數(shù)據(jù)中心冷凍水二次泵冗余控制系統(tǒng)

張軍偉，劉金枝

（1.北京中科仙絡(luò)咨詢服務(wù)有限公司；2.中國(guó)民航大學(xué)適航學(xué)院）

1 引言

從上世紀(jì)90年代數(shù)據(jù)中心(Data Center)的概念興起至今，已過(guò)去20余年。20年的發(fā)展，數(shù)據(jù)中心的建設(shè)規(guī)模不斷擴(kuò)大，單個(gè)數(shù)據(jù)中心的規(guī)模也從最初常見(jiàn)的數(shù)百平方米發(fā)展到目前常見(jiàn)的數(shù)千乃至上萬(wàn)平方米。數(shù)據(jù)中心的高功率密度化對(duì)冷水自控系統(tǒng)的制冷提出了更高的要求，在冷水自控系統(tǒng)能耗中，系統(tǒng)輸送能耗約占1/3，因此，在數(shù)據(jù)中心冷水自控系統(tǒng)中冷凍水采用二次泵變頻技術(shù)設(shè)計(jì)日益受到重視。

冷凍水二次泵變頻系統(tǒng)主要是根據(jù)冷水自控系統(tǒng)中末端壓差進(jìn)行的變流量控制。在冷水自控系統(tǒng)中供回水末端最不利點(diǎn)設(shè)置壓差傳感器，采集到的壓力數(shù)值發(fā)送到控制器（DDC控制器或PLC控制器），控制器對(duì)接收到的壓力數(shù)值與系統(tǒng)中用戶設(shè)定的壓力值進(jìn)行比較，根據(jù)兩者的差值來(lái)調(diào)節(jié)變頻器的頻率，從而調(diào)節(jié)冷凍水二次泵的轉(zhuǎn)速，使負(fù)荷側(cè)供回水末端恒壓穩(wěn)定在用戶設(shè)定的壓力值：即供回水末端壓力值大于用戶設(shè)定的壓力值，控制器控制變頻器降低頻率，減慢冷凍水二次泵的轉(zhuǎn)速；供回水末端壓力值小于用戶設(shè)定的壓力值，控制器控制變頻器提高頻率，加快冷凍水二次泵的轉(zhuǎn)速。通過(guò)實(shí)現(xiàn)供回水的變流量控制，從而達(dá)到節(jié)能降耗的目的。相比傳統(tǒng)的供水方式，冷凍水二次泵變頻系統(tǒng)的安全性和可靠性一直受到數(shù)據(jù)中心行業(yè)的廣泛重視。傳統(tǒng)的冷水自控系統(tǒng)二次泵變頻系統(tǒng)如圖1所示。

但是，在數(shù)據(jù)中心中傳統(tǒng)的二次泵變頻系統(tǒng)存在如下缺點(diǎn)：

1）在傳統(tǒng)的二次泵變頻系統(tǒng)中控制器僅采用單電源供電

當(dāng)出現(xiàn)電源丟失時(shí)，控制器將掉電，變頻器將失去控制，導(dǎo)致無(wú)法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)壓差控制，對(duì)冷水自控系統(tǒng)中供回水末端的安全性帶來(lái)隱患，如時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)中心溫度過(guò)高，服務(wù)器大規(guī)模的出現(xiàn)宕機(jī)甚至燒毀；

圖1 傳統(tǒng)的冷水自控系統(tǒng)二次泵變頻系統(tǒng)

2）在傳統(tǒng)的二次泵變頻系統(tǒng)中供回水末端最不利點(diǎn)僅設(shè)置1套壓差傳感器

當(dāng)壓差傳感器數(shù)值失真時(shí)，控制器無(wú)法正常定壓控制；當(dāng)壓差傳感器故障時(shí)，就需要停機(jī)檢修，影響系統(tǒng)的正常運(yùn)行；

3）在傳統(tǒng)二次泵變頻系統(tǒng)中控制器無(wú)冗余配置或僅在控制器內(nèi)部CPU進(jìn)行冗余配置

當(dāng)控制器出現(xiàn)故障或變頻器控制柜輸入輸出出現(xiàn)故障時(shí)，變頻器將失去控制，導(dǎo)致無(wú)法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)壓差控制，給冷水自控系統(tǒng)中供回水末端的安全性帶來(lái)隱患。

2 系統(tǒng)架構(gòu)

