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摘 要：現(xiàn)階段，在數(shù)據(jù)中心達(dá)到一定規(guī)模時(shí)會(huì)使用集中式水冷系統(tǒng)完成制冷，具有制冷效果好和運(yùn)行成本低的優(yōu)勢。但是，制冷系統(tǒng)中較多數(shù)量的種類設(shè)備存在智能化程度低和自控邏輯簡單的問題，導(dǎo)致運(yùn)行過程中出現(xiàn)節(jié)能效果差、故障概率高等問題。因此，相關(guān)人員必須重視數(shù)據(jù)中心水冷系統(tǒng)智能控制邏輯的問題。基于此，介紹數(shù)據(jù)中心水冷系統(tǒng)的基本情況，探討數(shù)據(jù)中心水冷系統(tǒng)智能控制邏輯總體方案，并分析其應(yīng)用成果。
關(guān)鍵詞：智能控制邏輯；數(shù)據(jù)中心；水冷系統(tǒng)；制冷
1 數(shù)據(jù)中心水冷系統(tǒng)概述
1.1 水冷系統(tǒng)的組成和局限
數(shù)據(jù)中心水冷系統(tǒng)主要由冷凍水循環(huán)泵、分集水器、冷卻塔、板式換熱器、蓄冷罐、管路閥門、定壓補(bǔ)水裝置、釋冷泵、冷卻水循環(huán)泵以及冷水機(jī)組組成，整個(gè)系統(tǒng)擁有龐大的規(guī)模和復(fù)雜的運(yùn)行流程[1]。長久以來，水冷系統(tǒng)在各種數(shù)據(jù)中心得到了廣泛應(yīng)用。為了使制冷系統(tǒng)有著較高的可用性，我國針對數(shù)據(jù)中心機(jī)房建設(shè)提出了較高的制冷系統(tǒng)冗余要求，具體如表1 所示。
實(shí)際使用中，雖然制冷系統(tǒng)在選擇冗余方法方面存在一定差異，但是在充分分析表1各項(xiàng)冗余參數(shù)后可知，在水冷系統(tǒng)中因?yàn)槭褂孟嗤墓苈贰⑺春屠湓?，在落?shí)冗余工作時(shí)，N+X配合環(huán)網(wǎng)屬于最常見的方式。水冷系統(tǒng)擁有高的冗余數(shù)量要求，且有較大概率產(chǎn)生單故障點(diǎn)。如果冗余規(guī)模無法滿足相關(guān)要求，會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)中心在投資和維護(hù)的過程中支出較高的成本。所以，相關(guān)人員需要充分重視自動(dòng)控制和節(jié)能等方面的需求[2]。
1.2 自控系統(tǒng)架構(gòu)
在集中管控?cái)?shù)據(jù)中心水冷自控系統(tǒng)時(shí)，需要使用3 層設(shè)備結(jié)構(gòu)和5 層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，如圖1 所示。
1.2.1 3層設(shè)備結(jié)構(gòu)
（1）設(shè)備控制層。該層的主要功能是合理控制各個(gè)受控設(shè)備，確保目標(biāo)順利實(shí)現(xiàn)。設(shè)備本身的輸出輸入點(diǎn)非常多，主要由各類執(zhí)行器、擴(kuò)展模塊、各類傳感器以及現(xiàn)場控制器組成。
（2）設(shè)備通信層。該層主要是設(shè)備控制層與中央管理層的橋梁，可以完成數(shù)據(jù)存儲和處理功能。它儲存的數(shù)據(jù)包含中央管理層和設(shè)備控制層的備份數(shù)據(jù)，核心設(shè)備為網(wǎng)絡(luò)控制引擎。
（3）中央管理層。該層設(shè)備是整個(gè)水冷自控系統(tǒng)的心臟，主要包含各類通信網(wǎng)關(guān)、交換機(jī)、打印機(jī)、不間斷電源、服務(wù)器以及工作站[3]。
1.2.2 2層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)
（1） 樓宇自動(dòng)化與控制網(wǎng)絡(luò)（Building Automation and Control networks，BACnet）協(xié)議。這種協(xié)議能夠?yàn)樵O(shè)備控制層和網(wǎng)絡(luò)控制層之間的數(shù)據(jù)交換提供方便，在連接的過程中需要借助線纜。
