Ein Industrie-PC (IPC) muss im Vergleich zu einem Bürocomputer spezielle Anforderungen erfüllen, die je nach Einsatzgebiet sehr unterschiedlich sein können. Basieren 99 % der Bürocomputer auf x86-Technologie, denkt man bei einem Industrie-PC in aller Regel auch an einen Rechner mit x86-Prozessor. Und dies gilt sicherlich ebenso für die meisten angebotenen Industrie-PCs – was oft die richtige oder beste Lösung ist. Betrachtet man jedoch die speziellen Anforderungen an einen IPC, lohnt sich der Blick über den Tellerrand.

ARM-Prozessoren sind in vielen Funktionen heute einem x86-Prozessor sehr ähnlich, denkt man beispielsweise an Grafik, Ethernet und USB. Auf der anderen Seite bieten ARM-Prozessoren eine ganze Reihe von speziellen Funk­tionen und einige Vorteile, speziell für den industriellen Bereich. Es ist also durchaus eine Überlegung wert, ob nicht genauso ein ARM-Prozessor die Basis eines Industrie-PC sein könnte.

Das Für und Wider hängt ganz entscheidend von den vorgegebenen Parametern ab. Ein wesentlicher Teil der Anwendung ist die Anwendungssoftware: Ist diese auf Windows basierend, geht kaum ein Weg an einer x86-Lösung vorbei. Bisher werden andere Systeme als x86-Systeme nur unzureichend von Windows unterstützt beziehungsweise ist immer ein entsprechendes BSP (Board support package) notwendig, was den Austausch von Systemen schwierig macht.

Die typischen Einsatzbereiche eines Industrie-PC sind unter anderem In­dustrieautomation, Robotik, Prozesssteuerung und Visualisierung, Test- und Prüfstände für die Industrie oder Sicherheitstechnik sowie in der Qualitätssicherung. Die Anwendung ist oft in ­einer rauen Umgebung, mit erweiterten Temperaturbereichsanforderungen, Staub und Feuchtigkeit. Darüber hinaus unterliegen die Geräte erhöhten Schock und Vibrationswerten, beispielsweise beim Einsatz in einer Werkshalle mit Stanzmaschinen. Ein Bürocomputer, der zwar preisgünstig ist, wird in aller Regel an diesen Anforderungen scheitern.

Entwärmung des Systems

Der Schutz eines Industrie-PC vor Staub und Feuchtigkeit kann über entsprechende Gehäusetechnik und die relevanten Schutzklassen realisiert werden. Hier spielt die Prozessortechnologie erst mal keine Rolle. Doch muss ein System die Schutzklasse IP65 vorweisen, kommt ein weiterer Aspekt zum Tragen: Da das Gehäuse weitgehend geschlossen ist, kommt der Entwärmung des Systems eine besondere Bedeutung zu. Je weniger Verlustleistung ein System also generiert, desto besser ist es für diesen Einsatzfall geeignet.

Und hier punktet ein ARM-System eindeutig gegenüber einem entsprechenden x86-System mit vergleichbaren Leistungsdaten. So hat ein komplettes TQ-Minimodul mit einem NXP-i.MX6Q-Quadcore-Prozessor, der umfangreich zum Einsatz kommt, eine Leistungsaufnahme von circa 4 Watt, dagegen hat ein Intel-Atom-E3825 (BayTrail-I)-Dual-Core-Prozessor schon circa 5 Watt. Natürlich ist es möglich, mit entsprechenden Maßnahmen – wie etwa dem Einsatz von Lüftern, Heatpipes oder die als Kühlkörper ausgebildeten Außenwände des Gehäuses – eine entsprechende Entwärmung des Systems zu erreichen. Dies bedeutet aber in jedem Fall höhere Kosten und geringere Lebenszykluszeiten des Geräts. Sinnvoller ist es demnach, von vorneherein weniger Verlustleistung zu produzieren.

