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工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)和普通交換機(jī)的區(qū)別主要體現(xiàn)在功能和性能上。功能上的區(qū)別主要是指工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)在功能上與工業(yè)網(wǎng)絡(luò)通訊更接近，比如與各種現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)的互通互聯(lián)、設(shè)備的冗余以及設(shè)備的實(shí)時(shí)等；而性能上的區(qū)別則主要體現(xiàn)在適應(yīng)外界環(huán)境參數(shù)的不同。工業(yè)環(huán)境除了有很多如煤礦、艦船等特別惡劣的環(huán)境外還有在EMI（電磁兼容性）、溫度、濕度以及防塵等方面有特殊要求的環(huán)境。這其中溫度對(duì)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的影響面是最廣泛的。本文主要論述溫度這一重要參數(shù)對(duì)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)的影響。而對(duì)于功能方面以及性能其他方面的參數(shù)這里不在贅述。表一列舉了目前主要品牌的工業(yè)及商用網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)的溫度參數(shù)。
一、衡量設(shè)備的可靠性的指標(biāo)可靠性是指產(chǎn)品在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成規(guī)定功能的能力。任何產(chǎn)品不論是機(jī)械、電子，還是機(jī)電一體化產(chǎn)品都有一定的可靠性，產(chǎn)品的可靠性與實(shí)驗(yàn)、設(shè)計(jì)和產(chǎn)品的維護(hù)有著極大的關(guān)系。
衡量可靠性的指標(biāo)很多，常見(jiàn)的有以下幾種：
（1）可靠度R（t），即產(chǎn)生在規(guī)定條件下、規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成規(guī)定功能的概率，亦稱(chēng)平均無(wú)故障時(shí)間MTBF(mean time between failure)；
（2）均維修時(shí)間MTTR是指產(chǎn)品從發(fā)現(xiàn)故障到恢復(fù)規(guī)定功能所需要的時(shí)間；
（3）失效率λ（t）是指產(chǎn)品在規(guī)定的使用條件下使用到時(shí)刻t后，產(chǎn)品失效的概率；產(chǎn)品的可靠性變化一般都有一定的規(guī)律，其特征曲線(xiàn)如圖1所示，由于其形狀象浴盆，通常稱(chēng)之為“浴盆曲線(xiàn)”。在實(shí)驗(yàn)和設(shè)計(jì)初期，由于產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造中的錯(cuò)誤、軟件不完善以及元器件篩選不夠等原因而造成早期失效率高；通過(guò)修正設(shè)計(jì)、改進(jìn)工藝、老化元器件、以及整機(jī)試驗(yàn)等，使產(chǎn)品進(jìn)入穩(wěn)定的偶然失效期；使用一般時(shí)間后，由于器件耗損、整機(jī)老化以及維護(hù)等原因，產(chǎn)品進(jìn)入了耗損失效期。這就是可靠性特征曲線(xiàn)逞“浴盆曲線(xiàn)”型的原因。
而衡量一個(gè)電子產(chǎn)品、尤其是工業(yè)類(lèi)產(chǎn)品最常用的是采用MTBF，也就是平均無(wú)故障時(shí)間。
二、溫度和MTBF的關(guān)系由于現(xiàn)代電子設(shè)備所用的電子元器件的密度越來(lái)越高，這將使元器件之間通過(guò)傳導(dǎo)、輻射和對(duì)流產(chǎn)生熱耦合。因此，熱應(yīng)力已經(jīng)成為影響電子元器件失效率的一個(gè)最重要的因素。對(duì)于某些電路來(lái)說(shuō)，可靠性幾乎完全取決于熱環(huán)境。所以，為了達(dá)到預(yù)期的可靠性目的，必須將元器件的溫度降低到實(shí)際可以達(dá)到的最低水平。有資料表明：環(huán)境溫度每提高10℃，元器件壽命約降低1/2。這就是有名的“10℃法則”。
