Checkliste zur Integration von industriellen Touchscreen-PCs mit Schalttafeleinbau für Maschinenbauer

In einem Projekt zur Fabrikautomation mag ein industrieller Touchscreen-PC für den Schalttafeleinbau wie eine Standardkomponente erscheinen. Die Faktoren, die sich auf Entwicklungszeitpläne und langfristige Wartungskosten auswirken, sind jedoch häufig nicht die Prozessorgeschwindigkeit, die Speicherkapazität oder die Bildschirmauflösung. Es sind vielmehr die Integrationsdetails, die erst dann zutage treten, wenn der Schaltschrank und die Maschinenkonstruktion bereits fertiggestellt sind.

Ist der Ausschnitt in der Schalttafel korrekt? Ist hinten genügend Freiraum für den Rechner, die Anschlüsse und die Kabelbögen vorhanden? Können Techniker die Anschlüsse erreichen, ohne andere Steuerungskomponenten entfernen zu müssen? Kommuniziert das neue System mit bestehenden SPSen, Scannern und seriellen Geräten? Falls einige Jahre später ein Austauschgerät erforderlich wird, lassen sich das genehmigte Betriebssystem-Image und die Anwendungskonfiguration effizient wiederherstellen?

Werden diese Fragen bereits vor der Freigabe des Entwurfs geklärt, lassen sich die meisten Probleme durch mechanische Planung, die Auswahl der Ein- und Ausgänge oder eine geeignete Plattformkonfiguration lösen. Werden sie erst während der Endmontage entdeckt, können sie Auswirkungen auf das Gehäuse, die Verkabelung, die Software und den Validierungsprozess haben.

Die folgende Zehn-Punkte-Checkliste hilft Maschinenbauern, Systemintegratoren und Ingenieurteams dabei, eine solide Grundlage zu schaffen, bevor sie einen industriellen Touchscreen-PC für den Schalttafeleinbau in Betrieb nehmen.

Legen Sie die Anwendung fest, bevor Sie den Prozessor auswählen

Der erste Schritt besteht nicht darin, CPUs zu vergleichen. Vielmehr muss definiert werden, welche Aufgaben der industrielle Touch-Panel-PC erfüllen muss.

Ein System, das für die grundlegende Maschinensteuerung, die Parametereingabe und die Alarmanzeige verwendet wird, stellt andere Rechenanforderungen als eine Plattform, die gleichzeitig Datenerfassung, Bildverarbeitung, Datenbankzugriff und Kommunikation mit mehreren Fabriksystemen durchführt.

Eine unzureichende Rechenleistung kann sich auf die Anwendungsleistung und die Reaktionszeit des Bedieners auswirken. Eine übermäßige Rechenleistung kann die Kosten, den Stromverbrauch und den Kühlbedarf erhöhen, ohne einen nennenswerten Mehrwert zu schaffen.

Zunächst sollten die Software, das erwartete Datenvolumen, die Peripheriegeräte, die parallel laufenden Prozesse und realistische zukünftige Funktionen dokumentiert werden. Anschließend können Prozessor, Arbeitsspeicher und Speicherplatz entsprechend einer definierten Auslastung ausgewählt werden.

Die geeignete Plattform ist nicht unbedingt die mit den höchsten technischen Spezifikationen. Es ist vielmehr diejenige, die in der Lage ist, die erforderlichen Aufgaben über den gesamten vorgesehenen Lebenszyklus der Maschine hinweg zuverlässig zu erfüllen.

Überprüfen Sie die Frontblende und den Ausschnitt in der Verkleidung

Ein Einbau-PC wird in der Regel in eine Schaltschranktür, ein Maschinengehäuse oder eine Bedienkonsole integriert. Seine Abmessungen an der Vorderseite, der Ausschnitt und die Befestigungsart müssen daher bereits in der mechanischen Konstruktionsphase festgelegt werden.

