Elektromechanik für Embedded-Systeme

Embedded-Systeme sind nicht nur Hidden Champions der elektrotechnischen Automation. Sie sind ein enormer Marktplatz für Investitionen und Innovationen. Und die hören nicht bei der Prozessorarchitektur auf.

(Bild: Phoenix Contact Deutschland GmbH)

Ob Gebäudeautomatisierung, Personentransport, Industrie- oder Infrastrukturanwendungen – Embedded-Systeme sind in nahezu allen Branchen unverzichtbare Teilsysteme der elektrotechnischen Automation. Als solche erfassen und verarbeiten sie Signale und Daten, steuern Prozesse und bilden die Schnittstelle zwischen physikalischen Systemen, ihren Benutzern und der Umgebung. Wenngleich die eingebetteten Systeme stets dedizierte Aufgaben erfüllen und daher logisch ähnlich aufgebaut sind, orientiert sich die tatsächliche Hardware-Ausstattung an den Anforderungen der jeweiligen Anwendung. Platzbeschränkungen, Schutz vor physikalischen, elektromagnetischen oder mechanischen Störeinflüssen oder die (Echtzeit-)Kommunikation mit der Peripherie und dem Benutzer bilden mal scharfe und mal unscharfe Rahmenbedingungen für den Design-Raum. Und dessen Ausgestaltung endet nicht bei der Auswahl der eigentlichen Kontrolleinheit. Erst die Software, elektromechanische Schnittstellen sowie schützende Gehäuse machen aus Mikroprozessoren und Speichermodulen funktional eingebettete Systeme.

Hohe Anforderungen

Anders als handelsübliche PCs laufen Embedded-Systeme in der Regel im Dauerbetrieb – nicht selten in sicherheitskritischen Anwendungen. Beispiele sind die Car-to-X-Kommunikation, Industrie-PCs zur Maschinensteuerung und Prozessvisualisierungen sowie Smart Meter in der vernetzten technischen Gebäudeausstattung. An die Ausfallsicherheit der verwendeten Komponenten werden in derartigen (semi-)industriellen Anwendungen deutlich höhere Anforderungen gestellt als im Bereich der Heim- und Freizeit-Elektronik. Speziell für diese hohen Anforderungen bietet Phoenix Contact daher unterschiedliche elektromechanische Lösungen. Versteht man Embedded-Systeme als flexibel integrierbare Single-Board-Lösungen, kommt deren Anschlussfähigkeit eine besondere Bedeutung zu. Konventionelle PCI-Busse sind seit den 1990er Jahren als Standardschnittstelle für solche Erweiterungskarten etabliert und erfüllen als 32- oder 64-Bit-Datenbus auch hohe Anforderungen an die Echtzeitdatenübertragung. Häufig sind die Schnittstellen als Edge Connectors – also als Kontaktflächen an den Leiterplattenrändern – ausgelegt und daher auf die koplanare oder orthogonale Ausrichtung der zusätzlichen Leiterplatte beschränkt. Eine platzsparende mezzanine Ausrichtung ist mit dieser technischen Auslegung nicht möglich.

Flexibilität im Layout

Ideal für modulare Teilsysteme: Board-­to-Board-Steckverbinder erlauben die flexible Anordnung von Lei⁠ter⁠platten. (Bild: Phoenix Contact Deutschland GmbH)

Hier kommen nun Board-to-Board-Steckverbinder ins Spiel, die deutlich mehr Flexibilität in der Leiterplattenanordnung und im Geräte-Design mitbringen. Phoenix Contact bietet entsprechende Steckverbinder der Familie Finepitch in den Rastern 0,8 und 1,27mm an. Beide Produktserien eignen sich für die geräteinterne Verbindung mehrerer Leiterplatten. Dank horizontal und vertikal ausgeführter Varianten können Hersteller von Embedded Systemen je nach Anwendung mezzanine, orthogonale oder koplanare Leiterplattenanordnungen umsetzen. Die Steckverbinder für 12 bis 80 Pole lassen Stapelhöhen zwischen 6 und 13,8mm zu – und ermöglichen so flexible Elektronik-Layouts. Auf Wunsch gibt es sie auch mit fertig konfektionierten Steckverbindern und angeschlagenem Flachbandkabel. Für die Highspeed-Datenübertragung eignet sich vor allem die Serie Finepitch 0,8. Die kompakten Steckverbinder übertragen Daten mit bis zu 16Gbit/s und verfügen optional über seitliche Schirmmetalle für eine hohe Datenintegrität. Das neu entwickelte ScaleX-Kontaktsystem dieser Serie sorgt nicht nur für eine hohe mechanische Stabilität. Es erlaubt auch hohe Toleranzen bei produktions- oder montagebedingt abweichend positionierten Messer- und Federleisten. Ihr Fangbereich liegt bei ±0,7mm je Achse, die Winkeltoleranzen liegen beim Stecken bei bis zu ±2° in Längsrichtung und ±4° in Querrichtung.