MTBF 測(cè)試
目前國(guó)外廣泛采用Bellcore 的RPP（Reliability Prediction Procedure）來(lái)測(cè)量設(shè)備的MTBF，這其中包括晶體管數(shù)量、功額衰減以及環(huán)境參數(shù)。我們分析其中有用風(fēng)扇散熱的24口網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)的檢測(cè)報(bào)告，如下圖3：
從報(bào)告中我們可以看到，在環(huán)境溫度是30℃，40℃，50℃時(shí)，無(wú)風(fēng)扇交換機(jī)和有風(fēng)扇交換機(jī)的測(cè)試結(jié)果。
另外，我們通過(guò)TSC實(shí)驗(yàn)室的溫度測(cè)試中還發(fā)現(xiàn)了兩個(gè)結(jié)果：
（1）如果不采用任何散熱措施，一臺(tái)24口的交換機(jī)（不含光口）正常工作4小時(shí)后，它的機(jī)內(nèi)溫度要比周?chē)沫h(huán)境溫度高約40℃；而采用風(fēng)扇降溫的同樣的交換機(jī)的機(jī)內(nèi)溫度之比周?chē)沫h(huán)境溫度高約15℃。
（2）當(dāng)機(jī)內(nèi)溫度達(dá)到85℃時(shí)，實(shí)際上溫度已經(jīng)開(kāi)始影響到了機(jī)內(nèi)主板很多芯片器件的壽命，也就是說(shuō)，如果不采用很好的散熱措施在外部環(huán)境溫度為45~50℃時(shí)，交換機(jī)的MTBF會(huì)大大下降。
由此可見(jiàn)，溫度對(duì)于工業(yè)網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品的影響是非常大的，如果像上用交換機(jī)一樣采用風(fēng)扇降溫，能夠有效降低機(jī)內(nèi)溫度延長(zhǎng)設(shè)備的MTBF，但風(fēng)扇本身的壽命有非常有限（2.28年）（由SANYO FAN DATA SHEET 給出的數(shù)據(jù)）。
工業(yè)類(lèi)設(shè)備不同于上用設(shè)備，往往是一開(kāi)機(jī)就常年運(yùn)行，而且運(yùn)行的環(huán)境也往往較惡劣，沙塵、昆蟲(chóng)、潮濕都會(huì)直接影響風(fēng)扇的運(yùn)行，一個(gè)質(zhì)量好的交換機(jī)風(fēng)扇使用壽命一般在20000小時(shí)，風(fēng)扇到了年限以后，檢測(cè)并更換就變得非常重要。因?yàn)橹鲃?dòng)散熱性交換機(jī)在設(shè)計(jì)時(shí)散熱主要就是靠風(fēng)扇散熱，一旦風(fēng)扇實(shí)效而不及時(shí)更換，“10℃法則”將會(huì)起作用:機(jī)內(nèi)環(huán)境溫度每提高10℃，元器件壽命就降低1/2。交換機(jī)的機(jī)內(nèi)積熱將會(huì)快速導(dǎo)致交換機(jī)性能的下降直至交換機(jī)崩潰。
因此，工業(yè)交換機(jī)的散熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)，也就是熱設(shè)計(jì)也就顯得尤為重要了。
三、熱設(shè)計(jì)
正是由于過(guò)高溫度對(duì)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的影響是致命的，所以在設(shè)計(jì)這類(lèi)產(chǎn)品時(shí)除了設(shè)備的元器件要選擇寬溫范圍的工業(yè)級(jí)元器件外，更要充分重視設(shè)備的熱設(shè)計(jì)。
電子產(chǎn)品的熱設(shè)計(jì)主要包括散熱、加裝散熱器和制冷三類(lèi)技術(shù)，這里筆者主要討論工業(yè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備中的散熱技術(shù)和加裝散熱器技術(shù)。
1．散熱應(yīng)用中常采用的方法：
第一種是傳導(dǎo)散熱方法，可選用導(dǎo)熱系數(shù)大的材料來(lái)制造傳熱元件，或減小接觸熱阻并盡量縮短熱路徑。
