數(shù)據(jù)中心水冷系統(tǒng)智能控制邏輯的研究與應用

程 博，劉松茂，宋子健，薛鵬琦，周玉利

（中國聯(lián)合網絡通信有限公司廣州市分公司，廣東 廣州 510000）

1 數(shù)據(jù)中心水冷系統(tǒng)概述

1.1 水冷系統(tǒng)的組成和局限

數(shù)據(jù)中心水冷系統(tǒng)主要由冷凍水循環(huán)泵、分集水器、冷卻塔、板式換熱器、蓄冷罐、管路閥門、定壓補水裝置、釋冷泵、冷卻水循環(huán)泵以及冷水機組組成，整個系統(tǒng)擁有龐大的規(guī)模和復雜的運行流程[1]。

長久以來，水冷系統(tǒng)在各種數(shù)據(jù)中心得到了廣泛應用。為了使制冷系統(tǒng)有著較高的可用性，我國針對數(shù)據(jù)中心機房建設提出了較高的制冷系統(tǒng)冗余要求，具體如表1所示。

表1 國內外制冷系統(tǒng)冗余相關要求

實際使用中，雖然制冷系統(tǒng)在選擇冗余方法方面存在一定差異，但是在充分分析表1各項冗余參數(shù)后可知，在水冷系統(tǒng)中因為使用相同的管路、水源和冷源，在落實冗余工作時，N+X配合環(huán)網屬于最常見的方式。水冷系統(tǒng)擁有高的冗余數(shù)量要求，且有較大概率產生單故障點。如果冗余規(guī)模無法滿足相關要求，會導致數(shù)據(jù)中心在投資和維護的過程中支出較高的成本。所以，相關人員需要充分重視自動控制和節(jié)能等方面的需求[2]。

1.2 自控系統(tǒng)架構

在集中管控數(shù)據(jù)中心水冷自控系統(tǒng)時，需要使用3層設備結構和5層網絡結構，如圖1所示。

圖1 水冷系統(tǒng)自控系統(tǒng)架構

1.2.1 3層設備結構

（1）設備控制層。該層的主要功能是合理控制各個受控設備，確保目標順利實現(xiàn)。設備本身的輸出輸入點非常多，主要由各類執(zhí)行器、擴展模塊、各類傳感器以及現(xiàn)場控制器組成。

（2）設備通信層。該層主要是設備控制層與中央管理層的橋梁，可以完成數(shù)據(jù)存儲和處理功能。它儲存的數(shù)據(jù)包含中央管理層和設備控制層的備份數(shù)據(jù)，核心設備為網絡控制引擎。

（3）中央管理層。該層設備是整個水冷自控系統(tǒng)的心臟，主要包含各類通信網關、交換機、打印機、不間斷電源、服務器以及工作站[3]。

1.2.2 2層網絡結構

（1）樓宇自動化與控制網絡（Building Automation and Control networks，BACnet）協(xié)議。這種協(xié)議能夠為設備控制層和網絡控制層之間的數(shù)據(jù)交換提供方便，在連接的過程中需要借助線纜。

（2）傳輸控制協(xié)議/網際協(xié)議（Transmission Control Protocol/Internet Protocol，TCP/IP）。此協(xié)議主要是為了順利交換網絡通信層和中央管理層之間的各項數(shù)據(jù)，在CAT6非屏蔽4對非屏蔽雙絞線的支持下為順利完成物理層連接提供有效保障。

2 數(shù)據(jù)中心水冷系統(tǒng)智能控制邏輯總體方案

在運行數(shù)據(jù)中心水冷系統(tǒng)的過程中，想要保證系統(tǒng)運行穩(wěn)定，減少能源消耗，在充分考慮各方面實際問題的基礎上，應該不斷優(yōu)化水冷系統(tǒng)智能控制邏輯方案。

自控系統(tǒng)負責集中監(jiān)管各種設備的能耗情況、安全狀況和運行情況，利用核心控制邏輯確保冷源系統(tǒng)可以順利解決故障和管理能耗。如按照一定順序啟動多臺設備和調節(jié)水流開度，保證相關智能控制邏輯能夠被相關設備順利執(zhí)行，可以在最大程度上實現(xiàn)水冷系統(tǒng)的節(jié)能，同時在自動控制的情況下能夠降低人為因素導致的誤差，有效簡化系統(tǒng)操作。

控制邏輯是自控系統(tǒng)的核心，要想保證控制邏輯的合理性，需要與其他專業(yè)的實際情況相結合開展設計工作，并且需要開展相關的試驗。本文將探討該數(shù)據(jù)控制中心實施智能控制邏輯的方案[4]。

