地球站节能环境管理系统的设计与实现

刘海涛

国家广播电视总局呼和浩特地球站 内蒙古 呼和浩特市010070

引言

地球站机房设备既有高频高压设备、电子精密设备，又有计算机服务器等网络设备，对温湿度、压力、通风风量、空气清洁度等环境指标要求极高。根据地球站设备特性，可以利用自然冷风降温，也可利用设备产生的热能加热，通过混风热交换的方式，实现节能环保的目的。

1 地球站环境控制系统现状

地球站机房环境要求严格，只有合格的环境才能使设备运行稳定可靠，减少维护难度，延长使用寿命，减小故障率。现有地球站环境控制系统存在以下问题：

（1）温度只能靠空调进行调节，极度耗费电能，控制不精细。

（2）只能靠自然风进行室内外循环，环境洁净度无法控制，增加维护量，损耗设备寿命，且自身产生的热能也全部损耗，浪费资源。如果采用内循环方式，能解决该问题，但耗费电能巨大。

（3）机房环境控制设备比较分散，新风和空调独立控制，没有集中的环境监测平台，数据储存和查询不方便，不利于经验总结和统计分析，无法掌握环境变化规律。

2 地球站节能环境管理系统设计

地球站节能环境管理系统的设计基于环境信息采集、数据比较判断分析、设备联动控制、监测报警等功能设计，实现资源再利用、节能环保、环境自控、监测报警，达到改良机房环境，节约电能的目的。该系统是通过直接控制新风和排风，间接控制空调，环境参数实时监测比较，调控风量进出的节能环境管理系统。

2.1 地球站节能环境管理系统总体设计

整个系统由新风输入部分、排风循环部分、环境参数监测报警和联动控制部分组成。

新风输入部分：室外建设的新风系统适应露天环境，并集防雨罩、三级滤尘、鼓风为一体，为机房提供洁净的新鲜空气。三级滤尘网设计保障了进入机房新风空气的洁净度，室内使用散流器进风，减少风压，加快混风。防雨罩的设计有利于降低雨天对新风系统的影响。如图1所示。

图1 新风系统图

排风循环部分：改造排风管道，建设一套既能排风又能回风的循环管道系统，实现机房热风排出和回风控制，达到设备热风循环再利用的目的。

环境参数监测报警：利用环境监测设备，合理选择环境监测点，使监测点反应的机房环境指标更加符合机房实际情况，并根据机房各个监测点位置不同，设置合理的报警阈值，做到环境异常提醒。同时实现了环境数据的储存、统计、分析，便于日常管理和维护经验的总结。

联动控制部分：通过环境监测点实时采集数据与机房环境参考预设指标数值进行比较，实现新风、排回风量控制。出现超热或超冷情况，新风和回风无法保障环境温度适度恒定时，空调启动进行自动调节。

2.2 地球站节能环境管理系统的控制设计

地球站节能环境管理系统采用以PLC控制器作为下位机，采集新风温度、设备间温度、设备间湿度、压力、新风机频率、排风阀和回风阀开关量等参数数据，并通过上位机实现对新风机、排风阀和回风阀远程控制。采用计算机作为节能环境管理系统的上位机，通过以太网实现上位机和下位机之间通信，在管理系统上实现统一监测控制管理。通过PLC控制器与上位机相连，采用实时新风温度控制新风机转速，实时设备间温度控制风阀开关量，通过温度、压力差和湿度实现整个系统的联动控制，使室内环境达到理想指标要求。具体系统框图如图2所示。

图2 节能环境管理系统控制部分框图

2.3 地球站节能环境管理系统的参数设定

系统参数设定界面如图3，共分四部分，分别是新风控制部分、压差控制部分、风阀控制部分和报警设置部分。

图3 参数设定界面

新风控制部分：将新风温度传感器放在室内进风口位置，采集回来的温度实际上为室外温度，根据该温度给新风机设定一个固定的工作频率，该频率为一个经验值，原则上要确保机房内部为微正压。在一个温度控制行程内最高温度点（区域最高温度值+死区温度值）和最低温度点（区域最低温度值-死区温度值）的温度控制达到稳定后，室内压力为微正压，且压力值在室内压力要求范围内。

各温度区间的临界点设置了温度死区，设置死区可以防止在温度区间临界值新风机频率来回变动，导致转速频繁动作，影响温度控制的稳定度。经过观察调试，室外温度区间死区设置为2℃较为合适。

压差控制部分：通过机房内外部压力差采集回来的实时数据，与管理系统参考预设指标数值进行比较，如果压差值低于下限则新风机升频，压差值高于上限则新风机降频，压差值在上下限之间则新风机保持该频率转速。

风阀控制部分：将设备间温度传感器放在室内设备中间非风口位置，采集回来的温度实际上为设备间温度，用该温度与管理系统参考预设指标数值进行比较，高于参考温度时，排风阀开大，回风阀关小，进行降温操作；低于参考温度时，排风阀关小，回风阀开大，进行升温操作。排风阀和回风阀每个行程均需要较长时间，行程时间长有利于温度稳定，在此过程中，温度达到平衡时，两个风阀均不再动作，环境温度达到稳定。

由于排风管道和回风管道截面积有区别，所以需要预设回排风管道截面积，以便通过PLC控制器计算排回风阀开关量，以保障管道内部风阻不变，防止设备排风不畅，设备内部温度升高。

