SHINE智能恒溫機柜研制

樊麗偉，余鵬翔，金 林，丁建國

（中國科學院上海高等研究院，上海 201204）

0 引言

硬X射線自由電子激光裝置（Shanghai High Repetition Rate XFEL And Extreme Light Facility，簡稱SHINE），是國內迄今為止投資最大的科技基礎設施項目，也是國家重大科技基礎設施建設“十三五”規劃重點項目。它的建成能夠為多學科提供尖端的科研手段，極大提高國內基礎科研水平。

SHINE全長3.1 km，位于地下30 m的隧道中。裝置運行期間隧道環境相對密閉，磁鐵、采集等設備對環境溫度穩定性要求極高。然而，柜內電子學設備對放置空間的溫度變化也非常敏感，溫度細微變化會引起數據采集不準確等一系列問題。而電子學設備自發熱使得機柜在隧道中變成熱源，這就要求機柜必須進行自散熱且熱量不能傳導到隧道空氣中，避免引起隧道內環境溫度的變化。柜內外時刻保持溫度穩定，減少溫度變化，需具有散熱、保溫、穩定的三重性能。SHINE隧道存在復雜磁場，為保證機柜內精密的電子器件少受環境電磁干擾，機柜需具有電磁屏蔽效能。裝置運行期間隧道內存在大量電離輻射，人員無法進入本地操作，要求機柜具有遠程狀態監控和控制功能。隧道內設備擺放空間有限，機柜內冷卻模塊必須少占用柜內空間，以滿足設備安裝需求。綜合以上因素，如何有效地監控機柜狀態，保持恒溫和電磁屏蔽效能，成了裝置能否穩定運行的關鍵因素之一，亟需研發一種能夠適應各種使用要求的機柜。然而，此種高性能的特種機柜，在國內市場上并無類似產品。

調研國外的同類裝置中，例如歐洲自由電子激光裝置（European-XFEL），在隧道內同樣使用高精度水冷式機柜。雖然加以改造能夠滿足使用要求，但從國外進口價格將十分昂貴，加上貿易和疫情因素導致海外供貨周期長，難以滿足安裝需求。如改機柜產品國產化，即可解決此工程難題。

1 恒溫機柜研制

1.1 換熱方式

SHINE裝置隧道內布置充足水冷卻，同時參考國外同類型裝置電氣機柜冷卻模式，本機柜采用水冷式設計方案。機柜內部除進出線口外全部密封，強制對流換熱[1]。水冷散熱方式具有散熱能力強、散熱效率高、能耗低以及可實現余熱回收利用等優點，彌補了傳統空調冷卻方式散熱能力和效率不高、耗電量大，以及易發生局部過熱現象等多方面的不足[2]。根據SHINE隧道內整體布局，將機柜換熱功率定位在1kW。

1.2 換熱計算

柜內設備運行穩定后，散熱量達到相對恒定值，設置固定溫度和流量的冷卻水，通過水熱交換器進行熱量交換將柜內熱量帶出。機柜內部進行密封式強制風冷循環，可同時達到散熱和恒溫效果。

式（1）中：Qwater—機柜換熱量；Cp.water—水的比熱；Mwater—冷卻水質量；Δtwater—冷卻水溫升。

當機柜冷卻水流量設置為5 L/min時，機柜內熱源為1 kW，穩定1 h后換熱量為1kW·h。設風扇換熱效率達到100%時，冷卻水回水理論溫升2.86℃。而實際產品的換熱效率約90%左右，回水溫度約3.2℃。分析計算表明，水冷散熱模式可行且回水溫升在可接受范圍內，符合工程使用要求。

圖1 機柜風道設計Fig.1 Cabinet air duct design

1.3 溫度精度和智能控制

機柜內外溫度精度控制關鍵在于水冷模塊風扇運行的控制。在機柜內設備數量不變，長時間運行達到穩定狀態后，發熱量是穩定的。冷卻水帶走柜內熱量時，熱量轉移也是穩定的，能夠引起柜內溫度不均勻或者變化的就是水冷交換器的風扇運轉。試驗表明，風扇的不同轉速對機柜內部的溫度變化影響很大。恒溫機柜的溫度精度控制采用PID算法，在機柜內部不同位置設置多組溫度探頭監測機柜內溫度，通過PID溫度反饋體系對風扇轉速進行微調控制，進而調整柜內冷風循環，保證機柜內部溫度精度，溫度數據可向中控傳輸和反向控制，達到智能要求[3]。

