數(shù)據(jù)中心冷凍站的群控系統(tǒng)

張軍偉, 劉金枝

(1.北京中科仙絡(luò)咨詢服務(wù)有限公司,北京 100017;2.中國民航大學(xué)適航學(xué)院,天津 300300)

0 引言

目前,社會(huì)信息化重要性日益突顯,各種數(shù)據(jù)中心已經(jīng)成為像交通、能源一樣的經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)設(shè)施。 數(shù)據(jù)中心冷凍站是數(shù)據(jù)機(jī)房的主要冷源,因此,數(shù)據(jù)中心冷凍站自動(dòng)控制系統(tǒng)的重要性越發(fā)突顯。

冷凍站自控系統(tǒng)的出現(xiàn),在很大程度上減輕了運(yùn)維人員的工作量。 現(xiàn)在國內(nèi)的數(shù)據(jù)中心大都采用一個(gè)控制器控制全部冷站設(shè)備或依照冷站設(shè)備分類配置控制器的系統(tǒng)架構(gòu),具體的系統(tǒng)形式如圖1 所示。

傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心冷凍站控制系統(tǒng)通過采集安裝在冷凍站管路上的各個(gè)傳感器數(shù)值,得出相關(guān)的控制策略,對冷站內(nèi)的相關(guān)設(shè)備進(jìn)行控制。 但是這種傳統(tǒng)的冷凍站控制系統(tǒng)存在眾多弊病,其主要的缺點(diǎn)如下。

圖1 傳統(tǒng)冷凍站控制系統(tǒng)形式1

(1)如圖1 所示控制系統(tǒng)中,一個(gè)控制器控制冷站內(nèi)所有的自動(dòng)化設(shè)備。 該系統(tǒng)架構(gòu)使得唯一的控制器成為系統(tǒng)運(yùn)行成功的關(guān)鍵,該控制器的任何故障都將導(dǎo)致系統(tǒng)無法正常運(yùn)行,給數(shù)據(jù)中心的正常運(yùn)行造成威脅。

(2)如圖2 所示控制系統(tǒng)將冷凍站內(nèi)的設(shè)備進(jìn)行分類,同類設(shè)備共用一個(gè)控制器,并將控制程序?qū)懺谄渲幸粋€(gè)控制器中,其他控制器僅作控制信號接收設(shè)備。 該種系統(tǒng)架構(gòu)看似比圖1 中的系統(tǒng)架構(gòu)豐富了不少,增加了控制器數(shù)量,但其實(shí)與圖1 中的系統(tǒng)無本質(zhì)區(qū)別。 該種混亂的控制器配置將導(dǎo)致任何一個(gè)控制器故障,一類設(shè)備將無法正常運(yùn)行,致使整個(gè)系統(tǒng)癱瘓,無法達(dá)到預(yù)定的控制效果。

圖2 傳統(tǒng)冷凍站控制系統(tǒng)形式2

(3)在傳統(tǒng)的冷凍站控制系統(tǒng)中控制器僅采用單電源供電。 當(dāng)出現(xiàn)電源故障時(shí),控制器掉電,會(huì)導(dǎo)致冷凍站內(nèi)相關(guān)設(shè)備無法正常工作,從而導(dǎo)致數(shù)據(jù)中心機(jī)房內(nèi)的溫度偏離設(shè)定值,嚴(yán)重時(shí)將導(dǎo)致數(shù)據(jù)中心宕機(jī)。

(4)傳統(tǒng)的冷凍站控制系統(tǒng)所使用的傳感器未進(jìn)行冗余設(shè)置,單個(gè)傳感器的系統(tǒng)設(shè)置將導(dǎo)致傳感器數(shù)值無法得到校驗(yàn)和比對,數(shù)值的準(zhǔn)確性降低,同時(shí)單個(gè)傳感器故障將影響控制邏輯的正確執(zhí)行,使系統(tǒng)的可靠性下降。

