Unter, auf und über der Erde

Ölbohrtürme gelten nicht umsonst als eine harte Probe für Hardware aller Art. Nicht nur müssen sie auf den künstlichen Inseln im Atlantik, der Nord- oder Ostsee harschen Umweltbedingungen trotzen, auch die Arbeit, für die sie vorgesehen sind, fordern ihnen einiges ab. So sind dort beispielsweise VMEbus-Steuercomputer in Druckkammern bis zu 3000 m unter der Meeresoberfläche im Einsatz. Dort ist es sehr warm (bis zu 60 °C) und es herrscht ein hoher Druck. Bei Gefahr (beispielsweise, wenn der Bohrer auf ein Öl- oder Gasblase trifft) muss Druckluft direkt vor Ort Ventile mit einem Druck von 800 Bar verschließen, um eine Umweltverschmutzung und einen Energieverlust zu vermeiden. Die Druckluft von der Oberfläche aus zu schalten wäre sinnlos: Bis die Druckwelle in der Tiefe ankommt wäre es zu spät, die Katastrophe zu verhindern. In Eisenbahnen sind die Computer den endlosen Erschütterungen und Vibrationen über Jahrzehnte hinweg ausgesetzt. Außerdem schwankt die Temperatur stark, zwischen sehr heiß und sehr katl.. Beispiele sind VMEbus-Systeme in der U-Bahn von Singapur, im Transrapid in Schanghai oder im Zug „Le Shuttle“, der unter dem Ärmelkanal zwischen England und Frankreich pendelt. Rollendes Material ist so lange im Einsatz, damit es sich amortisiert. Beim Einsatz im nahen Weltraum, auf der ISS oder auf dem Mars mit VMEbus-Systemen, sind problemloser Langzeitbetrieb in einem weiten Temperaturbereich und Strahlenschutz wichtige Kriterien. Temperaturextreme sind im Weltraum normal. Aus Gründen, die unten beschrieben werden, ist bei Anwendungen dieser Art VMEbus-Technik meist die erste Wahl.

Oft erhalten PCs den Titel Industrie-PC wenn ein zusätzlicher Ventilator eingebaut und das Gehäuse etwas versteift wurde. Das sind aber keine Computer für den industriellen Einsatz unter erschwerten Bedingungen. Einige Kriterien für den Einsatz unter widrigen Bedingungen werden in diesem Bericht beschrieben.

Dieser Bericht erscheint in der Rubrik 'Trends'. Daher wird auch über die Vergangenheit und über die mögliche zukünftige Entwicklung geschrieben. Computeranwendungen werden mobiler und sie werden vermehrt unter widrigen äußeren Umweltbedingungen eingesetzt. Diese Thematik ist sehr vielfältig. Aus Platzgründen kann hier nur ein kurzer Überblick gegeben werden.

Anforderungen, Definitionen, Normen
Widrige Umstände oder Umweltbedingungen sind von unterschiedlicher Art und sie sind auch nicht immer alle gleichzeitig relevant. In vielen Anwendungen werden einige Umwelteinflüsse von äußeren Gehäusen abgemildert. So sind beispielsweise die kleinen Häuschen (Basisstationen mit Antennenmast) am Rande von Straßen, Autobahnen oder auf Gebäuden klimatisiert. Der Wärmetauscher und Luftauslass ist meist sichtbar am oberen Ende angebracht. Es ist bei diesen Anwendungen vorteilhaft, wenn die Computer und Hochfrequenzelektronik im Inneren möglichst wenig Energie benötigen. Da sonst eine sehr leistungshungrige Entwärmung über das Jahr gerechnet sehr hohe Kosten verursacht.

Je nach Anwendung sind folgende Umwelteinflüsse und entsprechende Parameter zu berücksichtigen:

• Schutz gegen extreme Temperaturen in der Umgebung
• Vermeidung von hohen Verlustleistungen (Temperaturerhöhung)
•  Schutz gegen das Eindringen von:
  - festen Objekten und Staub (Finger, Werkzeuge, Feinstaub)
  - Flüssigkeiten (Wasser, Salzwasser, Nebel)
  - Gasen (leicht entzündliche oder korrodierende Gase, Schmieröldampf)
• Schutz gegen Stoß und Vibrationen
• Schutz gegen harte Strahlung im Weltraum
  