在數(shù)據(jù)中心冷水自動(dòng)系統(tǒng)中冷凍水二次泵冗余控制，能避免傳統(tǒng)冷凍水二次泵變頻系統(tǒng)中由單點(diǎn)故障、配置原因引起的停機(jī)無(wú)法供冷現(xiàn)象，避免數(shù)據(jù)中心內(nèi)服務(wù)器溫度過(guò)高可能出現(xiàn)的宕機(jī)甚至燒毀。數(shù)據(jù)中心冷凍水二次泵冗余控制系統(tǒng)包括末端壓差部分、控制器部分、變頻器控制柜部分、冷凍水二次泵組成。如圖2所示。

2.1 架構(gòu)說(shuō)明

末端壓差部分用4套末端壓差傳感器，在冷水自控系統(tǒng)供回水末端中選擇2處最不利點(diǎn)設(shè)置末端壓差傳感器，在第一處最不利點(diǎn)設(shè)置末端壓差傳感器1與末端壓差傳感器2，在第二處最不利點(diǎn)設(shè)置末端壓差傳感器3與末端壓差傳感器4。其中末端壓差傳感器1與末端壓差傳感器2互為主備，末端壓差傳感器3與末端壓差傳感器4互為主備；當(dāng)任何一個(gè)壓差傳感器出現(xiàn)故障時(shí)，系統(tǒng)仍可以保持正常運(yùn)行。

控制器部分用2套互為主備的控制器，即主控制器、備控制器，主備控制器分別采用來(lái)自2套不同低壓系統(tǒng)的UPS（不間斷電源）電源進(jìn)行供電，并在控制柜內(nèi)用STS進(jìn)行切換，當(dāng)任何一路供電出現(xiàn)故障時(shí)，系統(tǒng)仍可以保持正常運(yùn)行。

2套配置完全一樣的控制器，主備控制器同步運(yùn)行，中間采用硬接線互連，實(shí)現(xiàn)主備控制器之間的“心跳”檢測(cè)。

變頻器控制柜部分根據(jù)數(shù)據(jù)中心冷水自控系統(tǒng)中冷凍水二次泵實(shí)際數(shù)量進(jìn)行變頻器控制柜的配置，每套變頻器控制柜將變頻器控制頻率、反饋頻率、冷凍水二次泵手自動(dòng)狀態(tài)、啟?？刂?、運(yùn)行狀態(tài)、故障狀態(tài)、報(bào)警狀態(tài)分別上聯(lián)到主備2套控制器；冷凍水二次泵分別由相應(yīng)變頻器控制柜進(jìn)行控制。

2.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)配置說(shuō)明

如圖2所示，控制器部分用2套互為主備的控制器，即主控制器、備控制器，主備控制器分別采用來(lái)自2套不同低壓系統(tǒng)的UPS（不間斷電源）電源進(jìn)行供電，兩路電源在控制柜內(nèi)通過(guò)STS進(jìn)行切換。在冷水自控系統(tǒng)供回水末端中選擇2處最不利點(diǎn)設(shè)置的4套末端壓差傳感器，之間互為主備，避免了“單點(diǎn)故障”對(duì)冷凍水二次泵變頻系統(tǒng)造成的影響，降低數(shù)據(jù)中心的整體故障率，提高數(shù)據(jù)中心運(yùn)行的安全性和可靠性。

圖2 數(shù)據(jù)中心冷凍水二次泵冗余控制系統(tǒng)架構(gòu)

末端壓差部分用4套末端壓差傳感器，在冷水自控系統(tǒng)供回水末端中選擇2處最不利點(diǎn)設(shè)置末端壓差傳感器，在第一處最不利點(diǎn)設(shè)置末端壓差傳感器1與末端壓差傳感器2，在第二處最不利點(diǎn)設(shè)置末端壓差傳感器3與末端壓差傳感器4。末端壓差傳感器1上聯(lián)到主控制器，末端壓差傳感器2上聯(lián)到備控制器，在第一處最不利點(diǎn)末端壓差傳感器1與末端壓差傳感器2互為主備；末端壓差傳感器3上聯(lián)到主控制器，末端壓差傳感器4上聯(lián)到備控制，在第二處最不利點(diǎn)末端壓差傳感器3與末端壓差傳感器4互為主備。

