數(shù)據(jù)中心中冷源群控系統(tǒng)的應用

蔡雨恬

（中國移動通信集團設(shè)計院有限公司，北京 100080）

0 引 言

數(shù)據(jù)中心機房對環(huán)境內(nèi)空氣的溫度、濕度、潔凈度以及風速等要求都比較高，因此冷源群控系統(tǒng)的智能調(diào)節(jié)尤為重要。冷源群控系統(tǒng)是數(shù)據(jù)中心目前常用智能控制系統(tǒng)之一，通過科學化的自控方案，分類采集冷源設(shè)備運行數(shù)據(jù)，分析負荷內(nèi)容、供水溫度參數(shù)等條件控制機組的開啟順序。

1 冷源群控系統(tǒng)框架

冷源群控系統(tǒng)構(gòu)架如圖1所示。冷源群控系統(tǒng)是通過各類采集器、傳感器等設(shè)備對數(shù)據(jù)中心內(nèi)水冷空調(diào)系統(tǒng)（空調(diào)主機、冷卻塔、水泵、閥門以及蓄冷罐等）進行全面有效的監(jiān)控和管理，確保數(shù)據(jù)中心內(nèi)所有設(shè)備處于高效、節(jié)能、合理以及安全的運行狀態(tài)。本文的冷源群控系統(tǒng)為3層結(jié)構(gòu)的集散式系統(tǒng)，即設(shè)備采集層、現(xiàn)場控制層、管理層。該系統(tǒng)通過系統(tǒng)服務器、控制器和現(xiàn)場總線對現(xiàn)場設(shè)備進行集散式管理和控制。管理層網(wǎng)絡（Management Level Network，MLN）采用客戶端/服務器（Client/Serve，C/S）架構(gòu)，冷源群控系統(tǒng)設(shè)置雙機熱備服務器，自控網(wǎng)絡（Automation Level Network，ALN）由控制器以及BACnet網(wǎng)關(guān)組成，樓層網(wǎng)絡（Field Level Network，F(xiàn)LN）設(shè)置各類傳感器及BACnet擴展模塊，對各類設(shè)備進行監(jiān)控[1]。

圖1 冷源群控系統(tǒng)構(gòu)架

（1）設(shè)備采集層。實時、可靠、有效地采集并傳輸現(xiàn)有各設(shè)備運行狀態(tài)、控制要求，各采集器可單獨配置或與被采集設(shè)備集成。采集器應與被采集設(shè)備就近設(shè)置，特別重要的設(shè)備采用雙采集器或采用精確度高的采集設(shè)備。

（2）現(xiàn)場控制層。根據(jù)設(shè)備采集層采集數(shù)據(jù)，實時處理、分析各設(shè)備數(shù)據(jù)信息、狀態(tài)及控制，通過控制模塊進行組網(wǎng)。

（3）管理層。作為空調(diào)控制系統(tǒng)的管理界面，主要包括軟、硬件等內(nèi)容，其中軟件為用戶圖形界面（空調(diào)系統(tǒng)概覽、操作控制、參數(shù)設(shè)置管理和告警管理等）、控制邏輯設(shè)計（基本控制邏輯、安全控制邏輯和節(jié)能控制邏輯等）以及應用功能模塊（資源管理、報表管理、日志管理、故障管理和權(quán)限管理等），硬件為服務器、顯示器等[2,3]。

2 系統(tǒng)功能

2.1 控制綜述

布置高壓水冷式制冷單元組及其配套設(shè)施。每套高壓制冷單元組由高壓冷水機組、板式換熱器、冷凍/卻水循環(huán)泵、冷卻塔以及相關(guān)閥件等組成。每套制冷單元組設(shè)置1個控制器。控制邏輯包括基本控制邏輯、安全控制邏輯和節(jié)能控制邏輯。在保證安全可靠運行的前提下，可通過智能化手段提高冷站的總體運行效率。基本控制邏輯包括啟動順序控制、制冷單元加減機控制、設(shè)備變頻控制以及閥門控制等；安全控制邏輯包括制冷單元故障切換控制、蓄冷罐充釋冷控制、防喘振控制以及低負荷運行控制等；節(jié)能運行控制邏輯指5種制冷模式切換控制[3]。

2.2 冷源系統(tǒng)的監(jiān)測與控制

（1）制冷單元啟停順序。根據(jù)制冷模式的切換條件，及時調(diào)整模式切換閥門狀態(tài)，并按順序啟動設(shè)備，如圖2所示。

圖2 制冷單元啟停順序

（2）冷水機組配置負荷調(diào)節(jié)、運行狀態(tài)、故障顯示與報警、完備的控制以及自保護裝置，可實現(xiàn)機組空調(diào)出水溫度的控制、調(diào)節(jié)能量等功能，機組配備標準通信接口。

（3）冷水機組采用群控方式，實現(xiàn)能量積算、溫度控制、機組及配套設(shè)備的自動啟動、機組的合理運行，從而實現(xiàn)冷源系統(tǒng)自動控制運行，達到可靠、經(jīng)濟運行的目的。

