基于PLC技术的数据中心冷源自控系统设计与应用

何照东 周华飞

关键词：数据中心；冷源；碳达峰；自控系统；PLC

0 前言

在早期，数据中心的制冷系统缺乏统一标准[1]，也没有设定专门的机房和专用空调设备。一般使用的是普通民用空调，或依赖大楼的集中制冷系统来提供舒适性冷气。然而，这些舒适性空调设备是根据人的需求和环境条件设计的，主要用于处理人的热舒适度，而非专为处理数据中心机房的热负荷集中问题而设计。这类空调仅具备降温功能，缺少精确的温度控制和湿度控制功能，也没有严格的除尘措施和相关测试指标。

随着互联网和信息化的深入发展，对数据中心的需求不断增大，数据中心也逐渐渗透到各个行业中。各类企业对数据中心的理解和需求逐渐出现差异：一些企业视数据中心为成本中心，而数据中心租赁企业则将其视为利润中心。金融行业对数据中心的可靠性有着严格要求，而制造业则更加关注数据中心的易用性和成本。这些多样化的需求推动了数据中心行业的快速发展和创新方案的产生。

1 基于PLC 的数据中心冷源自控系统架构

1.1 典型冷源系统架构

典型数据中心水冷系统以水冷离心式冷水机组作为冷源[2]。以北京某数据中心为例，总共配置了5 套冷水机组和5台冷冻水一级泵。每套冷冻单元都包含一台变频制冷机组、一台冷却塔（配有变频风机）、一台变频冷冻水泵、一台变频冷却水泵、一台板式换热器、加药设备、旁流水处理设备以及用于控制的电动阀门和各种传感器。除了上述设备，制冷系统还配备了冷冻水补水软化装置、软化水箱、自动补水定压设备、冷却水补水池、冷却水补水变频供水装置和全自动加药装置。

冷冻水系统采用了一次泵变流量系统，其冷冻侧供回水温度定为15/21℃。冷冻水泵利用末端环路压差控制，能够根据冷负荷的变化调节流量，以确保供水参数的稳定和实现节能。冷却水系统的设计使每台冷水机组都有独立的环路，每台冷却水泵都与一台冷水机组一一对应，整个冷却水系统都有冗余设计。每台冷却塔都与一台冷水机组一一对应，并且是基于极端湿球温度（29.7℃） 和冬季自然冷却湿球温度（8℃） 进行选取的。

1.2 控制系统架构

数据中心冷源自控系统主要负责对冷水机组、冷却塔、冷却泵、冷冻泵、蓄冷罐以及各类阀门等设备进行信号采集和控制[3]。本系统由现场设备、控制器、系统网络、软件平台构成，以PLC为核心控制器。控制器负责将传感器传来的电信号转换为可处理的数据信号。系统网络用于构建控制器间、控制器与服务器间、服务器与服务器间的通信网络架构[4]。软件平台则提供人机操作界面、实时数据、工作状态、报警信息、报表统计等功能。

本系统采用“集散式”结构[5]，具备自动故障报警监测功能，能满足全天候24小时运行的需求。通过TCP/IP协议对暖通和环境设备进行实时监测和控制，以建立一个可扩展的整体平台，旨在满足现有需求的同时，兼顾未来不断增长的需求，并方便新设备、新系统的在线接入。系统包含以下几个层级：

设备层：此层由多种感应器、执行机构、机械电子设备等构成，是控制系统中最基础的一层。它能通过感应器直接获取现场的各类环境与设备运行数据，且能响应控制级的操作指令，对各种现场设备实施远程控制。此级能够实时、可靠并且有效地收集并传递所有设备的运行状况与控制需求。

控制层：由PLC控制单元、模块化组件、综合网关等组成，专注于特定区域内的现场监控。它基于设备级收集的数据进行实时处理与分析，管理设备的信息、状态与控制，并存储、处理、分析和输出各类信息，同时也负责将控制指令发送到现场的执行部门，并上报警告信息到中央管理级。该控制级具有优越的综合能力，可以整合各种监控设备的数据信息。

管理层：此层作为空调集控系统的管理界面，包含软硬件等各方面。软件方面包含用户图形界面、控制逻辑设计以及应用功能模块。硬件方面涵盖了服务器、显示屏等。管理级具有双机备份和热备份功能，负责统一管理控制级，分析数据并完成统计报告，它可以实现高级管理应用如报表功能、警报管理、权限管理、能源管理等，并且能远程调整设备。同时，此层会将收集与分析得到的实时与历史数据以及警报，上传至本地动环监控平台进行整合。若自控系统出现故障无法正常运行，向值班员发出警报并切换至手动模式。

