大型數(shù)據(jù)中心冷源自動控制技術(shù)詳談

文│ 中國惠普有限公司 郭瑞平

1 引言

文章結(jié)合最近完成的某大型國企項目的冷源系統(tǒng)自控流程及自控系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計進行論述，其中，包含在搭建大型數(shù)據(jù)中心冷源自控系統(tǒng)架構(gòu)中所需要考慮和解決的問題，如數(shù)據(jù)中心冷源系統(tǒng)設(shè)計要求、冷源自控系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計要求、冷源系統(tǒng)自動控制流程要求等；同時也考慮自控集成商服務應保證的義務與責任。

2 冷凍站制冷系統(tǒng)描述

以最近完成的國內(nèi)某央企大型數(shù)據(jù)中心項目為例：

（1）項目概況：兩棟數(shù)據(jù)中心大樓分別共計五層，每層四個模塊機房，每棟大樓IT區(qū)域高架地板面積（指可部署IT設(shè)備的區(qū)域，不含空調(diào)配電等區(qū)域面積）約28992m2。機房一層設(shè)冷凍站，分為南北兩個制冷中心。冷凍站獨立為數(shù)據(jù)機房南北區(qū)分別提供冷凍水。

（2）冷源配置：兩棟機房樓內(nèi)數(shù)據(jù)中心模塊配置一樣，現(xiàn)在以一棟機房樓為例說明制冷系統(tǒng)設(shè)計的配置，即制冷系統(tǒng)按照模組一對一設(shè)置，共2個冷凍站。每個冷凍站配置1個獨立的制冷系統(tǒng)，分6個冷凍單元，每個冷凍單元包含1臺變頻制冷機組、1臺冷卻塔（風機變頻）、1臺變頻冷卻水泵、1臺冷凍水一次泵、1臺板式換熱器。冷凍水供應采用二次泵系統(tǒng)，二次泵設(shè)置采用變頻泵。同時，設(shè)置蓄冷罐以滿足不間斷供冷的要求。另外，制冷系統(tǒng)還包括自動補水定壓設(shè)備、冷卻水補水池等。

（3）為了維修方便，冷卻塔進出水管上設(shè)置電動閥（開關(guān)量+常開閥），并由運維人員遠程控制啟停。

（4）根據(jù)水池液位信號控制冷卻水池補水管上的電磁閥（開關(guān)量+常閉閥）的開啟。

（5）冷卻水泵通過變頻來調(diào)整因不同運行工況導致冷卻水管路不同的壓力損失而引起的流量偏離，使得冷卻水流量盡量保持一致。

（6）冷卻塔變頻風機在不同運行模式下，控制冷卻塔風機變頻（頻率范圍需結(jié)合廠家要求調(diào)整）。

3 冷凍站自控系統(tǒng)架構(gòu)

借助公司業(yè)內(nèi)領(lǐng)先的數(shù)據(jù)中心設(shè)計與建設(shè)專業(yè)平臺，掌握國外數(shù)據(jù)中心冷源自控系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)，再結(jié)合筆者多年參與國內(nèi)大型數(shù)據(jù)中心建設(shè)的實際操作經(jīng)驗，針對大型數(shù)據(jù)中心冷源系統(tǒng)的不同方案，設(shè)計出適合本項目的自控系統(tǒng)特色架構(gòu)，具體冷源自控系統(tǒng)如圖1所示。

由圖1可以看出，作為數(shù)據(jù)中心的冷源自控系統(tǒng)與商業(yè)辦公及民用建筑冷源自控系統(tǒng)完全不同。因服務對象不同，系統(tǒng)架構(gòu)及控制過程要求也不相同。相比較而言，數(shù)據(jù)中心自控系統(tǒng)安全性與可靠性要求更加嚴密，其目標是保證數(shù)據(jù)中心整體系統(tǒng)的高可靠性及可用性。

（1）整體架構(gòu)：使用冗余以太網(wǎng)絡(luò)的DDC（直接數(shù)字控制）系統(tǒng)，系統(tǒng)由服務器、工作站、交換機和控制面板組成，所有DDC控制器均為網(wǎng)絡(luò)控制器加擴展模塊成套組合方式，擴展模塊依現(xiàn)場實際情況插接或總線接入。每個系統(tǒng)的服務器、交換機和控制面板都有冗余的電源。每個DDC控制器都有自己的內(nèi)存、處理器、實時鐘表以及控制程序，以支持DDC網(wǎng)絡(luò)故障情況下的獨立操作。系統(tǒng)滿足容錯功能的配置，所有的關(guān)鍵控制點用硬連線，在整個通信網(wǎng)絡(luò)里不傳送算法、命令或其他流程相關(guān)的值，只允許外部空氣條件和設(shè)備單元設(shè)定點的傳送。

