基于PLC的數(shù)據(jù)中心冷源群控系統(tǒng)應(yīng)用研究

黎學(xué)超， 徐志勇

(1. 中國人民大學(xué)，北京 100872； 2. 天地科技股份有限公司，北京 100013)

0 引言

伴隨5G通信技術(shù)、云計(jì)算和物聯(lián)網(wǎng)等大數(shù)據(jù)技術(shù)的蓬勃發(fā)展，數(shù)據(jù)中心的重要性日益凸顯，而數(shù)據(jù)中心的“心臟”——冷源系統(tǒng)就更為重要。采用基于PLC的數(shù)據(jù)中心冷源群控系統(tǒng)無論是在安全性、可靠性還是在高效、節(jié)能方面都有著不可替代的作用。

1 冷源群控系統(tǒng)

1.1 PLC的定義及特點(diǎn)

可編程控制器(Programmable Logic Controller，PLC)被IEC定義為一種可用在工業(yè)場景的數(shù)字電子設(shè)備；內(nèi)部采用可編程的存儲器，可進(jìn)行邏輯運(yùn)算、過程控制、定時、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作；通過數(shù)字量或模擬量輸入端接收外部信號或操作指令，內(nèi)部程序運(yùn)行后從數(shù)字量或模擬量輸出端輸出需要的信號；可通過擴(kuò)展接口連接擴(kuò)展單元，以增強(qiáng)和擴(kuò)展功能，可通過通信接口與其他設(shè)備進(jìn)行通信。PLC特點(diǎn)：通用性好，可靈活性應(yīng)用，控制邏輯程序易修改，易使用；高可靠性，使用性能穩(wěn)定，不易干擾；功能強(qiáng)，適應(yīng)范圍廣；系統(tǒng)設(shè)計(jì)、調(diào)試周期短；PLC控制系統(tǒng)的故障少、維修方便。

1.2 冷源群控系統(tǒng)的定義及功能

該系統(tǒng)可根據(jù)數(shù)據(jù)中心內(nèi)IT冷負(fù)荷的需求，監(jiān)控多組高壓冷水機(jī)組及其配套水泵、板式換熱器等設(shè)備，通過群控策略及控制算法調(diào)節(jié)高壓冷水機(jī)組及其配套冷源設(shè)備的合理運(yùn)行?，F(xiàn)場控制層的各類設(shè)備的輸入輸出信號及各類傳感器信號上傳至主控制器，通過外部條件及控制策略控制冷源相關(guān)設(shè)備，使其達(dá)到滿足負(fù)荷需求下的最大節(jié)能控制狀態(tài)，從而節(jié)約能源。

該系統(tǒng)的功能為系統(tǒng)動態(tài)圖象顯示、冷源設(shè)備的啟?？刂婆c監(jiān)視、冷源設(shè)備參數(shù)的采集與控制，非正常狀態(tài)的設(shè)備參數(shù)報(bào)警、告警信息的呈現(xiàn)等。

1.3 數(shù)據(jù)中心及冷源群控系統(tǒng)等級

T1數(shù)據(jù)中心可接受數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的計(jì)劃性和非計(jì)劃性中斷的影響。T2數(shù)據(jù)中心的設(shè)備具有組件冗余功能，以減少計(jì)劃性和非計(jì)劃性的系統(tǒng)影響。T3數(shù)據(jù)中心允許支撐系統(tǒng)設(shè)備任何計(jì)劃性的動作而不中斷數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。T4數(shù)據(jù)中心提供基礎(chǔ)設(shè)施容量和能力，允許任何有計(jì)劃的活動而不會中斷臨界的負(fù)荷。冷源群控系統(tǒng)等級配置情況詳見表1。

冷源群控系統(tǒng)等級配置 表1

2 冷源群控系統(tǒng)方案對比

2.1 高性能分布式方案(T1、T2標(biāo)準(zhǔn))

