Ohne sie läuft fast nichts und sie stecken in vielen Industrie-Anwendungen, sie übernehmen zuverlässig die unterschiedlichsten Aufgaben, steuern, sammeln und verarbeiten Daten: Industriecomputer. Im Vergleich zu ‚normalen‘ Bürorechnern müssen sie für den Einsatz in rauen Umgebungen robuster und zuverlässiger – um nicht zu sagen ausfallsicher – sein, Hitze, herausfordernden Umwelteinflüssen und Erschütterungen widerstehen können und sich darüber hinaus schnell und einfach warten lassen. Für technolo-gische und Investitionssicherheit wird ihre Langzeitverfügbarkeit vorausgesetzt. Während sich ihr ‚Innenleben‘, wie Prozessoren, Chipsätze, Interfaces und Speicher, nicht so sehr von der normalen PC-Welt unterscheiden, liegen die gravierenden Unterschiede häufig auf Board- und vor allem Gehäuse-Ebene. Den einen Industriecomputer, obwohl häufig verallgemeinernd so bezeichnet, gibt es nicht, sondern – trotz existierender Standards – eine ganze Reihe unterschiedlicher Gehäusearten. Im Folgenden werden die ‚Archetypen‘ genauer untersucht und erläutert, welche Lösungen für welche Einsatzbereiche geeignet sind.

Automatisierungs-Equipment und Embedded-Com­puting im Verbund: Spezielle Hutschienen-Ad­apter ermöglichen die Montage von Hutschienen im herkömmlichen Gehäuse.

© Heitec

Ein typisches Beispiel hierfür ist eine SPS-Steuerung – die letztlich ein Industriecomputer ist, der im Schaltschrank eng mit der zu steuernden Elektrik verbunden werden soll.

Üblicherweise sind Hutschienenkonstruktionen eher klein, da es hinsichtlich der Gehäusegröße für die Geräte genormte Vorgaben einzuhalten gilt und sich durch die Montage-Art häufig schon physikalische Grenzen ergeben – sowohl in Bezug auf die Bauform, als auch das Gewicht. Die Abmessungen resultieren dabei oft bereits aus der spezifischen Form der Frontverkleidung der Elektroinstallation beziehungsweise üblicher Verteiler, die auf ihrer Rückseite Hutschienen aufweisen. Deren Dimensionen sind genormt und die verschiedenen Typen inzwischen unter DIN EN 60715 zusammengefasst. Um ein Verbiegen der Hutschiene zu vermeiden, sind dort daneben maximale Belastungen in Abhängigkeit von den Befestigungspunkten der Schiene definiert. Bei einer typischen TS35 Tragschiene im Format 35 mm × 7,5 mm mit Befestigungspunkten im Abstand von 300 mm darf beispielsweise maximal ein Moment von 330 Nmm auf die Schiene wirken, wenn die ‚Verbiegung‘ nicht mehr als 1 mm betragen soll. Das Konzept wird also gerne bei übersichtlichen Anwendungsgrößen und relativ leichter Elektrik oder Elektronik eingesetzt. Durch den Einbau – üblicherweise im Schaltschrank – ergeben sich auch thermische Herausforderungen. Das Zusammenspiel von Verlustleistung im Hutschienengehäuse und gesamter Verlust­leistung im Schrank muss bei den Entwärmungskonzepten berücksichtigt werden, um ‚Hot Spots‘, Überhitzungen und Systemausfälle zu vermeiden.

Die Integration von Baugruppen und Leittechnik ist relativ einfach zu bewerkstelligen und erlaubt ein gewisses Maß an Individualisierung, die Auswahl am Markt verfügbarer Standard-Hutschienengehäuse ist jedoch begrenzt und zum Beispiel nicht mit dem ‚Baukasten‘ zu vergleichen, den es für 19-Zoll-Technik gibt. Komplexe, eng verknüpfte Systeme sind kaum oder nur auf der Basis proprietärer Koppelungsarchitekturen realisierbar.