(5)傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心多采用縱向分組控制的系統(tǒng)架構(gòu),即同類設(shè)備分組控制或完全混亂分配,控制器隨意配置。 這些系統(tǒng)架構(gòu)均會(huì)導(dǎo)致冷凍站設(shè)備的冗余配置架構(gòu)破壞,使得冷凍站系統(tǒng)的冗余設(shè)置無法得以實(shí)現(xiàn)。

1 群控系統(tǒng)架構(gòu)

數(shù)據(jù)中心冷凍站的群控控制,能避免傳統(tǒng)冷凍站控制器配置由單點(diǎn)故障、配置有誤引起的停機(jī)無法供冷現(xiàn)象。 數(shù)據(jù)中心冷凍站的群控控制系統(tǒng)與冷凍站內(nèi)水系統(tǒng)的系統(tǒng)架構(gòu)相一致,使冷凍站自控系統(tǒng)與數(shù)據(jù)中心冷凍站系統(tǒng)可靠性設(shè)置相匹配,并對系統(tǒng)中的傳感器和電源進(jìn)行冗余設(shè)置,以提高冷凍站控制系統(tǒng)的可靠性,保障數(shù)據(jù)中心的安全性和穩(wěn)定性。 數(shù)據(jù)中心冷凍站的群控系統(tǒng)如圖3 所示。

圖3 數(shù)據(jù)中心冷凍站的群控系統(tǒng)形式

架構(gòu)說明:(1)冷凍站群控系統(tǒng)為每個(gè)冷凍單元設(shè)置了單元控制器, 并設(shè)置了一個(gè)群控控制器來統(tǒng)一管理各個(gè)單元控制器,群控控制器及各單元控制器在網(wǎng)絡(luò)層面完全獨(dú)立,這些控制器均有獨(dú)立的CPU 和控制程序及網(wǎng)口,任何一個(gè)控制器出現(xiàn)故障均不影響其他控制器的正常工作。

(2)單元控制器通過對群控控制器的“心跳”信號進(jìn)行檢測,來決定群控控制器發(fā)出的控制命令的有效性,當(dāng)“心跳”信號失效時(shí),單元控制器將繼續(xù)執(zhí)行該信號失效前的控制指令,以此來避免錯(cuò)誤控制命令的執(zhí)行,“心跳”信號形式如圖4 所示。

圖4 “心跳”信號形式

(3)群控控制器通過檢測單元控制器的反饋信號確保控制命令有效執(zhí)行,同時(shí)以此來確保當(dāng)某單元控制器故障時(shí)其他無故障的冷凍單元可以被及時(shí)調(diào)用,以此確保控制系統(tǒng)的冗余設(shè)置與冷凍站內(nèi)設(shè)備冗余設(shè)置相一致,使冷凍站系統(tǒng)冗余得以真正實(shí)現(xiàn)。

(4)所有控制器均由來自兩套不同低壓系統(tǒng)的UPS 供電,避免因供電引起的單點(diǎn)故障。

(5)直接連接至群控控制器的各傳感器均進(jìn)行冗余設(shè)置,避免因傳感器故障引起的用于控制策略計(jì)算的參數(shù)采集錯(cuò)誤和因傳感器故障引起的單點(diǎn)故障。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)配置說明

上圖3 所示數(shù)據(jù)中心冷凍站的群控系統(tǒng)由群控控制器、單元控制器及監(jiān)控的冷凍站設(shè)備組成。 系統(tǒng)中設(shè)置了一個(gè)群控控制器用于對各單元控制器進(jìn)行管理。 群控控制器的主要作用包括三點(diǎn):(1)根據(jù)末端采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算來決定啟動(dòng)幾臺(tái)冷凍單元;(2)運(yùn)行過程中當(dāng)單元控制器控制的設(shè)備故障時(shí),群控控制器負(fù)責(zé)對故障設(shè)備進(jìn)行替換;(3)運(yùn)行過程中,通過群控控制器來控制各冷凍單元,從而實(shí)現(xiàn)冷凍站運(yùn)行過程中的輪詢功能。

