DDC與PLC在數據中心機械空調控制系統中的應用淺析

都治強 / 王佳斌 / 商 勇

(中國建筑設計院有限公司(原中國建筑設計研究院)智能工程中心，北京 100044)

1 引言

數據中心機械空調系統全年7×24h不間斷運行，可靠性要求高，空調系統中的組件故障時需告警并及時替代。與此同時，隨著全年氣候條件和末端負荷的變化，空調系統的運行模式、運行臺數也相應調整。故障替代、告警、運行模式切換、空調設備臺數控制等均需要控制器和控制系統完成，因此，數據中心機械空調的平穩(wěn)運行需要可靠的控制系統和控制器。DDC(Direct Digital Control)與PLC(Programmable Logic Controller)均為控制系統中經常采用的控制器，其特性和應用特點有所不同，本文將分析究竟哪種控制器更適用于數據中心機械空調的控制系統。

2 信號處理速度

PLC 可在毫秒級的時間段內完成信號處理，工藝和電氣領域需要這樣的處理速度，以實現 “實時”監(jiān)控，確保狀態(tài)信息的準確性和復雜流程的精確控制。發(fā)電機并機、電壓異常響應、工藝監(jiān)控等均需要即時信號處理。根據過往項目的實施經驗，數據中心機械空調控制需要采集室內外溫濕度、壓差等各種變量信息，經過DDC控制器對這些變量信息進行邏輯判斷并最終做出控制。而上述溫濕度、室內外壓差等信息受天氣環(huán)境及人為因素影響較為嚴重，所采集到的變量值擁有較多不穩(wěn)定性，因此數據中心機械空調控制過程是一個持續(xù)的邏輯控制過程，而不要求控制器做出即時控制(即時控制將引起機械空調的頻繁動作，進而影響系統穩(wěn)定性)。因此， DDC控制系統更適合數據中心機械空調系統監(jiān)控需求，而且應作為機械空調控制系統首選。

3 編程應用

根據過往實施項目的經驗，采用 PLC往往需依賴單一的程序員開發(fā)程序并對程序作出解釋和調試，PLC 程序員更熟悉非 HVAC的應用，對于數據中心機械空調控制系統，PLC程序員需要完全理解關鍵設施的可靠性需求，并根據PLC硬件特性編制適用于關鍵設施環(huán)境下的程序。由于PLC 程序員熟悉工業(yè)應用，對關鍵設施環(huán)境的 HVAC 控制系統缺乏了解，在程序編制過程中容易產生困惑和錯誤。相反，DDC供應商更熟悉HVAC的應用，如西門子、奧萊斯和江森自控等公司會提供 HVAC相關的控制設備、編程工具和培訓，其產品更傾向于HVAC行業(yè)，并開發(fā)出HVAC控制相關的許多編程工具。采用DDC可開發(fā)出可靠的控制操作系統，比采用PLC花費更少的時間，而且故障率更低。因此，DDC更適用于數據中心機械空調控制系統。

4 點位密度與網絡架構

每個PLC控制器可攜帶的點更多、掃描速度更快，這些特性適用于設備集中式控制的工業(yè)環(huán)境。但在數據中心機械空調的控制應用中需重新考慮，因為數據中心模塊化的建設理念決定了其機械空調設備的分散布置，而DDC控制器正是基于分散式集中控制而發(fā)展起來的，也更適合數據中心機械空調控制。

PLC硬件尺寸趨于緊湊，需處理的數據卻越來越多，硬件配置應不斷改良；控制器需處理的數據對應著控制點位功能，如西門子的PXC產品，可容納多達 500 個輸入輸出(IO)點；另一方面，數據處理強度大時，高密度控制器容納的點位不宜超過 300 個，以維持控制器最佳性能。在數據中心項目機械空調控制系統的設計中，每個控制器的點位數低于 100 個，也可能最多 50 個點位，少數復雜的冷凍站控制系統中也頂多 200 個點位，為控制器留出了大量儲備容量，可縮短處理時間和改善系統性能。DDC控制器的平衡點密度和數據處理速度將得到最佳配置，使控制器可有效滿足系統信號處理的時間要求，不會使系統點位密度過高引起浪費。