主控制器運(yùn)行時(shí)，采集末端壓差傳感器1與末端壓差傳感器3的壓力數(shù)值，并對(duì)采集到的壓力數(shù)值進(jìn)行比較，兩者的最小值與用戶設(shè)定的壓力值再進(jìn)行比較，兩者的最小值大于用戶設(shè)定的壓力值，控制器控制變頻器降低頻率，減慢冷凍水二次泵的轉(zhuǎn)速；兩者的最小值小于用戶設(shè)定的壓力值，控制器控制變頻器提高頻率，加快冷凍水二次泵的轉(zhuǎn)速。兩者其中一套出現(xiàn)故障時(shí)，系統(tǒng)將根據(jù)另一套壓力值與用戶設(shè)定的壓力值進(jìn)行比較進(jìn)行控制，系統(tǒng)對(duì)出現(xiàn)故障的末端壓差傳感器在前端報(bào)警。兩者均出現(xiàn)故障時(shí)，處于熱備狀態(tài)的備控制器立即投入，對(duì)處于運(yùn)行狀態(tài)的變頻器和冷凍水二次泵進(jìn)行控制，不影響變頻器和冷凍水二次泵的正常運(yùn)行。

備控制器運(yùn)行時(shí)，采集末端壓差傳感器2與末端壓差傳感器4的壓力數(shù)值，并對(duì)采集到的壓力數(shù)值進(jìn)行比較，兩者的最小值與用戶設(shè)定的壓力值再進(jìn)行比較，兩者的最小值大于用戶設(shè)定的壓力值，控制器控制變頻器降低頻率，減慢冷凍水二次泵的轉(zhuǎn)速；兩者的最小值小于用戶設(shè)定的壓力值，控制器控制變頻器提高頻率，加快冷凍水二次泵的轉(zhuǎn)速；兩者其中一套出現(xiàn)故障時(shí)，系統(tǒng)將根據(jù)另一套壓力值與用戶設(shè)定的壓力值進(jìn)行比較進(jìn)行控制，系統(tǒng)對(duì)出現(xiàn)故障的末端壓差傳感器在前端報(bào)警；兩者均出現(xiàn)故障時(shí)，處于熱備狀態(tài)的主控制器立即投入，對(duì)處于運(yùn)行狀態(tài)的變頻器和冷凍水二次泵進(jìn)行控制，不影響變頻器和冷凍水二次泵的正常運(yùn)行。

如圖3所示傳統(tǒng)的變頻器控制柜的輸出方式，變頻器控制柜將變頻器控制頻率、反饋頻率、冷凍水二次泵手自動(dòng)狀態(tài)、啟?？刂?、運(yùn)行狀態(tài)、故障狀態(tài)都上聯(lián)控制器?？刂破鞒霈F(xiàn)故障時(shí)，系統(tǒng)無(wú)法對(duì)變頻器控制柜進(jìn)行控制，系統(tǒng)將整體停機(jī)，影響數(shù)據(jù)中心的正常運(yùn)行。

如圖4所示數(shù)據(jù)中心冷水自控系統(tǒng)中冷凍水二次泵實(shí)際數(shù)量為5臺(tái)，變頻器控制柜部分根據(jù)冷凍水二次泵數(shù)量進(jìn)行配置變頻器控制柜5套。每套變頻器控制柜將變頻器控制頻率、反饋頻率、冷凍水二次泵手自動(dòng)狀態(tài)、啟?？刂啤⑦\(yùn)行狀態(tài)、故障狀態(tài)分別上聯(lián)到主備2套控制器，在變頻器控制柜輸入輸出端口進(jìn)行冗余配置。

圖3 傳統(tǒng)變頻器控制柜的輸出方式

圖4 數(shù)據(jù)中心二次泵冗余配置的變頻器控制柜的輸出方式

圖5 主備控制器“心跳”方式

如圖5所示主備控制器中間采用硬接線互連，實(shí)現(xiàn)主備控制器之間的“心跳”檢測(cè)。

①如圖5a所示，主控制器正常運(yùn)行時(shí)，備控制器時(shí)時(shí)檢測(cè)主控制器“心跳”情況，判斷“心跳”信號(hào)是否正確，主控制器將數(shù)據(jù)上傳到交換機(jī)，同時(shí)備控制器對(duì)主控制器數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)同步；

②如圖5b所示，備控制器檢測(cè)到主控制器不正確的“心跳”信號(hào)時(shí)，判斷主控制器出現(xiàn)故障，處于熱備狀態(tài)的備控制器立即投入控制，備用控制器將數(shù)據(jù)上傳到交換機(jī)，系統(tǒng)對(duì)主控制器在前端報(bào)警，提醒運(yùn)維人員進(jìn)行檢查和維修；

