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Panel-PC in Eiseskälte betreiben

Heizsysteme für Industrie-Computer

Panel-PC in Eiseskälte betreiben

Lange Jahre haben Konstrukteure viel Zeit in das Abführen von Wärme in Industrie-PC investiert. Da Industrieanlagen jedoch zunehmend in Regionen mit großer Kälte errichtet werden, muss die Zuverlässigkeit der Geräte auch in niedrigen Temperaturen sichergestellt werden. Das wird in der Regel mit einer eingebauten Heizung gelöst. Die Systemkomponenten jedoch stets auf der gewünschten Temperatur zu halten, ist wesentlich schwieriger als der Umgang mit der Verlustwärme. Für diese Aufgabe hat der Systemhersteller Moxa eine auf Impulsdauermodulation basierende Heizung entwickelt.

Die Basis-Softwarekomponenten eines Heiz-Designs mit proportionaler Rückmeldung. Der Temperatursensor gibt Daten an eine Vergleichsschaltung aus, welche die Impulsbreitensteuerung dazu veranlasst, die Wärmeabgabe zu reduzieren oder zu steigern. Dies wird vom Thermistor registriert, der diese Information wieder an die Schaltung gibt, welche entweder einen Befehl an die Impulsbreitensteuerung sendet oder das System herunterfährt. Ein derartiger Steuerkreis überwacht und passt das System in einem fortlaufenden Kreislauf an und stoppt nur dann, wenn er sich ausschaltet. Bild: Moxa Europe GmbH

Aus Sicht des Embedded Computing gehören bei der Konstruktion von Panel-PCs für den Einsatz in rauen Umgebungen Temperaturextreme zu den am schwierigsten zu handhabenden natürlichen Bedingungen, insbesondere Frost. Aus verschiedenen Gründen haben sich die Hersteller im Lauf der Jahre allerdings stärker darauf konzentriert, die Einwirkungen von Hitze zu bezwingen. Aufgrund der Vielzahl an Methoden zur Beschleunigung der Wärmeableitung ohne Lüfter oder andere fehleranfällige Geräte sind extrem niedrige Temperaturen die neue Konstruktionsherausforderung geworden. Temperaturen weit unter null Grad fordern Komponenten wie Festplatten und Displays bis hin zum Systemausfall heraus – und die Tatsache, dass zahlreiche Industriestandorte mittlerweile an solche ungemütlichen Standorte verdrängt werden, führt dazu, dass die Nachfrage nach kältetoleranten Maschinen drastisch steigt.

Da Industrie-PCs immer stärker als HMIs eingesetzt werden, ist es in vielen Branchen wichtig, die Zuverlässigkeit dieser Systeme bei extremer Kälte aufrecht zu erhalten. Ein kaltes System zu erwärmen ist jedoch weitaus schwieriger, als ein heißes System zu kühlen. Das Konstruktionsziel ist es, das System auf eine spezifische Temperatur zu bringen, bei der zuverlässiger Betrieb garantiert ist – üblicherweise um die Null Grad Celsius, der niedrigste Grenzwert für die meisten Computer-Komponenten. Fällt die Durchschnittstemperatur unter diese Temperatur, erfahren die meisten Systeme Ausfälle oder Signalkorrumpierung. Die elementare Lösung ist der Einbau einer Heizung, die sich bei der Temperaturschwelle um den Gefrierpunkt einschaltet. Dabei muss die Heizung allerdings auch die Umgebungstemperatur einbeziehen können, die Temperatur auf einer optimalen Schwelle halten, wenn das System es nicht selbst kann und schließlich darf sie das System nicht überhitzen, wenn die Temperatur im Inneren zu steigen beginnt.

