Industrial Motherboard Solutions – Mehr als konventionelle 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 deutlich: Das Lösungsversprechen industrieller Motherboards reicht viel weiter, als das Versprechen erweiterter Services für konventionelle IT-Umgebungen.

Vom gemeinsamen Support der gleichen 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 auch sicher, dass neue Komponenten immer denselben Footprint haben, was die NRE-Kosten (Non-Recurring Engineering Kosten) reduziert. Mini-ITX ist ein solcher Standard. 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 Lösungsplattformen sie einsetzen wollen.

Nicht Äpfel mit Birnen vergleichen

Hersteller von konventionellen Motherboards, die das obere Segment des IT-Marktes bedienen, adressieren zunehmend auch 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 auch 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 auch 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.

Für extreme Umgebungsbedingungen geschaffen

Diese Anforderungen unterscheiden sich deutlich von denen des industriellen Marktes: Equipment in Fabrikhallen und Maschinen ist oftmals auch Temperaturen von 0 °C bis 60 °C ausgesetzt. Und bei Systeme, die im Freien eingesetzt werden, ist der erforderliche Betriebstemperaturbereich sogar noch weiter: Geräte, die permanent oder temporär im Freien oder in Fahrzeugen wie Zügen, Bussen und Nutzfahrzeugen (beispielsweise Gabelstaplern) sowie zunehmend auch in autonomen Fahrzeugen eingesetzt werden, müssen extreme Temperaturen zwischen -40 °C und +85°C aushalten können. Können kommerzielle Motherboards auch unter diesen Bedingungen zuverlässig funktionieren? Die Antwort ist natürlich: Nein. Selbst die als ultra-robust beworbenen Boards sind auch nur für Betriebstemperaturen zwischen 0 °C und 40 °C ausgelegt. Und selbst wenn sie nicht sofort ausfallen würden, so würden sie sich dennoch ähnlich wie bei der Übertaktung einer CPU verhalten: Wird dadurch mehr Abwärme erzeugt, leiden sowohl die Performance als auch die Zuverlässigkeit. Eine zu lange Belastung – und im Industriesegment wird oft 24/7 gefordert – wird schnell zu einem Ausfall der Komponenten wie Prozessor, Controller, Spannungswandler, Kondensatoren und sogar der Steckverbinder 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 zudem schnell ändern; innerhalb kürzester Zeit können die Boards abwechselnd kalten und heißen Umgebungen ausgesetzt werden, wie zum Beispiel in einem Gabelstapler, der im Winter im Freien arbeitet und direkt danach in der Werkshalle an einem Industrieofen. Pendelt er häufig zwischen drinnen und draußen, müssen alle elektronischen Komponenten deutlich besser gegen diese Temperaturschwankungen gehärtet sein als zum Beispiel ein Motherboard in einem 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 auch unter besonders rauen Umgebungsbedingungen ausgelegt. Haben Entwickler dies einmal verstanden, kennen sie bereits die wichtigsten Unterscheidungsmerkmale zwischen kommerziellen und industriellen Komponenten.
Es gibt aber auch noch weitere Faktoren zu beachten, wie beispielsweise die Resistenz gegen Schocks und Vibrationen. So nutzen beispielsweise kommerzielle Motherboards Sockel für die Montage wichtiger Komponenten, wie zum Beispiel Prozessoren, die häufig über vergleichsweise empfindliche LGA-Sockel verfügen. Komponenten, die über Sockel montiert werden, sind jedoch oftmals anfällig gegenüber Schocks und Vibrationen. Deshalb sind bei industriegerechten Motherboards typischerweise alle kritischen Komponenten direkt auf das Board aufgelötet, was sie deutlich widerstandsfähiger gegen Schocks und Vibrationen macht, als konventionelle Motherboards. Vertrauenswürdige Hersteller können hierzu zudem alle relevanten Testzertifikate von unabhängigen Prüflaboren vorlegen, in denen sie die erzielten Toleranzniveaus der Schock- und Vibrationsbelastungen nachweisen. Das ist deutlich zuverlässiger als ein Marketingspruch.

Toleranter

Während die Anforderungen in kommerziellen Anwendungen weitgehend identisch sind, können sich die Anforderungen der unterschiedlichen Industriekunden erheblich unterscheiden. Die Schnittstellenanforderungen eines Maschinen-GUIs bzw. 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 bei Toleranzen von etwa ± 10% bereitgestellt. Industrielle Motherboards sind hingehen so ausgelegt, dass sie in einem Umfeld betrieben werden können, in denen aus Sicherheitsgründen oder aus praktischen Gründen (z. B. in einem Fahrzeug) nur eine Spannung über ein Kabel verfügbar ist. In einem solchen Umfeld wird die Spannung auch mit deutlich höheren Schwankungen übertagen. Aus diesem Grund haben industrielle Motherboards eine deutlich robustere und spannungstolerantere Stromversorgung. Oft ist sie in der Lage, Spannung im Bereich von 12V bis 24V DC zu akzeptieren. Einige industrielle Motherboards bieten sogar Smart Battery Support, sodass sie in sicherheitskritischen Anwendungen wie beispielsweise in medizinische Geräten von einer Backup-Batterie angetrieben werden können, sollte die Netzspannung einmal ausfallen.

Schlank

Unser Partner 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 auch zuverlässig in industriellen Applikationen 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 industriegerechten Qualität entwickelt, fertigt und ausliefert. So implementierte das Unternehmen beispielsweise die ‚Thin‘Spezifikation für Mini-ITX als mechanische Ergänzung.

