Mitä tekee upotetun teollisuus tietokoneen kompaktiksi?

Kompaktien upotettujen teollisuustietokoneiden ydinsuunnitteluperiaatteet

Pienentäminen, kestävyys ja lämmönhallinta tasapainossa

Kun suunnitellaan kompakteja upotettuja teollisuuskohtaisia tietokoneita, insinöörien on otettava huomioon useita tekijöitä, kuten koko-rajoitukset, järjestelmän kestävyysvaatimukset ja tehokas lämmönhallinta. Kun laitteet pienenevät, komponentit sijoitetaan tiukemmin toisiinsa, mikä aiheuttaa lisää lämpöongelmia ja heikentää koko järjestelmän mekaanista vakautta. Tämän ongelman ratkaisemiseksi monet insinöörit käyttävät johtumisella jäähdytettäviä ratkaisuja. Kuparista valmistetut lämmönjohtoputket toimivat erinomaisesti siirtäessään lämpöä suoraan prosessoreista alumiinista valmistettuihin koteloihin, jotka on puristettu erityisesti tähän tarkoitukseen. Tämä ratkaisu poistaa kokonaan tuuletinjärjestelmän, mikä tarkoittaa, että vikaantumisen mahdollisuus vähenee ajan myötä. Itse kotelot ovat täysin tiukat ja täyttävät IP65-luokituksen, joten ne kestävät hyvin pölyä, kosteutta ja jopa melko voimakkaita värähtelyjä (noin 5 Grms). Oikeiden materiaalien valinta on myös erinomaisen tärkeää. Magnesium-alumiiniseokset vaimentavat värähtelyjä noin 40 prosenttia paremmin kuin tavallinen teräs, ja niillä on edelleen hyvä lämmönjohtokyky yli 90 W/mK:n tasolla. Kun kaikki nämä näkökohdat otetaan huomioon suunnittelussa, nämä järjestelmät toimivat luotettavasti äärimmäisissä lämpötiloissa, jotka vaihtelevat –40 °C:sta +85 °C:een. Tämä tekee niistä erinomaisen soveltuvia tiukkiin tiloihin, joissa luotettavuus on ratkaisevan tärkeää, kuten robottikäsien sisällä tai mobiilisissa ohjausyksiköissä, jotka täytyy saada toimimaan vaativissa olosuhteissa.

SoC:n valinta ja integrointi: Kuinka System-on-Chip -arkkitehtuuri mahdollistaa kompaktisuuden

SoC-arkkitehtuuri muodostaa nykyaikaisten kompaktien upotettujen järjestelmien perustan. Kun valmistajat yhdistävät yhdeksi piirisirjaksi keskusprosessorit (CPU), grafiikkaprosessorit (GPU), muohtokontrollerit sekä kaikki ne I/O-liittimet, kuten laitteistopohjaiset salausmoduulit ja CAN-bus-tuki, osien määrä vähenee noin 60 % verrattuna vanhempiin ratkaisuihin, joissa käytettiin useita erillisiä piirisirjoja. Käytännössä tämä tarkoittaa pienempiä emolevyjä ja ei enää tarvita erillisiä laajennuskortteja, liitoskohtia tai liittimiä, jotka ajan myötä yleensä epäonnistuvat. Useimmat SoC:t toimivat alle 15 watin lämmönerottokyvyllä (TDP), mikä mahdollistaa niiden käytön ilman tuuletinta jopa hyvin pienissä kotelossa, jonka mitat ovat vain 100 × 100 millimetriä. Lopputulos? Voimakkaita laskentamahdollisuuksia pakattuna näihin pieniin paketteihin, samalla kun säilytetään hyvät I/O-vaihtoehdot, kyky kestää vaativia ympäristöolosuhteita ja helppous huollon suorittamisessa tarvittaessa.

Ilman tuuletinta toimiva jäähdytys ja tiukka kotelointi tila-ajoista asennusta varten

Johtumalla jäähdytetty lämmönhäviö ilman tuuletinta toimivissa upotettuissa teollisuus tietokoneissa

