一种通信设备的热负载系统及其控制方法与流程

1.本发明属于通信技术领域，特别是涉及一种通信设备的热负载系统及其控制方法。


背景技术：

2.伴随通信技术的发展进步，数据中心、5g和mec的大规模建设，网络宽带市场及业务量持续增长，相关的通信主设备(如bbu、mec、服务器、传输等设备)的功耗容量呈指数化增长，对数据中心、微模块和机柜等承载通信设备的基础设施提出了更高的要求。在数据中心、微模块和机柜等竣工之后、投入使用之前，要对其散热、节能、气流组织和低压供配电等系统进行全面、系统的测试，提前了解和最大程度地了解各系统性能和识别风险。
3.而相关的通信主设备需要开通业务后才会产生实际的功耗，为最大程度的模拟数据中心、微模块和机柜等承载通信设备的基础设施系统在安装通信主设备后的真实情况，就需要测试通信设备热负载的系统具有更高的性能。
4.现有的通信设备热负载系统，普遍采用前进后出的风道，利用加热丝、ptc电阻或晶闸管加热产生功耗，最后用风扇将热量排出机箱外，达到模拟通信主设备发热的目的，但是存在着下列问题：
5.(1)目前的通信主设备大多是左进右出或右进左出的风道，而现有市场售卖或自制的热负载，以前进后出的风道为主，难以模拟出通信主设备的真实情况。
6.(2)现有的热负载的设计方式是用ptc电阻、发热丝或者晶闸管作为发热体，ptc电阻、发热丝价格便宜，但是会随着温度自动降功耗，内部温度越高降功耗越多，精准度差。晶闸管可以调功耗，精准度高但是价格更贵，难以同时满足可调功耗和经济性需求，且热量也很集中，导致机箱壳体表面的局部温度超过安规标准(iec60950，金属可触碰区温度不超过70℃)，难以模拟出主设备真实情况。
7.(3)现有热负载的风扇没有调速系统，也没有根据温差设定来调速的功能，热负载一启动就用最大排风量启动工作，导致增加或减小负载功耗时风扇不会相应的调整，难以模拟出主设备真实情况。
8.(4)现有热负载调整功耗时，一个或n个发热体对应一个或n个开关组合，利用开关控制发热体的闭合或调整，容易造成某个或多个发热体比其他发热体使用频率更高，故障率也更高，某个或多个发热体故障后，热负载的功耗就会相应的下降。
9.(5)热负载一般有多个发热体，当所有发热体都在工作时，靠近风扇进风的发热体温度低，靠近出风处发热体的温度因为热量叠加，温度会高很多，导致热负载系统内的热量不均衡，发热点集中问题严重，发热体高温降额和散热面积不足，靠近出风处的发热体因温度过高降功耗和故障的情况频发，热负载的功耗密度无法进一步提升，普遍不满足实际使用需求。


技术实现要素：

10.本发明所要解决的技术问题是：针对现有的热负载系统无法调节风量和功耗的问题，提供一种通信设备的热负载系统及其控制方法。
11.为解决上述技术问题，一方面，本发明提供一种通信设备的热负载系统，包括机箱封闭结构、控制板、风扇、上电模块和多个加热模块；
12.所述机箱封闭结构包括机箱外壳和安装在所述机箱外壳中的安装组件，所述机箱外壳上设置有第一开口和第二开口，所述加热模块穿过所述第一开口并可插拔地连接所述安装组件，所述风扇穿过所述第二开口并可插拔地连接在所述安装组件和所述机箱外壳之间的空隙中；所述控制板安装在所述安装组件上，所述上电模块安装在所述机箱外壳上，所述上电模块连接外界电源，所述控制板分别电连接所述上电模块、所述风扇及多个所述加热模块；
13.所述控制板上设置有风扇控制器和加热模块控制器，所述风扇控制器用于根据热负载系统的风量需求来控制所述风扇送风；所述加热模块控制器用于根据热负载系统的总功耗来控制各个加热模块的功耗。
