数据中心冷冻水二次泵冗余控制系统

张军伟，刘金枝

（1.北京中科仙络咨询服务有限公司；2.中国民航大学适航学院）

1 引言

从上世纪90年代数据中心(Data Center)的概念兴起至今，已过去20余年。20年的发展，数据中心的建设规模不断扩大，单个数据中心的规模也从最初常见的数百平方米发展到目前常见的数千乃至上万平方米。数据中心的高功率密度化对冷水自控系统的制冷提出了更高的要求，在冷水自控系统能耗中，系统输送能耗约占1/3，因此，在数据中心冷水自控系统中冷冻水采用二次泵变频技术设计日益受到重视。

冷冻水二次泵变频系统主要是根据冷水自控系统中末端压差进行的变流量控制。在冷水自控系统中供回水末端最不利点设置压差传感器，采集到的压力数值发送到控制器（DDC控制器或PLC控制器），控制器对接收到的压力数值与系统中用户设定的压力值进行比较，根据两者的差值来调节变频器的频率，从而调节冷冻水二次泵的转速，使负荷侧供回水末端恒压稳定在用户设定的压力值：即供回水末端压力值大于用户设定的压力值，控制器控制变频器降低频率，减慢冷冻水二次泵的转速；供回水末端压力值小于用户设定的压力值，控制器控制变频器提高频率，加快冷冻水二次泵的转速。通过实现供回水的变流量控制，从而达到节能降耗的目的。相比传统的供水方式，冷冻水二次泵变频系统的安全性和可靠性一直受到数据中心行业的广泛重视。传统的冷水自控系统二次泵变频系统如图1所示。

但是，在数据中心中传统的二次泵变频系统存在如下缺点：

1）在传统的二次泵变频系统中控制器仅采用单电源供电

当出现电源丢失时，控制器将掉电，变频器将失去控制，导致无法实现自动压差控制，对冷水自控系统中供回水末端的安全性带来隐患，如时间过长，会导致数据中心温度过高，服务器大规模的出现宕机甚至烧毁；

图1 传统的冷水自控系统二次泵变频系统

2）在传统的二次泵变频系统中供回水末端最不利点仅设置1套压差传感器

当压差传感器数值失真时，控制器无法正常定压控制；当压差传感器故障时，就需要停机检修，影响系统的正常运行；

3）在传统二次泵变频系统中控制器无冗余配置或仅在控制器内部CPU进行冗余配置

当控制器出现故障或变频器控制柜输入输出出现故障时，变频器将失去控制，导致无法实现自动压差控制，给冷水自控系统中供回水末端的安全性带来隐患。

2 系统架构

在数据中心冷水自动系统中冷冻水二次泵冗余控制，能避免传统冷冻水二次泵变频系统中由单点故障、配置原因引起的停机无法供冷现象，避免数据中心内服务器温度过高可能出现的宕机甚至烧毁。数据中心冷冻水二次泵冗余控制系统包括末端压差部分、控制器部分、变频器控制柜部分、冷冻水二次泵组成。如图2所示。

2.1 架构说明

末端压差部分用4套末端压差传感器，在冷水自控系统供回水末端中选择2处最不利点设置末端压差传感器，在第一处最不利点设置末端压差传感器1与末端压差传感器2，在第二处最不利点设置末端压差传感器3与末端压差传感器4。其中末端压差传感器1与末端压差传感器2互为主备，末端压差传感器3与末端压差传感器4互为主备；当任何一个压差传感器出现故障时，系统仍可以保持正常运行。

控制器部分用2套互为主备的控制器，即主控制器、备控制器，主备控制器分别采用来自2套不同低压系统的UPS（不间断电源）电源进行供电，并在控制柜内用STS进行切换，当任何一路供电出现故障时，系统仍可以保持正常运行。

2套配置完全一样的控制器，主备控制器同步运行，中间采用硬接线互连，实现主备控制器之间的“心跳”检测。

变频器控制柜部分根据数据中心冷水自控系统中冷冻水二次泵实际数量进行变频器控制柜的配置，每套变频器控制柜将变频器控制频率、反馈频率、冷冻水二次泵手自动状态、启停控制、运行状态、故障状态、报警状态分别上联到主备2套控制器；冷冻水二次泵分别由相应变频器控制柜进行控制。

2.2 系统设计配置说明

如图2所示，控制器部分用2套互为主备的控制器，即主控制器、备控制器，主备控制器分别采用来自2套不同低压系统的UPS（不间断电源）电源进行供电，两路电源在控制柜内通过STS进行切换。在冷水自控系统供回水末端中选择2处最不利点设置的4套末端压差传感器，之间互为主备，避免了“单点故障”对冷冻水二次泵变频系统造成的影响，降低数据中心的整体故障率，提高数据中心运行的安全性和可靠性。