方案一：管理網(wǎng)絡(luò)層設(shè)置服務(wù)器及客戶端，控制網(wǎng)絡(luò)層設(shè)置單PLC控制器，通過交換機(jī)與管理網(wǎng)絡(luò)層實(shí)現(xiàn)通訊，現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)層由現(xiàn)場總線模塊、I/O擴(kuò)展模塊及通訊模塊組成，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場冷源設(shè)備信息和傳感器參數(shù)的采集。現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)層通過以上不同模塊的組合，分別構(gòu)成二次泵控制單元、冷水機(jī)組控制單元、冷卻塔控制單元及蓄冷罐控制單元等。系統(tǒng)特點(diǎn)為多個冷凍單元共用一臺主控制器，整個系統(tǒng)采用單處理器，網(wǎng)絡(luò)路由串連，處理器及網(wǎng)絡(luò)存在單點(diǎn)故障。

方案二：管理網(wǎng)絡(luò)層設(shè)置服務(wù)器及客戶端，控制網(wǎng)絡(luò)層以控制單元為單位設(shè)置PLC控制器，通過交換機(jī)與管理網(wǎng)絡(luò)層實(shí)現(xiàn)通訊，現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)層由控制器、I/O擴(kuò)展模塊及通訊模塊組成，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場冷源設(shè)備信息的采集、傳感器參數(shù)的采集。以PLC控制器、I/O擴(kuò)展模塊及通訊模塊組成二次泵控制單元、冷水機(jī)組控制單元、冷卻塔控制單元及蓄冷罐控制單元等。系統(tǒng)特點(diǎn)為每組冷凍單元主控制器為單處理器，單一網(wǎng)絡(luò)路由，網(wǎng)絡(luò)存在單點(diǎn)故障。

2.2 冗余方案(T3、T4標(biāo)準(zhǔn))

管理網(wǎng)絡(luò)層設(shè)置服務(wù)器及客戶端，服務(wù)器采用雙機(jī)熱備；控制網(wǎng)絡(luò)層設(shè)置兩臺冗余PLC控制器，通過交換機(jī)與管理網(wǎng)絡(luò)層實(shí)現(xiàn)通訊；現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)層由現(xiàn)場總線模塊、I/O擴(kuò)展模塊及通訊模塊組成，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場冷源設(shè)備信息和傳感器參數(shù)的采集。以兩臺現(xiàn)場總線模塊、I/O擴(kuò)展模塊及通訊模塊組成二次泵控制單元、冷水機(jī)組控制單元、冷卻塔控制單元及蓄冷罐控制單元等，通過多臺現(xiàn)場總線模塊實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場設(shè)備信息采集的雙路由。系統(tǒng)特點(diǎn)為主控制器采用冗余處理器，網(wǎng)絡(luò)路由及通信模塊均采用冗余配置，系統(tǒng)可靠性提高。

3 基于PLC的數(shù)據(jù)中心冷源群控系統(tǒng)架構(gòu)

3.1 系統(tǒng)架構(gòu)

采用集散式控制系統(tǒng)(管理網(wǎng)絡(luò)層、控制網(wǎng)絡(luò)層及現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)層)，實(shí)現(xiàn)集中操作管理和分散就地控制。冷源群控系統(tǒng)架構(gòu)示意圖詳見圖1。

圖1 冷源群控系統(tǒng)架構(gòu)圖

管理網(wǎng)絡(luò)層：由服務(wù)器、客戶端和管理軟件組成，主要功能是對制冷機(jī)房冷源設(shè)備的運(yùn)行進(jìn)行集中管理、監(jiān)控并完成與其他智能機(jī)電設(shè)備的集成。網(wǎng)絡(luò)支持國際標(biāo)準(zhǔn)通訊協(xié)議，可分析歷史數(shù)據(jù)、能源管理和遠(yuǎn)程信息監(jiān)測，同時可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)開放。

控制網(wǎng)絡(luò)層：實(shí)現(xiàn)承上啟下的連接作用，具備數(shù)據(jù)的存儲和處理功能，為現(xiàn)場控制層和管理層作數(shù)據(jù)備份。

