數(shù)據(jù)中心冷凍站的群控系統(tǒng)

張軍偉, 劉金枝

(1.北京中科仙絡咨詢服務有限公司,北京 100017;2.中國民航大學適航學院,天津 300300)

0 引言

目前,社會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)濟基礎設施。 數(shù)據(jù)中心冷凍站是數(shù)據(jù)機房的主要冷源,因此,數(shù)據(jù)中心冷凍站自動控制系統(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)中心大都采用一個控制器控制全部冷站設備或依照冷站設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傳感器數(shù)值,得出相關的控制策略,對冷站內(nèi)的相關設備進行控制。 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,一個控制器控制冷站內(nèi)所有的自動化設備。 該系統(tǒng)架構(gòu)使得唯一的控制器成為系統(tǒng)運行成功的關鍵,該控制器的任何故障都將導致系統(tǒng)無法正常運行,給數(shù)據(jù)中心的正常運行造成威脅。

(2)如圖2 所示控制系統(tǒng)將冷凍站內(nèi)的設備進行分類,同類設備共用一個控制器,并將控制程序?qū)懺谄渲幸粋€控制器中,其他控制器僅作控制信號接收設備。 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致任何一個控制器故障,一類設備將無法正常運行,致使整個系統(tǒng)癱瘓,無法達到預定的控制效果。

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。 當出現(xiàn)電源故障時,控制器掉電,會導致冷凍站內(nèi)相關設備無法正常工作,從而導致數(shù)據(jù)中心機房內(nèi)的溫度偏離設定值,嚴重時將導致數(shù)據(jù)中心宕機。

(4)傳統(tǒng)的冷凍站控制系統(tǒng)所使用的傳感器未進行冗余設置,單個傳感器的系統(tǒng)設置將導致傳感器數(shù)值無法得到校驗和比對,數(shù)值的準確性降低,同時單個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)均會導致冷凍站設備的冗余配置架構(gòu)破壞,使得冷凍站系統(tǒng)的冗余設置無法得以實現(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故障、配置有誤引起的停機無法供冷現(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)可靠性設置相匹配,并對系統(tǒng)中的傳感器和電源進行冗余設置,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)為每個冷凍單元設置了單元控制器, 并設置了一個群控控制器來統(tǒng)一管理各個單元控制器,群控控制器及各單元控制器在網(wǎng)絡層面完全獨立,這些控制器均有獨立的CPU 和控制程序及網(wǎng)口,任何一個控制器出現(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”信號進行檢測,來決定群控控制器發(fā)出的控制命令的有效性,當“心跳”信號失效時,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,同時以此來確保當某單元控制器故障時其他無故障的冷凍單元可以被及時調(diào)用,以此確?？刂葡到y(tǒng)的冗余設置與冷凍站內(nèi)設備冗余設置相一致,使冷凍站系統(tǒng)冗余得以真正實現(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故障。

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

2 系統(tǒng)設計配置說明

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)控的冷凍站設備組成。 系統(tǒng)中設置了一個群控控制器用于對各單元控制器進行管理。 群控控制器的主要作用包括三點:(1)根據(jù)末端采集到的數(shù)據(jù)進行計算來決定啟動幾臺冷凍單元;(2)運行過程中當單元控制器控制的設備故障時,群控控制器負責對故障設備進行替換;(3)運行過程中,通過群控控制器來控制各冷凍單元,從而實現(xiàn)冷凍站運行過程中的輪詢功能。

數(shù)據(jù)中心機房的群控系統(tǒng)中的單元控制器與冷凍站中設置的冷凍單元一一對應,即一臺單元控制器對應一套冷凍單元。 此單元控制器的主要作用包括控制對應冷凍單元的啟停,即控制冷凍單元內(nèi)部冷機、水泵、閥門等的聯(lián)動啟停;當冷凍單元成功運行時,單元控制器應發(fā)送運行狀態(tài)信號到群控控制器;當冷凍單元運行出現(xiàn)故障時,單元控制器應向群控控制器發(fā)送故障狀態(tài)反饋。

上述系統(tǒng)的控制器彼此獨立,控制程序也彼此獨立,群控控制器與單元控制器之間僅為物理層面的協(xié)同工作關系。 群控管理控制程序運行在群控控制器中,單元控制器控制程序運行在單元控制器中,每個控制器的控制程序均可以獨立運行,運行程序之間互不依賴。 當一套單元控制器出現(xiàn)故障時,其他單元控制器可以依照其內(nèi)部的程序代碼保持運行。

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行,單元控制器通過檢測接收到的實時“心跳”信號的形式,來判斷群控控制器的運行是否正常。 當實時接收的“心跳”信號數(shù)值與上一時刻接收的數(shù)值不同時,單元控制器則認為群控控制器此刻運行良好,其將執(zhí)行此刻群控控制器發(fā)出的控制命令。 當實時接收的“心跳”信號數(shù)值與上一時刻接收的數(shù)值相同時,單元控制器則認為群控控制器此刻運行故障,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。 心跳信號的實施主要用于避免群控控制器故障時,單元控制器接收到了群控控制器的錯誤命令,從而影響整個系統(tǒng)的正常運行。

