Industrie-PCs sind in vielen Einsatzszenarien extremen Anforderungen ausgesetzt: Staub, Hitze oder der Wunsch nach einem möglichst lautlosen Betrieb machen die Kühlung der Komponenten und des Gesamtsystems zu einer Herausforderung. Die Anforderungen an Rechenleistung und die Summe der Umgebungsbedingungen geben vor, welche Kühllösung für ein industrielles Computersystem in Frage kommen kann. Hier können hybride Ansätze helfen, die aktive und passive Kühlung miteinander verbinden.

Niemand würde auf die Idee kommen, einen Server einfach mitten in die Wüste zu stellen. Zu heiß, zu staubig, zu trocken. Industrie-PCs (IPCs) jedoch müssen unter genau solch extremen Umgebungsbedingungen zuverlässig zurechtkommen. Car-PCs, etwa für die Entwicklung von Assistenzsystemen in Fahrzeugen, müssen bei -30° C im Winter ebenso ausfallsicher sein wie bei 50° C im Hochsommer. Steuerungs-PCs in der Industrie dürfen bei Staub, Abwärme der Maschinen oder schweren Erschütterungen nicht den Dienst verweigern, um teure Ausfallzeiten zu vermeiden. Geräte in der Medizintechnik hingegen müssen oft extrem performant sein, zum Beispiel für bildgebende Verfahren. Gleichzeitig sollen sie flüsterleise arbeiten. Diese Liste ließe sich beliebig fortsetzen. Und fast täglich kommen durch das Internet of Things (IoT) und Industrie 4.0 neue Anwendungsfälle hinzu.

In vielen Fällen stellt die Kühlung der Geräte eine große Herausforderung dar. Denn keine der verfügbaren Technologien ist alleine für sich in der Lage, alle Einsatzbereiche abzudecken. Der am weitesten verbreitete Ansatz ist die aktive Kühlung mit Lüftern. Um die eingesetzten leistungsstarken Prozessoren und Grafikkarten zu kühlen, müssen erhebliche Luftmassen bewegt werden: Bei einer internen thermischen Dissipation von 500 Watt und einem maximal tolerierbaren Temperaturanstieg von 5° C sind als grober Richtwert fünf Kubikmeter Luft pro Minute notwendig, die durch das Gehäuseinnere geblasen werden.

Staub und Verschleiß

Verwirbelungen im Gehäuse, die den Luftstrom ungleichmäßig verteilen, können diesen Wert noch deutlich nach oben treiben. Dabei gilt nicht immer das Prinzip „viel hilft viel“. Denn die Wirkung der Lüfter steigt nicht linear zu deren Anzahl, das Gehäuse bietet zahlreiche Widerstände. Es steigt zunächst einmal der Geräuschpegel, auch muss in der Umgebung ausreichend kühle Luft vorhanden sein. Das ist nicht in jedem Szenario gegeben. Ein weiterer Nachteil der aktiven Kühlung ist zudem, dass durch den Luftstrom auch Staub aus der Umgebung angezogen wird, der über Filter aus dem Gehäuse ferngehalten werden muss. In vielen Industrieanwendungen sorgt die daraus resultierende Prüfung und Wartung der Systeme für erheblichen Aufwand. Obendrein sind Lüfter als bewegliche Teile einem normalen Verschleiß unterworfen und sollten regelmäßig ausgetauscht werden. Hinzu kommt, dass die Kühlleistung bei aktiv gekühlten Systemen mit zunehmender Höhenlage abnimmt– in höher gelegenen Einsatzgebieten ist aufgrund der dünneren Luft mit geringerem Wärmeleitkoeffizienten für die Erbringung der gleichen Kühlleistung ein höherer Luftdurchsatz notwendig.
Auf der anderen Seite steht die passive Kühlung. Hierbei wird die von den Komponenten erzeugte Wärme über leitfähige Materialien an die Umgebung abgegeben. Aufgrund des niedrigen Wärmewiderstandskoeffizienten wird hier meist Kupfer oder Aluminium verwendet. Bei Embedded PCs aus der Concepion®-Serie von InoNet kann so beispielsweise die entstehende Wärme im Gehäuse über Heatpipes aus Kupfer an einen passiven Kühlkörper abgegeben werden, der in der Regel den Deckel des Gehäuses darstellt. Der begrenzende Faktor dabei ist die Kühlleistung. Für viele Anwendungen wie Maschinensteuerungen oder IoT-Devices in der Produktion ist dieses Verfahren sehr gut geeignet. Mit steigendem Performance-Bedarf der Anwendung wird die passive Kühlung extrem komplex, ebenso in Umgebungen mit sehr hohen Temperaturen wie in der Stahlindustrie. Grundsätzlich gilt: je leistungsfähiger der Prozessor eines Systems, desto höher die Dissipation – die entstehende Abwärme kann ab einem bestimmten Punkt durch eine passive Kühlung nicht mehr ausreichend abgeführt werden – eine aktive Belüftung wird benötigt. Auf der Haben-Seite dagegen stehen der leise Betrieb, die Möglichkeit zur staub- oder wasserdichten Kapselung sowie das Fehlen beweglicher Bauteile. In der Praxis haben beide Ansätze ihre Berechtigung. Oft genug findet man auch Mischformen, bei denen die Wärme über Heat Sinks und Heat Pipes am Bauteil abgenommen und dann über herkömmliche Lüftersysteme aus dem Gehäuse entfernt wird. Hierbei können die Lüfter deutlich kleiner dimensioniert werden, was kompaktere Formfaktoren und geringe Geräuschentwicklung zur Folge hat.

