基于運(yùn)維的數(shù)據(jù)中心冷源集群控制仿真系統(tǒng)

摘? 要：大型數(shù)據(jù)中心投產(chǎn)后，運(yùn)維人員需要有一個模擬環(huán)境來解決一系列冷源群控系統(tǒng)的問題，如研究節(jié)能控制策略為降低PUE貢獻(xiàn)價值;調(diào)測優(yōu)化后的自控程序以提高新程序執(zhí)行的可靠性;升級更友好的運(yùn)維人機(jī)界面以提升運(yùn)維效率;提供自控系統(tǒng)操作和學(xué)習(xí)的途徑以提升一線運(yùn)維人員的操作能力等。將以國內(nèi)某數(shù)據(jù)中心冷源群控仿真系統(tǒng)為例來闡述此類系統(tǒng)的功能、構(gòu)成、特點及應(yīng)用實踐，以期為運(yùn)維管理者提供對應(yīng)的解決方案。

關(guān)鍵詞：運(yùn)維;數(shù)據(jù)中心;冷源集群控制;仿真系統(tǒng)

中圖分類號：TP391.9? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：2096-4706（2021）22-0020-04

Abstract： After the large data center is put into operation， the operation and maintenance personnel need a simulation environment to solve a series of problems of cold source cluster control system， such as studying the energy-saving control strategy to contribute value to reducing PUE; adjust and measure the optimized automatic control program to improve the reliability of the implementation of the new program; upgrade more friendly operation and maintenance man-machine interface to improve operation and maintenance efficiency; provide automatic control system operation and learning ways to improve the operation ability of front-line operation and maintenance personnel， etc. Taking the cold source cluster control simulation system of a domestic data center as an example， this paper expounds the function， composition， characteristics and application practice of this kind of system， in order to provide corresponding solutions for operation and maintenance managers.

Keywords： operation and maintenance; data center; cold source cluster control; simulation system

0? 引? 言

大型數(shù)據(jù)中心的制冷需求龐大，冷源系統(tǒng)會按照N+X或2N的架構(gòu)進(jìn)行設(shè)計，單棟樓冷凍站內(nèi)設(shè)置多臺冷水機(jī)組已是標(biāo)準(zhǔn)配置，跨樓棟各冷凍站聯(lián)動供冷也已在超大型數(shù)據(jù)中心中有所應(yīng)用，與此對應(yīng)的冷源集群控制（以下簡稱冷源群控）系統(tǒng)的架構(gòu)一般會考慮冗余或容錯[1]其控制邏輯越發(fā)復(fù)雜。系統(tǒng)投產(chǎn)后，根據(jù)實際自控運(yùn)行工況和運(yùn)維人員使用情況的反饋，我們會發(fā)現(xiàn)自控程序、人機(jī)互動界面等均會產(chǎn)生改進(jìn)需求，同時還會發(fā)現(xiàn)一些程序BUG需要修復(fù)。此時如要對原冷源群控系統(tǒng)進(jìn)行升級，首先需要申請合適的停機(jī)窗口期，其次需要在變更階段進(jìn)行大量的測試驗證工作，這對需要滿足容錯的A級數(shù)據(jù)中心[2]來說壓力巨大。如何能夠縮短停機(jī)窗口期、減少變更工作從而有效降低系統(tǒng)變更的風(fēng)險是我們需要重點考慮的問題。筆者將以國內(nèi)某數(shù)據(jù)中心冷源群控仿真系統(tǒng)的搭建為例，來探討此類問題的解決方案。

1? 冷源群控仿真系統(tǒng)的功能

1.1? 冷源系統(tǒng)設(shè)備狀態(tài)的模擬

冷源系統(tǒng)的主要設(shè)備一般分為冷水機(jī)組、冷凍水泵、冷卻水泵、冷卻塔、各類電動閥和傳感器，需要通過仿真硬件組成模擬屏代替這些真實設(shè)備，實現(xiàn)所有控制和反饋信號的模擬，并可采用仿真軟件根據(jù)需求設(shè)置這些信號，從而仿真設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。

1.2? 控制系統(tǒng)界面和自控程序的模擬

控制系統(tǒng)的仿真需要無差別顯示投產(chǎn)自控系統(tǒng)的軟件控制界面，流暢運(yùn)行已投用的自控程序。在仿真系統(tǒng)內(nèi)完成自控界面調(diào)優(yōu)和程序優(yōu)化調(diào)測后可反向無障礙替換至已投產(chǎn)系統(tǒng)。

1.3? 訓(xùn)練和教學(xué)

