大型数据中心冷源自动控制技术详谈

2014-09-20中国惠普有限公司郭瑞平

智能建筑与智慧城市 2014年3期

文│ 中国惠普有限公司郭瑞平

1 引言

文章结合最近完成的某大型国企项目的冷源系统自控流程及自控系统架构设计进行论述，其中，包含在搭建大型数据中心冷源自控系统架构中所需要考虑和解决的问题，如数据中心冷源系统设计要求、冷源自控系统架构设计要求、冷源系统自动控制流程要求等；同时也考虑自控集成商服务应保证的义务与责任。

2 冷冻站制冷系统描述

以最近完成的国内某央企大型数据中心项目为例：

（1）项目概况：两栋数据中心大楼分别共计五层，每层四个模块机房，每栋大楼IT区域高架地板面积（指可部署IT设备的区域，不含空调配电等区域面积）约28992m2。机房一层设冷冻站，分为南北两个制冷中心。冷冻站独立为数据机房南北区分别提供冷冻水。

（2）冷源配置：两栋机房楼内数据中心模块配置一样，现在以一栋机房楼为例说明制冷系统设计的配置，即制冷系统按照模组一对一设置，共2个冷冻站。每个冷冻站配置1个独立的制冷系统，分6个冷冻单元，每个冷冻单元包含1台变频制冷机组、1台冷却塔（风机变频）、1台变频冷却水泵、1台冷冻水一次泵、1台板式换热器。冷冻水供应采用二次泵系统，二次泵设置采用变频泵。同时，设置蓄冷罐以满足不间断供冷的要求。另外，制冷系统还包括自动补水定压设备、冷却水补水池等。

（3）为了维修方便，冷却塔进出水管上设置电动阀（开关量+常开阀），并由运维人员远程控制启停。

（4）根据水池液位信号控制冷却水池补水管上的电磁阀（开关量+常闭阀）的开启。

（5）冷却水泵通过变频来调整因不同运行工况导致冷却水管路不同的压力损失而引起的流量偏离，使得冷却水流量尽量保持一致。

（6）冷却塔变频风机在不同运行模式下，控制冷却塔风机变频（频率范围需结合厂家要求调整）。

3 冷冻站自控系统架构

借助公司业内领先的数据中心设计与建设专业平台，掌握国外数据中心冷源自控系统设计技术，再结合笔者多年参与国内大型数据中心建设的实际操作经验，针对大型数据中心冷源系统的不同方案，设计出适合本项目的自控系统特色架构，具体冷源自控系统如图1所示。

由图1可以看出，作为数据中心的冷源自控系统与商业办公及民用建筑冷源自控系统完全不同。因服务对象不同，系统架构及控制过程要求也不相同。相比较而言，数据中心自控系统安全性与可靠性要求更加严密，其目标是保证数据中心整体系统的高可靠性及可用性。

（1）整体架构：使用冗余以太网络的DDC（直接数字控制）系统，系统由服务器、工作站、交换机和控制面板组成，所有DDC控制器均为网络控制器加扩展模块成套组合方式，扩展模块依现场实际情况插接或总线接入。每个系统的服务器、交换机和控制面板都有冗余的电源。每个DDC控制器都有自己的内存、处理器、实时钟表以及控制程序，以支持DDC网络故障情况下的独立操作。系统满足容错功能的配置，所有的关键控制点用硬连线，在整个通信网络里不传送算法、命令或其他流程相关的值，只允许外部空气条件和设备单元设定点的传送。

图1 冷源自控系统架构

（2）网络架构：系统主服务器采用双机热备的形式，单服务器故障不应影响客户的正常操作；交换机之间采用环网设计结构，光纤或单交换机故障不影响整个系统的运行；系统网络支持主流的行业网络通信标准，支持基于Ethernet或RS485技术的通信链路，支持或兼容BACNet、LonWorks、Modbus、OPC等主流通讯协议。系统为开放性设计，可以向上层集成管理平台开放数据接口。

（3）控制器设置：设置一台群控控制器用以检测室外湿球及干球温度、主管道流量、主管道供回水温度、压力等参数并计算，向各单元控制器发出命令并接受单元控制器的状态反馈信号；每套冷冻单元（冷水机组、一次冷冻泵、冷却泵、冷却塔）对应配置一套独立单元的DDC控制器；二次泵的控制器设置为一用一（热）备；蓄冷罐及补水系统等共用一个控制器。要求每个DDC配置预留20%冗余点，施工图设计对应详细点表。