Zwei Produkte mit derselben Displaygröße weisen nicht unbedingt dieselbe Frontblende, Gehäustiefe oder dieselben Ausschnittanforderungen auf. Wenn der Platzbedarf ausschließlich anhand der Displayabmessungen ermittelt wird, kann dies bei der Montage des ersten Geräts zu Installationsproblemen führen.

Die technische Zeichnung sollte Folgendes bestätigen:

• Gesamtabmessungen der Frontblende
• Empfohlene Aussparung in der Schalttafel
• Schnittstelle zwischen Computer und Schranktür
• Position und Einbauraum der Befestigungsklammern
• Material der Schrankkorpusse und Plattenstärke
• Abstand zu Tasten, Anzeigen und benachbarten Bauteilen

Einen umfassenderen Vergleich der Installationsansätze finden Sie im Leitfaden von BIS zu Panel PC-Montageoptionen.

Freiraum hinten und Wartungszugang

Dass in einer CAD-Zeichnung genügend Platz für das Gehäuse vorgesehen ist, garantiert noch nicht, dass der Einbau in der Praxis möglich ist.

Der gesamte hintere Einbauraum muss das Chassis, die Steckverbinder, die Stecker, den Kabelbiegeradius, das Befestigungsmaterial sowie Platz für die Hände und Werkzeuge eines Technikers umfassen. Wenn die verlegten Kabel gegen benachbarte Komponenten gedrückt werden, kann es schwierig werden, die Steckverbinder zu entfernen, und die Schranktür funktioniert möglicherweise nicht mehr einwandfrei.

Ein nützliches Modell zur Berechnung des hinteren Freiraums sollte Folgendes umfassen:

• Tatsächliche Tiefe des Fahrgestells
• Länge der Strom- und Signalstecker
• Anforderungen an Kabelbiegungen
• In der Nähe befindliche Kabelkanäle und Steuerungskomponenten
• Platzbedarf für den Betrieb der Befestigungsvorrichtungen
• Demontageanleitung für einen zukünftigen Austausch

Dies ist eine einfache technische Überprüfung, die jedoch später kostspielige mechanische Änderungen verhindern kann.

Erstellen Sie eine E/A-Matrix, anstatt die Anschlüsse zu zählen

Anlagen zur Fabrikautomation können an SPSen, Sensoren, Barcodeleser, Kameras, Kartenleser, Drucker, die Netzwerkinfrastruktur und etablierte serielle Geräte angeschlossen werden. Das Projektteam sollte eine vollständige E/A-Matrix erstellen, anstatt sich lediglich zu vergewissern, dass der Computer über USB-, LAN- und COM-Anschlüsse verfügt.

Die Matrix sollte Folgendes dokumentieren:

• Schnittstellentyp und -anzahl
• Zweck der einzelnen Verbindungen
• Kommunikationsprotokoll und Datenanforderungen
• Position und Ausrichtung des Steckers
• Kabellänge und Befestigungsart
• Etwaige Isolations- oder projektspezifische Bedingungen
• Realistische Anforderungen an die zukünftige Erweiterung

Das Vorhandensein eines Anschlusses bedeutet nicht automatisch, dass dieser auch geeignet ist. Ein Anschluss, der sich hinter einer Befestigungsklammer oder zu nahe an einem Kabelkanal befindet, kann die Montage und Wartung unnötig erschweren.

Durch eine geeignete E/A-Konfiguration lassen sich externe Adapter, Hubs und zusätzliche Verkabelung reduzieren. Dies vereinfacht die Stückliste, verringert mögliche Fehlerquellen und macht die Fehlersuche effizienter.

Bestehende Geräte und Software validieren

Bei vielen Projekten im Bereich der Fabrikautomation wird eine bestehende Steuerungsplattform modernisiert, anstatt bei Null anzufangen. Ein neuer Computer muss unter Umständen weiterhin mit älteren SPSen, seriellen Geräten, dedizierten Steuerungen oder anderen Peripheriegeräten kommunizieren, die nach wie vor einen betrieblichen Nutzen haben.

