Das richtige Format für kompakte Industrie-PCs

Autor / Redakteur: Peter Hoser * / Margit Kuther

Platzsparende Rechner benötigen spezielle Mainboards. Das Problem: Es gibt zahlreiche Formfaktoren. Die Lösung sind Kits, mit denen sich Entwickler zertifizierte Kompakt-IPCs zusammenstellen können.

Anbieter zum Thema

Fujitsu-Mainboard D3544-S: Das Industrial-Mainboard im Format Mini-STX ist für kompakte Systeme ausgelegt, die beispielsweise mit Intels Prozessorserie „Gemini Lake" bestückt werden.
Fujitsu-Mainboard D3544-S: Das Industrial-Mainboard im Format Mini-STX ist für kompakte Systeme ausgelegt, die beispielsweise mit Intels Prozessorserie „Gemini Lake" bestückt werden.
(Bild: Fujitsu)

Der Bedarf an kompakten Rechnern in der Industrie, dem Handel, der Logistik und anderen Branchen steigt kontinuierlich. Nach Angaben des amerikanischen Marktforschungsunternehmens Transparency Market Research betrug im Jahr 2017 der Umsatz mit Panel-PCs in Europa rund 1,3 Mrd. Dollar. Bis 2025 erwarten die Marktexperten in diesem Bereich eine Umsatzzunahme von 10,7% pro Jahr. Beträchtliche Zuwachsraten sind mit jährlich rund 7% auch bei Industrie-PCs und Embedded Industrial-PCs zu erwarten.

Ein Grund ist, dass immer mehr Komponenten in der Industrie und im Konsumgüterbereich vernetzt werden. Das Internet of Things (IoT) ist in vielen Bereichen anzutreffen, von der Werkzeugmaschine über Geräte in der Medizintechnik bis hin zu Fahrzeugen und Smart-Home-Systemen. Im Handel und Dienstleistungssektor kommen wiederum Kiosk- und POS-Systeme (Point of Sale/Point of Service) zum Zuge, etwa Selbstbedienungsterminals.

Bildergalerie

Kompaktere Mainboards und IPCs sind gefordert

Bislang bestückten Hersteller Indus-trierechner und Embedded-Systeme vor allem mit Mainboards in den Formaten ATX (305 mm × 244 mm), Micro-ATX (244 mm × 244 mm) und Mini-ITX (170 mm × 170 mm). Führende Hersteller wie Fujitsu stellen solche Hauptplatinen in Versionen für unterschiedliche Anforderungen zur Verfügung. Industrielle Mainboards sind für Systeme geeignet, die etwa für einen erweiterten Temperaturbereich und einen Betrieb rund um die Uhr ausgelegt sind. Von Fujitsu zählen hierzu etwa das D3633-S und das D3634-S im Mini-ITX-Format sowie das D3641-S als Mi- cro-ATX-Version und mit dem D3646-S auch ein Modell im klassischen ATX-Formfaktor.

Im Vergleich dazu zeichnen sich Extended-Lifecycle-Boards durch ihre erweiterte Verfügbarkeit für semi-industrielle Anwendungsbereiche aus. In diesem Sektor stellt Fujitsu beispielsweise das D3642-B, D3643-H oder D3644-B mit Micro-ATX bereit. Allerdings haben solche Boards einen Nachteil: Sie eignen sich nur bedingt für besonders kompakte und flache Systeme.

Das gilt speziell für das ATX-Format und dessen Varianten. Derzeit sind kleinere Embedded-Systeme besonders gefragt, vor allem dort, wo Platz Mangelware ist. Einsatzbeispiele aus dem IoT-Bereich sind Gateways und Edge Devices. Ein Edge Device erfasst vor Ort, etwa an einer Fertigungsstraße, Daten von Sensoren und führt eine Vorverarbeitung dieser Informationen durch. Das verkürzt die Reaktionszeiten von IoT-Systemen und entlastet die Server im zentralen Rechenzentrum. Auch Digital-Signage- und Kiosk-Systeme benötigen kompakte inte-grierte Rechner, damit solche Komponenten möglichst wenig Platz in industriellen und semi-industriellen Umgebungen in Anspruch nehmen.