系统采用了控制器双机热备的配置，确保了系统的稳定性和可靠性。在任何系统组件出现故障的情况下，系统会自动激活备用组件。如果控制器出现故障，系统会自动切换到备用控制器。即便控制器没有备用，BA系统也能保持控制器的最后一个命令，并维持暖通设备的运行状态，同时通过声光告警来通知运维人员。当自控系统的电源断电时，制冷系统的所有设备和阀门都会保持断电前的运行状态。

2 系统运行模式

2.1手动控制模式

在手动控制模式下，操作员可以通过图形界面选择“手动超越控制”，以及三种运行模式中的一种：冷机制冷模式、预冷模式、自由冷却模式，从而执行手动模式切换。通过工作站，操作员能够选择任意一套冷冻单元并切换到任意一种运行模式。

在单元控制器界面上，存在转换开关。该开关能够实现冷冻单元的手动启停，而手动启动的冷冻单元将运行在冷机制冷模式下。此外，单元控制器还允许操作员单独启停冷冻单元中的任何一台设备，例如冷水机组、一次泵、冷却塔、冷却水泵等。

2.2 群控策略

制冷模式制冷系统主要有三种工作状态：机械制冷模式（当室外空气的湿球温度超过15℃，可调整）、预冷模式（湿球温度在8℃与14℃之间，可调整）、自然冷却模式（湿球温度不超过8℃，可调整）。

当室外湿球温度超过15℃时，冷却塔的供水温度设定应为18℃。冷机的冷却水供应传感器位于冷却塔的PID控制环，以确保水温维持在16.5℃至33.5℃ 的范围内，从而确保冷机的稳定运行。

预冷模式如果室外湿球温度维持在8℃至14℃之间达到15分钟，单元控制器会检测冷却塔的出水温度和其与冷冻水的温差△t。当冷却塔的出水温度不超过18.5℃且△t不小于1.5℃持续15分钟时，单元控制器在确认相关设备和控制阀状态正常后，会向群控制器发送预冷请求。随后，集体控制器会决定是否切换到预冷模式，并向操作员发送通知。

在收到预冷启动指令后，单元控制器会逐渐将冷却水的出水温度设定为10.5℃。如果冷却水的出水温度持续低于冷冻水回水温度超过1.5℃的时间长达15 分钟，那么将会向冷机集体控制器返回正常的反馈。

如果15分钟后冷机控制器没有收到预冷模式的正常反馈，集体控制器会向操作员发出警报，并将有问题的冷冻单元锁定并切回标准冷机模式。

自然冷却模式：在预冷模式下，如果湿球温度低于8.0℃持续30分钟，单元控制器会开始进行一系列的检测，满足条件后向集体控制器发送自然冷却模式就绪的信号。群控控制器在确认后会提示操作员可以切换至自然冷却模式。当单元控制器收到启动指令后，会根据需要重新设定冷冻水的回水温度。

制冷单元的动态调整系统在运行过程中会根据负荷动态调整制冷单元的开关。当冷负荷达到或超过90%时，系统会启动下一个制冷组；反之，当冷负荷下降到30%时，会逐渐关闭当前的制冷单元。

模式的平稳切换为避免频繁的模式切换，系统会根据时间延迟和设定的停滞区进行调整。所有温度设定都以冷冻水的出水温度为基准，当基准设定值发生变化时，系统内的其他温度设定也会相应调整。

2.3 蓄冷罐控制策略

在蓄冷罐的垂直位置，我们每隔一米布置一个温度传感器。这些传感器的任务是观察温度变化并测算冷冻水在蓄冷罐中的有效容量。

蓄冷罐的总冷量计算如下：

W 为总冷量 （kj），ΔT 为温度变化 （℃），c 为比热容值 （4.2 kj/kg·℃），ρ 为水的密度 （1 000 kg/m?），V 为蓄冷罐的体积 （m?）。

充冷模式：当任一蓄冷罐的出水温度超过16℃ （可调整）或总冷量低于预设值，并且出水口温度保持在15℃（可调）达到1分钟（可调），则蓄冷罐启动充冷程序。当其中一个蓄冷罐充冷完毕，可以关闭其对应的电动阀门，加速其他蓄冷罐的充冷过程，从而解决水力不平衡的问题。

放冷模式：在系统初始运行时，末端负荷较小，一个制冷单元可以满足整个机房的冷量需求。为了节能，制冷单元与蓄冷罐会交替供冷。制冷单元在工作时既供冷又给蓄冷罐充冷。当蓄冷罐充满（由供水温度决定或达到预设放冷量）后，制冷单元关闭，蓄冷罐开始供冷。