（2） 傳輸控制協(xié)議/ 網(wǎng)際協(xié)議（Transmission Control Protocol/Internet Protocol，TCP/IP）。此協(xié)議主要是為了順利交換網(wǎng)絡(luò)通信層和中央管理層之間的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，在CAT6非屏蔽4 對非屏蔽雙絞線的支持下為順利完成物理層連接提供有效保障。
2 數(shù)據(jù)中心水冷系統(tǒng)智能控制邏輯總體方案
在運(yùn)行數(shù)據(jù)中心水冷系統(tǒng)的過程中，想要保證系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，減少能源消耗，在充分考慮各方面實(shí)際問題的基礎(chǔ)上，應(yīng)該不斷優(yōu)化水冷系統(tǒng)智能控制邏輯方案。
自控系統(tǒng)負(fù)責(zé)集中監(jiān)管各種設(shè)備的能耗情況、安全狀況和運(yùn)行情況，利用核心控制邏輯確保冷源系統(tǒng)可以順利解決故障和管理能耗。如按照一定順序啟動(dòng)多臺設(shè)備和調(diào)節(jié)水流開度，保證相關(guān)智能控制邏輯能夠被相關(guān)設(shè)備順利執(zhí)行，可以在最大程度上實(shí)現(xiàn)水冷系統(tǒng)的節(jié)能，同時(shí)在自動(dòng)控制的情況下能夠降低人為因素導(dǎo)致的誤差，有效簡化系統(tǒng)操作。
控制邏輯是自控系統(tǒng)的核心，要想保證控制邏輯的合理性，需要與其他專業(yè)的實(shí)際情況相結(jié)合開展設(shè)計(jì)工作，并且需要開展相關(guān)的試驗(yàn)。本文將探討該數(shù)據(jù)控制中心實(shí)施智能控制邏輯的方案[4]。
該數(shù)據(jù)中心的冷源系統(tǒng)由開式冷卻塔、10kV高壓離心式冷水機(jī)組以及板式換熱器組成，使用N+1原則布置定壓裝置、板式換熱器、水泵、冷卻塔以及冷水機(jī)組等設(shè)備，主要利用閉式循環(huán)系統(tǒng)，其中空調(diào)水系統(tǒng)就是一次泵變流量系統(tǒng)。為了完成通信機(jī)房供冷的要求，要充分考慮蓄冷15min的要求。當(dāng)市電供應(yīng)不穩(wěn)定時(shí)，確保制冷工作可持續(xù)進(jìn)行。
該數(shù)據(jù)中心所在區(qū)域擁有明顯的四季環(huán)境溫度差異，為了降低能耗，規(guī)劃了3種運(yùn)行模式，分別為普通制冷模式、預(yù)冷模式以及自然冷卻模式。普通制冷模式的供冷通過冷機(jī)完成。預(yù)冷模式的供冷由板換和冷機(jī)共同完成，其中預(yù)冷為板換。自然冷卻模式在冷機(jī)沒開啟的情況下，通過板換的作用能夠順利完成冷凍水和冷卻水間的換熱。在這些運(yùn)行模式下，各套制冷單元中的換熱機(jī)組、冷卻水泵、冷卻塔風(fēng)機(jī)、冷凍水泵以及水冷機(jī)組都能夠完成電氣連鎖。
2.1 模式切換邏輯
開機(jī)后，系統(tǒng)會(huì)與室外濕球溫度相結(jié)合完成運(yùn)行模式的合理選擇。實(shí)際運(yùn)行期間，應(yīng)該通過室外濕球溫度和冷卻水回水溫度切換適宜的運(yùn)行模式。運(yùn)行過程中會(huì)按照以下邏輯切換模式[5]。
2.1.1 普通制冷模式切換到預(yù)冷模式
需要符合冷塔為13℃以內(nèi)、出水溫度和室外必須低于10℃ 濕球溫度以及存在20min延時(shí)的要求。這個(gè)過程中不會(huì)改變處于啟動(dòng)狀態(tài)的冷機(jī)，而會(huì)啟動(dòng)對應(yīng)的板換，按照秩序完成閥門的調(diào)節(jié)和切換，使水路由板換進(jìn)入冷機(jī)，然后與預(yù)冷模式加減機(jī)條件相結(jié)合完成機(jī)組加減。
2.1.2 從預(yù)冷模式切換為普通制冷模式
