中心机房动力环境监控系统设计

冯佳丽

（中国石化石油物探技术研究院 地球物理信息中心，江苏 南京 211103）

0 引 言

随着信息技术的提升和普及以及大数据的处理需求，计算机系统设备数量与日俱增，各大机构、企业纷纷建成现代化信息机房，并配备了相应规模的电池室与配电室等。中心机房中存放了大量的硬件、软件以及数据资产，采用高速网络与各个办公设备相连通。其中IT设备的运行离不开稳定可靠的电源系统和良好安全的机房环境[1]。为保障机房设备的安全稳定运行，需要确保与之配套的机房动力系统、环境系统、消防系统以及安保系统时刻稳定协调。如果机房动力及环境设备出现故障，那么轻则影响业务，重则造成系统瘫痪[2]。

传统的机房维护工作主要靠工作人员值班看护，需要对机房及其配套设备间内的各类设备进行巡查，发现问题后迅速报告处理。这种方式有很大的局限性，无法保证能够第一时间发现机房设备工作过程中的问题，而且在人员配置方面也是一种消耗[3,4]。因此，通过技术手段实现365×24 h不间断监控与异常情况告警显得非常必要，动力环境监控系统能够实现中心机房的集中监控、统一告警、集中管理，对机房动力和环境进行实时监控，提高运维人员工作效率，及时消除设备隐患，实现机房的科学管理[5,6]。

1 需求分析

数据中心机房设备往往分批次采购，涉及十几个厂家，如艾默生、中兴、华为以及英维克等。其结构、通信协议等也各不相同，部分厂家带有监控工具或监控页面，能够展示某批次设备的运行情况。想要了解机房整体动力环境情况，可能要逐个登录十几个动力环境监控系统网管，有告警发生时，也无法及时传递给运维人员。各厂家监控系统数据孤立，缺少关联，形成信息孤岛，同类设备或同区域设备难以集中进行关联分析与应用，无法支持决策。

针对中心机房的动力系统和机房环境，需要对机房内的供配电设备、不间断电源（Uninterruptible Power System，UPS）、蓄电池组、母排柜等动力系统的运行情况以及机房的空调运行情况、温度、湿度、烟雾、水浸等环境量实现远程监测功能[7]。动力环境监控系统需要通过数据采集、传输、存储、分析，实现多级或多区域网管，使无人职守成为可能。动力环境监控系统还可实现中文图形化人机界面的操作，实现对机房总体监控及局部监控，提高管理效率。

要建设动力环境监控系统实现集中监控统一管理，需要监测的主要对象包括以下几点。

（1）空调。空调作为机房必配设备，其主要功能是制冷，保持机房内的环境温湿度在一定的范围内，为设备的可靠运行提供保障，包括精密空调和列间空调。所需监控内容包括设备的开关机状态、出风温度、出风湿度、回风温度、回风湿度、压缩机工作状态、电压、液管温度、吸气温度、吸气湿度、压缩机运行状态、电加热功能开关状态、告警情况以及告警阈值等。

（2）配电设备。低压配电进线柜也称为市电进线柜，市电（电力网）供给机房使用的电能，其电力参数是重要的监控对象，监测一级、二级交流配电柜的主回路和各分回路。所需监控内容包括配电箱运行状态、三相电压、三相线电压、三相电流、电流百分比、支路电流、负载情况、告警情况以及告警阈值等。交流电源分配列柜简称列头柜，为各网络机柜提供电源动力支持，集中提供电源管理。其遥测信号有主备路交流三相电压、主备路交流三相电流、有功功率、无功功率、视在功率、电度数、支路电流以及支路功率等；遥信信号有主备路总开关状态、支路开关告警状态、输出过流、输出电压以及防雷器故障等。

（3）UPS。UPS为机房内重要的供配电设备，是一种含有储能装置的不间断电源（连接多个电池组），主要用于给计算机、计算机网络系统或其他电力电子设备（如电磁阀、压力变送器等）提供稳定、不间断的电力供应，保证系统的稳定不间断运行，避免硬件损坏及软件数据的丢失。当市电输入正常时，UPS将市电稳压后供应给负载使用，此时的UPS相当于一台稳压器，同时向电池组进行充电；当市电中断（事故停电、维修停电）时，UPS利用电池的电能进行转换，向负载继续供电，从而使负载的IT设备维持正常工作并保护软、硬件不受损坏[8]。UPS需监控的主要数据有三相输入电压、直流输入电压、三相输出电压、三相输出电流、输出频率、输出功率、同步状态，供电模式以及故障告警等。

（4）蓄电池组。蓄电池组由多个电池单体组成，每个电池单体在质量及放电使用不一致，导致电池组损耗与寿命长短不一。通过电池组监控，可以对各电池单体电压及总电压、总电流、电池表面温度等使用状况进行实时监控，一旦发现某个电池单体发生故障，则可以及时修复或更换，避免造成更大损失，同时节省了更换整套蓄电池组的开支。需要监控的内容包括蓄电池组的状态、总电压、总电流、电池剩余百分比、单体电池容量、单节电池电压、单节电池内阻以及单节电池温度等。