現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)層：由實(shí)時性強(qiáng)的現(xiàn)場控制器組成，輸入輸出點(diǎn)通過控制器完成對監(jiān)控系統(tǒng)中需要被監(jiān)控設(shè)備和控制點(diǎn)的匹配，并采集現(xiàn)場信號。現(xiàn)場控制層采集的各種信息進(jìn)行存儲、實(shí)時處理、分析和輸出，并負(fù)責(zé)將控制命令發(fā)送至前端智能模塊，最終將報(bào)警信息上傳至管理層?，F(xiàn)場控制層應(yīng)具備本地存儲、脫網(wǎng)運(yùn)行、獨(dú)立報(bào)警能力，網(wǎng)絡(luò)故障時現(xiàn)場控制層各設(shè)備仍能正常運(yùn)行。群控系統(tǒng)支持PROFIBUS、PROFINET、ISO協(xié)議、MODBUS及OPC等兼容工業(yè)最常用的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議。

3.2 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

網(wǎng)絡(luò)由管理網(wǎng)絡(luò)層及現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)層構(gòu)成兩級網(wǎng)絡(luò)。其中，一級網(wǎng)絡(luò)為管理網(wǎng)絡(luò)層網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)管理網(wǎng)絡(luò)層和控制網(wǎng)絡(luò)層之間數(shù)據(jù)交換，通過六類四對UTP電纜或光纖實(shí)現(xiàn)物理連接，采用TCP/IP協(xié)議，一級網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)成方式為單/雙路由或環(huán)形交換網(wǎng)絡(luò)、單/雙路由設(shè)備網(wǎng)絡(luò)。二級網(wǎng)絡(luò)為現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)層網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)控制網(wǎng)絡(luò)層和現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)層之間的數(shù)據(jù)交換，二級網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)成方式為單一、冗余及環(huán)形總線等。

4 應(yīng)用案例

4.1 工程概況及系統(tǒng)簡介

本工程制冷系統(tǒng)為二次泵系統(tǒng)，控制對象包括6臺高壓冷水機(jī)組、6臺板式換熱器、6臺冷凍水一次泵、12臺冷凍水二次泵、6組冷卻塔、若干電動閥門、水處理器、定壓補(bǔ)水裝置、冷凍水補(bǔ)水軟化設(shè)備及變頻供水設(shè)備等。

4.2 冷源群控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

(1)系統(tǒng)硬件組成

PLC控制器、總線適配器、輸入/輸出模塊、接口及通信模塊、工業(yè)交換機(jī)、服務(wù)器及客戶端等。

(2)冷源群控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)包括：1)1臺群控控制器單元，控制所有冷凍單元；2)6臺冷水機(jī)組組成6個控制單元，每組冷凍單元包含冷水機(jī)組、冷凍水一次泵、板式換熱器、冷卻水循環(huán)泵、電子水處理器；3)6組冷卻塔組成1個控制單元，控制所有冷卻塔的運(yùn)行；4)12臺二次泵組成1個控制單元，控制所有二次泵的運(yùn)行；5)蓄冷罐、配套電加熱、冷卻塔、定壓、軟化水補(bǔ)水泵組成一個控制單元，控制相關(guān)設(shè)備的運(yùn)行，合計(jì)10組控制單元組成該冷源群控系統(tǒng)；網(wǎng)絡(luò)采用光纖環(huán)網(wǎng)系統(tǒng)，主控制器采用冗余控制器，服務(wù)器采用雙機(jī)熱備，并預(yù)留上傳DCIM平臺接口。

其中，管理層網(wǎng)絡(luò)包括主備服務(wù)器、客戶端與工業(yè)核心交換機(jī)等?？刂凭W(wǎng)絡(luò)層包括交換機(jī)、PLC冗余控制器及控制柜等?？刂茖泳W(wǎng)絡(luò)包括控制柜、控制柜觸摸屏、輸入/輸出模塊、通訊模塊、電源模塊及接口模塊等。

