地球站節(jié)能環(huán)境管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

劉海濤

國家廣播電視總局呼和浩特地球站 內(nèi)蒙古 呼和浩特市010070

引言

地球站機(jī)房設(shè)備既有高頻高壓設(shè)備、電子精密設(shè)備，又有計(jì)算機(jī)服務(wù)器等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，對(duì)溫濕度、壓力、通風(fēng)風(fēng)量、空氣清潔度等環(huán)境指標(biāo)要求極高。根據(jù)地球站設(shè)備特性，可以利用自然冷風(fēng)降溫，也可利用設(shè)備產(chǎn)生的熱能加熱，通過混風(fēng)熱交換的方式，實(shí)現(xiàn)節(jié)能環(huán)保的目的。

1 地球站環(huán)境控制系統(tǒng)現(xiàn)狀

地球站機(jī)房環(huán)境要求嚴(yán)格，只有合格的環(huán)境才能使設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定可靠，減少維護(hù)難度，延長使用壽命，減小故障率。現(xiàn)有地球站環(huán)境控制系統(tǒng)存在以下問題：

（1）溫度只能靠空調(diào)進(jìn)行調(diào)節(jié)，極度耗費(fèi)電能，控制不精細(xì)。

（2）只能靠自然風(fēng)進(jìn)行室內(nèi)外循環(huán)，環(huán)境潔凈度無法控制，增加維護(hù)量，損耗設(shè)備壽命，且自身產(chǎn)生的熱能也全部損耗，浪費(fèi)資源。如果采用內(nèi)循環(huán)方式，能解決該問題，但耗費(fèi)電能巨大。

（3）機(jī)房環(huán)境控制設(shè)備比較分散，新風(fēng)和空調(diào)獨(dú)立控制，沒有集中的環(huán)境監(jiān)測平臺(tái)，數(shù)據(jù)儲(chǔ)存和查詢不方便，不利于經(jīng)驗(yàn)總結(jié)和統(tǒng)計(jì)分析，無法掌握環(huán)境變化規(guī)律。

2 地球站節(jié)能環(huán)境管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

地球站節(jié)能環(huán)境管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)基于環(huán)境信息采集、數(shù)據(jù)比較判斷分析、設(shè)備聯(lián)動(dòng)控制、監(jiān)測報(bào)警等功能設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)資源再利用、節(jié)能環(huán)保、環(huán)境自控、監(jiān)測報(bào)警，達(dá)到改良機(jī)房環(huán)境，節(jié)約電能的目的。該系統(tǒng)是通過直接控制新風(fēng)和排風(fēng)，間接控制空調(diào)，環(huán)境參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測比較，調(diào)控風(fēng)量進(jìn)出的節(jié)能環(huán)境管理系統(tǒng)。

2.1 地球站節(jié)能環(huán)境管理系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)由新風(fēng)輸入部分、排風(fēng)循環(huán)部分、環(huán)境參數(shù)監(jiān)測報(bào)警和聯(lián)動(dòng)控制部分組成。

新風(fēng)輸入部分：室外建設(shè)的新風(fēng)系統(tǒng)適應(yīng)露天環(huán)境，并集防雨罩、三級(jí)濾塵、鼓風(fēng)為一體，為機(jī)房提供潔凈的新鮮空氣。三級(jí)濾塵網(wǎng)設(shè)計(jì)保障了進(jìn)入機(jī)房新風(fēng)空氣的潔凈度，室內(nèi)使用散流器進(jìn)風(fēng)，減少風(fēng)壓，加快混風(fēng)。防雨罩的設(shè)計(jì)有利于降低雨天對(duì)新風(fēng)系統(tǒng)的影響。如圖1所示。

圖1 新風(fēng)系統(tǒng)圖

排風(fēng)循環(huán)部分：改造排風(fēng)管道，建設(shè)一套既能排風(fēng)又能回風(fēng)的循環(huán)管道系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)機(jī)房熱風(fēng)排出和回風(fēng)控制，達(dá)到設(shè)備熱風(fēng)循環(huán)再利用的目的。

