基于ICEPAK的PLC柜冷却风机设置分析.pdf

现 代 商 燹 工 现 代 商 燹 工 基于ICEPAK的PLC柜冷却风机设置分析 黄 林 波 1吕 冬 梅 2 1.中 冶 赛 迪 电 气 技 术 有 限 公 司 ； 北 京 1 0 0 1 7 6 ; . 北 京 兆 维 电 气 （ 集 团 ） 有 限 责 任 公 司 ， 北 京 100176 摘要 基 于ICEPAK， 对P L C柜 强 制 冷 却 风 机 的 设 置 方 案 进 行 仿 真 分 析 ， 得 出 最 佳 的 产 品 设 计 方 案 。 关 键 词P L C柜 ； 散 热 ； 冷 却 设 计；ICEPAK 中 图 分 类 号TB 文 献 标 识 码A doi 10. 19311/j. cnki. 1672-3198. 2016. 10. 094 1引 言 随 着 科 学 技 术 的 不 断 发 展 与 进 步 ， 以 及 现 场 对 P LC柜 要 求 越 来 越 高 ， 在 确 保 可 靠 性 的 前 提 下 ， 提 出 了 高 防 护 等 级 、 外 形 美 观 、 施 工 维 护 便 利 ， 小 型 化 、 紧 凑 化 的 低 成 本 要 求 。 PLC 柜，Programmable Logic Controller， 可 编 程 控 制 柜 ， 是 实 现 电 机 ， 开 关 的 控 制 的 电 气 柜 ， 可 完 成 设 备 自 动 化 和 过 程 自 动 化 控 制 ， 具 有 性 能 可 靠 、 可 扩 展 、 抗 干 扰 强 等 特 点 ， 是 现 代 工 业 的 核 心 和 灵 魂 。 虽 然PLC 柜 中 器 件 的 功 耗 不 大 ， 发 热 量 不 高 ， 但 高 防 护 等 级 、 小 型 化 的 实 施 ， 高 温 户 外 现 场 的 应 用 ， 以 及 对P L C柜 高 可 靠 性 能 的 要 求 ， 散 热 就 成 为 影 响P L C柜 可 靠 性 的 重 要 指 标 之 一 ， 当 机 柜 内 部 温 度 长 期 高 于 40C时 ， 会 严 重 影 响 系 统 的 可 靠 性 和 寿 命 。 本 文 将 根 据 传 热 学 理 论 知 识 ， 结 合 产 品 设 计 及 项 目 实 施 ， 对 在P L C柜 在 如 何 设 置 强 制 冷 却 风 机 ， 基 于ICEPAK进 行 仿 真 分 析 ， 得 出 最 佳 的 产 品 设 计 方 案 。 2 P L C柜 冷 却 设 计 在P L C柜 的 系 统 配 置 中 ， 通 常 主 要 包 括 机 柜 、 直 流 电 源 、P L C模 块 、 微 型 断 路 器 、 中 间 继 电 器 、 接 线 端 子 、 门 限 开 关 、 照 明 灯 等 ， 而 直 流 电 源 、P L C模 块 中 的 电 源 模 块 、C P U处 理 器 是 主 要 的 发 热 器 件 ， 在 进 行PLC 柜 的 布 置 设 计 时 ， 需 要 重 点 考 虑 ， 将 发 热 器 件 设 置 在 机 柜 上 部 ， 若 发 热 器 件 上 部 设 置 其 它 器 件 或 结 构 件 时 ， 要 确 认 有 足 够 的 空 间 ， 利 于 发 热 器 件 自 身 的 散 热 或 对 其 它 器 件 的 影 响 。 在P L C柜 的 冷 却 设 计 中 ， 主 要 有 以 下 几 种 方 式 1 自 然 冷 却 方 式 ， 主 要 是 通 过 机 柜 自 身 材 料 属 性 进 行 散 热 ， 通 常 的 材 料 采 用 冷 乳 钢 板 或 不 镑 钢 板 ， 有 的 采 用 铝 合 金 板 （ 热 传 导 系 数 是 钢 板 的 2 倍 ） 材 料 ， 有 时 在 机 柜 上 增 加 设 置 通 风 过 滤 网 与 外 界 进 行 换 热 ， 由 于 业 主 对 设 备 可 靠 性 要 求 的 提 高 ， 这 种 方 式 逐 渐 被 弃 用 。 2 强 制 冷 却 方 式 ， 主 要 是 在 机 柜 上 设 置 轴 流 风 机 及 增 加 进 风 过 滤 来 实 现 ， 这 种 方 式 容 易 实 施 ， 可 靠 性 及 性 价 比 高 ， 目 前 已 成 为 主 流 的 设 计 方 案 ， 但 轴 流 风 机 如 何 设 置 ， 许 多 工 程 师 存 在 不 同 的 争 议 ， 本 文 将 重 点 进 行 论 述 ， 冷 却 风 机 及 过 滤 风 网 见 图 1 。 