機柜對外散熱不能避免地通過機柜面板向外散熱，而要求機柜內熱量盡量少地傳遞到環境中，就必須在機柜內部設計保溫層。恒溫機柜采用高隔熱性能的軟保溫棉，在機柜結構框體內壓邊粘貼，使機柜整體處于隔熱狀態。

1.4 風道設計

在散熱模式和溫度精度控制方式確定后，還有柜內的風道設計能夠影響機柜內整體的恒溫性能。在研發過程中，設計了3款不同風道方向的產品，設計原理如圖1，以對比不同風道對機柜內部性能的影響，選擇最合適的風道模式。

1#機柜采用機柜側夾板水冷原理，風道水平橫向循環。機柜左右兩個側板夾層空間有限，各布置一套長且薄的銅制水冷換熱器，在機柜側板靠近后門兩側，自上而下均勻布置12個小型吸風風扇，共24個風扇，冷風從側板靠近前門兩側吹出，使冷風在柜內橫向循環，控制器模塊布置在機柜頂部，水冷管路在機柜底部匯總[4]。橫向風道使得柜內每層溫度均勻，在豎直方向上可能存在溫度梯度。

2#機柜采用前底部水冷原理，長方體型換熱器嵌入機柜底部，機柜前門底部裝配一個變頻風扇，向前門方向吹冷風，通過前門板和層板引導，機柜后底部自然回風，形成豎向順時針風道[5,6]。由于大多數設備散熱口在機柜后部，換熱器可直接將熱風吸入，在前門區域吹出冷風，冷風透過設備層間隙及側板風道向后部擴散，形成冷風通道的良性循環，設備始終處于冷風保護區域。

圖2 1.0 kW加熱負載恒溫試驗數據Fig.2 1.0 kW heating load constant temperature test data

圖3 592.3 W加熱負載恒溫試驗數據Fig.3 592.3W Heating load constant temperature test data

3#機柜采用后底部水冷原理，同樣是長方體型換熱器嵌入機柜底部，區別在于機柜后門底部安裝兩個小風扇，向后吹冷風，冷風沿著機柜后門擴散，與設備散熱熱氣直接在機柜后部進行交匯，熱風在機柜前門底部自然回風，在機柜內部形成豎向逆時針風道。

1.5 電磁屏蔽設計

在SHINE特殊的使用環境下，高性能電磁屏蔽柜對于機柜的加工細節、接縫電磁處理要求極高。在機柜門縫處壓邊包裹EMC膠條，減少開孔數量和尺寸，僅在機柜頂板和底板開進出線孔，水管孔和電纜孔均采用導電泡棉，增加機柜的導通性能，機柜供電增加濾波器[7]。

2 技術指標

在散熱性能方面，要求在內部運行電子學設備發熱功率1 kW內，柜內溫度相對環境溫升小于10℃，柜外溫度相對環境溫升小于1℃，機柜內外表面溫度均勻溫度變化在±0.2℃范圍內。由于機柜處于地下30 m隧道中，水冷換熱器要求承受1.0 Mpa壓力。電磁屏蔽性能按《結構件電磁兼容設計規范》內屏蔽效能≥C級，即30 MHz～230 MHz頻段范圍內屏蔽效能大于40dB；在230 MHz～1000 MHz頻段范圍內屏蔽效能大于30dB。機柜采用Modbus/TCP通訊協議和Ethernet接口[8]，具有遠程監控通訊功能，在中控機房顯示柜內實時溫度、冷卻水流量等信息，遠程控制機柜開關。

3 恒溫機柜測試

3.1 恒溫測試平臺

為驗證不同風道設計機柜的恒溫性能，搭建一套測試平臺。使用可調節壓力、流量、溫度的水冷機組模擬隧道內冷卻水源，可同時為3臺機柜提供冷卻水，在回水管路上安裝流量傳感器和溫度傳感器，測量機柜流量和回水溫度。試驗中冷卻水流量設置為5 L/min，壓力1.0 MPa左右，供水溫度設置與環境溫度相同。為消除不同廠家機柜自帶溫度探頭的檢測誤差，統一安裝溫度檢測系統。選取機柜內外側壁上中下的各3個點，共6個點粘貼溫度探頭，3臺機柜溫度探頭布置在同一位置消除位置差別影響；設置1個環境監測溫度探頭，與環境溫升差值情況判斷是否符合技術指標。通過網線將機柜控制器與測試平臺聯接，可在平臺上讀寫機柜開關狀態、柜內溫度、啟動溫度、報警溫度、風扇轉速等信息，同時采集18個機柜內外溫度探頭、3個機柜回水溫度及1個環境溫度數據。

