一種用于機房空調機組群的集中節能控制系統

南京優科思軟件有限公司 鄒亮平

典型數據中心的機房中空調的耗電量可達到全部設備耗電的40%以上，機房空調群是機房節能減排、提高數據中心電源使用效率（PUE）的重點[1]。而機房空調特別是不具備協同控制能力的老舊機房空調群整體運行效率低下而導致得耗電大幅增加，主要表現為：各空調各自獨立運行而實際區布局負荷不均，導致機房區域冷熱不均，總體室內環境溫度波動大；局部風短路導致空調開機后回風溫度迅速波動，設備啟停頻繁；缺乏整體調度，負荷變化時不能及時調整值班機數量，導致過多的值班機空耗電能；各空調各自獨立運行，個體參數差異可能導致空調間內耗（有的加熱/濕，有的制冷/除濕），白白消耗大量電能。

1 控制系統硬件構架

機房空調機組群的集中控制系統包括主控制器、分布式溫濕度傳感單元、終端控制繼電器、及人機界面主機。如圖1所示，主控制器為基于單片機的嵌入式系統，含電源電路、MCU（單片機）、第一、二路RS485通訊電路、繼電器輸出電路（圖3）、MCU 分別與電源電路、2路RS485通訊電路，繼電器輸出電路連接。主控制器內置硬件及軟件看門狗，具有防死機、故障或斷電后自動恢復連續運行功能，軟件系統設計為專門的單任務運行模式，可靠性高。

如圖2所示，分布式溫濕度傳感單元為基于單片機的嵌入式系統，含電源電路、MCU（單片機）、1路RS485通訊電路、帶有8路NTC溫度傳感器輸入接口的電路，內置高精度的溫濕度傳感器芯片，MCU 分別與電源電路、RS485通訊電路、N TC溫度傳感器輸入接口電路，溫濕度傳感器芯片連接。機房空調機組群中每臺空調對應1個溫濕度傳感單元，通過該溫濕度傳感單元可在該空調負責的區域內布設8只NTC 高精度溫度傳感器來測量該區域內的溫度分布。主控制器第二路RS485通訊電路為通訊主機接口，用于與分布式溫濕度傳感單元連接通訊，以讀取機房各采用分布點的溫濕度數據。

圖1 控制系統組成圖

圖2 分布式溫濕度傳感單元

圖3 繼電器輸出

表1 使用/不使用群控系統時空調耗電量交叉對比數據

主控制器的主控制器板內置多個中間繼電器（圖3），每一中間繼電器連接控制一個外部終端繼電器。外部終端繼電器安裝于每一臺空調配電箱內，外部終端繼電器常閉觸點接入機房空調的標準遠程控制接口[2]。主控制器通過控制外部終端繼電器的通斷來控制所對應空調的啟停。這種控制接口方式不插手干涉精密空調微處理器內部控制過程，可兼容不同廠家各種型號的機房空調，同時提升了高節能系統的運行安全可靠性：即使集控節能系統的主控器斷電或死機，或輸出信號線路在達到精密空調機組的途中出現損害或短路意外故障，終端繼電器將會失去控制信號，精密空調機組會憑借終端繼電器的常閉觸電閉合信號立即喚醒處于啟動運行狀態。

人機界面采用帶組態功能的工業標準彩色觸摸屏人機交互界面單元，通過RS485通訊接口（采用MODBUS-RTU 協議）與主控制器的第一RS485通訊電路連接，對主控制器的配置、參數設置、運行狀態及運行歷史數據庫查詢，溫度場歷史數據曲線圖形顯示、數據導出等操作。

2 控制系統運行原理

該控制系統基本運行原理是在機房布置大量溫度采集點，采集整個機房的溫度場，以總體機房環境溫度為控制對象，統一自動調度機房空調開啟的臺數（保證機房設備的冷卻）。同時結合機房局部溫度熱點區消除功能：溫度過高的區域空調優先開機，溫度超高的區域空調強行開機；溫度低的區域空調優先關機。這樣統一自動調度機房所有空調，解決了機房空調各自為政導致的能耗增加，實現整個機房溫度場的均衡，提高了機房整體溫度控制精度（減少了溫度波動），達到節能的目標。同時實現了機房值班機的無人值守切換，降低了管理成本[3]。

該控制系統通過主機通訊口為每個空調區域節點都配置一個網絡型溫濕度傳感器，以采集每個空調負責區域溫濕度及外置該區域8個點的溫度場數據，并由該網絡獲取機房整體溫度場數據。集控系統根據采集的數據對整個機房的溫度場分布進行綜合運算分析，采取智能PID 算法，自動決策投入機房空調運行臺數，整體調度機房內所有空調的啟停，均衡控制機房溫度場，提高整體運行效率，達到節能目的。

當機房出現局部熱點時，優先投入熱點所在區域機房空調的制冷量輸出，如果溫度還是降不到安全區域，則喚醒相鄰區域機房空調開啟制冷，協助工作。控制系統調度順序上，控制溫度低的區域空調優先關機，以均衡控制機房溫度場。機房空調機組群一般都有冗余配置，該控制系統根據用戶設置的冗余量自動控制調度值班機組的切換，保證機房空調的均衡磨損運行。

對機房空調的調度只通過機房空調本身配備的遙控開機輸入端口來實現，不插手干涉機房空調微處理器內部控制過程。對空調的控制采用終端控制繼電器常閉觸點控制方式，保證了節能系統的運行安全可靠性。即使集控節能系統的主控器斷電或損壞死機，或輸出信號線路在達到機房空調機組的途中出現損害或短路故障，繼電器將會失去控制信號，機房空調機組會憑借終端繼電器的常閉觸電閉合信號立即喚醒處于啟動運行狀態，而且控制系統整個安裝工程施工過程，可以不影響整體機房空調的正常運行。每臺空調可單獨調試，選擇自主運行或群控運行[4]。機房群集控系統能同時兼容控制不同廠家/品牌的不同型號空調。

3 結語

該系統在浙江嘉興某數據機房進行了使用/不使用該群控系統運行時，對機房空調總體耗電量的綜合交叉對比測試。該機房內有七臺機房精密空調，幾個月的測試期間，采用群控節能系統運行一段時間后，緊接著采用手動模式運行一段時間，二種模式交替進行，保證機房溫度基本一致。根據當年7月3日至10月28日期間對比測試所測數據（表1）進行對比綜合評估節電達22%。這里基于夏季3個多月對比運行測試的數據進行的經濟效益分析不能說完全準確，但可以說應該是相對保守的，因為實際后續測試中發現冬季環境溫度越低，群控模式節能效果越明顯。

數據中心機房采用該系統后，既可全面監控管理機房的溫度場分布，又可提高溫濕度場的控制精準度，有效節約了電能，提高機房PUE 指標；并且同時可省去過去需投入過多人力資源去干預調節工作，從宏觀上節省了人力資源成本投入。