Steuerungstechnik Wie es dem Kunden gefällt

Die Anforderungen an Computersysteme in der Automatisierungstechnik sind in den wenigsten Fällen von der Stange. Anders als im Bürobereich gehen die technischen Ansprüche meist deutlich über Tastatur, Bildschirm und Maus hinaus. Analoge I/Os, CAN-Bus und Co. werden in der Consumer-Welt nicht benötigt - sind also auf typischen Consumer Motherboards auch nicht implementiert. Wie lassen sich solche Anforderungen dennoch realisieren? Grundsätzlich gibt es dazu mehrere Ansätze: So lässt sich ein ATX Motherboard mit unterschiedlichen Erweiterungskarten anpassen. Waren das früher ISA- und PCI-Karten, so werden von aktuellen ATX Boards meist nur noch die schnellen und modernen PCI-Express-Karten unterstützt. Die über viele Jahre gewachsene Auswahl an Schnittstellenkarten wurde durch das Verschwinden von ISA- und PCI-Bus leider auch deutlich eingeschränkt. Praktisch ist diese Lösung auch aus mechanischen Gründen oft nicht. Die prinzipiell schon reichlich groß dimensionierten ATX Boards werden durch die senkrecht aufgesteckten Erweiterungskarten unhandlicher und mechanisch instabil. Der vermeintliche Preisvorteil günstiger Consumer-Ware ist schnell verloren, wenn im Halbjahrestakt ein neues Board integriert werden muss, weil der Vorgänger nicht mehr lieferbar ist. Es gibt zwar auch Boards mit längerer Verfügbarkeit, diese sind aber deutlich teurer. Die Mini-ITX Boards sind mit Abmessungen von 170 x 170mm wesentlich kompakter und damit leichter integrierbar. Dafür sind sie teils ohne oder nur mit einem Erweiterungssteckplatz ausgerüstet. Lässt sich dieser per Raiser-Karte flachlegen, ist die Mechanik zwar robuster, führt aber zu Problemen bei der Kühlung wenn die Erweiterungskarten im Weg sind. Auch in Sachen Langzeitverfügbarkeit haben diese Boards kaum Vorteile.

Konzepte mit Träger-Board

Bei Verwendung eines Computer-On-Module-Konzeptes (COM) wird das Prinzip der Erweiterungssteckkarte umgekehrt. Nicht die Schnittstellen werden auf das CPU Board, sondern das CPU-Modul (COM) auf ein Carrier Board gesteckt. Das COM selbst hat keinerlei externe Stecker, alle typischen PC-IOs werden per Board-to-Board-Steckverbinder auf das Träger-Board übertragen. COMs werden in unterschiedlichen, standardisierten Formfaktoren angeboten. Die beiden wichtigsten Vertreter sind COM Express und Qseven. Während COM-Express-Module mit Prozessoren von Intel Atom bis zu Core i7 skalierbar sind, kommen Qseven-Module meist bei kleineren und stromsparenden Anwendungen zum Einsatz, da sie per Definition maximal 12 W Leistungsverbrauch haben dürfen. Carrier Boards gibt es zwar in Standardausführungen zu kaufen, doch die Anforderungen in den unterschiedlichen Automatisierungsbereichen sind so vielfältig, dass in den meisten Fällen ein passendes Carrier Board entwickelt wird. Die Komplexität einer solchen Entwicklung ist meist überschaubar, da der eigentlich schwierige Teil des Computerkerns vom aufgesteckten Modul übernommen wird. Damit kann die Mechanik exakt an die Anforderungen angepasst werden, die Stecker und Bedienelemente können frei auf dem Carrier Board platziert werden. Dies vermeidet eine aufwändige, teure und obendrein fehleranfällige Verkabelung im System. Die COMs sind speziell für embedded Anwendungen konzipiert und sind üblicherweise bis zu sieben Jahre verfügbar. Selbst wenn ein COM nicht mehr erhältlich ist, kann es - aufgrund der klar definierten Standards - ohne Anpassung des Carrier Boards durch ein anderes Modul, notfalls sogar von einem anderen Hersteller, ersetzt werden. Alle COM-Standards definieren neben der Mechanik und der elektrischen Schnittstellen auch ein Kühl-Interface. Dies ist durch einen ebenfalls in der Spezifikation des Standards definierten Heatspreader realisiert. Ja nach Systemlösung wird dieser thermisch an das Gehäuse oder eine andere geeignete Kühllösung angeschlossen.

Bessere Kühlung, mehr Leistung

Die patentierten Heatspreader auf Heat-Pipe-Basis von Congatec bieten eine schnelle Wärmeabfuhr. So bleibt die CPU um bis zu 14 °C kühler, wodurch Verlässlichkeit und Lebensdauer etwa um einen Faktor acht steigen. Bei den aktuellen Intel-Core-Prozessoren mit Turboboost 2 bewirkt eine bessere Kühlung obendrein eine deutliche Leistungssteigerung der Prozessoren, da diese auch dauerhaft übertaktet werden. Alles in allem ist die Entwicklung eines passenden Carrier Boards für COMs aufwändiger, doch die überschaubare Investition ermöglicht einer robuste, verlässliche, preiswerte und langverfügbare Lösung.