馬世燕

摘要：提出基于單片機(jī)和分段線性插值算法的數(shù)據(jù)中心精密空調(diào)故障預(yù)判系統(tǒng)，該系統(tǒng)對精密空調(diào)壓縮機(jī)的吸氣和排氣溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)在線檢測，提前發(fā)現(xiàn)精密空調(diào)壓縮機(jī)的潛在故障隱患，同時(shí)向機(jī)房動態(tài)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)或監(jiān)控平臺發(fā)送相關(guān)預(yù)警信息，必要時(shí)啟動備用機(jī)組聯(lián)動切斷隱患壓縮機(jī)電源，最大限度保障數(shù)據(jù)機(jī)房制冷量，同時(shí)對存在安全隱患的壓縮機(jī)盡早引起機(jī)房運(yùn)維人員關(guān)注，及時(shí)優(yōu)化調(diào)整維保作業(yè)計(jì)劃，開展預(yù)防性修理或更換，確保數(shù)據(jù)機(jī)房安全平穩(wěn)運(yùn)行的同時(shí)，最大限度降低運(yùn)行維護(hù)成本。

關(guān)鍵詞：單片機(jī);插值算法;數(shù)據(jù)中心;精密空調(diào);故障預(yù)判系統(tǒng)

中圖分類號：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2020）14-0035-03

隨著我國數(shù)據(jù)中心行業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展，數(shù)據(jù)中心專用精密空調(diào)的使用數(shù)量逐年遞增。作為數(shù)據(jù)中心的重要制冷設(shè)備，精密空調(diào)的壓縮機(jī)是其核心組件，一旦發(fā)生故障，精密空調(diào)將喪失制冷能力和除濕能力，對要求恒溫恒濕環(huán)境的數(shù)據(jù)機(jī)房帶來不利影響，若同時(shí)出現(xiàn)多臺壓縮機(jī)故障，則可能造成機(jī)房服務(wù)器高溫宕機(jī)，嚴(yán)重危及數(shù)據(jù)中心安全。同時(shí)精密空調(diào)壓縮機(jī)的維修費(fèi)用較高，一旦出現(xiàn)嚴(yán)重故障后無法修復(fù)，只能更換，目前，數(shù)據(jù)中心的精密空調(diào)只能通過“肉眼、手摸、掛表”的人工巡檢方式，檢查壓縮機(jī)各部件是否運(yùn)行正常。

因此，為了最大程度的防患未然，需要對數(shù)據(jù)中心專用精密空調(diào)的壓縮機(jī)潛在故障進(jìn)行預(yù)判，并根據(jù)預(yù)判結(jié)果，及時(shí)調(diào)整維護(hù)保養(yǎng)計(jì)劃。預(yù)判方法的研究是數(shù)據(jù)中心運(yùn)維技術(shù)人員需要開展的一項(xiàng)重要工作。

1總體設(shè)計(jì)

1.1系統(tǒng)組成

本文設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)中心精密空調(diào)故障預(yù)判系統(tǒng)由單片機(jī)控制器和外圍電路兩方面組成，圖1是系統(tǒng)框圖，包含熱電偶及熱電偶調(diào)制電路、羅氏線圈接口、制冷劑種類選擇鍵、單片機(jī)控制器、外部通訊接口和聯(lián)動模塊等部件組成。

1.1.1熱電偶

考慮到降低成本和提高測量精度，結(jié)合精密空調(diào)壓縮機(jī)在不用制冷劑下的吸氣溫度和排氣溫度的波動范圍，采用T型熱電偶緊密貼敷于機(jī)房專用精密空調(diào)壓縮機(jī)的吸氣口和排氣口，考慮到溫度采集數(shù)據(jù)的真實(shí)可靠性，確保貼敷牢固，采用專用喉箍將熱電偶和精密空調(diào)的吸排氣口進(jìn)行鎖緊壓實(shí)，并在喉箍外側(cè)包裹專用保溫套，實(shí)現(xiàn)精密空調(diào)壓縮機(jī)吸氣溫度和排氣溫度數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集。

1.1.2熱電偶調(diào)制電路

考慮到熱電偶測量信號后期處理的準(zhǔn)確性和便利性，選擇MCP9600集成芯片作為熱電偶的調(diào)制電路，將熱電偶接入該調(diào)制電路，由MCP9600輸出溫度測量信號送人控制器進(jìn)行存儲和計(jì)算分析。

1.1.3羅氏線圈接口

作為附加可選部件的外接羅氏線圈接口，可以通過羅氏線圈接入精密空調(diào)壓縮機(jī)供電回路和冷凝器散熱風(fēng)扇供電回路，實(shí)現(xiàn)對精密空調(diào)壓縮機(jī)三相電流和冷凝器散熱風(fēng)扇電流的在線監(jiān)測。

1.1.4制冷劑種類選擇鍵

目前，市面上的機(jī)房專用精密空調(diào)所用制冷劑主要是R22、R407C和R410A。每種制冷劑的溫度一壓力對應(yīng)值不同。通過數(shù)據(jù)機(jī)房運(yùn)維人員確認(rèn)制冷劑種類，手動選擇制冷劑種類選擇鍵，不同的鍵值信號送人控制器，讓控制器識別所用制冷劑，根據(jù)提前燒寫進(jìn)控制器的壓力溫度值，如表l所示。結(jié)合控制器獲取到的精密空調(diào)壓縮機(jī)吸排氣溫度值，由控制器計(jì)算精密空調(diào)壓縮機(jī)的吸排氣壓力值。

