Die modulare Interscale-Gehäuseplattform basiert auf einem parametrischen Modell, kann daher leicht an die Anforderungen und Größe des Boards sowie die eingebauten Komponenten in Höhe, Breite und Tiefe angepasst werden.

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Die Vernetzung von Maschinen, Services und Menschen über die gesamte Produktions- und Wertschöpfungskette im Zuge der 4. Industriellen Revolution verstärkt auch den Einsatz sogenannter Embedded-Systeme. 

Diese werden besonders als IoT-Gateways eingesetzt und als Sammel- beziehungsweise Schnittstelle zwischen Steuerungs- und Sensordaten und übergeordneten IT-Systemen zur Analyse und Aggregation genutzt. Pentair hat – basierend auf seiner Produktplattform Interscale – ein umfassendes Konzept entwickelt, mit dem Anwender ihre ­individuelle Hardware-Applikation für die Realisierung von Industrial IoT-Systemen aufbauen können. Damit werden die Time-to-Market Zeit verkürzt, Flexibilität und Sicherheit erhöht sowie Qualität und Effizienz gesteigert. 

Die Board-Auswahl

Zentrale Einheit eines solchen Systems ist entweder ein Small-Form-Factor-Board mit einem bestimmten Board-Standard, wie beispielsweise ATX, Micro-ATX, Mini-ITX und Pico-ITX, ein Single-Board-Computer, wie zum Beispiel Embedded-NUC, Raspberry Pi und Arduino, oder ein vom Anwender bereitgestelltes proprietäres Board. Diese Boards unterscheiden sich nicht nur in der Größe, sondern auch in der Funktionalität oder der Steckplatzkonfiguration. Je nach Anwendung und den damit verbundenen Anforderungen wählt der Anwender ein passendes Board aus. 

Dabei erfolgt die Auswahl des Boards auf Basis unterschiedlicher Kriterien: Welcher Prozessor und welche Prozessorleistung werden benötigt? Welcher Arbeitsspeicher ist ausreichend? Welche Schnittstellen sind notwendig beziehungsweise welche Schnittstellenkarten sollen angebunden werden? Hierbei gilt es zu beachten, dass industrielle Standard-Mainboards auch eine unterschiedliche Anzahl an PCIe-Slots anbieten: Ein Embedded-NUC-Board besitzt keine PCIe-Slots, ein Mini-ITX besitzt einen PCIe-Slot, eine Micro-ATX bis zu vier Slots und ein ATX kann bis zu acht PCIe-Karten aufnehmen.

Das passende Gehäuse

Anschließend wird anhand des gewählten Boards ein passendes Gehäuse konfiguriert, beispielsweise basierend auf der flexiblen und modularen Gehäuseplattform Schroff Interscale. Dabei ist es nebensächlich, welche Art von Board oder Board-Standard für die Applikation gewählt wurde, da die flexiblen Gehäuse der Interscale-Familie an diverse Gegebenheiten angepasst werden können. 

Je nach Board können zwei, drei- oder vierteilige Gehäuse realisiert werden. Mini-ITX, Micro-ATX und ATX-Boards haben nur auf einer Seite Schnittstellen, die durch einen Ausbruch für die mitgelieferte Schnitt­stellen-Blende nach außen geführt werden, somit ist hier ein zweiteiliges Gehäuse, bestehend aus Bodenplatte mit Seitenwänden und Gehäusedeckel, möglich. 

Ein Beispiel für ein drei­teiliges Gehäuse sind Boards wie ­Raspberry Pi oder das Embedded-NUC-Board, die auf zwei Seiten Schnittstellen aufweisen und entsprechend ein dreiteiliges Gehäuse erfordern, um die Schnittstellen durch ­Ausbrüche nach außen zu führen und den EMV-Schutz zu gewährleisten. Bei einem vierteiligen Gehäuse besteht darüber hinaus die Möglichkeit, auch den Gehäusedeckel mit einem Ausbruch zu versehen und einen Kühlkörper einzusetzen, der direkt auf dem Prozessor aufsetzt – beispielhaft hierfür die Schroff-Gesamtlösung für COM-Express-Module inklusive COM-Carrier integriert in einem ­Gehäuse mit Kühlung und Stromversorgung.

Die spezielle Verriegelungskonstruktion der Gehäuse sorgt für einen integrierten EMV-Schutz von 20 dB bei 2 GHz, ohne dass zusätzlich EMV-Dichtungen erforderlich sind, und gewährleisten eine Schutzart bis IP30. 

Elektronische Komponenten integrieren

Im nächsten Schritt werden elektronische Komponenten und Schnittstellen zur Integration ausgewählt. 

