数据中心水冷系统智能控制逻辑的研究与应用

程 博，刘松茂，宋子健，薛鹏琦，周玉利

（中国联合网络通信有限公司广州市分公司，广东 广州 510000）

1 数据中心水冷系统概述

1.1 水冷系统的组成和局限

数据中心水冷系统主要由冷冻水循环泵、分集水器、冷却塔、板式换热器、蓄冷罐、管路阀门、定压补水装置、释冷泵、冷却水循环泵以及冷水机组组成，整个系统拥有庞大的规模和复杂的运行流程[1]。

长久以来，水冷系统在各种数据中心得到了广泛应用。为了使制冷系统有着较高的可用性，我国针对数据中心机房建设提出了较高的制冷系统冗余要求，具体如表1所示。

表1 国内外制冷系统冗余相关要求

实际使用中，虽然制冷系统在选择冗余方法方面存在一定差异，但是在充分分析表1各项冗余参数后可知，在水冷系统中因为使用相同的管路、水源和冷源，在落实冗余工作时，N+X配合环网属于最常见的方式。水冷系统拥有高的冗余数量要求，且有较大概率产生单故障点。如果冗余规模无法满足相关要求，会导致数据中心在投资和维护的过程中支出较高的成本。所以，相关人员需要充分重视自动控制和节能等方面的需求[2]。

1.2 自控系统架构

在集中管控数据中心水冷自控系统时，需要使用3层设备结构和5层网络结构，如图1所示。

图1 水冷系统自控系统架构

1.2.1 3层设备结构

（1）设备控制层。该层的主要功能是合理控制各个受控设备，确保目标顺利实现。设备本身的输出输入点非常多，主要由各类执行器、扩展模块、各类传感器以及现场控制器组成。

（2）设备通信层。该层主要是设备控制层与中央管理层的桥梁，可以完成数据存储和处理功能。它储存的数据包含中央管理层和设备控制层的备份数据，核心设备为网络控制引擎。

（3）中央管理层。该层设备是整个水冷自控系统的心脏，主要包含各类通信网关、交换机、打印机、不间断电源、服务器以及工作站[3]。

1.2.2 2层网络结构

（1）楼宇自动化与控制网络（Building Automation and Control networks，BACnet）协议。这种协议能够为设备控制层和网络控制层之间的数据交换提供方便，在连接的过程中需要借助线缆。

（2）传输控制协议/网际协议（Transmission Control Protocol/Internet Protocol，TCP/IP）。此协议主要是为了顺利交换网络通信层和中央管理层之间的各项数据，在CAT6非屏蔽4对非屏蔽双绞线的支持下为顺利完成物理层连接提供有效保障。

2 数据中心水冷系统智能控制逻辑总体方案

在运行数据中心水冷系统的过程中，想要保证系统运行稳定，减少能源消耗，在充分考虑各方面实际问题的基础上，应该不断优化水冷系统智能控制逻辑方案。

自控系统负责集中监管各种设备的能耗情况、安全状况和运行情况，利用核心控制逻辑确保冷源系统可以顺利解决故障和管理能耗。如按照一定顺序启动多台设备和调节水流开度，保证相关智能控制逻辑能够被相关设备顺利执行，可以在最大程度上实现水冷系统的节能，同时在自动控制的情况下能够降低人为因素导致的误差，有效简化系统操作。

控制逻辑是自控系统的核心，要想保证控制逻辑的合理性，需要与其他专业的实际情况相结合开展设计工作，并且需要开展相关的试验。本文将探讨该数据控制中心实施智能控制逻辑的方案[4]。

该数据中心的冷源系统由开式冷却塔、10 kV高压离心式冷水机组以及板式换热器组成，使用N+1原则布置定压装置、板式换热器、水泵、冷却塔以及冷水机组等设备，主要利用闭式循环系统，其中空调水系统就是一次泵变流量系统。为了完成通信机房供冷的要求，要充分考虑蓄冷15 min的要求。当市电供应不稳定时，确保制冷工作可持续进行。

该数据中心所在区域拥有明显的四季环境温度差异，为了降低能耗，规划了3种运行模式，分别为普通制冷模式、预冷模式以及自然冷却模式。普通制冷模式的供冷通过冷机完成。预冷模式的供冷由板换和冷机共同完成，其中预冷为板换。自然冷却模式在冷机没开启的情况下，通过板换的作用能够顺利完成冷冻水和冷却水间的换热。在这些运行模式下，各套制冷单元中的换热机组、冷却水泵、冷却塔风机、冷冻水泵以及水冷机组都能够完成电气连锁。

2.1 模式切换逻辑

开机后，系统会与室外湿球温度相结合完成运行模式的合理选择。实际运行期间，应该通过室外湿球温度和冷却水回水温度切换适宜的运行模式。运行过程中会按照以下逻辑切换模式[5]。

2.1.1 普通制冷模式切换到预冷模式

需要符合冷塔为13 ℃以内、出水温度和室外必须低于10 ℃湿球温度以及存在20 min延时的要求。这个过程中不会改变处于启动状态的冷机，而会启动对应的板换，按照秩序完成阀门的调节和切换，使水路由板换进入冷机，然后与预冷模式加减机条件相结合完成机组加减。

2.1.2 从预冷模式切换为普通制冷模式

需要符合冷塔超过13 ℃、出水温度和室外必须超过10 ℃湿球温度以及存在20 min延时的要求。这个过程需要先关闭对应的板换，无须改变冷机，只需完成阀门的调节和切换使水路改变，保证水路只在冷机通过，最后在充分遵循普通制冷模式下使加减机完成机组加减。

