何照東 周華飛

關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)中心；冷源；碳達(dá)峰；自控系統(tǒng)；PLC

0 前言

在早期，數(shù)據(jù)中心的制冷系統(tǒng)缺乏統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)[1]，也沒有設(shè)定專門的機(jī)房和專用空調(diào)設(shè)備。一般使用的是普通民用空調(diào)，或依賴大樓的集中制冷系統(tǒng)來提供舒適性冷氣。然而，這些舒適性空調(diào)設(shè)備是根據(jù)人的需求和環(huán)境條件設(shè)計(jì)的，主要用于處理人的熱舒適度，而非專為處理數(shù)據(jù)中心機(jī)房的熱負(fù)荷集中問題而設(shè)計(jì)。這類空調(diào)僅具備降溫功能，缺少精確的溫度控制和濕度控制功能，也沒有嚴(yán)格的除塵措施和相關(guān)測試指標(biāo)。

隨著互聯(lián)網(wǎng)和信息化的深入發(fā)展，對數(shù)據(jù)中心的需求不斷增大，數(shù)據(jù)中心也逐漸滲透到各個行業(yè)中。各類企業(yè)對數(shù)據(jù)中心的理解和需求逐漸出現(xiàn)差異：一些企業(yè)視數(shù)據(jù)中心為成本中心，而數(shù)據(jù)中心租賃企業(yè)則將其視為利潤中心。金融行業(yè)對數(shù)據(jù)中心的可靠性有著嚴(yán)格要求，而制造業(yè)則更加關(guān)注數(shù)據(jù)中心的易用性和成本。這些多樣化的需求推動了數(shù)據(jù)中心行業(yè)的快速發(fā)展和創(chuàng)新方案的產(chǎn)生。

1 基于PLC 的數(shù)據(jù)中心冷源自控系統(tǒng)架構(gòu)

1.1 典型冷源系統(tǒng)架構(gòu)

典型數(shù)據(jù)中心水冷系統(tǒng)以水冷離心式冷水機(jī)組作為冷源[2]。以北京某數(shù)據(jù)中心為例，總共配置了5 套冷水機(jī)組和5臺冷凍水一級泵。每套冷凍單元都包含一臺變頻制冷機(jī)組、一臺冷卻塔（配有變頻風(fēng)機(jī)）、一臺變頻冷凍水泵、一臺變頻冷卻水泵、一臺板式換熱器、加藥設(shè)備、旁流水處理設(shè)備以及用于控制的電動閥門和各種傳感器。除了上述設(shè)備，制冷系統(tǒng)還配備了冷凍水補(bǔ)水軟化裝置、軟化水箱、自動補(bǔ)水定壓設(shè)備、冷卻水補(bǔ)水池、冷卻水補(bǔ)水變頻供水裝置和全自動加藥裝置。

冷凍水系統(tǒng)采用了一次泵變流量系統(tǒng)，其冷凍側(cè)供回水溫度定為15/21℃。冷凍水泵利用末端環(huán)路壓差控制，能夠根據(jù)冷負(fù)荷的變化調(diào)節(jié)流量，以確保供水參數(shù)的穩(wěn)定和實(shí)現(xiàn)節(jié)能。冷卻水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)使每臺冷水機(jī)組都有獨(dú)立的環(huán)路，每臺冷卻水泵都與一臺冷水機(jī)組一一對應(yīng)，整個冷卻水系統(tǒng)都有冗余設(shè)計(jì)。每臺冷卻塔都與一臺冷水機(jī)組一一對應(yīng)，并且是基于極端濕球溫度（29.7℃） 和冬季自然冷卻濕球溫度（8℃） 進(jìn)行選取的。

1.2 控制系統(tǒng)架構(gòu)