數(shù)據(jù)中心機(jī)房的群控系統(tǒng)中的單元控制器與冷凍站中設(shè)置的冷凍單元一一對應(yīng),即一臺(tái)單元控制器對應(yīng)一套冷凍單元。 此單元控制器的主要作用包括控制對應(yīng)冷凍單元的啟停,即控制冷凍單元內(nèi)部冷機(jī)、水泵、閥門等的聯(lián)動(dòng)啟停;當(dāng)冷凍單元成功運(yùn)行時(shí),單元控制器應(yīng)發(fā)送運(yùn)行狀態(tài)信號到群控控制器;當(dāng)冷凍單元運(yùn)行出現(xiàn)故障時(shí),單元控制器應(yīng)向群控控制器發(fā)送故障狀態(tài)反饋。

上述系統(tǒng)的控制器彼此獨(dú)立,控制程序也彼此獨(dú)立,群控控制器與單元控制器之間僅為物理層面的協(xié)同工作關(guān)系。 群控管理控制程序運(yùn)行在群控控制器中,單元控制器控制程序運(yùn)行在單元控制器中,每個(gè)控制器的控制程序均可以獨(dú)立運(yùn)行,運(yùn)行程序之間互不依賴。 當(dāng)一套單元控制器出現(xiàn)故障時(shí),其他單元控制器可以依照其內(nèi)部的程序代碼保持運(yùn)行。

上圖4 所示群控控制器需向單元控制器發(fā)送類似于正弦波的模擬量“心跳”信號,來供單元控制器判斷群控控制器是否正常運(yùn)行,單元控制器通過檢測接收到的實(shí)時(shí)“心跳”信號的形式,來判斷群控控制器的運(yùn)行是否正常。 當(dāng)實(shí)時(shí)接收的“心跳”信號數(shù)值與上一時(shí)刻接收的數(shù)值不同時(shí),單元控制器則認(rèn)為群控控制器此刻運(yùn)行良好,其將執(zhí)行此刻群控控制器發(fā)出的控制命令。 當(dāng)實(shí)時(shí)接收的“心跳”信號數(shù)值與上一時(shí)刻接收的數(shù)值相同時(shí),單元控制器則認(rèn)為群控控制器此刻運(yùn)行故障,其將不執(zhí)行此刻群控控制器發(fā)出的控制命令,且繼續(xù)執(zhí)行上一時(shí)刻群控控制器發(fā)出的控制命令。 此后,單元控制器將繼續(xù)監(jiān)聽群控控制器發(fā)出的“心跳”信號,直至“心跳”信號恢復(fù)正常,單元控制才開始執(zhí)行新接收的群控控制器發(fā)出的控制命令。 心跳信號的實(shí)施主要用于避免群控控制器故障時(shí),單元控制器接收到了群控控制器的錯(cuò)誤命令,從而影響整個(gè)系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

圖5 所示群控控制器向單元控制器發(fā)送和接收的信號主要有:群控控制器管理冷凍單元的啟/停信號、群控控制器通知單元控制器的“心跳”信號、單元控制器向群控控制器反饋的狀態(tài)運(yùn)行信號、單元控制器向群控控制器反饋的故障信號。 啟動(dòng)一臺(tái)冷凍單元的工作流程為:(1)群控控制器向單元控制器發(fā)送心跳信號;(2)群控控制器通過到冷凍單元的啟/停信號的開/閉狀態(tài)來告知單元控制器是否開始運(yùn)行;(3)單元控制器接收到群控控制器的啟動(dòng)信號后開始核實(shí)群控控制器的心跳是否存在,當(dāng)心跳正常時(shí),單元控制器通過其內(nèi)部的程序控制其對應(yīng)的冷凍單元開始運(yùn)行;(4)當(dāng)單元控制器成功啟動(dòng)冷凍單元時(shí),單元控制器將發(fā)給群控控制器狀態(tài)運(yùn)行成功反饋;(5)當(dāng)單元控制器未能成功啟動(dòng)冷凍單元或在運(yùn)行過程中冷凍單元出現(xiàn)故障時(shí),單元控制器將撤銷發(fā)送給群控控制器的運(yùn)行狀態(tài)信號,同時(shí)將故障信號反饋到群控控制器。