Funktional verpackt

ScaleX-Kontaktsystem: Die doppelseitig ausgeführten Kontakte sorgen für eine hohe Stabilität und erlauben bis zu 500 Steck- und Ziehzyklen. (Bild: Phoenix Contact Deutschland GmbH)

Mit der Gehäuseserie UCS hat Phoenix Contact auch eine passende ‚Verpackung‘ für Embedded-Systeme im Programm. Die Gehäuse eignen sich hervorragend zur Aufnahme der Raspberry-Pi-Single-Board-Computer. Dank flexibler Leiterplattenbefestigungen können Gerätehersteller aber ebenso einfach Leiterplatten in Standardformfaktoren sowie individuelle Leiterplatten unterbringen. Diese Flexibilität ist für modulare Gerätekonzepte ideal, da sich je nach Anwendung ein oder mehrere Standard- und Erweiterungsboards einbauen lassen. Da in beiden Gehäuseschalen die volle Grundfläche zur Verfügung steht, begrenzt lediglich die Aufbauhöhe der elektronischen Bauteile die Gestaltungsoptionen. Speziell für Prototypen, Kleinserien oder einfache Heimanwendungen bietet Phoenix Contact die Gehäuseserie auch mit vorgefertigten Wandausschnitten für Schnittstellen und Displays der Raspberry-Pi-Varianten B2, B3 und B4. Die Polycarbonat-Gehäuse schützen die eingebauten Minicomputer zuverlässig vor mechanischen und physikalischen Einflüssen und eignen sich sowohl für den mobilen Tischeinsatz als auch für die Wandmontage.

Elektromechanik als Maßanzug

Komplettgehäuse: Elektronikgehäuse der Serie UCS-RPI bieten eine funktionale ­Verpackung für Single-Board-Computer. (Bild: Phoenix Contact Deutschland GmbH)

Embedded-Systeme sind so vielseitig und individuell, dass elektromechanische Standardlösungen häufig nicht alle Anforderungen abdecken können. Ein Beispiel sind explosionsgefährdete Bereiche in der Prozesstechnik. Dort eingesetzte Kommunikationsgeräte, HMI oder Kompaktsteuerungen müssen strenge Anforderungen an die elektrische Sicherheit erfüllen. Dies gilt im Speziellen auch für die Elektromechanik. Luft- und Kriechstrecken, Erwärmungsverhalten, Alterungsbeständigkeit und das Isolationsvermögen der Werkstoffe müssen auf die jeweilige Zündschutzart abgestimmt sein. Kunden, die Embedded Systems für spezielle Einsatzgebiete oder besondere Anforderungen entwickeln, unterstützt Phoenix Contact schon im Planungs- und Entwicklungsprozess mit Werkstoff-, Technologie- und System-Know-how. So entstehen bei Phoenix Contact in der Organisationseinheit Device Connector Solutions kundenspezifische Neuentwicklungen, die – je nach Anforderung – einzelne Komponenten umfassen, Technologien neu kombinieren, oder vollständig neue Lösungen ermöglichen. Neben applikationsspezifischen Gehäusesystemen gehören auch im Kundenauftrag individuell gefertigte Leiterplattenanschlüsse oder Steckverbinder für den Feldeinsatz zum Leistungsspektrum.

Fazit

Eingebettete Systeme sind so vielseitig wie die Branchen und Anwendungen, in denen sie zum Einsatz kommen. Erst die richtige Kombination aus Hardware, Software und Anschlusstechnik macht aber aus Single-Board-Computern oder Erweiterungskarten funktionale Einheiten. Da sich elektronische Bauteile rasant weiterentwickeln und so stets in neue Einsatzgebiete vordringen, sind Embedded Systems auch für die integrierte Elektromechanik ein Innovations- und Investitionstreiber. Phoenix Contact bietet daher vielfältige Lösungen für diesen Wachstumsmarkt. Kompakte Board-to-Board-Steckverbinder ermöglichen besonders flexible Anschlusslösungen. Elektronikgehäuse schützen die integrierte Elektronik. Und die fast 100-jährige Technologie- und Branchenerfahrung gibt Herstellern von Embedded Systems die Gewissheit, schon heute die Innovationen von morgen gestalten zu können

Eckdaten – der Markt

Der globale Markt für eingebettete Elektronik wächst kontinuierlich. Analysten prognostizieren bis 2020 eine Marktgröße von mehr als 210 Milliarden Dollar[1]. Schrittmacher für dieses Wachstum sind die zunehmende Vernetzung und Kommunikation in Schlüsselbranchen wie der Gebäudeautomatisierung, der Automobilindustrie oder der Industrie- und Prozessautomation. Der Großteil des Marktvolumens und -wachstums entsteht durch technologische Fortschritte in der Prozessor- und Kommunikationstechnologie. Wenngleich Embedded-Systeme dem gleichen logischen Aufbau folgen, erlauben erst elektromechanische Schnittstellen und schützende Gehäuse die funktionale Ausgestaltung und Anpassung an unterschiedliche Anforderungen.

[1] www.grandviewresearch.com/industry-analysis/embedded-system-market

[1] vgl. https://www.transparencymarketresearch.com/pressrelease/embedded-system.htm