图 1 冷却风机和过滤风网 3机 柜 压 缩 机 空 调 ， 通 过 压 缩 式 制 冷 来 实 现 吸 热 降 温 ， 这 种 方 式 可 以 隔 离 外 部 环 境 中 的 高 温 、 粉 尘 、 油 污 、 腐 蚀 性 气 体 ， 可 以 解 决 轴 流 风 机 带 来 的 一 系 列 问 题 ， 但 成 本 较 高 。另 外 对 于 小 功 耗 的 情 况 ， 可 采 用TEC 空 调 的 散 热 方 式 。 系 统 在 依 照 用 户 客 户 端 发 出 的 请 求 实 现 加 密 的 代 码 如 图 3 。 图 3加密的代码 图 4算法代码 云 计 算 技 术 下 ， 可 以 应 用 相 关 技 术 手 段 实 现 系 统 数 据 的 加 密 处 理 ， 对 传 输 数 据 实 施 冗 余 、 回 溯 以 及 多 种 计 算 之 后 ， 也 就 可 以 将 成 功 转 化 为 加 密 文 件 ， 传 送 给 系 统 接 收 端 之 后 ， 则 首 先 需 要 对 其 进 行 解 密 ， 提 高 数 据 存 储 安 全 性 。算 法 代 码 则 如 图 4 。 3结 语 综 上 所 述 ， 在 进 行 网 络 安 全 数 据 存 储 系 统 设 计 过 程 中 ， 云 计 算 技 术 可 以 有 效 实 现 系 统 的 可 扩 展 性 及 高 性 能 ， 显 著 提 高 计 算 机 存 储 系 统 应 用 安 全 性 ， 促 进 云 计 算 技 术 以 及 计 算 机 网 络 存 储 的 安 全 性 发 展 。 参考文献 [ ] 梁彪， 曹宇佶， 秦中元等.云计算下的数据存储安全可证明性综述 [].计算机应用研究， 2012,97 2416-2421. [ ] 王筱娟.云计算与图书馆发展的研究[].科技风， 2015， （ 7 224. [ ] 荆宜青.云计算环境下的网络安全问题及应对措施探讨[ ] . 网络 安全技术与应用， 2015,（） 75-76. 现代商贸工业 2016年第10期 187 ► 工 程 与 技 术 4 热 交 换 器 散 热 方 式 ， 是 通 过 一 种 可 利 用 自 然 冷 源 的 温 控 装 置 ， 但 成 本 较 高 ， 在 一 些 特 殊 场 合 中 采 用 。 5 涡 旋 冷 却 器 散 热 方 式 ， 是 工 业 标 准 压 缩 空 气 通 过 喷 嘴 喷 射 进 涡 旋 管 ， 转 变 90方 向 后 在 旋 转 腔 内 以 高 速 旋 转 ， 实 现 冷 热 气 流 分 离 与 热 量 交 换 ， 这 种 方 式 需 要 专 门 的 冷 却 装 置 及 压 缩 空 气 ， 实 施 成 本 非 常 高 ， 在 一 些 要 求 极 特 殊 的 场 合 采 用 。 3 P L C柜 强 制 冷 却 散 热 方 式 热 传 递 有 三 种 形 式 热 传 导 、 对 流 及 辐 射 ， 强 制 冷 却 的 热 传 递 方 式 主 要 是 对 流 方 式 ， 对 流 换 热 的 基 本 公 式 A At 式 中 | 对 流 换 热 流 量 ，W; h。 | 对 流 换 热 系 数 ， W/ m2 C;A 对 流 换 热 面 积 ，m2 ;At 表 面 与 流 体 间 的 温 差 ， C。 在P L C柜 的 强 制 冷 却 设 计 中 ， 一 般 采 用 轴 流 风 机 加 进 风 过 滤 网 的 方 式 构 建 冷 却 系 统 ， 轴 流 风 机 风 量 大 风 压 小 ， 适 合 于 小 功 耗 的 电 气 设 备 ， 轴 流 风 机 抽 风 时 ， P LC柜 内 产 生 负 压 ， 轴 流 风 机 送 风 时 ，P L C柜 内 产 生 正 压 ， 通 常 轴 流 风 机 作 为 抽 风 机 使 用 ， 有 利 于 形 成 系 统 冷 却 风 道 。 而 在P L C柜 采 用 轴 流 风 机 进 行 抽 风 时 ， 轴 流 风 机 的 空 间 设 置 主 要 包 括 机 柜 前 门 上 部 、 机 柜 后 门 上 部 、 机 柜 柜 顶 、 机 柜 侧 板 上 部 四 种 方 式 ， 但 哪 一 种 设 置 方 式 最 佳 ， 性 价 比 更 高 ， 更 适 合 产 品 化 设 计 方 案 ， 许 多 工 程 师 一 直 存 在 争 议 。 下 面 以 西 门 子S7 3 0 0 构 建 的PLC柜 为 例 ， 研 究 轴 流 冷 却 抽 风 机 的 设 置 。 其 中 机 柜 尺 寸 为 800mm X 2200mmX 600mm宽 X 高 X 深 ） ， 轴 流 风 机 145FZY2 ， 通 风 过 滤 网FU 9806A， 然 后 在Icepak中 进 行 建 模 分 析 。 