Intelligente Heizlösung

Die grundlegenden Hardware-Komponenten eines Heizungssubsystems sind ein Heizelement und ein Temperatursensor. Es reicht jedoch nicht aus, eine Zieltemperatur einzustellen und die Heizung an- und auszuschalten, wenn die Temperatur erreicht ist. Diese Form von Steuerkreis wird oftmals Bang-Bang-Regelung genannt und sie ist berüchtigt für Ungenauigkeit und Verlust. Eine wesentlich effizientere Herangehensweise ist ein proportionaler Steuerkreis, bei dem die Systemtemperatur intelligent ermittel wird und in Abhängigkeit vom Systemzustand regelmäßige Anpassungen vorgenommen werden. Proportionale Steuerkreise liefern die größtmögliche Leistungs- und Ausgabeeffizienz, aber sie zu konstruieren ist kompliziert. Mit einem Heizelement wird die Ausgabe entsprechend der Leistungsstärke gesteuert. Proportionale Heizsteuerungen nutzen deshalb Impulsdauermodulation, um statt nur eines ‚ganz an‘ oder ‚ganz aus‘ Schalters ein Spektrum der Wattage abbilden zu können.

Natürlich ist ein Sensor nötig, um die Wärmeabgabe zu überwachen, und schließlich zwei oder drei Software-Subsysteme, um die Systemtemperatur intelligent zu verwalten und zu überwachen. Jedes dieser Elemente birgt eigene Herausforderungen an die Konstruktion, was die Komplexität proportionaler Steuerungssysteme weit größer macht, als die von Bang-Bang-Regelungen. Im Gegensatz zur proportionalen Steuerung nutzten Heizlösungen in der Vergangenheit im allgemeinen Bang-Bang- (oder Hysteresis-)Steuerungen, die die Heizung bei Erreichen einer Schwellentemperatur an- oder ausschalten. Diese Steuerungen haben jedoch zahlreiche unerwünschte Nebeneffekte und potenzielle Fehlerquellen. Neben wesentlich geringerer Effizienz bergen Heizlösungen mit Bang-Bang-Steuerung das Risiko, die Spannungsversorgung zu verringern und die Plattform für den Absturz empfänglich zu machen. Sie können die internen Komponenten des Computers auch überhitzen und dadurch die mittlere Ausfallzeit verkürzen und die Gesamtbetriebskosten erhöhen. Für sensible Anwendungen, die ein hohes Maß an Zuverlässigkeit und Effizienz erfordern, sind Bang-Bang-Steuerungen schlichtweg zu anfällig.

Proportionale Steuerungen

Durch den Einsatz der Impulsdauermodulation, um dem Heizelement Spannung zuzuführen, lassen sich viel feinere Empfindlichkeit und Präzision erzielen, als mit einfachen An-Aus-Regelungen. Das Verhältnis zwischen Spannung und Wärme ist jedoch keine einfache eins-zu-eins Korrespondenz. Um effektive proportionale Steuerungen zu konstruieren, müssen Ingenieure die Ausgabe der Impulsdauermodulation so kalibrieren, dass sie bei jeder Temperatur innerhalb des Zielbereichs zu einer spezifischen, vorherbestimmbaren Wärmeabgabe führt. Bevor Ingenieure die Steuerung der Spannungszufuhr und die Wärmewerte angehen, müssen sie den physischen Apparat des Heizsystems selbst konstruieren. Während die Möglichkeit besteht, unabhängige Heizelemente und Sensoren einzusetzen, ist die effizientere Herangehensweise die Integration der beiden und – statt Temperatursensoren zu montieren, um zusätzliche externe und interne Messungen vorzunehmen – die Temperatursensoren einzig auf die Heizplatten selbst zu begrenzen. So vermeidet man mögliche Fehlerquellen und erzielt die bestmögliche Rückmeldung bezüglich der Wärmeabgabe. Durch die Kombination eines Heizelements und eines integrierten Thermistors in Leiterplatten lässt sich der Heizbereich an sehr leitfähige Heizkörper montieren und dann innerhalb des Display-Gehäuses eines Panel PCs anbringen. So erhält das Gerät ein sicheres, geschütztes und hocheffizientes Heizelement, das konstante Rückmeldung über seinen temporären Temperaturzustand gibt.