Zu den Mini-Rechnern mit geringem Platzbedarf zählen Intels Systeme der Reihe NUC (Next Unit of Computing), die seit 2012 verfügbar sind. Das NUC ist mit einer Hauptplatine im UCFF-Format (Ultra Compact Form Factor) mit 4 x 4 Zoll (101,6 mm x 101,6 mm) ausgestattet. Dadurch lässt sich der Rechner mit Industrial-PCs (IPCs) vergleichen, die mit Mini-ITX-Boards (170 mm x 170 mm) oder Versionen im Pico-ITX-Format (100 mm x 72 mm) bestückt sind.

Intels Mini-PCs NUC als Industrie-PC

Zu Beginn sprach Intel mit NUC vor allem Nutzer aus dem Konsumbereich an, die beispielsweise einen kompakten Mediaserver oder Desktop-Rechner benötigten. Mittlerweile hat Intel auch Systeme für den Einsatz im semi-industriellen Umfeld vorgestellt. Zudem sind von diversen Anbietern Versionen verfügbar, die als Embedded-Systeme in rauen Umgebungen Verwendungen finden können. Solche NUCs sind beispielsweise mit Gehäusen aus Metall oder Aluminium ausgestattet, die Schutz vor Spritzwasser, Staub und elektromagnetischer Strahlung bieten. Dazu kommen Modelle mit Erweiterungen („Expansion Bays"), die zusätzliche Storage-Komponenten und I/O-Karten aufnehmen können. Dieses wachsende Ökosystem von Gehäusen und Zubehör macht den NUC auch für Nutzer interessant, die einen kompakten Rechner im Embedded-Bereich benötigen.

Hinzu kommt der günstige Preis, der meist unter dem von Tiny PCs liegt. Bei der Preisgestaltung profitiert Intel davon, dass die Rechner mit Prozessoren und Chipsets aus eigener Produktion ausgestattet werden.

Auch ein NUC ist nicht ohne Schwächen

Diesen Vorzügen der NUC-Plattform stehen jedoch einige Schwachpunkte gegenüber. So geht die kompakte Bauform zu Lasten der Anschlussoptionen für externe Geräte. Bildschirme lassen sich beispielsweise nur über Mini-DisplayPort-Stecker anschließen. Fehlende Schnittstellen müssen in Form von Zusatzmodulen bereitgestellt werden, die für den Einsatz in Industrie-PCs spezifiziert wurden.

Jetzt Newsletter abonnieren

Verpassen Sie nicht unsere besten Inhalte

Mit Klick auf „Newsletter abonnieren“ erkläre ich mich mit der Verarbeitung und Nutzung meiner Daten gemäß Einwilligungserklärung (bitte aufklappen für Details) einverstanden und akzeptiere die Nutzungsbedingungen. Weitere Informationen finde ich in unserer Datenschutzerklärung.

Aufklappen für Details zu Ihrer Einwilligung

Die Arbeitsgruppe SDT.03 (Standard Development Team) der Standardization Group for Embedded Technologies (SGeT) hat deshalb im November 2014 die „Embedded NUC“-Spezifikation verabschiedet. In ihr sind die technischen und mechanischen Parameter von NUC-Boards für den Embedded-Bereich festgelegt. Allerdings haben bislang nur wenige Anbieter auf Basis der Spezifikation Komponenten für Industrie- und Embedded-PCs entwickelt. Dies ist vermutlich darauf zurückzuführen, dass das Format von 4 x 4 Zoll viele Einschränkungen mit sich bringt.