需要符合冷塔超過13℃、出水溫度和室外必須超過10℃濕球溫度以及存在20min延時(shí)的要求。這個(gè)過程需要先關(guān)閉對應(yīng)的板換，無須改變冷機(jī)，只需完成閥門的調(diào)節(jié)和切換使水路改變，保證水路只在冷機(jī)通過，最后在充分遵循普通制冷模式下使加減機(jī)完成機(jī)組加減。
2.1.3 預(yù)冷模式切換為自然冷卻模式
需要符合冷塔為8℃ 以內(nèi)、出水溫度和室外必須為6℃以下濕球溫度以及擁有20min延時(shí)的要求。此時(shí)無法改變板換，處于啟動(dòng)狀態(tài)的冷機(jī)需要關(guān)閉，只需完成閥門的切換就能夠使水路發(fā)生改變。這種情況下水路只在板換通過，以自然冷卻模式加減機(jī)要求為基準(zhǔn)完成板換加減。
2.1.4 自然冷卻模式向預(yù)冷模式切換
不但需要冷塔擁有超過8℃ 出水溫度，而且室外需擁有超過6℃濕球溫度和擁有20min延時(shí)的要求。只運(yùn)行1組板換和冷機(jī)，然后與預(yù)冷模式加減機(jī)條件相結(jié)合完成機(jī)組加減[6]。
2.2 加減機(jī)條件邏輯
2.2.1 普通制冷模式加機(jī)條件
只有符合以下3個(gè)條件，才可使下一機(jī)組加載程序要求得到滿足：第一，現(xiàn)階段正在運(yùn)行的機(jī)組可達(dá)到負(fù)載100% 且時(shí)間充足；第二，冷凍水供水溫度高于系統(tǒng)設(shè)定的冷凍水供水溫度；第三，與某個(gè)設(shè)定值相比，運(yùn)行機(jī)組擁有更大的負(fù)載。
當(dāng)以下3 個(gè)條件同時(shí)滿足時(shí)，新冷水機(jī)組將及時(shí)啟動(dòng)：第一，已經(jīng)超過啟動(dòng)新冷水機(jī)組的延時(shí)時(shí)間；第二，新冷水機(jī)組的運(yùn)行并未被系統(tǒng)禁止；第三，新冷水機(jī)組不存在斷電重啟或出錯(cuò)現(xiàn)象[7]。
2.2.2 普通制冷模式減機(jī)條件
想要滿足減機(jī)條件，需滿足以下3項(xiàng)要求：第一，現(xiàn)階段存在1臺以上的運(yùn)行機(jī)組臺數(shù)；第二，與當(dāng)前設(shè)定值相比，運(yùn)行機(jī)組擁有更小的平均負(fù)載；第三，冷凍水供水溫度低于冷凍水設(shè)定溫度[8]。當(dāng)滿足以上要求時(shí)，將立即停止設(shè)定機(jī)組運(yùn)行，結(jié)束機(jī)組停機(jī)的延時(shí)時(shí)間。
2.2.3 預(yù)冷模式的加減機(jī)條件
與普通制冷模式加機(jī)條件相同。
2.2.4 自然冷卻模式加減機(jī)條件
與冷機(jī)最小運(yùn)行時(shí)間的云澤相結(jié)合，完成加減板換位號的合理選擇。在自然冷卻模式下，當(dāng)冷卻水進(jìn)入板換后將由板換閥門進(jìn)行控制，能夠?qū)崿F(xiàn)對二次側(cè)冷凍水出水溫度的控制。當(dāng)板換閥門擁有0%的開度時(shí)，與加機(jī)設(shè)定值相比在一定時(shí)間內(nèi)擁有更高的冷凍水出水溫度時(shí)，加板換；當(dāng)與減機(jī)設(shè)定值相比擁有更大的板換閥門開度且與減機(jī)設(shè)定值相比在一定時(shí)間內(nèi)擁有更低的冷凍水出水溫度時(shí)，減板換。
2.3 連鎖保護(hù)啟動(dòng)/ 停止的控制邏輯
在冷水機(jī)組啟動(dòng)前，系統(tǒng)將對與冷水機(jī)組配套的閥門、冷卻水泵、冷卻塔以及冷卻水泵等設(shè)備的狀態(tài)進(jìn)行自動(dòng)檢查，并且按照固定順序逐個(gè)啟動(dòng)。若是能夠正常啟動(dòng)所有的配套設(shè)備，系統(tǒng)的冷水機(jī)組將被啟動(dòng)；若是無法正常啟動(dòng)配套設(shè)備，控制系統(tǒng)將使其他冷水機(jī)組和配套設(shè)備啟動(dòng)，且擁有與上述相同的啟動(dòng)順序和相關(guān)控制。關(guān)機(jī)過程將擁有相反的順序，先關(guān)閉冷水機(jī)組，然后關(guān)閉配套的輔助設(shè)備[9]。