4仿 真 分 析 Icepak是 强 大 的C A E仿 真 软 件 工 具 ， 它 能 够 对 电 子 产 品 的 传 热 ， 流 动 进 行 模 拟 ， 从 而 提 高 产 品 的 设 计 质 量 ， 大 量 缩 短 产 品 的 开 发 周 期 。Icepak采 用 的 是FLU ENT 计 算 流 体 动 力 学 （CFD 求 解 引 擎 ， 可 以 进 行 建 模 ， 网 格 划 分 和 后 处 理 。 下 面 将 基 于Icepak平 台 ， 根 据 上 述 4 种 轴 流 冷 却 风 机 的 设 计 方 案 ， 对PLC柜 进 行 建 模 及 仿 真 分 析 ， 分 别 得 到 4 个 坐 标 点 的 风 速 值 ， 根 据 风 速 值 的 大 小 可 判 断 哪 一 种 冷 却 方 案 更 适 合PLC柜 ， 4 个 坐 标 点 主 要 选 取 为 基 于 PLC柜 内 主 要 发 热 器 件 直 流 电 源 、 模 板 电 源 及CPU模 板 对 应 的 坐 标 点 ， 4 个 坐 标 点 暂 定 为A、B、C、D点 ， 单 位 mm， 其 坐 标 值 分 别 为 A425， 1800， 400、B425， 2030， 400、C175， 1800， 400、D175 , 0 3 0 ， 400。 按 照 轴 流 冷 却 风 机 设 置 在 机 柜 前 门 上 部 ， 其 建 模 如 图 2,然 后 执 行 网 格 划 分 及 后 处 理 如 图 3,得 出A、B、 C、D点 的 风 速 值 ， 同 时 依 次 对 其 它 三 种 轴 流 冷 却 风 机 进 行 设 置 ， 可 分 别 得 出A、B、C、D点 的 风 速 值 ， 其 值 输 出 汇 总 见 表 1 。 表 1各 测 试 点 的 风 速 值 单 位 m/s 方案ABCD 机柜前门上部0. 5550. 4490. 1270.087 机柜后门上部0.2290. 2500.3640.028 机柜侧板上部0. 3180. 1420.0450.049 机柜柜顶0. 1640.3360. 1560.322 5结 语 在P L C柜 柜 内 布 置 设 计 ， 为 了 便 于 施 工 维 护 ， 将 直 流 电 源 、P LC模 块 设 置 在 机 柜 正 面 ， 且 发 热 元 器 件 设 置 在 机 柜 上 部 ， 避 免 其 产 生 的 热 空 气 对 其 它 器 件 的 影 响 或 者 不 利 于 自 身 热 空 气 的 流 动 ， 其A点 与B点 所 在 位 置 ， 就 是 热 源 器 件 所 在 的 关 键 位 置 ， 根 据 上 述 仿 真 结 果 ， 轴 流 冷 却 风 机 设 置 在 机 柜 前 门 上 部 ， 风 速 值 最 大 ， 对 应 的 冷 却 流 量 也 最 大 ， 冷 却 散 热 效 果 最 佳 。 同 时 ， 轴 流 冷 却 风 机 的 其 它 设 置 方 式 还 存 在 不 同 缺 点 ， 当 设 置 在 机 柜 后 门 上 部 时 ，P L C柜 单 面 维 护 且 靠 墙 安 装 时 ， 轴 流 风 机 无 法 设 置 在 机 柜 后 门 ； 当 设 置 在 机 柜 侧 板 上 部 时 ， 如 遇 到 多 台P L C柜 并 柜 时 ， 轴 流 风 机 也 无 法 设 置 在 侧 板 上 ； 当 设 置 在 机 柜 柜 顶 时 ， 由 于 高 防 护 等 级 要 求 ， 防 止 墙 顶 漏 水 或 柜 顶 调 入 异 物 ， 需 单 独 对 柜 顶 增 加 防 水 罩 ， 从 而 导 致 增 加 成 本 。 因 此 ， 轴 流 冷 却 风 机 设 置 在 机 柜 前 门 上 部 ， 对 热 源 的 冷 却 效 果 是 最 佳 方 案 ， 不 受 现 场 安 装 等 影 响 ， 也 利 于 产 品 标 准 化 设 计 ， 是 强 制 冷 却P L C柜 的 最 佳 产 品 设 计 方 案 ， 同 时 也 纠 正 了 许 多 工 程 师 长 期 以 来 认 为 在PLC 柜 柜 顶 设 置 强 制 轴 流 冷 却 风 机 ， 是 最 佳 冷 却 设 计 方 案 的 错 误 观 念 。 参考文献 [ ] 杨世铭， 陶文铨.传热学[M]. 4 版.北京 高等教育出版社， 2006. [ ] 电子设备可靠性热设计手册（GJB/Z 27 92[Z]. 188 现代商贸工业 2016年第10期