（5）智能电表。需要监控的内容包括运行状态、三相电压、三相线电压、三相电流、三相有功功率、三相视在功率、三相功率因数、平均电流、平均电压、系统有功功率、系统视在功率、正向有功电能以及告警状态等，并根据监测数值计算出耗电量数据。

（6）机房环境。需要监控的内容包括温度、湿度、水浸以及烟雾等。机房内的服务器、交换机等重要数据设备和通信设备对温湿度具有严格要求，超过允许的温度范围则可能会造成设备的不稳定工作或数据损坏。通过安装智能温湿度传感器（RS485温湿度传感器）能够实现对机房温湿度的监控。通过安装漏水传感器发现，机房最容易出现漏水的地方为空调附近，在空调的安装地板下面安装线式漏水感应传感器，主要监控内容为温湿度、浸水位置以及告警状态等。

（7）网络。中心机房中通常有多套集群、存储、高性能服务器，这些设备采用分级的网络交换机进行连接，保证办公设备能够使用这些计算存储资源，因此交换机的运行情况也是监控对象之一。监控内容包括交换机端口状态、中央处理器（Central Processing Unit，CPU）利用率、内存利用率、传感器温度、出口流量以及入口流量等，并形成网络拓扑图，全面了解机房主要交换机间的连接及网络传输情况。

2 系统设计

动力环境监测系统设计遵循的原则包括可靠性、适用性、开放性以及可扩展性。系统建设应采用通用技术，形成一个开放、通用的系统，适用范围广，支持不同厂商设备的连接，满足第三方系统的数据对接。系统运行需要具有高可靠性，保证数据传输可靠，并具有连续无故障运行的能力，数据库应具备快速存储和检索能力以及良好的历史数据存储机制[9]。严格按照模块化结构方式开发以满足可重用性及可扩展性，支持容量的扩展和功能的扩展等。各模块间开发标准接口实现数据交换，依照标准进行注释，系统功能及代码应易于维护、易于发现和定位故障。

被监控对象按采集方式可分为智能设备和非智能设备两大类，智能设备本身配置传输控制协议/网际协议（Transmission Control Protocol/Internet Protocol，TCP/IP）及一定的数据采集能力，并带有智能接口，可以与上位机通信；非智能设备本身不具备数据采集和处理能力，需要增加传感器、变送器以及采集器来完成数据采集和上报[10]。

本文根据区域配置了一体化采集装置，通过RS232、RS485总线就近连接非智能的动力环境设备，形成小范围的集中采集单元，再由各个采集代理将数据汇总至数据库。所选用的一体化采集装置有6路智能设备接口，能够进行协议转换，采集实时数据。智能IP设备则直接形成采集单元。研发基于通用协议数据采集代理程序，进行实时数据采样并传输数据入库；研发数据聚合转化程序，对数据进行分析和处理，形成历史数据与衍生数据。通过服务后端编写接口供前端调用数据，在监控大屏上展示各类动力环境数据及重要告警信息。动力环境监控系统架构如图1所示。

图1 动力环境监控系统架构

3 系统功能

本文中建设的动力环境监测系统主要功能有数据采集、机房动环系统大屏总览、场地监控、设备监测、告警以及事务处理，具体内容如下。

（1）数据采集。一体化采集器与设备建立连接，进行解码，采集、存储大量的监控数据，并在后台异步进行聚合，形成多种尺度的监控大数据集。（2）机房动环系统大屏总览。展示机房三维布局、温场分布、温湿度、UPS剩余电量等关键的实时信息以及耗电量、负载率、能耗占比等统计数据。（3）场地监控。实现3D机房及2D机房功能，能够了解机房整体布局、设备位置情况、温度分布以及冷通道位置等。（4）设备监测。包括网络交换机监测、智能电表监测、母排监测、UPS监测、空调（列间空调、精密空调）监测、漏水监测等。（5）告警。根据机房管理标准及管理需求，对告警阈值进行设置，系统根据设置范围自动生成告警信息，并根据告警级别形成工单。（6）事务处理。告警形成工单，自动发送给相应的运维管理人员，收到工单后远程或现场处理问题，填写解决方法，完成工单。

4 结 语

本软件实现了对中心机房所需配电柜、智能电表、UPS电池组、母排柜、精密空调、列间空调、网络交换机、温湿度传感器、水浸以及烟雾等设备的全面监控，使得运维管理人员能够快速了解所有动力环境设备的运行情况，并及时获取告警信息，进行巡查处理，保障设备运行安全。减轻了机房管理人员的工作压力，实现了中心机房动力设备远程监控功能。此外，以数据为依据，可统计分析当前机房各个主要部分（如空调机组用电、UPS自身用电、照明用电、集群用电等）的能耗，并且通过饼状图、柱状图、折线图等方式显示出来。还可辅助采购决策，优化中心机房整体布局、通风系统、电气系统、布线系统、机柜布局，形成最优的动力环境配置，提高能源效率，建设环保绿色低碳机房。