恶劣工程环境下多功能工控机柜的设计思路探讨

毛春雷，熊 陈，符伟杰，邵 军

(1.水利部南京水利水文自动化研究所，江苏 南京 210012)

(2.水利部水文水资源监控工程技术研究中心，江苏 南京 210012)

1 机柜板材的防腐对策

金属材料在高水份、高盐份或酸碱环境作用下，通常会因为发生电化学反应、化学反应和物理溶解而产生腐蚀问题。以铁磁性物质为例，此类金属材料长期暴露在空气中就会发生氧化腐蚀现象。

金属材料发生腐蚀破坏的进程中，金属元素转化为离子状态,电化学腐蚀在整个过程中占主要地位，通常包括吸氧和析氢两类腐蚀[1]。

用于工程现场或野外站点的机柜通常从材质选择、表面处理工艺和电化学保护3个途径解决金属材料受腐蚀破坏问题：1)通常采用201、304等不锈钢材料代替易腐蚀的普通金属材料[2]；2)表面处理工艺，如涂防锈漆、喷涂塑粉等，其工艺流程如图1所示；3)电化学保护，即在需要保护的金属表面覆盖比该金属更活泼、更易失去电子的金属涂层，如镀锌。从生产制造成本及工艺难度方面考虑，前两种措施已成为目前金属防腐蚀的主要方法。而对于在恶劣工程环境下使用的机柜来讲，外表防腐通常使用喷涂的方法，即在机柜表面去除污垢后喷涂粉末状态的涂料，再送入烘箱内加热，使粉末状态的涂料融化并牢固附着在机柜表面形成一层坚固的保护膜，根据需要还可以加入防紫外线的纯聚酯粉末，以延长防腐寿命。由此可知，使用镀锌加喷漆工艺处理的机柜耐腐性更好。

图1 金属材料表面处理工艺流程图

2 恶劣工程环境下工控机柜的防护结构优化

图2所示为工控机柜的整体结构基本组成示意图。该类机柜的结构元素主要包括柜顶、侧板、柜身及底座等，通常采用焊接方式进行框架连接较为简便。底座的设计方法很多，通常采用钣金冲压折弯件或者通用型材进行拼接[3]。多数工控机柜先用型钢拼接底座，再与侧板支撑件等焊接形成基本框架。同时充分考虑机柜内部电器元件的布局和工作需求及维修保养的操作空间，进而确定机柜的长、宽、深等尺寸。应用于恶劣工程环境下的机柜，首先需要对其物理结构进行优化设计。

1—柜顶；2—柜门；3—柜身；4—电器主板；5—通用骨架；6—通风百叶；7—电器元件；8—蓄电池

2.1 机柜防雨防潮结构优化

2.1.1柜顶结构

对于露天工作的机柜，要防止雨水进入其内。柜顶作为承接雨水的顶面，其设计尤为重要，如图2所示，上顶面采用平顶结构，降低了加工难度，四周下折45°角，方便雨水流淌。顶部四周尺寸需超出柜身50～100 mm，防止雨水沿着顶壁渗入；柜顶内部为空心状态，在其折弯部位加焊一层隔热板，减缓外界温升对柜内温度的干扰。柜底面应高出建造地基约20 cm，供电和通信电缆通道全预埋在基础内，防止雨天机柜坐落水中，导致柜体灌水。

2.1.2前后门密封结构

如图3所示，机柜整体结构应该遵循安装调试操作方便的原则，可采用双开门或前后开门的方式。门内侧安装密封条，与柜身折弯边镶嵌，以达到密封的效果。

图3 工控机柜前后门密封结构示意图

2.2 通风散热结构优化

为解决机柜通风散热、保温等问题，通常在工控机柜内安装风扇或空调设备[4]。

2.2.1风扇散热量计算

如图4所示，在柜身与柜顶连接处，焊接一块通风板，将风扇安装在通风板上；柜身下部左右两侧各冲压一组百叶窗。因冷空气较热空气比重大，柜内空气自下向上形成对流，使得该结构布局散热效果良好。此外，通风板和百叶窗上都要设置一层防虫网。

图4 机柜通风散热结构图

工控机柜的传热量Q可按式(1)计算：

Q=K×(Th-Tc)×S

(1)

式中：K为平均热通过率，W/(m2·℃)；Th,Tc分别为内部预期温度和外部环境温度，℃；S为工控机柜的散热表面积，m2。

工控机柜实际必要冷却能力P2可按式(2)计算：

P2=P1-K×(Th-Tc)×S

(2)

式中：P1为工控机柜发热量总和，W。

工控机柜的平均热通过率K的取值参考原则为：空气中有固体对流墙时，取值范围为4～12 W/(m2·℃)。因此对于普通的工控机柜(未配置冷却装置时)，均按4～6 W/(m2·℃)取值[5]。

2.2.2空调散热量计算

当机柜内部环境温度在35 ℃以上，或当特殊工况需防止有毒有害、潮湿的空气以及粉尘颗粒等进入工控机柜内，不允许空气自然流通，要求隔绝机柜内外的空气循环时，采用工业空调对机柜内部环境进行恒温控制较为必要[4]。工业空调按不同的安装方式，常分为柜内架装式、侧装壁挂式、嵌入壁挂式及置顶式等类型[5]。