Erweiterter Temperaturbereich

In vielen Fällen stellt der Einsatz eines Industrie-PCs höhere Anforderungen an den Temperaturbereich. Es ist natürlich möglich, mit entsprechenden Maßnahmen, ein Standardsystem in einem Umfeld mit extremen Temperaturen zuverlässig laufen zu lassen. Dies bedeutet aber unter Umständen aufwendige Maßnahmen, um den Industrie-PC in einem normalen Temperaturbereich arbeiten zu lassen. So kann man den Rechner in einem klimatisierten Schrank einbauen, dann wird er sicher funktionieren.

ARM- und x86-Architekturen im direkten Vergleich: Während ARM-Prozessoren bei Langzeitverfügbarkeit, Industriequalität und Energie-Effizienz punkten, zeigt der x86er seine Stärken bei Performance, Grafik und Speicherung.

© TQ-Systems

Diese Maßnahmen haben aber ihren Preis. Warum also nicht von Anfang an ein System einsetzen, das diesen Anforderungen gerecht werden kann. Intel liefert zwar inzwischen Prozessoren, die für diese extremen Temperaturen konzipiert sind, jedoch nicht für alle Prozessoren. ARM-Prozessoren hingegen sind in aller Regel für derartige Anforderungen ausgelegt, haben auch in diesem Punkt die Nase vorne. So trotzen etwa alle NXP-ARM-Prozessoren Temperaturen zwischen –40 und +85 °C. Demgegenüber ist nur der Intel Atom E3800 (Bay Trail-I) im erweiterten Temperaturbereich verfügbar; der Intel-Core-5000U-(Broadwell-U) und der Intel-Core- 6000E-(Skylake-H)-Prozessor dagegen sind lediglich bei Standardtemperaturen von 0 bis +60 °C einsetzbar.

Wie bereits angesprochen, werden Industrie-PCs in rauen Umgebungen eingesetzt, was heißt, dass das System extremen mechanischen Erschütterungen oder Vibrationen ausgesetzt ist. Hier müssen alle Steckverbinder entsprechend robust ausgeführt werden, was für sämtliche Systeme gilt, unabhängig von der Architektur. Darüber hinaus sollte man auf bewegte Teile wie Lüfter oder Festplatten verzichten. Eine Solid State Disk (SSD) etwa ist ein guter Festplatten-Ersatz für raue Umgebungen. Ein Verzicht auf einen Lüfter bedeutet eine entsprechend ausgereifte passive Kühllösung.

Wie schon beschrieben, kann dies für einen Industrie-PC mit einem x86-Prozessor zu mehr Kosten und geringerer Lebensdauer führen. Außerdem spielt der interne Aufbau eine tragende Rolle. In den meisten Industrie-PCs werden SO-DIMM-Speicher eingesetzt. Dies bietet zwar eine hohe Flexibilität und die Möglichkeit, durch Wechsel des Speicherriegels das System auszubauen, ist jedoch im Hinblick auf Schock und Vibration kritisch zu sehen. Gelötete Speicherbausteine sind eine denkbare Lösung und sowohl bei x86- (bei manchen Anbietern) als auch bei ARM-Systemen zu finden.

In der Industrie sind oft Industrie-typische Schnittstellen zu finden oder gefordert. Dazu zählen unter anderem alle Feldbusse, wie CAN oder Profibus und serielle Schnittstellen. Wird eine Kamera angeschlossen, kann dies über USB oder Ethernet/GbE erfolgen. Dazu muss die Kamera aber mit der entsprechenden Schnittstelle ausgerüstet sein. Wie aber wird eine Kamera mit direkter Kameraschnittstelle angeschlossen? Und was ist mit dem Anschluss eines LCD, was bei Panel-PCs oder HMIs durchaus gefordert sein kann.