數據中心網絡通信規(guī)劃已經基本采用全數字網絡的通訊架構，機械空調控制系統在數據中心建設中的最佳設計也將采用以太網作為核心通信主干，每個控制器配有一個板載以太網接口。數據中心項目控制系統不允許采用菊花鏈、星形或其他 MSTP(主從令牌傳遞)網絡作為通信主干。在以太網內，每個控制器作為網絡的一個 IP 節(jié)點，直接匯報給服務器，進行輪詢和數據傳輸。數據中心項目控制系統需要這樣的通信特性，如風管靜壓箱的常規(guī)控制需要網絡時，僅接受以太網層級的通信，而采用 MSTP 網需要輪詢，MSTP常用于商業(yè)通信，可削減成本。數據中心控制系統采用以太網標準，不予采用MSTP，不進行輪詢，網絡不會經常因流量過剩陷入擁堵，從而無法快速響應。在需要輪詢的系統中，每個控制器的狀態(tài)定期接受檢查，檢查周期基于時鐘，由編程設定。因為所有控制器的全部點位須按順序進行輪詢，所以輪詢需耗費時間?；谝蕴W的系統，某事件發(fā)生時即進行記錄，獨立于系統的輪詢延遲。當對數據趨勢(用于預測性控制和制定管理決策)進行設置時，數據實時存放于控制器中，然后發(fā)送至服務器進行存儲備案。如果發(fā)生報警，則注明警報發(fā)生時間并即時傳送至服務器進行告警。根據過往實施項目的經驗， MSTP 網絡由于輪詢協議延遲，傳遞關鍵數據需花費長達數分鐘的時間，而以太網可在1s內完成告警。

5 通信協議問題

數據中心智能化系統的建成將是一個高度集成化的控制系統，在數據中心建設過程中，智能化專業(yè)的電力監(jiān)控系統、漏電火災報警系統、精密空調群控系統、UPS及電池監(jiān)測系統、安全防范系統、能量計量系統等均會集成在一個大的IBMS集成平臺下，DDC控制系統可實現這項功能，因為DDC控制系統一般支持多種協議標準(Lonworks、Lontalk，BACnet等)，集成能力強，系統自身的擴展性與開放性好；而PLC基本都為個體工作，其在與其他PLC或上位機進行通訊時，所采用的網絡形式基本都是單網結構，與第三方設備的集成能力相對較差。

PLC控制系統常用的總線協議Modbus 是一個數字接口系統，允許基于不同微處理器代碼的系統之間傳遞和共享信息，常用于不同制造商設備之間的系統集成。接口通信存在延遲，在反饋時高度依賴Modbus節(jié)點的點位數量。在項目現場，發(fā)生過Modbus接口速度緩慢，需花費長達 10 min的時間傳遞數據的情況。這看似是 DDC 性能問題，但實際情形卻并非如此。Modbus協議是一種串行的主從通訊協議, 主機既能對某個從機單獨訪問，又能對所有的從機發(fā)布廣播信息。對于單獨訪問的主機查詢，從機都要返回一個信息(稱為響應)，該通信協議的本質決定了其通信必將會有所延遲，而PLC是基于Modbus的。 PLC 通過在控制器上直接安裝以太網接口，顯著改善了通信速度，訪問速度可與基于以太網的DDC 系統等同?；谝蕴W的PLC 和基于以太網的DDC均有應用案例中，數據傳輸速度相差無幾，二者均受限于某給定 GUI(圖形用戶界面)上信息請求的信息量。例如用戶在某圖形界面搜索 100 個值，由于數據處理量的問題，無法立即完成搜索。其中，告警的優(yōu)先級最高，不受數據處理量的限制。

另外，DDC GUI(圖形用戶界面)基于 Web(網頁)，支持遠程控制，這個特性很重要，只要操作員擁有密碼授權，任何本地執(zhí)行的命令均可遠程執(zhí)行。這就允許操作員可現場或遠程地進行狀態(tài)監(jiān)視和告警，可對問題進行響應并按照需要修改運行策略。而PLC控制器不支持可視化的網頁訪問，只能通過服務器去查看控制器的數據。