Beispiele für solche Anwendungen sind der Einsatz von tragbaren Computern (Ruggedized Notebooks, PDAs usw.), die oft in einer rauen Umgebung unter klimatisch widrigen Bedingungen eingesetzt werden. Es gibt geschützte Geräte, die vollständig gegen äußere Einflüsse geschützt sind und teilweise geschützte Notebooks, die nur bestimmten Widrigkeiten widerstehen, so etwa gegen Spritzwasser auf die Tastatur oder gegen Stürze aus geringer Höhe. Diese Geräte sind mit speziellen gehärteten Gehäusen versehen, die schlagfest sind und Spritzwasser sowie Hitze standhalten. Anschlussstellen sind durch Gummi geschützt, um das Eindringen von Feuchtigkeit zu verhindern. Die Festplatte ist gel- oder gummigelagert, um sie vor Stößen zu schützen, und oftmals auch noch extra ummantelt, um das Eindringen von Feuchtigkeit zu verhindern, so dass im Ernstfall zumindest die Daten gerettet sind. Die Widerstandsfähigkeit dieser Geräte kann durch den IP-Schutzgrad angegeben werden. Die Geräte kommen dann zum Einsatz, wenn sie beispielsweise bei der Polizei, beim Militär, bei Pannendiensten, Landvermessern oder ähnlichen Außendienstlern und in industrieller Umgebung eingesetzt werden.

Normen, die beim Einsatz unter widrigen Umständen Anwendung finden gibt es viele. Dar Anwender und der Lieferant müssen die für den Industriebereich gültigen und die für die Anwendung notwendigen Normen oder Standards nach sorgfältiger Auswahl gemeinsam bestimmen. Regionale Unterschiede zwischen internationalen/europäischen und den lokalen Normen in den USA (Beispiel weiter unten) und zunehmend in China müssen berücksichtigt werden. Einige Organisationen die dabei eine Rolle spielen sind hier aufgeführt.

• ANSI (American National Standards Institute)
• ANSI/VITA (ANSI / VMEbus International Trade Association)
• EN (Europäische Normen von CEN oder CENELEC)
• ETSI (European Telecommunication Standards Institute)
• FCC (Federal Communications Commission, USA)
• ICES (Interference-Causing Equipment Standard, CSA, Canada)
• IEC (International Electrotechnical Commission)
• ITU (International Telecommunications Union)
• Telcordia (früher Bellcore, CORE & GR, USA)
• UL (Underwriters Laboratory, USA)
  

Der DAR (Deutscher Akkreditierungsrat) ist für Zulassungen und Überwachung der Prüfstellen in Deutschland zuständig. Das Verfahren dazu ist in der DIN EN 45003 (Verfahren, in dem eine maßgebliche Stelle formell anerkennt, dass eine Stelle oder Person kompetent ist, bestimmte Aufgaben auszuführen) geregelt.

Aus dem Vorrat an Normen, Standards und Spezifikationen hat beispielsweise die PICMG verschiedene, oft nur teilweise, für AMC, ATCA und MicroTCA ausgewählt. Einige davon (nur Umweltrelevante) werden nachfolgend aufgelistet.


* Luft ist nicht gleich Luft. Nachfolgend die Definition nach ISO 2533 und teilweise von MTCA übernommen (daher in Englisch).

• 26 °C (299.15 K), the ISO norm requires 15 °C
• 50 % relative humidity at 16800 Pa
• 101325 Pa absolute pressure
• mixture of various gases, excluding water vapor
• 1.2225 kg/m³ air density
• 0.005 J/kg specific heat
  

Wasserdruck (Pa) ist als Parameter genauer als relative Feuchte, die sehr stark temperaturabhängig ist.

Für die elektrische Sicherheit gibt es ebenfalls eine Auswahl an Normen, Standards und Spezifikationen.



Für die elektromagnetische Verträglichkeit gibt es eine eigene Auswahl an Normen, Standards und Spezifikationen.

Die amerikanische NEBS-Organisation (Network Equipment Building Systems) gibt für den nordamerikanischen Markt wichtige Spezifikationen über die Telcordia-Organisation heraus. Einige davon werden auch in Kanada anerkannt.

Die europäische ETSI-Organisation (European Telecommunications Standards Institute) gibt 'European Telecommunication Standards' (ETS) heraus. ETSI werden über die IEC auch weltweit genutzt.


Beim Einsatz von Steckverbindern beispielsweise in ATCA-Systemen gilt es eine Auswahl aus der Liste der nachfolgend aufgeführten Normen zu beachten.


Muster einer Vergleichstabelle zwischen Umweltanforderungen in Europa (International) und USA/Canada. Dieses Beispiel gilt für ATCA.

Eine weitere Differenzierung erfolgt bei Anwendungen in Japan, Korea oder China und anderen Ländern.

Als Ersatz für nicht mehr gepflegte MIL-Normen oder für neue Anforderungen erarbeitet die VITA ANSI/VITA-Normen und VITA-Standards. Einige davon sind nachfolgend aufgeführt.