2.1.3 预冷模式切换为自然冷却模式

需要符合冷塔为8 ℃以内、出水温度和室外必须为6 ℃以下湿球温度以及拥有20 min延时的要求。此时无法改变板换，处于启动状态的冷机需要关闭，只需完成阀门的切换就能够使水路发生改变。这种情况下水路只在板换通过，以自然冷却模式加减机要求为基准完成板换加减。

2.1.4 自然冷却模式向预冷模式切换

不但需要冷塔拥有超过8 ℃出水温度，而且室外需拥有超过6 ℃湿球温度和拥有20 min延时的要求。只运行1组板换和冷机，然后与预冷模式加减机条件相结合完成机组加减[6]。

2.2 加减机条件逻辑

2.2.1 普通制冷模式加机条件

只有符合以下3个条件，才可使下一机组加载程序要求得到满足：第一，现阶段正在运行的机组可达到负载100%且时间充足；第二，冷冻水供水温度高于系统设定的冷冻水供水温度；第三，与某个设定值相比，运行机组拥有更大的负载。

当以下3个条件同时满足时，新冷水机组将及时启动：第一，已经超过启动新冷水机组的延时时间；第二，新冷水机组的运行并未被系统禁止；第三，新冷水机组不存在断电重启或出错现象[7]。

2.2.2 普通制冷模式减机条件

想要满足减机条件，需满足以下3项要求：第一，现阶段存在1台以上的运行机组台数；第二，与当前设定值相比，运行机组拥有更小的平均负载；第三，冷冻水供水温度低于冷冻水设定温度[8]。当满足以上要求时，将立即停止设定机组运行，结束机组停机的延时时间。

2.2.3 预冷模式的加减机条件

与普通制冷模式加机条件相同。

2.2.4 自然冷却模式加减机条件

与冷机最小运行时间的云泽相结合，完成加减板换位号的合理选择。在自然冷却模式下，当冷却水进入板换后将由板换阀门进行控制，能够实现对二次侧冷冻水出水温度的控制。当板换阀门拥有0%的开度时，与加机设定值相比在一定时间内拥有更高的冷冻水出水温度时，加板换；当与减机设定值相比拥有更大的板换阀门开度且与减机设定值相比在一定时间内拥有更低的冷冻水出水温度时，减板换。

2.3 连锁保护启动/停止的控制逻辑

在冷水机组启动前，系统将对与冷水机组配套的阀门、冷却水泵、冷却塔以及冷却水泵等设备的状态进行自动检查，并且按照固定顺序逐个启动。若是能够正常启动所有的配套设备，系统的冷水机组将被启动；若是无法正常启动配套设备，控制系统将使其他冷水机组和配套设备启动，且拥有与上述相同的启动顺序和相关控制。关机过程将拥有相反的顺序，先关闭冷水机组，然后关闭配套的辅助设备[9]。

启动的流程为“冷却塔蝶阀启动—冷却塔风机启动—冷却水蝶阀启动—冷却水泵启动—冷冻水启动”。停止的流程为“冷水机组停止（存在5～10 min延时）—冷却水泵关闭—冷却水蝶阀关闭—冷却塔风机关闭—冷却塔蝶阀关闭”。

2.4 故障模式的控制策略逻辑

在系统停止、启动时，拥有状态确认程序较多，能够对配备设备提供有效保证。若是状态确认程序有失误存在，自控系统将进入自检状态。之所以会发生异常情况，可能是局部手动操作、设备故障等原因导致。这种情况下，系统一方面会努力在最大程度上完成设备运行台数匹配，避免损害设备的情况；另一方面会选择报警，将故障信息传达给维修和操作人员，并且对处理自控系统无法处理的问题。

系统运行过程可能存在较多台数不匹配的组合，但当与冷水机组运行台数相结合时，合理调整各组冷冻水泵、冷却塔、冷却水泵的运行台数，就能够顺利完成自然匹配，再结合前面所述的条件和规范合理减少或增加冷水机组运行台数，从而有效协调整个系统[10]。

当发现自控系统中出现与实际情况不符的设备运行台数时，应该优先增减冷水机组运行的配套设备，然后合理增减运行的冷水机组台数。

2.5 冷却塔的控制逻辑

冷机和冷却塔在控制过程中也存在对应关系。自控系统与冷却水回、出水温度变化相结合，能有效控制冷却塔相应阀门，在负荷相关规范的前提下，最大限度减少设备运行台数。这样不但能够顺利完成节能目标，还能够降低设备损耗。

在普通制冷模式下，冷塔风机启动台数主要受冷机冷却水供水温度的影响。当室外存在不同湿球温度时，将会出现不同的冷却水设定温度值，如表2所示。

表2 冷机冷却水供水温度设定值

在预冷模式下，以冷冻水回水温度值为基准，需设定比其更低的板换冷却水温度值，从而为板换预冷作用提供有效保障。

在自然冷却模式下，冷塔风机台数由冷却塔出水温度设定值确定，可保证冷却水温度始终处于规定范围内。而板换二次侧出水温度在调节过程中需要利用冷却水模拟旁通水流，对冷却水通过板换的流量进行控制，从而实现对板换二次侧冷冻水出水温度的控制。

3 结 论

通过对该数据中心水冷自动控制系统开展测试，证明自控系统能够满足预期要求。当故障在一套系统中出现时，能够自动切换到下一套系统，并且能够顺利实现节能降耗的目标。实际应用结果表明，该数据中心实施水冷系统智能控制逻辑后取得了良好效果，近年来该数据中心没有出现因制冷中断业务的情况，且在数据中心的总耗电量中，空调系统耗电量能够下降约13%。由此可见，该水冷系统智能控制逻辑拥有较广的应用价值和较高的推广价值。