環(huán)境參數(shù)監(jiān)測報(bào)警：利用環(huán)境監(jiān)測設(shè)備，合理選擇環(huán)境監(jiān)測點(diǎn)，使監(jiān)測點(diǎn)反應(yīng)的機(jī)房環(huán)境指標(biāo)更加符合機(jī)房實(shí)際情況，并根據(jù)機(jī)房各個(gè)監(jiān)測點(diǎn)位置不同，設(shè)置合理的報(bào)警閾值，做到環(huán)境異常提醒。同時(shí)實(shí)現(xiàn)了環(huán)境數(shù)據(jù)的儲(chǔ)存、統(tǒng)計(jì)、分析，便于日常管理和維護(hù)經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)。

聯(lián)動(dòng)控制部分：通過環(huán)境監(jiān)測點(diǎn)實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)與機(jī)房環(huán)境參考預(yù)設(shè)指標(biāo)數(shù)值進(jìn)行比較，實(shí)現(xiàn)新風(fēng)、排回風(fēng)量控制。出現(xiàn)超熱或超冷情況，新風(fēng)和回風(fēng)無法保障環(huán)境溫度適度恒定時(shí)，空調(diào)啟動(dòng)進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)。

2.2 地球站節(jié)能環(huán)境管理系統(tǒng)的控制設(shè)計(jì)

地球站節(jié)能環(huán)境管理系統(tǒng)采用以PLC控制器作為下位機(jī)，采集新風(fēng)溫度、設(shè)備間溫度、設(shè)備間濕度、壓力、新風(fēng)機(jī)頻率、排風(fēng)閥和回風(fēng)閥開關(guān)量等參數(shù)數(shù)據(jù)，并通過上位機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)新風(fēng)機(jī)、排風(fēng)閥和回風(fēng)閥遠(yuǎn)程控制。采用計(jì)算機(jī)作為節(jié)能環(huán)境管理系統(tǒng)的上位機(jī)，通過以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)上位機(jī)和下位機(jī)之間通信，在管理系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一監(jiān)測控制管理。通過PLC控制器與上位機(jī)相連，采用實(shí)時(shí)新風(fēng)溫度控制新風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，實(shí)時(shí)設(shè)備間溫度控制風(fēng)閥開關(guān)量，通過溫度、壓力差和濕度實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的聯(lián)動(dòng)控制，使室內(nèi)環(huán)境達(dá)到理想指標(biāo)要求。具體系統(tǒng)框圖如圖2所示。

圖2 節(jié)能環(huán)境管理系統(tǒng)控制部分框圖

2.3 地球站節(jié)能環(huán)境管理系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)定

系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定界面如圖3，共分四部分，分別是新風(fēng)控制部分、壓差控制部分、風(fēng)閥控制部分和報(bào)警設(shè)置部分。

圖3 參數(shù)設(shè)定界面

新風(fēng)控制部分：將新風(fēng)溫度傳感器放在室內(nèi)進(jìn)風(fēng)口位置，采集回來的溫度實(shí)際上為室外溫度，根據(jù)該溫度給新風(fēng)機(jī)設(shè)定一個(gè)固定的工作頻率，該頻率為一個(gè)經(jīng)驗(yàn)值，原則上要確保機(jī)房內(nèi)部為微正壓。在一個(gè)溫度控制行程內(nèi)最高溫度點(diǎn)（區(qū)域最高溫度值+死區(qū)溫度值）和最低溫度點(diǎn)（區(qū)域最低溫度值-死區(qū)溫度值）的溫度控制達(dá)到穩(wěn)定后，室內(nèi)壓力為微正壓，且壓力值在室內(nèi)壓力要求范圍內(nèi)。