該數(shù)據(jù)中心的冷源系統(tǒng)由開式冷卻塔、10 kV高壓離心式冷水機組以及板式換熱器組成，使用N+1原則布置定壓裝置、板式換熱器、水泵、冷卻塔以及冷水機組等設備，主要利用閉式循環(huán)系統(tǒng)，其中空調水系統(tǒng)就是一次泵變流量系統(tǒng)。為了完成通信機房供冷的要求，要充分考慮蓄冷15 min的要求。當市電供應不穩(wěn)定時，確保制冷工作可持續(xù)進行。

該數(shù)據(jù)中心所在區(qū)域擁有明顯的四季環(huán)境溫度差異，為了降低能耗，規(guī)劃了3種運行模式，分別為普通制冷模式、預冷模式以及自然冷卻模式。普通制冷模式的供冷通過冷機完成。預冷模式的供冷由板換和冷機共同完成，其中預冷為板換。自然冷卻模式在冷機沒開啟的情況下，通過板換的作用能夠順利完成冷凍水和冷卻水間的換熱。在這些運行模式下，各套制冷單元中的換熱機組、冷卻水泵、冷卻塔風機、冷凍水泵以及水冷機組都能夠完成電氣連鎖。

2.1 模式切換邏輯

開機后，系統(tǒng)會與室外濕球溫度相結合完成運行模式的合理選擇。實際運行期間，應該通過室外濕球溫度和冷卻水回水溫度切換適宜的運行模式。運行過程中會按照以下邏輯切換模式[5]。

2.1.1 普通制冷模式切換到預冷模式

需要符合冷塔為13 ℃以內、出水溫度和室外必須低于10 ℃濕球溫度以及存在20 min延時的要求。這個過程中不會改變處于啟動狀態(tài)的冷機，而會啟動對應的板換，按照秩序完成閥門的調節(jié)和切換，使水路由板換進入冷機，然后與預冷模式加減機條件相結合完成機組加減。

2.1.2 從預冷模式切換為普通制冷模式

需要符合冷塔超過13 ℃、出水溫度和室外必須超過10 ℃濕球溫度以及存在20 min延時的要求。這個過程需要先關閉對應的板換，無須改變冷機，只需完成閥門的調節(jié)和切換使水路改變，保證水路只在冷機通過，最后在充分遵循普通制冷模式下使加減機完成機組加減。

2.1.3 預冷模式切換為自然冷卻模式

需要符合冷塔為8 ℃以內、出水溫度和室外必須為6 ℃以下濕球溫度以及擁有20 min延時的要求。此時無法改變板換，處于啟動狀態(tài)的冷機需要關閉，只需完成閥門的切換就能夠使水路發(fā)生改變。這種情況下水路只在板換通過，以自然冷卻模式加減機要求為基準完成板換加減。

2.1.4 自然冷卻模式向預冷模式切換

不但需要冷塔擁有超過8 ℃出水溫度，而且室外需擁有超過6 ℃濕球溫度和擁有20 min延時的要求。只運行1組板換和冷機，然后與預冷模式加減機條件相結合完成機組加減[6]。

2.2 加減機條件邏輯

2.2.1 普通制冷模式加機條件

只有符合以下3個條件，才可使下一機組加載程序要求得到滿足：第一，現(xiàn)階段正在運行的機組可達到負載100%且時間充足；第二，冷凍水供水溫度高于系統(tǒng)設定的冷凍水供水溫度；第三，與某個設定值相比，運行機組擁有更大的負載。

當以下3個條件同時滿足時，新冷水機組將及時啟動：第一，已經超過啟動新冷水機組的延時時間；第二，新冷水機組的運行并未被系統(tǒng)禁止；第三，新冷水機組不存在斷電重啟或出錯現(xiàn)象[7]。

2.2.2 普通制冷模式減機條件

想要滿足減機條件，需滿足以下3項要求：第一，現(xiàn)階段存在1臺以上的運行機組臺數(shù)；第二，與當前設定值相比，運行機組擁有更小的平均負載；第三，冷凍水供水溫度低于冷凍水設定溫度[8]。當滿足以上要求時，將立即停止設定機組運行，結束機組停機的延時時間。

2.2.3 預冷模式的加減機條件

與普通制冷模式加機條件相同。

2.2.4 自然冷卻模式加減機條件

與冷機最小運行時間的云澤相結合，完成加減板換位號的合理選擇。在自然冷卻模式下，當冷卻水進入板換后將由板換閥門進行控制，能夠實現(xiàn)對二次側冷凍水出水溫度的控制。當板換閥門擁有0%的開度時，與加機設定值相比在一定時間內擁有更高的冷凍水出水溫度時，加板換；當與減機設定值相比擁有更大的板換閥門開度且與減機設定值相比在一定時間內擁有更低的冷凍水出水溫度時，減板換。