③如圖5c所示，備用控制器正常運(yùn)行時(shí)，主控制器維修完成，主控制器時(shí)時(shí)檢測(cè)備控制器“心跳”情況，判斷“心跳”信號(hào)是否正確，備控制器將數(shù)據(jù)上傳到交換機(jī)，同時(shí)主控制器對(duì)備控制器數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)同步；主控制器檢測(cè)到備控制器不正確的“心跳”信號(hào)或手動(dòng)切換時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)備控制器切換到主控制器運(yùn)行，切換過(guò)程中，變頻器和二次泵實(shí)現(xiàn)不停機(jī)無(wú)縫切換，不影響系統(tǒng)正常運(yùn)行。

如圖6所示主備控制器之間心跳信號(hào)方式，主備控制器中間采用硬接線互連，通過(guò)模擬量信號(hào)進(jìn)行傳輸，保證“心跳”信號(hào)的可靠性，“心跳”信號(hào)進(jìn)行周期性跳動(dòng)，主備之間互相檢測(cè)信號(hào)的準(zhǔn)確性和正確性，相比數(shù)字信號(hào)提高了安全性和可靠性。

2.3 系統(tǒng)運(yùn)行控制邏輯

數(shù)據(jù)中心冷凍水二次泵冗余控制系統(tǒng)提供末端壓差設(shè)定、冷凍水二次泵最小運(yùn)行數(shù)量設(shè)定、冷凍水二次泵自動(dòng)加載頻率設(shè)定、冷凍水二次泵自動(dòng)減載頻率設(shè)定、冷凍水二次泵加載順序設(shè)定、冷凍水二次泵減載順序設(shè)定、冷凍水二次泵手動(dòng)輪詢?cè)O(shè)定等。完成上述設(shè)定后，主備控制器會(huì)同步設(shè)定以上設(shè)置，保證主備控制器冗余配置的同步。

圖6 主備控制器“心跳”信號(hào)方式

冷凍水二次泵最小運(yùn)行數(shù)量設(shè)定提供用戶設(shè)定冷凍水二次泵最小運(yùn)行數(shù)量，系統(tǒng)不允許小于設(shè)定值數(shù)量的冷凍水二次泵運(yùn)行。

冷凍水二次泵自動(dòng)加、減載頻率設(shè)定提供用戶設(shè)定冷凍水二次泵自動(dòng)加、減載的頻率值，且設(shè)定的加載頻率值不允許小于減載頻率值，設(shè)定的減載頻率值不允許大于加載頻率值。系統(tǒng)處于自動(dòng)控制狀態(tài)，數(shù)據(jù)中心內(nèi)負(fù)荷增加，處于目前運(yùn)行狀態(tài)的冷凍水二次泵每臺(tái)運(yùn)行頻率都大于自動(dòng)加載頻率值，超過(guò)設(shè)定時(shí)間，系統(tǒng)將加載一臺(tái)處于備用狀態(tài)的冷凍水二次泵，加載成功后，運(yùn)行狀態(tài)的冷凍水二次泵每臺(tái)運(yùn)行頻率將降低，如繼續(xù)大于自動(dòng)加載頻率值，超過(guò)設(shè)定時(shí)間，系統(tǒng)將加載一臺(tái)處于備用狀態(tài)的冷凍水二次泵，依次進(jìn)行，直至5臺(tái)冷凍水二次泵全部處于運(yùn)行狀態(tài)。數(shù)據(jù)中心內(nèi)負(fù)荷減小，處于目前運(yùn)行狀態(tài)的冷凍水二次泵每臺(tái)運(yùn)行頻率都小于自動(dòng)減載頻率值，超過(guò)設(shè)定時(shí)間，系統(tǒng)將減載一臺(tái)處于運(yùn)行狀態(tài)的冷凍水二次泵，減載成功后，運(yùn)行狀態(tài)的冷凍水二次泵每臺(tái)運(yùn)行頻率將升高，如繼續(xù)小于自動(dòng)減載頻率值，超過(guò)設(shè)定時(shí)間，系統(tǒng)將減載一臺(tái)處于運(yùn)行狀態(tài)的冷凍水二次泵，依次進(jìn)行，直至減載到冷凍水二次泵最小運(yùn)行數(shù)量。