4.3 冷源群控系統(tǒng)軟件平臺

冷源群控系統(tǒng)平臺功能包括系統(tǒng)界面、故障管理、報(bào)警管理、數(shù)據(jù)報(bào)表、參數(shù)設(shè)置、監(jiān)控通訊界面等；動態(tài)顯示狀態(tài)界面，角色權(quán)限管理；暖通與電氣主要設(shè)備控制；冷水系統(tǒng)的水流程圖；各機(jī)電設(shè)備具備獨(dú)立設(shè)置顯示及控制界面，顯示本地溫度及濕度。

4.4 冷源群控對象軟件控制邏輯

(1)群控控制器的控制

采集室外干球及濕球溫度、冷凍水供回水參數(shù)(如溫度、壓力、流量)、蓄冷罐水管的流量等參數(shù)上傳至冷源群控系統(tǒng)，通過群控系統(tǒng)邏輯計(jì)算并判斷各單元控制器執(zhí)行機(jī)械制冷工況、部分自由冷卻工況、完全自由冷卻工況切換，采集各單元控制器的狀態(tài)反饋信號。

1)每臺冷水機(jī)組的控制與冷凍水泵、冷卻水泵和冷卻塔連鎖對應(yīng)控制。

2)一旦選擇的冷水機(jī)組運(yùn)行，出廠時安裝的控制器將維持冷凍水供水溫度在14℃(可調(diào))。

3)檢測制冷單元組的運(yùn)行時間，對其進(jìn)行均一化管理，即優(yōu)先啟動累計(jì)運(yùn)行時間較短的制冷單元組，優(yōu)先關(guān)閉累計(jì)運(yùn)行時間較長的制冷單元組，以保證所有的制冷單元組運(yùn)行時間基本一致。

4)加減機(jī)策略：冷水機(jī)組根據(jù)冷凍水的供/回水溫度、冷水機(jī)組電流自動選擇冷水機(jī)組運(yùn)行臺數(shù)，以便達(dá)到最佳的節(jié)能狀態(tài)。加機(jī)策略：冷凍水泵頻率達(dá)到45Hz，且供水溫度>15℃(可調(diào))并持續(xù)15min(可調(diào))，加機(jī)；減機(jī)策略：各冷水機(jī)組運(yùn)行電流與額定電流比值之和除以(運(yùn)行臺數(shù)-1)的商值<80%(可調(diào))，并持續(xù)15min(可調(diào))，減機(jī)。

(2)冷凍單元控制器的控制

每套冷凍單元設(shè)置獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)控制器，主要控制冷水機(jī)組、板式換熱器、冷凍水泵、冷卻水泵、電子廣譜感應(yīng)水處理器、全自動加藥裝置、用電動閥門及各類傳感器等。冷機(jī)自身控制器可采用兩種通訊模式與冷凍單元通訊，總線通訊及干接點(diǎn)模式，均由冷水機(jī)組自帶控制器提供智能接口或是干接點(diǎn)信號。

(3)水泵的控制

水泵控制器為冗余控制器，互為熱備，兩臺控制器實(shí)時同步。當(dāng)主控制器故障時，備控制器自動投入，且能保持之前的狀態(tài)。

1)冷凍水泵變速控制：通過測量分集水器兩側(cè)的壓差，并與其設(shè)定值比較，調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速。冷凍水泵運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)可以在變頻器控制盤上顯示并輸出至制冷單元控制器。

2)冷卻水泵變速控制：冷卻水泵僅在完全自然冷卻工況下變頻，控制器根據(jù)板換側(cè)冷凍水設(shè)定溫度(14℃)進(jìn)行變頻。在機(jī)械制冷工況及部分自然冷卻工況下冷卻水泵工頻運(yùn)行。

3)冷凍水壓差旁通閥流量控制：當(dāng)僅有一臺冷機(jī)運(yùn)行，冷凍水泵根據(jù)分集水器兩側(cè)的壓差變頻調(diào)節(jié)至25Hz(可調(diào))且壓差仍然較大時，維持水泵頻率25Hz(可調(diào))不變，開啟分集水器間的壓差旁通閥，旁通閥開度由壓差信號調(diào)節(jié)，以維持壓差平衡及冷機(jī)最低流量。