第二種是對(duì)流散熱方式，對(duì)流散熱方式有自然對(duì)流散熱和強(qiáng)迫對(duì)流散熱兩種方法。自然對(duì)流散熱應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：
●設(shè)計(jì)印制板和元器件時(shí)必須留出多余空間；
●安排元器件時(shí)，應(yīng)注意溫度場(chǎng)的合理分布；
●充分重視應(yīng)用煙囪撥風(fēng)原理；
●加大與對(duì)流介質(zhì)的接觸面積。
強(qiáng)迫對(duì)流散熱方式可采用風(fēng)機(jī)（如計(jì)算機(jī)上的風(fēng)扇）或雙輸入口推拉方式（如帶換熱器的推拉方式）。
第三種是利用熱輻射特性方式，可以采用加大發(fā)熱體表面的粗糙度、加大輻射體周?chē)沫h(huán)境溫差或加大輻射體表面的面積等方法。如TSC產(chǎn)品的外殼（圖4）
2．加裝散熱器
工業(yè)電子類(lèi)設(shè)備在熱設(shè)計(jì)中，最常采用的方法是加散熱器，其目的是控制半導(dǎo)體的溫度，尤其是結(jié)溫Tj，使其低于半導(dǎo)體器件的******結(jié)溫TjMAX，從而提高半導(dǎo)體器件的可靠性。半導(dǎo)體器件和散熱器安裝在一起工作時(shí)的等效熱路圖如圖2所示。圖中各參數(shù)的含義如下：
RTj—半導(dǎo)體器件內(nèi)熱阻，℃/W；
Tj—半導(dǎo)體器件結(jié)溫，℃；
Tc—半導(dǎo)體器件殼溫，℃；
Tf—散熱器溫度，℃;
Ta—環(huán)境溫度，℃；
Pc—半導(dǎo)體器件使用功率，W。
根據(jù)圖2，散熱器的熱阻RTf應(yīng)為：
RTf=(RTj-Ta)/Pc-RTj-RTc
散熱器熱阻RTf是選擇散熱器的主要依據(jù)。Tj、RTj是半導(dǎo)體器件提供的參，Pc是設(shè)計(jì)要求的參數(shù)，RTc可以從熱設(shè)計(jì)專(zhuān)業(yè)書(shū)籍中查到。下面介紹一下散熱器的選擇。
（1）自然冷卻散熱器的選擇
首先按以下式子計(jì)算總熱阻RT和散熱器的熱阻RTf，即：
RT=(Tjmax-Ta)/Pc
RTf=RT-RTj-RT。
算出RT和RTf之后，可根據(jù)RTf和Pc來(lái)選擇散熱器。選擇時(shí)，根據(jù)所選散熱RTf和Pc曲線(xiàn)，在橫坐標(biāo)上查出已知Pc，再查出與Pc對(duì)應(yīng)的散熱器的熱阻R''Tf。
按照R''Tf≤RTf的原則選擇合理的散熱器即可。
（2）強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱器的選擇
強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱器在選擇時(shí)應(yīng)根據(jù)散熱器的熱阻RTf和風(fēng)速來(lái)選擇合適的散熱器。
（3）散熱風(fēng)扇的設(shè)計(jì)
普通商用交換機(jī)的風(fēng)扇，工作一直處于全速（Full SPD）狀態(tài)，除其造成電能浪費(fèi)、增大整機(jī)噪音外，還會(huì)增加不必要的電源發(fā)熱，機(jī)箱內(nèi)灰塵過(guò)多堆積等。更重要的是風(fēng)扇在全速狀態(tài)時(shí)其壽命約為2萬(wàn)小時(shí)，也就是2.28年（由SANYO FAN DATA SHEET 給出的數(shù)據(jù)），2萬(wàn)小時(shí)后風(fēng)扇轉(zhuǎn)速會(huì)逐漸下降，給整機(jī)帶來(lái)不穩(wěn)定因素。但由于沒(méi)有監(jiān)控單元，這種隱患很難發(fā)現(xiàn)：例如當(dāng)交換機(jī)丟包率逐漸上升時(shí)，并不容易查到是由于風(fēng)扇老化轉(zhuǎn)速降低及灰塵堆積太厚導(dǎo)致機(jī)箱內(nèi)關(guān)鍵部件溫度升高所致。
因此工業(yè)交換機(jī)應(yīng)使用高速（High SPD）風(fēng)扇并帶有智能監(jiān)控電路，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)的運(yùn)行狀況，例如監(jiān)控機(jī)箱風(fēng)扇、主交換芯片溫度、機(jī)箱溫度，光收發(fā)器件溫度等,這也就是我們所說(shuō)的“智能風(fēng)扇”。