14.优选地，所述通信设备的热负载系统还包括铜排，所述控制板通过所述铜排分别电连接所述控制板、所述风扇及多个所述加热模块，所述机箱外壳包括机箱上盖、机箱底盖和机箱后盖，所述控制板和所述铜排安装在所述安装组件的靠近所述机箱后盖的一侧，所述风扇和所述上电模块分别设置在所述安装组件的两侧，所述风扇安装在所述机箱外壳的进风的一侧。
15.优选地，所述安装组件包括第一安装件、第二安装件、第三安装件、第一隔板和第二隔板，所述第一安装件和所述第二安装件之间，以及所述第二安装件和所述第三安装件之间均连接有所述第一隔板，所述第一安装件、所述第二安装件和所述第三安装件上均设置有多个所述第二隔板。
16.优选地，所述安装组件还包括用于限定所述加热模块插拔位置的多个限位件，所述第一隔板和所述第二隔板上均安装有所述限位件。
17.优选地，所述加热模块包括加热模块安装板、散热器、加热膜和指示灯，所述散热器和所述指示灯安装在所述加热模块安装板上，所述加热膜位于所述散热器和所述加热模块安装板之间，所述加热膜上安装有第一温度采集器。
18.优选地，所述上电模块包括上电模块安装板、接线端子和监控屏，所述上电模块安装板安装在所述机箱外壳上，所述接线端子用于连接外界电源。
19.优选地，所述铜排包括正极铜排和负极铜排，所述铜排连接所述接线端子。
20.另一方面，本发明提供一种通信设备的热负载系统的控制方法，所述控制方法包括；
21.获取风扇的运行模式信息；
22.风扇控制单元根据运行模式信息控制所述风扇送风；
23.获取所述热负载系统的总功耗；
24.加热模块控制单元根据所述热负载系统的总功耗控制各个加热模块的功耗。
25.优选地，获取所述风扇的运行模式信息，风扇控制单元根据运行模式信息控制所述风扇送风包括：
26.在所述风扇的运行模式为自动调节模式时，
27.采集所述热负载系统的总功耗；
28.计算所述热负载系统的风量需求，根据风量需求发送调速信号给所述风扇；
29.在所述风扇的运行模式为温差调节模式时，
30.获取所述热负载系统的设定温差；
31.计算所述热负载系统的风量需求，根据风量需求发送调速信号给所述风扇；
32.采集所述热负载系统的进风温度和出风温度；
33.计算所述热负载系统的进风温度和所述热负载系统的出风温度的平均温差，并在平均温差未超出预设温差时，所述风扇维持转速不变，在平均温差超出预设温差时，风扇控制器控制所述风扇调整速度。
34.优选地，获取所述热负载系统的总功耗，加热模块控制单元根据所述热负载系统的总功耗控制各个加热模块的功耗包括：
35.获取各个所述加热模块平分总功耗后的功耗；
36.采集各个所述加热模块的温度；
37.所述热负载系统与所述加热模块之间温度平衡后，计算各个所述加热模块的温度平均值，并与预设的温差比值对比，多减少补所述加热模块的功耗；
38.重新获取各个所述加热模块的温度；
39.所述热负载系统与所述加热模块之间温度平衡后，重新计算各个所述加热模块的温度平均值，在温度平均值未超出预设的温差比值时，各所述加热模块维持功耗不变，在温度平均值超出预设的温差比值时，加热模块控制器调整需要调节的所述加热模块。
40.本发明实施例中风扇控制器能够根据热负载系统的实际需求调整风扇的风速，改变风量，解决了热负载一启动就用最大排风量启动工作，导致增加或减小负载功耗时风扇不会相应的调整，难以模拟出主设备真实情况的问题。加热模块控制器能够智能调节每个加热模块的功耗，避免了靠近风扇进风的发热体温度过低，靠近出风处发热体的温度因为热量叠加，温度过高，解决了热负载系统内的热量不均衡，和靠近出风处的发热体因温度过高降功耗和故障频发的问题。
附图说明
41.图1是本发明一实施例提供的热负载系统的结构示意图；