數(shù)據(jù)中心冷源自控系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)對冷水機(jī)組、冷卻塔、冷卻泵、冷凍泵、蓄冷罐以及各類閥門等設(shè)備進(jìn)行信號采集和控制[3]。本系統(tǒng)由現(xiàn)場設(shè)備、控制器、系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)、軟件平臺構(gòu)成，以PLC為核心控制器?？刂破髫?fù)責(zé)將傳感器傳來的電信號轉(zhuǎn)換為可處理的數(shù)據(jù)信號。系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)用于構(gòu)建控制器間、控制器與服務(wù)器間、服務(wù)器與服務(wù)器間的通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)[4]。軟件平臺則提供人機(jī)操作界面、實(shí)時數(shù)據(jù)、工作狀態(tài)、報警信息、報表統(tǒng)計(jì)等功能。

本系統(tǒng)采用“集散式”結(jié)構(gòu)[5]，具備自動故障報警監(jiān)測功能，能滿足全天候24小時運(yùn)行的需求。通過TCP/IP協(xié)議對暖通和環(huán)境設(shè)備進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測和控制，以建立一個可擴(kuò)展的整體平臺，旨在滿足現(xiàn)有需求的同時，兼顧未來不斷增長的需求，并方便新設(shè)備、新系統(tǒng)的在線接入。系統(tǒng)包含以下幾個層級：

設(shè)備層：此層由多種感應(yīng)器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、機(jī)械電子設(shè)備等構(gòu)成，是控制系統(tǒng)中最基礎(chǔ)的一層。它能通過感應(yīng)器直接獲取現(xiàn)場的各類環(huán)境與設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)，且能響應(yīng)控制級的操作指令，對各種現(xiàn)場設(shè)備實(shí)施遠(yuǎn)程控制。此級能夠?qū)崟r、可靠并且有效地收集并傳遞所有設(shè)備的運(yùn)行狀況與控制需求。

控制層：由PLC控制單元、模塊化組件、綜合網(wǎng)關(guān)等組成，專注于特定區(qū)域內(nèi)的現(xiàn)場監(jiān)控。它基于設(shè)備級收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時處理與分析，管理設(shè)備的信息、狀態(tài)與控制，并存儲、處理、分析和輸出各類信息，同時也負(fù)責(zé)將控制指令發(fā)送到現(xiàn)場的執(zhí)行部門，并上報警告信息到中央管理級。該控制級具有優(yōu)越的綜合能力，可以整合各種監(jiān)控設(shè)備的數(shù)據(jù)信息。

管理層：此層作為空調(diào)集控系統(tǒng)的管理界面，包含軟硬件等各方面。軟件方面包含用戶圖形界面、控制邏輯設(shè)計(jì)以及應(yīng)用功能模塊。硬件方面涵蓋了服務(wù)器、顯示屏等。管理級具有雙機(jī)備份和熱備份功能，負(fù)責(zé)統(tǒng)一管理控制級，分析數(shù)據(jù)并完成統(tǒng)計(jì)報告，它可以實(shí)現(xiàn)高級管理應(yīng)用如報表功能、警報管理、權(quán)限管理、能源管理等，并且能遠(yuǎn)程調(diào)整設(shè)備。同時，此層會將收集與分析得到的實(shí)時與歷史數(shù)據(jù)以及警報，上傳至本地動環(huán)監(jiān)控平臺進(jìn)行整合。若自控系統(tǒng)出現(xiàn)故障無法正常運(yùn)行，向值班員發(fā)出警報并切換至手動模式。

系統(tǒng)采用了控制器雙機(jī)熱備的配置，確保了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。在任何系統(tǒng)組件出現(xiàn)故障的情況下，系統(tǒng)會自動激活備用組件。如果控制器出現(xiàn)故障，系統(tǒng)會自動切換到備用控制器。即便控制器沒有備用，BA系統(tǒng)也能保持控制器的最后一個命令，并維持暖通設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，同時通過聲光告警來通知運(yùn)維人員。當(dāng)自控系統(tǒng)的電源斷電時，制冷系統(tǒng)的所有設(shè)備和閥門都會保持?jǐn)嚯娗暗倪\(yùn)行狀態(tài)。

2 系統(tǒng)運(yùn)行模式

2.1手動控制模式

在手動控制模式下，操作員可以通過圖形界面選擇“手動超越控制”，以及三種運(yùn)行模式中的一種：冷機(jī)制冷模式、預(yù)冷模式、自由冷卻模式，從而執(zhí)行手動模式切換。通過工作站，操作員能夠選擇任意一套冷凍單元并切換到任意一種運(yùn)行模式。

