Letztes Mal haben wir die Baugröße von Industrie-PCs besprochen, die sich aufgrund unterschiedlicher Einsatzmethoden grob in Rack- und Wandmontage-PCs unterteilen lassen. Diesmal befassen wir uns mit der Designphilosophie der internen Struktur von Industrie-PCs. Bereits Anfang der 1980er-Jahre brachte Analog Devices (AD) in den USA den Industrie-PC MAC-150 auf den Markt, der einem IPC ähnelte. IBM folgte 1985 mit dem IBM 7532, einem Industrie-PC. Ich habe einen Werbetext für den IBM 7532 aus dieser Zeit für Sie: „Leistungsstarke Datenverarbeitung, flexible Netzwerkkommunikation – der IBM 7532 Industrie-PC ermöglicht beeindruckende Automatisierungssysteme.“ [Bild: Silhouette des IBM 7532 Industrie-PCs] Der IBM 7532 wurde für den Fabrikbetrieb entwickelt und verfolgt das zentrale Ziel der computerintegrierten Fertigung (CIM). Er legt den Fokus auf die Schnittstelle zwischen den Produktionsanlagen und verdeutlicht, wie Maschinen automatisch miteinander kommunizieren und interagieren können. Der Industriecomputer IBM 7532 zeichnet sich durch seine praktische Einsatzfähigkeit am Arbeitsplatz aus und berücksichtigt dabei verschiedene relevante Faktoren realer Arbeitsumgebungen. Besonders hervorzuheben ist sein umfangreicher Funktionsumfang, der sich für ein breites Anwendungsspektrum eignet. Ausgestattet mit einem Hochgeschwindigkeits-Mikroprozessor ermöglicht er leistungsstarke Datenverarbeitung und nutzt einen intelligenten Kommunikationstuner für Echtzeit-, verteilte und Hochgeschwindigkeits-Datenverarbeitung. Unabhängig vom Arbeitsbereich erlaubt die Kombination zahlreicher Kommunikationsfunktionen den Aufbau vielfältiger Netzwerke, um spezifische Anforderungen zu erfüllen und die Kommunikation entlang der gesamten Produktionslinie zu optimieren. Zu den Merkmalen des Industriecomputers IBM 7532 gehören: Betrieb unter verschiedenen Temperatur- und Feuchtigkeitsbedingungen; staubdichtes Gehäuse und Festplattenschutz; hervorragender Schutz vor Stößen und elektrischen Schlägen; Netzteil geschützt gegen externe Störungen und Spannungs-/Frequenzschwankungen; Sicherheitsschlüsselschloss zur Verhinderung von Fehlbedienungen und zur Gewährleistung der Datensicherheit; ergonomisch gestalteter System-Reset-Schalter; und ein 19-Zoll-Top-Rack-Design für die einfache Integration in bestehende Systeme. Die Designphilosophie der IBM-Industriecomputer ähnelte damals weitgehend der der IBM AT/XT-Personalcomputer, mit Verbesserungen hinsichtlich Staubschutz, Gehäuse und Festplattenschutz. Die Hauptprozessorplatine nutzte weiterhin die AT-Architektur. Frühe Industrie-PCs waren im Wesentlichen höherwertige PCs. Im Laufe der Zeit hat sich die Architektur von Industrie-PCs jedoch grundlegend verändert und sich aufgrund veränderter Nutzerumgebungen zur heute gängigen Backplane-plus-Steckkarten-Architektur entwickelt. Diese Architektur bietet folgende Hauptvorteile: Reduzierter Wartungsaufwand: Da Industrie-PCs in industriellen Umgebungen weit verbreitet sind, sind Systeme mit Mainboard unflexibel, da für Reparaturen oder Updates das gesamte Mainboard ausgetauscht werden muss. Der Austausch des Mainboards erfordert das Trennen aller Steckkarten und Kabel vor dem Ausbau. Dies führt zu längeren Systemausfallzeiten während Reparaturen oder Updates, was in industriellen Umgebungen inakzeptabel ist. Daher entwickelten die Ingenieure eine andere Methode: die Eliminierung der Mainboard-Architektur und die Integration der Kern-CPU-Prozessoreinheit auf einer Steckkarte, während sich andere Erweiterungsschnittstellen auf der Backplane befinden, die aus Steckverbindern und passiven Bauteilen besteht. Diese Struktur vereinfacht Systemaktualisierungen und -reparaturen mit minimalen Ausfallzeiten. Diese Designphilosophie