可將仿真系統(tǒng)用于冷源自控系統(tǒng)運(yùn)維教學(xué)與操作訓(xùn)練，提升運(yùn)維人員的操作技能。

2? 冷源群控仿真系統(tǒng)的構(gòu)成

系統(tǒng)由現(xiàn)場層、控制層和管理層三部分組成。現(xiàn)場層實現(xiàn)冷源系統(tǒng)設(shè)備的模擬，可以接受控制系統(tǒng)發(fā)出的控制信號，并根據(jù)仿真邏輯反饋系統(tǒng)運(yùn)行信息;控制層采用與投產(chǎn)冷源自控系統(tǒng)完全一致的自控設(shè)備并配置相關(guān)接口轉(zhuǎn)換部件和網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備;管理層設(shè)置兩臺工作站，其中一臺工作站模擬控制系統(tǒng)的服務(wù)器和工程師站，可以完成系統(tǒng)編程、上位機(jī)監(jiān)控等功能，另一臺工作站部署現(xiàn)場層仿真系統(tǒng)的上位軟件，進(jìn)行仿真邏輯配置，并對仿真系統(tǒng)中的各參量進(jìn)行設(shè)置，仿真系統(tǒng)架構(gòu)圖如圖1所示。

2.1? 硬件構(gòu)成

2.1.1? 管理層

管理層工作站分別命名為中央控制站和仿真操作站，均配置六核處理器和獨立顯卡以保證系統(tǒng)經(jīng)過多次開發(fā)和升級后仍能運(yùn)行及顯示流暢。在中央控制站中使用VMware虛擬機(jī)技術(shù)，虛擬出冷源群控的主、備服務(wù)器，配合雙屏顯示可仿真已投產(chǎn)系統(tǒng)的雙機(jī)熱備功能。為滿足多虛擬機(jī)同時運(yùn)行，內(nèi)存需擴(kuò)容至64 GB。

2.1.2? 控制層

控制層采用與本數(shù)據(jù)中心一致的PLC控制系統(tǒng)，除具有傳統(tǒng)的邏輯控制功能外，還具有數(shù)字運(yùn)算、數(shù)據(jù)傳送和處理的能力[3]，模塊化產(chǎn)品可根據(jù)各種過程處理設(shè)備對于控制和數(shù)據(jù)管理的需要進(jìn)行組合。該系統(tǒng)主要由機(jī)架、電源模塊、CPU模塊、IO模塊和現(xiàn)場接線端子等組成。通過對應(yīng)板卡實現(xiàn)模擬量信號、開關(guān)量信號的數(shù)據(jù)采集和對受控設(shè)備的遠(yuǎn)程控制。

模擬量采集信號（AI信號）采用16路高電平模擬輸入模塊，可配置16個電壓或電流點，本項目中所有AI信號均為4～20 mA的直流信號。

模擬量控制信號（AO信號）采用16路模擬輸出模塊，提供16個隔離的0～20 mA輸出，可以應(yīng)對每個輸出縮放到此量程內(nèi)的直流信號。

開關(guān)量采集信號（DI信號）采用直流電壓類型的32路數(shù)字輸入模塊，它們分離成2組，每組16個通道，每通道都有一對用于接口連接的螺旋端子。在公共端子和任一輸入端子之間施加10 VDC～32 VDC電壓，則輸入開啟，同時點亮模塊對應(yīng)的通道上綠色指示燈。

開關(guān)量控制信號（DO信號）采用直流電壓數(shù)字輸出模塊，其提供的32個輸出同樣分離成2組，每組16個通道。輸出通道需由外部供電，每一組均有一對螺旋端子，用于+V和COM連接。輸出為高側(cè)開關(guān)（電源）類型。

2.1.3? 現(xiàn)場層

現(xiàn)場層采用模擬工藝屏方式，可以實時修改并顯示控制系統(tǒng)中的溫度、壓力、流量、壓差、電流百分比、頻率等參數(shù)。同時將數(shù)據(jù)傳給PLC控制系統(tǒng)，采用4～20 mA標(biāo)準(zhǔn)信號。

模擬屏能仿真所需控制信號，包括啟停控制、開度控制和變頻控制，可實時修改并顯示設(shè)備故障、運(yùn)行、手自動等反饋信號。同時將上述設(shè)備狀態(tài)實時傳輸給控制層。通訊采用RS485和TCP/IP接口，支持ModbusRTU、ModbusTCP標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議。

模擬量信號使用顯示儀表和信號生成儀表定制開發(fā)，顯示儀表可以接收4～20 mA模擬量輸入信號并顯示數(shù)據(jù)，信號生成儀表可以生成4～20mA信號，并在數(shù)碼管上顯示實際所需數(shù)據(jù)。

2.2? 軟件構(gòu)成

軟件系統(tǒng)主要由控制系統(tǒng)程序設(shè)計軟件、上位機(jī)控制應(yīng)用軟件、仿真系統(tǒng)軟件和考核信息管理軟件等四部分構(gòu)成。