在單元控制器界面上，存在轉(zhuǎn)換開關(guān)。該開關(guān)能夠?qū)崿F(xiàn)冷凍單元的手動啟停，而手動啟動的冷凍單元將運(yùn)行在冷機(jī)制冷模式下。此外，單元控制器還允許操作員單獨(dú)啟停冷凍單元中的任何一臺設(shè)備，例如冷水機(jī)組、一次泵、冷卻塔、冷卻水泵等。

2.2 群控策略

制冷模式制冷系統(tǒng)主要有三種工作狀態(tài)：機(jī)械制冷模式（當(dāng)室外空氣的濕球溫度超過15℃，可調(diào)整）、預(yù)冷模式（濕球溫度在8℃與14℃之間，可調(diào)整）、自然冷卻模式（濕球溫度不超過8℃，可調(diào)整）。

當(dāng)室外濕球溫度超過15℃時，冷卻塔的供水溫度設(shè)定應(yīng)為18℃。冷機(jī)的冷卻水供應(yīng)傳感器位于冷卻塔的PID控制環(huán)，以確保水溫維持在16.5℃至33.5℃ 的范圍內(nèi)，從而確保冷機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行。

預(yù)冷模式如果室外濕球溫度維持在8℃至14℃之間達(dá)到15分鐘，單元控制器會檢測冷卻塔的出水溫度和其與冷凍水的溫差△t。當(dāng)冷卻塔的出水溫度不超過18.5℃且△t不小于1.5℃持續(xù)15分鐘時，單元控制器在確認(rèn)相關(guān)設(shè)備和控制閥狀態(tài)正常后，會向群控制器發(fā)送預(yù)冷請求。隨后，集體控制器會決定是否切換到預(yù)冷模式，并向操作員發(fā)送通知。

在收到預(yù)冷啟動指令后，單元控制器會逐漸將冷卻水的出水溫度設(shè)定為10.5℃。如果冷卻水的出水溫度持續(xù)低于冷凍水回水溫度超過1.5℃的時間長達(dá)15 分鐘，那么將會向冷機(jī)集體控制器返回正常的反饋。

如果15分鐘后冷機(jī)控制器沒有收到預(yù)冷模式的正常反饋，集體控制器會向操作員發(fā)出警報，并將有問題的冷凍單元鎖定并切回標(biāo)準(zhǔn)冷機(jī)模式。

自然冷卻模式：在預(yù)冷模式下，如果濕球溫度低于8.0℃持續(xù)30分鐘，單元控制器會開始進(jìn)行一系列的檢測，滿足條件后向集體控制器發(fā)送自然冷卻模式就緒的信號。群控控制器在確認(rèn)后會提示操作員可以切換至自然冷卻模式。當(dāng)單元控制器收到啟動指令后，會根據(jù)需要重新設(shè)定冷凍水的回水溫度。

制冷單元的動態(tài)調(diào)整系統(tǒng)在運(yùn)行過程中會根據(jù)負(fù)荷動態(tài)調(diào)整制冷單元的開關(guān)。當(dāng)冷負(fù)荷達(dá)到或超過90%時，系統(tǒng)會啟動下一個制冷組；反之，當(dāng)冷負(fù)荷下降到30%時，會逐漸關(guān)閉當(dāng)前的制冷單元。

模式的平穩(wěn)切換為避免頻繁的模式切換，系統(tǒng)會根據(jù)時間延遲和設(shè)定的停滯區(qū)進(jìn)行調(diào)整。所有溫度設(shè)定都以冷凍水的出水溫度為基準(zhǔn)，當(dāng)基準(zhǔn)設(shè)定值發(fā)生變化時，系統(tǒng)內(nèi)的其他溫度設(shè)定也會相應(yīng)調(diào)整。

2.3 蓄冷罐控制策略

在蓄冷罐的垂直位置，我們每隔一米布置一個溫度傳感器。這些傳感器的任務(wù)是觀察溫度變化并測算冷凍水在蓄冷罐中的有效容量。

蓄冷罐的總冷量計(jì)算如下：

W 為總冷量 （kj），ΔT 為溫度變化 （℃），c 為比熱容值 （4.2 kj/kg·℃），ρ 為水的密度 （1 000 kg/m?），V 為蓄冷罐的體積 （m?）。