Das Beste aus beiden Welten

In Applikationen mit besonders hohem Anspruch an Kühlleistung oder außergewöhnlichen Umgebungsbedingungen kann der Einsatz einer hybriden Kühllösung den Schlüssel zum Erfolg darstellen. Bei hybriden Kühlungen wird die aktive Kühlung durch Lüfter mit der passiven Ableitung von Wärme an kritischen Komponenten in einem Chassis vereint. Solche Systeme können dadurch eine höhere gesamte Kühlleistung erzielen, bei gleicher Kühlleistung deutlich leiser betrieben werden oder effektiver vor dem Eindringen von Staub und Schmutz geschützt werden.

Ein interessanter und effektiver Hybrid-Ansatz zur Kühlung hochperformanter IPCs kommt dabei von dem Taufkirchener IPC-Hersteller InoNet. Dort wurde ein System entwickelt, bei dem die Wärme der leistungsstarken Komponenten wie CPU oder Grafikkarte über Heat Pipes an einen zentralen Tunnel weitergegeben wird. Dieser Tunnel führt durch das System und wird mit zwei Lüftern aktiv gekühlt. Der so genannte Thermal Tunnel ist vom Gehäuse isoliert, es kann kein Staub eindringen. Zudem befinden sich keine Komponenten innerhalb des Tunnels, weswegen es kaum zu Verwirbelungen kommt. „Die Wärme verteilt sich beim Thermal Tunnel nicht wie sonst im Gehäuse, dadurch ist die Kühlung sehr effizient“, erläutert Dominik Schölzel, System Engineer in der Entwicklung bei InoNet. „Der Thermal Tunnel ist dadurch besonders für Systeme mit sehr hohen Performance-Anforderungen geeignet. Ein typischer Anwendungsfall ist die Verarbeitung von Videodaten in Echtzeit beim autonomen Fahren.“ Die Herausforderung beim dieser Kühllösung: Jedes Bauteil benötigt eine andere Anbindungen an den Tunnel. Bei Prozessoren ist die Varianz noch recht gering, die Bauhöhen innerhalb einer Serie sind in der Regel konstant. Anders bei Grafikkarten, die Unterschiede zwischen den einzelnen Modellen sind erheblich. „Einfach eine defekte Grafikkarte gegen ein anderes Modell austauschen, ist beim Thermal Tunnel nicht möglich. Wir arbeiten deshalb hier mit Bauteilen, bei denen der Hersteller die Langzeitverfügbarkeit garantiert“, so Schölzel. Aktuell werde das System auf die neuesten Prozessorgenerationen angepasst.

Keine eierlegende Wollmilchsau

Schon kleine Abweichungen der Betriebstemperatur von den Spezifikationen der Komponentenhersteller können die Lebensdauer der Bauteile signifikant verkürzen. Es drohen nicht nur erhebliche Wartungs- und Reparaturaufwände, sondern im schlimmsten Fall Stillstände im Unternehmen. Denn IPCs sind in den meisten Prozessen kritisch, sie müssen absolut zuverlässig funktionieren. Bei der Kühlung von IPCs gibt es keine einfache, immer passende Lösung. Unterschiedliche Umgebungen und vielfältige Einsatzszenarien erfordern speziell angepasste Lösungen, um die entstehende Abwärme sicher abzuführen. Mit der digitalen Transformation und Industrie 4.0 steigen die Datenmengen, die verarbeitet werden müssen – und damit auch der Performance-Bedarf der IPCs. Hybride Ansätze schließen hierbei die Lücke zwischen aktiven Kühllösungen für hohe Leistungsanforderungen und wartungsarmen passiven Kühlsystemen.

