張軍偉，劉金枝

（1.北京中科仙絡咨詢服務有限公司；2.中國民航大學適航學院）

1 引言

從上世紀90年代數(shù)據(jù)中心(Data Center)的概念興起至今，已過去20余年。20年的發(fā)展，數(shù)據(jù)中心的建設規(guī)模不斷擴大，單個數(shù)據(jù)中心的規(guī)模也從最初常見的數(shù)百平方米發(fā)展到目前常見的數(shù)千乃至上萬平方米。數(shù)據(jù)中心的高功率密度化對冷水自控系統(tǒng)的制冷提出了更高的要求，在冷水自控系統(tǒng)能耗中，系統(tǒng)輸送能耗約占1/3，因此，在數(shù)據(jù)中心冷水自控系統(tǒng)中冷凍水采用二次泵變頻技術設計日益受到重視。

冷凍水二次泵變頻系統(tǒng)主要是根據(jù)冷水自控系統(tǒng)中末端壓差進行的變流量控制。在冷水自控系統(tǒng)中供回水末端最不利點設置壓差傳感器，采集到的壓力數(shù)值發(fā)送到控制器（DDC控制器或PLC控制器），控制器對接收到的壓力數(shù)值與系統(tǒng)中用戶設定的壓力值進行比較，根據(jù)兩者的差值來調(diào)節(jié)變頻器的頻率，從而調(diào)節(jié)冷凍水二次泵的轉(zhuǎn)速，使負荷側(cè)供回水末端恒壓穩(wěn)定在用戶設定的壓力值：即供回水末端壓力值大于用戶設定的壓力值，控制器控制變頻器降低頻率，減慢冷凍水二次泵的轉(zhuǎn)速；供回水末端壓力值小于用戶設定的壓力值，控制器控制變頻器提高頻率，加快冷凍水二次泵的轉(zhuǎn)速。通過實現(xiàn)供回水的變流量控制，從而達到節(jié)能降耗的目的。相比傳統(tǒng)的供水方式，冷凍水二次泵變頻系統(tǒng)的安全性和可靠性一直受到數(shù)據(jù)中心行業(yè)的廣泛重視。傳統(tǒng)的冷水自控系統(tǒng)二次泵變頻系統(tǒng)如圖1所示。

但是，在數(shù)據(jù)中心中傳統(tǒng)的二次泵變頻系統(tǒng)存在如下缺點：

1）在傳統(tǒng)的二次泵變頻系統(tǒng)中控制器僅采用單電源供電

當出現(xiàn)電源丟失時，控制器將掉電，變頻器將失去控制，導致無法實現(xiàn)自動壓差控制，對冷水自控系統(tǒng)中供回水末端的安全性帶來隱患，如時間過長，會導致數(shù)據(jù)中心溫度過高，服務器大規(guī)模的出現(xiàn)宕機甚至燒毀；

圖1 傳統(tǒng)的冷水自控系統(tǒng)二次泵變頻系統(tǒng)

2）在傳統(tǒng)的二次泵變頻系統(tǒng)中供回水末端最不利點僅設置1套壓差傳感器

當壓差傳感器數(shù)值失真時，控制器無法正常定壓控制；當壓差傳感器故障時，就需要停機檢修，影響系統(tǒng)的正常運行；

3）在傳統(tǒng)二次泵變頻系統(tǒng)中控制器無冗余配置或僅在控制器內(nèi)部CPU進行冗余配置

當控制器出現(xiàn)故障或變頻器控制柜輸入輸出出現(xiàn)故障時，變頻器將失去控制，導致無法實現(xiàn)自動壓差控制，給冷水自控系統(tǒng)中供回水末端的安全性帶來隱患。

2 系統(tǒng)架構(gòu)

在數(shù)據(jù)中心冷水自動系統(tǒng)中冷凍水二次泵冗余控制，能避免傳統(tǒng)冷凍水二次泵變頻系統(tǒng)中由單點故障、配置原因引起的停機無法供冷現(xiàn)象，避免數(shù)據(jù)中心內(nèi)服務器溫度過高可能出現(xiàn)的宕機甚至燒毀。數(shù)據(jù)中心冷凍水二次泵冗余控制系統(tǒng)包括末端壓差部分、控制器部分、變頻器控制柜部分、冷凍水二次泵組成。如圖2所示。

2.1 架構(gòu)說明

末端壓差部分用4套末端壓差傳感器，在冷水自控系統(tǒng)供回水末端中選擇2處最不利點設置末端壓差傳感器，在第一處最不利點設置末端壓差傳感器1與末端壓差傳感器2，在第二處最不利點設置末端壓差傳感器3與末端壓差傳感器4。其中末端壓差傳感器1與末端壓差傳感器2互為主備，末端壓差傳感器3與末端壓差傳感器4互為主備；當任何一個壓差傳感器出現(xiàn)故障時，系統(tǒng)仍可以保持正常運行。

