一種用于機(jī)房空調(diào)機(jī)組群的集中節(jié)能控制系統(tǒng)

南京優(yōu)科思軟件有限公司 鄒亮平

典型數(shù)據(jù)中心的機(jī)房中空調(diào)的耗電量可達(dá)到全部設(shè)備耗電的40%以上，機(jī)房空調(diào)群是機(jī)房節(jié)能減排、提高數(shù)據(jù)中心電源使用效率（PUE）的重點[1]。而機(jī)房空調(diào)特別是不具備協(xié)同控制能力的老舊機(jī)房空調(diào)群整體運行效率低下而導(dǎo)致得耗電大幅增加，主要表現(xiàn)為：各空調(diào)各自獨立運行而實際區(qū)布局負(fù)荷不均，導(dǎo)致機(jī)房區(qū)域冷熱不均，總體室內(nèi)環(huán)境溫度波動大；局部風(fēng)短路導(dǎo)致空調(diào)開機(jī)后回風(fēng)溫度迅速波動，設(shè)備啟停頻繁；缺乏整體調(diào)度，負(fù)荷變化時不能及時調(diào)整值班機(jī)數(shù)量，導(dǎo)致過多的值班機(jī)空耗電能；各空調(diào)各自獨立運行，個體參數(shù)差異可能導(dǎo)致空調(diào)間內(nèi)耗（有的加熱/濕，有的制冷/除濕），白白消耗大量電能。

1 控制系統(tǒng)硬件構(gòu)架

機(jī)房空調(diào)機(jī)組群的集中控制系統(tǒng)包括主控制器、分布式溫濕度傳感單元、終端控制繼電器、及人機(jī)界面主機(jī)。如圖1所示，主控制器為基于單片機(jī)的嵌入式系統(tǒng)，含電源電路、MCU（單片機(jī)）、第一、二路RS485通訊電路、繼電器輸出電路（圖3）、MCU 分別與電源電路、2路RS485通訊電路，繼電器輸出電路連接。主控制器內(nèi)置硬件及軟件看門狗，具有防死機(jī)、故障或斷電后自動恢復(fù)連續(xù)運行功能，軟件系統(tǒng)設(shè)計為專門的單任務(wù)運行模式，可靠性高。

如圖2所示，分布式溫濕度傳感單元為基于單片機(jī)的嵌入式系統(tǒng)，含電源電路、MCU（單片機(jī)）、1路RS485通訊電路、帶有8路NTC溫度傳感器輸入接口的電路，內(nèi)置高精度的溫濕度傳感器芯片，MCU 分別與電源電路、RS485通訊電路、N TC溫度傳感器輸入接口電路，溫濕度傳感器芯片連接。機(jī)房空調(diào)機(jī)組群中每臺空調(diào)對應(yīng)1個溫濕度傳感單元，通過該溫濕度傳感單元可在該空調(diào)負(fù)責(zé)的區(qū)域內(nèi)布設(shè)8只NTC 高精度溫度傳感器來測量該區(qū)域內(nèi)的溫度分布。主控制器第二路RS485通訊電路為通訊主機(jī)接口，用于與分布式溫濕度傳感單元連接通訊，以讀取機(jī)房各采用分布點的溫濕度數(shù)據(jù)。

圖1 控制系統(tǒng)組成圖

圖2 分布式溫濕度傳感單元

圖3 繼電器輸出

表1 使用/不使用群控系統(tǒng)時空調(diào)耗電量交叉對比數(shù)據(jù)

主控制器的主控制器板內(nèi)置多個中間繼電器（圖3），每一中間繼電器連接控制一個外部終端繼電器。外部終端繼電器安裝于每一臺空調(diào)配電箱內(nèi)，外部終端繼電器常閉觸點接入機(jī)房空調(diào)的標(biāo)準(zhǔn)遠(yuǎn)程控制接口[2]。主控制器通過控制外部終端繼電器的通斷來控制所對應(yīng)空調(diào)的啟停。這種控制接口方式不插手干涉精密空調(diào)微處理器內(nèi)部控制過程，可兼容不同廠家各種型號的機(jī)房空調(diào)，同時提升了高節(jié)能系統(tǒng)的運行安全可靠性：即使集控節(jié)能系統(tǒng)的主控器斷電或死機(jī)，或輸出信號線路在達(dá)到精密空調(diào)機(jī)組的途中出現(xiàn)損害或短路意外故障，終端繼電器將會失去控制信號，精密空調(diào)機(jī)組會憑借終端繼電器的常閉觸電閉合信號立即喚醒處于啟動運行狀態(tài)。

人機(jī)界面采用帶組態(tài)功能的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)彩色觸摸屏人機(jī)交互界面單元，通過RS485通訊接口（采用MODBUS-RTU 協(xié)議）與主控制器的第一RS485通訊電路連接，對主控制器的配置、參數(shù)設(shè)置、運行狀態(tài)及運行歷史數(shù)據(jù)庫查詢，溫度場歷史數(shù)據(jù)曲線圖形顯示、數(shù)據(jù)導(dǎo)出等操作。