图2 数据中心冷冻水二次泵冗余控制系统架构

末端压差部分用4套末端压差传感器，在冷水自控系统供回水末端中选择2处最不利点设置末端压差传感器，在第一处最不利点设置末端压差传感器1与末端压差传感器2，在第二处最不利点设置末端压差传感器3与末端压差传感器4。末端压差传感器1上联到主控制器，末端压差传感器2上联到备控制器，在第一处最不利点末端压差传感器1与末端压差传感器2互为主备；末端压差传感器3上联到主控制器，末端压差传感器4上联到备控制，在第二处最不利点末端压差传感器3与末端压差传感器4互为主备。

主控制器运行时，采集末端压差传感器1与末端压差传感器3的压力数值，并对采集到的压力数值进行比较，两者的最小值与用户设定的压力值再进行比较，两者的最小值大于用户设定的压力值，控制器控制变频器降低频率，减慢冷冻水二次泵的转速；两者的最小值小于用户设定的压力值，控制器控制变频器提高频率，加快冷冻水二次泵的转速。两者其中一套出现故障时，系统将根据另一套压力值与用户设定的压力值进行比较进行控制，系统对出现故障的末端压差传感器在前端报警。两者均出现故障时，处于热备状态的备控制器立即投入，对处于运行状态的变频器和冷冻水二次泵进行控制，不影响变频器和冷冻水二次泵的正常运行。

备控制器运行时，采集末端压差传感器2与末端压差传感器4的压力数值，并对采集到的压力数值进行比较，两者的最小值与用户设定的压力值再进行比较，两者的最小值大于用户设定的压力值，控制器控制变频器降低频率，减慢冷冻水二次泵的转速；两者的最小值小于用户设定的压力值，控制器控制变频器提高频率，加快冷冻水二次泵的转速；两者其中一套出现故障时，系统将根据另一套压力值与用户设定的压力值进行比较进行控制，系统对出现故障的末端压差传感器在前端报警；两者均出现故障时，处于热备状态的主控制器立即投入，对处于运行状态的变频器和冷冻水二次泵进行控制，不影响变频器和冷冻水二次泵的正常运行。

如图3所示传统的变频器控制柜的输出方式，变频器控制柜将变频器控制频率、反馈频率、冷冻水二次泵手自动状态、启停控制、运行状态、故障状态都上联控制器。控制器出现故障时，系统无法对变频器控制柜进行控制，系统将整体停机，影响数据中心的正常运行。

如图4所示数据中心冷水自控系统中冷冻水二次泵实际数量为5台，变频器控制柜部分根据冷冻水二次泵数量进行配置变频器控制柜5套。每套变频器控制柜将变频器控制频率、反馈频率、冷冻水二次泵手自动状态、启停控制、运行状态、故障状态分别上联到主备2套控制器，在变频器控制柜输入输出端口进行冗余配置。

图3 传统变频器控制柜的输出方式

图4 数据中心二次泵冗余配置的变频器控制柜的输出方式

图5 主备控制器“心跳”方式

如图5所示主备控制器中间采用硬接线互连，实现主备控制器之间的“心跳”检测。

①如图5a所示，主控制器正常运行时，备控制器时时检测主控制器“心跳”情况，判断“心跳”信号是否正确，主控制器将数据上传到交换机，同时备控制器对主控制器数据进行实时同步；

②如图5b所示，备控制器检测到主控制器不正确的“心跳”信号时，判断主控制器出现故障，处于热备状态的备控制器立即投入控制，备用控制器将数据上传到交换机，系统对主控制器在前端报警，提醒运维人员进行检查和维修；

③如图5c所示，备用控制器正常运行时，主控制器维修完成，主控制器时时检测备控制器“心跳”情况，判断“心跳”信号是否正确，备控制器将数据上传到交换机，同时主控制器对备控制器数据进行实时同步；主控制器检测到备控制器不正确的“心跳”信号或手动切换时，可以实现备控制器切换到主控制器运行，切换过程中，变频器和二次泵实现不停机无缝切换，不影响系统正常运行。

如图6所示主备控制器之间心跳信号方式，主备控制器中间采用硬接线互连，通过模拟量信号进行传输，保证“心跳”信号的可靠性，“心跳”信号进行周期性跳动，主备之间互相检测信号的准确性和正确性，相比数字信号提高了安全性和可靠性。