Mit einem neuen Gerätekonzept realisiert InoNet ein modulares 19-Zoll 2HE Chassis als Basis für alle Anwendungen mit hohem Bedarf an Zero Downtime oder sehr einfach durchzuführenden Wartungszyklen. Das neue Chassis-Konzept von InoNet entfaltet sein hohes Maß an Flexibilität sowohl durch eine gezielte Modularität in der mechanischen Konstruktion, als auch durch ein hybrides Kühlsystem, welches auf einen äußerst wartungsarmen Betrieb ausgelegt ist. Damit werden sehr viele unterschiedliche Leistungsanforderungen der Kunden an Konfigurierbarkeit, Dauerbetrieb, Performance und an lange Wartungszyklen unterstützt.

Die Mayflower-ID-S ist so modular aufgebaut, dass das System neben den drei Ausbaustufen auch kundenspezifisch, mit den unterschiedlichsten Mainboards der Formfaktoren ATX, micro-ATX oder mini-ITX, ausgerüstet werden kann. Damit ist größtmögliche Flexibilität bei der Auswahl des Chipsatzes und der Leistungsfähigkeit des Prozessors gegeben. Um den Industrie-PC ideal auf möglichst viele industrielle Anwendungen spezifisch abstimmen zu können, lassen sich diverse weitere Optionen wählen: so kann das Gehäuse wahlweise mit bis zu sieben Low-Profile-Erweiterungskarten, oder alternativ durch eine Riser-Card-Lösung mit bis zu drei Full-Size Erweiterungskarten ausgestattet werden. Insgesamt vier rahmenlose 2,5“ HDD/SSD-Shuttles bieten ausreichend Platz für Massenspeicher, die ebenfalls im laufenden Betrieb gewechselt werden können. Die bestückbaren Speichermedien werden durch ein optisches Laufwerk im Slim-Design ergänzt.

Das kompakte System (B x H x T: 432 x 88,5 x 400 mm) lässt sich durch sein flexibles Erweiterungskartenkonzept vielfältig und platzsparend einsetzen. Die Mayflower-ID ist komplett mit industrieharter Elektronik bestückt und kann daher bei Umgebungstemperaturen von bis zu 50°C betrieben werden. Für eine ausreichende Kühlung der wärmekritischen Komponenten, wie CPU und GPU, sorgt sein redundantes Lüftungskonzept, bestehend aus drei 80 mm Lüftern sowie einem optional erhältlichen, nachgeschalteten Wärmetauscher mit vier Heatpipes. Bei CPUs bis 65W TDP lassen sich die leistungsstarken Lüfter und deren Filter während des Betriebs werkzeuglos austauschen, so dass ein reibungsloser Dauereinsatz des Systems gewährleistet ist. Für die zuverlässige Ausfallsicherheit des robusten und leistungsstarken Systems kann im Inneren des Gerätes neben einem einfachen Flex-ATX- oder 1U-Netzteil auch ein redundantes 2U Mini-Netzteil verbaut werden, dessen Netzteil-Module sich ebenfalls von außen ohne Werkzeug wechseln lassen. Damit passt sich das Konzept an unterschiedliche Prozessorleistungen oder Kundenwünsche nach Hochverfügbarkeit an.

Bei der Entwicklung des Industrie-PCs wurden in der Spezifikation alle aktuell gängigen Prozessorgenerationen von Intel und AMD berücksichtigt. Dadurch lassen sich in dem Gerät, trotz seiner geringen Abmessungen von 2HE mit nur 400mm Tiefe, sehr hohe Rechenleistung auf Server-Niveau realisieren. Abgerundet wird das 19“ System durch ein Flex-Konzept für flexible Nutzungsmöglichkeiten von Half-Size und Full-Size-Erweiterungskarten. Ab Herbst dieses Jahres wird das System auch mit industriellen, für den erweiterten Temperaturbereich bis 50° C ausgelegten Mainboards für Intel Core i CPUs der achten Generation (Coffee Lake) und leistungsstarken AMD Ryzen-Prozessoren verfügbar sein. Das 19“ 2HE System „Mayflower-ID-S“ ist in den drei Ausbaustufen Entry Level, Performance Level und High-End erhältlich, oder kann auch komplett kundenspezifisch zusammengestellt werden.