42.图2是本发明一实施例提供的热负载系统的爆炸结构示意图；
43.图3是本发明一实施例提供的加热模块的结构示意图；
44.图4是本发明一实施例提供的机箱封闭结构的结构示意图；
45.图5是图4中a处的局部放大结构示意图；
46.图6是本发明一实施例提供的风扇的控制逻辑图；
47.图7是本发明一实施例提供的加热模块的控制逻辑图。
48.说明书中的附图标记如下：
49.1、机箱外壳；11、机箱上盖；12、机箱底盖；13、机箱后盖；14、第一开口；15、第二开口；2、安装组件；21、第一安装件；22、第二安装件；23、第三安装件；24、第一隔板；25、第二隔板；26、限位件；3、风扇；4、控制板；5、上电模块；51、上电模块安装板；52、接线端子；53、监控
屏；6、加热模块；61、加热模块安装板；62、散热器；63、加热膜；64、指示灯；7、铜排。
具体实施方式
50.为了使本发明所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
51.如图1至图5所示，一方面，本发明实施例提供的一种通信设备的热负载系统，包括机箱封闭结构、控制板4、风扇3、上电模块5和多个加热模块6。所述机箱封闭结构包括机箱外壳1和安装在所述机箱外壳1中的安装组件2，所述机箱外壳1上设置有第一开口14和第二开口15，所述加热模块6穿过所述第一开口14并可插拔地连接所述安装组件2，所述风扇3穿过所述第二开口15并可插拔地连接在所述安装组件2和所述机箱外壳1之间的空隙中。
52.所述控制板4安装在所述安装组件2上，所述上电模块5安装在所述机箱外壳1上，所述上电模块5连接外界电源，所述控制板4分别电连接所述上电模块5、所述风扇3及多个所述加热模块6。
53.所述控制板4上安装有风扇控制器和加热模块控制器，所述风扇控制器用于根据热负载系统的风量需求来控制所述风扇3送风，所述加热模块控制器用于根据热负载系统的总功耗来控制各个加热模块6的功耗。
54.本发明中，所述控制板4上集成风扇控制器和加热模块控制器，能够监测和调整对所述风扇3和加热模块6的控制，所述风扇控制器能够根据热负载系统的实际需求调整风扇3的风速，改变风量，解决了热负载一启动就用最大排风量启动工作，导致增加或减小负载功耗时风扇3不会相应的调整，难以模拟出主设备真实情况的问题。加热模块控制器能够智能调节每个加热模块6的功耗，避免了靠近风扇3进风的发热体温度过低，靠近出风处发热体的温度由于热量叠加，温度过高，解决了热负载系统内的热量不均衡，和靠近出风处的发热体因温度过高降功耗和故障频发的问题。
55.如图1至图2所示，在一实施例中，所述通信设备的热负载系统还包括铜排7，所述铜排7安装在所述安装组件2上，所述控制板4通过所述铜排7分别电连接上电模块5、所述风扇3及多个所述加热模块6，所述上电模块5连接在外界电源和所述铜排7之间，外界电源通过线缆连接到所述铜排7，所述铜排7通过线缆连接所述控制板4、所述风扇3及多个所述加热模块6，将电流分配到所述上电模块5、风扇3和加热模块6等用电部件。
56.所述机箱外壳1包括机箱上盖11、机箱底盖12和机箱后盖13，所述控制板4和所述铜排7安装在所述安装组件2的靠近所述机箱后盖13的一侧，所述风扇3和所述上电模块5分别设置在所述安装组件2的两侧，所述风扇3安装在所述机箱外壳1的进风的一侧。