啟動(dòng)的流程為“冷卻塔蝶閥啟動(dòng)—冷卻塔風(fēng)機(jī)啟動(dòng)—冷卻水蝶閥啟動(dòng)—冷卻水泵啟動(dòng)—冷凍水啟動(dòng)”。停止的流程為“冷水機(jī)組停止（存在5～10min延時(shí)）—冷卻水泵關(guān)閉—冷卻水蝶閥關(guān)閉—冷卻塔風(fēng)機(jī)關(guān)閉—冷卻塔蝶閥關(guān)閉”。
2.4 故障模式的控制策略邏輯
在系統(tǒng)停止、啟動(dòng)時(shí)，擁有狀態(tài)確認(rèn)程序較多，能夠?qū)ε鋫湓O(shè)備提供有效保證。若是狀態(tài)確認(rèn)程序有失誤存在，自控系統(tǒng)將進(jìn)入自檢狀態(tài)。之所以會(huì)發(fā)生異常情況，可能是局部手動(dòng)操作、設(shè)備故障等原因?qū)е隆＿@種情況下，系統(tǒng)一方面會(huì)努力在最大程度上完成設(shè)備運(yùn)行臺數(shù)匹配，避免損害設(shè)備的情況；另一方面會(huì)選擇報(bào)警，將故障信息傳達(dá)給維修和操作人員，并且對處理自控系統(tǒng)無法處理的問題。
系統(tǒng)運(yùn)行過程可能存在較多臺數(shù)不匹配的組合，但當(dāng)與冷水機(jī)組運(yùn)行臺數(shù)相結(jié)合時(shí)，合理調(diào)整各組冷凍水泵、冷卻塔、冷卻水泵的運(yùn)行臺數(shù)，就能夠順利完成自然匹配，再結(jié)合前面所述的條件和規(guī)范合理減少或增加冷水機(jī)組運(yùn)行臺數(shù)，從而有效協(xié)調(diào)整個(gè)系統(tǒng)[10]。
當(dāng)發(fā)現(xiàn)自控系統(tǒng)中出現(xiàn)與實(shí)際情況不符的設(shè)備運(yùn)行臺數(shù)時(shí)，應(yīng)該優(yōu)先增減冷水機(jī)組運(yùn)行的配套設(shè)備，然后合理增減運(yùn)行的冷水機(jī)組臺數(shù)。
2.5 冷卻塔的控制邏輯
冷機(jī)和冷卻塔在控制過程中也存在對應(yīng)關(guān)系。自控系統(tǒng)與冷卻水回、出水溫度變化相結(jié)合，能有效控制冷卻塔相應(yīng)閥門，在負(fù)荷相關(guān)規(guī)范的前提下，最大限度減少設(shè)備運(yùn)行臺數(shù)。這樣不但能夠順利完成節(jié)能目標(biāo)，還能夠降低設(shè)備損耗。
在普通制冷模式下，冷塔風(fēng)機(jī)啟動(dòng)臺數(shù)主要受冷機(jī)冷卻水供水溫度的影響。當(dāng)室外存在不同濕球溫度時(shí)，將會(huì)出現(xiàn)不同的冷卻水設(shè)定溫度值，如表2所示。
在預(yù)冷模式下，以冷凍水回水溫度值為基準(zhǔn)，需設(shè)定比其更低的板換冷卻水溫度值，從而為板換預(yù)冷作用提供有效保障。在自然冷卻模式下，冷塔風(fēng)機(jī)臺數(shù)由冷卻塔出水溫度設(shè)定值確定，可保證冷卻水溫度始終處于規(guī)定范圍內(nèi)。而板換二次側(cè)出水溫度在調(diào)節(jié)過程中需要利用冷卻水模擬旁通水流，對冷卻水通過板換的流量進(jìn)行控制，從而實(shí)現(xiàn)對板換二次側(cè)冷凍水出水溫度的控制。
3 結(jié)論
通過對該數(shù)據(jù)中心水冷自動(dòng)控制系統(tǒng)開展測試，證明自控系統(tǒng)能夠滿足預(yù)期要求。當(dāng)故障在一套系統(tǒng)中出現(xiàn)時(shí)，能夠自動(dòng)切換到下一套系統(tǒng)，并且能夠順利實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗的目標(biāo)。實(shí)際應(yīng)用結(jié)果表明，該數(shù)據(jù)中心實(shí)施水冷系統(tǒng)智能控制邏輯后取得了良好效果，近年來該數(shù)據(jù)中心沒有出現(xiàn)因制冷中斷業(yè)務(wù)的情況，且在數(shù)據(jù)中心的總耗電量中，空調(diào)系統(tǒng)耗電量能夠下降約13%。由此可見，該水冷系統(tǒng)智能控制邏輯擁有較廣的應(yīng)用價(jià)值和較高的推廣價(jià)值。