Überprüfen Sie vor dem Kauf, ob Folgendes zutrifft:

• Betriebssystem und Anwendungssoftware
• HMI oder Programm zur Produktionssteuerung
• Treiber für Peripheriegeräte
• SPS und Kommunikationsgeräte
• Netzwerkkonfiguration und Berechtigungen
• Funktionen für den automatischen Start und die Fehlerbehebung
• Aktualisierungs- und Wiederherstellungsprozess

“Theoretisch kompatibel” und “in der Zielumgebung validiert” sind nicht dasselbe. Die Erstellung eines Prototyps mit der tatsächlichen Software und den tatsächlichen Peripheriegeräten ist in der Regel kostengünstiger als die Behebung von Kompatibilitätsproblemen nach Produktionsbeginn.

Bewertung der thermischen Bedingungen im Inneren des Schranks

Die Betriebsbedingungen eines Industrie-PCs für den Schalttafeleinbau werden nicht nur von der Raumtemperatur in der Fertigungshalle bestimmt. Das hintere Gehäuse befindet sich in der Regel in einem Schaltschrank, in dem sich Netzteile, SPSen, Antriebe und andere wärmeerzeugende Geräte befinden.

Selbst wenn ein lüfterloser Computer ausgewählt wird, sollte das Projektteam Folgendes prüfen:

• Erwartete Temperatur im Schrankinneren
• Lage benachbarter Wärmequellen
• Luftströmung um den Computer herum
• Verstopfung der Wärmeableitungsflächen
• Belüftungs- oder Kühlkonzept für den Schrank
• Software-Auslastung und Betriebsdauer

Eine lüfterlose Architektur verzichtet zwar auf mechanisch bewegliche Komponenten, ersetzt jedoch nicht eine ordnungsgemäße thermische Planung. Das Wärmemanagement sollte bereits bei der Konstruktion des Gehäuses berücksichtigt werden und nicht erst nach der Montage als Korrekturmaßnahme behandelt werden.

Testen der Touch-Bedienung und der Ergonomie im realen Arbeitsablauf

Die Auswahl der Touch-Technologie sollte sich nach dem tatsächlichen Betriebsablauf richten und nicht lediglich auf dem Vergleich von Technologiebezeichnungen beruhen.

Ingenieure sollten ermitteln, ob die Bediener Handschuhe tragen, welche Gesten erforderlich sind, wie häufig Daten eingegeben werden und wie groß die Softwaresteuerelemente sein müssen. Auch die Einbauhöhe, der Betrachtungswinkel, das Umgebungslicht und Reflexionen beeinflussen die Benutzerfreundlichkeit.

Verwenden Sie während der Evaluierung die vorgesehene HMI-Schnittstelle und überprüfen Sie Folgendes:

• Ob häufig genutzte Bedienelemente leicht zu erreichen sind
• Ob Text und Warnmeldungen gut sichtbar sind
• Ob der Bediener eine natürliche Körperhaltung beibehalten kann
• Ob die Benutzeroberfläche versehentliche Berührungen verursacht
• Berührungsempfindlichkeit unter den zu erwartenden Betriebsbedingungen
• Komfort bei längerer Nutzung

Eine erfolgreiche Benutzeroberfläche hängt davon ab, dass Software, Touchscreen, Einbaulage und Maschinenkonstruktion optimal aufeinander abgestimmt sind.

Den Wartungs- und Wiederherstellungsprozess im Voraus planen

Sobald die Anlagen in Betrieb genommen werden, ist der teuerste Teil eines Ausfalls oft nicht der Ersatzcomputer. Es ist vielmehr die Zeit, die benötigt wird, um das Problem zu diagnostizieren, das System auszubauen, die Software wiederherzustellen und die Produktion wieder in Gang zu bringen.

Im Rahmen des Projekts sollte Folgendes festgelegt werden:

• Wer stellt die Erstdiagnose?
• So wird der Computer aus dem Gehäuse ausgebaut
• Ob bei einem Austausch die gleiche Aussparung und die gleichen Kabel verwendet werden können
• Wem gehört das Betriebssystem-Image und wer sorgt für dessen Wartung?
• So werden Anwendungen und Einstellungen gesichert
• Wie die Kommunikation und die Funktionen nach dem Austausch überprüft werden
• Welche Ersatzgeräte oder -komponenten sollten vor Ort vorrätig gehalten werden?

