数据中心机房冷源群控策略浅谈

​中心机房是整个项目进行数据存储和通讯的心脏，为保证设备正常稳定地运行，对空调制冷系统提出了严苛的要求。冷源群控系统常规的策略是将相关机电设备、执行器、传感器等作为一个整体考虑，即将末端点位均接在同一个网络控制器下面，采用1个网络控制器+DDC这种网络架构。该策略已无法满足数据机房对冷源控制系统高稳定性的要求，本文以长宁区某项目为例，着重介绍中心数据机房对冷源群控系统提出的高稳定性的主要控制策略。一、项目概况项目位于长宁区，为迁建工程，是某部门用以关押相关违法人员的场所，除了对安防监控要求非常高之外，另一个重要的核心就是中心数据机房，整个机房是整个项目进行数据存储和通讯的中枢，同时肩负着与上海市相关部门进行数据共享，远程指挥等重任。数据中心需要24小时全天候运行，全年不停，为保证设备的安全正常运行，机房冷源系统采用2个风冷式制冷机单元，2个一级离心水泵和2个二级泵。为了环保节能在系统的回路上设置板式换热器和一组闭式冷却塔。为避免冷源群控系统瘫痪或者冷机等设备故障，利用蓄冷水罐紧急供冷。二、项目难点对于该系统以往项目中常规的控制策略要么是以全自动化为主要控制目标，要么是否节能为主要控制目标，而该中心机房冷源系统对控制系统有很高的要求，它不仅需要对所有机电设备进行统一管理，而且要求一个高稳定性，具备控制器热备功能。以往的控制策略采用的是1 个网络控制器+DDC这种网络架构，如果DDC故障就会造成部分设备失控，如果网络控制器故障，整个控制系统将瘫痪。一旦制冷系统停止，数据机房的房间温度将发生超温报警，一旦出现势必造成机房设备故障，比如服务器等因高温出现宕机、烧毁等情况，可能造成数据丢失，这对于本项目而言是致命的，上级部门将严肃问责。三、主要控制策略1、高稳定性解决方案针对该问题，采用模块化制冷单元控制策略，将冷源系统分为2套制冷单元：每套制冷单元含1个风冷式制冷机单元和1个一级离心水泵。如下图所示：每套制冷单元设置一台单元控制器，控制相应的机组、水泵、阀门等设备，各控制单元组物理隔离，相互独立。网络中任何一处发生故障不会影响其他网络设备的使用，提升了系统的可靠性。制冷单元组控制器的基本要求：（1）每台单元控制器控制的制冷单元包括冷水机组，一次水泵。（2）监控冷水机组采用串联总线和硬接线的两种通讯方式。用总线方式通讯的监控点不包括用硬接线通讯的监控点。冷机应有两份点位表，一份点表为通过总线的形式监控，另外一份点表为通过硬接线的形式监控。通过总线集成的点位除了用于调整的参数设定值外仅用于监视。（3）单元控制器接收到统筹控制器的制冷模式命令时，单元控制器通过以下顺序启动冷机单元：a. 打开相应机组的电动开关阀，并反馈开/ 关情况；b. 开启一次水泵，并有状态反馈；c. 开启二次水泵，并有状态反馈；d. 开启冷机，并有状态反馈。在控制单元组之上设置一个统筹控制器，监测室外环境温湿度；冷水给水和回水主管温度，工作压力，回水量等；监控相关电动阀的开关状态；监控单元组控制器的状态等。统筹控制器分析以上监测数据，根据室外温温度、机房负荷、单元组故障情况等决定系统的运行模式。如下图所示：对于关键的二次泵采用冗余热备控制器控制，控制器之间采用心跳线进行连接，起到互为备用的作用，通过最不利一组读数给出警报，这也是得益于来自PLC的灵感，用心跳线连接起到冗余备份对于PLC是一个常备功能，但对于网络控制器来说却是一个少有的尝试。具有热备功能的控制器，可避免因控制部件导致二次泵组意外停止的风险，提升了系统的可用性。控制原理：1、统筹控制器可通过单元控制器启停对应的制冷单元。若统筹控制器向单元控制器发出运行制冷单元（command output）命令15min（可调）后，没有收到单元控制器“OK”的状态反馈，统筹控制器应前端报警，并启动下一套制冷单元，直到成功启动。统筹控制器向启动故障的单元控制器发出的命令信号需在一段时间（可调）后取消并锁定。当启动故障的制冷单元维修后解除报警可正常运行时，替代其运行的制冷单元应继续运行不切换。