圖1 冷源自控系統(tǒng)架構(gòu)

（2）網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)：系統(tǒng)主服務器采用雙機熱備的形式，單服務器故障不應影響客戶的正常操作；交換機之間采用環(huán)網(wǎng)設(shè)計結(jié)構(gòu)，光纖或單交換機故障不影響整個系統(tǒng)的運行；系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)支持主流的行業(yè)網(wǎng)絡(luò)通信標準，支持基于Ethernet或RS485技術(shù)的通信鏈路，支持或兼容BACNet、LonWorks、Modbus、OPC等主流通訊協(xié)議。系統(tǒng)為開放性設(shè)計，可以向上層集成管理平臺開放數(shù)據(jù)接口。

（3）控制器設(shè)置：設(shè)置一臺群控控制器用以檢測室外濕球及干球溫度、主管道流量、主管道供回水溫度、壓力等參數(shù)并計算，向各單元控制器發(fā)出命令并接受單元控制器的狀態(tài)反饋信號；每套冷凍單元（冷水機組、一次冷凍泵、冷卻泵、冷卻塔）對應配置一套獨立單元的DDC控制器；二次泵的控制器設(shè)置為一用一（熱）備；蓄冷罐及補水系統(tǒng)等共用一個控制器。要求每個DDC配置預留20%冗余點，施工圖設(shè)計對應詳細點表。

（4）操作系統(tǒng)：選用業(yè)界通行的Windows操作系統(tǒng)，采用分布式數(shù)據(jù)庫技術(shù)，同時支持分布式服務器結(jié)構(gòu)。

（5）管理系統(tǒng)：管理系統(tǒng)具備圖表式用戶界面，專門的實時系統(tǒng)圖表和機房平面的屏幕。報警應容易識別，并能識別出受影響的設(shè)備和建筑區(qū)域。系統(tǒng)能夠顯示冷凍站系統(tǒng)的實時工作系統(tǒng)單線圖，“實時”在這里的定義是能夠顯示設(shè)備，如閥門或其他設(shè)備的位置、狀態(tài)和負荷。

（6）其他：所有控制箱或控制柜均應支持雙路UPS供電，保證在單路供電中斷時，運行不受影響。每個控制器箱對應配置雙路電源箱，雙電源箱采用繼電互鎖方式實現(xiàn)雙路切換。

4 冷凍站自控系統(tǒng)控制流程

數(shù)據(jù)中心不間斷制冷的特殊需求，決定了冷源自控系統(tǒng)的控制流程的特殊性。針對上面數(shù)據(jù)中心冷源自控系統(tǒng)架構(gòu)，其控制流程說明如下。

4.1 冷機群控控制流程

群控控制器通過直接檢測室外干（濕）球溫度，冷凍水供回水溫度、壓力、流量，蓄冷罐供回水管上雙向流量計的流量及流向，通過計算向各單元控制器發(fā)出啟動/停止命令、制冷模式、預冷模式、經(jīng)濟模式、加載與減載，并接受各單元控制器的狀態(tài)反饋信號，同時，冷機群控控制器心跳信號傳至各單元控制器。

群控控制器直接接入二次側(cè)的流量計和溫度傳感器，流量計和溫度傳感器采用熱備份形式；冷機群控控制器直接監(jiān)測蓄冷罐的充冷和放冷狀態(tài)，其中主管道流量計采用熱備份形式；冷機群控控制器直接監(jiān)測室外濕球及干球溫度，室外的濕球和干球溫度傳感器應安裝在北墻的陰涼處，且采用氣象窗的形式。

本項目地點為北京市，根據(jù)當?shù)貧夂驐l件不同，制冷系統(tǒng)可在制冷、預冷及經(jīng)濟三種模式下運行，模式的轉(zhuǎn)換由單元控制器根據(jù)室外空氣濕球溫度及穩(wěn)定性、冷卻塔風機單元的負荷、冷機及板式換熱器的運行狀況來綜合確定。

（1）制冷運行模式：當室外空氣濕球溫度高于某一設(shè)定值（可調(diào)），冷卻水出水溫度在保證冷機正常運行范圍內(nèi)，系統(tǒng)在純制冷模式下運行。

（2）預冷運行模式：當室外空氣濕球溫度在某一溫度范圍（可調(diào)），且冷卻塔運轉(zhuǎn)頻率低于某一設(shè)定值（可調(diào)），此狀況持續(xù)運行一段時間后可啟動預冷模式，群控控制器將向單元控制器發(fā)送預冷模式開始命令；當單元控制器接收到預冷模式啟動命令后，單元控制器檢測出一系列設(shè)定參數(shù)符合要求，則返回給冷機群控控制器預冷模式正常反饋。