19-Zoll-Technik

Für komplexere Systeme mit mehreren elektronischen Baugruppen, die eng gekoppelt miteinander kommunizieren sollen, ist die 19-Zoll-Technik sehr viel besser geeignet. Diese umfasst individuelle Baugruppenträger in unterschiedlichsten, skalierbaren Größen, angefangen etwa bei einer Plug-in-Unit in Form einer Kassette mit 6TE (30,48 mm) Breite, 160 mm Tiefe und 3HE (133,35 mm) Höhe bis hin zu großen Einheiten mit einer Breite von 19 Zoll, 600 mm und mehr Tiefe sowie 15+HE (also 666,75 mm oder mehr) Höhe. Neben einfachen 3HE- oder doppelten 6HE-Europakarten-Formaten gehören zur einbaufähigen Gruppe auch Standard-Backplane-Architekturen und Industrie-PCs. Ein großer Vorteil ist, dass diese mechanischen Lösungen auf lange erprobten Standards wie IEC und IEE basieren und je nach Anforderung einfach zu skalieren sind: Welche Features benötigt die Anwendung? EMV-Sicherheit, schnelle Bestückung und Standardgrößen oder Einsatz in mobilen Applikationen, Montage auf Platte und Anpassung an spezifische Abmessungen? Von der schnellen Lowcost-­Integration bis zur komplexen rüttelfesten oder hochverfügbaren Variante können passende Lösungen relativ schnell, kostengünstig und unkompliziert realisiert werden, da diese Technik eine Fülle von Standards unterstützt, was sich auch auf den Einsatz der ­Elektronik und alle herkömmlichen Karten-/Backplane-Standards bezieht. Anspruchsvolle Schnittstellen für Hochgeschwindigkeitsübertragung, Hot-Swap-Fähigkeit und vereinfachte Validierung werden durch Standards wie VME, CPCI oder CPCI serial erleichtert. Diese wiederum eröffnen nicht nur die einfache Inte­gration (Slide-in) der Module, sondern auch den Zugang zu weitreichendem Zubehör wie Kühlung und Power Supplies und jeder Menge kompatibler Bauteile wie EMV-Varianten oder erhöhter ­Stabilität für mobile Anwendungen.

Das greifbare Potenzial der Montagedichte eröffnet Vorteile, wo andere Lösungen an ihre Grenzen stoßen: Hohe Rechenleistung und Datenübertragungsraten, das Ineinandergreifen der einzelnen Module etwa in puncto Speicherzugriff, viele Schnittstellen, eine große Menge CPUs sowie komplexe Grafikverarbeitung verlangen eine enge Koppelung, die auf geringem Raum innerhalb eines Gehäuses ideal mit der 19-Zoll-Technik zu bewerkstelligen ist.

19-Zoll und Hutschiene vereint

Auf die mögliche Kombination von Hutschienenmontage und 19-Zoll-Technik sei an dieser Stelle ebenso hingewiesen: Um diese beiden Welten zu verbinden und das Problem, das die Montage von verschiedenen Flachbaugruppen beziehungsweise die Kombination von Automatisierungs-Equipment und Embedded-Computing-Technologie in 19-Zoll-Gehäusen als echte mechanische Herausforderung darstellte, zu lösen, hat Heitec einen Hutschienen-Adapter designed. Damit können Elektrik- und Elektronikbaugruppen mit unterschiedlichen mechanischen Bauformen in einem Gehäuse kombiniert und integriert werden. Die 100 bis 400 mm langen Hutschienen sind durch Spezial-Adapter mit dem Gehäuse verschraubt. So lassen sich Hutschienenmodule parallel zu Embedded-Computing-Baugruppen in 19-Zoll-Baugruppenträgern montieren. Für größtmögliche Variabilität sind diese Hutschienen auch rückseitig verwendbar.

Ein weiterer großer Vorteil ist die Flexibilität der 19-Zoll-Technik, die mit entsprechenden optischen Anpassungen den Einsatz als Tischgehäuse eröffnet, etwa wenn ein ansprechendes Äußeres erforderlich ist, wie dies zum Beispiel bei Test&Measurement-Anwendungen oder Laborausrüstung der Fall ist.