（4）冷水機組、冷凍/卻水循環(huán)泵、冷卻塔風機設(shè)啟、停機順序聯(lián)鎖。并設(shè)置手動/自動遠距離啟停，安全保護故障報警，安全停機等自動控制系統(tǒng)。

（5）開機順序。首先打開冷水機組和冷卻塔進水管上的電動碟閥，其次打開冷卻塔風機，再次打開冷凍/卻水循環(huán)泵，最后打開冷水機組。停機順序與上述相反。

（6）根據(jù)室外濕球溫度信號進行制冷機組的3種工況切換，即機械制冷工況、部分自由冷卻工況以及完全自由冷卻工況。

（7）監(jiān)測冷水機組冷凍水、冷卻水供回水的溫度、壓力、流量。其中，冷水機組最小流量不低于額定流量的40%。

（8）監(jiān)測冷卻塔風機啟停狀態(tài)、故障報警狀態(tài)及手動狀態(tài)或自動狀態(tài)。同時，監(jiān)測冷卻塔進出口溫度、集水盤液位和溫度。

（9）監(jiān)測冷凍或冷卻水循環(huán)泵、冷凍水補水泵的主要運行狀態(tài)和故障報警信號及手動狀態(tài)或自動狀態(tài)。冷凍水系統(tǒng)補水定壓膨脹罐的壓力和低壓聲光報警信號引至控制值班室。

（10）監(jiān)測軟水箱、開式蓄水罐、補水池液位及超高以及低限報警，根據(jù)開式蓄水罐水位信號控制補水泵啟停。同時，監(jiān)測冷卻水補水泵的啟停、故障報警及手動狀態(tài)或自動狀態(tài)。

（11）所有運轉(zhuǎn)設(shè)備的開停信號，引至控制值班室。所有電動控制閥的開、閉設(shè)就地和控制值班室操作按鈕。

（12）監(jiān)測冷水機組、水泵等設(shè)備的啟停次數(shù)、累計運行時間以及定時檢修提示。監(jiān)測壓差旁通裝置壓差值。

2.3 冷水機組控制

采用干接點或通信方式接入冷源群控系統(tǒng)，用于遠程起停控制和運行狀態(tài)、故障、報警的監(jiān)控。當頻率控制信號斷開時，設(shè)備運行頻率保持在故障前狀態(tài)。控制器和變頻器應具有停電來電后，停電故障自動恢復功能[4]。

（1）每臺冷水機組控制與冷凍或冷卻水泵和冷卻塔一一對應，聯(lián)鎖控制。當制冷組接到制冷單元控制器的啟動命令后，順序啟動電動閥門、冷卻塔、水泵以及冷水機組等并向控制器確認狀態(tài)。此期間內(nèi)，若電動閥門、冷卻塔、水泵以及冷水機組等任何一處狀態(tài)不正常，制冷單元啟動程序?qū)⒔K止；制冷機房管理器先鎖定該制冷單元，再選擇另一組制冷單元進行運行。

（2）管理器命令。管理器命令分為制冷模式、部分自由冷卻模式和完全自由冷卻模式。機組通過管理命令，在3種模式下運行。

（3）當制冷單元A發(fā)出命令，制冷單元A開始運行，制冷單元控制器統(tǒng)一發(fā)送順序啟動命令。在運行全周期內(nèi)，其中的冷水機組閥門或水泵等設(shè)備運行狀態(tài)有問題時，制冷單元A的啟動程序?qū)㈥P(guān)閉；制冷站管理器將鎖定制冷單元A，然后選擇另一組制冷單元進行開啟運行。最后，前端進行報警及上報。

（4）加減機策略。冷水機組根據(jù)冷凍水的供水或回水溫度、流量、旁通管流量自動選擇冷水機組運行臺數(shù)，以便達到最佳的節(jié)能狀態(tài)。

（5）運行過程中，盡量使正在運行的每套制冷組的負荷百分比一致，即等于所有制冷組的平均負荷百分比。市電停電恢復后，為防止沖擊電流對油機和市電的影響，冷機逐臺啟動間隔時間為1～3 min可調(diào)。

2.4 水泵控制

（1）冷凍水泵變速控制。通過采集分集水器兩側(cè)的壓差與壓差設(shè)定值進行比較，調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速。變頻器控制盤上會實時顯示冷凍水泵運行狀態(tài)及參數(shù)，并將信息發(fā)送至制冷單元控制器。

（2）冷卻水泵變速控制。冷卻水泵僅在完全自然冷卻工況下變頻，根據(jù)板換側(cè)冷凍水設(shè)定溫度（14 ℃）進行變頻。在機壓差仍然較大時，維持水泵頻率25 Hz（可調(diào)）不變，開啟分集水器間的壓差旁通閥，旁通閥開度由壓差信號調(diào)節(jié)，以維持壓差平衡及冷機最低流量[5]。

