坚固耐用的电子产品需要特别注意

应对在恶劣环境下设计敏感电子产品的挑战。

应对在恶劣环境下设计敏感电子产品的挑战。

在美国海军的军事现场模拟中,小屋内部的加固型机架安装计算机系统遭受了40G的冲击。深度为24英尺的四个独立爆炸,模拟了舰船或潜艇的攻击。图片由CP Technologies提供。


考虑以下情况。新的轨道交通铁路系统的设计人员希望使用最新的物联网(IoT)技术来收集,处理和解释除铁路车辆物流之外的各种实时数据,例如振动和冲击,环境条件和音频/视频监控。基于IT的分析建议所有传感器和其他现场监视设备都需要现场PC级设备的支持,而不仅仅是在办公室。您在哪里购买可以监视大量输入并能承受现场部署的计算机设备?

在远程或恶劣的环境中使用计算机和其他技术设备没有什么新意。石油,天然气,军事和建筑是许多现成的商业(COTS)产品无法提供所需可靠性,耐用性或技术规格的市场中的三个。此外, 分布式自治的新产品范式 新兴的技术将为远程部署的IT硬件带来新的挑战。联合驾驶和自动驾驶汽车,无人驾驶飞机,半自动机器人以及许多其他新产品将使他们的电子设备经受24/7办公环境之外的严酷生活。

当前,在加固型计算机设备中,工程思想的领导地位并非来自传统的计算机硬件供应商或工程软件供应商。相反,它来自于组件制造商,他们专门研究在恶劣环境中保护和支撑计算机的机箱,外壳,机架,外部电缆和其他部件。

CP技术是这个不断发展的领域中的一个组织,直到最近才被称为Chassis Plans。 CP已经为工业和军事应用提供坚固耐用的计算机设备,已有20年的历史了。“多年来,使用COTS组件设计加固型计算机的某些方面保持不变,而其他方面则发生了很大变化,”联合创始人史蒂夫·特拉维斯(Steve Travis)说,他现在是CP Technologies的首席运营官。

特拉维斯(Travis)归功于“vast design library”并与客户密切合作进行新产品的初始设计,以使其成为坚固耐用的计算机设备制造商。“We hear ‘我们需要一台坚固的计算机’对我们来说,就像‘we need a tire,’”CP Technology首席执行官Mike McCormack说。由于环境变量和性能规格太多,因此第一步是仔细定义项目。

“我们执行通常的模拟和分析程序,包括流量模拟,”CP的机械和热力设计工程师Drew Castle补充道。“CAE给了我们10,000英尺的空间。观点,但是我们看到在物理测试中更多的价值。我们在前端使用CAE。”

用于美国海军部署的新型工作站计算机的加固型机箱。 图片由CP Technologies提供。

Travis将一个最近的项目描述为CP项目的典型工作流程。美国海军想要新的4U计算机工作站,以承受附近爆炸的冲击。 MIL-S-901D A级规范涵盖了事件的实际情况。迎接海军’根据需要,CP必须为COTS计算机工作站建立一个机箱,该机箱在爆炸期间和爆炸之后仍可继续运行,并保持结构完整性,而不会使系统散落任何零件或零件,以免伤害该地区的人员。

“利用先前经过测试和现场部署的设计为我们提供了一个很好的起点,”特拉维斯说。接下来,CP工程师确定哪些组件(如果有)需要额外的加强件,以及哪些组件需要进一步的稳定。他们还对电缆布线进行了审查,以确保布线路径清洁,以防止电缆张紧和擦伤,并确保适当的空气流通。在重要位置增加了内部防震器,以保护敏感设备。

CP发布了一段关于“高冲击冲击驳试验”作为新机架式工作站认证的一部分,是美国海军的要求(请参见文章顶部的视频)。发射四枚单独的爆炸,深达24英尺,与驳船间隔20至40英尺,产生40G的冲击波。

坚固的设计标准化

美国能源部赞助的最新研究 说明始终进行一次性加固型设备设计的做法会产生大量成本。案例研究涉及用于第三方验证任务的测量设备,但结果适用于所有加固型产品设计。“实施新设备技术的成本通常是积极追求新技术的障碍因素,” the report states.

从历史上看,验证技术是在安全保护研究人员设计的早期阶段为特定的管理机构或现场操作人员开发的。结果,设备的设计通常范围狭窄,并且没有考虑前向兼容性或其他潜在用途。

该研究提供了一系列关键设计考虑因素,包括:

  • 选择使用寿命长的操作软件,而不是出于传统考虑;
  • 使用现代连接器,但提供到旧系统的适配器;
  • 如果组件将用在保护性设备环境中,则避免触摸屏,除非手写笔是合理的选择(考虑IT,人体工程学和安全性);
  • 如果指定锂离子电池,请确保交付或部署不会有问题;和
  • 减少需要密封的接入点的数量。

总拥有成本和坚固耐用的设计

对于将电子产品提供给恶劣环境的公司而言,坚固的设计是一个工程问题,但对于大多数制造商来说,这是一个运营问题。平板电脑在工厂车间的出现速度很慢,因为大多数不是为工厂环境而设计的。

MobileDemand是加固型平板电脑和笔记本电脑的专业制造商。他们制造了坚固的白色标签Windows平板电脑,坚固的iPad保护套和坚固的Microsoft Surface Pro 2合1计算机/机箱组合。他们在2009年推出iPad后添加了平板电脑,当时客户向他们介绍了尝试—and failing—在出厂设置中使用平板电脑。

一旦MobileDemand在销售用于制造环境的平板电脑方面有了几年的经验,他们就会 委托研究 比较消费级和加固型移动设备的使用。调查结果包括:

  • 组织对移动计算设备的有效使用的平均预算为3.5年,但不到五分之三的非耐用设备可以使用这么长时间。
  • 坚固耐用的移动计算设备的平均失败率为11%,而同类非坚固耐用的设备的平均失败率为38%。
  • 最坚固的设备的总拥有成本最低,而工厂设置中使用的COTS设备的总总成本则最高。每台设备每年的差额可能超过1600美元。
  • 劳动力中使用移动计算设备的总成本中约有50%是由于该设备出现故障而导致的员工生产力损失。

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兰德尔·牛顿

Randall S. Newton是Consilia Vektor的首席分析师,涉及工程技术。自1985年以来,他以各种角色进入计算机图形行业。

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