Tisch- & Systemgehäuse

In der Kategorie der Tisch- und Systemgehäuse gibt es sowohl kleine 19-Zoll-Schränke als auch Baugruppenträger. Erstere – wie zum Beispiel die Ricase-Familie von Heitec – erlauben den Einbau von 19-Zoll-Baugruppenträgern und/oder Elektrik und Elektronik auf Montageplatten, sind farblich in den Wunschfarben des Anwenders erhältlich und bieten Ausbaumöglichkeiten – seien es diverse Hand- und Tragegriffe, Aufstellfüße oder unterschiedliche Fronttüren. Die Gehäuse der zweiten Kategorie – wie beispielsweise die Ripac-Vario-Modul-Famile – stellen selbst Baugruppenträger dar, die wiederum mit verschiedensten Accessoires erhältlich sind. Die Baugrößen reichen bei Standardprodukten von zwei Höheneinheiten (HE) – 88,9 mm und 42 Teilungseinheiten Breite (Halb-19-Zoll) bis zu 12 HE Höhe bei voller 19-Zoll-Breite und 540 mm Tiefe. Darüber hi-naus sind spezifische Sonderformate – sowohl kleiner, als auch deutlich größer – möglich.

In puncto 19-Zoll-Technik lässt sich zusammenfassend festhalten, dass trotz des meist komplexen Inhalts leichte Systemintegration und Wartbarkeit gewährleistet sind. Ist eine schnelle, kostengünstige, robuste Umsetzung mit bewährten Bestandteilen gewünscht, bietet sich die 19-Zoll-Technik für eine Vielzahl an Gehäuse-lösungen nahezu als einzige Option an. Für sehr kleine Gehäuselösungen erweist sie sich jedoch als eher ungeeignet.

Kleingehäuselösungen sind immer dann attraktiv, wenn einzelne Systeme weder elektronisch noch elektrisch mit anderen elektronischen beziehungsweise elektrischen Komponenten eng gekoppelt werden müssen, also lose in das Gesamtsystem integriert werden sollen und die Kunden sehr ­individuelle, spezifische Anforderungen haben.

Kleingehäuse

Eine übergreifende Normung gibt es für diese Lösungen nicht. Im Sinne einer kostengünstigen Umsetzung sollten Entwickler jedoch so weit wie möglich auf ­Technologien und Standardkompo­nenten, zum Beispiel für die EMV-­Abschirmung zurückgreifen. Der Vorteil liegt in der punktgenauen Realisierung der Anforderungen. Bei hohen Stückzahlen lassen sich die Gehäuselösungen von den Kosten her ­optimieren. Kehrseite der Medaille ist, dass es keinen umfassenden ­Stan- dard-Baukasten gibt, aus dem ­geschöpft werden kann und sich der Prototyp daher erst einmal als aufwendig erweist. Bestes Beispiel hierfür sind Box-PCs.

Kostenoptimierte Lösungen

Die oben aufgeführte Übersicht kann nur eine grobe Kategorisierung wiedergeben. Die Komplexität der richtigen Gehäuse-Auswahl sei hier aber angerissen und ist gerade im langlebigen industriellen Umfeld wegweisend, sowohl in technologischer wie kostentechnischer Hinsicht. Im Hinblick darauf lassen sich die Vorteile der Kooperation mit einem System-Partner, der über die entsprechende Produkttiefe und ein großes, ­sofort verfügbares Standard-Portfolio verfügt, leicht ermessen. Die Zusammenarbeit eröffnet den Zugang zu sogenannten Building-Blocks, die für eine kostenoptimierte Lösung sorgen. Auch Lösungen, bei denen sich Einmal-Aufwendungen selbst bei kleinen Stückzahlen im Rahmen halten, sind so möglich.

Autor: Roland Chochoiek ist Executive Vice President Business Unit Electronics von Heitec.