Diese Ergänzung wurde von Intel in 2011 veröffentlicht. Sie begrenzt die maximale Bauhöhe für Motherboards auf lediglich 20 mm. 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. Wir bietet hierfür auch speziell entwickelte Kühllösungen an, die innerhalb der maximalen Thin Mini-ITX Bauhöhe bleiben. Damit können HMI-Systeme umgesetzt werden, die trotz aller industriellen Robustheitsanforderungen nicht tiefer als 30 mm sind.

Kühl

Werden die Prozessoren aus den Embedded Roadmaps ausgewählt, bedeutet dies auch, dass industriegerechte Motherboardsolutions 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 ihrer Langzeitverfügbarkeit und eingebauten Robustheit bieten Motherboards, die speziell für industrielle Applikationen entwickelt wurden, aber noch weitere Unterscheidungsmerkmale, die sie deutlich von ihren konventionellen kommerziellen Pendants abheben. Unser Partner congatec integriert beispielsweise seine eigenen Board Management Controller (BMC) Technologie, die einen nicht-flüchtigem 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. Auch 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

Neben generischen Erweiterungsoptionen über PCIe und Mini-PCIe Slots erfordert das industrielle Umfeld zudem deutlich umfassendere Schnittstellen für die Peripherie- und Displayanbindung, als verbreitet. Sie werden über dedizierte lenoptionen als kommerzielle Motherboards. Stiftleisten (Pin-Header) ausgeführt und ermöglichen beispielsweise die einfache Integration von Schaltern zur Manipulationserkennung. Eine solche Einbruchserkennung ist beispielsweise in Spielautomaten vorgeschrieben. Sie kommt aber auch häufig in Bank- und Verkaufsautomaten zum Einsatz. 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.

Mini-ITX-Boards-Schnittstellenn

Offen

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 Customization-Projekt möglich. Deshalb ist das frei verfügbare CGUTIL Flash-Tool ein höchst effizienter Helfer, der Zeit und Kosten spart. Es bietet OEMs alles, was sie brauchen, um die BIOS/UEFI Firmware der industriellen Boards kundenspezifisch anzupassen.

Smart

Da das IoT immer mehr Bereiche unseres Lebens betrifft, müssen auch Boardlevel-Anbieter industriegerechten IoT-Support bieten. Die Industrial Motherboards auf Basis der neuesten Intel Core Prozessoren (Die siebte Generation mit Codename Kaby Lake) bieten deshalb einen integrierten Sockel für SIM-Karten (über einen M.2-Steckplatz) und unterstützen congatec‘s neue Cloud API für IoT Gatways (siehe Kastentext). 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.

Applikationsfertiges API für Sensornetzwerk-Gateways

Für Motherboards in kommerziellen und industriellen Applikationen ist der Softwaresupport ein wichtiges Differenzierungsmerkmal. Deshalb unterstützen die industriellen Motherboards das neue Cloud-API für IoT Gateways, das vor Ort mit intelligenten Sensoren kommuniziert, die empfangenen Sensordaten verarbeitet und konvertiert und über eine lokale Rule-Engine automatisierte Aktionen ausführt, was den Datenverkehr zur IoT-Cloud reduziert und schnelle Reaktionen vor Ort ermöglicht. Für den sicheren bidirektionalen Datenaustausch sorgt das TLS gesicherte MQTT Protokoll. Unser Partner congatec stellt OEMs auf Anfrage alle benötigten Softwaremodule im C++ Quellcode zur Verfügung, was die Entwicklung eigener IoT-Applikationen für Linux und Windows auf Basis dieses applikationsfertigen Referenzdesigns deutlich vereinfacht. Bei Bedarf auch noch weitere Softwaredienstleistungen für das Cloud-API und die Cloud-Anbindung bereitgestellt.

Mehrsprachig

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 auch in vielen weiteren Märkten gefordert, die einen maschinellen Zahlungsverkehr einsetzen. Deshalb ist es auch weit verbreitet in Applikationen für den Retail-Markt und in Point-of-Sales Terminals. 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.

Vollständig

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 auch noch viele weitere Komponenten benötigt. Deshalb ist es für OEMs extrem vorteilhaft, wenn sie ebenso die anderen benötigten Zubehörteile erhalten können, die alle auf eine Verwendung mit dem jeweiligen Board hin 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 Zubehörangebot macht aus einem industriegerechten Board eine vollständig applikationsfertige Lösungsplattform.

Individuell

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

Für Fragen zu unseren industriegerechten Motherboards stehen wir Ihnen gerne zur Verfügung. E-Mail: info@datarespons.de

Weitere Industrielle Kommunikationslösungen:

Value Added ServicesIndividuelle Anpassung für Ihre Anwendung

Profitieren Sie von unserer langjährigen und engen Partnerschaft mit den führenden Herstellern für Embedded Technologien. Zusammen realisieren wir Ihr Projekt von der Konzeptidee bis hin zur Finalisierung.

Auf diese Weise arbeiten wir seit mehr als 30 Jahren erfolgreich mit namhaften Unternehmen aus Industrie-Segmenten wie Automation, Transportation, Medizin, Verteidigung, Maritime, Offshore, Energy usw. zusammen. Dieses Marktverständnis spiegelt sich nicht nur in der hohen Zufriedenheit unserer Auftraggeber wider, sondern auch in der langjährigen Zusammenarbeit mit zahlreichen Bestandskunden.

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