数据中心中冷源群控系统的应用

蔡雨恬

（中国移动通信集团设计院有限公司，北京 100080）

0 引 言

数据中心机房对环境内空气的温度、湿度、洁净度以及风速等要求都比较高，因此冷源群控系统的智能调节尤为重要。冷源群控系统是数据中心目前常用智能控制系统之一，通过科学化的自控方案，分类采集冷源设备运行数据，分析负荷内容、供水温度参数等条件控制机组的开启顺序。

1 冷源群控系统框架

冷源群控系统构架如图1所示。冷源群控系统是通过各类采集器、传感器等设备对数据中心内水冷空调系统（空调主机、冷却塔、水泵、阀门以及蓄冷罐等）进行全面有效的监控和管理，确保数据中心内所有设备处于高效、节能、合理以及安全的运行状态。本文的冷源群控系统为3层结构的集散式系统，即设备采集层、现场控制层、管理层。该系统通过系统服务器、控制器和现场总线对现场设备进行集散式管理和控制。管理层网络（Management Level Network，MLN）采用客户端/服务器（Client/Serve，C/S）架构，冷源群控系统设置双机热备服务器，自控网络（Automation Level Network，ALN）由控制器以及BACnet网关组成，楼层网络（Field Level Network，FLN）设置各类传感器及BACnet扩展模块，对各类设备进行监控[1]。

图1 冷源群控系统构架

（1）设备采集层。实时、可靠、有效地采集并传输现有各设备运行状态、控制要求，各采集器可单独配置或与被采集设备集成。采集器应与被采集设备就近设置，特别重要的设备采用双采集器或采用精确度高的采集设备。

（2）现场控制层。根据设备采集层采集数据，实时处理、分析各设备数据信息、状态及控制，通过控制模块进行组网。

（3）管理层。作为空调控制系统的管理界面，主要包括软、硬件等内容，其中软件为用户图形界面（空调系统概览、操作控制、参数设置管理和告警管理等）、控制逻辑设计（基本控制逻辑、安全控制逻辑和节能控制逻辑等）以及应用功能模块（资源管理、报表管理、日志管理、故障管理和权限管理等），硬件为服务器、显示器等[2,3]。

2 系统功能

2.1 控制综述

布置高压水冷式制冷单元组及其配套设施。每套高压制冷单元组由高压冷水机组、板式换热器、冷冻/却水循环泵、冷却塔以及相关阀件等组成。每套制冷单元组设置1个控制器。控制逻辑包括基本控制逻辑、安全控制逻辑和节能控制逻辑。在保证安全可靠运行的前提下，可通过智能化手段提高冷站的总体运行效率。基本控制逻辑包括启动顺序控制、制冷单元加减机控制、设备变频控制以及阀门控制等；安全控制逻辑包括制冷单元故障切换控制、蓄冷罐充释冷控制、防喘振控制以及低负荷运行控制等；节能运行控制逻辑指5种制冷模式切换控制[3]。

2.2 冷源系统的监测与控制

（1）制冷单元启停顺序。根据制冷模式的切换条件，及时调整模式切换阀门状态，并按顺序启动设备，如图2所示。

图2 制冷单元启停顺序

（2）冷水机组配置负荷调节、运行状态、故障显示与报警、完备的控制以及自保护装置，可实现机组空调出水温度的控制、调节能量等功能，机组配备标准通信接口。

（3）冷水机组采用群控方式，实现能量积算、温度控制、机组及配套设备的自动启动、机组的合理运行，从而实现冷源系统自动控制运行，达到可靠、经济运行的目的。

（4）冷水机组、冷冻/却水循环泵、冷却塔风机设启、停机顺序联锁。并设置手动/自动远距离启停，安全保护故障报警，安全停机等自动控制系统。

（5）开机顺序。首先打开冷水机组和冷却塔进水管上的电动碟阀，其次打开冷却塔风机，再次打开冷冻/却水循环泵，最后打开冷水机组。停机顺序与上述相反。

（6）根据室外湿球温度信号进行制冷机组的3种工况切换，即机械制冷工况、部分自由冷却工况以及完全自由冷却工况。

（7）监测冷水机组冷冻水、冷却水供回水的温度、压力、流量。其中，冷水机组最小流量不低于额定流量的40%。

（8）监测冷却塔风机启停状态、故障报警状态及手动状态或自动状态。同时，监测冷却塔进出口温度、集水盘液位和温度。

（9）监测冷冻或冷却水循环泵、冷冻水补水泵的主要运行状态和故障报警信号及手动状态或自动状态。冷冻水系统补水定压膨胀罐的压力和低压声光报警信号引至控制值班室。

（10）监测软水箱、开式蓄水罐、补水池液位及超高以及低限报警，根据开式蓄水罐水位信号控制补水泵启停。同时，监测冷却水补水泵的启停、故障报警及手动状态或自动状态。

（11）所有运转设备的开停信号，引至控制值班室。所有电动控制阀的开、闭设就地和控制值班室操作按钮。

（12）监测冷水机组、水泵等设备的启停次数、累计运行时间以及定时检修提示。监测压差旁通装置压差值。

2.3 冷水机组控制

采用干接点或通信方式接入冷源群控系统，用于远程起停控制和运行状态、故障、报警的监控。当频率控制信号断开时，设备运行频率保持在故障前状态。控制器和变频器应具有停电来电后，停电故障自动恢复功能[4]。