（4）操作系统：选用业界通行的Windows操作系统，采用分布式数据库技术，同时支持分布式服务器结构。

（5）管理系统：管理系统具备图表式用户界面，专门的实时系统图表和机房平面的屏幕。报警应容易识别，并能识别出受影响的设备和建筑区域。系统能够显示冷冻站系统的实时工作系统单线图，“实时”在这里的定义是能够显示设备，如阀门或其他设备的位置、状态和负荷。

（6）其他：所有控制箱或控制柜均应支持双路UPS供电，保证在单路供电中断时，运行不受影响。每个控制器箱对应配置双路电源箱，双电源箱采用继电互锁方式实现双路切换。

4 冷冻站自控系统控制流程

数据中心不间断制冷的特殊需求，决定了冷源自控系统的控制流程的特殊性。针对上面数据中心冷源自控系统架构，其控制流程说明如下。

4.1 冷机群控控制流程

群控控制器通过直接检测室外干（湿）球温度，冷冻水供回水温度、压力、流量，蓄冷罐供回水管上双向流量计的流量及流向，通过计算向各单元控制器发出启动/停止命令、制冷模式、预冷模式、经济模式、加载与减载，并接受各单元控制器的状态反馈信号，同时，冷机群控控制器心跳信号传至各单元控制器。

群控控制器直接接入二次侧的流量计和温度传感器，流量计和温度传感器采用热备份形式；冷机群控控制器直接监测蓄冷罐的充冷和放冷状态，其中主管道流量计采用热备份形式；冷机群控控制器直接监测室外湿球及干球温度，室外的湿球和干球温度传感器应安装在北墙的阴凉处，且采用气象窗的形式。

本项目地点为北京市，根据当地气候条件不同，制冷系统可在制冷、预冷及经济三种模式下运行，模式的转换由单元控制器根据室外空气湿球温度及稳定性、冷却塔风机单元的负荷、冷机及板式换热器的运行状况来综合确定。

（1）制冷运行模式：当室外空气湿球温度高于某一设定值（可调），冷却水出水温度在保证冷机正常运行范围内，系统在纯制冷模式下运行。

（2）预冷运行模式：当室外空气湿球温度在某一温度范围（可调），且冷却塔运转频率低于某一设定值（可调），此状况持续运行一段时间后可启动预冷模式，群控控制器将向单元控制器发送预冷模式开始命令；当单元控制器接收到预冷模式启动命令后，单元控制器检测出一系列设定参数符合要求，则返回给冷机群控控制器预冷模式正常反馈。

（3）节约运行模式：当室外空气湿球温度低于某一温度（可调），且对应冷塔出水温度及其运转频率低于某一设定值（可调），系统持续运行一段时间后可启动经济模式，当单元控制器接收到经济模式启动命令后，单元控制器监视冷机负荷，待到冷机负荷低于某一设定值（可调）时，单元控制器关闭冷机，冷冻单元仅依靠板换进行制冷；当单元控制器成功关闭冷机后，则向群控控制器发送经济模式成功反馈。

（4）加载与减载：系统运行时，主控制器根据检测的冷冻水供回水温度、流量计算二次侧负荷（参数检测方法为依据前端设备采集数据周期确定，取多次采样的平均值），当检测到的二次侧负荷超过或低于一次侧运行冷机额定制冷量设定值达一定时间（时间及负荷设定值可调）后，则应根据运行时间及启动策略开启或停止另外一套冷机单元。

（5）低负荷运行策略：当运行初期，末端负荷很小时，首先启动一套冷冻单元，一边供冷一边给蓄冷罐充冷。当蓄冷罐充冷完毕（顶部水温为设计供水温度），关闭冷冻单元，由蓄冷罐供冷，并检测温跃层变化，当蓄冷罐距离底部一定位置（可调）处的温度传感器读数为设计回水温度值，则重新启动一套冷冻单元，进行充冷、供冷。

（6）充冷与放冷、超级充冷：主控制器通过检测蓄冷罐供回水管上的双向流量计，判断系统运行在哪一种状态。正常运行时，系统处于充冷状态；当检测到双向流量计的流向发生改变时，系统处于放冷状态；当剩余冷量为总蓄冷量的某一设定值时，主控制器将向备用冷冻单元控制器发出启动命令，进入超级充冷状态。