Durch die Standardisierung von Hardwareplattformen, Software-Images und E/A-Konfigurationen über verwandte Produktionslinien hinweg lassen sich die Anzahl der benötigten Ersatzgeräte und die erforderlichen Fehlerbehebungsmaßnahmen reduzieren.

Diese Einsparungen schlagen sich zwar nicht im Anschaffungspreis der Einheit nieder, machen sich jedoch über die gesamte Lebensdauer der Maschine hinweg bemerkbar.

Erwartungen hinsichtlich des Lebenszyklus und des Änderungsmanagements bestätigen

Industriemaschinen bleiben oft länger in Produktion und im Einsatz als Computerprodukte für Endverbraucher. Bei der Lebenszyklusplanung sollte es daher um mehr gehen als nur um die Frage, wie lange ein bestimmtes Modell erhältlich sein wird.

Die Diskussion sollte folgende Punkte umfassen:

• Voraussichtlicher Produktionszeitraum
• Erforderliche Dienstzeit
• Beschaffungsstrategie für Schlüsselkomponenten
• Mitteilung über eine Änderung an einem Produkt oder einer Komponente
• Alternativen nach Ablauf der Lebensdauer
• Auswirkungen auf Ausschnitte, Montage und Verkabelung
• Mögliche Änderungen an Treibern oder Systemabbildern
• Verantwortung für die Validierung nach einer Änderung

Maschinenbauer benötigen nicht unbedingt Hardware, die sich nie ändert. Sie benötigen Änderungen, die vorhersehbar, kommuniziert und beherrschbar sind.

Wenn jedes Plattform-Update neue Konstruktionszeichnungen, Kabelanpassungen und eine Softwarevalidierung erfordert, können anfängliche Einsparungen bei der Anschaffung schnell durch den Entwicklungsaufwand aufgezehrt werden.

Anpassung nur zur Beseitigung echter Integrationsbarrieren

Eine OEM- oder ODM-Anpassung sollte ein definiertes technisches Problem lösen. Je nach gewählter Plattform und den Projektbedingungen kann dies die E/A-Konfiguration, die Anordnung der Anschlüsse, Hardwarekombinationen, Firmware-Einstellungen, System-Images, Befestigungsstrukturen oder das äußere Erscheinungsbild betreffen.

Bevor Sie eine individuelle Anpassung anfordern, unterteilen Sie die Anforderungen in drei Kategorien:

1. Wesentliche Aufgaben: Ohne sie kann die Maschine nicht funktionieren.
2. Effizienzsteigerungen: Sie reduzieren den Aufwand für Montage, Inbetriebnahme und Wartung.
3. Einstellungen: Sie wirken sich hauptsächlich auf das Erscheinungsbild oder die Vertrautheit der Nutzer aus.

Diese Einstufung trägt dazu bei, die Entwicklungskosten und den Umfang der Validierung zu kontrollieren. Ein höherer Anpassungsgrad kann zudem zusätzliche Aufgaben in den Bereichen Zeichnungen, Musterfreigabe, Prüfung, Materialmanagement und Versionskontrolle mit sich bringen.

Eine ausführlichere Erläuterung des Anpassungsprozesses finden Sie unter So entwerfen Sie einen maßgeschneiderten Industrie-PC für OEM-Anwendungen.

Abschließende Überprüfung vom Prototyp bis zur Serienfertigung

Nachdem die ursprüngliche Plattform ausgewählt wurde, sollte bei der Validierung die vorgesehene Produktionskonfiguration zugrunde gelegt werden und nicht nur ein Beispiel, das dieser lediglich ähnelt.