Ilman tuulettimia toimivat upotetut teollisuus tietokoneet käyttävät lämmönpoistoon johtumista sen sijaan, että ne käyttäisivät tuulettimia. Prosessorien ja piirisarjojen lämpö siirtyy suoraan metallikoteloon erityisten lämmönjohtavien materiaalien ja johtavien metallien, kuten alumiinin tai kuparin, kautta. Koko kotelo toimii passiivisena lämmönvaihtimena, joten sisällä ei tarvita ilman liikettä. Ponemon-instituutin vuoden 2023 tuoreen tutkimuksen mukaan tämä lähestymistapa tekee näistä järjestelmistä noin 30 % luotettavampia likaa ja epäpuhtauksia vastaan verrattuna tavallisiin tuulettimilla jäähdytettäviin malleihin. Tiukka suojaus estää kaikenlaiset haitallisesti vaikuttavat aineet, kuten pölyä, kosteutta ja kemikaaleja, pääsemästä sisään – mikä on erityisen tärkeää esimerkiksi elintarviketeollisuuden tehtaissa, laboratorioissa ja kemiateollisuuden tehtaissa. Kuinka järjestelmä käsittelee lämpöä? Lämmönjakosuunnittelu on huolellisesti tehty siten, että lämpö ohjataan herkiltä tulo/lähtöalueilta kohti koneen viileämpiä osia. Tämä auttaa pitämään kaiken toiminnassa tasaisesti myös kapeissa tiloissa, kuten ohjauspaneelien sisällä tai suoraan koneiden vieressä. Nämä järjestelmät toimivat luotettavasti erinomaisen kylmissä olosuhteissa, jopa –40 °C:n lämpötilassa, sekä erinomaisen kuumaissa olosuhteissa, jopa 85 °C:n lämpötilassa. Lisäksi ne toimivat täysin hiljaisesti ilman minkäänlaista huoltoa ja kestävät värähtelyjä sotilaallisissa standardeissa (MIL-STD-810H) määritellyn 5 G:n voiman verran.

Johtumalla jäähdytettävien ratkaisujen keskeiset edut:

• Ei huoltotarvetta – ei suodattimia, laakerikomponentteja tai vaihdettavia liikkuvia osia
• Hiljainen toiminta, ideaali melunherkille ympäristöille
• Luonnollinen kestävyys pölylle, kosteudelle ja värähtelyille
• Täysi teollinen lämpötila-alue (–40 °C – 85 °C)

Standardoidut kompaktit muotokoot ja kiinnitysratkaisut

Nano-ITX-, Pico-ITX- ja 3,5 tuuman SBC:t: koko, I/O-liitännät ja käyttötapa sopivat upotettuihin teollisiin tietokoneisiin

Kun kyseessä ovat kompaktit upotetut järjestelmät, standardoidut muotokoot tekevät elämästä helpompaa, koska ne varmistavat ennustettavan skaalautumisen ja yhteensopivuuden eri komponenttien välillä. Otetaan esimerkiksi Nano-ITX -piirit, joiden koko on 120 × 120 millimetriä. Nämä pienet piirit löytävät ihanteellisen tasapainon riittävän pienessä koossa ja silti tarjoavat kohtalaisia ominaisuuksia, kuten kaksi Ethernet-liitäntää, useita USB-portteja sekä kyvyn suorittaa keskitasoisia laskentatehtäviä. Siksi niitä valitaan usein digitaalisten tietokyltteiden tai yksinkertaisten paikallisesti toteutettavien automaatiohankkeiden käyttöön. Sitten on vielä pienempi Pico-ITX -piiri, jonka mitat ovat vain 100 × 72 mm. Se on tarkoitettu tilanteisiin, joissa tila on erityisen rajallinen. Tehonkulutus pysyy tässä tapauksessa alle 10 watilla, mikä on erityisen tärkeää, kun laitteita asennetaan kapeisiin tiloihin. Perusverkkoyhteyden mahdollisuudet täyttävät useimmat tarpeet myös tässä tapauksessa. Jos tehtävä vaatii kuitenkin kestävämpää ratkaisua ja vanhoja teollisia liitäntöjä, kannattaa suoraan kääntyä 3,5 tuuman yksipistepiirien (Single Board Computers) pariin, joiden koko on noin 146 × 102 mm. Ne sisältävät runsaasti erilaisia syöttö- ja tulostusliitäntöjä, mukaan lukien RS-232/485 -linjat, GPIO-napit ja CAN-verkkotuen. Lisäksi nämä piirit kestävät ankaria ympäristöolosuhteita – lämpötilaväliltä jääkylmästä (−40 °C) aina kuumuuteen (85 °C). Periaatteessa jokainen piirikoko edustaa tiettyä suunnittelustrategiaa: Pico-ITX keskittyy mahdollisimman pienentämiseen, Nano-ITX tarjoaa hyvän suorituskyvyn kohtalaisissa mitoissa, kun taas suuremmat 3,5 tuuman versiot ovat osoittaneet kestävyytensä vaativissa teollisissa käyttöympäristöissä niiden vahvan rakenteen ja laajennusmahdollisuuksien ansiosta.