充冷模式：當(dāng)任一蓄冷罐的出水溫度超過16℃ （可調(diào)整）或總冷量低于預(yù)設(shè)值，并且出水口溫度保持在15℃（可調(diào)）達(dá)到1分鐘（可調(diào)），則蓄冷罐啟動充冷程序。當(dāng)其中一個蓄冷罐充冷完畢，可以關(guān)閉其對應(yīng)的電動閥門，加速其他蓄冷罐的充冷過程，從而解決水力不平衡的問題。

放冷模式：在系統(tǒng)初始運(yùn)行時，末端負(fù)荷較小，一個制冷單元可以滿足整個機(jī)房的冷量需求。為了節(jié)能，制冷單元與蓄冷罐會交替供冷。制冷單元在工作時既供冷又給蓄冷罐充冷。當(dāng)蓄冷罐充滿（由供水溫度決定或達(dá)到預(yù)設(shè)放冷量）后，制冷單元關(guān)閉，蓄冷罐開始供冷。

2.4 冷凍水泵控制策略

當(dāng)系統(tǒng)開始運(yùn)行，主控制器優(yōu)先選擇符合工況的制冷單元，同時開啟水泵。水泵的頻率會從零逐步提升。控制器實(shí)時檢測末端壓差并進(jìn)行判斷?？刂破靼凑账玫倪\(yùn)行時間和狀態(tài)選擇最合適的水泵開啟，并對其進(jìn)行時間和狀態(tài)記錄。水泵的頻率會根據(jù)PID 進(jìn)行調(diào)節(jié)，同時設(shè)定一個運(yùn)行頻率的下限。水泵的揚(yáng)程和其頻率成反比。為保證冷卻系統(tǒng)的安全運(yùn)行，必須設(shè)定一個水泵的最低頻率。雖然理論上最大頻率為50Hz，但實(shí)際上要考慮到系統(tǒng)和設(shè)備的壓力限制。根據(jù)末端負(fù)荷的變化，末端的電動調(diào)節(jié)閥會自動進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而引發(fā)壓差的變化?？刂葡到y(tǒng)依據(jù)這些變化調(diào)整水泵的頻率。

2.5 冷卻水泵控制策略

冷卻水泵利用變頻來對流量進(jìn)行調(diào)整，以應(yīng)對因?yàn)椴煌r導(dǎo)致的壓力損失。實(shí)時根據(jù)冷機(jī)的工況參數(shù)、外部的溫濕度狀況以及冷卻水的溫度變化來調(diào)整冷卻水的流量。這種調(diào)節(jié)旨在確保冷機(jī)工況不受影響，同時降低冷卻泵的能耗。

2.6 冷卻塔控制策略

每個冷卻塔與一個制冷單元相對應(yīng)。主要根據(jù)冷卻塔的出水溫度來進(jìn)行調(diào)節(jié)，設(shè)定濕球溫度與冷塔逼近度為參考。利用PID來調(diào)整冷卻塔風(fēng)機(jī)的頻率。進(jìn)水閥門的狀態(tài)與風(fēng)機(jī)狀態(tài)同步，而出水閥門則保持打開狀態(tài)。

若冷卻水溫度低于設(shè)定值，并且冷卻塔風(fēng)機(jī)在低頻下運(yùn)行超過預(yù)設(shè)時間，則冷卻塔進(jìn)入休眠狀態(tài)。只有當(dāng)PID計(jì)算值超過最小運(yùn)行頻率時，冷卻塔才重新啟動。

在某些情況下，冷卻塔會啟動旁通閥以維持冷卻水溫度。在自然冷卻模式下，為了保持冷卻塔內(nèi)的水溫，當(dāng)冷卻水溫度低于預(yù)定值時，冷卻塔的旁通閥會關(guān)閉，確保所有的冷卻水都流經(jīng)冷卻塔。