2.3 系统运行控制逻辑

数据中心冷冻水二次泵冗余控制系统提供末端压差设定、冷冻水二次泵最小运行数量设定、冷冻水二次泵自动加载频率设定、冷冻水二次泵自动减载频率设定、冷冻水二次泵加载顺序设定、冷冻水二次泵减载顺序设定、冷冻水二次泵手动轮询设定等。完成上述设定后，主备控制器会同步设定以上设置，保证主备控制器冗余配置的同步。

图6 主备控制器“心跳”信号方式

冷冻水二次泵最小运行数量设定提供用户设定冷冻水二次泵最小运行数量，系统不允许小于设定值数量的冷冻水二次泵运行。

冷冻水二次泵自动加、减载频率设定提供用户设定冷冻水二次泵自动加、减载的频率值，且设定的加载频率值不允许小于减载频率值，设定的减载频率值不允许大于加载频率值。系统处于自动控制状态，数据中心内负荷增加，处于目前运行状态的冷冻水二次泵每台运行频率都大于自动加载频率值，超过设定时间，系统将加载一台处于备用状态的冷冻水二次泵，加载成功后，运行状态的冷冻水二次泵每台运行频率将降低，如继续大于自动加载频率值，超过设定时间，系统将加载一台处于备用状态的冷冻水二次泵，依次进行，直至5台冷冻水二次泵全部处于运行状态。数据中心内负荷减小，处于目前运行状态的冷冻水二次泵每台运行频率都小于自动减载频率值，超过设定时间，系统将减载一台处于运行状态的冷冻水二次泵，减载成功后，运行状态的冷冻水二次泵每台运行频率将升高，如继续小于自动减载频率值，超过设定时间，系统将减载一台处于运行状态的冷冻水二次泵，依次进行，直至减载到冷冻水二次泵最小运行数量。

系统处于自动控制状态，用户修改末端压差设定值，末端压差设定值大于原末端压差设定值，处于目前运行状态的冷冻水二次泵每台运行频率都将升高，升高后的频率值都大于自动加载频率值，超过设定时间，系统将加载一台处于备用状态的冷冻水二次泵，加载成功后，运行状态的冷冻水二次泵每台运行频率将降低，如继续大于自动加载频率值，超过设定时间，系统将加载一台处于备用状态的冷冻水二次泵，依次进行，直至5台冷冻水二次泵全部处于运行状态。末端压差设定值小于原末端压差设定值，处于目前运行状态的冷冻水二次泵每台运行频率都将降低，降低后的频率值都小于自动减载频率值，超过设定时间，系统将减载一台处于运行状态的冷冻水二次泵，减载成功后，运行状态的冷冻水二次泵每台运行频率将升高，如继续小于自动减载频率值，超过设定时间，系统将减载一台处于运行状态的冷冻水二次泵，依次进行，直至减载到冷冻水二次泵最小运行数量。

冷冻水二次泵故障替换实现自动切换控制，正常运行的冷冻水二次泵出现故障时，系统前端报警，控制器将自动启动排在加载顺序第一位的冷冻水二次泵，此台冷冻水二次泵运行成功后，出现故障的冷冻水二次泵将停止运行。在控制器自动启动排在加载顺序第一位的冷冻水二次泵，此台冷冻水二次泵启动时间超过设定时间将会发出报警，系统进行锁定，并自动启动排在加载顺序第二位的冷冻水二次泵，此台冷冻水二次泵运行成功后，出现故障的冷冻水二次泵将停止运行，冷冻水二次泵故障替换完成。

冷冻水二次泵手动轮询提供用户根据实际运行情况，对处于运行状态的冷冻水二次泵和处于备用状态的冷冻水二次泵进行手动轮询。用户发出手动轮询命令，系统会自动启动排在加载顺序第一位的冷冻水二次泵，此台冷冻水二次泵运行成功后，系统会自动关闭排在减载顺序第一位的冷冻水二次泵，此台冷冻水二次泵关闭成功后，此次手动轮询命令执行完毕。系统自动启动排在加载顺序第一位的冷冻水二次泵，此台冷冻水二次泵启动时间超过设定时间将会发出报警，系统进行锁定，并自动启动排在加载顺序第二位的冷冻水二次泵，此台冷冻水二次泵运行成功后，系统会自动关闭排在减载顺序第一位的冷冻水二次泵，此台冷冻水二次泵关闭成功后，此次手动轮询命令执行完毕。

3 结语

以上主要对数据中心冷源自控系统中二次泵冗余控制系统的架构设计、控制点及运行控制逻辑进行了说明和描述，除此之外，冗余控制系统还包括了各设备的报警信息、设备远程手自动操作、设备设定值等功能。总之，随着数据中心规模的不断扩大，自控技术的不断创新，对数据中心各设备的控制将越来越灵活，并能对数据中心各设备做到精准控制，必将极大的提高数据中心的安全性和可靠性。