控制器部分用2套互為主備的控制器，即主控制器、備控制器，主備控制器分別采用來自2套不同低壓系統(tǒng)的UPS（不間斷電源）電源進行供電，并在控制柜內(nèi)用STS進行切換，當任何一路供電出現(xiàn)故障時，系統(tǒng)仍可以保持正常運行。

2套配置完全一樣的控制器，主備控制器同步運行，中間采用硬接線互連，實現(xiàn)主備控制器之間的“心跳”檢測。

變頻器控制柜部分根據(jù)數(shù)據(jù)中心冷水自控系統(tǒng)中冷凍水二次泵實際數(shù)量進行變頻器控制柜的配置，每套變頻器控制柜將變頻器控制頻率、反饋頻率、冷凍水二次泵手自動狀態(tài)、啟?？刂?、運行狀態(tài)、故障狀態(tài)、報警狀態(tài)分別上聯(lián)到主備2套控制器；冷凍水二次泵分別由相應變頻器控制柜進行控制。

2.2 系統(tǒng)設計配置說明

如圖2所示，控制器部分用2套互為主備的控制器，即主控制器、備控制器，主備控制器分別采用來自2套不同低壓系統(tǒng)的UPS（不間斷電源）電源進行供電，兩路電源在控制柜內(nèi)通過STS進行切換。在冷水自控系統(tǒng)供回水末端中選擇2處最不利點設置的4套末端壓差傳感器，之間互為主備，避免了“單點故障”對冷凍水二次泵變頻系統(tǒng)造成的影響，降低數(shù)據(jù)中心的整體故障率，提高數(shù)據(jù)中心運行的安全性和可靠性。

圖2 數(shù)據(jù)中心冷凍水二次泵冗余控制系統(tǒng)架構(gòu)

末端壓差部分用4套末端壓差傳感器，在冷水自控系統(tǒng)供回水末端中選擇2處最不利點設置末端壓差傳感器，在第一處最不利點設置末端壓差傳感器1與末端壓差傳感器2，在第二處最不利點設置末端壓差傳感器3與末端壓差傳感器4。末端壓差傳感器1上聯(lián)到主控制器，末端壓差傳感器2上聯(lián)到備控制器，在第一處最不利點末端壓差傳感器1與末端壓差傳感器2互為主備；末端壓差傳感器3上聯(lián)到主控制器，末端壓差傳感器4上聯(lián)到備控制，在第二處最不利點末端壓差傳感器3與末端壓差傳感器4互為主備。

主控制器運行時，采集末端壓差傳感器1與末端壓差傳感器3的壓力數(shù)值，并對采集到的壓力數(shù)值進行比較，兩者的最小值與用戶設定的壓力值再進行比較，兩者的最小值大于用戶設定的壓力值，控制器控制變頻器降低頻率，減慢冷凍水二次泵的轉(zhuǎn)速；兩者的最小值小于用戶設定的壓力值，控制器控制變頻器提高頻率，加快冷凍水二次泵的轉(zhuǎn)速。兩者其中一套出現(xiàn)故障時，系統(tǒng)將根據(jù)另一套壓力值與用戶設定的壓力值進行比較進行控制，系統(tǒng)對出現(xiàn)故障的末端壓差傳感器在前端報警。兩者均出現(xiàn)故障時，處于熱備狀態(tài)的備控制器立即投入，對處于運行狀態(tài)的變頻器和冷凍水二次泵進行控制，不影響變頻器和冷凍水二次泵的正常運行。

備控制器運行時，采集末端壓差傳感器2與末端壓差傳感器4的壓力數(shù)值，并對采集到的壓力數(shù)值進行比較，兩者的最小值與用戶設定的壓力值再進行比較，兩者的最小值大于用戶設定的壓力值，控制器控制變頻器降低頻率，減慢冷凍水二次泵的轉(zhuǎn)速；兩者的最小值小于用戶設定的壓力值，控制器控制變頻器提高頻率，加快冷凍水二次泵的轉(zhuǎn)速；兩者其中一套出現(xiàn)故障時，系統(tǒng)將根據(jù)另一套壓力值與用戶設定的壓力值進行比較進行控制，系統(tǒng)對出現(xiàn)故障的末端壓差傳感器在前端報警；兩者均出現(xiàn)故障時，處于熱備狀態(tài)的主控制器立即投入，對處于運行狀態(tài)的變頻器和冷凍水二次泵進行控制，不影響變頻器和冷凍水二次泵的正常運行。

如圖3所示傳統(tǒng)的變頻器控制柜的輸出方式，變頻器控制柜將變頻器控制頻率、反饋頻率、冷凍水二次泵手自動狀態(tài)、啟?？刂?、運行狀態(tài)、故障狀態(tài)都上聯(lián)控制器。控制器出現(xiàn)故障時，系統(tǒng)無法對變頻器控制柜進行控制，系統(tǒng)將整體停機，影響數(shù)據(jù)中心的正常運行。

