Eigens entwickelte Industrie-PCs fungieren als Basis vieler Anwendungen der industriellen Bildverarbeitung. Dabei spielen Komponenten wie Prozessoren, Bussysteme und Schnittstellen eine wichtige Rolle. Eine der Hauptanforderungen ist, dass die Systeme schnell und präzise mit mehreren Inspektionskameras und Framegrabbern in Echtzeit interagieren können. Zudem fordern industrielle Anwender Flexibilität, Verfügbarkeit und (Investitions-) ­Sicherheit.

Eine Schlüsselkomponente zur Erfüllung der beschriebenen Anforderungen sind die Prozessoren. Als „Enabler par excellence“ machen moderne IPCs mit ihren Multi-Core-Prozessoren das steigende Leistungsniveau der Bildverarbeitungstechnik erst möglich und sorgen für deren Vordringen in immer mehr Anwendungen.

Die jüngste CPU-Technik steht in Form von Haswell zur Verfügung, der vierten Prozessor-Generation von Intel. Mit der Haswell-Mikroarchitektur wurde die Anzahl der integrierten Grafikeinheiten erhöht, was die 3D-Leistung gegenüber Vorgängermodellen um bis zu 60 % steigert. Die Prozessorleistung bei gleichem Takt wuchs um mindestens 10 %. Daher hat auch die Firma Pyramid ihre Produktfamilie ‚CamCube‘ um den Box-PC ‚CamCube plus 4.0‘ auf Basis der Haswell-Mikroarchitektur erweitert, der sich insbesondere für rechenintensive Aufgaben beim maschinellen Sehen und bei der Videoüberwachung eignet. Aktuelle Multicore-Prozessor-Generationen wie beispielsweise die i3-, i5- oder i7-Prozessorfamilie von Intel sind erforderlich, um anspruchsvolle Stereo-Anwendungen mit einer hohen Bandbreite pro Gigabit-Ethernet-Port zu realisieren.

Da in Bildverarbeitungs-Anwendungen immer feinere Strukturen und Details in kürzester Zeit geprüft werden, steigen auch Kamera-Auflösung und -G eschwindigkeit konsequent an. Für maximale Rechenleistung und Datendurchsatz werden somit High Performance Computer (HPC) genutzt, wobei die Performance und die Integration eventuell benötigter Erfassungs- und Beschleunigungs-Boards eine wichtige Rolle spielen. Gleichzeitig muss das PC-System in der Lage sein, die erforderliche Datenbandbreite zwischen allen Erweiterungskarten zu garantieren.

Sicherheit im Fokus

Um den Sicherheitsanforderungen bei IPCs im industriellen Bereich zu genügen, dient zumeist ein RAID-Verbund unter Verwendung eines RAID-Con-trollers. Dabei werden die Eigenschaften beider RAID-Level kombiniert, was die Schreib-/Lesegeschwindigkeit steigert. Da die IPC-Lösungen individuell gestaltet sind, lassen sich spezifische industrielle Schwierigkeiten berücksichtigen und beispielsweise spezielle Festplatten für raue Umgebungen mit Vibrationen nutzen.

Ein weiterer Sicherheitsaspekt betrifft die Stromversorgung: So sollten sichere IPCs zusätzlich zum Netzteil über eine interne USV verfügen, die bei Stromausfall alle wichtigen Betriebsdaten im RAM absichert, deren geordnetes Speichern veranlasst und anschließend den Rechner herunterfahren lässt.
Und last but not least sind digitale Ein- und Ausgänge, die beispielsweise über optoentkoppelte 24-V-Signale die Produktionsanlage mit dem Industrial-PC verbinden, ein Sicherheitsmerkmal moderner IPCs.

Die Schnittstellen-Frage

Mit USB 3.0, GigE und Power over Ethernet (PoE), Firewire, Thunderbolt und Cameralink (CL und CLHS) sowie CoaXPress (CXP) stehen alle gängigen Schnittstellen für anspruchsvolle Aufgaben der industriellen Bildverarbeitung zur Verfügung. Bei vielen Spezialisten ist Gigabit Ethernet als Datenübertragungsmedium für die industrielle Bildverarbeitung die erste Wahl. Ein weiterer etablierter Standard ist Firewire – ein preiswertes digitales Interface mit garantierter Bandbreite.

Lebhaft diskutiert wird derzeit 10GigE, das bereits in einige Produkte eingezogen ist. Bandbreitenstärkere Schnittstellen wie CoaXPress (CXP) und Thunderbolt sind derzeit noch teuer oder entsprechen noch nicht dem Kamerastandard; sie führen ein Nischendasein.

Der ‚CamCube plus‘ ist ein High-Performance-IPC für die industrielle Bildverarbeitung, der auf einem modularen Ansatz basiert.

© Pyramid

Neben Gigabit Ethernet und als potenzieller Nachfolger der Firewire- und USB-2.0-Schnittstelle ist aktuell der USB3-Vision-Standard die interessanteste Technik. Sie wartet auf mit einer Symbolrate von 5000 Mbit/s, einer Brutto-Datenrate von 4000 Mbit/s sowie einer Netto-Schnittstellenrate von maximal 500 Mbit/s. Hinzu kommen eine Verbesserung der Industrietauglichkeit der Technologie aufgrund einer möglichen Arretierung durch Schrauben (Stecker-Standard) und einem verbesserten Protokoll, das für Multikamera-Anwendungen optimiert ist.