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)運行信號、單元控制器向群控控制器反饋的故障信號。 啟動一臺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行;(3)單元控制器接收到群控控制器的啟動信號后開始核實群控控制器的心跳是否存在,當心跳正常時,單元控制器通過其內(nèi)部的程序控制其對應的冷凍單元開始運行;(4)當單元控制器成功啟動冷凍單元時,單元控制器將發(fā)給群控控制器狀態(tài)運行成功反饋;(5)當單元控制器未能成功啟動冷凍單元或在運行過程中冷凍單元出現(xiàn)故障時,單元控制器將撤銷發(fā)送給群控控制器的運行狀態(tài)信號,同時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故障。 當任一傳感器的范圍超過校驗的量程時,群控控制器將使用備用的傳感器數(shù)值進行計算,當主、備傳感器均出現(xiàn)故障時,系統(tǒng)則固定運行在失效前的運行狀態(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)電源進行供電,確保其中一路電源故障時,控制器可以正常運行,避免因供電引起的單點故障。

3 系統(tǒng)運行控制邏輯

冷凍站的群控系統(tǒng)將每套制冷單元定義為一個控制單元,為每套冷凍單元設置一個獨立的單元控制器,同時設置一個群控控制器對單元控制器進行管理,上述控制器在網(wǎng)絡上完全獨立,每個控制器均可獨立運行。 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)進行計算,根據(jù)二次側(cè)負荷通過單元控制器對冷凍單元進行控制。 系統(tǒng)處于自動控制狀態(tài)時,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的數(shù)值數(shù)據(jù),運算得出冷凍水系統(tǒng)末端負荷值。 群控控制器將根據(jù)實時測得的末端負荷和用戶最初設置的加載冷量值和減載冷量值進行比較,通過單元控制器對各冷凍單元進行加減載控制。

當測得冷凍水的末端負荷大于冷凍單元的名義制冷量的加載冷量值,并且持續(xù)時間超過設定時間時,系統(tǒng)將根據(jù)啟動策略加載一臺處于備用狀態(tài)的冷凍單元。 此時,群控控制器向備用冷凍單元控制器發(fā)送冷凍單元啟動信號,單元控制器接收信號后依據(jù)冷凍單元啟動策略開啟其控制的冷凍單元。單元控制器成功啟動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,但當所有開啟的冷凍單元的制冷量仍小于末端負荷,且末端負荷達到此時的加載制冷量值,持續(xù)時間超過設定時間時,群控控制器將向下一個備用冷凍單元控制器發(fā)送冷凍單元啟動信號,依次進行,直至所有冷凍單元都處于運行狀態(tài)。

當測得冷凍水的末端負荷小于冷凍單元的名義制冷量的減載冷量值,并且持續(xù)時間超過設定時間時,系統(tǒng)將根據(jù)停止策略減載一臺處于運行狀態(tài)的冷凍單元。 此時,群控控制器向其中一臺運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,但當所有開啟的冷凍單元的制冷量仍大于末端負荷,且此時末端負荷達到此時的減載制冷量值,持續(xù)時間超過設定時間時,群控控制器將向下一個運行的冷凍單元控制器發(fā)送冷凍單元停止信號,依次進行直至減載到運行的冷凍單元個數(shù)達到程序規(guī)定的最小值。

系統(tǒng)中群控控制器在系統(tǒng)正常運行時需根據(jù)檢測到各冷凍單元運行情況對運行中的冷凍單元進行故障替換。 當某冷凍單元出現(xiàn)故障時,系統(tǒng)將按照故障輪詢策略,啟動一臺備用冷凍單元。 只有當新開啟的冷凍單元啟動成功,且狀態(tài)得到確認后,才允許關閉故障冷凍單元。

在這樣的群控架構(gòu)下,當群控控制器故障時,單元控制器通過監(jiān)測心跳繼續(xù)保持運行;當單元控制器故障時,群控控制器放棄故障冷凍單元,額外開啟一臺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)正常運行時需根據(jù)各冷凍單元的運行時間長短進行輪詢,當運行時間最長的冷凍單元與停止運行的冷凍單元運行時長比較后達到設定值時,群控控制器將會開啟停止運行時間最長的冷凍單元,當次冷凍單元成功運行后,群控控制器將會關閉已經(jīng)運行時間最長的冷凍單元,從而保證各冷凍單元均保持合理的時間運行。

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)設計、控制點及運行控制邏輯進行了說明和描述,除此之外,群控系統(tǒng)還包括了各設備的報警信息、設備遠程手自動操作、設備設定值等功能。 群控系統(tǒng)能避免傳統(tǒng)冷凍站群控中由單點故障、配置混亂引起的系統(tǒng)運行不便、停機等現(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)模的不斷擴大,自控技術(shù)的不斷創(chuàng)新,對數(shù)據(jù)中心各設備的控制將越來越靈活,對數(shù)據(jù)中心各設備做到精準控制,必將極大地提高數(shù)據(jù)中心的安全性和可靠性。