So stehen für das NUC nur Dual-Core-Prozessoren zur Verfügung. Diese sind auf der Platine aufgelötet und lassen sich daher nicht austauschen. Solche CPUs kommen normalerweise in mobilen Endgeräten wie Low-End-Notebooks zum Einsatz. Eine höhere Flexibilität würde ein Prozessorsockel bieten, den Nutzer mit CPUs eigener Wahl bestücken können, etwa Versionen mit vier Rechenkernen. Allerdings lassen sich solche Prozessoren wegen ihres TDP-Wertes (Thermal Design Power) von mindestens 35 Watt in einem kompakten NUC-Gehäuse nicht ausreichend kühlen. Dieser Faktor wiegt umso schwerer, da in etlichen Einsatzbereichen in der Industrie lüfterlose IPCs bevorzugt werden.

Alternative Formfaktoren: COM Express Compact und Qseven

Als Alternative zu klassischen Mainboards gelten Lösungen auf Grundlage von Modulen. Zwei dieser Ansätze sind COM Express Compact (95 mm x 95 mm) sowie Qseven (70 mm x 70 mm). COM-Express-Compact-Module verfügen über diverse Anschlüsse, etwa PCI-Express 3.0, USB 3.0, SATA 3, Ethernet und serielle Interfaces. Hinzu kommen integrierte Grafik- und Audio-Chips sowie CPUs, etwa Dual-Core-Prozessoren von Intel. Auch Qseven-Module sind kompakte Rechner mit x86- oder ARM-Prozessoren und Schnittstellen wie PCIe, SATA, USB und Ethernet. Dazu kommen integrierte Grafik- und Audiofunktionen sowie Schnittstellen für LPC (Low Pin Count Interface), den CAN-Bus und SPI (Serial Peripheral Interface).

Dagegen fehlen ältere Schnittstellen wie RS 232. Ein Manko von COM Express Compact und Qseven ist der hohe Preis der Module, bedingt durch hohe Kosten für die hohe Lagenzahl der kleinformatigen Leiterplatte. Ein weiterer Kostenfaktor ist, dass die Module auf einer Basiseinheit aufgesetzt werden müssen – einem Carrier-Board. Für COM Express Compact sind beispielsweise Carrier im Format Mini-ITX verfügbar. Sie stellen die externen Schnittstellen zur Verfügung, etwa USB und Ethernet. Problematisch für Systementwickler und Nutzer ist außerdem der Mangel an standardisierten und kostengünstigen Gehäusen.

Rar in Industriesystemen: Nano-ITX und Thin Mini-ITX

Im Gegensatz zu Lösungen auf Basis von Modulen haben sich Single-Board-Computer im Format 3,5 Zoll (146 mm x 102 mm) bereits im Embedded-Bereich etabliert. Etwa 20% der Stand-Alone-Mainboards für solche Anwendungen entfallen auf diesen Formfaktor. Dagegen haben sich die ITX-Varianten Nano-ITX (120 mm x 120 mm) und Pico-ITX (100 mm x 72 mm) bei Industrial-PCs nicht durchsetzen können.

Eine bessere Alternative ist die Mini-STX-Spezifikation (140 mm x 148 mm), die 2016 vorgestellt wurde. Mit entsprechenden Mainboards mit einem System-on-a-Chip (SoC) sind besonders kleine, energiesparende und dennoch leistungsfähige Rechnersysteme realisierbar. Entwickler von IPCs haben somit mehr Optionen als bei anderen Formfaktoren.

Für Embedded- und Industrial-PCs, bei denen eine besonders flache Bauweise gefordert ist, kommt die Spezifikation Thin Mini-ITX (170 x 170 x 20 mm) in Betracht. Bei diesem Formfaktor ist die Höhe des Systemaufbaus, inklusive Kühlsystemen und Stromversorgung, auf 20 Millimeter begrenzt. Fujitsu hat beispielsweise mit dem D3674-B ein Thin-Mini-ITX-Board für semi-industrielle Anwendungen entwickelt. Typische Einsatzgebiete dieses Mainboards aus der Extended Lifecycle Serie sind flache Bedienterminals, digitale Mischpulte, POS-Systeme sowie Panel-PCs (Human Machine Interface).