2.2.1? 控制系統(tǒng)編程軟件

控制系統(tǒng)采用定制組態(tài)程序軟件編寫PLC控制邏輯，該軟件基于Windows系統(tǒng)易于操作，可提供模塊化設(shè)計，通過以太網(wǎng)或RS232端口連接控制器進(jìn)行組態(tài)的下載、上傳和在線監(jiān)視，其規(guī)格可以滿足多種過程設(shè)備的控制和數(shù)據(jù)管理需求，從而實現(xiàn)在線組態(tài)下載、故障監(jiān)視和問題排查功能。

通過上述編程軟件，根據(jù)實際冷源控制邏輯，完成冷源自控系統(tǒng)仿真控制程序的編寫和調(diào)試，實現(xiàn)系統(tǒng)手動、半自動和全自動運(yùn)行。

仿真冷源自控邏輯主要實現(xiàn)以下控制目標(biāo)，須保證與已用程序完全一致：

（1）冷凍水供水溫度和壓力控制;

（2）冷水機(jī)組加減載：通過供回水的溫度和回水流量計算現(xiàn)場冷量需求并控制冷水機(jī)組投入使用的臺數(shù);

（3）冷卻水供應(yīng)溫度控制：利用冷卻塔風(fēng)機(jī)的開關(guān)確保冷卻水供應(yīng)溫度達(dá)到設(shè)定值，保證冷機(jī)正常運(yùn)行;

（4）自然冷卻的冷卻水供水溫度控制：通過冷卻塔風(fēng)機(jī)的開關(guān)和投入自然冷卻的板換使用數(shù)量，保證其供水溫度達(dá)到設(shè)定值，并最大限度使用自然冷卻的冷卻水;

（5）蓄冷罐系統(tǒng)的投用和退出，保證事故情況下末端能夠連續(xù)制冷;

（6）設(shè)備發(fā)生故障后及時啟動備用設(shè)備或者系統(tǒng)，保證冷源正常供冷;

（7）冷凍水旁通閥控制：通過供水壓差控制旁通閥，確保系統(tǒng)供回水壓差在正常范圍內(nèi);

（8）冷卻水旁通閥控制：保證冷卻水供回水溫度不低于冷機(jī)系統(tǒng)的最低使用要求。

2.2.2? 上位機(jī)監(jiān)控軟件

仿真系統(tǒng)的上位機(jī)軟件采用與生產(chǎn)系統(tǒng)一致的冷源群控冗余軟件，具備雙機(jī)熱備功能。上位機(jī)的人機(jī)接口組態(tài)與驅(qū)動協(xié)議均與現(xiàn)場情況一致，監(jiān)測主要應(yīng)用對象涉及冷水機(jī)組、冷凍水泵、冷卻水泵、冷卻塔、蓄冷罐、水溫、壓力、壓差、流速等。

使用人員可通過上位機(jī)軟件觀察和操作冷源自控系統(tǒng)。實時數(shù)據(jù)庫提供了大量的設(shè)備數(shù)據(jù)記錄和歷史數(shù)據(jù)，為測試后的總結(jié)分析提供海量數(shù)據(jù)支持。利用軟件自帶的報警管理功能，可獲得報警事件并能對其進(jìn)行處理，可協(xié)同考核軟件實現(xiàn)培訓(xùn)考試功能。

2.2.3? 仿真系統(tǒng)軟件平臺

仿真系統(tǒng)軟件選用較新的、面向?qū)ο蟮腃#編程語言，使用WPF框架，具備完善錯誤的機(jī)制、 異常處理的機(jī)制[4]。它使程序員們能夠更迅速地創(chuàng)建各類基于微軟.NET平臺的應(yīng)用，仿真系統(tǒng)軟件平臺如圖2所示。

該軟件主要包括圖形展示、模擬引擎和通訊管理三模組：圖形展示模組是現(xiàn)場層模擬對象的標(biāo)準(zhǔn)操作界面，主要進(jìn)行對實際冷源控制系統(tǒng)的工藝流程展示、數(shù)值顯示和裝置狀態(tài)管理;模擬引擎主要實現(xiàn)工藝數(shù)據(jù)和硬件的綁定以及仿真邏輯算法的實現(xiàn)，引擎可以收到由控制器發(fā)出的控制信息，并把這些信息展現(xiàn)在軟件和工藝屏上，然后通過仿真邏輯算法把相應(yīng)的對象數(shù)據(jù)反饋給控制器，以此達(dá)到了模擬實際冷源系統(tǒng)的功能;而通訊管理模塊則主要實現(xiàn)與硬件的通訊，可以完成對模擬量采集模塊、模擬量信號發(fā)生模塊、開關(guān)量采集模塊和開關(guān)量輸出模塊相互之間的通訊管理工作，模塊采用多線程的方式，通過信號量互鎖，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速采集，保證數(shù)據(jù)的一致性。

