DDC与PLC在数据中心机械空调控制系统中的应用浅析

都治强 / 王佳斌 / 商 勇

(中国建筑设计院有限公司(原中国建筑设计研究院)智能工程中心，北京 100044)

1 引言

数据中心机械空调系统全年7×24h不间断运行，可靠性要求高，空调系统中的组件故障时需告警并及时替代。与此同时，随着全年气候条件和末端负荷的变化，空调系统的运行模式、运行台数也相应调整。故障替代、告警、运行模式切换、空调设备台数控制等均需要控制器和控制系统完成，因此，数据中心机械空调的平稳运行需要可靠的控制系统和控制器。DDC(Direct Digital Control)与PLC(Programmable Logic Controller)均为控制系统中经常采用的控制器，其特性和应用特点有所不同，本文将分析究竟哪种控制器更适用于数据中心机械空调的控制系统。

2 信号处理速度

PLC 可在毫秒级的时间段内完成信号处理，工艺和电气领域需要这样的处理速度，以实现 “实时”监控，确保状态信息的准确性和复杂流程的精确控制。发电机并机、电压异常响应、工艺监控等均需要即时信号处理。根据过往项目的实施经验，数据中心机械空调控制需要采集室内外温湿度、压差等各种变量信息，经过DDC控制器对这些变量信息进行逻辑判断并最终做出控制。而上述温湿度、室内外压差等信息受天气环境及人为因素影响较为严重，所采集到的变量值拥有较多不稳定性，因此数据中心机械空调控制过程是一个持续的逻辑控制过程，而不要求控制器做出即时控制(即时控制将引起机械空调的频繁动作，进而影响系统稳定性)。因此， DDC控制系统更适合数据中心机械空调系统监控需求，而且应作为机械空调控制系统首选。

3 编程应用

根据过往实施项目的经验，采用 PLC往往需依赖单一的程序员开发程序并对程序作出解释和调试，PLC 程序员更熟悉非 HVAC的应用，对于数据中心机械空调控制系统，PLC程序员需要完全理解关键设施的可靠性需求，并根据PLC硬件特性编制适用于关键设施环境下的程序。由于PLC 程序员熟悉工业应用，对关键设施环境的 HVAC 控制系统缺乏了解，在程序编制过程中容易产生困惑和错误。相反，DDC供应商更熟悉HVAC的应用，如西门子、奥莱斯和江森自控等公司会提供 HVAC相关的控制设备、编程工具和培训，其产品更倾向于HVAC行业，并开发出HVAC控制相关的许多编程工具。采用DDC可开发出可靠的控制操作系统，比采用PLC花费更少的时间，而且故障率更低。因此，DDC更适用于数据中心机械空调控制系统。

4 点位密度与网络架构

每个PLC控制器可携带的点更多、扫描速度更快，这些特性适用于设备集中式控制的工业环境。但在数据中心机械空调的控制应用中需重新考虑，因为数据中心模块化的建设理念决定了其机械空调设备的分散布置，而DDC控制器正是基于分散式集中控制而发展起来的，也更适合数据中心机械空调控制。

PLC硬件尺寸趋于紧凑，需处理的数据却越来越多，硬件配置应不断改良；控制器需处理的数据对应着控制点位功能，如西门子的PXC产品，可容纳多达 500 个输入输出(IO)点；另一方面，数据处理强度大时，高密度控制器容纳的点位不宜超过 300 个，以维持控制器最佳性能。在数据中心项目机械空调控制系统的设计中，每个控制器的点位数低于 100 个，也可能最多 50 个点位，少数复杂的冷冻站控制系统中也顶多 200 个点位，为控制器留出了大量储备容量，可缩短处理时间和改善系统性能。DDC控制器的平衡点密度和数据处理速度将得到最佳配置，使控制器可有效满足系统信号处理的时间要求，不会使系统点位密度过高引起浪费。

数据中心网络通信规划已经基本采用全数字网络的通讯架构，机械空调控制系统在数据中心建设中的最佳设计也将采用以太网作为核心通信主干，每个控制器配有一个板载以太网接口。数据中心项目控制系统不允许采用菊花链、星形或其他 MSTP(主从令牌传递)网络作为通信主干。在以太网内，每个控制器作为网络的一个 IP 节点，直接汇报给服务器，进行轮询和数据传输。数据中心项目控制系统需要这样的通信特性，如风管静压箱的常规控制需要网络时，仅接受以太网层级的通信，而采用 MSTP 网需要轮询，MSTP常用于商业通信，可削减成本。数据中心控制系统采用以太网标准，不予采用MSTP，不进行轮询，网络不会经常因流量过剩陷入拥堵，从而无法快速响应。在需要轮询的系统中，每个控制器的状态定期接受检查，检查周期基于时钟，由编程设定。因为所有控制器的全部点位须按顺序进行轮询，所以轮询需耗费时间。基于以太网的系统，某事件发生时即进行记录，独立于系统的轮询延迟。当对数据趋势(用于预测性控制和制定管理决策)进行设置时，数据实时存放于控制器中，然后发送至服务器进行存储备案。如果发生报警，则注明警报发生时间并即时传送至服务器进行告警。根据过往实施项目的经验， MSTP 网络由于轮询协议延迟，传递关键数据需花费长达数分钟的时间，而以太网可在1s内完成告警。

5 通信协议问题

数据中心智能化系统的建成将是一个高度集成化的控制系统，在数据中心建设过程中，智能化专业的电力监控系统、漏电火灾报警系统、精密空调群控系统、UPS及电池监测系统、安全防范系统、能量计量系统等均会集成在一个大的IBMS集成平台下，DDC控制系统可实现这项功能，因为DDC控制系统一般支持多种协议标准(Lonworks、Lontalk，BACnet等)，集成能力强，系统自身的扩展性与开放性好；而PLC基本都为个体工作，其在与其他PLC或上位机进行通讯时，所采用的网络形式基本都是单网结构，与第三方设备的集成能力相对较差。

