Auslegung auf Zuverlässigkeit reduziert Lebenszykluskosten industrieller Edge-Geräte

Bei der Beschaffung industrieller Edge-Geräte sind die Kosten in der Regel das entscheidende Auswahlkriterium. Für diejenigen, die am Beschaffungsprozess beteiligt sind, ist es jedoch wichtig, die Kosten ganzheitlich zu betrachten.

Je nach Anwendung kann die Auswahl nur auf Basis des günstigsten Preises und ohne Berücksichtigung der Lebenszykluskosten möglicherweise Kosten in einer ganz anderen Größenordnung nach sich ziehen, die mit Gewinnausfall, Rückrufaktionen, frühzeitiger Wiederholungsprüfung und Austausch sowie Geldstrafen verbunden sind. Es ist entscheidend zu verstehen, was die Zuverlässigkeit und die Lebensdauer industrieller Edge-Geräte beeinflusst, um sicherzustellen, dass Zuverlässigkeit und Verfügbarkeit über die Lebensdauer in die Auswahlkriterien einbezogen werden.

Abbildung 1. Vergleich der Betriebstemperatur

Auslegung auf Zuverlässigkeit

Bei der Auslegung auf Zuverlässigkeit geht es darum, die Zuverlässigkeit des Produkts durch das Design zu steigern, indem der Fokus auf die Maximierung der Lebensdauer des Produkts, die Minimierung der Service-Anforderungen, die Verlängerung der verfügbaren Betriebszeit und der Intervalle zwischen Wiederholungsprüfungen und die Reduzierung von Produktionsausfällen gesetzt wird. Diese Ziele werden durch Steigerung der mechanischen Widerstandsfähigkeit, Reduzierung der Betriebstemperaturen, Überversorgung mit Bauteilen, den Einsatz langlebiger Schalttechnik und hochzuverlässiger Teile, die Vermeidung von Bauteilen mit bekanntermaßen kürzerer Lebensdauer, die Maximierung der Montagequalität und die Umsetzung solider Konfigurationsprozesse erreicht.

Auf den ersten Blick klingt dieses Konzept teuer, aber in der Praxis sind die Kosten zur Herstellung eines zuverlässigen Produkts mit einer langen Lebensdauer relativ gering und rechtfertigen die zusätzliche Investition allemal, wenn man sie über die gesamte Lebensdauer des Gerätes betrachtet.

Betriebstemperatur

Die erwartete Lebensdauer der meisten Elektronikbauteile wie Halbleiter, Kondensatoren, Leiterplatten und Lötverbindungen nimmt bei Zunahme der Betriebstemperatur exponentiell ab. Bei der Auslegung eines Edge-Gerätes ist es daher entscheidend, die Betriebstemperatur der Elektronikbauteile weitmöglichst zu reduzieren. Dies wird am besten durch die Optimierung der Wärmeableitung (Erhöhung der Wärmeleitfähigkeit) über die gesamte Strecke zu den Wärmequellen erreicht. Emerson verzichtet beispielsweise auf den Einsatz von Steckverbindern und alle Bauteile einschließlich CPU und Speicher sind gelötet. Somit wird eine Wärmeableitung nicht nur zur CPU, sondern auch zu den Speichergeräten, Chipsätzen und Gleichspannungswandlern geschaffen. In der Folge haben industrielle Edge-Geräte eine um 10 °C niedrigere Betriebstemperatur (Abb. 1), wodurch sich die Lebenserwartung der Bauteile verlängert.

