Die Auswahl eines Industrie-PCs für stark vibrationsbelastete Anlagen erfordert mehr als nur die Suche nach einem robusten Computer. Kontinuierliche Vibrationen können elektrische Verbindungen lockern, die Datenübertragung unterbrechen, bewegliche Bauteile beschädigen und Leiterplatten sowie Lötstellen wiederholt mechanisch belasten. Gelegentliche Stöße oder plötzliche Stopps stellen eine weitere Belastung dar.
Der passende Industriecomputer muss daher auf das tatsächliche Vibrationsprofil der Anlage abgestimmt sein. Käufer sollten geprüfte Testbedingungen, Lagerungs- und Kühlkonzept, Anschlusshaltigkeit, Montageart, Stromversorgungsstabilität und Umweltschutz berücksichtigen. Die Prozessorleistung ist zwar wichtig, sollte aber erst nach Feststellung der mechanischen Eignung des Computers in Betracht gezogen werden.
Definieren Sie die Vibrations- und Stoßbedingungen der Ausrüstung.
Beginnen Sie mit der Ermittlung der mechanischen Belastungen, denen der PC ausgesetzt sein wird. Ein Computer, der neben einem stationären Schaltschrank montiert ist, ist nicht denselben Bedingungen ausgesetzt wie ein Computer, der in einem Bergbaufahrzeug, einem mobilen Roboter, einer CNC-Maschine oder einem Vibrationsförderer installiert ist.
Trennung von Vibration und Stoß
Vibration ist eine sich wiederholende Schwingung, die von Motoren, Pumpen, Kompressoren oder durch Bewegung über unebene Oberflächen erzeugt wird. Sie kann sinusförmig sein und mit vorhersagbaren Frequenzen auftreten oder zufällig, wobei die Energie über einen Frequenzbereich verteilt ist.
Ein Stoß ist ein kurzzeitiges mechanisches Ereignis wie ein Aufprall, ein abrupter Stopp oder eine plötzliche Bewegungsänderung. Obwohl Vibration und Stoß oft zusammen aufgeführt werden, werden sie mit unterschiedlichen Testverfahren bewertet. Ein Computer, der für das eine geeignet ist, sollte nicht automatisch auch für das andere als geeignet angesehen werden.
Bevor Sie Industrie-PCs vergleichen, sollten Sie möglichst viele der folgenden Informationen sammeln:
- Schwingungsart: sinusförmig, zufällig oder kombiniert
- Frequenzbereich
- Beschleunigungsniveau, ausgedrückt in g oder Grms
- Dauer und Häufigkeit der Exposition
- Richtung und Anzahl der Achsen
- Erwartete Schocks oder Auswirkungen
- PC-Montageposition
- Ob der PC während der Belichtung in Betrieb sein muss
Sind keine gemessenen Schwingungsdaten verfügbar, können die mechanischen Spezifikationen des Geräteherstellers oder Daten einer vergleichbaren Anlage als Ausgangspunkt dienen. Ziel ist es nicht, einfach den höchsten veröffentlichten Wert auszuwählen, sondern ein Testprofil zu finden, das die beabsichtigte Anwendung angemessen repräsentiert.
Überprüfen Sie die Vibrationstestwerte des Industrie-PCs.
Hersteller verweisen bei der Beschreibung vibrationsfester Industrie-PCs häufig auf IEC 60068 oder MIL-STD-810. Diese Verweise sind jedoch nur dann hilfreich, wenn die zugehörigen Testdetails verfügbar sind.
Zu den relevanten Testmethoden gehören:
| Testmethode | Was es bewertet |
|---|---|
| IEC 60068-2-6 | Sinusförmige Schwingung |
| IEC 60068-2-64 | Breitbandige Zufallsschwingung |
| IEC 60068-2-27 | Mechanischer Schock |
| MIL-STD-810H Methode 514.8 | Vibrationen unter definierten Lebenszyklusbedingungen |
| MIL-STD-810H Methode 516.8 | Stoßfestigkeit unter ausgewählten Verfahren |
Eine Standardbezeichnung steht nicht für einen einheitlichen Schweregrad. Testfrequenz, Beschleunigung, Dauer, Wellenform, Achse und Systemzustand können variieren. Insbesondere MIL-STD-810H bietet Methoden, die an die jeweilige Umgebung angepasst werden müssen, anstatt eine einheitliche Leistungsklasse für alle getesteten Produkte vorzugeben.