工业空调制冷总量Qe可按式(3)计算：

Qe=Qv-K1×A0×ΔT

(3)

式中：Qv为柜内电气元器热耗总量，W；K1为热传导系数，W/(m2·℃)，其值取决于制作工控机柜的板材，通常塑板取0.3，钢板取5.5，铝板取11.0；A0为柜内部实际的散热面积，计算规则需具体考察，m2；ΔT为机柜内外部温差，柜体内部一般取35 ℃，柜体外部工作现场的环境温度取实测值。

计算工业空调制冷总量时，需要讨论柜体实际散热面积A0的最优取值。表1中是目前德国威图公司提供的几种典型安装模式对应的经验公式，可供计算参考，其中W，H，D分别为柜体宽、高、深。

表1 典型安装模式对应的实际散热面积A0最优取值

3 可移植、参数化多功能结构

为适应恶劣工程环境的多种工况需要，多功能组装结构的设计思路充分考虑了恶劣工程环境的复杂工况，该类非标工控机柜，只需通过更换主板就可转变为水质仪器在线监测机柜，并能取得同样的抗腐能力和稳定工作的环境。产品结构的通用性、互换性及模块化组装，给产品维护带来了很大的便利。

3.1 通用骨架结构

机柜的多功能主要体现为内部通用骨架的灵活运用。研究表明，各类工控机柜的主体形态及功能差距不会太大，内部骨架也较为类似，因此可以把内部骨架设计为通用形式。通过内部骨架的灵活运用，可以在机柜里面安装项目所需的不同主板，实现机柜的模块化功能[6]。图5所示为内部通用骨架结构。

图5 工控机柜内部通用骨架结构图

3.2 结构参数化建模

本文以SolidWorks软件为例进行参数化模型的建立。根据零件特征之间的几何关系组成方程式，只需通过改变少数变量参数即可实现模型特征的修改，从而适应多功能组装结构的需求[7]。

进行结构设计时，在提取零件的共同结构元素或某类特征后，通过参数化手段可以直接给变量赋值，实现对产品二维和三维模型的驱动；可借助尺寸变量约束、几何配合约束及方程式的变量约束来变更模型的形状、数量，较大程度上减少重复性设计工作，从而缩短在形状和结构上具有相似特征的产品设计周期。

在SolidWorks软件中，默认以尺寸或特征的名称作为不同配置的变量名参与计算，并按计算结果驱动模型几何形状的改变。如图6所示，本文以机柜中的骨架为例，骨架整体长度每增加一段尺寸就会多一处长腰孔，并且长度增加之后，相应的折弯宽度也得增加。设定图中骨架3个折弯边尺寸分别为A,B,C，腰型孔中心到边的距离为K2，腰型孔长度为D1，宽度为2R，根据图中的尺寸，可建立如下关系：

图6 机柜骨架参数化要素结构图

(4)

同时可通过变量表示出长腰孔的个数N为：

N=int[(L-10)/50]+1

(5)

式中：int函数为返回实数向下取整后的整数值；L为骨架整体长度。

由式(4)和式(5)的关系可以得出，图中的关键尺寸都可以由“A”和“L”这两个参数来驱动和控制。具体判定规则设定为：当L>1 000时，A为50；L≤1 000时，A为20，即IFF(“L”>1 000,50,20)。

结构模型建好之后，在SolidWorks软件中选择工具菜单下的方程式命令，设计者就可以在弹出的表格中编辑方程式。把变量名赋值为较为简易的英文代号，通过设定方程式就可以驱动零件模型形状和结构的改变。方程式设计表截图如图7所示。通过对之前设定好的驱动和控制参数的修改来配置零件，每个配置就是一个不同的零件状态[8]。

在图7所示的方程式参数设计表中“全局变量”这一栏，设计者可以把模型中各个参数设置成对应的英文代号，“方程式”一栏则可以将对应的方程式录入在对应表格中，从而明确各个参数之间的关系。

图7 方程式参数设计表截图

在SolidWorks软件中预先要定义驱动参数及设定方程式，本例设置参数“L”来改变模型长度，通过预设的方程式来驱动这个模型的变化。方程式驱动前后模型的变化对比如图8所示。

图8 参数驱动前后模型结构变化对比图

4 结束语

基于防腐机理，本文提出了有关工控机柜选材、外围防腐工艺的建议：一般放置在野外的机柜，建议采用201或304不锈钢钣材，钣金表面先进行镀锌处理，再用喷涂防紫外线材料的方法进行物理防腐[9]，不仅能保持机柜外表面美观，还能延长机柜寿命。从防雨防潮、柜内通风散热角度，本文提出了优化柜体关键防护部位——柜顶、柜身、前后门、通风回路等的措施，可有效避免雨、雪、水汽的渗入，为多领域非标机柜的工程应用提供了防护设计参考。此外，通过骨架结构的参数化驱动设计提出了可移植模块的高效设计思路，实现了结构模块的互换性，提高了非标工控机柜内部元器件布局的灵活性。可满足多类工控机柜的多样性需求，并缩短研发周期，降低制造成本。笔者按此设计思路设计的野外一体化厢式八参数水质在线监测站大型机柜、水文要素河流时差法野外在线监测站控制机柜，均取得良好的效果。