交換機(jī)工作過(guò)程中智能監(jiān)控電路會(huì)根據(jù)被測(cè)元件的溫度或風(fēng)扇轉(zhuǎn)速信號(hào)自動(dòng)調(diào)節(jié)風(fēng)扇轉(zhuǎn)速，給網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)散熱。風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速主要與交換機(jī)負(fù)載和環(huán)境溫度有關(guān)。在環(huán)境溫度一定時(shí)，當(dāng)交換機(jī)數(shù)據(jù)負(fù)載減輕時(shí)，功耗減小，風(fēng)扇轉(zhuǎn)速自動(dòng)降低，當(dāng)交換機(jī)數(shù)據(jù)負(fù)載加重時(shí)，功耗加大，風(fēng)扇速轉(zhuǎn)速自動(dòng)上升。在數(shù)據(jù)負(fù)載一定的情況下，當(dāng)交換機(jī)處在低溫環(huán)境時(shí)，風(fēng)扇轉(zhuǎn)速自動(dòng)降低，處在高溫環(huán)境時(shí)風(fēng)扇轉(zhuǎn)速自動(dòng)升高。在高溫高負(fù)載情況下，風(fēng)扇可處在應(yīng)急高速（High SPD）狀態(tài)，比全速（Full SPD）狀態(tài)更能保證網(wǎng)絡(luò)安全運(yùn)行。如下圖：
智能風(fēng)扇控制器運(yùn)行特性
采用智能風(fēng)扇控制技術(shù)后可延長(zhǎng)風(fēng)扇壽命，減少機(jī)內(nèi)灰塵堆積、降低風(fēng)扇噪聲，節(jié)約電量使用，保證系統(tǒng)有效工作。另外控制器不僅能對(duì)風(fēng)扇失效停轉(zhuǎn)，溫度超過(guò)警戒線(xiàn)提供報(bào)警，而且對(duì)于由于老化或風(fēng)道阻力異常增大轉(zhuǎn)速低于正常值或監(jiān)測(cè)點(diǎn)溫度異常升高等前期隱患均能給出相應(yīng)的中英文語(yǔ)音提示，方便網(wǎng)絡(luò)管理人員將事故消滅在萌芽階段。
綜上所述，由于工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)所處的環(huán)境的特殊性以及使用時(shí)的特殊性（不能停機(jī)），在對(duì)付高低溫，主要是高溫環(huán)境時(shí)采用的對(duì)策與普通交換機(jī)有很多不同的。
（1）對(duì)于較低功率情況，一般P≤10W時(shí)，盡量不采用風(fēng)扇散熱，而采用自然散熱，如果通過(guò)自然對(duì)流，或者增大外殼面積外殼褶皺或者采用導(dǎo)熱較好的型材,如鋁等。
（2）對(duì)于功率較大情況，P≥15W時(shí),尤其是有多個(gè)光口，甚至是多個(gè)單模光口情況下，不能靠自然散熱解決問(wèn)題時(shí)，應(yīng)該采用主動(dòng)散熱方式解決熱問(wèn)題。而主動(dòng)散熱方式目前主要是指加裝風(fēng)扇，但由于工業(yè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備不能停機(jī)且要長(zhǎng)期運(yùn)行的特殊性，風(fēng)扇的使用應(yīng)有如下考慮。
A.風(fēng)扇不同于普通電子設(shè)備的風(fēng)扇，它應(yīng)是智能的，智能風(fēng)扇在使用壽命以及功能上普通風(fēng)扇有質(zhì)上的區(qū)別。
B.智能風(fēng)扇應(yīng)設(shè)計(jì)為可以熱插撥的，也就是系統(tǒng)不停機(jī)情況下，如果智能風(fēng)扇系統(tǒng)報(bào)警（工作平常式壽命到期等）情況下，可以在線(xiàn)更換風(fēng)扇。 采取了以上熱設(shè)計(jì)和散熱措施，就可以大大提高網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的MTBF，延長(zhǎng)其壽命，從而避開(kāi)法則，使工業(yè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的元器件長(zhǎng)期工作在一個(gè)“穩(wěn)定，舒適”的溫度環(huán)境中,這樣“10℃法則”就不起作用,這樣也就保證了自動(dòng)化過(guò)程中通迅系統(tǒng)的穩(wěn)定和可靠性。 |
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