(4)蓄冷罐控制器的控制

1)蓄冷罐內(nèi)每隔0.6m設(shè)置一個溫度傳感器，監(jiān)測溫躍層，從而監(jiān)測可用冷凍水量。通過一、二次側(cè)的水流量(分別表示為a、b)判斷蓄冷罐的流量，當(dāng)b

2)蓄冷罐的流入或流出水的方向及流量由雙向流量計(jì)監(jiān)測，從而判斷蓄冷罐的“充冷”與“放冷”模式?！俺淅洹蹦Ｊ剑涸谡＜俺Ｒ?guī)運(yùn)行狀態(tài)下；“放冷”模式：當(dāng)冷源提供的冷凍水不足時；“超級充冷”模式：當(dāng)蓄冷罐放冷時，溫躍層體現(xiàn)蓄冷罐備份水量的降低，當(dāng)備份水量降低至蓄冷罐底部約1/3處的溫度為設(shè)計(jì)回水溫度時。

當(dāng)在“超級充冷”模式時，蓄冷罐控制器通過硬接線通知群控控制器，群控控制器發(fā)送啟動命令至備用冷凍單元，為蓄冷罐提供超級充冷。當(dāng)溫躍層溫度指示冷凍水回水溫度已恢復(fù)，若距蓄冷罐頂10%處的溫度為設(shè)計(jì)回水溫度值，則退出“超級充冷”模式。

(5)冷卻塔控制器的控制

1)控制器可以根據(jù)設(shè)定的冷卻塔并聯(lián)模式，對全部冷卻塔進(jìn)行分組，實(shí)現(xiàn)一套冷凍單元對應(yīng)多臺冷卻塔的控制方式。

2)冷卻塔風(fēng)機(jī)根據(jù)設(shè)定的冷卻水出水溫度進(jìn)行變頻調(diào)節(jié)，在機(jī)械制冷工況下，冷卻水出水溫度設(shè)定為室外濕球加4℃(可調(diào))；在部分自由冷卻工況下，冷卻水出水溫度設(shè)置為板換冷凍水回水溫度減2℃(可調(diào))；自然冷卻模式下，冷卻水出水溫度設(shè)定為12℃(可調(diào))。

3)冷卻塔風(fēng)機(jī)啟動控制：接到制冷單元控制器的啟動命令后，與之對應(yīng)的冷卻塔風(fēng)機(jī)處于相同轉(zhuǎn)速，風(fēng)機(jī)以產(chǎn)品允許的最小轉(zhuǎn)速啟動，當(dāng)所有風(fēng)機(jī)確認(rèn)運(yùn)行狀態(tài)后，風(fēng)機(jī)根據(jù)需要運(yùn)行在同一轉(zhuǎn)速，維持冷卻水出水溫度在設(shè)定點(diǎn)，當(dāng)室外干球溫度低于-5℃(可調(diào))，冷卻塔集水盤內(nèi)溫度低于7℃(可調(diào))時，控制風(fēng)機(jī)減載，減載的風(fēng)機(jī)15min(可調(diào))內(nèi)不允許再次啟動。

4)冷卻塔集水盤液位由冷卻塔自帶液位傳感器監(jiān)測，并輸出至制冷單元控制器。

5)機(jī)械制冷工況下，冷卻塔出水溫度大于室外濕球加6℃(可調(diào))并持續(xù)15min(可調(diào))，聲光報(bào)警至前端。完全自然冷卻工況下，冷卻塔出水溫度大于12℃(可調(diào))并持續(xù)15min(可調(diào))，聲光報(bào)警至前端。

6)冷源群控系統(tǒng)在每個冷機(jī)頂部設(shè)置一個冷媒泄漏濃度探測器，當(dāng)發(fā)生冷媒泄漏時，立即開啟對應(yīng)的風(fēng)閥及排風(fēng)機(jī)(同開同關(guān))，并在前端報(bào)警。

5 結(jié)束語