數(shù)據(jù)中心建筑設(shè)備自動化系統(tǒng)設(shè)計

常紅波

CHANG Hong-bo

（中通服咨詢設(shè)計研究院有限公司）

1 引言

本項目為某運營商大型數(shù)據(jù)中心建筑設(shè)備自動化系統(tǒng)（BAS）工程，采用PLC 控制系統(tǒng)（Programmable Logic Controller），由中央電腦及終端設(shè)備、若干現(xiàn)場控制分站及相應(yīng)的傳感器、執(zhí)行器組成。其控制軟件包括：優(yōu)化啟停、PID 控制、時間通道、設(shè)備群控、動態(tài)顯示、能耗統(tǒng)計、各分站的協(xié)調(diào)聯(lián)絡(luò)、報警及打印等功能。

PUE(Power Usage Effectiveness，電源使用效率)值已經(jīng)成為國際上比較通行的數(shù)據(jù)中心電力使用效率的衡量指標(biāo)。PUE 值是指數(shù)據(jù)中心消耗的所有能源與IT 負(fù)載消耗的能源之比。PUE 值越接近于1，表示一個數(shù)據(jù)中心的綠色化程度越高。數(shù)據(jù)中心機房內(nèi)一般常年需要制冷，能耗驚人，尤其空調(diào)冷源系統(tǒng)，如何提高PUE 值，BAS 系統(tǒng)至關(guān)重要。

本項目冷源系統(tǒng)包括：冷卻塔、冷卻水泵、水冷冷水機組、板式換熱器、冷凍水泵各8 套，另外還有全自動加藥處理裝置、旁流水處理器、蓄冷罐、補水泵、分水器、集水器、膨脹水箱等各若干臺（套）。相同設(shè)備為同樣的控制原理，為了清晰展示，因為原理圖只展示部分設(shè)備。

根據(jù)計算出的數(shù)據(jù)中心所需負(fù)荷，確定機組及水泵的啟停組合及運行臺數(shù)自動減載、加載，實現(xiàn)優(yōu)化運行，以適應(yīng)冷機負(fù)荷的變化、達到最佳節(jié)能的 目的。

2 空調(diào)水系統(tǒng)控制

1）冷凍站的啟動順序為：

開機：冷卻塔主管電動蝶閥→冷卻塔進出水電動蝶閥→蓄冷模式切換蝶閥→季節(jié)模式蝶閥→冷卻水循環(huán)泵→冷凍水循環(huán)泵→冷卻塔風(fēng)機→冷凍機組。

（其中冷卻塔風(fēng)機的控制由冷卻泵的運行狀態(tài)和冷卻水回水溫度來決定。）

2）冷凍站的停止順序為：

關(guān)機：冷凍機組→冷卻塔風(fēng)機→冷凍水循環(huán)泵→冷卻水循環(huán)泵→季節(jié)模式蝶閥→蓄冷模式切換蝶閥→冷卻塔進出水電動蝶閥→冷卻塔主管電動蝶閥。

（其中冷卻塔風(fēng)機的控制由冷卻泵的運行狀態(tài)和冷卻水回水溫度來決定。）

根據(jù)冷水流量和供回水溫差計算系統(tǒng)所需冷量，自動調(diào)整冷水機組運行的搭配方式，及對應(yīng)空調(diào)一級冷水泵的運行臺數(shù)。傳感器設(shè)于用戶側(cè)的供回水總管上。供回水壓差控制空調(diào)冷水供回水總管之間旁通閥的開度。根據(jù)冷卻水回水溫度控制冷卻塔風(fēng)的啟?；蛘{(diào)節(jié)冷卻水旁通閥。

圖1 BA 冷源群控原理圖

冷水機組根據(jù)均等運行時間原則順序啟停，每一套運行設(shè)備由任何一臺冷水主機及對應(yīng)的水泵組成，當(dāng)某一套機組中的任意組成設(shè)備出現(xiàn)故障，則自動啟動下一臺運行時間相對較少的無故障設(shè)備。由于數(shù)據(jù)中心項目的系統(tǒng)為全天候不間斷運行，冷水主機以及其附屬設(shè)備需要根據(jù)其運行時間進行輪巡，這樣可以延長設(shè)備使用壽命。

冷水主機進行輪巡切換時，首先將下一臺機組啟動，并待機組出水溫度接近設(shè)定的出水溫度時，再關(guān)停需要關(guān)閉的機組及附屬設(shè)備。

3 防凍控制

電伴熱啟?？刂七壿嫞菏彝饫鋮s水管電伴熱啟停由管道表面溫度控制，表面溫度低于5℃，電伴熱啟動，室外管道電伴熱采用恒溫啟?？刂?。

冷卻塔集水盤電伴熱控制邏輯：冷卻塔集水盤內(nèi)水溫低于5℃，電加熱啟動，控制系統(tǒng)由冷卻塔廠家標(biāo)配。

4 冷源設(shè)備工況切換模式

1）冷凍水側(cè)控制要求說明

①夏季時，冷水機組供冷工況，電動閥CV2CV3 關(guān)閉，電動閥CV1CV4 開啟；當(dāng)室外濕球溫度降低，冷卻塔的冷卻水供冷溫度也隨之降低，當(dāng)冷卻水溫度低于18℃（可調(diào)）并持續(xù)10min 以上，系統(tǒng)進入部分自然冷卻狀態(tài)，由冷卻循環(huán)水泵后溫度傳感器控制電動閥CV2CV4 關(guān) 閉，電 動 閥CV1CV3 打開；當(dāng)室外濕球溫度繼續(xù)降低，冷卻塔的供水溫度低于13.5℃（可調(diào)）時，系統(tǒng)進入完全自然冷卻塔狀態(tài)，電動閥CV1CV4 關(guān)閉，電動閥CV2CV3 打開，冷水機組關(guān)閉。