Die europäische Bahnnorm EN 50155 und andere stellen deutlich höhere Ansprüche an den Einsatz unter widrigen Umweltbedingungen als die früheren amerikanischen MIL-Standards. Ähnliches gilt auch für die Anforderungen des Deutschen Lloyd für den Einsatz von Computersystemen an Bord von Schiffen.

Nachfolgend einige Adressen von Standardisierungsorganisationen

http://www.ansi.org
http://www.etsi.org
http://www.iec.ch
http://www.ieee.org
http://www.iso.ch
http://www.itu.int
http://www.picmg.org
http://www.telcordia.com
http://www.vita.com


Maßnahmen
Die äußeren Temperaturen sind nur begrenzt änderbar. Die Wärmeerzeugung der Computer-Elektronik und Systeme kann aber durch vielfältige Maßnahmen reduziert werden. Wärme (elektrische Verlustleistung), die nicht erzeugt wird muss auch nicht mit weiterem Energieeinsatz beseitigt werden.

"Eine Reduzierung der Arbeitstemperatur um 10 °C erhöht die mittlere Zeit zwischen Fehlern (MTBF) etwa um das Doppelte (Gesetz von Arrhenius). Die Zuverlässigkeit und die Lebensdauer gekühlter Systeme steigen sehr stark und die Gesamtkosten über die Lebensdauer (TOC) sinken deutlich." Die Wärmeabfuhr mit Luft wird verbessert und längerfristig fast wartungsfrei durch Nano-Beschichtung der Kühllamellen und Luftfilter. Diese Art der Oberflächenbeschichtung wird von Rittal schon für einige Kühlgeräte und Wärmetauscher angeboten. Ähnlich dem 'Lotuseffekt' wird mit der Nanobeschichtung die Haftung von Staub und Fett auf den luftumströmten Oberflächen über lange Zeiträume sehr stark vermindert oder verhindert. Es gibt dann keine Reduzierung der Luftmenge durch Verschmutzung. Luftfilter müssen nur noch sehr selten gewechselt oder gereinigt werden.

Steckverbinder in vibrationsgefährdeten Anwendungen haben vermehrten Abrieb durch Mikrovibrationen. Die meist übliche, sehr dünne Goldschicht wird abgeschabt, dann führen Korrosion und ein höherer Übergangswiderstand zu sporadischen Problemen und Ausfällen. Bei der Einführung des MultiGig-Steckverbinders für VPX (VMEbus-Weiterentwicklung) wurden umfangreiche Tests von einem unabhängigen Institut durchgeführt. Die Festigkeit gegen Mikrovibrationen war das schwierigste Problem. Salznebel, Pilzbefall, Temperatur, Steck- und Ziehkräfte hat der Steckverbinder ohne Probleme bestanden.

Festplatten gelten üblicherweise nicht als robust. Das ändert sich derzeit. Von Seagate gibt es bereits einige Festplattenfamilien für den Einsatz unter extremen Bedingungen. Dazu gehören Dauerbetrieb (24 x 7 x365) und Verfügbarkeit bis mindestens 2012. Die Einsatzparameter sind:

Betriebstemperatur von -30 °C bis +85 °C
Einsatz in Höhen von -300m bis etwa +5500 m Meereshöhe
Vibrationen bis 3 g
Stoßfestigkeit bis 150 g

Bei einem Einsatz in gefährlicher Umgebung trägt ein Arbeiter Schutzkleidung. Beim Einsatz von Computerplatinen werden diese mit einem Schutzlack geschützt. Die Gesellschaft für Korrosionsschutz hat ihren Leitfaden in zweiter Auflage für Auswahlkriterien, Anwendungsgebieten, Anforderungsprofilen und Funktionsprüfung für Schutzbeschichtungen herausgegeben.

Geräte werden gegen das Eindringen von Objekten und Wasser geschätzt. Der Schutzgrad ist in der Norm IEC 60529 definiert. Dort sind die IP-Schutzgrade (Ingress Protection) mit zwei Ziffern definiert. Die erste Ziffer spezifiziert den Schutz gegen Berührung und Fremdkörper (Eindringen von Objekten oder Staub). Die zweite Ziffer spezifiziert den Schutz gegen Wasser. Außerdem gibt es noch weitere Definitionen die durch Buchstaben gekennzeichnet werden. Eine kurze Übersicht gibt die nachfolgende Tabelle.