Das Einsteigermodell (Entry Level) ist mit einem energieeffizienten Intel® Core™ i3 Prozessor der 6./7. Generation oder einem Intel® Pentium® Prozessor erhältlich und lässt sich in Massenspeicher, I/O-Funktionen und Schnittstellen nach Belieben aufrüsten und erweitern. Die nächsthöhere Ausbaustufe des Industriecomputers ist das Performance Level, bei welchem das System „Mayflower-ID-S“ bereits mit einem Intel® Core™ i5 Prozessor ausgerüstet ist. Das Performance Level System ist auf eine perfekte Balance zwischen Leistung und Kosten für eine Vielzahl von Anwendungen ausgerichtet. Die verbauten Prozessoren erfüllen bereits die Anforderungen an die Rechenleistung vieler industrieller Anwendungen. Wird aufgrund einer anspruchsvollen Anwendung dennoch mehr Leistung benötigt, so empfiehlt sich das System in der letzten Ausbaustufe High-End Level. Intel® Core™ i7 oder Xeon® Prozessoren sind in dieser Ausbaustufe serienmäßig im Einsatz und liefern im Vergleich zu einem Entry Level System je nach Konfiguration die dreifache Rechenleistung.

Die Mayflower-ID-S kann entweder mit Rack-Montagewinkeln und Gleitschienen oder mit einer speziellen Montagehalterung versehen werden, welche den Betrieb auch in aufrechter Position ermöglicht.

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Durch den schnellen technologischen Fortschritt, nicht zuletzt bedingt durch das Internet of Things, steigen die Anforderungen an industrielle Anwendungen stetig. Auch der Mensch spielt dabei nach wie vor eine wichtige Rolle und damit folglich auch die Schnittstelle zwischen Mensch und Maschine – das Human-Machine-Interface. Um maximale Effizienz industrieller Anwendungen zu gewährleisten, sind Eigenschaften des HMI, wie Größe, Rechenleistung und Multi-Touch-Bedienbarkeit von ausschlaggebender Bedeutung.

In vielen Bereichen der industriellen Hard- und Software zählt der Grundsatz: „Der Consumer-Markt macht es vor, der industrielle Markt zieht mit“. Das gilt ganz Besonders im Bereich der Human Machine Interfaces (HMIs). Seit mehreren Jahren etablieren sich Touch Displays und Panel PCs mit kapazitivem Multitouch für flexiblere und nutzerfreundlichere Bedienung. Nun greift der nächste Trend auf das industrielle Umfeld über – durch die steigende Menge an Daten und höhere Komplexität in der Prozessvisualisierung und Maschinensteuerung wächst der Bedarf nach Displays mit großen Bildschirmdiagonalen und hoher Auflösung. Sie sollen es ermöglichen, mehr unterschiedliche Daten und Bedienelemente übersichtlich und gleichzeitig darzustellen und somit Prozesse in der Kommunikation von Mensch und Maschine zu verbessern.

Großformatige Displays und Panel PCs im Widescreen-Format ermöglichen dem Nutzer einen besseren Überblick – so lassen sich laufende Prozessvisualisierungen einer Maschine im industriellen Umfeld auch aus der Distanz gut beobachten. Die Kombination von großen Displayformaten mit einer hohen Auflösung ermöglicht es, mehrere Anwendungen und Prozesse gleichzeitig zu visualisieren. Der Nutzer ist nicht mehr gezwungen, zwischen einzelnen Anwendungen hin und her zu wechseln, sondern erhält durch den ersten Blick auf den Monitor einen umfangreichen Eindruck über die laufenden Anwendungsprozesse.

Im Gegensatz zum klassischen resistiven Touchscreen, bei welchem nur simple Touch-Gesten möglich sind, entstehen durch projiziert kapazitiven Multi-Touch neue Möglichkeiten bei der Interaktion mit dem HMI. Die Effizienz der Anwendung nimmt rasant zu, da das System mit Multi-Touch wesentlich einfacher bedient werden kann – das heißt mit zwei oder mehr Fingern und durch unterschiedliche Touch-Gesten. Die intuitiven Bedienmöglichkeiten der Multi-Touch-Technologie schaffen die Grundlage einer schnellen Lernkurve für den Maschinenbediener und stellen in Kombination mit großformatigen Displays und hoher Auflösung somit schon nach kurzer Zeit eine Effizienzsteigerung der Anwendungen sicher.

