基于ICEPAK的PLC柜冷却风机设置分析

摘 要：

基于ICEPAK，对PLC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：

PLC柜；散热；冷却设计；ICEPAK

中图分类号：TB

文献标识码：A

doi：10.19311/ki.16723198.2016.10.094

1 引言

随着科学技术的不断发展与进步，以及现场对PLC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PLC柜高可靠性能的要求，散热就成为影响PLC柜可靠性的重要指标之一，当机柜内部温度长期高于40℃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PLC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 PLC柜冷却设计

在PLC柜的系统配置中，通常主要包括机柜、直流电源、PLC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、PLC模块中的电源模块、CPU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PLC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，通常的材料采用冷轧钢板或不锈钢板，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。

（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。

（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 PLC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：

在PLC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，PLC柜内产生负压，轴流风机送风时，PLC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PLC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S7-300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×2200mm×600mm（宽×高×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CAE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FLUENT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：A（425，1800，400）、B（425，2030，400）、C（175，1800，400）、D（175，2030，400）。

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。

5 结语

在PLC柜柜内布置设计，为了便于施工维护，将直流电源、PLC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，PLC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PLC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PLC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

[1]杨世铭，陶文铨.传热学[M].4版.北京：高等教育出版社，2006.

[2]电子设备可靠性热设计手册（GJB/Z 27-92）[Z].