Ziffer	Schutz gegen Berührung (1. Ziffer)
0	kein Schutz
1	Schutz gegen großflächige Körperteile Durchmesser 50 mm
2	Fingerschutz (Durchmesser 12 mm)
3	Werkzeuge und Drähte (Durchmesser ab 2,5 mm)
4	Werkzeuge und Drähte (Durchmesser ab 1 mm)
5	Staubgeschützt
6	Staubdicht
Ziffer	Schutz gegen Wasser (2. Ziffer)
0	kein Schutz
1	Schutz gegen senkrecht fallendes Tropfwasser
2	Schutz gegen schräg (bis 15°) fallendes Tropfwasser
3	Schutz gegen Sprühwasser bis 60° gegen die Senkrechte
4	Schutz gegen allseitiges Spritzwasser
5	Schutz gegen Strahlwasser (Düse) aus beliebigem Winkel
6	Schutz gegen starkes Strahlwasser (Überflutung)
7	Schutz gegen zeitweiliges Untertauchen
8	Schutz gegen dauerndes Untertauchen

Systeme in einer Büroumgebung sind häufig nach Schutzgrad IP20 aufgebaut. In einer Industriehalle sind es eher IP65 oder IP67.

In den USA gibt es eigene Schutzklassen nach Kriterien der NEMA (National Electrical Manufacturer’s Association), die deutlich von der internationalen Norm abweichen.

Der Begriff 'HotSwap' wird oft in Verbindung mit zuverlässigen Systemen genannt. HotSwap bezeichnet eine Arbeitserleichterung, ist aber kein Qualitätskriterium. Bei HotSwap können Peripheriekarten im laufenden Betrieb getauscht werden, wenn deren Funktion logisch abgeschaltet oder auf eine andere Karte umgeschaltet ist. In großen Telekom-Vermittlungszentralen ist das eine bequeme Art Steckkarten zu tauschen. Üblicherweise geht das nicht mit Prozessor- oder Steuerkarten. Zuverlässige Systeme müssen auch ohne Kartentausch zuverlässig arbeiten. In einem fahrenden Zug wird niemand Karten tauschen, die in einem Schaltkasten auf der Wagenunterseite montiert sind.

Testvorschriften
Baugruppen, Geräte und Systeme, die für einen Einsatz unter erschwerten Bedingungen vorgesehen sind, müssen sowohl bei der Typprüfung als auch einzeln nach der Produktion intensiv getestet werden. Dafür gibt es geräte- und anwendungsspezifische Vorschriften, die aus Teilen der oben genannten Standards zusammengesetzt werden. Dies geschieht üblicherweise in Zusammenarbeit zwischen Lieferant und Kunde oder Anwender. Zum Nachweis der ordnungsgemäßen Durchführung und zur Rückverfolgung bei Problemen gibt es wiederum eigene Standards. Das sind beispielsweise ISO 9000 (Quality Management Systems) oder ISO 14000 (Environmental Management Standards) in unterschiedlichen Varianten für Hersteller Vertreiber und Wartungspersonal. Je nach Industriebereich gibt es dazu noch spezifische Varianten. Einige davon sind:

• AS 9000 (Aerospace)
• IEC 60987 (Nukleare Kraftwerke)
• ISO 13485 (Medical)
• ISO/TS 16949 (Automotive, früher QS 9000 in den USA)
• TL 9000 (Telecom)
  

Die oben genannten Tests des MultiGig-Steckverbinders wurden von Contech Research nach den in ISO 10012-1 and ANSI/NCSL Z540-1 beschriebenen Methoden durchgeführt. Der 122-seitige Testbericht über die mehr als einjährige Untersuchung kann von der VITA-Webseite www.vita.com geladen werden: http://www.vita.com/VITA46ContechTestReportrev1.4.pdf.

Schlussbemerkungen
Die Qualitätsüberwachung von Entwicklung, Produktion und Nutzung von industriellen Produkten ist ein zeit- und kostenaufwändiger Prozess. Dass dies aber alles notwendig ist, kann aus den vielen bekannten und unbekannten Produktrückrufen abgelesen werden. Niemand möchte gerne ein Produkt einsetzen bei dem elektrische Kurzschlüsse oder explodierende Kondensatoren große Schäden verursachen. Die Astronauten in der ISS oder bei anderen Raumfahrtaufträgen verlassen sich auf erprobte und geprüfte Systeme. Tägliche Ausfälle, wie bei Bürosystemen wären hier katastrophal. Unternehmen, die solche Verfahren nicht nur widerwillig einsetzen, weil sie vorgeschrieben sind, sondern aktiv und anwendungsspezifisch nutzen und verbessern, sparen auf Dauer gesehen Kosten und gewinnen an Ansehen im Markt.

Für den Einsatz von Computertechnik unter widrigen Einsatzbedingungen gilt noch mehr als für Alltagsprodukte: Technische Qualität muss hineinentwickelt, nicht herausgetestet oder nachentwickelt werden.

Autor: Hermann Strass