各溫度區(qū)間的臨界點(diǎn)設(shè)置了溫度死區(qū)，設(shè)置死區(qū)可以防止在溫度區(qū)間臨界值新風(fēng)機(jī)頻率來回變動(dòng)，導(dǎo)致轉(zhuǎn)速頻繁動(dòng)作，影響溫度控制的穩(wěn)定度。經(jīng)過觀察調(diào)試，室外溫度區(qū)間死區(qū)設(shè)置為2℃較為合適。

壓差控制部分：通過機(jī)房內(nèi)外部壓力差采集回來的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，與管理系統(tǒng)參考預(yù)設(shè)指標(biāo)數(shù)值進(jìn)行比較，如果壓差值低于下限則新風(fēng)機(jī)升頻，壓差值高于上限則新風(fēng)機(jī)降頻，壓差值在上下限之間則新風(fēng)機(jī)保持該頻率轉(zhuǎn)速。

風(fēng)閥控制部分：將設(shè)備間溫度傳感器放在室內(nèi)設(shè)備中間非風(fēng)口位置，采集回來的溫度實(shí)際上為設(shè)備間溫度，用該溫度與管理系統(tǒng)參考預(yù)設(shè)指標(biāo)數(shù)值進(jìn)行比較，高于參考溫度時(shí)，排風(fēng)閥開大，回風(fēng)閥關(guān)小，進(jìn)行降溫操作；低于參考溫度時(shí)，排風(fēng)閥關(guān)小，回風(fēng)閥開大，進(jìn)行升溫操作。排風(fēng)閥和回風(fēng)閥每個(gè)行程均需要較長時(shí)間，行程時(shí)間長有利于溫度穩(wěn)定，在此過程中，溫度達(dá)到平衡時(shí)，兩個(gè)風(fēng)閥均不再動(dòng)作，環(huán)境溫度達(dá)到穩(wěn)定。

由于排風(fēng)管道和回風(fēng)管道截面積有區(qū)別，所以需要預(yù)設(shè)回排風(fēng)管道截面積，以便通過PLC控制器計(jì)算排回風(fēng)閥開關(guān)量，以保障管道內(nèi)部風(fēng)阻不變，防止設(shè)備排風(fēng)不暢，設(shè)備內(nèi)部溫度升高。

報(bào)警設(shè)置部分：根據(jù)系統(tǒng)內(nèi)部四個(gè)傳感器采集回來的數(shù)據(jù)，在本界面中可以設(shè)置三個(gè)指標(biāo)的上下限報(bào)警閾值，另一個(gè)濕度報(bào)警閾值在濕度設(shè)定界面設(shè)置。濕度設(shè)定可以通過實(shí)時(shí)濕度值與管理系統(tǒng)參考預(yù)設(shè)指標(biāo)數(shù)值進(jìn)行比較，判定是否進(jìn)入濕度控制模式。

2.4 地球站節(jié)能環(huán)境管理系統(tǒng)的監(jiān)測報(bào)警和歷史查詢

利用統(tǒng)一界面進(jìn)行管理，重新選擇環(huán)境監(jiān)測點(diǎn)，進(jìn)行設(shè)備安裝，使監(jiān)測點(diǎn)反應(yīng)的機(jī)房環(huán)境數(shù)值更加符合機(jī)房實(shí)際情況，并根據(jù)機(jī)房各個(gè)監(jiān)測點(diǎn)位置不同，設(shè)置合理的報(bào)警閾值，做到環(huán)境異常提醒。將系統(tǒng)內(nèi)部所有設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測信息如實(shí)反映在顯示界面，將報(bào)警信息如實(shí)反映在報(bào)警界面，并可在報(bào)警界面設(shè)置告警消聲功能。圖4為部分顯示界面和報(bào)警界面，每個(gè)機(jī)房均有一個(gè)單獨(dú)顯示部分。

