基于PLC的數據中心冷源群控系統應用研究

黎學超， 徐志勇

(1. 中國人民大學，北京 100872； 2. 天地科技股份有限公司，北京 100013)

0 引言

伴隨5G通信技術、云計算和物聯網等大數據技術的蓬勃發展，數據中心的重要性日益凸顯，而數據中心的“心臟”——冷源系統就更為重要。采用基于PLC的數據中心冷源群控系統無論是在安全性、可靠性還是在高效、節能方面都有著不可替代的作用。

1 冷源群控系統

1.1 PLC的定義及特點

可編程控制器(Programmable Logic Controller，PLC)被IEC定義為一種可用在工業場景的數字電子設備；內部采用可編程的存儲器，可進行邏輯運算、過程控制、定時、計數和算術運算等操作；通過數字量或模擬量輸入端接收外部信號或操作指令，內部程序運行后從數字量或模擬量輸出端輸出需要的信號；可通過擴展接口連接擴展單元，以增強和擴展功能，可通過通信接口與其他設備進行通信。PLC特點：通用性好，可靈活性應用，控制邏輯程序易修改，易使用；高可靠性，使用性能穩定，不易干擾；功能強，適應范圍廣；系統設計、調試周期短；PLC控制系統的故障少、維修方便。

1.2 冷源群控系統的定義及功能

該系統可根據數據中心內IT冷負荷的需求，監控多組高壓冷水機組及其配套水泵、板式換熱器等設備，通過群控策略及控制算法調節高壓冷水機組及其配套冷源設備的合理運行?，F場控制層的各類設備的輸入輸出信號及各類傳感器信號上傳至主控制器，通過外部條件及控制策略控制冷源相關設備，使其達到滿足負荷需求下的最大節能控制狀態，從而節約能源。

該系統的功能為系統動態圖象顯示、冷源設備的啟停控制與監視、冷源設備參數的采集與控制，非正常狀態的設備參數報警、告警信息的呈現等。

1.3 數據中心及冷源群控系統等級

T1數據中心可接受數據業務的計劃性和非計劃性中斷的影響。T2數據中心的設備具有組件冗余功能，以減少計劃性和非計劃性的系統影響。T3數據中心允許支撐系統設備任何計劃性的動作而不中斷數據業務。T4數據中心提供基礎設施容量和能力，允許任何有計劃的活動而不會中斷臨界的負荷。冷源群控系統等級配置情況詳見表1。

冷源群控系統等級配置 表1

2 冷源群控系統方案對比

2.1 高性能分布式方案(T1、T2標準)

方案一：管理網絡層設置服務器及客戶端，控制網絡層設置單PLC控制器，通過交換機與管理網絡層實現通訊，現場網絡層由現場總線模塊、I/O擴展模塊及通訊模塊組成，實現現場冷源設備信息和傳感器參數的采集。現場網絡層通過以上不同模塊的組合，分別構成二次泵控制單元、冷水機組控制單元、冷卻塔控制單元及蓄冷罐控制單元等。系統特點為多個冷凍單元共用一臺主控制器，整個系統采用單處理器，網絡路由串連，處理器及網絡存在單點故障。

方案二：管理網絡層設置服務器及客戶端，控制網絡層以控制單元為單位設置PLC控制器，通過交換機與管理網絡層實現通訊，現場網絡層由控制器、I/O擴展模塊及通訊模塊組成，實現現場冷源設備信息的采集、傳感器參數的采集。以PLC控制器、I/O擴展模塊及通訊模塊組成二次泵控制單元、冷水機組控制單元、冷卻塔控制單元及蓄冷罐控制單元等。系統特點為每組冷凍單元主控制器為單處理器，單一網絡路由，網絡存在單點故障。

2.2 冗余方案(T3、T4標準)

管理網絡層設置服務器及客戶端，服務器采用雙機熱備；控制網絡層設置兩臺冗余PLC控制器，通過交換機與管理網絡層實現通訊；現場網絡層由現場總線模塊、I/O擴展模塊及通訊模塊組成，實現現場冷源設備信息和傳感器參數的采集。以兩臺現場總線模塊、I/O擴展模塊及通訊模塊組成二次泵控制單元、冷水機組控制單元、冷卻塔控制單元及蓄冷罐控制單元等，通過多臺現場總線模塊實現現場設備信息采集的雙路由。系統特點為主控制器采用冗余處理器，網絡路由及通信模塊均采用冗余配置，系統可靠性提高。