3 測試分析

以北京某數(shù)據(jù)中心為背景，其自控系統(tǒng)工作站位于G11（2#） 數(shù)據(jù)機(jī)房樓集中監(jiān)控室。設(shè)立了兩個顯示器，并預(yù)留了北向接口以供未來ECC建設(shè)。同時，在G12（1#） 冷凍站和G11（3#） 冷凍站各配置三個顯示器，與各自的冷站內(nèi)容相匹配。在這些工作站之上，有兩個系統(tǒng)服務(wù)器，功能為互相備份。無論在工作站還是在服務(wù)器，都可以展示傳感器數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)和設(shè)備狀態(tài)等信息。

3.1 單調(diào)設(shè)備數(shù)據(jù)分析

1） 降低冷水主機(jī)頻率（負(fù)載率）。以5%為一個階段降低冷水機(jī)組VFD最低百分比，每隔1小時進(jìn)行一次數(shù)據(jù)采集，維持2小時運(yùn)行時間。2小時后繼續(xù)下調(diào)5%，最終達(dá)到80%。26℃以上濕球溫度情況下，VFD最低百分比不低于92%，確保冷機(jī)不喘振。

2） 降低冷凍水泵頻率。以5Hz為一個階段降低冷凍水泵設(shè)定頻率，每隔1小時進(jìn)行一次數(shù)據(jù)采集，維持1小時運(yùn)行時間。1小時后繼續(xù)降低，最低30Hz。當(dāng)前G11-3冷凍水側(cè)為閉式系統(tǒng)，回水主管壓力為3.5bar，壓力較高，末端最不利供回水壓差為1bar，末端水流狀況良好，冷凍泵降頻空間大。

3） 降低冷卻水泵頻率。以2Hz為一個階段降低冷卻水泵設(shè)定頻率，每隔1小時進(jìn)行一次數(shù)據(jù)采集，維持1小時運(yùn)行時間。1小時后繼續(xù)降低，最低38Hz。當(dāng)前G11-3冷機(jī)在高冷卻水溫度（>29度）情況下易出現(xiàn)喘振情況，冷卻水泵最低頻率暫定38Hz。

4） 降低冷卻塔風(fēng)機(jī)頻率。以5Hz為一個階段降低冷卻塔風(fēng)機(jī)設(shè)定頻率，每隔2小時進(jìn)行一次數(shù)據(jù)采集，維持兩天運(yùn)行時間。

5） 提高供回水溫數(shù)據(jù)分析（需要配合末端，暫不調(diào)整）。以0.5℃為一個階段升高制冷主機(jī)設(shè)定的供水溫度，每隔4小時進(jìn)行一次數(shù)據(jù)采集，維持兩天運(yùn)行時間。

3.2 節(jié)能數(shù)據(jù)對比分析（功率）

經(jīng)優(yōu)化，26℃濕球溫度的高溫工況下應(yīng)用基于冷源自控系統(tǒng)的調(diào)優(yōu)策略，冷源總功率由508.79kW降低至376.81kW，節(jié)能比率為25.9%，冷源側(cè)總體CLF 從0.436降低至0.323，降低0.113。全年整體節(jié)能比率不低于0.113，全年節(jié)約電量不低于115.52 萬kWH。按一般工商業(yè)電費(fèi)0.87元/kWH測算，全年可節(jié)約電費(fèi)不低于100萬元。

4 結(jié)束語

為確保數(shù)據(jù)中心冷源自控系統(tǒng)的高可用性，系統(tǒng)設(shè)計(jì)時須充分考慮可用性、綠色節(jié)能、動態(tài)冷卻等因素，這些都是未來發(fā)展的主要趨勢。對于A級和B級的可用性要求，數(shù)據(jù)中心冷源自控系統(tǒng)被定位為A 級，需具備冗余設(shè)計(jì)，并在出現(xiàn)故障時有相應(yīng)的應(yīng)急方案。相較于傳統(tǒng)的分散式制冷系統(tǒng)，具備冗余設(shè)計(jì)的系統(tǒng)即便單臺機(jī)組出現(xiàn)問題，也不會影響數(shù)據(jù)中心的整體運(yùn)作。