圖4 顯示界面和報(bào)警界面

2.5 地球站節(jié)能環(huán)境管理系統(tǒng)的告警記錄及信息統(tǒng)計(jì)

管理系統(tǒng)有強(qiáng)大的告警記錄統(tǒng)計(jì)功能，可以按照系統(tǒng)進(jìn)行告警信息查詢和曲線分析，也可以進(jìn)行同一參數(shù)不同系統(tǒng)匯總分析比較。

此外，管理系統(tǒng)還擁有歷史信息統(tǒng)計(jì)功能，可以按照系統(tǒng)進(jìn)行歷史信息統(tǒng)計(jì)，也可以進(jìn)行同一參數(shù)不同系統(tǒng)歷史信息匯總分析比較。

3 地球站節(jié)能環(huán)境管理系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)分析

3.1 節(jié)能環(huán)保

本系統(tǒng)基于地球站設(shè)備實(shí)際運(yùn)行情況設(shè)計(jì)，通過風(fēng)壓和溫度傳感器智能控制進(jìn)風(fēng)、出風(fēng)和回風(fēng)系統(tǒng)，考慮排風(fēng)管道和回風(fēng)管道截面積，換算排回風(fēng)閥開關(guān)量，保持管道內(nèi)部風(fēng)阻恒定，再結(jié)合新風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制，精確的實(shí)現(xiàn)室內(nèi)外空氣的交互和熱風(fēng)循環(huán)再利用。通過進(jìn)風(fēng)閥和回風(fēng)閥等精準(zhǔn)控制，實(shí)現(xiàn)充分利用自然空氣冷風(fēng)和設(shè)備產(chǎn)生的熱風(fēng)的能量交換，實(shí)現(xiàn)機(jī)房環(huán)境的恒定，在空調(diào)不啟動(dòng)的情況下達(dá)到節(jié)能環(huán)保的目的。

通過資源再利用，節(jié)約了改造成本。采用新的節(jié)能環(huán)保設(shè)計(jì)理念，充分利用自然冷風(fēng)降溫和設(shè)備熱風(fēng)加熱，減小空調(diào)使用率，降低電能消耗，減少了設(shè)備檢修維護(hù)成本。

3.2 控制模式多樣，溫度準(zhǔn)確

整個(gè)系統(tǒng)有三種控制方式，分別為溫度調(diào)節(jié)模式、壓力調(diào)節(jié)模式和濕度調(diào)節(jié)模式，還有一種極端情況下的冷熱超限模式。

溫度調(diào)節(jié)模式：通過兩個(gè)溫度采集點(diǎn)與預(yù)設(shè)值進(jìn)行比較，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的控制。一個(gè)采集點(diǎn)為新風(fēng)溫度采集，用來控制新風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，根據(jù)新風(fēng)溫度預(yù)設(shè)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)新風(fēng)進(jìn)入機(jī)房的精準(zhǔn)控制，并通過死區(qū)值設(shè)置解決新風(fēng)機(jī)頻繁變動(dòng)的問題，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定輸入新風(fēng)。另一個(gè)采集點(diǎn)為設(shè)備間溫度采集，控制排風(fēng)閥和回風(fēng)閥開關(guān)量，在保障管道阻力恒定的情況下實(shí)現(xiàn)熱風(fēng)循環(huán)再利用。兩部分實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)控制，達(dá)到機(jī)房環(huán)境溫度恒定的目的。

壓力調(diào)節(jié)模式：通過室內(nèi)外壓差采集數(shù)據(jù)與微正壓預(yù)設(shè)值進(jìn)行比較，控制新風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)新風(fēng)量進(jìn)入機(jī)房的精準(zhǔn)控制。再結(jié)合設(shè)備間溫度控制，實(shí)現(xiàn)機(jī)房環(huán)境溫度恒定的目的。