Nur das Notwendige

Da die Temperatursensoren dieses Systems (Thermistoren) direkt in die Heizplatten integriert sind, wird effektiv nur die Ausgabetemperatur an seiner Quelle, dem Heizelement, gemessen. Daher muss in einer Formel eine Beziehung zwischen den Messergebnissen hergestellt werden, um die angestrebte Temperatur zu erreichen. Damit dies funktioniert, muss jede Neukonstruktion einer Plattform vorab im Labor detailliert analysiert werden, um die Ausgabe der Impulsdauermodulation und zahlreiche externe Temperaturwerte festzustellen. Die Ausgabe der Impulsdauermodulation und die Umgebungstemperatur bilden einen zweidimensionalen Steuerungsbereich, in dem eine große Anzahl von Datenpunkten gemessen und bewertet werden. Daraus lassen sich die Verhältnisse erstellen, innerhalb derer besondere Kombinationen von Impulsdauermodulations-Ausgabe und Temperatur der Heizung in der Lage sind, das System innerhalb der Zieltemperatur zu halten. Um diese Verhältnisse abzuleiten, werden die Temperaturen an verschiedenen Punkten innerhalb des Computers gemessen, da die zwei Kontrollwerte über das volle Spektrum möglicher Eingaben beeinflusst werden. Auf diesem Weg können Ingenieure ableiten, welche Verhältnisse von Wärmeabgabe an Betriebszyklen den gewünschten Temperaturbereich erzielen. Sofern diese Kontrollwerte erstellt sind, muss das System als Ergebnis davon keine externen Temperaturwerte mehr berechnen. Einzig das Auslesen der aktuellen Impulsdauermodulations-Ausgabe und der Temperatur der Heizplatte ermöglicht dieser Heizlösung das System intelligent und effizient innerhalb eines gewünschten Temperaturbereichs zu halten.

Jede Hardware ist anders

Das alles wird durch die Eigenheiten des Hardware-Designs kompliziert. Jede Hardware-Plattform hat ihr eigenes Wärmeprofil, und dessen Verhalten ändert sich bei verschiedenen Temperaturen von Modell zu Modell. Das liegt daran, dass nicht nur die Heizelemente Wärme erzeugen, sondern auch die internen Komponenten des Computers – und verschiedene Plattformen erzeugen unterschiedliche Wärmeprofile. Gleichsam entstehen auf Komponentenebene unvorhergesehene Leistungsveränderungen bei starkem Temperaturabfall, insbesondere bei den Widerständen. Durch Experimentieren hat Moxa herausgefunden, dass diese Leistungsveränderungen, die Widerstände bei Temperaturabfall erfahren, die Impulsdauermodulations-Ausgabe bei niedrigen Temperaturen auf unvorhergesehene Art und Weise verändern, dadurch wird das Verhältnis zwischen Impulsdauermodulations-Ausgabe und dem Heizelement so gestört, dass das Heizsystem korrumpiert oder sogar beschädigt wird.

Aus diesem Grund wurde für jede Plattform ein unabhängiges Heizprofil auf Basis der PWM-Betriebszyklen im Labor definiert. Zuletzt kommt eine Geräteschutzsicherung zum Einsatz, die gegen die geringe Wahrscheinlichkeit einer Fehlfunktion des Heizsystems schützen soll, die einen System-Abbrand erzeugen kann. Die Sicherung ist die mechanische Garantie dafür, dass das System sich permanent selbst abschaltet, sobald die Sensoren der Heizung auf eine Temperatur über 55 Grad Celsius steigen. Wenn man sich die Zeit und Gründlichkeit nimmt, die richtigen Komponenten auszuwählen, effektive System-Ausfallsicherungen zu bauen und umfassende Tests sowie eine vollständige Plattformprofilierung durchzuführen, unterstützt ein sicheres, zuverlässiges Heizsystem den Computerbetrieb intelligent innerhalb eines Kältebereichs, in dem andere Plattformen nutzlos wären.