基于Uptime TierⅣ等級數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)控制架構(gòu)簡析

張銘蕾， 儲 君

(中國民生銀行總行信息科技部，北京 101300)

0 前言

在信息技術(shù)快速發(fā)展的背景下，數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施的關(guān)鍵性日益凸顯，對于金融系統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心而言，重要業(yè)務(wù)系統(tǒng)連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行對基礎(chǔ)設(shè)施安全可靠性的要求更加苛刻，大型金融數(shù)據(jù)中心如遇宕機(jī)造成的業(yè)務(wù)損失、聲譽(yù)等間接損失每小時可達(dá)數(shù)億元人民幣。

為保證金融業(yè)數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施的可靠性與安全性，目前設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)大多采用Uptime TierⅣ等級，并滿足GB 50174-2017中A級數(shù)據(jù)中心標(biāo)準(zhǔn)，本文主要從滿足TierⅣ等級的數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)控制架構(gòu)展開分析。

1 滿足Uptime TierⅣ等級的空調(diào)系統(tǒng)

Uptime Institute機(jī)構(gòu)發(fā)布的標(biāo)準(zhǔn)中TierⅣ等級為其最高等級，主要從設(shè)備容錯、分配路徑物理隔離、可并行維護(hù)、連續(xù)制冷等角度作出要求(表1)。

TierⅣ等級要求 表1

對于空調(diào)系統(tǒng)而言，要滿足以上要求，并同時考慮到節(jié)能的要求，目前多采用“2N”架構(gòu)的冷凍水空調(diào)系統(tǒng)，如圖1所示，從冷源部分(包含冷水機(jī)組、冷凍水泵、冷卻水泵、板式換熱器、冷卻塔、蓄冷罐等)到機(jī)房專用精密空調(diào)末端設(shè)備的數(shù)量均為2N，即從設(shè)備配置上滿足容錯的要求。

同時,對每套制冷單元，從冷源到空調(diào)末端及每套制冷單元的空調(diào)水管路，均應(yīng)布置在不同的物理空間，滿足防火防水的物理隔離要求。

圖1 2N配置的空調(diào)系統(tǒng)示意圖

2 控制系統(tǒng)簡析

基于Uptime TierⅣ等級搭建的數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)及機(jī)房環(huán)境溫濕度控制系統(tǒng)主要包括：設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)(BAS系統(tǒng))、空調(diào)末端的群控系統(tǒng)、環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)。

通過以上控制系統(tǒng)可以自動識別空調(diào)系統(tǒng)中故障設(shè)備或故障點(diǎn)，并自動隔離故障，同時另一套空調(diào)系統(tǒng)自動加載，保證機(jī)房環(huán)境溫度在15min內(nèi)的波動值不超過5℃，同時滿足空調(diào)系統(tǒng)的制冷容量一直達(dá)到“N”的要求。

2.1 設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)(BAS系統(tǒng))

(1)針對制冷單元一、二設(shè)計兩套獨(dú)立的BAS系統(tǒng)，如圖2所示，每套BAS系統(tǒng)接入各自制冷單元內(nèi)的冷水機(jī)組、冷凍水泵、冷卻水泵、冷卻塔、蓄冷罐、水處理器、漏水探測器及水管路上的電動控制閥門、壓力和溫度傳感器等設(shè)施。

(2)兩套BAS系統(tǒng)的服務(wù)器和操作站放置于獨(dú)立的自控室內(nèi)，兩套系統(tǒng)之間完全獨(dú)立運(yùn)行。

圖2 BAS系統(tǒng)示意圖

2.2 空調(diào)末端群控系統(tǒng)

(1)機(jī)房專用精密空調(diào)群控管理系統(tǒng)采用的是模塊化主從形式，如圖3所示，通過RS485通訊方式來實現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)群控。選擇一臺精密空調(diào)機(jī)組當(dāng)作主控機(jī)組，將精密空調(diào)機(jī)組聯(lián)網(wǎng)，并將各個空調(diào)的地址分別設(shè)置在精密空調(diào)內(nèi)置智能通訊接口上。