Schnittstellen integriert

Ein x86-Prozessor liefert diese Schnittstellen in aller Regel nicht. Das ist jedoch kaum ein Problem, gibt es doch eine Fülle von Anbietern und entsprechenden Schnittstellenkarten, die es für nahezu jede Aufgabenstellung gibt. Für ein solches System stehen jedoch ein höherer Preis und ein größeres Raumvolumen des Rechners. Und jede Erweiterungskarte ist eine weitere Wärmequelle mit den bekannten Problemen. Warum also nicht gleich einen Prozessor einsetzen, der diese Schnittstellen bereits integriert hat? Es gibt eine Reihe von Angeboten im Markt. So hat der NXP-Cortex-A9-Prozessor i.MX6 bereits unter anderem zwei CAN, zwei SPI-, bis zu vier UART-, ein Parallel-Display-24-bit-, zwei Kamera-, vier PWM- und bis zu 40 GPIO-Schnittstellen integriert. Weitere Vorteile sind die deutlich geringere Verlustleistung, der günstigere Systempreis und ein kleineres Bauvolumen.

Bei manchen Anwendungen muss die komplette Rechnereinheit auf extrem kleinen Raum untergebracht werden. Ein Beispiel hierfür sind Industrie-PCs für die Hutschienenmontage. Deutlich kleinere Systeme bei ähnlichen Leistungsdaten lassen sich unter Einsatz vom ARM-Prozessoren realisieren.

Langfristige Verfügbarkeit ist ein Muss

Eine weitere Anforderung aus der Industrie ist die langfristige Verfügbarkeit des Systems und dies darüber hinaus baugleich über viele Jahre. Bei Anwendungen im Bahnbereich sind beispielsweise 15 Jahre gefordert. Industrie-PC-Systeme mit einem x86-Prozessor sind zwar oft funktionsgleich über viele ­Jahre ­lieferbar, jedoch nicht baugleich. Das heißt, es ist eine Systemanpassung notwendig, was letztendlich Zeit und ­Kosten bedeutet. ARM-basierende Systeme sind aufgrund der langfristigen Prozessorverfügbarkeit entsprechend lange baugleich lieferbar, wenn der Anbieter für alle anderen Komponenten des Systems ebenfalls eine entsprechende Langzeitverfügbarkeit sicherstellen kann.

Muss der Industrie-PC nur einen schnellen Datentransfer bewältigen und ist als ‚Head-less‘-System eingesetzt, kann auch eine völlig andere Architektur die beste Lösung sein. Im Telekommunikationsbereich werden sehr oft Prozessoren basierend auf PowerArchitecture von IBM oder NXP eingesetzt. Warum also nicht mal einen Industrie-PC mit einem QorIQ von NXP realisieren. Ganz sicher hat das System bei gleichen Übertragungsraten eine deutlich geringere Verlustleistung und ist mindestens 15 Jahre lieferbar.

Die Systemfrage

Alle Architekturen haben ihre Vor- und Nachteile. Für x86-Lösungen spricht die hohe Flexibilität, die gute Austauschbarkeit der Systeme, die hervorragende Grafik-Performance und das breite Angebotsspektrum. Daneben spricht das Software-Angebot für ein x86-System. Ein ARM-System kann mit der geringen Leistungsaufnahme, den kleineren Abmessungen, der langfristigen Verfügbarkeit und dem günstigeren Preis punkten. Als Nachteil ist hier allerdings die Software zu sehen. Das System benötigt immer ein spezielles BSP und ein Umstieg auf ein anderes, zum Beispiel leistungsstärkeres System, ist nicht so einfach möglich. Eine eindeutige Antwort gibt es nicht. Es kommt ganz auf den Anwendungsfall an. TQ bietet einen Baukasten an, der sowohl x86-Komponenten als auch ARM- und PowerArchitecture-Module enthält – als Basis für die kundenspezifische IPC-Lösung.

Autor: Wolfgang Heinz-Fischer, ist im International Business Development für Embedded-Produkte bei TQ-Systems.