DIN-rautaa, paneeliasennusta ja VESA-yhteensopivia suunnitteluja teollisiin käyttökohteisiin

Joustavat kiinnitysvaihtoehdot tekevät näiden järjestelmien asentamisesta helppoa kaikenlaisiin teollisiin ympäristöihin. DIN-kiinnikkeet noudattavat IEC 60715 -standardia, mikä tarkoittaa, että teknikot voivat asentaa tai vaihtaa komponentteja nopeasti ilman työkaluja sähkökaapissa. Tämä vähentää käyttökatkoja huoltotarpeen yhteydessä. Paneelikiinnitysversiot sopivat suoraan HMI-suojakoteloihin tai ohjauspaneelien sisään, yhdistäen laskentatehon ja käyttöliittymät yhteen helposti päästävään paikkaan. Niille, jotka haluavat säästää tilaa, on saatavilla myös VESA-yhteensopivia kiinnikkeitä sekä 75 × 75 mm että 100 × 100 mm -kokoisissa versioissa. Nämä mahdollistavat laitteiden sijoittamisen siististi näyttöjen taakse esimerkiksi kioskeihin, lääkintälaitteisiin tai testausasemiin. Teollisuuden tiedot osoittavat, että näiden standardikiinnitysratkaisujen käyttö räätälöityjen kiinnikkeiden sijaan voi vähentää asennusaikaa noin 40 %. Lisäksi ne pitävät kokonaisjärjestelmän kokonaismitat pieninä samalla kun ne täyttävät ympäristövaatimukset.

I/O-tiukkuus ja laajennettavuus kompromissitta kompaktisuuden kanssa

Korkean I/O-tiukkuuden saavuttaminen pienissä teollisuus tietokoneissa ei tarkoita vain liittimien tiukentamista yhteen. Sen sijaan kyse on älykkäistä suunnitteluratkaisuista. Valmistajat käyttävät modulaarisia liittimiä, jotka on pakattu tiukasti yhteen, sekä pinnoitettuja USB-liitäntäpääliittimiä kenttälaitteiden kytkemiseen hyvin pienille piirikorteille. Nämä järjestelmät toimivat hyvin melkein kaikkien anturien, toimilaitteiden tai vanhojen teollisuusprotokollien kanssa. PCIe-yhteydet kulkevat suoraan pääpiiristä laajennusliittimiin, mikä tarkoittaa, että yritykset voivat myöhemmin päivittää järjestelmiään esimerkiksi koneenäköön, moottorien ohjaukseen tai langattomien ominaisuuksien lisäämiseen ilman, että tarvitaan suurempia koteloita. Myös lämmönhallinta on tärkeää. Insinöörit sijoittavat lämmön tuottavat komponentit poispäin syöttö/lähtöalueilta ja ohjaavat lämmön kohti kotelon osia, jotka edistävät luonnollista lämmön poistumista. Kaikki nämä tekijät pitävät signaalit puhtaina, lämpötilat vakaina ja varmistavat, että nämä kompaktit järjestelmät säilyvät ajantasaisina myös teknologian kehittyessä. Tehtaissa, joissa tila on rajallista, tämänlainen tiukka yhteys tekee kaiken eron silloin, kun tila on erityisen arvossa.

UKK: Tiukat upotetut teollisuustietokoneet

Mitä hyötyjä johtumisjäähdytyksestä on teollisuustietokoneissa?

Johtumisjäähdytys teollisuustietokoneissa ei vaadi huoltoa, koska siinä ei käytetä tuulettimia – täten ei tarvita suodattimia, laakerointeja tai vaihtoehtoisia liikkuvia osia. Se mahdollistaa myös äänettömän toiminnan, mikä tekee siitä ideaalin ratkaisun meluherkille ympäristöille, ja se on kestävä pölylle, kosteudelle ja värähtelyille.

Kuinka tiukat upotetut järjestelmät käsittelevät äärimmäisiä lämpötiloja?

Tiukat upotetut järjestelmät on suunniteltu kestämään äärimmäisiä lämpötiloja käyttämällä materiaaleja, kuten magnesium-alumiiniseoksia, sekä johtumisjäähdytysjärjestelmiä. Ne voivat toimia luotettavasti lämpötilavälillä −40 °C–85 °C, mikä tekee niistä sopivia ankaria olosuhteita vaativiin käyttökohteisiin.

Miksi standardoidut muotokoot ovat tärkeitä tiukoissa upotetuissa järjestelmissä?

Standardoidut muotokoot, kuten Nano-ITX, Pico-ITX ja 3,5 tuuman SBC:t, varmistavat yhteensopivuuden ja laajennettavuuden, mikä mahdollistaa eri komponenttien tehokkaan yhteistoiminnan. Tämä takaa ennustettavan suorituskyvyn ja yksinkertaistaa integrointia eri sovelluksissa.