濕度調(diào)節(jié)模式：為解決夏季濕度大的問題，設(shè)置濕度控制模式。實(shí)時(shí)采集設(shè)備間內(nèi)濕度，并在控制終端顯示，設(shè)置上下門限報(bào)警門限，達(dá)到門限值后可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)切換至濕度控制模式。根據(jù)室內(nèi)濕度高低預(yù)設(shè)兩種模式，預(yù)設(shè)濕度值、濕度死區(qū)值、風(fēng)機(jī)頻率、回風(fēng)閥和排放閥開關(guān)量。濕度值升高超過下限值加死區(qū)值后進(jìn)入低濕度模式，濕度值再次升高超過上限值加死區(qū)值后進(jìn)入高濕度模式，濕度值降低小于上限值減死區(qū)值后進(jìn)入低濕度模式，濕度值再次降低超過下限值減死區(qū)值后退出濕度模式，每個(gè)模式均能設(shè)定自己的新風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速、回風(fēng)閥和排風(fēng)閥開關(guān)量。

冷熱超限模式：夏季室外溫度高，冬季室外溫度低，依靠自然風(fēng)和設(shè)備熱風(fēng)不能保障環(huán)境溫度適度恒定時(shí)，空調(diào)啟動(dòng)配合原控制系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)。

3.3 控制方式靈活

地球站節(jié)能環(huán)境管理系統(tǒng)控制部分主要為新風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速、排風(fēng)閾值、回風(fēng)閾值三個(gè)重要變量，此三個(gè)變量均可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)和手動(dòng)控制，可兩個(gè)或三個(gè)變量任意組合，達(dá)到環(huán)境控制的目的。極端情況下，可以使用完全手動(dòng)控制，達(dá)到便于檢修和調(diào)節(jié)環(huán)境的目的。

3.4 死區(qū)值設(shè)置

為減少設(shè)備頻繁變動(dòng)，解決不容易保持環(huán)境溫度恒定的問題，本系統(tǒng)引入死區(qū)值設(shè)置。本系統(tǒng)死區(qū)值在新風(fēng)溫度閾值判定、濕度閾值判定中得到使用，解決了新風(fēng)機(jī)頻繁變動(dòng)轉(zhuǎn)速問題和濕度模式下頻繁改變排風(fēng)和回風(fēng)閥開關(guān)量問題，確保系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定。

4 地球站節(jié)能環(huán)境管理系統(tǒng)應(yīng)用情況

地球站節(jié)能環(huán)境管理系統(tǒng)自投入使用以來運(yùn)行穩(wěn)定，環(huán)境控制良好，能夠滿足機(jī)房環(huán)境指標(biāo)管理要求，符合總局62號(hào)令的相關(guān)要求，大大改善了地球站設(shè)備運(yùn)行環(huán)境，提高了設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定性和使用壽命，減輕了值班人員檢修維護(hù)工作量。

本站地處內(nèi)蒙古自治區(qū)，該地區(qū)從每年10月至次年4月，平均氣溫在0度左右，通過該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)此期間內(nèi)空調(diào)基本不工作，節(jié)約電能90%以上。由于春秋冬季節(jié)節(jié)能明顯，全年環(huán)境管理系統(tǒng)較原系統(tǒng)節(jié)約電能約50%左右，達(dá)到了預(yù)期節(jié)能目標(biāo)，同時(shí)空調(diào)使用率極低，大大提高了空調(diào)使用壽命。

結(jié)束語

地球站節(jié)能環(huán)境管理系統(tǒng)基于地球站設(shè)備實(shí)際運(yùn)行情況需設(shè)計(jì)合理，與同類型技術(shù)比較更能滿足地球站實(shí)際需要，且控制模式和方式更靈活，更能滿足地球站環(huán)境指標(biāo)需求。引入死區(qū)值設(shè)置，使系統(tǒng)運(yùn)行更穩(wěn)定，同時(shí)間接增加了空調(diào)使用壽命，降低了檢修維護(hù)強(qiáng)度，節(jié)約了能耗和維護(hù)成本。