中心機房動力環境監控系統設計

馮佳麗

（中國石化石油物探技術研究院 地球物理信息中心，江蘇 南京 211103）

0 引 言

隨著信息技術的提升和普及以及大數據的處理需求，計算機系統設備數量與日俱增，各大機構、企業紛紛建成現代化信息機房，并配備了相應規模的電池室與配電室等。中心機房中存放了大量的硬件、軟件以及數據資產，采用高速網絡與各個辦公設備相連通。其中IT設備的運行離不開穩定可靠的電源系統和良好安全的機房環境[1]。為保障機房設備的安全穩定運行，需要確保與之配套的機房動力系統、環境系統、消防系統以及安保系統時刻穩定協調。如果機房動力及環境設備出現故障，那么輕則影響業務，重則造成系統癱瘓[2]。

傳統的機房維護工作主要靠工作人員值班看護，需要對機房及其配套設備間內的各類設備進行巡查，發現問題后迅速報告處理。這種方式有很大的局限性，無法保證能夠第一時間發現機房設備工作過程中的問題，而且在人員配置方面也是一種消耗[3,4]。因此，通過技術手段實現365×24 h不間斷監控與異常情況告警顯得非常必要，動力環境監控系統能夠實現中心機房的集中監控、統一告警、集中管理，對機房動力和環境進行實時監控，提高運維人員工作效率，及時消除設備隱患，實現機房的科學管理[5,6]。

1 需求分析

數據中心機房設備往往分批次采購，涉及十幾個廠家，如艾默生、中興、華為以及英維克等。其結構、通信協議等也各不相同，部分廠家帶有監控工具或監控頁面，能夠展示某批次設備的運行情況。想要了解機房整體動力環境情況，可能要逐個登錄十幾個動力環境監控系統網管，有告警發生時，也無法及時傳遞給運維人員。各廠家監控系統數據孤立，缺少關聯，形成信息孤島，同類設備或同區域設備難以集中進行關聯分析與應用，無法支持決策。

針對中心機房的動力系統和機房環境，需要對機房內的供配電設備、不間斷電源（Uninterruptible Power System，UPS）、蓄電池組、母排柜等動力系統的運行情況以及機房的空調運行情況、溫度、濕度、煙霧、水浸等環境量實現遠程監測功能[7]。動力環境監控系統需要通過數據采集、傳輸、存儲、分析，實現多級或多區域網管，使無人職守成為可能。動力環境監控系統還可實現中文圖形化人機界面的操作，實現對機房總體監控及局部監控，提高管理效率。

要建設動力環境監控系統實現集中監控統一管理，需要監測的主要對象包括以下幾點。

（1）空調。空調作為機房必配設備，其主要功能是制冷，保持機房內的環境溫濕度在一定的范圍內，為設備的可靠運行提供保障，包括精密空調和列間空調。所需監控內容包括設備的開關機狀態、出風溫度、出風濕度、回風溫度、回風濕度、壓縮機工作狀態、電壓、液管溫度、吸氣溫度、吸氣濕度、壓縮機運行狀態、電加熱功能開關狀態、告警情況以及告警閾值等。

（2）配電設備。低壓配電進線柜也稱為市電進線柜，市電（電力網）供給機房使用的電能，其電力參數是重要的監控對象，監測一級、二級交流配電柜的主回路和各分回路。所需監控內容包括配電箱運行狀態、三相電壓、三相線電壓、三相電流、電流百分比、支路電流、負載情況、告警情況以及告警閾值等。交流電源分配列柜簡稱列頭柜，為各網絡機柜提供電源動力支持，集中提供電源管理。其遙測信號有主備路交流三相電壓、主備路交流三相電流、有功功率、無功功率、視在功率、電度數、支路電流以及支路功率等；遙信信號有主備路總開關狀態、支路開關告警狀態、輸出過流、輸出電壓以及防雷器故障等。

（3）UPS。UPS為機房內重要的供配電設備，是一種含有儲能裝置的不間斷電源（連接多個電池組），主要用于給計算機、計算機網絡系統或其他電力電子設備（如電磁閥、壓力變送器等）提供穩定、不間斷的電力供應，保證系統的穩定不間斷運行，避免硬件損壞及軟件數據的丟失。當市電輸入正常時，UPS將市電穩壓后供應給負載使用，此時的UPS相當于一臺穩壓器，同時向電池組進行充電；當市電中斷（事故停電、維修停電）時，UPS利用電池的電能進行轉換，向負載繼續供電，從而使負載的IT設備維持正常工作并保護軟、硬件不受損壞[8]。UPS需監控的主要數據有三相輸入電壓、直流輸入電壓、三相輸出電壓、三相輸出電流、輸出頻率、輸出功率、同步狀態，供電模式以及故障告警等。

（4）蓄電池組。蓄電池組由多個電池單體組成，每個電池單體在質量及放電使用不一致，導致電池組損耗與壽命長短不一。通過電池組監控，可以對各電池單體電壓及總電壓、總電流、電池表面溫度等使用狀況進行實時監控，一旦發現某個電池單體發生故障，則可以及時修復或更換，避免造成更大損失，同時節省了更換整套蓄電池組的開支。需要監控的內容包括蓄電池組的狀態、總電壓、總電流、電池剩余百分比、單體電池容量、單節電池電壓、單節電池內阻以及單節電池溫度等。