②冷凍水泵變頻控制：通過測量分集水器兩側(cè)的壓差與壓差設(shè)定值比較，調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速。

③分集水器兩側(cè)壓差旁通閥流量控制：旁通閥最大流量為單臺冷機的40%額定流量（G1，可調(diào)），集水器各支路上應(yīng)設(shè)流量計，當(dāng)僅有一臺冷機運行，總出水管流量計測量流量G2 小于G1 時，旁通閥打開，其旁通的流量G ＝G1-G2。

2）冷卻水側(cè)控制要求說明：

①夏季時，冷水機組供冷工況，電 動 閥CTV2CTV3 關(guān) 閉， 電 動 閥CTV1CTV4 開啟；當(dāng)室外濕球溫度降低，冷卻塔的冷卻水供冷溫度也隨之降低，當(dāng)冷卻水溫度低于18℃（可調(diào)）并持續(xù)10min 以上，系統(tǒng)進入部分自然冷卻狀態(tài)，由冷卻循環(huán)水泵后溫度傳感器控制電動閥CTV2CTV4 關(guān)閉，電動閥CTV1CTV3 打開；當(dāng)室外濕球溫度繼續(xù)降低，冷卻塔的供水溫度低于13.5℃（可調(diào)）時，系統(tǒng)進入完全自然冷卻塔狀態(tài)，電動閥CTV1CTV4 關(guān)閉，電動閥CTV2CTV3 打開，冷水機組關(guān)閉，冷凍水經(jīng)板換與冷卻水熱交換；完全自然冷卻模式下，如果所有冷卻塔風(fēng)機全速運行，換熱器冷凍水供水溫度高于11℃（可調(diào)）持續(xù)10min，系統(tǒng)將切換至部分自然冷卻狀態(tài)，開啟一臺冷機。在部分自然冷卻工況下，冷卻水出板換后的水溫若低于19.5℃時，冷水機組冷卻水進水旁通管上的電動閥CTV4 開啟，但冷水機組冷卻水進水量不小于額定流量的50%。

②當(dāng)冷卻塔從控制器接到啟動命令時，冷卻水泵啟動，冷卻塔風(fēng)機啟動并向控制器確認(rèn)狀態(tài)。如果冷卻塔不能確認(rèn)狀態(tài)，應(yīng)當(dāng)確定自身處于故障狀態(tài)，整個制冷單元機組退出運行狀態(tài)并被鎖定，此時聲光報警至前端。每個單元的冷卻塔風(fēng)機處于相同轉(zhuǎn)速，風(fēng)機以廠家允許的最小轉(zhuǎn)速啟動，當(dāng)所有風(fēng)機確認(rèn)運行狀態(tài)后，風(fēng)機根據(jù)需要運行在同一轉(zhuǎn)速，維持冷卻水出水溫度在設(shè) 定點。

③當(dāng)冷卻水出水溫度達到13.5℃（可調(diào)），冷卻塔回水管配帶的電動閥CTM1控制啟動，冷卻水回水至旁通，保證冷卻水出水溫度不低于13.5℃。當(dāng)冷卻塔集水盤內(nèi)水溫低于5℃，電加熱棒啟動。

5 主要監(jiān)控內(nèi)容（見表1）

值得一提的是：數(shù)據(jù)中心對于BAS要求比較高，因此冷源系統(tǒng)中機電設(shè)備的啟?？刂埔话愣疾捎秒pDO，以實現(xiàn)斷電自保持功能。根據(jù)閥門數(shù)量、位置設(shè)置閥門柜，監(jiān)測閥門柜、配電柜的合閘信號以判斷是否有斷電故障，還會連接配電柜的電表通訊接口。

另外，PLC 控制系統(tǒng)是一種可編程邏輯控制器，原先是專為工業(yè)生產(chǎn)設(shè)計的一種數(shù)字運算操作的電子裝置，隨著不斷地改良可編程功能，并保留了適應(yīng)工業(yè)環(huán)境及備份控制的優(yōu)越性能，現(xiàn)在越來越多地運用于大型數(shù)據(jù)中心BAS 系統(tǒng)，或許將逐步取代傳統(tǒng)的DDC 直接數(shù)字控制系統(tǒng)。

6 結(jié)語

大型數(shù)據(jù)中心建筑設(shè)備自助化系統(tǒng)是將數(shù)據(jù)中心冷源系統(tǒng)各種設(shè)備有機地結(jié)合起來，達到集中監(jiān)測和控制，提高設(shè)備的無故障時間，給投資者帶來明顯的經(jīng)濟效益；使各種機電設(shè)備經(jīng)濟地運行，既能夠節(jié)能，又能滿足工作時的要求，并在運行中盡快的將效益體現(xiàn)出來；提高綜合管理水平，將現(xiàn)代化計算機技術(shù)應(yīng)用到管理上提高效率。

表1 大型數(shù)據(jù)中心空調(diào)控制系統(tǒng)監(jiān)控內(nèi)容