若成功启动的制冷单元小于末端需求时，统筹控制器解除所有报警，继续启动剩余的制冷单元，以满足需求。2、当制冷单元处于维护模式时，不接受和参与任何控制。3、每个单元控制器需监测统筹控制器的工作状态信号。当单元控制器无法监测到该信号时，发出报警。此时单元控制器维持之前的运行状态。4、统筹控制器可实现制冷单元之间的自动轮循模式。统筹控制器应首先开启轮询中选择的制冷单元，待此制冷单元成功启动后，再关闭轮询过程中应关闭的制冷单元。操作人员可以选择手动或者自动轮询。5、机组的加减机（统筹控制器）（1）在制冷单元成功运行后，统筹控制器需监测末端负荷。当末端负荷大于运行的制冷机组额定总容量的90% 持续时间20分钟（可调）时，统筹控制器增开一套运行累计时间最短的制冷单元。（2）当末端负荷低于运行制冷机组总额定容量的40%，持续时间20分钟（可调），控制器将逐步关闭运行累计时间较长的制冷单元。（3）统筹控制器可以在多种模式下进行制冷单元加减机。2、节能措施（自然冷却）在冬季，利用室外低温免费制冷，通过冷却塔及板换对水冷精密空调进行冷却，起到节能的效果。控制原理：1、当室外温度≤8.0℃且冷却塔的出水温度≤13℃，两者的持续时间超过15分钟，单元控制器检测制冷单元内相应设备及控制阀门无故障后，冷却模式的“就绪”数据信号传输到统筹控制器，并且统筹控制器决定进入自然冷却模式。单元控制器成功切换到自然冷却模式，并将“OK”数据信号传输到统筹控制器。当发送命令15min 后，没收到自然冷却模式的”OK”状态反馈，则统筹控制器向操作人员报警，提示此套制冷单元进入自然冷却模式时故障；统筹控制器将自动锁定此套制冷单元并自动返回到预冷模式，在锁定被操作人员解除前制冷单元不允许再次自动进入自然冷却模式。2、操作人员应可以在统筹控制器的图形界面中选择制冷单元手动或者自动进入自然冷却模式。选择自动模式时，统筹控制器延时30min，供操作人员确认是否进入自然冷却模式，如果操作人员在30min内不确认，则系统自动进入自然冷却模式。当操作人员确认不进入自然冷却模式，应在工作站中的图形界面中选择手动切换，使制冷单元不进入自然冷却模式。当自然冷却模式准备就绪时，操作人员也可以在工作站图形界面中手动确认立即进入自然冷却模式，而不需要30min延迟后自动进入。当自然冷却模式处于在手动进入模式时，统筹控制器应提醒操作人员进入自然冷却模式的条件已经具备。3、退出自然冷却模式（1）当室外温度高于制冷预设值且二次侧出水温度也高于预设值达15分钟时，单元控制器将退出制冷数据信号发送至统筹控制器，由统筹控制器决定其降温方法。（2）当制冷单元在自然冷却模式被认为故障时，则自然冷却模式在制冷单元层面上应被锁定，需要操作人员手动复位来解除锁定。3、蓄冷罐的充冷模式和放冷模式1、温度传感器安装在冷水箱的出水管中以检测水温。。2、在低温储罐中从低到高安装了几个温度传感器。具有不同纵横比的不同温度传感器可以根据温度识别温跃层，然后区分储罐中的制冷量。3、温度异常报警，温度传感器常见故障报警。4、蓄冷罐充冷模式，只要蓄冷罐的出水温度＞15.5℃（可调），且持续时间长达2min（可调），开启或者关闭相关电动阀，保证部分流量通过蓄冷罐。5、蓄冷罐平时运行、放冷模式，当蓄冷罐的出水温度=15℃时，开启或者关闭相关电动阀。调节阀的开度由末端最不利环路压差控制。四、结束语该项目通过将冷源系统的冷水机组等通过拆分成控制单元组或者冗余热备控制，最大限度地保证了冷源系统的高稳定性及可靠性，既保证控制单元组独立，又实现了统一集中控制管理，完全满足业主方的需求。由于中心数据机房所要求的核心控制目标不同，即严格的稳定性要求，间接地牺牲了节能，即使采取了一些节能手段，节能效果还是很有限。相信在不久的将来，随着物联网技术的发展，在保证系统高稳定性的同时，给我们带来更多的节能方案，完美地解决两者之间的矛盾。往期回顾：1.某数据中心机房项目验收检查表(完整版)2.免费领取数据中心基础设施运维资料3.模块化数据中心机房技术连载汇编扫码入群，获取更多运维资料