Gehäuse- & Kühltechnik Herausforderung Temperatur

Industrielle Feldanwendungen in der Mineralindustrie sind überwiegend an entlegenen Orten zu finden, wo sie extremster Kälte ausgesetzt sind. Computing-Systeme, die dort eingesetzt werden, müssen diese Temperaturen zuverlässig tolerieren können. Allerdings leiden herkömmliche Industrie-PCs, die bei extrem niedrigen Temperaturen eingesetzt werden, unter massiven technischen Problemen: Kälte ruft Bildveränderungen wie weiße Flecken, Bewegungsunschärfe und Verzerrungen auf dem Display hervor und korrumpiert die Ausgabe von Komponenten an Bord des Computers in unvorhersehbarer Weise. Daher kann die Systemstabilität der meisten Plattformen nicht garantiert werden, solange sich die Temperatur unter 0 °C bewegt. In vielen Umgebungen auf See oder im Winter kann diese Basistemperatur jedoch nicht ohne mechanische Hilfe erzielt werden. Aus diesem Grund ist ein Heizsystem an Bord des Computers für derartige Umgebungen essentiell.

Zuverlässig bei extremer Kälte

Da Industrie-PCs immer häufiger als HMIs eingesetzt werden, ist die Zuverlässigkeit dieser Systeme bei extremer Kälte ein kritischer Faktor. Ein kaltes System zu erwärmen ist jedoch weitaus schwieriger als ein heißes System zu kühlen. Das grundlegende Konstruktionsziel ist es, das System auf eine spezifische Temperatur zu bringen, bei der ein zuverlässiger Betrieb garantiert ist. Diese liegt in der Regel bei 0 °C, da dies der niedrigste Grenzwert für die meisten Computer-Komponenten ist. Die elementare Lösung ist die Integration einer Heizung, die sich bei Temperaturen unter 0 °C einschaltet. Das ist allerdings leichter gesagt als getan, da die Heizung auch die Umgebungstemperatur mit einbeziehen und die Temperatur auf einer optimalen Schwelle halten muss, wenn es das System selber nicht kann. Außerdem darf sie das System nicht überhitzen, wenn die Temperatur im Inneren zu steigen beginnt.

Effektiv, effizient, intelligent

Üblich sind Heizungs-Subsysteme, die lediglich aus einem Heizelement und einem Temperatursensor (Thermistor) bestehen. Hier wird eine Zieltemperatur eingestellt, bei der die Heizung ein- oder ausgeschaltet wird. Diese Form von Steuerkreis wird als Bang-Bang-Regelung bezeichnet - und sie ist für Ungenauigkeiten und Verluste berüchtigt. Wesentlich effizienter ist ein proportionaler Steuerkreis, bei dem die Systemtemperatur intelligent ermittelt wird und in Abhängigkeit vom Systemzustand regelmäßige Anpassungen vorgenommen werden.Proportionale Steuerkreise liefern die größtmögliche Leistungs- und Ausgabeeffizienz, allerdings ist ihre Konstruktion kompliziert. Mit einem Heizelement wird die Ausgabe entsprechend der Leistungsstärke gesteuert. Proportionale Heizsteuerungen nutzen deshalb Impulsdauermodulation, um statt nur „An“ oder „Aus“ das gesamte Spektrum der Möglichkeiten abbilden zu können. Natürlich ist ein Sensor nötig, um die Wärmeabgabe zu überwachen. Außerdem werden mehrere Software-Subsysteme benötigt, um die Systemtemperatur intelligent zu verwalten und überwachen.

Proportionale Steuerungen

Doch den Einsatz der Impulsdauermodulation ist es möglich, eine viel feinere Empfindlichkeit und Präzision zu erzielen als mit einer einfachen An/Aus-Regelung. Das Verhältnis zwischen Spannung und Wärme ist jedoch keine einfache Eins-zu-Eins-Korrespondenz. Um effektive proportionale Steuerungen zu konstruieren, müssen Ingenieure die Ausgabe der Impulsdauermodulation so kalibrieren, dass sie bei jeder Temperatur innerhalb des Zielbereichs zu einer spezifischen, vorherbestimmbaren Wärmeabgabe führt. Bevor die Entwickler die Steuerung der Spannungszufuhr und die Wärmewerte angehen, müssen sie den physischen Apparat des Heizsystems selbst konstruieren. Während die Möglichkeit besteht, unabhängige Heizelemente und Sensoren einzusetzen, ist die effizientere Herangehensweise die Integration beider Elemente und die Begrenzung der Temperatursensoren auf die Heizplatte. So vermeidet man mögliche Fehlerquellen und erzielt die bestmögliche Rückmeldung bezüglich der Wärmeabgabe. Durch die Kombination eines Heizelements und eines integrierten Thermistors in Leiterplatten lässt sich der Heizbereich sicher und komfortabel an sehr leitfähige Heizkörper montieren und dann innerhalb des Display-Gehäuses eines Panel-PCs anbringen.