Bitten Sie den Lieferanten um einen Prüfbericht oder eine detaillierte Prüfbescheinigung, aus der Folgendes hervorgeht:
- Der genaue Standard, die Methode und das Verfahren
- Frequenzbereich und Schwingungsart
- Beschleunigungs- oder GRMS-Niveau
- Dauer pro Achse
- Anzahl der getesteten Achsen
- Betriebs- oder Nichtbetriebszustand
- Systemkonfiguration, die während der Tests verwendet wurde
- Kriterien für Bestehen/Nichtbestehen
Achten Sie darauf, ob der komplette Computer mit installiertem Arbeitsspeicher, Speicher und Erweiterungsmodulen getestet wurde. Ein Test mit nur dem Gehäuse spiegelt möglicherweise nicht die tatsächliche Konfiguration des Geräts wider.
Bewerten Sie das Hardware-Design hinsichtlich Vibrationsfestigkeit
Die Testergebnisse sollten durch ein Hardware-Design unterstützt werden, das Bewegungen und Verbindungsfehler minimiert.
Bevorzuge lüfterlose, Halbleiterbauweise
Ein lüfterloser Industrie-PC kommt ohne Lüfter aus, die verschleißen, Verunreinigungen ansammeln oder durch Vibrationen instabil werden können. Stattdessen wird die Wärme vom Prozessor an ein Aluminiumgehäuse abgeleitet, das als passiver Kühlkörper dient.
Solid-State-Drives (SSDs) sind in Anwendungen mit starken Vibrationen rotierenden Festplatten vorzuziehen, da sie keine rotierenden Scheiben oder beweglichen Leseköpfe enthalten. Dennoch müssen SSD und Anschluss sicher befestigt werden. Je nach Modell bieten industrielle SSDs zudem eine höhere Temperaturtoleranz, längere Lebensdauer und bessere Kontrolle über den Lebenszyklus.
Das Gehäuse sollte mechanisch stabil sein und die internen Komponenten sicher tragen. Interne Kabel, Speichermodule, M.2-Speicher und Erweiterungskarten sollten mit geeigneten Befestigungsmethoden gesichert werden, damit wiederholte Vibrationen keine allmähliche Bewegung verursachen.
Strom- und E/A-Anschlüsse prüfen
Externe Anschlüsse stellen häufige Fehlerquellen dar. Standardmäßige Netzstecker und ungestützte Kabel können sich bei anhaltender Vibration lockern.
Je nach Anwendung können folgende Funktionen nützlich sein:
- Verriegelbarer Klemmenblock-Stromeingang
- Schraubverriegelbare serielle und Display-Anschlüsse
- Gewindeanschlüsse M12 für Ethernet oder USB
- Verriegelbare USB-Anschlüsse
- Aufbewahrung für Wechseldatenträger und Erweiterungskarten
- Kabelklemmen oder Zugentlastung
Der Steckverbindertyp sollte auch der Installationsumgebung entsprechen. M12-Anschlüsse können an Fahrzeugen oder freiliegenden Maschinen geeignet sein, während Klemmenblöcke und Schraubverbinder in einem geschützten Schaltschrank ausreichend sein können.
Anforderungen an Rechenleistung, Energie und Umweltverträglichkeit erfüllen
Ein vibrationsfestes Gehäuse kann eine falsch dimensionierte Computerplattform nicht ausgleichen. Nach Bestätigung der mechanischen Eignung sollten die Arbeitslast und die Systemschnittstellen bewertet werden.
Für einfache Datenerfassung oder Maschinensteuerung kann ein stromsparender Prozessor ausreichen. Maschinelles Sehen, Echtzeitanalysen und Edge-KI erfordern hingegen eine leistungsstärkere CPU, eine dedizierte GPU oder einen KI-Beschleuniger. Mehr Rechenleistung erzeugt mehr Wärme; prüfen Sie daher, ob das lüfterlose Kühlsystem die Leistung im erwarteten Umgebungstemperaturbereich aufrechterhält.