（3）節(jié)約運行模式：當室外空氣濕球溫度低于某一溫度（可調(diào)），且對應冷塔出水溫度及其運轉(zhuǎn)頻率低于某一設(shè)定值（可調(diào)），系統(tǒng)持續(xù)運行一段時間后可啟動經(jīng)濟模式，當單元控制器接收到經(jīng)濟模式啟動命令后，單元控制器監(jiān)視冷機負荷，待到冷機負荷低于某一設(shè)定值（可調(diào)）時，單元控制器關(guān)閉冷機，冷凍單元僅依靠板換進行制冷；當單元控制器成功關(guān)閉冷機后，則向群控控制器發(fā)送經(jīng)濟模式成功反饋。

（4）加載與減載：系統(tǒng)運行時，主控制器根據(jù)檢測的冷凍水供回水溫度、流量計算二次側(cè)負荷（參數(shù)檢測方法為依據(jù)前端設(shè)備采集數(shù)據(jù)周期確定，取多次采樣的平均值），當檢測到的二次側(cè)負荷超過或低于一次側(cè)運行冷機額定制冷量設(shè)定值達一定時間（時間及負荷設(shè)定值可調(diào)）后，則應根據(jù)運行時間及啟動策略開啟或停止另外一套冷機單元。

（5）低負荷運行策略：當運行初期，末端負荷很小時，首先啟動一套冷凍單元，一邊供冷一邊給蓄冷罐充冷。當蓄冷罐充冷完畢（頂部水溫為設(shè)計供水溫度），關(guān)閉冷凍單元，由蓄冷罐供冷，并檢測溫躍層變化，當蓄冷罐距離底部一定位置（可調(diào)）處的溫度傳感器讀數(shù)為設(shè)計回水溫度值，則重新啟動一套冷凍單元，進行充冷、供冷。

（6）充冷與放冷、超級充冷：主控制器通過檢測蓄冷罐供回水管上的雙向流量計，判斷系統(tǒng)運行在哪一種狀態(tài)。正常運行時，系統(tǒng)處于充冷狀態(tài)；當檢測到雙向流量計的流向發(fā)生改變時，系統(tǒng)處于放冷狀態(tài)；當剩余冷量為總蓄冷量的某一設(shè)定值時，主控制器將向備用冷凍單元控制器發(fā)出啟動命令，進入超級充冷狀態(tài)。

自控承包商應該給出冷機運行模式的設(shè)定值以供實際運行時調(diào)整?？刂颇Ｊ角袚Q時，所有的延遲時間及溫度判斷值都應顯示在圖形界面中，并可以調(diào)整。

4.2 成套單元控制流程

每套冷凍單元設(shè)置獨立的網(wǎng)絡(luò)控制器，控制對象包括制冷機組、冷卻水泵、冷卻塔、一次冷凍水泵、板換、相應閥門及相關(guān)流量計等。

制冷機組自帶控制器，需要為冷凍單元網(wǎng)絡(luò)控制器提供兩種通信模式：總線模式——冷機自身控制器需提供開放的通信接口供BMS承包商集成（如Modbus協(xié)議）；硬點模式——冷機自身控制器需提供啟?？刂泣c位和狀態(tài)點位供網(wǎng)絡(luò)控制器進行集成。

BMS廠家應提供每個控制設(shè)備的手動控制功能，如冷卻塔風機、閥門、水泵、冷機等。

每個冷機單元控制器將會監(jiān)視冷機群控控制器的心跳，如果檢測到冷機群控控制器故障，則應立即報警并維持故障之前的運行模式及狀態(tài)。

每個冷凍單元控制器將會給群控控制器發(fā)送冷機運行狀態(tài)，即預冷模式準備就緒反饋、經(jīng)濟模式準備就緒反饋、預冷模式運行反饋、經(jīng)濟模式運行反饋。

當每套冷凍單元以制冷模式運行，制冷組控制器將發(fā)送順序啟動命令：首先打開需要開啟的冷卻塔隔離閥，冷卻水板換旁通閥，待閥門開啟狀態(tài)確認后，可同時開啟冷卻塔、冷卻水泵、一次冷凍水泵，待冷卻塔及水泵開啟狀態(tài)確認后，開啟冷機。當冷凍單元控制器接收到主控制器模式轉(zhuǎn)換的指令后，冷凍單元各電動閥門會進行相應的開關(guān)動作。