2.4 冷冻水泵控制策略

当系统开始运行，主控制器优先选择符合工况的制冷单元，同时开启水泵。水泵的频率会从零逐步提升。控制器实时检测末端压差并进行判断。控制器按照水泵的运行时间和状态选择最合适的水泵开启，并对其进行时间和状态记录。水泵的频率会根据PID 进行调节，同时设定一个运行频率的下限。水泵的扬程和其频率成反比。为保证冷却系统的安全运行，必须设定一个水泵的最低频率。虽然理论上最大频率为50Hz，但实际上要考虑到系统和设备的压力限制。根据末端负荷的变化，末端的电动调节阀会自动进行调节，从而引发压差的变化。控制系统依据这些变化调整水泵的频率。

2.5 冷却水泵控制策略

冷却水泵利用变频来对流量进行调整，以应对因为不同工况导致的压力损失。实时根据冷机的工况参数、外部的温湿度状况以及冷却水的温度变化来调整冷却水的流量。这种调节旨在确保冷机工况不受影响，同时降低冷却泵的能耗。

2.6 冷却塔控制策略

每个冷却塔与一个制冷单元相对应。主要根据冷却塔的出水温度来进行调节，设定湿球温度与冷塔逼近度为参考。利用PID来调整冷却塔风机的频率。进水阀门的状态与风机状态同步，而出水阀门则保持打开状态。

若冷却水温度低于设定值，并且冷却塔风机在低频下运行超过预设时间，则冷却塔进入休眠状态。只有当PID计算值超过最小运行频率时，冷却塔才重新启动。

在某些情况下，冷却塔会启动旁通阀以维持冷却水温度。在自然冷却模式下，为了保持冷却塔内的水温，当冷却水温度低于预定值时，冷却塔的旁通阀会关闭，确保所有的冷却水都流经冷却塔。

3 测试分析

以北京某数据中心为背景，其自控系统工作站位于G11（2#） 数据机房楼集中监控室。设立了两个显示器，并预留了北向接口以供未来ECC建设。同时，在G12（1#） 冷冻站和G11（3#） 冷冻站各配置三个显示器，与各自的冷站内容相匹配。在这些工作站之上，有两个系统服务器，功能为互相备份。无论在工作站还是在服务器，都可以展示传感器数据、历史数据和设备状态等信息。

3.1 单调设备数据分析

1） 降低冷水主机频率（负载率）。以5%为一个阶段降低冷水机组VFD最低百分比，每隔1小时进行一次数据采集，维持2小时运行时间。2小时后继续下调5%，最终达到80%。26℃以上湿球温度情况下，VFD最低百分比不低于92%，确保冷机不喘振。

2） 降低冷冻水泵频率。以5Hz为一个阶段降低冷冻水泵设定频率，每隔1小时进行一次数据采集，维持1小时运行时间。1小时后继续降低，最低30Hz。当前G11-3冷冻水侧为闭式系统，回水主管压力为3.5bar，压力较高，末端最不利供回水压差为1bar，末端水流状况良好，冷冻泵降频空间大。

3） 降低冷却水泵频率。以2Hz为一个阶段降低冷却水泵设定频率，每隔1小时进行一次数据采集，维持1小时运行时间。1小时后继续降低，最低38Hz。当前G11-3冷机在高冷却水温度（>29度）情况下易出现喘振情况，冷却水泵最低频率暂定38Hz。

4） 降低冷却塔风机频率。以5Hz为一个阶段降低冷却塔风机设定频率，每隔2小时进行一次数据采集，维持两天运行时间。

5） 提高供回水温数据分析（需要配合末端，暂不调整）。以0.5℃为一个阶段升高制冷主机设定的供水温度，每隔4小时进行一次数据采集，维持两天运行时间。

3.2 节能数据对比分析（功率）

经优化，26℃湿球温度的高温工况下应用基于冷源自控系统的调优策略，冷源总功率由508.79kW降低至376.81kW，节能比率为25.9%，冷源侧总体CLF 从0.436降低至0.323，降低0.113。全年整体节能比率不低于0.113，全年节约电量不低于115.52 万kWH。按一般工商业电费0.87元/kWH测算，全年可节约电费不低于100万元。

4 结束语

为确保数据中心冷源自控系统的高可用性，系统设计时须充分考虑可用性、绿色节能、动态冷却等因素，这些都是未来发展的主要趋势。对于A级和B级的可用性要求，数据中心冷源自控系统被定位为A 级，需具备冗余设计，并在出现故障时有相应的应急方案。相较于传统的分散式制冷系统，具备冗余设计的系统即便单台机组出现问题，也不会影响数据中心的整体运作。