Hochverfügbare Steuereinheiten entwerfen Eine Idee zum Produkt reifen lassen (Teil 3)

Ideen lassen sich durch eine strukturierte Vorgehensweise in ein gelungenes Produkt umsetzen
Ideen lassen sich durch eine strukturierte Vorgehensweise in ein gelungenes Produkt umsetzen

Im nun abschließenden Beitrag geht es unter anderem darum, welche Zertifizierungen und Typprüfungen durchgeführt und was bei der Serienfertigung und Systemintegration bedacht werden muss.

Am Konzeptbeispiel der hochverfügbaren Steuereinheit einer industriellen Anwendung wurde in den ersten beiden Teilen dieser Artikelserie [1, 2] erläutert, wie die System­entwicklung vom Produktkonzept bis hin zur Prototypentestphase idealerweise aussehen kann, wenn die unterschiedlichen Bereiche und Gruppen – Kunde und Dienstleister, dessen Entwicklung, Fertigung und Testabteilung – eng zusammenarbeiten.

Eine konsequente Bedarfsuntersuchung für Elektronik, Software und Mechanik, Best-Practice-Gehäusebau, Verifikation der einzelnen Baugruppen und des Gesamtsystems, Simulationen und Tests – etwa um ein ausgeklügeltes Thermo-Management zu erzielen – haben den Weg für schnelles, unkompliziertes Prototyping und die Serienfertigung bereitet. Vor der Serienreife stehen nun umfangreiche Zertifizierungen und Typprüfungen an: immer unter dem Aspekt, Systeme jahrzehntelang liefern zu können.

Tests und Zulassungen

Die erforderlichen Tests und Zertifizierungen bzw. Zulassungen für das Steuersystem wurden vom Kunden in Zusammenarbeit mit Heitec schon in der Architekturphase definiert und im Lastenheft oder in der Requirements-Spezifikation [1] niedergelegt. Bei den Tests des Funktionsumfangs von System und Baugruppen wird spezifisch getestet, ob alle Produktkriterien erreicht sind. Es gilt, die besonderen Kriterien der speziellen Einsatzgebiete zu erfüllen, die durch die Umgebungsbedingungen vorgegeben werden. Diese Umweltkriterien sind zwar meist sehr segmentspezifisch, aber auch da hilft ein modulares und bewährtes Konzept aus Hardware und Gehäusetechnik, das schon in der Grundfunktion für das jeweilige Zielsegment ausgelegt und getestet wurde.

Die Umwelttests werden teilweise in-house durchgeführt und dienen der Vorbereitung z.B. der Schock- und Vi­brationstests in einem akkreditierten Testlabor. Einer der ersten Tests, um die erforderlichen Zertifizierungen zu erlangen, ist der Test der EMV-Verträglichkeit. Um hier gut abzuschneiden, sollten – wie erwähnt – bereits im Vorfeld die Elektronikentwickler bei Systemkonzeption und Baugruppendesigns wie auch die Mechanik-Konstrukteure bei der Chassis/Plattform-Entwicklung und -Konstruktion eng interagieren, da ein Baugruppendesign, das nicht von Anfang an unter EMV-Gesichtspunkten konzipiert wurde, nachträglich nur mit erheblichem Mehraufwand auf der Gehäuse-Ebene durch spezielle Schutzmaßnahmen und eventuelle Gehäuseveränderungen EMV-sicher gemacht werden kann.

Das „Design für EMV“ fängt schon beim PCB-Design an und wird im Vergleich zu früher immer anspruchsvoller, da durch die extrem hohen Frequenzen gerade bei den heutigen, sehr schnellen seriellen Verbindungen zwischen den verschiedenen ICs auf der Baugruppe, aber auch auf der Backplane Hochfrequenzeffekte auftreten können (siehe auch die Untersuchungen bezüglich Signalintegrität in [2]).