6 系統可擴展性

近些年，突如其來的金融風暴，強烈地震撼了國際金融市場，并且波及整個世界經濟。受此影響，信息安全行業(yè)為安全“過冬”，高度注重節(jié)流，嚴格控制成本，減少一切非必要開支。國內大型數據中心建設開始引入模塊化數據中心建設模式，即本該一次性完成的數據中心項目往往先建設幾個模塊，或分一期、二期來建設投產，進而模塊機房中機械空調的建設也被人為地進行了分期。

PLC組成的網絡規(guī)模有限，系統搭接完成后，可擴展性差，DDC控制系統有多種模塊化系列可以選擇，可擴展性強，控制系統在整個設計上留有大量的可擴展性接口(柴油發(fā)電機網關接口、冷水機組網關接口、機房精密空調網關接口等)，外接系統或擴展系統都十分方便。從當前數據中心建設規(guī)模和建設方式來講，DDC控制系統擁有良好的擴展性，也適合數據中心內機械空調的分期控制需求。

7 系統安全性

數據中心由于其擁有大量發(fā)熱載體，該區(qū)域內空調系統需要常年24h不間斷制冷，空調控制系統的穩(wěn)定性和安全運轉是數據中心中大量存儲設備能否連續(xù)工作的必要條件。國際國內標準也對數據中心建設進行了分級，如國外Tier-4和Tier-3標準，國內A級機房和B級機房都要求空調系統有冗余備份能力。

因為PLC完全依靠上位機來維持系統的工作，若PLC單元模塊發(fā)生故障，需把整個系統停止運行，組織專業(yè)PLC控制技術人員重新編程。DDC的許多程序都是固化在DDC控制器里，DDC自身可以獨立工作，當數據中心區(qū)域內DDC出現故障時，不影響本網絡上其他DDC的網絡通訊，中央操作站不停機就可以在線更換DDC控制器，保證整個系統的安全可靠。所以在數據中心機械空調控制設備的選取方面，DDC系統要比PLC系統在安全可靠性上高一個等級，也更加符合高等級數據中心建設空調系統控制需要。

8 結束語

數據中心機械空調控制系統重視可靠性，可靠性與產品質量、一致性、適用性、告警、數據追蹤分析、供應商的服務、網絡架構、系統安全性都有關系。從控制器的工作方式、網絡通訊、系統功能、專業(yè)性、擴展性及安全性方面來講，數據中心機械空調控制系統應優(yōu)先選用DDC，主要因素如下：

1)DDC控制器是針對HVAC暖通空調設備的控制而設計的，內部已經固化了大量專家級的控制策略，不僅能做到最好的性能價格比，而且降低了對編程者和操作人員的應用要求。對其軟件和控制器的操作易學好懂，應用程序修改和維護相對PLC等更方便；

2)從控制器到服務器的以太網通信；

3)服務器故障時，控制器仍可執(zhí)行必要的命令，命令的發(fā)布不依賴網絡；

4)支持本地和遠程訪問，Web瀏覽功能；

5)適合數據中心分期建設模式，不影響原有系統運行；

6)系統維護更換簡單，不影響整個系統運行；

7)不依賴于個別編程解釋。

DDC與PLC的控制方式對比如表1所示。

綜上所述，DDC是直接數字系統,其功能全面、

表1 DDC與PLC控制方式對比表

性能穩(wěn)定，擁有操作方便的DDC硬件產品、軟件功能模塊及軟件模板庫，通過他們的靈活組合可以滿足樓宇自控的各種要求。對于數據中心里一些常見設備和控制模式，專用控制器可以明顯提高使用效率，降低使用難度。控制器設有通用輸入輸出端口，信號類型可以通過硬件跳線和上位機軟件進行設置。主要用在空調控制系統，因為它對溫度、濕度(模擬量信號)控制優(yōu)于PLC，過程量控制也更優(yōu)越，是一種理想的數字控制器。雖然PLC在邏輯、計數和計時方面有優(yōu)勢，但在以模擬量為主要處理對象的空調系統中，缺乏足夠的計算和分析能力。在實際使用操作中，對操作人員的操作水平要求高,更改程序比較困難。

總之，基于以太網通信的DDC網絡控制系統是數據中心機械空調控制系統的最佳選擇，它更簡單、更易于編程，同時其系統的擴展性和維護性更加優(yōu)異。

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