报警设置部分：根据系统内部四个传感器采集回来的数据，在本界面中可以设置三个指标的上下限报警阈值，另一个湿度报警阈值在湿度设定界面设置。湿度设定可以通过实时湿度值与管理系统参考预设指标数值进行比较，判定是否进入湿度控制模式。

2.4 地球站节能环境管理系统的监测报警和历史查询

利用统一界面进行管理，重新选择环境监测点，进行设备安装，使监测点反应的机房环境数值更加符合机房实际情况，并根据机房各个监测点位置不同，设置合理的报警阈值，做到环境异常提醒。将系统内部所有设备运行状态监测信息如实反映在显示界面，将报警信息如实反映在报警界面，并可在报警界面设置告警消声功能。图4为部分显示界面和报警界面，每个机房均有一个单独显示部分。

图4 显示界面和报警界面

2.5 地球站节能环境管理系统的告警记录及信息统计

管理系统有强大的告警记录统计功能，可以按照系统进行告警信息查询和曲线分析，也可以进行同一参数不同系统汇总分析比较。

此外，管理系统还拥有历史信息统计功能，可以按照系统进行历史信息统计，也可以进行同一参数不同系统历史信息汇总分析比较。

3 地球站节能环境管理系统优点分析

3.1 节能环保

本系统基于地球站设备实际运行情况设计，通过风压和温度传感器智能控制进风、出风和回风系统，考虑排风管道和回风管道截面积，换算排回风阀开关量，保持管道内部风阻恒定，再结合新风机转速控制，精确的实现室内外空气的交互和热风循环再利用。通过进风阀和回风阀等精准控制，实现充分利用自然空气冷风和设备产生的热风的能量交换，实现机房环境的恒定，在空调不启动的情况下达到节能环保的目的。

通过资源再利用，节约了改造成本。采用新的节能环保设计理念，充分利用自然冷风降温和设备热风加热，减小空调使用率，降低电能消耗，减少了设备检修维护成本。

3.2 控制模式多样，温度准确

整个系统有三种控制方式，分别为温度调节模式、压力调节模式和湿度调节模式，还有一种极端情况下的冷热超限模式。

温度调节模式：通过两个温度采集点与预设值进行比较，实现设备的控制。一个采集点为新风温度采集，用来控制新风机转速，根据新风温度预设风机转速，实现新风进入机房的精准控制，并通过死区值设置解决新风机频繁变动的问题，实现稳定输入新风。另一个采集点为设备间温度采集，控制排风阀和回风阀开关量，在保障管道阻力恒定的情况下实现热风循环再利用。两部分实现联动控制，达到机房环境温度恒定的目的。

压力调节模式：通过室内外压差采集数据与微正压预设值进行比较，控制新风机转速，实现新风量进入机房的精准控制。再结合设备间温度控制，实现机房环境温度恒定的目的。

湿度调节模式：为解决夏季湿度大的问题，设置湿度控制模式。实时采集设备间内湿度，并在控制终端显示，设置上下门限报警门限，达到门限值后可实现自动切换至湿度控制模式。根据室内湿度高低预设两种模式，预设湿度值、湿度死区值、风机频率、回风阀和排放阀开关量。湿度值升高超过下限值加死区值后进入低湿度模式，湿度值再次升高超过上限值加死区值后进入高湿度模式，湿度值降低小于上限值减死区值后进入低湿度模式，湿度值再次降低超过下限值减死区值后退出湿度模式，每个模式均能设定自己的新风机转速、回风阀和排风阀开关量。

冷热超限模式：夏季室外温度高，冬季室外温度低，依靠自然风和设备热风不能保障环境温度适度恒定时，空调启动配合原控制系统进行自动调节。

3.3 控制方式灵活

地球站节能环境管理系统控制部分主要为新风机转速、排风阈值、回风阈值三个重要变量，此三个变量均可实现自动和手动控制，可两个或三个变量任意组合，达到环境控制的目的。极端情况下，可以使用完全手动控制，达到便于检修和调节环境的目的。

3.4 死区值设置

为减少设备频繁变动，解决不容易保持环境温度恒定的问题，本系统引入死区值设置。本系统死区值在新风温度阈值判定、湿度阈值判定中得到使用，解决了新风机频繁变动转速问题和湿度模式下频繁改变排风和回风阀开关量问题，确保系统运行稳定。

4 地球站节能环境管理系统应用情况

地球站节能环境管理系统自投入使用以来运行稳定，环境控制良好，能够满足机房环境指标管理要求，符合总局62号令的相关要求，大大改善了地球站设备运行环境，提高了设备运行稳定性和使用寿命，减轻了值班人员检修维护工作量。

本站地处内蒙古自治区，该地区从每年10月至次年4月，平均气温在0度左右，通过该系统可以实现此期间内空调基本不工作，节约电能90%以上。由于春秋冬季节节能明显，全年环境管理系统较原系统节约电能约50%左右，达到了预期节能目标，同时空调使用率极低，大大提高了空调使用寿命。

结束语

地球站节能环境管理系统基于地球站设备实际运行情况需设计合理，与同类型技术比较更能满足地球站实际需要，且控制模式和方式更灵活，更能满足地球站环境指标需求。引入死区值设置，使系统运行更稳定，同时间接增加了空调使用寿命，降低了检修维护强度，节约了能耗和维护成本。