57.如图4所示，在一实施例中，所述安装组件2上下两端分别抵触所述机箱上盖11和机箱底盖12，所述安装组件2两侧具有空隙，用于放置所述风扇3和所述上电模块5，所述加热模块6朝着所述机箱后盖13的方向自所述第一开口14可插拔连接到所述安装组件2上，所述风扇3朝着所述机箱后盖13的方向自所述第二开口15可插拔连接到所述安装组件2一侧的空隙中，检修和更换方便快捷。优选地，所述风扇3和所述加热模块6均为热插拔连接，热插拔连接的公端设置在所述风扇3和所述加热模块6上，母端设置在所述安装组件2上，并通过线缆连接所述铜排7。
58.所述机箱上盖11的结构包括一个水平面和设置在水平面两侧的竖直面，两个竖直面上均布置有气孔，其中一个竖直面为进风处，另外一个竖直面为出风出，使得整个热负载系统形成侧进侧出风道，根据热负载系统的正反放置方式来满足左进右出或右进左出的进出风方式，能够真实模拟和适应目前通信主设备(bbu、mec、服务器、传输等设备)的各种场景实际使用需求。
59.如图2所示，在一实施例中，所述安装组件2包括第一安装件21、第二安装件22、第三安装件23、第一隔板24和第二隔板25，所述第二安装件22位于所述第一安装件21和第三安装件23之间，所述第一安装件21和所述第二安装件22之间，以及所述第二安装件22和所述第三安装件23之间均连接有所述第一隔板24，所述第一隔板24能够承接所述加热模块6。所述第一安装件21、所述第二安装件22和所述第三安装件23上均设置有多个所述第二隔板25，位于同一水平上的所述第二隔板25能够共同承接一个所述加热模块6。
60.如图2所示，在一实施例中，所述安装组件2上热插拔连接有8个加热模块6，通过所述第一隔板24和所述第二隔板25在竖直方向上将所述第一安装件21和所述第二安装件22之间的空隙，以及所述第二安装件22和所述第三安装件23之间空隙均间隔为四层。
61.如图3所示，在一实施例中，所述加热模块6包括加热模块安装板61、散热器62、加热膜63和指示灯64，所述散热器62和所述指示灯64安装在所述加热模块安装板61上，所述指示灯64用于显示告警和运行状态。所述加热膜63位于所述散热器62和所述加热模块安装板61之间，所述加热膜63上安装有第一温度采集器，用于采集所述加热模块6内部的温度。
62.在一实施例中，每一个所述加热模块6上设置有一个所述第一温度采集器，共设置有8个。
63.所述加热模块6作为热负载系统的发热部件，所述加热膜63通过高温胶贴在所述散热器62上，所述加热膜63大面积的贴附在所述散热器62上发热，实现温度均衡，解决了发热点集中、传热效率、局部温度安规等问题。所述加热膜63内部的第一温度采集器具有温度检测功能，可以将所述加热膜63的温度状态实时上传到所述加热模块控制器上。
64.采用所述加热膜63贴敷在所述散热器62作为发热体的方式，具有传统热负载用ptc电阻、发热丝做发热体的便宜经济和晶闸管加散热器62做发热体的精准调节功耗的双重特性，同时满足可调功耗和经济性需求。
65.在一实施例中，热负载系统的进风处和出风处均设置有第二温度采集器，用于采集热负载系统的进风和出风温度，共设置有6个。
66.如图4至图5所示，在一实施例中，所述安装组件2还包括用于限定所述加热模块6插拔位置的多个限位件26，所述第一隔板24和所述第二隔板25上均安装有所述限位件26，所述加热模块6插入所述安装组件2后，所述限位件26能够限定所述加热模块安装板61的位置。
67.优选地，沿着所述机箱壳体的前端至后端的方向，所述第一隔板24的前后两端均设置有所述限位件26，所述第二隔板25的前后两端均设置有所述限位件26，能够使得所述加热模块6顺利推入所述安装组件2中。
68.如图2所示，在一实施例中，所述上电模块5包括上电模块安装板51、接线端子52和监控屏53，所述上电模块安装板51安装在所述机箱外壳1上，所述上电模块5安装在所述机箱上盖11和所述机箱底盖12之间，所述接线端子52用于连接外界电源，所述接线端子52通