2.3 連鎖保護啟動/停止的控制邏輯

在冷水機組啟動前，系統(tǒng)將對與冷水機組配套的閥門、冷卻水泵、冷卻塔以及冷卻水泵等設備的狀態(tài)進行自動檢查，并且按照固定順序逐個啟動。若是能夠正常啟動所有的配套設備，系統(tǒng)的冷水機組將被啟動；若是無法正常啟動配套設備，控制系統(tǒng)將使其他冷水機組和配套設備啟動，且擁有與上述相同的啟動順序和相關控制。關機過程將擁有相反的順序，先關閉冷水機組，然后關閉配套的輔助設備[9]。

啟動的流程為“冷卻塔蝶閥啟動—冷卻塔風機啟動—冷卻水蝶閥啟動—冷卻水泵啟動—冷凍水啟動”。停止的流程為“冷水機組停止（存在5～10 min延時）—冷卻水泵關閉—冷卻水蝶閥關閉—冷卻塔風機關閉—冷卻塔蝶閥關閉”。

2.4 故障模式的控制策略邏輯

在系統(tǒng)停止、啟動時，擁有狀態(tài)確認程序較多，能夠對配備設備提供有效保證。若是狀態(tài)確認程序有失誤存在，自控系統(tǒng)將進入自檢狀態(tài)。之所以會發(fā)生異常情況，可能是局部手動操作、設備故障等原因導致。這種情況下，系統(tǒng)一方面會努力在最大程度上完成設備運行臺數(shù)匹配，避免損害設備的情況；另一方面會選擇報警，將故障信息傳達給維修和操作人員，并且對處理自控系統(tǒng)無法處理的問題。

系統(tǒng)運行過程可能存在較多臺數(shù)不匹配的組合，但當與冷水機組運行臺數(shù)相結合時，合理調整各組冷凍水泵、冷卻塔、冷卻水泵的運行臺數(shù)，就能夠順利完成自然匹配，再結合前面所述的條件和規(guī)范合理減少或增加冷水機組運行臺數(shù)，從而有效協(xié)調整個系統(tǒng)[10]。

當發(fā)現(xiàn)自控系統(tǒng)中出現(xiàn)與實際情況不符的設備運行臺數(shù)時，應該優(yōu)先增減冷水機組運行的配套設備，然后合理增減運行的冷水機組臺數(shù)。

2.5 冷卻塔的控制邏輯

冷機和冷卻塔在控制過程中也存在對應關系。自控系統(tǒng)與冷卻水回、出水溫度變化相結合，能有效控制冷卻塔相應閥門，在負荷相關規(guī)范的前提下，最大限度減少設備運行臺數(shù)。這樣不但能夠順利完成節(jié)能目標，還能夠降低設備損耗。

在普通制冷模式下，冷塔風機啟動臺數(shù)主要受冷機冷卻水供水溫度的影響。當室外存在不同濕球溫度時，將會出現(xiàn)不同的冷卻水設定溫度值，如表2所示。

表2 冷機冷卻水供水溫度設定值

在預冷模式下，以冷凍水回水溫度值為基準，需設定比其更低的板換冷卻水溫度值，從而為板換預冷作用提供有效保障。

在自然冷卻模式下，冷塔風機臺數(shù)由冷卻塔出水溫度設定值確定，可保證冷卻水溫度始終處于規(guī)定范圍內。而板換二次側出水溫度在調節(jié)過程中需要利用冷卻水模擬旁通水流，對冷卻水通過板換的流量進行控制，從而實現(xiàn)對板換二次側冷凍水出水溫度的控制。

3 結 論

通過對該數(shù)據(jù)中心水冷自動控制系統(tǒng)開展測試，證明自控系統(tǒng)能夠滿足預期要求。當故障在一套系統(tǒng)中出現(xiàn)時，能夠自動切換到下一套系統(tǒng)，并且能夠順利實現(xiàn)節(jié)能降耗的目標。實際應用結果表明，該數(shù)據(jù)中心實施水冷系統(tǒng)智能控制邏輯后取得了良好效果，近年來該數(shù)據(jù)中心沒有出現(xiàn)因制冷中斷業(yè)務的情況，且在數(shù)據(jù)中心的總耗電量中，空調系統(tǒng)耗電量能夠下降約13%。由此可見，該水冷系統(tǒng)智能控制邏輯擁有較廣的應用價值和較高的推廣價值。