PLC控制系统常用的总线协议Modbus 是一个数字接口系统，允许基于不同微处理器代码的系统之间传递和共享信息，常用于不同制造商设备之间的系统集成。接口通信存在延迟，在反馈时高度依赖Modbus节点的点位数量。在项目现场，发生过Modbus接口速度缓慢，需花费长达 10 min的时间传递数据的情况。这看似是 DDC 性能问题，但实际情形却并非如此。Modbus协议是一种串行的主从通讯协议, 主机既能对某个从机单独访问，又能对所有的从机发布广播信息。对于单独访问的主机查询，从机都要返回一个信息(称为响应)，该通信协议的本质决定了其通信必将会有所延迟，而PLC是基于Modbus的。 PLC 通过在控制器上直接安装以太网接口，显著改善了通信速度，访问速度可与基于以太网的DDC 系统等同。基于以太网的PLC 和基于以太网的DDC均有应用案例中，数据传输速度相差无几，二者均受限于某给定 GUI(图形用户界面)上信息请求的信息量。例如用户在某图形界面搜索 100 个值，由于数据处理量的问题，无法立即完成搜索。其中，告警的优先级最高，不受数据处理量的限制。

另外，DDC GUI(图形用户界面)基于 Web(网页)，支持远程控制，这个特性很重要，只要操作员拥有密码授权，任何本地执行的命令均可远程执行。这就允许操作员可现场或远程地进行状态监视和告警，可对问题进行响应并按照需要修改运行策略。而PLC控制器不支持可视化的网页访问，只能通过服务器去查看控制器的数据。

6 系统可扩展性

近些年，突如其来的金融风暴，强烈地震撼了国际金融市场，并且波及整个世界经济。受此影响，信息安全行业为安全“过冬”，高度注重节流，严格控制成本，减少一切非必要开支。国内大型数据中心建设开始引入模块化数据中心建设模式，即本该一次性完成的数据中心项目往往先建设几个模块，或分一期、二期来建设投产，进而模块机房中机械空调的建设也被人为地进行了分期。

PLC组成的网络规模有限，系统搭接完成后，可扩展性差，DDC控制系统有多种模块化系列可以选择，可扩展性强，控制系统在整个设计上留有大量的可扩展性接口(柴油发电机网关接口、冷水机组网关接口、机房精密空调网关接口等)，外接系统或扩展系统都十分方便。从当前数据中心建设规模和建设方式来讲，DDC控制系统拥有良好的扩展性，也适合数据中心内机械空调的分期控制需求。

7 系统安全性

数据中心由于其拥有大量发热载体，该区域内空调系统需要常年24h不间断制冷，空调控制系统的稳定性和安全运转是数据中心中大量存储设备能否连续工作的必要条件。国际国内标准也对数据中心建设进行了分级，如国外Tier-4和Tier-3标准，国内A级机房和B级机房都要求空调系统有冗余备份能力。

因为PLC完全依靠上位机来维持系统的工作，若PLC单元模块发生故障，需把整个系统停止运行，组织专业PLC控制技术人员重新编程。DDC的许多程序都是固化在DDC控制器里，DDC自身可以独立工作，当数据中心区域内DDC出现故障时，不影响本网络上其他DDC的网络通讯，中央操作站不停机就可以在线更换DDC控制器，保证整个系统的安全可靠。所以在数据中心机械空调控制设备的选取方面，DDC系统要比PLC系统在安全可靠性上高一个等级，也更加符合高等级数据中心建设空调系统控制需要。

8 结束语

数据中心机械空调控制系统重视可靠性，可靠性与产品质量、一致性、适用性、告警、数据追踪分析、供应商的服务、网络架构、系统安全性都有关系。从控制器的工作方式、网络通讯、系统功能、专业性、扩展性及安全性方面来讲，数据中心机械空调控制系统应优先选用DDC，主要因素如下：

1)DDC控制器是针对HVAC暖通空调设备的控制而设计的，内部已经固化了大量专家级的控制策略，不仅能做到最好的性能价格比，而且降低了对编程者和操作人员的应用要求。对其软件和控制器的操作易学好懂，应用程序修改和维护相对PLC等更方便；

2)从控制器到服务器的以太网通信；

3)服务器故障时，控制器仍可执行必要的命令，命令的发布不依赖网络；

4)支持本地和远程访问，Web浏览功能；

5)适合数据中心分期建设模式，不影响原有系统运行；

6)系统维护更换简单，不影响整个系统运行；

7)不依赖于个别编程解释。

DDC与PLC的控制方式对比如表1所示。

综上所述，DDC是直接数字系统,其功能全面、

表1 DDC与PLC控制方式对比表

性能稳定，拥有操作方便的DDC硬件产品、软件功能模块及软件模板库，通过他们的灵活组合可以满足楼宇自控的各种要求。对于数据中心里一些常见设备和控制模式，专用控制器可以明显提高使用效率，降低使用难度。控制器设有通用输入输出端口，信号类型可以通过硬件跳线和上位机软件进行设置。主要用在空调控制系统，因为它对温度、湿度(模拟量信号)控制优于PLC，过程量控制也更优越，是一种理想的数字控制器。虽然PLC在逻辑、计数和计时方面有优势，但在以模拟量为主要处理对象的空调系统中，缺乏足够的计算和分析能力。在实际使用操作中，对操作人员的操作水平要求高,更改程序比较困难。

总之，基于以太网通信的DDC网络控制系统是数据中心机械空调控制系统的最佳选择，它更简单、更易于编程，同时其系统的扩展性和维护性更加优异。

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