（3）冷凍水補水泵由氣壓罐壓力信號控制啟停。

（4）除少數(shù)就地使用的風機或排風扇、分體空調(diào)外，大部分設(shè)備也能在監(jiān)控室通過中央電腦遠距離啟停。

3 系統(tǒng)在應用中存在問題及解決

3.1 系統(tǒng)監(jiān)控狀態(tài)方面

空調(diào)系統(tǒng)在不同的工況下，需對其狀態(tài)進行驗證，確保設(shè)備正常運行。如果群控系統(tǒng)僅通過單一條件對系統(tǒng)狀態(tài)進行判斷，特別是群控系統(tǒng)程序編輯出現(xiàn)錯誤時，會造成系統(tǒng)運行關(guān)聯(lián)判斷錯誤，誤認為系統(tǒng)正常運行。因此，除了群控系統(tǒng)本身的邏輯判斷條件外，還要增加系統(tǒng)中一些關(guān)鍵數(shù)據(jù)作為判斷依據(jù)，如水流量、水壓、工作電流等，確保群控系統(tǒng)在做邏輯判斷時準確無誤。同時，群控系統(tǒng)具備所有采集數(shù)據(jù)配置趨勢和歷史數(shù)據(jù)記錄功能，以便進行故障定位和分析。

3.2 可維護性方面

冷源群控系統(tǒng)的設(shè)備定期需要檢修、維護，因此設(shè)備需要選擇便于維護的各種傳感器。壓力傳感器與管道之間可安裝兩通手動球閥，在更換壓力傳感器的情況下，關(guān)閉球閥即可更換，不需要泄水，同時不影響系統(tǒng)運行。溫度傳感器和套管可以選用分離式，在系統(tǒng)正常運行的同時，可以進行更換及維護。雖然一體式傳感器具有腐蝕性小、壓力小等特點，但不利于維修。在流量計、溫度計、壓力傳感器等傳感器選擇時，優(yōu)選工業(yè)級別技術(shù)規(guī)格產(chǎn)品，且在實施安裝時選擇工業(yè)級別安裝方式，降低冷源系統(tǒng)的故障率和失控率[6]。

3.3 系統(tǒng)提升方面

3.3.1 系統(tǒng)配電

冷源群控系統(tǒng)供電與建筑設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)共用后備電源和網(wǎng)絡設(shè)備的方法，雖然節(jié)省了前期建設(shè)的投資，但在運維方面會存在運行風險。在布線方式上，冷源群控主控制器供電為串接形式，一旦斷電，多個主控單元就會失效。另外，部分冷水主機控制板無后備電源，在供電失敗情況下造成系統(tǒng)啟動及控制失效。冷源群控系統(tǒng)在失電情況下，系統(tǒng)失效可能會引起系統(tǒng)熱交換中斷。因此，為提升安全等級，對冷源群控系統(tǒng)提供獨立配電，采用市電加上不間斷電源（Uninterruptible Power Supply，UPS）雙路供電的模式，實現(xiàn)電源不間斷供電。在網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)升級上，可設(shè)置獨立的局域網(wǎng)。

3.3.2 系統(tǒng)功能提升

首先，系統(tǒng)安全策略需要重新審定及確定，同時統(tǒng)籌物理管理和系統(tǒng)控制。其次，設(shè)置安全場景控制模式，即一鍵式操作，有利于提升系統(tǒng)操作的便捷性和一體化性。最后，為實現(xiàn)節(jié)能管理的全自動化，可優(yōu)化平臺自控系統(tǒng)，減少人工環(huán)節(jié)，也可通過干節(jié)點及聲光應用等手段增加自控操作。增加自保持功能，實現(xiàn)掉電自保持、斷網(wǎng)自保持、直接數(shù)字控制（Direct Digital Control，DDC）故障等情況下自保持功能；增加對備用機組定期定時的故障、狀態(tài)自檢及異常提示功能；根據(jù)濕球溫度和機組運行效率自動控制切換冷源系統(tǒng)運行模式；新增釋冷泵、遠傳水表、濕球溫度、集分水器壓力以及冷水機組報警等點位；綜合考慮模式切換、變頻調(diào)節(jié)、水資源消耗等多種因素進行節(jié)能運行控制邏輯優(yōu)化。

3.3.3 展示提升

群控系統(tǒng)平臺展示上，在3D組態(tài)模型上更加貼合實際，3D組態(tài)展現(xiàn)冷源系統(tǒng)水循環(huán)架構(gòu)并動態(tài)展現(xiàn)水流運行方向和各機組的運行狀態(tài)。系統(tǒng)平臺報警提示上分等級進行播報。新增自定義模塊，可自定義數(shù)據(jù)點位、報表格式等功能。增加與其他系統(tǒng)的對接，完善對接協(xié)議，兼容能耗系統(tǒng)、動環(huán)監(jiān)控系統(tǒng)的告警采集或獲取機制。

4 結(jié) 論

冷源群控系統(tǒng)是現(xiàn)有數(shù)據(jù)中心內(nèi)不可或缺的系統(tǒng)之一，針對冷源群控系統(tǒng)的應用展開分析，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的合理使用會影響數(shù)據(jù)中心的運行狀態(tài)，有利于降低電源使用效率值，實現(xiàn)數(shù)據(jù)中心安全、穩(wěn)定、高效、環(huán)保以及節(jié)能目標。