数据中心建筑设备自动化系统设计

常红波

CHANG Hong-bo

（中通服咨询设计研究院有限公司）

1 引言

本项目为某运营商大型数据中心建筑设备自动化系统（BAS）工程，采用PLC 控制系统（Programmable Logic Controller），由中央电脑及终端设备、若干现场控制分站及相应的传感器、执行器组成。其控制软件包括：优化启停、PID 控制、时间通道、设备群控、动态显示、能耗统计、各分站的协调联络、报警及打印等功能。

PUE(Power Usage Effectiveness，电源使用效率)值已经成为国际上比较通行的数据中心电力使用效率的衡量指标。PUE 值是指数据中心消耗的所有能源与IT 负载消耗的能源之比。PUE 值越接近于1，表示一个数据中心的绿色化程度越高。数据中心机房内一般常年需要制冷，能耗惊人，尤其空调冷源系统，如何提高PUE 值，BAS 系统至关重要。

本项目冷源系统包括：冷却塔、冷却水泵、水冷冷水机组、板式换热器、冷冻水泵各8 套，另外还有全自动加药处理装置、旁流水处理器、蓄冷罐、补水泵、分水器、集水器、膨胀水箱等各若干台（套）。相同设备为同样的控制原理，为了清晰展示，因为原理图只展示部分设备。

根据计算出的数据中心所需负荷，确定机组及水泵的启停组合及运行台数自动减载、加载，实现优化运行，以适应冷机负荷的变化、达到最佳节能的 目的。

2 空调水系统控制

1）冷冻站的启动顺序为：

开机：冷却塔主管电动蝶阀→冷却塔进出水电动蝶阀→蓄冷模式切换蝶阀→季节模式蝶阀→冷却水循环泵→冷冻水循环泵→冷却塔风机→冷冻机组。

（其中冷却塔风机的控制由冷却泵的运行状态和冷却水回水温度来决定。）

2）冷冻站的停止顺序为：

关机：冷冻机组→冷却塔风机→冷冻水循环泵→冷却水循环泵→季节模式蝶阀→蓄冷模式切换蝶阀→冷却塔进出水电动蝶阀→冷却塔主管电动蝶阀。

（其中冷却塔风机的控制由冷却泵的运行状态和冷却水回水温度来决定。）

根据冷水流量和供回水温差计算系统所需冷量，自动调整冷水机组运行的搭配方式，及对应空调一级冷水泵的运行台数。传感器设于用户侧的供回水总管上。供回水压差控制空调冷水供回水总管之间旁通阀的开度。根据冷却水回水温度控制冷却塔风的启停或调节冷却水旁通阀。

图1 BA 冷源群控原理图

冷水机组根据均等运行时间原则顺序启停，每一套运行设备由任何一台冷水主机及对应的水泵组成，当某一套机组中的任意组成设备出现故障，则自动启动下一台运行时间相对较少的无故障设备。由于数据中心项目的系统为全天候不间断运行，冷水主机以及其附属设备需要根据其运行时间进行轮巡，这样可以延长设备使用寿命。

冷水主机进行轮巡切换时，首先将下一台机组启动，并待机组出水温度接近设定的出水温度时，再关停需要关闭的机组及附属设备。

3 防冻控制

电伴热启停控制逻辑：室外冷却水管电伴热启停由管道表面温度控制，表面温度低于5℃，电伴热启动，室外管道电伴热采用恒温启停控制。

冷却塔集水盘电伴热控制逻辑：冷却塔集水盘内水温低于5℃，电加热启动，控制系统由冷却塔厂家标配。

4 冷源设备工况切换模式

1）冷冻水侧控制要求说明

①夏季时，冷水机组供冷工况，电动阀CV2CV3 关闭，电动阀CV1CV4 开启；当室外湿球温度降低，冷却塔的冷却水供冷温度也随之降低，当冷却水温度低于18℃（可调）并持续10min 以上，系统进入部分自然冷却状态，由冷却循环水泵后温度传感器控制电动阀CV2CV4 关 闭，电 动 阀CV1CV3 打开；当室外湿球温度继续降低，冷却塔的供水温度低于13.5℃（可调）时，系统进入完全自然冷却塔状态，电动阀CV1CV4 关闭，电动阀CV2CV3 打开，冷水机组关闭。

②冷冻水泵变频控制：通过测量分集水器两侧的压差与压差设定值比较，调节水泵转速。

③分集水器两侧压差旁通阀流量控制：旁通阀最大流量为单台冷机的40%额定流量（G1，可调），集水器各支路上应设流量计，当仅有一台冷机运行，总出水管流量计测量流量G2 小于G1 时，旁通阀打开，其旁通的流量G ＝G1-G2。

2）冷却水侧控制要求说明：

①夏季时，冷水机组供冷工况，电 动 阀CTV2CTV3 关 闭， 电 动 阀CTV1CTV4 开启；当室外湿球温度降低，冷却塔的冷却水供冷温度也随之降低，当冷却水温度低于18℃（可调）并持续10min 以上，系统进入部分自然冷却状态，由冷却循环水泵后温度传感器控制电动阀CTV2CTV4 关闭，电动阀CTV1CTV3 打开；当室外湿球温度继续降低，冷却塔的供水温度低于13.5℃（可调）时，系统进入完全自然冷却塔状态，电动阀CTV1CTV4 关闭，电动阀CTV2CTV3 打开，冷水机组关闭，冷冻水经板换与冷却水热交换；完全自然冷却模式下，如果所有冷却塔风机全速运行，换热器冷冻水供水温度高于11℃（可调）持续10min，系统将切换至部分自然冷却状态，开启一台冷机。在部分自然冷却工况下，冷却水出板换后的水温若低于19.5℃时，冷水机组冷却水进水旁通管上的电动阀CTV4 开启，但冷水机组冷却水进水量不小于额定流量的50%。

②当冷却塔从控制器接到启动命令时，冷却水泵启动，冷却塔风机启动并向控制器确认状态。如果冷却塔不能确认状态，应当确定自身处于故障状态，整个制冷单元机组退出运行状态并被锁定，此时声光报警至前端。每个单元的冷却塔风机处于相同转速，风机以厂家允许的最小转速启动，当所有风机确认运行状态后，风机根据需要运行在同一转速，维持冷却水出水温度在设 定点。

③当冷却水出水温度达到13.5℃（可调），冷却塔回水管配带的电动阀CTM1控制启动，冷却水回水至旁通，保证冷却水出水温度不低于13.5℃。当冷却塔集水盘内水温低于5℃，电加热棒启动。

5 主要监控内容（见表1）

值得一提的是：数据中心对于BAS要求比较高，因此冷源系统中机电设备的启停控制一般都采用双DO，以实现断电自保持功能。根据阀门数量、位置设置阀门柜，监测阀门柜、配电柜的合闸信号以判断是否有断电故障，还会连接配电柜的电表通讯接口。

另外，PLC 控制系统是一种可编程逻辑控制器，原先是专为工业生产设计的一种数字运算操作的电子装置，随着不断地改良可编程功能，并保留了适应工业环境及备份控制的优越性能，现在越来越多地运用于大型数据中心BAS 系统，或许将逐步取代传统的DDC 直接数字控制系统。

6 结语

大型数据中心建筑设备自助化系统是将数据中心冷源系统各种设备有机地结合起来，达到集中监测和控制，提高设备的无故障时间，给投资者带来明显的经济效益；使各种机电设备经济地运行，既能够节能，又能满足工作时的要求，并在运行中尽快的将效益体现出来；提高综合管理水平，将现代化计算机技术应用到管理上提高效率。

表1 大型数据中心空调控制系统监控内容