InoNet bietet mit dem Panel PC Serie TPC-2000/5000 von Advantech eine Kombination aller wichtigen HMI-Eigenschaften an. Der modulare Aufbau der Systeme (Display und separate Computing-Unit) bietet größtmögliche Flexibilität im Hinblick auf die passende Anwendung. Egal ob energieeffizienter Thin-Client, leistungsstarke Control-Panel mit Intel Core i Prozessor oder einfacher Monitor mit diversen Grafik-Anschlüssen – die Module können mit Displays von 12“ bis zu 21,5“ kombiniert werden, um Ihre Anwendung ideal bedienen und überwachen zu können; in Kürze wird auch ein 24“ Display erhältlich sein. Durch eine optionale, im Front Panel integrierte Antenne und einem optional erhältlichen NFC Reader können die Panel PCs ohne zusätzliches Setup für flexible Applikationen eingesetzt werden, bei denen drahtlose Kommunikation über kurze oder lange Strecken erforderlich ist. Sobald eine neue Prozessorgeneration verfügbar ist, kann die Computing-Unit einfach problemlos ausgetauscht und das Display weiter genutzt werden – dadurch werden der Aufwand und auch gleichzeitig die Total Cost of Ownership minimal gehalten.

Der Münchener Industrie-PC-Hersteller InoNet Computer GmbH hat am Flughafen Stuttgart ein neues Flight Information Display System (FIDS) als Generalunternehmer realisiert. Für die Umhausung und Trägerkonstruktion zeichnet sich die häwa GmbH aus Wain verantwortlich.

Austausch der bestehenden Fallblatt-Tafel

Der Flughafen Stuttgart, mit rund 11 Millionen Fluggästen pro Jahr einer der zehn meistfrequentierten Flughäfen Deutschlands, setzte bis dato eine Fallblatt-Tafel zur Anzeige der Fluginformationen ein. Zur flexibleren Darstellung aktueller Reiseinformationen und besseren Lesbarkeit der Inhalte wurde nun im März 2018 eine FIDS-Videowall am Flughafen in Betrieb genommen.

Besonderes Augenmerk wurde bei der modernen Video Wall auf einfache Wartung und Instandhaltung aller Komponenten gelegt. So sind die drei leistungsstarken Magnius® Video Wall Controller von InoNet sowie sämtliche Elektronik in einem abschließbaren Rechnerschrank verbaut, der an einer Empore über der Video Wall montiert und somit leicht zugänglich ist. Die Displays selbst sind an ausziehbaren Monitorhalterungen befestigt, die im Wartungsfall einen einfachen Austausch einzelner Displays ermöglichen.

Die InoNet Computer GmbH war als Generalunternehmer neben der Bereitstellung der geeigneten PC-Technik auch für das Gesamtkonzept der Videowall und Trägerkonstruktion verantwortlich. Die Firma häwa, einer der führenden Hersteller von Schrank- und Gehäusesystemen, entwickelte das Design der Trägerkonstruktion, der seitlich geschlossenen Umhausungen der Displays und des Rechnerschrankes.

Hochauflösende und flexible Darstellung

Die FIDS-Videowall am Flughafen Stuttgart ist in drei Teilkonstruktionen mit jeweils neun Displays unterteilt. Jede der drei 9er-Wände wird von je einem Magnius® Video Wall Controller angesteuert, der mit einem leistungsstarken Intel XEON Prozessor und drei PNY NVIDIA Quadro P600 Grafikkarten ausgestattet ist. Somit zeigt jeder der drei Rechner eine durchgängige Darstellung von 9x Full HD (5,760 x 3.240 Pixel) an. Der InoNet PC basiert auf langzeitverfügbaren industriellen Komponenten und bietet somit neben hoher Zuverlässigkeit auch im Wartungsfall Planungssicherheit über einen langen Zeitraum.

Die eingesetzten NEC-Displays vom Typ MultiSync® x464UNS-2 verfügen über einen besonders schmalen Rahmen, der an der breitesten Stelle lediglich 2,3 Millimeter misst. So entsteht für den Betrachter eine lückenlose Darstellung der Inhalte über die gesamte Video Wall. Die Displays sind für den kommerziellen 24/7-Betrieb ausgelegt und laufen somit auch im Dauerbetrieb zuverlässig und wartungsarm.

Endmontage in fünf Nächten

Um eine kurze und reibungslose Montage der Video Wall am Flughafen zu gewährleisten, wurde die Vormontage der gesamten Trägerkonstruktion bei der Otto Schimscha Metallbau GmbH durchgeführt. Die Endmontage der Fluganzeige inklusive Aufhängung der Trägerteile, Einhängen der Displays sowie Kalibrierung und Inbetriebnahme wurde dann in fünf Nachtschichten am Flughafen durchgeführt, um den Betrieb am Flughafen nicht zu beeinträchtigen.