Unabhängig davon, welchen Formfaktor Hersteller von IPCs bei Mainboards bevorzugen, stellt sich bei kompakten Industrierechnern mit einem Volumen von etwa einem Liter oder sogar weniger ein grundsätzliches Problem: Komponenten wie Mainboard, Prozessor, das Gehäuse, Erweiterungskarten, Stromversorgung und die Kühltechnik müssen optimal zusammenspielen. Das zu erreichen ist eine Herausforderung, vor allem dann, wenn Standardkomponenten zum Zuge kommen.

Herausforderungen bei kleinen Bauformen

Eine Hürde ist die begrenzte mechanische Komptabilität solcher Komponenten. So ist es erforderlich, eine optimale Position von Prozessor, Steckern und Kabeln zu finden. Das ist in der Praxis oft nur schwer beziehungsweise mit hohem Aufwand zu bewerkstelligen. Hinzu kommt der Faktor Kühlung. Sind die Komponenten nicht optimal aufeinander abgestimmt, besteht die Gefahr, dass sich im Gehäuse und auf den Platinen „Hotspots“ bilden. Solche Hitzeinseln reduzieren nicht nur die Lebensdauer der Komponenten, sondern führen im Extremfall zum Ausfall des Rechners oder des Embedded-Geräts.

Nicht unterschätzt werden sollte zudem der Aufwand für die Zertifizierung der Komponenten und des kompletten Systems. Ein Trugschluss ist beispielsweise, dass für einen IPC bereits dann eine CE-Zertifizierung vorliegt, wenn für jede seiner Komponenten ein solches Zertifikat vorhanden ist. Vielmehr muss das System als Ganzes gemäß CE zertifiziert werden. Die Europäische Union schreibt vor, dass jeder IPC mit einer solchen Kennzeichnung zu versehen ist.

Um eine Zertifizierung zu erreichen, müssen zahlreiche Tests durchgeführt werden, sowohl auf der Komponenten- als auch auf der Systemebene. Das kostet Zeit und Geld.

Lösung: Komplettsystem oder Bausätze

Problematisch ist vor diesem Hintergrund, dass etwa 80% der Industrial-PCs kundenspezifische Anpassungen benötigen. Nur ein Fünftel wird in Standardkonfigurationen ausgeliefert. Den Griff zu einem Standard-IPC bezahlen Nutzer mit einer geringeren Flexibilität. Statt eines Systems, das auf ihre Anforderungen optimal zugeschnitten ist, müssen sie Kompromisse eingehen.

Einen Ausweg bieten Bausätze für Industrial-PCs, etwa die SMARTCASE-Linie von Fujitsu. Mit ihnen können die Hersteller und Nutzer Industrierechner nach ihren Vorstellungen zusammenstellen. Zur Wahl stehen in diesem Fall diverse Mainboards und Versionen von Kühlern und Stromversorgungen. Zudem sind Einbaumöglichkeiten für Riser-Karten verfügbar, außerdem die passende Verkabelung. Ein Vorteil solcher Kits ist, dass alle Bestandteile aufeinander abgestimmt, getestet und zertifiziert wurden. Das gilt auch für die diversen Systemvarianten, die sich damit zusammenstellen lassen. Solche Kits sind daher für alle Anwender interessant, die eine praktikable Lösung suchen, um einen PC für die Industrie zusammenzustellen. Wer dagegen hoch spezielle Anforderungen hat, wird nicht umhinkommen, sich mit den unterschiedlichen Mainboard-Formfaktoren und darauf aufbauenden Systemen auseinanderzusetzen.

* Peter Hoser ist Director Sales OEM bei Fujitsu, Augsburg

(ID:45482909)