Mechanische Widerstandsfähigkeit

Die mechanische Widerstandsfähigkeit gegen Stöße und Vibrationen ist normalerweise mit Anwendungen in rauen Umgebungen verbunden. Aber auch in unkritischen oder kontrollierten Umgebungen spielt die mechanische Widerstandsfähigkeit in den letzten 10 bis 20 Jahren eine wichtige Rolle. Industrielle Edge-Geräte müssen mit dem Fokus auf eine kostengünstige Widerstandsfähigkeit konzipiert werden. Beispiel: Gehäuse aus robustem Aluminium und interne Leiterplatten mit zusätzlichen Montagpunkten zur Reduzierung der Biegung und Belastung von Lötverbindungen. Bei dem Gerät sollten alle Bauteile gelötet sein, um die Anzahl der internen Verbinder und Kabel zu minimieren. Mechanische Montagehalterungen für PCIe-Karten zum Stecken können für zusätzliche Stabilität und Widerstandsfähigkeit sorgen.

Langlebige Schalttechnik

Marktführende industrielle Edge-Geräte sind so ausgelegt, dass sie mehr als zehn Jahre aktiven Betriebs bei maximaler Betriebstemperatur bieten. Dies wird durch die Unterbeanspruchung und Überversorgung von Bauteilen erreicht, wie z. B. der Einsatz von Kondensatoren mit einer höheren Spannungsspanne, die Auslegung mit zusätzlicher Kapazität, die Dimensionierung von Gleichspannungsspulen für zusätzlichen Strom und die Verwendung von leistungsstärkeren FET-Schaltern. Zudem werden hochwertigere Bauteile wie X7R-Kondensatoren sowie hochwertigere Kristalle und Verbinder von bewährten Anbietern verwendet. Industrielle Edge-Geräte sollten mit einer Wärmeableitung versehen werden, wobei der Einsatz von Lüftern zu vermeiden ist, da sie eines der größten Zuverlässigkeitsprobleme darstellen.

Montagequalität und Test

Anbieter industrieller Edge-Geräte müssen sicherstellen, dass jedes gefertigte Gerät einen umfangreichen Funktionstest durchläuft, bei dem nicht nur die Verbindung zwischen zwei Bauteilen geprüft wird, sondern auch, ob Highspeed-Verbindungen funktionieren und Bit-Fehlerraten innerhalb der erwarteten Grenzen liegen. Jede Einheit muss einem Wärmetest unterzogen werden, bei dem die Wärmeleitfähigkeit zwischen dem Prozessor-Die und dem externen Kühlkörper gemessen wird. Testergebnisse und Protokolle müssen für eine spätere Bezugnahme aufbewahrt werden.

Konfigurationssteuerung

Die Auslegung auf Zuverlässigkeit muss alle Phasen der Lebensdauer des Produkts umfassen, einschließlich der Konfigurationssteuerung. Elektronische Bauteile werden oft gewechselt oder werden obsolet, was den Einsatz von Alternativen und die Notwendigkeit nach Design-Änderungen erzwingt. Der Bauteilwechsel kann schnell außer Kontrolle geraten und man hat zwei Edge-Geräte, die augenscheinlich gleich sind, aber ein etwas anderes Funktionsverhalten aufweisen. In manchen Branchen wie der Halbleiterherstellung ist die Vermeidung dieser Produktabweichung entscheidend, weil auch scheinbar unkritische Design-Änderungen beachtliche Auswirkungen auf den Prozess haben können, der von dem Edge-Gerät gesteuert wird.

Fazit

Es werden nicht alle Edge-Geräte gleich hergestellt, manche sind auf eine bessere Zuverlässigkeit und längere Lebensdauer ausgelegt. Die Auswahl des günstigsten Edge-Gerätes kann bei der Beschaffung ein paar Euro einsparen, kann aber zu Produktionsverlusten, Service-Kosten und Materialausschusskosten in Millionenhöhe führen, ganz zu schweigen von den Kosten für die entgangenen Möglichkeiten eines Engineering-Teams, das immer wieder durch Störungsbeseitigung und Service-Aufgaben abgelenkt wird. Mit der Entscheidung für ein Edge-Gerät, das explizit für eine Lebensdauer von mehr als zehn Jahren ausgelegt ist, kann sich der Anwender auf die Aufgaben konzentrieren, die wirklich wichtig sind.