Die 19-Zoll-Rechner bieten viel Platz für individuelle Anpassungen.

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Hochintegrierte und kompakte Industrie-Computer in den unterschiedlichsten Formaten erfreuen sich großer Beliebtheit. Basierend auf der Architektur von Standard-PCs, sind sie robuster als diese und erfüllen für sehr viele industrielle Anwendungen die anspruchsvollen Anforderungen wie etwa stabilen Betrieb bei erhöhten Temperaturen, Stoß- und Vibrationsfestigkeit, Widerstandsfähigkeit gegen Verunreinigungen und Feuchtigkeit. Gerade die Möglichkeit, die Rechner durch zusätzliche, meist vom Kunden selbst entwickelte PCI(e)-Karten erweitern zu können und eine schier unbegrenzte Auswahl an hochleistungsfähigen Komponenten wie Prozessoren, Mainboards, Grafikkarten, Netzteile und Verkabelung verfügbar zu haben, beschert Industrie-PCs nach wie vor hohe Attraktivität – auch im 19-Zoll-Format. Aufgrund der großen Vielfalt an Bauteilen kann je nach Bedarf, selbst bei limitiertem Budget ein adäquater Industrie-PC realisiert werden. Die Industriekomponenten zeichnen sich zumeist durch Kompatibilität zu internationalen Normen, hohe Langzeitverfügbarkeit, einfache Erweiterbarkeit und umfassenden Support aus, was angesichts komplexer Zertifizierungszyklen ein Vorteil ist. Sie bieten also beste Voraussetzungen für Skalierbarkeit, Upgrade-Fähigkeit und Konfigurierbarkeit für unterschiedliche Produktvarianten. Der Austausch von Teilkomponenten, die Anhebung der Leistungsfähigkeit, die Angleichung an neue Technologien oder nötige Anpassungen sind relativ einfach umzusetzen. Verändern sich die Anforderungen der Zielapplikation, kann die Systemlösung mitwachsen. Da ihre Vorteile auf der Hand liegen, werden die Rechner inzwischen nicht mehr nur in klassischen industriellen Bereichen eingesetzt, sondern sie bilden eine stabile Basis der digitalen Fabrik und ihr Einsatzgebiet gestaltet sich vielfältig, wie das folgende Beispiel verdeutlicht.

Einsatz in Prüfanlagen

Heitec beliefert sein Schwesterunternehmen Heitec PTS – ein Anbieter für industrielle Röntgentechnik für Aluminiumgussräder – mit 19-Zoll Industrie-PCs für den Einsatz zur Steuerung der vollautomatischen Räderprüfanlagen ‚HeiDetect Wheel Robot‘. Durch die Zusammenarbeit mit dem Fraunhofer Institut, der daraus resultierenden Bildauswerte-Software ‚ISAR‘ und einem degradationsfreien Detektor wird eine nahezu pseudofehlerfreie Auswertung der Resultate einschließlich stabiler Bildqualität ermöglicht. Gepaart mit einem integrierten Industrieroboter erzielt die flexible Anlage sehr hohe Durchsatzraten und ist damit für den Inline-Betrieb in der Massenfertigung bestens geeignet. 

Da diese Anlage einer stetigen Weiterentwicklung in punkto Durchlaufzeiten und Datenqualität unterworfen ist, steigen hier entsprechend die Anforderungen an den eingesetzten Industrie-PC. So sind die zu liefernden Rechner für jede neue Generation stets mit hochleistungsfähigen Komponenten bestückt, um die Taktzeiten während der Volumenproduktion gering zu halten beziehungsweise zu reduzieren. 

Aber nicht nur die Durchlaufzeiten ändern sich – auch die Technologie, auf der die Anwendungen beruhen und die seit mehr als einem Jahrzehnt entwickelt wird, dringt in immer weitere Bereiche vor: Die Computertomographie (CT), herkömmlich bekannt aus der Medizintechnik, wird in ihrer industriellen Ausformung für Prüfaufgaben verwendet. In der Automobilindustrie wurde sie bisher zur Kontrolle einzelner Parts wie Räder, Achsschenkel oder Radträger eingesetzt. Seit kurzem wird diese Technologie aber auch zur Qualitätssicherung bei der Vermessung ganzer Objekte – wie in der Prototypenentwicklung für die Karosserieprüfung – genutzt. 

Bei einer weiteren ‚Heitec PTS‘-Lösung bilden vier bewegliche Roboter mit Kameras direkt an der Fertigungslinie mit Hilfe von Röntgen-Sensorik das gesamte Fahrzeug dreidimensional ab und erzeugen tausende Schnittbilder. Aus diesen gewonnenen Daten und den daraus resultierenden einzelnen Bildern wird ein 3D-Datenmodell erstellt, mit dem jede Abweichung vom CAD-Modell ersichtlich wird. Die Genauigkeit der 3D-Vermessung bewegt sich im 100-μm-Bereich, was in etwa der Detail-Erkennung in der Dimension eines menschlichen Haares entspricht. Damit können die Fahrzeugstrukturen genau analysiert sowie Schweißnähte, Verklebungen oder der Karosseriezustand vor und nach einer Lackierung überprüft werden. Bei einem identifizierten Fehler halten die Anlagen an, sodass der Fehler sofort behoben und die Fertigung dann wieder anlaufen kann. 