自控承包商应该给出冷机运行模式的设定值以供实际运行时调整。控制模式切换时，所有的延迟时间及温度判断值都应显示在图形界面中，并可以调整。

4.2 成套单元控制流程

每套冷冻单元设置独立的网络控制器，控制对象包括制冷机组、冷却水泵、冷却塔、一次冷冻水泵、板换、相应阀门及相关流量计等。

制冷机组自带控制器，需要为冷冻单元网络控制器提供两种通信模式：总线模式——冷机自身控制器需提供开放的通信接口供BMS承包商集成（如Modbus协议）；硬点模式——冷机自身控制器需提供启停控制点位和状态点位供网络控制器进行集成。

BMS厂家应提供每个控制设备的手动控制功能，如冷却塔风机、阀门、水泵、冷机等。

每个冷机单元控制器将会监视冷机群控控制器的心跳，如果检测到冷机群控控制器故障，则应立即报警并维持故障之前的运行模式及状态。

每个冷冻单元控制器将会给群控控制器发送冷机运行状态，即预冷模式准备就绪反馈、经济模式准备就绪反馈、预冷模式运行反馈、经济模式运行反馈。

当每套冷冻单元以制冷模式运行，制冷组控制器将发送顺序启动命令：首先打开需要开启的冷却塔隔离阀，冷却水板换旁通阀，待阀门开启状态确认后，可同时开启冷却塔、冷却水泵、一次冷冻水泵，待冷却塔及水泵开启状态确认后，开启冷机。当冷冻单元控制器接收到主控制器模式转换的指令后，冷冻单元各电动阀门会进行相应的开关动作。

冷冻单元应具有手动干预切换功能，模式显示在BMS界面中；在正常运行时，操作员可进行手动操作，且不允许程序自动更改冷冻单元状态。

当单套冷冻单元出现故障时，系统应启用备用冷冻单元。只有当新开启冷冻单元状态确认后，才允许关闭故障冷冻单元；当冷冻单元故障恢复后，不应该立即投入使用，而是应等待下次条件满足后再启动。

4.3 二次系统控制流程

二次泵控制器设置两台独立的网络控制器，且两台控制器之间相互热备份，当主网络控制器故障后，立即采用备用网络控制器，两台网络控制器的程序应完全一致。

控制流程：二次水泵（五用一备）根据末端最不利回路处的供/回水压差信号（设定值为0.1MPa）来控制水泵运行台数及变频。末端压差传感器每组分别接入主控制器和备用控制器；二次泵的加泵顺序是先开启第一台泵，当运行频率超过某一设定值运行一定时间后，则开启第二台泵；如果运行频率继续超过某一设定值且运行一定时间后，则继续开启下一台泵组，直到满足末端负荷的要求。反之，逐台关闭泵组。但是，二次泵的运行数量不得低于两个，以保证运行过程中一台出现紧急故障，二次侧的冷冻水供给不会立刻中断；所有运行二次泵的运行频率应保持一致，通过相同的逻辑控制以保证同样的出口压力。

通过二次泵的变频来满足末端压差传感器的要求值，当末端实际压差小于设定值，二次泵的频率通过PID调节升高；当末端实际压差大于设定值，二次泵的频率通过PID调节降低；同时二次泵的运行频率不得小于泵运行的最小设定值；控制器应该记录二次泵的运行时间，当二次泵不发生负荷变化时，控制器可根据运行时间的长短进行泵的切换。

4.4 蓄冷系统控制流程

蓄冷罐中每隔一定距离安装一个温度传感器，用于监测温跃层，温跃层被用于测定罐内可用冷冻水的量。流经蓄冷罐的流量将由一、二次侧的水流量决定，当二次侧水流量小于一次侧水流量时，则过量的冷冻水将会“充入”蓄冷罐。

流量计将监测流入或流出蓄冷罐的水流量和方向。该双向流量计将指示蓄冷罐处于“充冷”模式（常规）还是“放冷”模式。在常规和恰当的操作中，蓄冷罐总是处于“充冷”模式。当冷源不足以为负荷提供足够的冷冻水，那么蓄冷罐将进入“放冷”模式。当蓄冷罐放冷时，温跃层将指示蓄冷罐的备份容量降低，当备份容量降低到某一设定位置，则蓄冷罐将进入“超级充冷”模式。当温跃层温度指示冷冻水回水温度已恢复，蓄冷罐将自动退出“超级充冷”模式。

蓄冷罐内设液位传感器(一用一备）,用于控制冷冻水系统补水，并确定罐内水位的高低。高低液位均报警，低水位时自动补水装置启动，冷冻水自动补水装置由厂家成套提供，BMS需监控水泵的运行状态及故障。