过电缆连接到所述铜排7上。
69.所述监控屏53用于显示热负载系统的状态和菜单等信息，所述监控屏53上的按钮可调整热负载系统的开启关闭、风扇3运行模式(自动调节模式和温差调节模式两种模式)和负载功耗等指令，调整完成后通过按钮启动，启动后将指令发送到所述控制板4。
70.在一实施例中，所述铜排7包括正极铜排和负极铜排，所述铜排7连接所述接线端子52，直流电通过线缆连接到所述铜排7，所述铜排7将电流分配到所述控制板4、所述风扇3和所述加热模块6等用电部件。
71.另一方面，本发明实施例提供一种通信设备的热负载系统的控制方法，所述控制方法包括：
72.获取风扇3的运行模式信息；
73.风扇控制单元根据运行模式信息控制所述风扇送风；
74.获取所述热负载系统的总功耗；
75.加热模块控制单元根据所述热负载系统的总功耗控制各个加热模块6的功耗。
76.通过所述上电模块5的所述监控屏53能够输入所述风扇3的运行模式信息以及所述热负载系统的总功耗，所述监控屏53通过按钮调整热负载系统的开启关闭、风扇3控制模式(自动调节模式和温差调节模式两种模式)和负载功耗等指令，调整完成后通过按钮启动，启动后所述风扇控制单元和所述加热模块控制单元收到指令，发送信号对所述风扇3和所述加热模块6进行开启和调节。
77.风从左进风右出风(或者右进风左出风)，根据风扇控制器内置的公式计算出所需要的风量，将加热模块6产生的热量排出到机箱外部，所述加热模块6内部有第一温度采集器，实时将温度信息上传到控制板4上的加热模块控制器，加热模块控制器根据监控屏53设定的功耗和风扇3控制模式内置算法合理分配每个加热模块6的功耗。
78.如图6所示，在一实施例中，获取所述风扇3的运行模式信息，风扇控制单元根据运行模式信息控制所述风扇3送风包括：
79.通过所述监控屏53输入的风扇3运行模式信息，风扇运行模式包括自动调节模式和温差调节模式，确定风扇3的运行模式后按照相应的控制方法进行调节。
80.在所述风扇的运行模式为自动调节模式时，实时采集所述热负载系统的电流电压以获取所述热负载系统的总功耗，风扇控制器根据实时采集到的热负载系统的总功耗，按照内置的公式计算所述热负载系统的风量需求，所述风扇控制器根据风量需求发送调速信号给所述风扇3，对热负载系统进行散热排风。
81.在所述风扇的运行模式为温差调节模式时，获取所述热负载系统的设定温差，所述风扇控制器根据设定温差按照内置的公式计算出所述热负载系统的风量需求，所述风扇控制器根据风量需求发送调速信号给所述风扇3，对所述热负载系统进行散热排风。
82.热负载系统进风处和出风处均设置有第二温度采集器，所述第二温度采集器实时采集所述热负载系统的进风温度和出风温度，并将温度数据传送给所述风扇控制器，所述风扇控制器计算所述热负载系统的进风温度和所述热负载系统的出风温度的平均温差，根据平均温差值与预设温差值进行对比，根据对比结果选择是否修正风扇3速度，在平均温差未超出预设温差时，所述风扇3维持转速不变，在平均温差超出预设温差时，所述风扇控制器调整所述风扇3的速度。
83.温差要求的判断对比过程为：
84.若平均温差值小于预设温差值(如1℃)，则判断结果为达到预设温差要求，所述风扇控制器不发送修正信号，所述风扇3维持原来的转速不变。
85.若平均温差值大于预设温差值(如1℃)，则判断结果为未达到预设温差要求，所述风扇控制器根据平均温差值与预设温差值(1℃)进行对比来反向计算修正数据，并发送修正信号，根据修正信号调整超过预设温差值的风扇3的转速，直到平均温差值在预设温差值范围内。
