Die richtige Computer-on-Module-Norm für Industrieautomatisierungsgeräte wählen

Industrielle Automatisierung erfordert eine Vielzahl fortschrittlicher elektronischer Systeme, von Maschinensteuerungs- und Datenanalyseplattformen bis hin zu robotergestützten Montagelinien, visuellen Inspektionssystemen, Mensch-Maschine-Schnittstellen (HMIs) und mehr. Innerhalb dieser Systeme ist anspruchsvolles Edge-Computing unerlässlich, um mit einer Vielzahl von Peripheriegeräten zu interagieren und Daten mit minimaler Latenz zu verarbeiten, um sicherzustellen, dass die Ausrüstung sicher und maximal effizient bleibt.

Darüber hinaus müssen diese Systeme in anspruchsvollen Industrieumgebungen zuverlässig arbeiten, da jede Ausfallzeit die Umsatzgenerierungsmöglichkeiten für Hersteller verringert. Um die Betriebszeit zu maximieren, bieten modulare Gerätearchitekturen schnellere Wartung durch leicht austauschbare Komponenten. Mit der richtigen Planung erleichtert die Modularität auch Upgrades, die die Lebenszyklen der Ausrüstung verlängern können, um den Umsatz weiter zu maximieren.

Dieser Blog bietet eine Einführung in offene Computer-on-Module (COM)-Standards als Ansatz zur Ermöglichung von aufrüstbarer Onboard-Verarbeitung. Anschließend werden Auswahlkriterien für Industrieautomatisierungsgeräte erläutert und die langfristigen Auswirkungen der Wahl des COM-Standards durch den Vergleich zweier verschiedener COMs, die denselben Prozessor verwenden, veranschaulicht.

Die Vorteile von COMs in der industriellen Automatisierung

Das auf COM basierende Design nimmt die Kernrechenressourcen eines Systems und platziert sie alle auf einem einzigen Modul, das leicht entfernt und ersetzt werden kann. Dies vereinfacht Reparaturen dramatisch – und minimiert daher Ausfallzeiten – im Vergleich zu monolithischen Systemen, bei denen Prozessoren direkt auf Motherboards gelötet sind. Ebenso unterstützt dieser Ansatz einfachere Prozessor-Upgrades, um die Lebenszyklen der Ausrüstung zu verlängern und gleichzeitig Systeme in das moderne Zeitalter zu führen.

Commercial-off-the-shelf (COTS) COMs, die auf offenen Standards basieren, bieten mehrere zusätzliche Vorteile gegenüber vollständig kundenspezifischen Designs, wenn es darum geht, Geräte schneller zu reparieren oder aufzurüsten:

• Fertiggestellte Computerplattformen bieten eine schnellere Markteinführung und Komponentenverfügbarkeit bei gleichzeitiger Straffung der Entwicklung.
• Standardisierte Integration fördert eine größere Interoperabilität zwischen verschiedenen Verarbeitungs-Chipsätzen und Lösungen über mehrere Anbieter hinweg, was Bedenken in der Lieferkette verringert.
• Hohe Integrationsgrade unterstützen oft industrielle Robustheit, wobei einige Anbieter beispielsweise eine Vorzertifizierung gegen Schock und Vibration anbieten.

Auch als System-on-Modules (SOMs) bekannt, werden COMs typischerweise auf einer kundenspezifischen, anwendungsspezifischen Trägerplatine montiert, die Zugang zu externen Anschlussports, Displays und anderen bedienerorientierten Funktionen bietet. Durch die Beibehaltung des gleichen Trägerdesigns und den einfachen Austausch des COMs durch eines mit demselben Standard und Pinout können Hersteller Produktlinien mit minimalen Hardwareänderungen über mehrere Produktgenerationen hinweg einfach aufrüsten, was erhebliche Entwicklungszeit und -kosten spart. Die Wahl des COM-Standards und das anfängliche Trägerdesign legen jedoch die verfügbaren Schnittstellen für die Anwendung fest, sodass diese Entscheidungen langfristige Auswirkungen haben.

SMARC versus COM Express – Leistung und praktische Umsetzung

Während es viele offene COM-Standards gibt, stellen SMARC und COM Express zwei Standards dar, die sich gut für industrielle Umgebungen eignen. Beide bieten Hochgeschwindigkeitsschnittstellen wie PCI Express (PCIe), USB und Gigabit Ethernet (GbE), um die Hochgeschwindigkeits-Peripheriegeräte von Industriesystemen zu unterstützen, aber es gibt grundlegende Unterschiede zwischen ihnen.