2.2.4? 模擬操作考核軟件平臺

模擬操作考核軟件實現(xiàn)對培訓(xùn)人員的理論考核和操作考核，系統(tǒng)的模塊設(shè)計遵循高內(nèi)聚低耦合的原則，分為五個模塊：數(shù)據(jù)庫模塊、賬號模塊、題庫模塊、考試模塊、用戶接口模塊，如圖3所示。數(shù)據(jù)庫模塊用于完成對數(shù)據(jù)庫中用戶賬戶密碼、考核試題內(nèi)容、歷史考核數(shù)據(jù)、用戶信息等關(guān)鍵數(shù)據(jù)的增刪改查，完成數(shù)據(jù)的持久化保存;賬號模塊實現(xiàn)用戶賬戶的需求，區(qū)分賬戶類型，限定管理員賬戶和考生賬號所擁有的權(quán)限范圍，確保賬號安全;題庫模塊借助數(shù)據(jù)庫模塊從數(shù)據(jù)庫中加載并實例化試題數(shù)據(jù);考試模塊通過訪問數(shù)據(jù)庫模塊和題庫模塊，獲得試卷信息和具體的試題內(nèi)容并進(jìn)行顯示;用戶接口模塊即軟件的圖形界面，整理并呈現(xiàn)存儲在數(shù)據(jù)庫的相關(guān)用戶數(shù)據(jù)，通過合理的交互行為實現(xiàn)參與考試、考試發(fā)布、成績?yōu)g覽等相關(guān)功能。

3? 冷源群控仿真系統(tǒng)的特點

仿真系統(tǒng)硬軟件與實際冷源系統(tǒng)的工作流程及其控制系統(tǒng)的配置高度耦合，在仿真系統(tǒng)上對實際冷源系統(tǒng)的控制算法、自控流程進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，經(jīng)過離線驗證后可以直接應(yīng)用到投產(chǎn)冷源系統(tǒng)中，具有很高的實用性。

使用工藝屏代替實際設(shè)備，將開關(guān)量、模擬量等系統(tǒng)參量進(jìn)行顯示，工藝流程清晰，數(shù)據(jù)直觀。關(guān)鍵冷源設(shè)備的主要狀態(tài)均可通過工藝屏模擬，無須操作實際使用設(shè)備，對生產(chǎn)系統(tǒng)無影響。通信協(xié)議采用標(biāo)準(zhǔn)Modbus協(xié)議，方便系統(tǒng)的增容和擴(kuò)展。

4? 應(yīng)用實踐

仿真平臺建成后，我們導(dǎo)入已投產(chǎn)的控制程序，采用頭腦風(fēng)暴方式構(gòu)想各種極端運(yùn)行工況，用以測試?yán)湓醇嚎刂葡到y(tǒng)的穩(wěn)定性，測試出幾處常規(guī)工況下不易發(fā)覺的程序缺陷。

在對數(shù)據(jù)中心冷源集群控制系統(tǒng)進(jìn)行2.0版本升級的過程中，我們通過仿真系統(tǒng)進(jìn)行所有新增功能、優(yōu)化邏輯以及修復(fù)缺陷的測試工作。測試通過后將程序下載至生產(chǎn)系統(tǒng)，大大降低系統(tǒng)升級后的運(yùn)行風(fēng)險。

針對版本升級后的新功能我們利用仿真系統(tǒng)進(jìn)行了多次實際操作培訓(xùn)和考核，為一線運(yùn)維員工快速掌握新功能提供了實踐場所。仿真模擬系統(tǒng)培訓(xùn)周期短，成本低，形式一對多，更能貼近實際生產(chǎn)環(huán)境[5]。

5? 結(jié)? 論

經(jīng)過一年的運(yùn)行實踐證明：該系統(tǒng)對大型數(shù)據(jù)中心冷源系統(tǒng)自控程序的優(yōu)化、節(jié)能策略的實現(xiàn)提供強(qiáng)有力的支撐作用。模擬測試平臺的投產(chǎn)，極大地方便了員工的培訓(xùn)、演練等實際應(yīng)用需求。同時在園區(qū)大部分樓已經(jīng)正式投產(chǎn)的情況下，模擬測試平臺可以用于程序修改后的線下測試工作，為園區(qū)生產(chǎn)系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行提供了極大的保障，具有較高的推廣價值。

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作者簡介：馬一清（1981—），男，漢族，江蘇南京人，工程師，本科，研究方向：建筑智能化、自控。