系統(tǒng)處于自動(dòng)控制狀態(tài)，用戶修改末端壓差設(shè)定值，末端壓差設(shè)定值大于原末端壓差設(shè)定值，處于目前運(yùn)行狀態(tài)的冷凍水二次泵每臺(tái)運(yùn)行頻率都將升高，升高后的頻率值都大于自動(dòng)加載頻率值，超過(guò)設(shè)定時(shí)間，系統(tǒng)將加載一臺(tái)處于備用狀態(tài)的冷凍水二次泵，加載成功后，運(yùn)行狀態(tài)的冷凍水二次泵每臺(tái)運(yùn)行頻率將降低，如繼續(xù)大于自動(dòng)加載頻率值，超過(guò)設(shè)定時(shí)間，系統(tǒng)將加載一臺(tái)處于備用狀態(tài)的冷凍水二次泵，依次進(jìn)行，直至5臺(tái)冷凍水二次泵全部處于運(yùn)行狀態(tài)。末端壓差設(shè)定值小于原末端壓差設(shè)定值，處于目前運(yùn)行狀態(tài)的冷凍水二次泵每臺(tái)運(yùn)行頻率都將降低，降低后的頻率值都小于自動(dòng)減載頻率值，超過(guò)設(shè)定時(shí)間，系統(tǒng)將減載一臺(tái)處于運(yùn)行狀態(tài)的冷凍水二次泵，減載成功后，運(yùn)行狀態(tài)的冷凍水二次泵每臺(tái)運(yùn)行頻率將升高，如繼續(xù)小于自動(dòng)減載頻率值，超過(guò)設(shè)定時(shí)間，系統(tǒng)將減載一臺(tái)處于運(yùn)行狀態(tài)的冷凍水二次泵，依次進(jìn)行，直至減載到冷凍水二次泵最小運(yùn)行數(shù)量。

冷凍水二次泵故障替換實(shí)現(xiàn)自動(dòng)切換控制，正常運(yùn)行的冷凍水二次泵出現(xiàn)故障時(shí)，系統(tǒng)前端報(bào)警，控制器將自動(dòng)啟動(dòng)排在加載順序第一位的冷凍水二次泵，此臺(tái)冷凍水二次泵運(yùn)行成功后，出現(xiàn)故障的冷凍水二次泵將停止運(yùn)行。在控制器自動(dòng)啟動(dòng)排在加載順序第一位的冷凍水二次泵，此臺(tái)冷凍水二次泵啟動(dòng)時(shí)間超過(guò)設(shè)定時(shí)間將會(huì)發(fā)出報(bào)警，系統(tǒng)進(jìn)行鎖定，并自動(dòng)啟動(dòng)排在加載順序第二位的冷凍水二次泵，此臺(tái)冷凍水二次泵運(yùn)行成功后，出現(xiàn)故障的冷凍水二次泵將停止運(yùn)行，冷凍水二次泵故障替換完成。

冷凍水二次泵手動(dòng)輪詢提供用戶根據(jù)實(shí)際運(yùn)行情況，對(duì)處于運(yùn)行狀態(tài)的冷凍水二次泵和處于備用狀態(tài)的冷凍水二次泵進(jìn)行手動(dòng)輪詢。用戶發(fā)出手動(dòng)輪詢命令，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)排在加載順序第一位的冷凍水二次泵，此臺(tái)冷凍水二次泵運(yùn)行成功后，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)關(guān)閉排在減載順序第一位的冷凍水二次泵，此臺(tái)冷凍水二次泵關(guān)閉成功后，此次手動(dòng)輪詢命令執(zhí)行完畢。系統(tǒng)自動(dòng)啟動(dòng)排在加載順序第一位的冷凍水二次泵，此臺(tái)冷凍水二次泵啟動(dòng)時(shí)間超過(guò)設(shè)定時(shí)間將會(huì)發(fā)出報(bào)警，系統(tǒng)進(jìn)行鎖定，并自動(dòng)啟動(dòng)排在加載順序第二位的冷凍水二次泵，此臺(tái)冷凍水二次泵運(yùn)行成功后，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)關(guān)閉排在減載順序第一位的冷凍水二次泵，此臺(tái)冷凍水二次泵關(guān)閉成功后，此次手動(dòng)輪詢命令執(zhí)行完畢。

3 結(jié)語(yǔ)

以上主要對(duì)數(shù)據(jù)中心冷源自控系統(tǒng)中二次泵冗余控制系統(tǒng)的架構(gòu)設(shè)計(jì)、控制點(diǎn)及運(yùn)行控制邏輯進(jìn)行了說(shuō)明和描述，除此之外，冗余控制系統(tǒng)還包括了各設(shè)備的報(bào)警信息、設(shè)備遠(yuǎn)程手自動(dòng)操作、設(shè)備設(shè)定值等功能。總之，隨著數(shù)據(jù)中心規(guī)模的不斷擴(kuò)大，自控技術(shù)的不斷創(chuàng)新，對(duì)數(shù)據(jù)中心各設(shè)備的控制將越來(lái)越靈活，并能對(duì)數(shù)據(jù)中心各設(shè)備做到精準(zhǔn)控制，必將極大的提高數(shù)據(jù)中心的安全性和可靠性。