Für die Stromversorgung etwa stehen Netzgeräte mit unterschiedlichen Leistungen zur Verfügung: Ein Tischnetzteil mit 19 V und 65 W (extern oder auch im Gehäuse integriert), diverse Pico-PSU-Kits für passiv gekühlte Systeme mit 80 W, 120 W und 160 W, ein platzsparendes 1 HE ATX-Netzteil mit 300 W oder ATX-Netzteile im PS2-Formfaktor mit 300 W oder 500 W. Entsprechend der Auswahl des Boards, des Prozessors, des Speichers und der PCIe-Karten wird ein Netzteil ausgewählt, das die Gesamtleistung der Komponenten abdeckt. 

Einbaumöglichkeiten beziehungsweise Steckplätze für PCI oder PCIe-Karten lassen sich entsprechend der Anzahl abhängig vom gewählten Board-Formfaktor integrieren. Zudem kann die Gehäuse-höhe entsprechend reduziert werden, wenn entweder Halfheight-PCIe-Karten eingesetzt werden oder Full-height-PCIe-Karten über Riserboards horizontal eingebaut werden. 

Für die Befestigung der Laufwerke werden je nach verwendetem Board verschiedene Lösungen angeboten. Das Gehäusekonzept ermöglicht die Montage von mehreren Laufwerken durch Halterungen im Gehäuse-Inneren. Die Montage kann auch durch einen von außen abnehmbaren Festplatten-Halter erfolgen. So ist zum Beispiel eine Montage unter dem Mainboard ebenso möglich, ohne die Wartungseigenschaften einzuschränken. Zusätzlich bietet Schroff, sofern notwendig, einen illuminierten Netzschalter inklusive Anschlusskabel an.

Kühllösungen anpassen

Flexible Wärmeleitkörper FHC in der 20-mm- (links) und 70-mm-Ausführung (rechts). Die integrierten Federn ermöglichen einen vertikalen Längenausgleich.

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Je nach Verlustleistung werden für Embedded-Systeme verschiedene Optionen angeboten. Bei manchen Systemen ist die Verlustleistung so gering, dass keine Kühlung erforderlich ist. Faktoren wie die Umgebungstemperatur, die Prozessorleistung und Thermal Design Power (TDP) des Prozessors bestimmen die notwendige Kühlung, die anzuwenden ist. Das Raspberry Pi Board beispielsweise kann unter normalen Umgebungstemperaturbedingungen lüfterlos nur mit Gehäuseperforation betrieben werden. Steigt die Verlustleistung, das heißt Prozessoren ab circa 15 W TDP aufwärts, wird das Abführen der Wärme notwendig, sei es durch aktive oder passive Kühlung. Gehäuse können mit Perforationen und Lüfterkits ausgestattet werden. Die Lüfterkühlung ermöglicht effektive und kostengünstige Wärmeabfuhr. 

Wird allerdings hoher IP-Schutz, Geräuschlosigkeit oder auch die lange Lebensdauer des gesamten Systems vorausgesetzt, so weist die passive Kühlung Vorteile auf. Die Wärme wird per Konduktionskühlung durch integrierte Kühlkörper und/oder flexible Wärmeleitkörper FHC (Flexible Heat Conductor) abgeführt. Hierfür stehen unterschiedliche Kühlkörper-Geometrien für bestimmte Verlustleistungen und Einsatzbereiche zur Verfügung, beispielsweise in den Gehäusedeckel integrierte Kühlkörper mit Kühlrippen in unterschiedlichen Höhen, die entsprechend an den Prozessor und die Umgebungstemperatur angepasst werden. Speziell für den Bereich hoher Verlustleistung hat Pentair einen flexiblen Wärmeleitkörper FHC aus Aluminium entwickelt. Prozessoren können durch den FHC einen durchgehenden Wärmepfad zu dem Gehäuse bilden, da der FHC durch seine innovative Konstruktion den Toleranzausgleich schafft. Integrierte Federn ermöglichen einen vertikalen Längenausgleich des Aluminiumblocks und verringern den thermischen Widerstand, so dass kein Wärmeleitpad erforderlich ist.

Schnittstellen ausführen

Je nach gewähltem Board-Standard oder auch individuell entwickeltem Board werden verschiedene Schnittstellen nach außen geführt, die an unterschiedlichen Positionen des Gehäuses einen entsprechenden Ausbruch und optional eine Bedruckung benötigen. Hierzu gehören beispielsweise Anzeige-Elemente, Netzschalter, USB- und Ethernet-Anschlüsse, die an der Außenseite platziert werden, oder auch der Ausbruch für die Schnittstellen-Blende von industriellen Motherboards, die eine entsprechende Modifikation des Gehäuses erfordern. Das neue Konzept beinhaltet die mechanische Bearbeitung der Gehäuse und umfasst eine umfangreiche CAD-Bibliothek für Standardausbrüche, bietet aber daneben die Möglichkeit, andere individuelle Ausbruchgeometrien im Gehäuse umzusetzen. Wichtig ist hierbei, dass die Schnittstellen des Boards am Gehäuseboden angebracht sind, um den EMV-Schutz auch weiterhin gewährleisten zu können. 