hat die gesamte Entwicklung von Industrie-PCs beeinflusst. Auch die Embedded-Boards mit PC104-Bustechnologie unserer ECG-Business-Group basieren auf ähnlichen Prinzipien. Advantechs erstes Produkt mit BP-Architektur erschien 1991. Aufgrund des anfänglichen Fehlens eines PCI-Busses basierte dieses Produkt auf dem ISA-Bus. Als sich die PCI-Bustechnologie 1994 als Standard für PCs etablierte, führte die PICMG-Organisation die PCI-Technologie umgehend in die passive Backplane-Struktur ein und schuf damit den PICMG-1.0-Standard auf Basis der ISA/PCI-Technologie. Hervorragende Skalierbarkeit: Neben den bereits erwähnten Hauptvorteilen – kurzen Systemaktualisierungs- und Reparaturzeiten – bietet der PICMG-1.0-Standard einen weiteren entscheidenden Vorteil: hervorragende Skalierbarkeit. In industriellen Umgebungen dienen Industrie-PCs als Steuerzentrale, an die verschiedene Erweiterungskarten angeschlossen werden, vorwiegend frühe ISA-Karten und gängige PCI-Karten, wie beispielsweise die verschiedenen Datenerfassungs- und Messkarten der IAG-Abteilung von Advantech. Je nach Nutzerbedarf variieren die verwendeten ISA- und PCI-Steckplätze. Beispielsweise setzen einige traditionelle CNC-Werkzeugmaschinenhersteller zum Schutz ihrer frühen Investitionen in die ISA-Technologie primär auf herkömmliche ISA-Steuerkarten. Manche Hersteller von Videoüberwachungssystemen benötigen aufgrund der unzureichenden Bandbreite von ISA-Karten für die anspruchsvollen Videobandbreitenanforderungen zwangsläufig PCI-Videoaufnahmekarten. Sie können jedoch gleichzeitig mehrere ISA-Schnittstellen-I/O-Karten für die Verwendung mit Schwenk-/Neigeeinheiten der Kameras auswählen. Daher sind die Nutzeranforderungen an ISA- und PCI-Steckplätze vielfältig. Herkömmliche Mainboards verfügen über eine feste Anzahl von PCI- und ISA-Steckplätzen. Frühe Mainboards boten aufgrund von Platzmangel in der Regel nur drei PCI- und drei ISA-Steckplätze. Da ISA später im Endkundenmarkt schrittweise vom Markt verschwand, verzichteten viele Mainboard-Hersteller aus Kostengründen auf ISA-Steckplätze oder boten nur einen einzigen ISA-Steckplatz an. Für die vielfältigen Anforderungen von Anwendern industrieller Steuerungssysteme ist die Anzahl der von Mainboards bereitgestellten Steckplätze daher zwangsläufig unzureichend. Der passive Backplane-Standard PICMG 1.0 ermöglicht bis zu 20 Steckplätze, wobei die Anzahl der ISA- und PCI-Steckplätze an den Nutzerbedarf angepasst werden kann. Hervorragende Wärmeableitung: Die PICMG 1.0-Architektur trägt zusätzlich zur Wärmeableitung des Gesamtsystems bei. Das Luftstromdiagramm des Systems ist wie folgt: Wärmeableitungsdesign für ein 4U-Rackmount-Gehäuse. Die physische Architektur der Backplane mit Erweiterungskarten weist jedoch auch Nachteile auf. Beispielsweise neigen die Goldkontakte zur Oxidation, und die Steckplätze können sich unter Vibrationen lockern, wodurch die Technologie für korrosive und vibrierende Umgebungen weniger geeignet ist. Um diesen Herausforderungen zu begegnen, führte die Industrie die CompactPCI-Technologie auf Basis der PICMG 2.0-Spezifikation ein. Aufgrund von Faktoren wie Preis und Entwicklungsaufwand konnte sich CompactPCI jedoch lange Zeit nicht am Massenmarkt durchsetzen. Daher hat Advantech als Ergänzung seine Industrie-Motherboard-Serie auf den Markt gebracht (der Markt für Industrie-Motherboards wird später behandelt). Dieser Artikel befasst sich hauptsächlich mit den Vorteilen der passiven Backplane-plus-Plug-in-Architektur (BP), insbesondere hinsichtlich Wartungsaufwand und -freundlichkeit, Erweiterbarkeit und Wärmeableitung. Im nächsten Teil werden wir die Verbesserungen von Advantech im Bereich der Wärmeableitung für industrielle Steuerungsgehäuse weiter erörtern.