3 基于PLC的數據中心冷源群控系統架構

3.1 系統架構

采用集散式控制系統(管理網絡層、控制網絡層及現場網絡層)，實現集中操作管理和分散就地控制。冷源群控系統架構示意圖詳見圖1。

圖1 冷源群控系統架構圖

管理網絡層：由服務器、客戶端和管理軟件組成，主要功能是對制冷機房冷源設備的運行進行集中管理、監控并完成與其他智能機電設備的集成。網絡支持國際標準通訊協議，可分析歷史數據、能源管理和遠程信息監測，同時可實現數據開放。

控制網絡層：實現承上啟下的連接作用，具備數據的存儲和處理功能，為現場控制層和管理層作數據備份。

現場網絡層：由實時性強的現場控制器組成，輸入輸出點通過控制器完成對監控系統中需要被監控設備和控制點的匹配，并采集現場信號。現場控制層采集的各種信息進行存儲、實時處理、分析和輸出，并負責將控制命令發送至前端智能模塊，最終將報警信息上傳至管理層?，F場控制層應具備本地存儲、脫網運行、獨立報警能力，網絡故障時現場控制層各設備仍能正常運行。群控系統支持PROFIBUS、PROFINET、ISO協議、MODBUS及OPC等兼容工業最常用的標準協議。

3.2 網絡架構

網絡由管理網絡層及現場網絡層構成兩級網絡。其中，一級網絡為管理網絡層網絡，實現管理網絡層和控制網絡層之間數據交換，通過六類四對UTP電纜或光纖實現物理連接，采用TCP/IP協議，一級網絡的構成方式為單/雙路由或環形交換網絡、單/雙路由設備網絡。二級網絡為現場網絡層網絡，實現控制網絡層和現場網絡層之間的數據交換，二級網絡的構成方式為單一、冗余及環形總線等。

4 應用案例

4.1 工程概況及系統簡介

本工程制冷系統為二次泵系統，控制對象包括6臺高壓冷水機組、6臺板式換熱器、6臺冷凍水一次泵、12臺冷凍水二次泵、6組冷卻塔、若干電動閥門、水處理器、定壓補水裝置、冷凍水補水軟化設備及變頻供水設備等。

4.2 冷源群控系統硬件設計

(1)系統硬件組成

PLC控制器、總線適配器、輸入/輸出模塊、接口及通信模塊、工業交換機、服務器及客戶端等。

(2)冷源群控系統設計

該系統包括：1)1臺群控控制器單元，控制所有冷凍單元；2)6臺冷水機組組成6個控制單元，每組冷凍單元包含冷水機組、冷凍水一次泵、板式換熱器、冷卻水循環泵、電子水處理器；3)6組冷卻塔組成1個控制單元，控制所有冷卻塔的運行；4)12臺二次泵組成1個控制單元，控制所有二次泵的運行；5)蓄冷罐、配套電加熱、冷卻塔、定壓、軟化水補水泵組成一個控制單元，控制相關設備的運行，合計10組控制單元組成該冷源群控系統；網絡采用光纖環網系統，主控制器采用冗余控制器，服務器采用雙機熱備，并預留上傳DCIM平臺接口。

其中，管理層網絡包括主備服務器、客戶端與工業核心交換機等?？刂凭W絡層包括交換機、PLC冗余控制器及控制柜等?？刂茖泳W絡包括控制柜、控制柜觸摸屏、輸入/輸出模塊、通訊模塊、電源模塊及接口模塊等。

4.3 冷源群控系統軟件平臺

冷源群控系統平臺功能包括系統界面、故障管理、報警管理、數據報表、參數設置、監控通訊界面等；動態顯示狀態界面，角色權限管理；暖通與電氣主要設備控制；冷水系統的水流程圖；各機電設備具備獨立設置顯示及控制界面，顯示本地溫度及濕度。

4.4 冷源群控對象軟件控制邏輯

(1)群控控制器的控制

采集室外干球及濕球溫度、冷凍水供回水參數(如溫度、壓力、流量)、蓄冷罐水管的流量等參數上傳至冷源群控系統，通過群控系統邏輯計算并判斷各單元控制器執行機械制冷工況、部分自由冷卻工況、完全自由冷卻工況切換，采集各單元控制器的狀態反饋信號。

1)每臺冷水機組的控制與冷凍水泵、冷卻水泵和冷卻塔連鎖對應控制。

2)一旦選擇的冷水機組運行，出廠時安裝的控制器將維持冷凍水供水溫度在14℃(可調)。

3)檢測制冷單元組的運行時間，對其進行均一化管理，即優先啟動累計運行時間較短的制冷單元組，優先關閉累計運行時間較長的制冷單元組，以保證所有的制冷單元組運行時間基本一致。