（5）智能電表。需要監控的內容包括運行狀態、三相電壓、三相線電壓、三相電流、三相有功功率、三相視在功率、三相功率因數、平均電流、平均電壓、系統有功功率、系統視在功率、正向有功電能以及告警狀態等，并根據監測數值計算出耗電量數據。

（6）機房環境。需要監控的內容包括溫度、濕度、水浸以及煙霧等。機房內的服務器、交換機等重要數據設備和通信設備對溫濕度具有嚴格要求，超過允許的溫度范圍則可能會造成設備的不穩定工作或數據損壞。通過安裝智能溫濕度傳感器（RS485溫濕度傳感器）能夠實現對機房溫濕度的監控。通過安裝漏水傳感器發現，機房最容易出現漏水的地方為空調附近，在空調的安裝地板下面安裝線式漏水感應傳感器，主要監控內容為溫濕度、浸水位置以及告警狀態等。

（7）網絡。中心機房中通常有多套集群、存儲、高性能服務器，這些設備采用分級的網絡交換機進行連接，保證辦公設備能夠使用這些計算存儲資源，因此交換機的運行情況也是監控對象之一。監控內容包括交換機端口狀態、中央處理器（Central Processing Unit，CPU）利用率、內存利用率、傳感器溫度、出口流量以及入口流量等，并形成網絡拓撲圖，全面了解機房主要交換機間的連接及網絡傳輸情況。

2 系統設計

動力環境監測系統設計遵循的原則包括可靠性、適用性、開放性以及可擴展性。系統建設應采用通用技術，形成一個開放、通用的系統，適用范圍廣，支持不同廠商設備的連接，滿足第三方系統的數據對接。系統運行需要具有高可靠性，保證數據傳輸可靠，并具有連續無故障運行的能力，數據庫應具備快速存儲和檢索能力以及良好的歷史數據存儲機制[9]。嚴格按照模塊化結構方式開發以滿足可重用性及可擴展性，支持容量的擴展和功能的擴展等。各模塊間開發標準接口實現數據交換，依照標準進行注釋，系統功能及代碼應易于維護、易于發現和定位故障。

被監控對象按采集方式可分為智能設備和非智能設備兩大類，智能設備本身配置傳輸控制協議/網際協議（Transmission Control Protocol/Internet Protocol，TCP/IP）及一定的數據采集能力，并帶有智能接口，可以與上位機通信；非智能設備本身不具備數據采集和處理能力，需要增加傳感器、變送器以及采集器來完成數據采集和上報[10]。

本文根據區域配置了一體化采集裝置，通過RS232、RS485總線就近連接非智能的動力環境設備，形成小范圍的集中采集單元，再由各個采集代理將數據匯總至數據庫。所選用的一體化采集裝置有6路智能設備接口，能夠進行協議轉換，采集實時數據。智能IP設備則直接形成采集單元。研發基于通用協議數據采集代理程序，進行實時數據采樣并傳輸數據入庫；研發數據聚合轉化程序，對數據進行分析和處理，形成歷史數據與衍生數據。通過服務后端編寫接口供前端調用數據，在監控大屏上展示各類動力環境數據及重要告警信息。動力環境監控系統架構如圖1所示。

圖1 動力環境監控系統架構

3 系統功能

本文中建設的動力環境監測系統主要功能有數據采集、機房動環系統大屏總覽、場地監控、設備監測、告警以及事務處理，具體內容如下。

（1）數據采集。一體化采集器與設備建立連接，進行解碼，采集、存儲大量的監控數據，并在后臺異步進行聚合，形成多種尺度的監控大數據集。（2）機房動環系統大屏總覽。展示機房三維布局、溫場分布、溫濕度、UPS剩余電量等關鍵的實時信息以及耗電量、負載率、能耗占比等統計數據。（3）場地監控。實現3D機房及2D機房功能，能夠了解機房整體布局、設備位置情況、溫度分布以及冷通道位置等。（4）設備監測。包括網絡交換機監測、智能電表監測、母排監測、UPS監測、空調（列間空調、精密空調）監測、漏水監測等。（5）告警。根據機房管理標準及管理需求，對告警閾值進行設置，系統根據設置范圍自動生成告警信息，并根據告警級別形成工單。（6）事務處理。告警形成工單，自動發送給相應的運維管理人員，收到工單后遠程或現場處理問題，填寫解決方法，完成工單。

4 結 語

本軟件實現了對中心機房所需配電柜、智能電表、UPS電池組、母排柜、精密空調、列間空調、網絡交換機、溫濕度傳感器、水浸以及煙霧等設備的全面監控，使得運維管理人員能夠快速了解所有動力環境設備的運行情況，并及時獲取告警信息，進行巡查處理，保障設備運行安全。減輕了機房管理人員的工作壓力，實現了中心機房動力設備遠程監控功能。此外，以數據為依據，可統計分析當前機房各個主要部分（如空調機組用電、UPS自身用電、照明用電、集群用電等）的能耗，并且通過餅狀圖、柱狀圖、折線圖等方式顯示出來。還可輔助采購決策，優化中心機房整體布局、通風系統、電氣系統、布線系統、機柜布局，形成最優的動力環境配置，提高能源效率，建設環保綠色低碳機房。