86.本发明采用了风扇3调节模式(自动和温差模式)的功能，更能适应和满足对数据中心、微模块和机柜等承载通信设备的基础设施系统测试散热、气流组织、节能的需求。
87.如图7所示，在一实施例中，获取所述热负载系统的总功耗，加热模块控制单元根据所述热负载系统的总功耗控制各个加热模块的功耗包括：
88.所述热负载系统的总功耗通过所述监控屏53输入，并将所述热负载系统的需求总功耗值传送给加热模块控制器。
89.获取各个所述加热模块平分总功耗后的功耗，所述热负载系统启动后，所述加热模块控制器根据设定的总功耗需求，将总功耗值平均分配到各个所述加热模块6，总功耗值/加热模块6数量n＝每个加热模块6平均分配的功耗。所有加热模块6均参与工作，避免某个或多个加热模块6比其他加热模块6使用频率更高，故障率也更高的情况，某个或多个加热模块6故障后，故障后的加热模块6的功耗也会自动转移到其他加热模块6上。
90.所述加热模块控制器实时采集各个所述加热模块6的温度数据，所述加热模块6启动后需要一定的时间才能达到温度平衡，所述加热模块控制器判定所述热负载系统与各个所述加热模块6之间温度是否平衡，判定标准为3分钟内各个发热点温度变化值小于2℃。
91.所述热负载系统和各个所述加热模块6的温度达到平衡后，加热模块控制器计算各个所述加热模块6的温度平均值，根据温度平均值与预设的温差比值进行对比，来判断需要调整的加热模块6，根据内置的公式对不在预设的温差比值范围内的加热模块6进行调整，在保持总功耗需求不变的前提下，对不在预设的温差比值范围内的加热模块6的功耗进行多减少补。
92.调整加热模块6功耗后，加热模块6需要一定的时间才能再次达到温度平衡，重新获取各个所述加热模块6的温度，所述加热模块控制器根据实时上传的所述加热模块6的温度数据，判定整个热负载系统和各个所述加热模块6之间的温度是否达到平衡，判定标准为3分钟内当各个发热点温度变化值小于2℃。
93.所述热负载系统和各个所述加热模块6的温度达到平衡后，加热模块控制器根据每个加热模块6的温度数据重新计算各个所述加热模块的温度平均值，根据温度平均值与预设的温差比值(3℃)进行对比，判断重新调整后的各个加热模块6的温度是否在平均值的预设温差比值内(3℃)，根据对比结果选择是否修正加热模块6的功耗，调整需要调节的加热模块6，在温度平均值未超出预设的温差比值时，各所述加热模块6维持功耗不变，在温度平均值超出预设的温差比值时，所述加热模块控制器调整需要调节的所述加热模块6。
94.具体地，如果各个所述加热模块6的温度判断结果均达到预设温差比值，则所述加热模块控制器不发送修正信号，维持经过调整后的功耗。如果某个或多个所述加热模块6的温度判断结果为达不到预设温差比值，则根据内置公式反向计算修正数据，根据修正信号
调整需要调节的所述加热模块6的功耗，直到每个所述加热模块6的温差范围在预算温差比值内。
95.通过控制逻辑控制，可以保证总功耗和每个所述加热模块6温度在温差范围内的前提下，智能调节每个所述加热模块6的功耗，避免了靠近所述风扇3进风的发热体温度过低，靠近出风处发热体的温度因为热量叠加，温度过高，解决了所述热负载系统内的热量不均衡，和靠近出风处的发热体因温度过高降功耗和故障频发的情况。
96.本发明采用了所述风扇3和所述加热模块6智能控制技术，解决了传统热负载系统因为热量不均衡、温度不均衡(发热点集中)、发热体高温降额和散热面积不足等问题，使的热负载相同的功耗密度进一步得到了提升，能够模拟多种通信设备的真实情况。
97.以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。