Prüfen Sie außerdem die erforderlichen Angaben:
- RAM- und Speicherkapazität
- Ethernet-Anschlüsse und Netzwerkgeschwindigkeit
- RS-232-, RS-422- oder RS-485-Anschlüsse
- CAN-Bus und digitale Ein-/Ausgänge
- USB- und Displayausgänge
- PoE-Unterstützung
- PCIe oder andere Erweiterungsmöglichkeiten
Die Stromqualität verdient ebenso viel Aufmerksamkeit. In Geräten verbaute Computer können Spannungsschwankungen, elektrischem Rauschen oder kurzen Unterbrechungen ausgesetzt sein. Je nach Stromquelle ist ein geeigneter Weitbereichs-Gleichstromeingang, Verpolungsschutz, Überspannungsschutz und Stoßspannungsfestigkeit erforderlich. Fahrzeugbasierte Systeme benötigen unter Umständen zusätzlich eine Zündsteuerung und eine verzögerte Abschaltfunktion.
Vibrationen können in Verbindung mit Staub, Feuchtigkeit und extremen Temperaturen auftreten. Prüfen Sie den Betriebstemperaturbereich und den Schutz gegen Eindringen von Fremdkörpern des Computers entsprechend seinem Aufstellungsort. Eine IP-Schutzart an der Vorderseite bedeutet nicht zwangsläufig, dass das gesamte Gehäuse abgedichtet ist. Unterscheiden Sie daher den Schutz der Vorderseite vom Schutz des gesamten Gehäuses.
Planen Sie die Montage und überprüfen Sie das installierte System.
Selbst ein leistungsfähiger Industrie-PC kann bei falscher Installation Leistungseinbußen erleiden. Montieren Sie den Computer gemäß den Herstellervorgaben und befestigen Sie ihn an einer ausreichend stabilen Unterlage. Flexible Paneele können bestimmte Frequenzen verstärken, anstatt den PC sicher zu stützen.
Kabel sollten so befestigt werden, dass ihr Gewicht und ihre Bewegung die Steckverbinder nicht belasten. Vermeiden Sie lange, ungestützte Kabelwege in der Nähe des Computers. Die Befestigungselemente müssen für die Vibrationsumgebung geeignet sein und gemäß dem Wartungsplan des Geräts überprüft werden.
Schwingungsdämpfer reduzieren die übertragene Energie, sollten aber nicht willkürlich ausgewählt werden. Ein ungeeigneter Dämpfer kann Resonanzen hervorrufen, übermäßige Bewegungen ermöglichen oder die Wärmeabfuhr eines lüfterlosen Gehäuses beeinträchtigen. Die Dämpfung sollte auf dem Schwingungsspektrum, der Gerätemasse und der Montageart basieren.
Vor der vollständigen Inbetriebnahme sollte die gesamte installierte Konfiguration unter repräsentativen Betriebsbedingungen getestet werden. Dabei ist Folgendes zu überwachen:
- Unerwartete Neustarts oder Stromausfälle
- Speicher- oder Dateisystemfehler
- Netzwerk- und serielle Kommunikationsausfälle
- Lose Verbindungsstücke oder Befestigungselemente
- Thermisches Drosselungs
- Bewegung der Erweiterungskarten
- Änderungen in den Systemprotokollen
Eine Pilotinstallation ist besonders dann sinnvoll, wenn das Vibrationsprofil unsicher ist oder der Computer auf einer kundenspezifischen Anlage installiert werden soll.
Fazit
Die Auswahl eines Industrie-PCs für stark vibrationsbelastete Anlagen beginnt mit dem Verständnis der Vibrationsquelle, des Frequenzbereichs, der Beschleunigung, der Dauer und der Montageposition. Im nächsten Schritt sollten die vollständigen IEC- oder MIL-STD-Testbedingungen – nicht nur die Zertifizierungsetiketten – verglichen und geprüft werden, wie der Computer Speicher, interne Module, Stromversorgung und I/O-Anschlüsse schützt.
Rechenleistung, Umweltschutz und Stromversorgungskompatibilität müssen anschließend auf die Anwendung abgestimmt werden. Abschließend sollte das Gesamtsystem in der vorgesehenen Montageausrichtung mit allen installierten Kabeln und Erweiterungsmodulen validiert werden.
Der beste vibrationsfeste Industrie-PC ist nicht unbedingt das Modell mit den höchsten technischen Daten. Es ist das System, dessen verifiziertes Testprofil, mechanische Konstruktion und Installationsmethode den realen Betriebsbedingungen der Anlage am besten entsprechen.