(2)精密空調(diào)采用2N架構(gòu)，因此群控①與群控②對應(yīng)的空調(diào)機(jī)組也獨(dú)立聯(lián)網(wǎng)。當(dāng)任何一套精密空調(diào)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，另一套精密空調(diào)系統(tǒng)可正常運(yùn)行，從而保證N配置的精密空調(diào)可靠運(yùn)行。

圖3 群控系統(tǒng)示意圖

圖4 環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)示意圖

2.3 環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)

與空調(diào)系統(tǒng)相關(guān)的環(huán)境監(jiān)控主要包括IT機(jī)房模塊及配電用房內(nèi)的溫濕度采集、機(jī)房專用精密空調(diào)的狀態(tài)采集、加濕機(jī)狀態(tài)采集等。

監(jiān)控系統(tǒng)中的核心交換機(jī)、監(jiān)視主機(jī)均為2N架構(gòu)，一主用一備用，分別設(shè)置于獨(dú)立的監(jiān)控室內(nèi)，主備機(jī)相互檢測，雙機(jī)熱備。環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)示意圖如圖4。

3 設(shè)計中應(yīng)該注意的問題及難點(diǎn)

3.1 控制原則

(1)設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)(BAS系統(tǒng))

1)BAS系統(tǒng)中的控制器用以檢測室外濕球及干球溫度、水流量、供回水溫度、壓力等參數(shù)，向制冷單元內(nèi)的各設(shè)備(冷水機(jī)組、水泵、冷卻塔、電動閥門等)發(fā)出控制命令，并接受各設(shè)備的狀態(tài)反饋信號，即同時實現(xiàn)“監(jiān)測與控制”的功能。

因Uptime TierⅣ等級要求“2N”配置的空調(diào)系統(tǒng)均需同時在線運(yùn)行，當(dāng)監(jiān)測到任意一套制冷單元的某個設(shè)備故障的情況下，應(yīng)能自動識別故障點(diǎn)并隔離故障設(shè)備，同時根據(jù)設(shè)定的控制邏輯，另外一套制冷單元中相應(yīng)的設(shè)備自動加載運(yùn)行，如：某TierⅣ等級的數(shù)據(jù)中心，冷水機(jī)組數(shù)量為1+1(2N配置)，在滿負(fù)荷的情況下，兩臺冷水機(jī)組運(yùn)行負(fù)載率均為50%+50%，在某一臺冷水機(jī)組因制冷劑泄漏或其他故障的情況下，BAS系統(tǒng)自動識別故障的冷水機(jī)組并發(fā)出報警，按照控制邏輯自動關(guān)閉故障的冷水機(jī)組及其對應(yīng)的冷凍水泵、冷卻水泵、冷卻塔及相應(yīng)的管路電動閥；此過程中另一套制冷單元根據(jù)冷負(fù)荷的需求自動加載，直至達(dá)到100%的運(yùn)行工況。

2)對于冷凍水空調(diào)系統(tǒng)，冷凍水或冷卻水的泄漏對數(shù)據(jù)中心服務(wù)器等設(shè)備的危害極大，因此Uptime TierⅣ等級要求所有室內(nèi)水管路都應(yīng)探測到漏水故障，需要通過布置漏水繩及其他壓力傳感器等設(shè)施，保證任意位置的漏水探測器報警時，輔以管路中的壓力傳感器，判斷水管路是否發(fā)生局部泄漏或者爆管，控制系統(tǒng)自動關(guān)閉相應(yīng)區(qū)域的電動閥，防止出現(xiàn)持續(xù)性的漏水。

實際在設(shè)計過程中，則需根據(jù)空調(diào)系統(tǒng)冷凍水及冷卻水管路環(huán)狀/枝狀布置的不同，設(shè)定不同的控制邏輯，枝狀布置的管路可能因管路泄漏而關(guān)閉整套空調(diào)系統(tǒng)。

(2)空調(diào)末端群控系統(tǒng)

1)群控管理系統(tǒng)具有的功能包括群組內(nèi)的空調(diào)末端自動分工、順序加載、數(shù)據(jù)同步等，以及對各臺空調(diào)機(jī)組運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行精準(zhǔn)控制，當(dāng)主控機(jī)組停機(jī)后，其他從機(jī)具有主控功能，會及時接管系統(tǒng)，完成相應(yīng)的管理控制任務(wù)。