Auf das Notwendige reduzieren

Da die Temperatursensoren dieses Systems direkt in die Heizplatten integriert sind, wird effektiv nur die Ausgabetemperatur an seiner Quelle, dem Heizelement, gemessen. Das bedeutet, dass Zieltemperaturzustände nicht entsprechend der Echtzeit-Bezugswerte, die von der momentanen externen Temperatur herrühren, festgelegt werden müssen, sondern vom Verhältnis zwischen Elemente-Temperatur und momentaner Spannungszuführung, gemessen als prozentualer Anteil der Impulsdauermodulation.Die Ausgabe der Impulsdauermodulation und die Umgebungstemperatur bilden einen zweidimensionalen Steuerungsbereich, in dem eine große Anzahl von Datenpunkten gemessen und bewertet werden muss, um die Verhältnisse zu erstellen, innerhalb derer besondere Kombinationen von Impulsdauermodulationsausgabe und Temperatur der Heizung in der Lage sind, das System innerhalb der Zieltemperatur zu halten. Um diese Verhältnisse abzuleiten, werden die Temperaturen an verschiedenen Punkten innerhalb des Computers gemessen, da die zwei Kontrollwerte über das volle Spektrum möglicher Eingaben beeinflusst werden. So können die Entwickler präzise ableiten, welche Verhältnisse von Wärmeabgaben an Betriebszyklen den gewünschten Temperaturbereich erzielen. Sobald diese Kontrollwerte vorliegen, muss das System keine externen Temperaturwerte mehr berechnen. Einzig das Auslesen der aktuellen Impulsdauermodulation und der Temperatur der Heizplatte ermöglichen es dieser Heizlösung, das System intelligent und effizient innerhalb eines gewünschten Temperaturbereichs zu halten. Das alles wird durch die Eigenheiten des Hardware-Designs kompliziert: Jede neue Hardware-Plattform hat ihr eigenes Wärmeprofil, dessen Verhalten sich bei verschiedenen Temperaturen von Modell zu Modell ändert. Das liegt daran, dass nicht nur die Heizelemente Wärme erzeugen sondern auch die internen Komponente des Computers. Zudem entstehen auf Komponentenebene unvorhergesehene Leistungsveränderungen bei starkem Temperaturabfall, insbesondere bei den Widerständen. Durch zahlreiche Versuche hat Moxa herausgefunden, dass diese Leistungsveränderungen, die Widerstände bei Temperaturabfall erfahren, die Impulsdauermodulations-Ausgabe bei niedrigen Temperaturen auf unvorhergesehene Art und Weise verändern, wodurch das Verhältnis zwischen Impulsdauermodulations-Ausgabe und dem Heizelement so gestört wird, dass das Heizsystem korrumpiert oder sogar beschädigt werden kann. Aus diesem Grund ist im Labor ein unabhängiges Heizprofil - definiert auf Basis der PWM-Betriebszyklen - abgeleitet worden.

Eine letzte Ausfallsicherung

Es gibt eine letzte Ausfallsicherung, die ein intelligentes Heizsystem benötigt: eine Geräteschutzssicherung, die vor Fehlfunktionen des Heizsystems schützt. Auch wenn die Wahrscheinlichkeit, dass ein Heizelement außer Kontrolle gerät, sehr gering ist, so ist es doch sinnvoll, eine Sicherung einzubauen. Denn sie ist gleichzeitig auch die mechanische Garantie dafür, dass sich das System permanent selbst abschaltet, sobald die Sensoren der Heizung eine Temperatur über 55 °C messen. Moxas intelligente Heizlösung Intelligent Heating Solution (IHS) wurde rund um eine proportionale Steuerung konstruiert mit genauem Blick auf robuste Hardware-Spezifikationen und penible Hardware-Profilierung. Das Unternehmen setzt zwei Hardware-Patente ein, die speziell für die IHS entwickelt wurden. Diese machen die neue Serie von Panel-PCs zur optimalen Lösung für Außenanwendungen, die extrem niedrigen Temperaturen ausgesetzt sind. Dank hoher Zuverlässigkeit und Stabilität auch bei Temperaturen unter 0 °C ermöglicht IHS den Panel-Computern der EXPC-1319-Serie den Einsatz in Gebieten, in denen Computer zuvor nicht praktikabel waren. Das stromlinienförmige Panel-Design von EXPC-1319 sorgt zudem für eine hocheffiziente Wärmeableitung, beseitigt Hitzeprobleme und senkt die Wartungskosten. Das Gehäuse von EXPC-1319 ist komplett versiegelt und IP66/NEMA 4x-geschützt, sodass weder Schutzablagerungen noch Staub oder Wasser sein Innenleben beeinflussen können. Das 1.000cd/m2-LCD-Panel bietet Blendschutz-Technologie, um sicherzustellen, dass Informationen auch bei direkter Sonneneinstrahlung klar ersichtlich angezeigt werden. Zusätzlich dazu ermöglicht der kratzfeste Monitor das Tragen von Schutzkleidung während der Bedienung, ohne ihn dabei zu beschädigen.

Wartung aus der Ferne

EXPC-1319 verfügt über eingebaute Diagnosewerkzeuge, die so konfiguriert werden können, dass sie entweder auf Abfrage per Pooling antworten oder aktive Alarme bei SNMP und Modus TCP senden. Unter anderem können die Diagnosewerkzeuge dafür konfiguriert werden, Ereignisse in der CPU zu überwachen und über sie zu berichten.