Der Verifizierungsplan sollte folgende Punkte umfassen:

• Einbau in den Schrank und die Schalttafel
• Komplette Verkabelung und Anschlüsse für Peripheriegeräte
• Zielbetriebssystem und Anwendungssoftware
• SPS und Fabrikkommunikation
• Voraussichtliche Rechenauslastung
• Hochfahren, Herunterfahren und Wiederherstellung nach Ausnahmen
• Sicherung und Wiederherstellung des System-Images
• Vorgehensweise beim Ausbau und Austausch
• Endgültige Stückliste und Änderungsprotokolle

Der Maschinenbauer, Systemintegrator und Computerlieferant sollte zudem die Eigentumsverhältnisse an Konstruktionszeichnungen, Software-Images, Prüfprotokollen, Änderungsgenehmigungen und Produktionsrevisionen klären.

Klare Zuständigkeiten verringern Informationslücken, wenn das Projekt vom Prototyp zur serienreifen Produktion übergeht.

Fazit: Die Spezifikationen bringen die Maschine in Gang; die Integrationsplanung sorgt dafür, dass sie läuft

Ein industrieller Touchscreen-PC für den Schalttafeleinbau ist eine wichtige Schnittstelle zwischen Bedienpersonal, Steuerungsgeräten und Produktionsdaten. Für einen erfolgreichen Einsatz reicht es nicht aus, lediglich einen Computer mit ausreichenden technischen Spezifikationen zu finden. Das System muss zudem in das Gehäuse passen, korrekt angeschlossen werden, eine effiziente Softwarebereitstellung ermöglichen, eine praktische Wartung zulassen und über seinen gesamten Lebenszyklus hinweg verwaltbar bleiben.

Für Maschinenbauer und Systemintegratoren besteht der effektivste Ansatz darin, die mechanische Integration, die E/A, die thermischen Bedingungen, die Arbeitsabläufe des Bedieners sowie die Wartungs- und Lebenszyklusplanung zu prüfen, bevor der Schaltschrank und die Softwarearchitektur endgültig festgelegt werden.

Ein Datenblatt gibt Auskunft über die Zusammensetzung eines Produkts. Eine umfassende Integrationscheckliste ermittelt, ob dieses Produkt tatsächlich für die Maschine und deren Produktionsplan geeignet ist.

Planen Sie eine neue Automatisierungsmaschine oder die Modernisierung einer bestehenden Steuerungsplattform? Teilen Sie uns Ihre Schaltschrankzeichnungen, die E/A-Liste, die Softwareanforderungen, die Betriebsumgebung und das geschätzte Volumen mit BIS um einen geeigneten Industrie-Touchscreen-PC für den Einbau in Schalttafeln sowie einen Ansatz für die OEM- oder ODM-Integration zu erörtern.

Frage 1:
Welche Informationen sollten vor der Auswahl eines industriellen Touchscreen-PCs für den Einbau in Schalttafeln überprüft werden?

A1:
Überprüfen Sie die Anwendungssoftware, die Rechenlast, den Schalttafelausschnitt, den Freiraum auf der Rückseite, die E/A-Liste, die Kompatibilität mit Peripheriegeräten, die Betriebsumgebung und den Wartungsprozess, bevor Sie die Konfiguration für Prozessor, Arbeitsspeicher und Speicher festlegen.

Frage 2:
Warum sollte die Aussparung für das Display nicht ausschließlich von der Displaygröße abhängen?

A2:
Produkte mit derselben Displaygröße können unterschiedliche Rahmenabmessungen, Gehäusetiefen, Ausschnitte und Befestigungselemente aufweisen. Die Gehäusekonstruktion sollte der bestätigten technischen Zeichnung entsprechen und Anschlüsse, Kabel, Wärmeableitungs- und Wartungsabstände berücksichtigen.

Frage 3:
Wann sollte eine OEM- oder ODM-Anpassung in Betracht gezogen werden?

A3:
Eine Anpassung sollte in Betracht gezogen werden, wenn ein Standardprodukt wesentliche Anforderungen hinsichtlich E/A, Anschlüssen, Montage, Hardware oder Softwarebereitstellung nicht erfüllen kann und wenn die Änderung einen messbaren Mehrwert für die Integration oder Wartung bietet.