4)加減機策略：冷水機組根據冷凍水的供/回水溫度、冷水機組電流自動選擇冷水機組運行臺數，以便達到最佳的節能狀態。加機策略：冷凍水泵頻率達到45Hz，且供水溫度>15℃(可調)并持續15min(可調)，加機；減機策略：各冷水機組運行電流與額定電流比值之和除以(運行臺數-1)的商值<80%(可調)，并持續15min(可調)，減機。

(2)冷凍單元控制器的控制

每套冷凍單元設置獨立的網絡控制器，主要控制冷水機組、板式換熱器、冷凍水泵、冷卻水泵、電子廣譜感應水處理器、全自動加藥裝置、用電動閥門及各類傳感器等。冷機自身控制器可采用兩種通訊模式與冷凍單元通訊，總線通訊及干接點模式，均由冷水機組自帶控制器提供智能接口或是干接點信號。

(3)水泵的控制

水泵控制器為冗余控制器，互為熱備，兩臺控制器實時同步。當主控制器故障時，備控制器自動投入，且能保持之前的狀態。

1)冷凍水泵變速控制：通過測量分集水器兩側的壓差，并與其設定值比較，調節水泵轉速。冷凍水泵運行狀態參數可以在變頻器控制盤上顯示并輸出至制冷單元控制器。

2)冷卻水泵變速控制：冷卻水泵僅在完全自然冷卻工況下變頻，控制器根據板換側冷凍水設定溫度(14℃)進行變頻。在機械制冷工況及部分自然冷卻工況下冷卻水泵工頻運行。

3)冷凍水壓差旁通閥流量控制：當僅有一臺冷機運行，冷凍水泵根據分集水器兩側的壓差變頻調節至25Hz(可調)且壓差仍然較大時，維持水泵頻率25Hz(可調)不變，開啟分集水器間的壓差旁通閥，旁通閥開度由壓差信號調節，以維持壓差平衡及冷機最低流量。

(4)蓄冷罐控制器的控制

1)蓄冷罐內每隔0.6m設置一個溫度傳感器，監測溫躍層，從而監測可用冷凍水量。通過一、二次側的水流量(分別表示為a、b)判斷蓄冷罐的流量，當b

2)蓄冷罐的流入或流出水的方向及流量由雙向流量計監測，從而判斷蓄冷罐的“充冷”與“放冷”模式?！俺淅洹蹦Ｊ剑涸谡＜俺Ｒ庍\行狀態下；“放冷”模式：當冷源提供的冷凍水不足時；“超級充冷”模式：當蓄冷罐放冷時，溫躍層體現蓄冷罐備份水量的降低，當備份水量降低至蓄冷罐底部約1/3處的溫度為設計回水溫度時。

當在“超級充冷”模式時，蓄冷罐控制器通過硬接線通知群控控制器，群控控制器發送啟動命令至備用冷凍單元，為蓄冷罐提供超級充冷。當溫躍層溫度指示冷凍水回水溫度已恢復，若距蓄冷罐頂10%處的溫度為設計回水溫度值，則退出“超級充冷”模式。

(5)冷卻塔控制器的控制

1)控制器可以根據設定的冷卻塔并聯模式，對全部冷卻塔進行分組，實現一套冷凍單元對應多臺冷卻塔的控制方式。

2)冷卻塔風機根據設定的冷卻水出水溫度進行變頻調節，在機械制冷工況下，冷卻水出水溫度設定為室外濕球加4℃(可調)；在部分自由冷卻工況下，冷卻水出水溫度設置為板換冷凍水回水溫度減2℃(可調)；自然冷卻模式下，冷卻水出水溫度設定為12℃(可調)。

3)冷卻塔風機啟動控制：接到制冷單元控制器的啟動命令后，與之對應的冷卻塔風機處于相同轉速，風機以產品允許的最小轉速啟動，當所有風機確認運行狀態后，風機根據需要運行在同一轉速，維持冷卻水出水溫度在設定點，當室外干球溫度低于-5℃(可調)，冷卻塔集水盤內溫度低于7℃(可調)時，控制風機減載，減載的風機15min(可調)內不允許再次啟動。

4)冷卻塔集水盤液位由冷卻塔自帶液位傳感器監測，并輸出至制冷單元控制器。

5)機械制冷工況下，冷卻塔出水溫度大于室外濕球加6℃(可調)并持續15min(可調)，聲光報警至前端。完全自然冷卻工況下，冷卻塔出水溫度大于12℃(可調)并持續15min(可調)，聲光報警至前端。

6)冷源群控系統在每個冷機頂部設置一個冷媒泄漏濃度探測器，當發生冷媒泄漏時，立即開啟對應的風閥及排風機(同開同關)，并在前端報警。

5 結束語