（1）每台冷水机组控制与冷冻或冷却水泵和冷却塔一一对应，联锁控制。当制冷组接到制冷单元控制器的启动命令后，顺序启动电动阀门、冷却塔、水泵以及冷水机组等并向控制器确认状态。此期间内，若电动阀门、冷却塔、水泵以及冷水机组等任何一处状态不正常，制冷单元启动程序将终止；制冷机房管理器先锁定该制冷单元，再选择另一组制冷单元进行运行。

（2）管理器命令。管理器命令分为制冷模式、部分自由冷却模式和完全自由冷却模式。机组通过管理命令，在3种模式下运行。

（3）当制冷单元A发出命令，制冷单元A开始运行，制冷单元控制器统一发送顺序启动命令。在运行全周期内，其中的冷水机组阀门或水泵等设备运行状态有问题时，制冷单元A的启动程序将关闭；制冷站管理器将锁定制冷单元A，然后选择另一组制冷单元进行开启运行。最后，前端进行报警及上报。

（4）加减机策略。冷水机组根据冷冻水的供水或回水温度、流量、旁通管流量自动选择冷水机组运行台数，以便达到最佳的节能状态。

（5）运行过程中，尽量使正在运行的每套制冷组的负荷百分比一致，即等于所有制冷组的平均负荷百分比。市电停电恢复后，为防止冲击电流对油机和市电的影响，冷机逐台启动间隔时间为1～3 min可调。

2.4 水泵控制

（1）冷冻水泵变速控制。通过采集分集水器两侧的压差与压差设定值进行比较，调节水泵转速。变频器控制盘上会实时显示冷冻水泵运行状态及参数，并将信息发送至制冷单元控制器。

（2）冷却水泵变速控制。冷却水泵仅在完全自然冷却工况下变频，根据板换侧冷冻水设定温度（14 ℃）进行变频。在机压差仍然较大时，维持水泵频率25 Hz（可调）不变，开启分集水器间的压差旁通阀，旁通阀开度由压差信号调节，以维持压差平衡及冷机最低流量[5]。

（3）冷冻水补水泵由气压罐压力信号控制启停。

（4）除少数就地使用的风机或排风扇、分体空调外，大部分设备也能在监控室通过中央电脑远距离启停。

3 系统在应用中存在问题及解决

3.1 系统监控状态方面

空调系统在不同的工况下，需对其状态进行验证，确保设备正常运行。如果群控系统仅通过单一条件对系统状态进行判断，特别是群控系统程序编辑出现错误时，会造成系统运行关联判断错误，误认为系统正常运行。因此，除了群控系统本身的逻辑判断条件外，还要增加系统中一些关键数据作为判断依据，如水流量、水压、工作电流等，确保群控系统在做逻辑判断时准确无误。同时，群控系统具备所有采集数据配置趋势和历史数据记录功能，以便进行故障定位和分析。

3.2 可维护性方面

冷源群控系统的设备定期需要检修、维护，因此设备需要选择便于维护的各种传感器。压力传感器与管道之间可安装两通手动球阀，在更换压力传感器的情况下，关闭球阀即可更换，不需要泄水，同时不影响系统运行。温度传感器和套管可以选用分离式，在系统正常运行的同时，可以进行更换及维护。虽然一体式传感器具有腐蚀性小、压力小等特点，但不利于维修。在流量计、温度计、压力传感器等传感器选择时，优选工业级别技术规格产品，且在实施安装时选择工业级别安装方式，降低冷源系统的故障率和失控率[6]。

3.3 系统提升方面

3.3.1 系统配电

冷源群控系统供电与建筑设备监控系统共用后备电源和网络设备的方法，虽然节省了前期建设的投资，但在运维方面会存在运行风险。在布线方式上，冷源群控主控制器供电为串接形式，一旦断电，多个主控单元就会失效。另外，部分冷水主机控制板无后备电源，在供电失败情况下造成系统启动及控制失效。冷源群控系统在失电情况下，系统失效可能会引起系统热交换中断。因此，为提升安全等级，对冷源群控系统提供独立配电，采用市电加上不间断电源（Uninterruptible Power Supply，UPS）双路供电的模式，实现电源不间断供电。在网络结构升级上，可设置独立的局域网。

3.3.2 系统功能提升

首先，系统安全策略需要重新审定及确定，同时统筹物理管理和系统控制。其次，设置安全场景控制模式，即一键式操作，有利于提升系统操作的便捷性和一体化性。最后，为实现节能管理的全自动化，可优化平台自控系统，减少人工环节，也可通过干节点及声光应用等手段增加自控操作。增加自保持功能，实现掉电自保持、断网自保持、直接数字控制（Direct Digital Control，DDC）故障等情况下自保持功能；增加对备用机组定期定时的故障、状态自检及异常提示功能；根据湿球温度和机组运行效率自动控制切换冷源系统运行模式；新增释冷泵、远传水表、湿球温度、集分水器压力以及冷水机组报警等点位；综合考虑模式切换、变频调节、水资源消耗等多种因素进行节能运行控制逻辑优化。

3.3.3 展示提升

群控系统平台展示上，在3D组态模型上更加贴合实际，3D组态展现冷源系统水循环架构并动态展现水流运行方向和各机组的运行状态。系统平台报警提示上分等级进行播报。新增自定义模块，可自定义数据点位、报表格式等功能。增加与其他系统的对接，完善对接协议，兼容能耗系统、动环监控系统的告警采集或获取机制。

4 结 论

冷源群控系统是现有数据中心内不可或缺的系统之一，针对冷源群控系统的应用展开分析，发现系统的合理使用会影响数据中心的运行状态，有利于降低电源使用效率值，实现数据中心安全、稳定、高效、环保以及节能目标。