Zur Individualisierung eines Indus-trial IoT-Systems steht außerdem eine breite Palette an Pulverbeschichtungs- und Druckoptionen zur Verfügung. Damit haben Kunden die Möglichkeit, die Gehäusefarbe sowie Designelemente und farbige Logos bis hin zu fotorealistischen Bildern gemäß ihrem Corporate Design zu realisieren. 

Das breite Spektrum an Standard-Zubehör-Komponenten für die Gehäuse ermöglicht vielfältige Aufbau- und Ausbau-Varianten. Für die Befestigung beziehungsweise Positionierung von Leiterplatten und Komponenten im Gehäuse stehen standardmäßig vier Zubehör-Elemente zur Verfügung: eine einfache Montageplatte, eine Montageplatte mit integrierten Lüftern, flexible Leiterplattenhalter oder Klebesockel. Mit dem flexiblen Leiterplattenhalter können Leiterplatten an jeder beliebigen Stelle im Gehäuse befestigt werden. 

Zubehör und Services

Neben normalen Standfüßen aus Kunststoff sind Aufstellfüße oder eine Stapelhilfe erhältlich. Zur Befestigung der Gehäuse, etwa in einem Schaltschrank, stehen 19-Zoll-Winkel oder ein Clip für die Hutschienenmontage zur Verfügung. 
Das für die Gehäuseplattform entwickelte Konzept beinhaltet darüber hinaus begleitende Services. So können beispielsweise Gehäuse projektbezogen und inklusive aller ausgewählten Befestigungs- und Zubehörteile bereits komplett montiert geliefert werden. Auch vom Anwender beigestellte Komponenten können hier einbezogen werden. 

Zusätzlich besteht die Möglichkeit, im Pentair-eigenen Labor Wärme­simulationen durchführen zu lassen, um einerseits eine optimale Ent­wärmung zu gewährleisten, andererseits eine optimale Nutzung der ­Raumfläche umzusetzen. Damit und mit weiteren Testmöglichkeiten, wie Schock- und Vibrationstests sowie Tests für den IP-Schutz und thermi­sche Tests, werden die Kunden bei der Zertifizierung ihrer Produkte und der notwendigen Dokumentation unterstützt.

Autorin:
Linly Fou ist Field Marketing Specialist EMCA Europe bei Pentair.

Ein Praxisbeispiel

An einem ausgeführten Kundenbeispiel wird das von Pentair für die Schroff-Interscale-Gehäuseplattform entwickelte Konzept deutlich. Es sollte eine kleine leistungsfähige PC-Einheit für den Einsatz als IoT-Edge-Gateway für die Automation, Visualisierung oder Überwachung konfiguriert und aufgebaut werden. Der Kunde wählte ein für Industrie-Applikationen geeignetes Embedded-NUC-Board. Es vereint viele PC-Funktionen auf einem nur circa 10 cm × 10 cm großen Basisboard und berücksichtigt etwa die für Industrieanwendungen relevanten Schnittstellen, die Langzeitverfügbarkeit von Prozessoren und anderen elektronischen Bauteilen sowie die ausfallsichere Kühlung ohne Lüfter über Konduktionskühlung. 

Das für diese Applikationen konfigurierte Gehäuse besteht aus drei Teilen (Korpus, Deckel und Frontplatte) inklusive EMV-Schutz und ist 35 mm hoch, 110 mm breit und 103 mm tief. Betrachtet man die Größe des Embedded-NUC-Boards (101,60 mm × 101,60 mm), dann wird klar, dass die Integration weiterer Hardware-Komponenten auf sehr kleinem Raum gefordert war. Das Gehäuse sollte als Desktop-Gerät verwendet oder mit einer DIN-Schiene im Schaltschrank eingebaut werden können, was durch vorhandene Standard-Zubehörkomponenten sichergestellt wurde. Durch die Wärmesimulation im Klimalabor wurde die effektivste Kühllösung ermittelt. Über Konduktionskühlung durch einen in das Gehäuse integrierten Kühlkörper kann die entstehende Verlustleistung zuverlässig abgeführt werden. Das Board ist dabei direkt am Kühlkörper angebracht, so dass keine unnötigen Wärmewiderstände entstehen.