圖5 群控控制器與單元控制器信號類型

數(shù)據(jù)中心機(jī)房的群控系統(tǒng)中,群控控制器連接的各類傳感器均采用冗余配置,且所有的傳感器均為熱備形式,以減少因傳感器故障引起的單點(diǎn)故障。 當(dāng)任一傳感器的范圍超過校驗(yàn)的量程時(shí),群控控制器將使用備用的傳感器數(shù)值進(jìn)行計(jì)算,當(dāng)主、備傳感器均出現(xiàn)故障時(shí),系統(tǒng)則固定運(yùn)行在失效前的運(yùn)行狀態(tài)。

上述系統(tǒng)的所有控制器均采用來自2 套不同低壓系統(tǒng)的UPS(不間斷電源)電源進(jìn)行供電,確保其中一路電源故障時(shí),控制器可以正常運(yùn)行,避免因供電引起的單點(diǎn)故障。

3 系統(tǒng)運(yùn)行控制邏輯

冷凍站的群控系統(tǒng)將每套制冷單元定義為一個(gè)控制單元,為每套冷凍單元設(shè)置一個(gè)獨(dú)立的單元控制器,同時(shí)設(shè)置一個(gè)群控控制器對單元控制器進(jìn)行管理,上述控制器在網(wǎng)絡(luò)上完全獨(dú)立,每個(gè)控制器均可獨(dú)立運(yùn)行。 群控控制器通過檢測室外濕球及干球溫度、主管道流量、主管道供回水溫度、壓力等參數(shù)進(jìn)行計(jì)算,根據(jù)二次側(cè)負(fù)荷通過單元控制器對冷凍單元進(jìn)行控制。 系統(tǒng)處于自動(dòng)控制狀態(tài)時(shí),群控控制器通過采集安裝在冷凍水主管上的溫度傳感器和流量計(jì)的數(shù)值數(shù)據(jù),運(yùn)算得出冷凍水系統(tǒng)末端負(fù)荷值。 群控控制器將根據(jù)實(shí)時(shí)測得的末端負(fù)荷和用戶最初設(shè)置的加載冷量值和減載冷量值進(jìn)行比較,通過單元控制器對各冷凍單元進(jìn)行加減載控制。

當(dāng)測得冷凍水的末端負(fù)荷大于冷凍單元的名義制冷量的加載冷量值,并且持續(xù)時(shí)間超過設(shè)定時(shí)間時(shí),系統(tǒng)將根據(jù)啟動(dòng)策略加載一臺(tái)處于備用狀態(tài)的冷凍單元。 此時(shí),群控控制器向備用冷凍單元控制器發(fā)送冷凍單元啟動(dòng)信號,單元控制器接收信號后依據(jù)冷凍單元啟動(dòng)策略開啟其控制的冷凍單元。單元控制器成功啟動(dòng)其控制的冷凍單元后將反饋該冷凍單元的狀態(tài)信號給群控控制器。 加載成功后,系統(tǒng)的制冷量將增加,但當(dāng)所有開啟的冷凍單元的制冷量仍小于末端負(fù)荷,且末端負(fù)荷達(dá)到此時(shí)的加載制冷量值,持續(xù)時(shí)間超過設(shè)定時(shí)間時(shí),群控控制器將向下一個(gè)備用冷凍單元控制器發(fā)送冷凍單元啟動(dòng)信號,依次進(jìn)行,直至所有冷凍單元都處于運(yùn)行狀態(tài)。