表1 電磁屏蔽測試設備Table 1 Electromagnetic shielding test equipment

3.2 恒溫測試結論

分別使用1.0 kW點式熱源和真實散熱設備（網絡交換機、電源控制箱、串口服務器等約28 U，共592.3 W）作為加熱器，在冷卻水供水溫度30℃，流量5 L/min工況下，運行穩定后，記錄柜內外最高最低溫度、機柜控制器顯示溫度、回水溫度，與環境溫度相比計算溫升，以溫升情況判斷3種不同風道設計機柜性能。1.0 kW加熱負載恒溫試驗數據測試如圖2，592.3 W真實設備加熱負載恒溫試驗數據如圖3。

通過兩組試驗對比3種不同風道設計機柜，1#機柜水平橫向風道，散熱絕熱性能良好，但柜內小風扇過多導致溫度控制不穩定，超過了±0.2℃的變化范圍。2#機柜豎向順時針風道，各項恒溫性能優異。3#機柜豎向逆時針風道，采用點熱源情況下恒溫性能良好，但采用真實設備散熱時柜內風道風阻變大，兩個小風扇風壓不足，冷風不能覆蓋設備區域，散熱能力大幅下降。綜合以上分析，2#機柜風道設計更為合理。兩種測試情況下，對回水溫度進行測量，根據回水溫升和散熱計算，在1.0 kW點式加熱源下，3個機柜的換熱效率分別為66.5%、99.3%、92.2%；在592.3 W真實設備散熱下，3個機柜的換熱效率分別為48.3%、67.6%、84.5%，在此情況下3個機柜換熱效率均有不同程度下降。工程使用中，真實設備散熱比點熱源更貼合實際情況，試驗結果更具有代表意義[9]。

3.3 電磁屏蔽效能測試

柜內敏感設備在受到電磁干擾時可發生性能下降或功能失效故障，為保護柜內設備正常工作，參考《結構件電磁兼容設計規范》，機柜按照C級屏蔽效能（30 MHz～230 MHz 40dB；230 MHz～1000MHz 30dB）指標設計。根據GB/T12190-2006《高性能屏蔽室屏蔽效能測量方法》，對機柜電磁屏蔽效能做測試。試驗前，將激光場強探頭放置于3 m法改進型半電波暗室轉臺中心，分別使用3種不同頻帶天線在距離激光場強探頭3 m、高度1.8 m位置進行場強照射，得到30 MHz～3 GHz場強a0（dBμV/m）；后將機柜放置在轉臺中心并充分接地，場強探頭放在柜內相同位置，在相同位置進行照射，場強為a1（dBμV/m），機柜的屏蔽效能為as=a0-a1（dB）[10]。

圖4 機柜電磁屏蔽效能測試數據Fig.4 The test data of the electromagnetic shielding effectiveness of the cabinet

圖5 遠程控制界面Fig.5 Remote control interface

3個機柜柜體選材、開孔處理、電磁屏蔽條做工不同導致屏蔽效能存在差異。由圖4機柜電磁屏蔽效能測試數據分析，2#機柜在各個頻段內符合指標要求，1#、3#機柜在高頻段不能達到指標要求。

4 智能控制

控制界面軟件設計基于Python及其工具設計與集成。恒溫機柜的遠程控制是基于EPICS進行構建的，由一臺X86作為IOC（Input/Output Controller）控制器，通過網絡接口實現對恒溫機柜過程量的訪問控制，IOC運行EPICS系統基礎內核與過程控制數據庫，實時調節控制量，并獲取恒溫機柜運行參數[11]。上層控制終端通過LAN訪問IOC中的數據庫記錄值，并使用設計的圖形化控制界面程序實時顯示運行狀態參數。

5 結語

智能恒溫機柜為SHINE裝置定向研發，具有高精度恒溫、高電磁屏蔽、遠程智能控制等性能。設計了3種不同風道原理的機柜，搭建的恒溫測試平臺對3臺機柜進行恒溫性能測試。測試表明水冷設計原理可行，豎向順時針風道設計最為合理。在電磁屏蔽效能測試中對比了3個機柜EMC質量，由于機柜的做工和細節處理不同，呈現出不同的電磁屏蔽曲線，試驗結果表明2#機柜的電磁屏蔽效果最好。在智能性上，機柜可通過PID溫度控制反饋，調整機柜的風量，讓機柜保持高度穩定，且機柜溫度和開關數據能在遠程讀寫，數據可通過網線遠距離傳送，具有智能控制功能。

智能恒溫機柜的創新研發填補了國內市場特種高精度、高性能機柜類型的空白，成功的國產化也為SHINE裝置節約了建設成本費用。同時，智能恒溫機柜可在國內同類型高要求的大科學裝置和加速器裝置中應用，具有市場推廣價值。