1.1.5單片機(jī)控制器和分段線性插值算法的應(yīng)用

Microchip微芯公司是全球領(lǐng)先的單片機(jī)和模擬半導(dǎo)體供應(yīng)商，其PIC單片機(jī)采用Harvard雙總線結(jié)構(gòu)，運(yùn)行速度快，功耗低，驅(qū)動能力強(qiáng)，在辦公自動化設(shè)備，消費(fèi)電子產(chǎn)品，智能儀器儀表，工業(yè)控制不同領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。本文選用PIC單片機(jī)作為控制器，不間斷地接收和存儲由MCP9600集成芯片送來的吸排氣溫度值，通過分段線性插值算法，實(shí)時(shí)在線計(jì)算壓縮機(jī)吸排氣壓力，當(dāng)分析結(jié)果滿足判據(jù)條件時(shí)，發(fā)出內(nèi)部預(yù)警信號。

分段線性插值算法可以實(shí)現(xiàn)一定的精度要求，同時(shí)也不影響單片機(jī)控制系統(tǒng)的整體性能，具有非常高的性價(jià)比。我們定義區(qū)間分段線性函數(shù)ψ（x）的基函數(shù)fi（x）為：

1.1.6外部通訊接口和聯(lián)動模塊

當(dāng)控制器內(nèi)部預(yù)警信號達(dá)到6次/h，控制器通過外部通訊接口向機(jī)房動態(tài)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)或監(jiān)控平臺發(fā)送預(yù)警信息。當(dāng)控制器內(nèi)部預(yù)警信號達(dá)到12次/h，控制器通過外部通訊接口向機(jī)房動態(tài)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)或監(jiān)控平臺發(fā)出啟動備機(jī)請求信息，由機(jī)房運(yùn)維人員人工確認(rèn)需求后，手動啟用備用空調(diào)，備機(jī)啟動成功后，控制器觸發(fā)聯(lián)動模塊，向精密空調(diào)自帶的主控制板發(fā)信號停用故障隱患壓縮機(jī)。

1.2控制邏輯

1.2.1定義壓縮機(jī)工況

機(jī)房精密空調(diào)壓縮機(jī)吸氣壓力過小或過大都可能導(dǎo)致壓縮機(jī)停機(jī)或損壞，另一方面，壓縮機(jī)排氣壓力過大也可能導(dǎo)致壓縮機(jī)停機(jī)，R22制冷劑不同系統(tǒng)類型的壓縮機(jī)吸排氣壓力如圖2所示。

以R22制冷劑的風(fēng)冷型空調(diào)為例，當(dāng)空調(diào)壓縮機(jī)順利啟動60秒后，檢測到如下三個(gè)工況之一時(shí)，由控制器產(chǎn)生1次內(nèi)部預(yù)警信號。

工況1：精密空調(diào)壓縮機(jī)高壓側(cè)排氣壓力P2≥1.2x1750=2100kPa且持續(xù)時(shí)間t2≥60S

工況2：低壓側(cè)吸氣壓力P1≤1.2x138=166kPa，且持續(xù)時(shí)間t1≥60S

工況3：低壓側(cè)吸氣壓力P1≥0.85x620=527kPa，且持續(xù)時(shí)間t1≥60S1.2.2壓縮機(jī)故障預(yù)判系統(tǒng)的測控流程

數(shù)據(jù)中心精密空調(diào)潛在故障預(yù)判系統(tǒng)的測控流程簡要描述如圖3所示。

2試驗(yàn)結(jié)果及分析

為了驗(yàn)證本系統(tǒng)的工作狀態(tài)和測量精度，隨機(jī)選取某天的連續(xù)時(shí)間段，在每一個(gè)整點(diǎn)時(shí)刻進(jìn)行掛表實(shí)測，同時(shí)用上位機(jī)提取單片機(jī)控制器的檢測值，將實(shí)測值和控制器檢測值進(jìn)行比對分析，如圖4所示。我們發(fā)現(xiàn)吸氣壓力的誤差明顯高于排氣壓力的誤差;且吸氣壓力和排氣壓力誤差在每天的11：00到16：00明顯低于其他時(shí)間段。簡單分析為：在外界氣象條件不變的前提下，該時(shí)段是室外溫度一天中比較高的時(shí)段，精密空調(diào)室外機(jī)冷凝器工作效率有所下降，導(dǎo)致精密空調(diào)吸排氣壓力較其他時(shí)段有所升高，反饋到傳感器上的溫度也較其他時(shí)段有所升高，控制器采集到的溫度信號的誤差有所下降，因此相對于其他時(shí)段測量誤差縮小。雖然有一定的測量誤差，但是已經(jīng)滿足測量精度要求和現(xiàn)場工程實(shí)際使用要求。

3結(jié)束語

本文提出了一種基于單片機(jī)的數(shù)據(jù)中心專用精密空調(diào)壓縮機(jī)潛在故障的預(yù)判系統(tǒng)，對空調(diào)壓縮機(jī)的吸、排氣溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，提前發(fā)現(xiàn)精密空調(diào)壓縮機(jī)的故障隱患，讓運(yùn)維人員對隱患壓縮機(jī)及時(shí)處理或預(yù)防性更換，確保數(shù)據(jù)機(jī)房安全平穩(wěn)運(yùn)行的同時(shí)，最大限度降低運(yùn)行維護(hù)成本。這種靈活應(yīng)用交叉學(xué)科、因地制宜、推陳出新的工作方法，值得廣大一線工程技術(shù)人員借鑒和學(xué)習(xí)。