf einem Footprint einer 2,5-Inch-SSD bieten diese Boards alle oben genannten industriegerechten Merkmale auf einem noch kompakteren Single-Board-Computer. Das neue conga-PA5 ist das erste Produkt mit dem neuen USB-Type-C-Konnektor für USB 3.0 / Gen 1 (5 Gbit/s), der DisplayPort++ und Stromversorgung über ein einziges Kabel ermöglicht. Es ist mit besonders energiesparenden Intel-Atom-Prozessoren E3930, E3940 und E3950 für den erweiterten Temperaturbereich von -40 °C bis +85 °C oder mit dem leistungsstärkeren Low-Power-Dualcore-Prozessor Intel Celeron N3350 und dem Quadcore-Prozessor Intel Pentium N4200 bestückt. Trotz der kompakten Größe unterstützt es bis zu drei unabhängige High-Resolution-4k-Displays über DisplayPort++ mit 4k bei 60 Hz und Dual-Channel-LVDS.