Typischerweise bietet SMARC breite Arm- und stromsparende x86-Unterstützung und richtet sich an kleinere, stromsparende Geräte mit auf Vision fokussierten I/O wie MIPI-CSI für Kameras und LVDS für Flachbildschirme, was es ideal für mobile Einsätze macht. Im Gegensatz dazu umfasst COM Express mehrere Subtypen, die überwiegend leistungsstärkere x86-Prozessoren und höherbandbreitige I/O unterstützen. Dies erhöht die Anwendungsvielfalt auf Kosten eines typischerweise höheren Stromverbrauchs. Die COM Express-Subtypen bieten einen Kompromiss zwischen Platinenabmessungen, Signalgebung und Leistungsaufnahme. Tabelle 1 fasst zusammen, wie sich diese Unterschiede sowohl auf das Trägerplatinendesign als auch auf die Eignung von SMARC vs. COM Express Typ 6 Compact für spezifische Industrieautomatisierungsanwendungen auswirken.

Tabelle 1: Vergleich der Auswirkungen des COM-Standards auf das Trägerplatinendesign und den Anwendungsbereich.

Wenn es darum geht, Ausfallzeiten zu reduzieren und Upgrades zu erleichtern, erhöht die weit verbreitete Arm- und stromsparende x86-Unterstützung von SMARC die Flexibilität beim Austausch von COMs mit minimalem bis keinem Trägerplatinenneudesign – obwohl einige I/O-Unterschiede bei der anfänglichen Konfiguration berücksichtigt werden müssen. Dennoch setzen die weniger Hochgeschwindigkeits-Lanes von SMARC eine niedrigere Leistungsgrenze als COM Express, was die Funktionalität einschränkt. Alternativ bietet COM Express eine flexiblere, leistungsstärkere Alternative zu SMARC mit einem ausgereiften Ökosystem, das nützlich sein kann, wenn Ersatzmodule beschafft werden müssen. Höhere TDP-Chipsätze können es jedoch schwieriger machen, versiegelte, lüfterlose Geräte zu erstellen, die weniger Wartung erfordern, was die routinemäßigen Ausfallzeiten erhöht.

Wie COM-Standards die Gerätefunktionalität definieren

Um die Bedeutung der Wahl des COM-Standards bei der Gestaltung von Industrieautomatisierungsgeräten zu veranschaulichen, wird im folgenden Vergleich gezeigt, wie zwei verschiedene COMs mit identischen Prozessoren dennoch sehr unterschiedliche Potenziale haben.

SECOs industrietaugliche SOM-SMARC-ASL und SOM-COMe-CT6-ASL basieren beide auf den Intel Atom® x7000RE Series Prozessoren – Codename Amston Lake – und unterstützen TSN (Time Sensitive Networking) und TCC (Time Coordinated Computing) Funktionalität, die für eng koordinierte Automatisierungsaufgaben unerlässlich sind. Während beide COMs über einen integrierten Intel UHD-Grafikcontroller verfügen, der bis zu 3 unabhängige Displays unterstützt, zeigt eine detailliertere Analyse – dargestellt in Tabelle 2 – den Fokus von SOM-SMARC-ASL auf Grafik und Netzwerke und die Verschiebung von SOM-COMe-CT6-ASL hin zu Hochgeschwindigkeits-Peripherie- und Massenspeicherschnittstellen.

Tabelle 2: Ein Vergleich der Implementierungen von Intel Atom x7000RE auf verschiedenen COM-Standards.

Durch die Untersuchung beider COMs auf diese Weise wird deutlicher, warum SMARC besser für IoT-Gateways und kompakte HMIs geeignet ist und COM Express in automatisierten Montage- und Inspektionssystemen gedeiht – trotz identischer Prozessoren im Herzen jedes COMs. Für das SOM-COMe-CT6-ASL erleichtert die hohe Leistung pro Watt der Intel Atom-Prozessoren auch die Anforderungen an das Wärmemanagement, was kompaktere Designs als typische COM Express-Lösungen ermöglicht.

Dennoch ist es wichtig zu verstehen, warum die Wahl des richtigen COM-Standards wichtiger ist als spezifische Chipsätze, um Ausfallzeiten zu minimieren und die Lebenszyklen der Ausrüstung zu verlängern: Chipsätze und Leistung können aufgerüstet werden, aber die grundlegende Funktionalität wird durch den Träger und den darauf sitzenden COM-Standard festgelegt.

Weitere Details zu SMARC- und COM Express-basierten Lösungen, die auf Intel Atom-Prozessoren basieren, sind auf SECOs Produktseiten verfügbar.

Wenn diese architektonischen Überlegungen für Ihre Roadmap relevant sind, können Sie uns kontaktieren, um eine technische Diskussion zu beginnen und zu erkunden, welcher Ansatz am besten zu Ihren spezifischen Anwendungsanforderungen passt.