Im Hinblick darauf werden saubere Clock-Terminierung und zusätzliche Masse-Lagen im PCB immer wichtiger. Auf der Komponentenseite ist es hilfreich, Funktionsblöcke (digitale Datenübertragung, Stromversorgung, eventuelle analoge Teile) zu gruppieren, um das EMV-Verhalten positiv zu beeinflussen. Dies sind nur einige wenige Beispiele, um die benötigte Störfestigkeit und Störaussendungsfestigkeit durch intelligentes Baugruppendesign zu verbessern. Auf Gehäuse-Ebene sehen die Herausforderungen bezüglich EMV beim Backplane-Design aufgrund der immer schnelleren seriellen High-Speed-Datenverbindungen ähnlich wie auf der Platine aus – auf der mechanischen Seite werden alle Einzelgehäusekomponenten mit EMV-Federn und entsprechenden Materialien leitend verbunden.

Hier spielt die Erfahrung des Designers und das Verwenden von modularen Designblöcken bei der Entwicklung und dem Layout eine große Rolle – das gilt bei Heitec sowohl für den Board-Designer wie auch für den Mechanik-Entwickler, welche die Basis für ein System schaffen, das später als Komplettgerät „EMV-vorbereitet“ im ersten Anlauf den EMV-Test im akkreditierten Labor bestehen soll.

Bei der Steuereinheit war ­Vibrationsfestigkeit sehr wichtig

Im Falle der besagten Steuereinheit war eine der zusätzlichen Anforderungen, im rauen Einsatz im Feld auch dann zuverlässig zu funktionieren, wenn starke Vibrationen auftreten. Für Vibrationsfestigkeit gibt es genaue Anforderungsprofile je nach Markt, und im Falle des hier beschriebenen Projekts wurde nach IEC 60068-2-6 bzgl. Vibrationen und IEC 60068-2-27 bzgl. Schock getestet.

Dazu wurde der Testaufbau in einem zertifizierten Testlabor auf einem Rütteltisch montiert und elektrisch an die funktionale Testumgebung angeschlossen, um Last und reale Einsatzbedingungen so weit wie möglich zu simulieren. Hier war die Herausforderung, das zu steuernde Gesamtsystem des Kunden, das optisch über Lichtwellenleiter (LWL) angebunden wird, im Testlabor nachzubilden. Dazu wurden mit einem zweiten identischen Steuersystem und durch eine Rückkopplungsschleife der LWL ein realistisches Einsatzszenario geschaffen, der Datenverkehr unter Volllast und Vollausbau simuliert und die entsprechende Stresstauglichkeit nachgewiesen.

Beispiele aus anderen Segmenten sind IEEE 344 für sicherheitsrelevante Anwendungen in Kernkraftwerken, EN 50155 in der Bahnindustrie und NEBS (Network Equipment Building System) in der Telekommunikationswelt. Die zu erfüllenden Testanforderungen sind allerdings nicht nur je nach Segment, sondern selbst innerhalb eines Segments je nach Applikation durchaus unterschiedlich – bei der Bahntechnik etwa sind sie in puncto Vibration bei Ausrüstung für den Einsatz im Zug (Rolling Stock) deutlich höher als bei Ausrüstung, die außerhalb des Zuges für die Signalübertragung zuständig ist.

Wie beim Funktionsumfang des Systems, so ist es auch bei den Zertifizierungen empfehlenswert, auf existierende und vorgetestete Gehäusetypen und Designmodule zurückzugreifen, die entweder schon als Grundsystem für die gewünschten Anforderungen nach gängigen Normen getestet wurden oder die sich bereits in einem Bereich mit ähnlichen Anforderungen bewährt haben. Damit ist zwar nicht garantiert, dass das komplexe Gesamtsystem mit allen kundenspezifischen Anpassungen auf Anhieb alle Tests besteht, aber es schafft eine stabile Grundlage, um die Risiken von Redesigns und zeitaufwändigen Schleifen im Zertifizierungsprozess zu minimieren.