冷凍單元應具有手動干預切換功能，模式顯示在BMS界面中；在正常運行時，操作員可進行手動操作，且不允許程序自動更改冷凍單元狀態(tài)。

當單套冷凍單元出現(xiàn)故障時，系統(tǒng)應啟用備用冷凍單元。只有當新開啟冷凍單元狀態(tài)確認后，才允許關(guān)閉故障冷凍單元；當冷凍單元故障恢復后，不應該立即投入使用，而是應等待下次條件滿足后再啟動。

4.3 二次系統(tǒng)控制流程

二次泵控制器設(shè)置兩臺獨立的網(wǎng)絡(luò)控制器，且兩臺控制器之間相互熱備份，當主網(wǎng)絡(luò)控制器故障后，立即采用備用網(wǎng)絡(luò)控制器，兩臺網(wǎng)絡(luò)控制器的程序應完全一致。

控制流程：二次水泵（五用一備）根據(jù)末端最不利回路處的供/回水壓差信號（設(shè)定值為0.1MPa）來控制水泵運行臺數(shù)及變頻。末端壓差傳感器每組分別接入主控制器和備用控制器；二次泵的加泵順序是先開啟第一臺泵，當運行頻率超過某一設(shè)定值運行一定時間后，則開啟第二臺泵；如果運行頻率繼續(xù)超過某一設(shè)定值且運行一定時間后，則繼續(xù)開啟下一臺泵組，直到滿足末端負荷的要求。反之，逐臺關(guān)閉泵組。但是，二次泵的運行數(shù)量不得低于兩個，以保證運行過程中一臺出現(xiàn)緊急故障，二次側(cè)的冷凍水供給不會立刻中斷；所有運行二次泵的運行頻率應保持一致，通過相同的邏輯控制以保證同樣的出口壓力。

通過二次泵的變頻來滿足末端壓差傳感器的要求值，當末端實際壓差小于設(shè)定值，二次泵的頻率通過PID調(diào)節(jié)升高；當末端實際壓差大于設(shè)定值，二次泵的頻率通過PID調(diào)節(jié)降低；同時二次泵的運行頻率不得小于泵運行的最小設(shè)定值；控制器應該記錄二次泵的運行時間，當二次泵不發(fā)生負荷變化時，控制器可根據(jù)運行時間的長短進行泵的切換。

4.4 蓄冷系統(tǒng)控制流程

蓄冷罐中每隔一定距離安裝一個溫度傳感器，用于監(jiān)測溫躍層，溫躍層被用于測定罐內(nèi)可用冷凍水的量。流經(jīng)蓄冷罐的流量將由一、二次側(cè)的水流量決定，當二次側(cè)水流量小于一次側(cè)水流量時，則過量的冷凍水將會“充入”蓄冷罐。

流量計將監(jiān)測流入或流出蓄冷罐的水流量和方向。該雙向流量計將指示蓄冷罐處于“充冷”模式（常規(guī)）還是“放冷”模式。在常規(guī)和恰當?shù)牟僮髦?，蓄冷罐總是處于“充冷”模式。當冷源不足以為負荷提供足夠的冷凍水，那么蓄冷罐將進入“放冷”模式。當蓄冷罐放冷時，溫躍層將指示蓄冷罐的備份容量降低，當備份容量降低到某一設(shè)定位置，則蓄冷罐將進入“超級充冷”模式。當溫躍層溫度指示冷凍水回水溫度已恢復，蓄冷罐將自動退出“超級充冷”模式。

蓄冷罐內(nèi)設(shè)液位傳感器(一用一備）,用于控制冷凍水系統(tǒng)補水，并確定罐內(nèi)水位的高低。高低液位均報警，低水位時自動補水裝置啟動，冷凍水自動補水裝置由廠家成套提供，BMS需監(jiān)控水泵的運行狀態(tài)及故障。

5 結(jié)束語

數(shù)據(jù)中心冷源系統(tǒng)設(shè)計的安全性、可靠性遠高于一般的商用辦公冷源系統(tǒng)。那么相對應的冷源自控系統(tǒng)架構(gòu)及控制流程的設(shè)計，更需要可靠、專業(yè)、數(shù)據(jù)中心特有的自動控制系統(tǒng)相匹配，以實現(xiàn)高效、節(jié)能、理想的PUE值。

希望同行能以數(shù)據(jù)中心的節(jié)能理念和技術(shù)推廣為前提來一起討論并推進好的節(jié)能措施，希望本方案可以為國內(nèi)用戶建設(shè)大型模塊化數(shù)據(jù)中心的用戶冷源監(jiān)控管理系統(tǒng)的設(shè)計和實施提供一定參考價值。