2 控制系統(tǒng)運行原理

該控制系統(tǒng)基本運行原理是在機(jī)房布置大量溫度采集點，采集整個機(jī)房的溫度場，以總體機(jī)房環(huán)境溫度為控制對象，統(tǒng)一自動調(diào)度機(jī)房空調(diào)開啟的臺數(shù)（保證機(jī)房設(shè)備的冷卻）。同時結(jié)合機(jī)房局部溫度熱點區(qū)消除功能：溫度過高的區(qū)域空調(diào)優(yōu)先開機(jī)，溫度超高的區(qū)域空調(diào)強(qiáng)行開機(jī)；溫度低的區(qū)域空調(diào)優(yōu)先關(guān)機(jī)。這樣統(tǒng)一自動調(diào)度機(jī)房所有空調(diào)，解決了機(jī)房空調(diào)各自為政導(dǎo)致的能耗增加，實現(xiàn)整個機(jī)房溫度場的均衡，提高了機(jī)房整體溫度控制精度（減少了溫度波動），達(dá)到節(jié)能的目標(biāo)。同時實現(xiàn)了機(jī)房值班機(jī)的無人值守切換，降低了管理成本[3]。

該控制系統(tǒng)通過主機(jī)通訊口為每個空調(diào)區(qū)域節(jié)點都配置一個網(wǎng)絡(luò)型溫濕度傳感器，以采集每個空調(diào)負(fù)責(zé)區(qū)域溫濕度及外置該區(qū)域8個點的溫度場數(shù)據(jù)，并由該網(wǎng)絡(luò)獲取機(jī)房整體溫度場數(shù)據(jù)。集控系統(tǒng)根據(jù)采集的數(shù)據(jù)對整個機(jī)房的溫度場分布進(jìn)行綜合運算分析，采取智能PID 算法，自動決策投入機(jī)房空調(diào)運行臺數(shù)，整體調(diào)度機(jī)房內(nèi)所有空調(diào)的啟停，均衡控制機(jī)房溫度場，提高整體運行效率，達(dá)到節(jié)能目的。

當(dāng)機(jī)房出現(xiàn)局部熱點時，優(yōu)先投入熱點所在區(qū)域機(jī)房空調(diào)的制冷量輸出，如果溫度還是降不到安全區(qū)域，則喚醒相鄰區(qū)域機(jī)房空調(diào)開啟制冷，協(xié)助工作?？刂葡到y(tǒng)調(diào)度順序上，控制溫度低的區(qū)域空調(diào)優(yōu)先關(guān)機(jī)，以均衡控制機(jī)房溫度場。機(jī)房空調(diào)機(jī)組群一般都有冗余配置，該控制系統(tǒng)根據(jù)用戶設(shè)置的冗余量自動控制調(diào)度值班機(jī)組的切換，保證機(jī)房空調(diào)的均衡磨損運行。

對機(jī)房空調(diào)的調(diào)度只通過機(jī)房空調(diào)本身配備的遙控開機(jī)輸入端口來實現(xiàn)，不插手干涉機(jī)房空調(diào)微處理器內(nèi)部控制過程。對空調(diào)的控制采用終端控制繼電器常閉觸點控制方式，保證了節(jié)能系統(tǒng)的運行安全可靠性。即使集控節(jié)能系統(tǒng)的主控器斷電或損壞死機(jī)，或輸出信號線路在達(dá)到機(jī)房空調(diào)機(jī)組的途中出現(xiàn)損害或短路故障，繼電器將會失去控制信號，機(jī)房空調(diào)機(jī)組會憑借終端繼電器的常閉觸電閉合信號立即喚醒處于啟動運行狀態(tài)，而且控制系統(tǒng)整個安裝工程施工過程，可以不影響整體機(jī)房空調(diào)的正常運行。每臺空調(diào)可單獨調(diào)試，選擇自主運行或群控運行[4]。機(jī)房群集控系統(tǒng)能同時兼容控制不同廠家/品牌的不同型號空調(diào)。

3 結(jié)語

該系統(tǒng)在浙江嘉興某數(shù)據(jù)機(jī)房進(jìn)行了使用/不使用該群控系統(tǒng)運行時，對機(jī)房空調(diào)總體耗電量的綜合交叉對比測試。該機(jī)房內(nèi)有七臺機(jī)房精密空調(diào)，幾個月的測試期間，采用群控節(jié)能系統(tǒng)運行一段時間后，緊接著采用手動模式運行一段時間，二種模式交替進(jìn)行，保證機(jī)房溫度基本一致。根據(jù)當(dāng)年7月3日至10月28日期間對比測試所測數(shù)據(jù)（表1）進(jìn)行對比綜合評估節(jié)電達(dá)22%。這里基于夏季3個多月對比運行測試的數(shù)據(jù)進(jìn)行的經(jīng)濟(jì)效益分析不能說完全準(zhǔn)確，但可以說應(yīng)該是相對保守的，因為實際后續(xù)測試中發(fā)現(xiàn)冬季環(huán)境溫度越低，群控模式節(jié)能效果越明顯。

數(shù)據(jù)中心機(jī)房采用該系統(tǒng)后，既可全面監(jiān)控管理機(jī)房的溫度場分布，又可提高溫濕度場的控制精準(zhǔn)度，有效節(jié)約了電能，提高機(jī)房PUE 指標(biāo)；并且同時可省去過去需投入過多人力資源去干預(yù)調(diào)節(jié)工作，從宏觀上節(jié)省了人力資源成本投入。