Die Innovation verbindet in bisher nicht dagewesener Form Röntgen-Technik, Anlagenbau, Robotik, Messtechnik, Bildverarbeitung und Computer-Expertise. Dahinter steckt eine mehrjährige Entwicklungsarbeit mit umfangreichen Testmessungen sowie eine aufwendige Datenverarbeitung und ein dediziertes Software-Programm, das die detaillierten Bilder erzeugt. Durch die Verarbeitung großer Datenmengen kann es die vielen verschiedenen Muster erfassen, Datenteile zusammensetzen und Befunde schlussendlich automatisch auswerten. Den Möglichkeiten sind also kaum Grenzen gesetzt: Ziel ist die Schaffung einer Art künstlicher Intelligenz, die relevante Daten herausfiltert, selbst entscheidet, welche Methodik zur Anwendung kommt, und zu der auch die Roboter gehören, die auf verschiedene, sich selbst anpassende Sensoren zugreifen. Und mittendrin stecken bis zu zehn robuste und leistungsfähige 19-Zoll-Industrie-PCs, die die voll automatischen Vorgänge steuern und die Performance für die aufwendige und datenintensive Bildverarbeitung und -Auswertung liefern. 

Die IPC-Anforderungen

Auch die Rückansicht des Industrie-PC lässt sich je nach Anwendung mit unterschiedlichen Schnittstellen ausstatten.

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Technisch wählte man bei der Systemlösung ein kostenoptimiertes 19-Zoll-Industrie-PC-Gehäuse, dessen kompakte, robuste Struktur ideal für die Anwendung sowie die Software-Anforderungen geeignet ist. Der von Heitec nach Vorgabe des Kunden vorkonfigurierte Industrie-PC übernimmt die Auswertung der einzelnen Röntgenbilder mit einer sehr leistungsfähigen Nvidia-Grafikkarte und weiteren entsprechend performanten Komponenten. Die Auswertung der Bilder kann dadurch nahezu in Echtzeit erfolgen und verringert die Taktzeiten während der Massenproduktion erheblich. Einige Adaptionen an der Hardware waren in diesem Fall allerdings noch notwendig: So waren etwa vom Kunden weitere Schnittstellenkarten gewünscht, mit welchen die Kommunikation mit der Anlage erfolgt. Trotz maximalen Leistungsziels war der Anspruch, alles so kostengünstig wie möglich zu konzipieren. Eine Standardlösung war also schon in dieser Hinsicht aufgrund ihrer schnellen und unkomplizierten Anpassungsfähigkeit an den Anforderungskatalog von Vorteil. Front- und Rückseite können zum Beispiel mit unterschiedlichen Panels für USB-Anschlüsse, Stecker oder LEDs ausgestattet und bei Bedarf mittels optimierter Laufwerke größere CPU-Kühlaggregate angeschlossen werden. Um genau in den Steuerungsschrank zu passen, mussten die 19-Zoll-Industrierechner bei einer Höhe von 4HE in der Tiefe auf 380 mm reduziert, und gleichzeitig musste der Platzbedarf der Messkarten berücksichtigt werden. 

Ein Industrie-Mainboard mit Hochleistungs-Xeon-Prozessor mit acht Prozessorkernen stellt die erforderliche Rechenleistung zur Verfügung. Die zusätzliche spezifische Grafikkarte für den erweiterten Temperaturbereich und mit Langzeitverfügbarkeit ist mit Server-CPU und -Mainboard kombiniert. Für den hohen Bedarf an Speicherplatz und Datensicherheit und um Datenverlust bei Defekten vorzubeugen, werden mehrere Festplatten im RAID-Verbund (Redundant Array of Independent Disks) eingesetzt, welche für den Dauer­einsatz ausgelegt sind und durch die Verwendung von Schwingungsdämpfern und Schockabsorbern unempfindlicher gegen Stöße und Vibrationen gemacht wurden.

Eine bessere Belüftung wird unter anderem durch eine spezielle Befestigung der Nvidia Quadro P2000 Grafikkarte mit 5 GByte erreicht. Um im geschlossenen Gehäuse bei der großen Datenverarbeitungsmenge Hotspots zu vermeiden, wird die Luft vom Lüfter durch die eingebaute Filtermatte ins Gehäuse-Innere gezogen. Durch den nun herrschenden Überdruck entweicht die warme Luft durch die perforierten Lochbleche an Vorderseite und Rückseite. Die Filtermatte ist von vorne leicht zugänglich und wechselbar und hat den zusätzlichen Effekt, das Eindringen von Staub und anderen Kontaminierungen zu verhindern. Diese effiziente Art des Wärmemanagements wurde vor Auslieferung durch Thermosimulation und Volllast-Tests unter realen Umgebungsbedingungen validiert.

Die auf höhere industrielle Temperaturbereiche ausgelegte ATX-Netzteile sind für einen optimalen Arbeitspunkt mit genügend Reserven dimensioniert – ihre Leistung ist doppelt so hoch angesetzt wie der normale Betriebszustand des Systems, da ihr höchster Wirkungsgrad bei 50 % der maximalen Leistung erreicht wird. Die Ansteuerung der Anlage erfolgt über echtzeitfähiges Profinet und partiell über eine COM-Schnittstelle. Die Verbindung der Rechner untereinander und zum Fabriknetzwerk findet über Ethernet statt. Außerdem wurde das Gehäuse EMV-dicht ausgelegt, um das Risiko bei der Zulassung und auch während des Betriebs zu minimieren.

Bei einer komplexen Anwendung wie der beschriebenen ist zuverlässig funktionierende Gehäusetechnik auf Basis eines Industrie-PC ein wichtiges Element im Gesamtverbund. Hier bildet ein modulares Systemkonzept eine zukunftssichere Grundlage für künftige Anpassungen und Updates.

Autor:
Stephan Leng ist im Produktmanagement Geschäftsgebiet Elektronik bei Heitec.