Aufgrund höherer Bandbreite, geringerem Energiebedarf, seinem asynchronen Benachrichtigungsverfahren und der bidirektionalen Datenübertragung setzen immer mehr Industrieanwender auf den USB-3.0-Standard. Diese Vorteile lassen den oft diskutierten Nachteil der geringeren Kabellängen von USB 3.0 in den Hintergrund treten – zumal sich dieses USB-3.0-Problem bei Bedarf mit Hilfe eines hochwertigen optischen Kabels beseitigen lässt und so Entfernungen bis zu 100 m stabil überbrückt werden können. Viel spricht dafür, dass sich der aktuelle USB3-Vision-Standard für datenreiche  3D-Anwendungen und Mehrkamerasysteme durchsetzen wird – unter anderem auch die Herstellerunabhängigkeit beim Einsatz unterschiedlicher Kameras. So können sich Unternehmen offen halten, welche Sys-teme auf der Hardware- und Software-Seite sie künftig einsetzen, da alle Komponenten austauschbar sind. Die Investitionssicherheit ermöglicht darüber hinaus flexible Planungen hinsichtlich der IT-Infrastruktur. Auch ein Wechsel zwischen den Interfaces – wie zum Beispiel von Gigabit Ethernet auf USB 3 – ist durch den Standard USB3-Vision möglich.

USB 3.0 hat unter der Bezeichnung Superspeed+ USB 3.1 inzwischen einen weiteren Schritt in die Zukunft ­gemacht. Damit verdoppelt sich die nutzbare Bandbreite auf dem Kabel von 5 Gbit/s (USB 3.0) auf 10 Gbit/s bei USB 3.1; USB3-Vision tritt in direkte Konkurrenz zu Cameralink und 10 GigE.

Formfaktoren, Bussysteme und Steckplätze

Bei den klassischen Industrie-PC-Formfaktoren gehören ATX, microATX und MiniITX zum Standard. Grundsätzlich setzt die Industrie je nach räumlichen Gegebenheiten vorzugsweise standardisierte 19-Zoll-Gehäuse in unterschiedlicher Höhe und Tiefe mit bis zu sieben oder mehr Kartensteckplätzen sowie Box-PCs zur Aufnahme von maximal vier PCI- beziehungsweise PCI-Express-Karten ein. Unternehmen wie Pyramid bieten dabei auch individuelle Konfiguratoren an, erfüllen Sonderwünsche wie USB Ports auf der Rückseite sowie Customizing und erstellen unkonventionelle Formfaktoren.

Individuelle Lüfter- und ­Filterkonzepte

Gerade im Lebensmittelbereich sind Lüfter und Filter bei IPCs besonders wichtig – denn selbst wenn die PC-Systeme in Schaltschränken mit Luftfiltern eingebaut sind, zeigt die Er­fahrung, dass abzufüllende Lebensmittel wie Säfte oder Marmelade im Dauerbetrieb tatsächlich ihren Weg bis ins Innere der PCs finden. Etliche Ausfallzeiten und kostspielige Service-Einsätze sind hierauf zurückzuführen. So dringen etwa Flüssigkeiten bei der Abfüllung von Lebensmitteln in die IPCs ein, umhüllen Kühlkörper und Lüfter und führen zu Überhitzungen des Prozessors. Säure in Fruchtsäften sorgt für Korrosion an den Kontakten.

Folgekosten von Ausfällen gerade in den engen Zeitfenstern, die die kurze Erntezeit saisonaler ­Erzeugnisse mit sich bringt, sind besonders hoch.

Anforderungen an IPCs für den Multikameraeinsatz.

© Pyramid

Vor diesem Hintergrund steigt die Bedeutung eines durchdachten Lüftungskonzeptes für die Lebensmittelindustrie. In der ‚CamCube plus 4.0‘ beispielsweise ziehen drei Ultra-Silent-Lüfter die Luft durch 8 mm starke Filter mit besonders feinen Poren. Durch die Wahl des bestgeeigneten Filtermaterials lassen sich Tröpfchen der eingesogenen Luft sogar chemisch durch Adsorption binden.

Abhängig von den Betriebsbedingungen ermitteln sechs Temperatursen­soren, die auf dem Mainboard ­verteilt sind, den Bedarf an Lüftungsleistung. Die Lüfter werden nur so schnell betrieben, wie es die Um­gebungstemperatur und der Betriebszustand aktuell erfordern. Diese bedarfsgerechte Lüfter­steuerung sorgt für eine angenehme Lautstärke, spart Energie ein und ­sichert den drei Lüftern ein langes ­Leben. Die Filtermatten befinden sich auf der Rückseite der Systeme in Metall­rahmen, die sich von außen ohne Werkzeug ­abnehmen lassen, um den Fließ bei Bedarf zu reinigen oder aus­-zu­tauschen.

Autor: Christian Jeske ist Marketing-Leiter bei Pyramid Computer in Freiburg.