2)群控功能應(yīng)能保證精密空調(diào)所有機(jī)組運(yùn)行的持續(xù)性，避免主控機(jī)組故障影響到其他機(jī)組，從而保證整體“N”配置的精密空調(diào)可靠運(yùn)行。

(3)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)

1)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)主要是采集機(jī)房專用精密空調(diào)的送回風(fēng)溫度和濕度測量值，送回風(fēng)溫度和濕度設(shè)定值，偏移量、運(yùn)行狀態(tài)，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速、水閥開度、供回水溫度、手/自動和故障狀態(tài)等數(shù)值，以及機(jī)房模塊、配電用房內(nèi)的溫濕度情況。

2)Uptime TierⅣ等級要求環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)只能進(jìn)行數(shù)據(jù)及狀態(tài)采集，不能參與設(shè)備控制。

3.2 物理隔離

(1)對于設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)(BAS系統(tǒng))，不僅要滿足系統(tǒng)內(nèi)各設(shè)備容錯的要求，同時對于各自監(jiān)控系統(tǒng)的控制器、交換機(jī)、服務(wù)器、監(jiān)控器、操作站等設(shè)備及主干布線、水平布線的橋架路由等，均需布置在不同的物理空間，以保障當(dāng)任何一套系統(tǒng)因火災(zāi)或水管路漏水導(dǎo)致故障時，另外一套系統(tǒng)仍然可以工作，監(jiān)控其對應(yīng)的制冷單元，保證制冷系統(tǒng)滿足“N”容量的要求。

(2)對于空調(diào)末端群控系統(tǒng)，因每個IT機(jī)房模塊內(nèi)的精密空調(diào)為2N配置，同時已經(jīng)布置在滿足物理隔離要求不同的空調(diào)間內(nèi)，因此空調(diào)末端的群控系統(tǒng)已經(jīng)滿足物理隔離的要求。環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)“只監(jiān)不控”，則其設(shè)備及橋架路由可不要求物理隔離，但建議其核心交換機(jī)及監(jiān)視主機(jī)進(jìn)行雙機(jī)熱備。

3.3 其他

(1)任意一個控制系統(tǒng)中的控制器及交換機(jī)、通信線路故障時，均可以直接斷開該設(shè)備，其所控制的設(shè)備將繼續(xù)保持當(dāng)時的運(yùn)行狀態(tài)，不影響正常使用。

(2)BAS系統(tǒng)應(yīng)監(jiān)測控制器的“心跳”，如果檢測到控制器故障，則應(yīng)立即報警并維持故障之前的運(yùn)行模式及狀態(tài)。

(3)控制系統(tǒng)中應(yīng)有設(shè)備的手/自動控制狀態(tài)顯示，冷水機(jī)組、水泵、冷卻塔、機(jī)房專用空調(diào)等設(shè)備均需自帶手動控制模式，在設(shè)備故障時切為手動控制模式，此時控制系統(tǒng)中顯示設(shè)備手動控制狀態(tài)，直至設(shè)備維修完成后切為自動控制模式。

(4)控制系統(tǒng)中的控制線連接類型需為插拔式連接頭，即支持熱插拔，保證可以在線檢修維護(hù)。

4 結(jié)束語

通過以上分析，可知基于Uptime TierⅣ等級的數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)控制架構(gòu)與GB 50174-2017中的最高A級標(biāo)準(zhǔn)，在一些細(xì)節(jié)上，尤其設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)(BAS系統(tǒng))，有較大的區(qū)別。本文所分析的是基于實現(xiàn)設(shè)備及路徑的物理隔離而采用“2N”配置的架構(gòu)，但其實“N+1”的配置也能實現(xiàn)相同的功能，但難度更大。同時，此架構(gòu)需要犧牲一定的建筑面積，降低了數(shù)據(jù)中心的出機(jī)柜率，整體的投資造價也相對較高，但卻可以提高數(shù)據(jù)中心的安全性與可靠性。若為了獲得Uptime Institute機(jī)構(gòu)頒發(fā)的設(shè)計認(rèn)證證書，則需要通過該機(jī)構(gòu)嚴(yán)苛的審核，因此國內(nèi)通過TierⅣ認(rèn)證的項目相對較少。