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工业以太网交换机的可靠性:温度vs.运动部件

作者:Frank Madren,GarrettCom Inc.公司总裁2006.10.31阅读 4685

  通常的观点认为:在高温的工业环境当中,对诸如以太网交换机等电子设备采用自然对流冷却(通过散热器和其它被动散热手段)是显而易见的选择。用一位权威人士的话来说,无风扇电子系统能够在重要盒层级(box level)提供“固态系统固有的可靠性”。但是,通常的观点也许是错误的。

  工业系统通常具有宽敞的外壳,被安装在仪表盘上或是现场,有合理数量的自由流动空气环绕在系统周围。而应用在工业场合的部件高度密集的信息设备通常会被安装在工业控制中心里面,在那里空间是非常宝贵的。机架安装的盒式结构的设备-例如那些架装的以太网交换机-被设计的非常紧凑。当空气流通受到限制的时候,内部的温度就有可能升高,这样就会导致操作温度对平均故障间隔时间(MTBF)所造成的影响比潜在的机电故障率所造成的影响还要大。

  在为工业以太网交换机选择冷却技术的时候,最重要的考虑就是将要使用交换机的应用类型。对于以太网交换机来说外部条件非常重要,在只能对交换机系统进行非经常的目视检查的应用当中,可能需要强制密封的、自由对流冷却设备。环境因素-例如灰尘、昆虫侵入和潮湿-即使在装备了空气过滤器的情况下也能够损
害风扇冷却系统。同样的,在微粒浓度很高区域(例如矿山)或是对风扇噪音无法接受的区域(例如电影演播室)室内安装的交换机系统采用一种自由对流冷却的密闭系统结构可能会比较好。

  当极端的环境状况不是应用当中的支配因素,而且电机的噪音对设施的环境噪声水平的影响也很小的情况下,风扇冷却系统也可以提供比较高的可靠性。

总体部件:MTBF计算结果和测量温度

  平均故障间隔时间测试
  最近有一个对被动冷却和风扇冷却的24口以太网交换机进行的平均故障间隔时间(MTBF)计算控制工程网版权所有,该计算采用了Bellcore可靠性预计程序(RPP),这是一种受到广泛应用的平均故障间隔时间预估方法。Bellcore可靠性预计程序(RPP)的基础是系统部件参数,例如晶体管的数量、功率消耗和环境因素等。由于这个计算涉及了集成在各种交换机中的类似组件,因此总体上来说各家不同供应商的工业以太网交换机应该具有相类似的概况。

  在30℃的环境温度下控制工程网版权所有,被动冷却式交换机的计算平均故障间隔时间(MTBF)为10年,略微超过风扇冷却式交换机的平均故障间隔时间(MTBF):8年。在40℃的环境温度下控制工程网版权所有,平均故障间隔时间(MTBF)分别为:9.5年和7.5年。在50℃的环境温度下控制工程网版权所有,自然对流冷却系统的平均故障间隔时间(MTBF)降低到了低于8年,而强制对流冷却系统的平均故障间隔时间(MTBF)为大约7年。

  但是MTBF计算方法是有缺陷的CONTROL ENGINEERING China版权所有,这个计算的基础是系统操作时所在的环境温度。而在现实当中,各个组件都是在一个外壳内部运行的,里面比环境温度热。而且根据数据趋势的显示,温度是组件发生故障的因素之一。

  对运行温度所进行的测量表明:对于机架安装的以太网交换机来说,采用自然对流冷却方式时内部的平均温度比环境温度高40℃。与之相比,采用风扇冷却方式时的内部温度只比环境温度高15℃。这里25℃的温度差别在任何环境温度下基本保持不变。当外壳内部的运行温度超过85℃时,就会对设备的可靠性造成影响。85℃是高度精密的电子部件所能允许的最高温度。

  根据以上给出的内部温度差数据,自然对流设计对于机架安装式的交换机适合于最高45-50℃的环境温度,在这种环境下还能够保持正常的可靠性。在将内部运行温度这个因素考虑进去以后,在其它环境条件相同的情况下,强制对流系统很可能反而具有更高的可靠性,即使对于较低的环境温度也是如此。图表中的2条曲线显示了机架安装式设计的交换机总体MTBF的计算结果,2条曲线分别显示了在一定温度范围内带有强制对流系统和不带强制对流系统的交换机的MTBF计算结果。在2条曲线之间的空间就是采用自然对流设计(顶部的那个曲线)和采用强制对流设计时电子部件可靠性的差别。垂直的棒图表示了机架安装式交换机运行在环境温度25℃的舒适房间内时的内部温度计算结果。

  对于强制对流设计(左边的棒图),内部组件的运行温度与环境温度之间的温差有15℃,因此内部组件的实际运行温度为40℃。覆盖在曲线上的左边的绿色小点显示了电子组件在外壳内部受到加热的真实情况下www.cechina.cn,采用风扇冷却方式的交换机的预期可靠性数据:7.5年。对于采用自然对流冷却方式的交换机(右边的棒图),内部电子组件的运行温度比室温高25℃,因此其外壳内部的运行温度为65℃。自然对流冷却设计的交换机的可靠性也从9.5年直线下降到5.5年。

  灼热的内部
  对封装在一个盒子状结构里面的电子部件进行冷却是一个挑战,这个挑战很可能会更大程度的变成我们的需要。研究表明通讯和网络系统领域所有类型电子设备的单位面积电子产品热负荷(瓦特/平方英尺)在过去的十年当中已经增加了超过10倍,而且还将继续增加。

  工业领域的工程师们正在努力工






















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