當(dāng)測得冷凍水的末端負(fù)荷小于冷凍單元的名義制冷量的減載冷量值,并且持續(xù)時(shí)間超過設(shè)定時(shí)間時(shí),系統(tǒng)將根據(jù)停止策略減載一臺(tái)處于運(yùn)行狀態(tài)的冷凍單元。 此時(shí),群控控制器向其中一臺(tái)運(yùn)行冷凍單元控制器發(fā)送冷凍單元停止信號,單元控制器接收信號后依據(jù)冷凍單元停止策略停止其控制的冷凍單元。 單元控制器成功停止其控制的冷凍單元后將反饋該冷凍單元的狀態(tài)信號給群控控制器。減載成功后,系統(tǒng)的制冷量將減少,但當(dāng)所有開啟的冷凍單元的制冷量仍大于末端負(fù)荷,且此時(shí)末端負(fù)荷達(dá)到此時(shí)的減載制冷量值,持續(xù)時(shí)間超過設(shè)定時(shí)間時(shí),群控控制器將向下一個(gè)運(yùn)行的冷凍單元控制器發(fā)送冷凍單元停止信號,依次進(jìn)行直至減載到運(yùn)行的冷凍單元個(gè)數(shù)達(dá)到程序規(guī)定的最小值。

系統(tǒng)中群控控制器在系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)需根據(jù)檢測到各冷凍單元運(yùn)行情況對運(yùn)行中的冷凍單元進(jìn)行故障替換。 當(dāng)某冷凍單元出現(xiàn)故障時(shí),系統(tǒng)將按照故障輪詢策略,啟動(dòng)一臺(tái)備用冷凍單元。 只有當(dāng)新開啟的冷凍單元啟動(dòng)成功,且狀態(tài)得到確認(rèn)后,才允許關(guān)閉故障冷凍單元。

在這樣的群控架構(gòu)下,當(dāng)群控控制器故障時(shí),單元控制器通過監(jiān)測心跳繼續(xù)保持運(yùn)行;當(dāng)單元控制器故障時(shí),群控控制器放棄故障冷凍單元,額外開啟一臺(tái)備用的冷凍單元來替代故障的冷凍單元。

系統(tǒng)中群控控制器在系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)需根據(jù)各冷凍單元的運(yùn)行時(shí)間長短進(jìn)行輪詢,當(dāng)運(yùn)行時(shí)間最長的冷凍單元與停止運(yùn)行的冷凍單元運(yùn)行時(shí)長比較后達(dá)到設(shè)定值時(shí),群控控制器將會(huì)開啟停止運(yùn)行時(shí)間最長的冷凍單元,當(dāng)次冷凍單元成功運(yùn)行后,群控控制器將會(huì)關(guān)閉已經(jīng)運(yùn)行時(shí)間最長的冷凍單元,從而保證各冷凍單元均保持合理的時(shí)間運(yùn)行。

4 結(jié)束語

以上主要對數(shù)據(jù)中心冷凍站的群控系統(tǒng)的架構(gòu)設(shè)計(jì)、控制點(diǎn)及運(yùn)行控制邏輯進(jìn)行了說明和描述,除此之外,群控系統(tǒng)還包括了各設(shè)備的報(bào)警信息、設(shè)備遠(yuǎn)程手自動(dòng)操作、設(shè)備設(shè)定值等功能。 群控系統(tǒng)能避免傳統(tǒng)冷凍站群控中由單點(diǎn)故障、配置混亂引起的系統(tǒng)運(yùn)行不便、停機(jī)等現(xiàn)象,從而提高數(shù)據(jù)中心冷凍站控制系統(tǒng)的可靠性。 總之,隨著數(shù)據(jù)中心規(guī)模的不斷擴(kuò)大,自控技術(shù)的不斷創(chuàng)新,對數(shù)據(jù)中心各設(shè)備的控制將越來越靈活,對數(shù)據(jù)中心各設(shè)備做到精準(zhǔn)控制,必將極大地提高數(shù)據(jù)中心的安全性和可靠性。