如圖4所示數(shù)據(jù)中心冷水自控系統(tǒng)中冷凍水二次泵實際數(shù)量為5臺，變頻器控制柜部分根據(jù)冷凍水二次泵數(shù)量進行配置變頻器控制柜5套。每套變頻器控制柜將變頻器控制頻率、反饋頻率、冷凍水二次泵手自動狀態(tài)、啟?？刂?、運行狀態(tài)、故障狀態(tài)分別上聯(lián)到主備2套控制器，在變頻器控制柜輸入輸出端口進行冗余配置。

圖3 傳統(tǒng)變頻器控制柜的輸出方式

圖4 數(shù)據(jù)中心二次泵冗余配置的變頻器控制柜的輸出方式

圖5 主備控制器“心跳”方式

如圖5所示主備控制器中間采用硬接線互連，實現(xiàn)主備控制器之間的“心跳”檢測。

①如圖5a所示，主控制器正常運行時，備控制器時時檢測主控制器“心跳”情況，判斷“心跳”信號是否正確，主控制器將數(shù)據(jù)上傳到交換機，同時備控制器對主控制器數(shù)據(jù)進行實時同步；

②如圖5b所示，備控制器檢測到主控制器不正確的“心跳”信號時，判斷主控制器出現(xiàn)故障，處于熱備狀態(tài)的備控制器立即投入控制，備用控制器將數(shù)據(jù)上傳到交換機，系統(tǒng)對主控制器在前端報警，提醒運維人員進行檢查和維修；

③如圖5c所示，備用控制器正常運行時，主控制器維修完成，主控制器時時檢測備控制器“心跳”情況，判斷“心跳”信號是否正確，備控制器將數(shù)據(jù)上傳到交換機，同時主控制器對備控制器數(shù)據(jù)進行實時同步；主控制器檢測到備控制器不正確的“心跳”信號或手動切換時，可以實現(xiàn)備控制器切換到主控制器運行，切換過程中，變頻器和二次泵實現(xiàn)不停機無縫切換，不影響系統(tǒng)正常運行。

如圖6所示主備控制器之間心跳信號方式，主備控制器中間采用硬接線互連，通過模擬量信號進行傳輸，保證“心跳”信號的可靠性，“心跳”信號進行周期性跳動，主備之間互相檢測信號的準確性和正確性，相比數(shù)字信號提高了安全性和可靠性。

2.3 系統(tǒng)運行控制邏輯

數(shù)據(jù)中心冷凍水二次泵冗余控制系統(tǒng)提供末端壓差設定、冷凍水二次泵最小運行數(shù)量設定、冷凍水二次泵自動加載頻率設定、冷凍水二次泵自動減載頻率設定、冷凍水二次泵加載順序設定、冷凍水二次泵減載順序設定、冷凍水二次泵手動輪詢設定等。完成上述設定后，主備控制器會同步設定以上設置，保證主備控制器冗余配置的同步。

圖6 主備控制器“心跳”信號方式

冷凍水二次泵最小運行數(shù)量設定提供用戶設定冷凍水二次泵最小運行數(shù)量，系統(tǒng)不允許小于設定值數(shù)量的冷凍水二次泵運行。

冷凍水二次泵自動加、減載頻率設定提供用戶設定冷凍水二次泵自動加、減載的頻率值，且設定的加載頻率值不允許小于減載頻率值，設定的減載頻率值不允許大于加載頻率值。系統(tǒng)處于自動控制狀態(tài)，數(shù)據(jù)中心內(nèi)負荷增加，處于目前運行狀態(tài)的冷凍水二次泵每臺運行頻率都大于自動加載頻率值，超過設定時間，系統(tǒng)將加載一臺處于備用狀態(tài)的冷凍水二次泵，加載成功后，運行狀態(tài)的冷凍水二次泵每臺運行頻率將降低，如繼續(xù)大于自動加載頻率值，超過設定時間，系統(tǒng)將加載一臺處于備用狀態(tài)的冷凍水二次泵，依次進行，直至5臺冷凍水二次泵全部處于運行狀態(tài)。數(shù)據(jù)中心內(nèi)負荷減小，處于目前運行狀態(tài)的冷凍水二次泵每臺運行頻率都小于自動減載頻率值，超過設定時間，系統(tǒng)將減載一臺處于運行狀態(tài)的冷凍水二次泵，減載成功后，運行狀態(tài)的冷凍水二次泵每臺運行頻率將升高，如繼續(xù)小于自動減載頻率值，超過設定時間，系統(tǒng)將減載一臺處于運行狀態(tài)的冷凍水二次泵，依次進行，直至減載到冷凍水二次泵最小運行數(shù)量。

系統(tǒng)處于自動控制狀態(tài)，用戶修改末端壓差設定值，末端壓差設定值大于原末端壓差設定值，處于目前運行狀態(tài)的冷凍水二次泵每臺運行頻率都將升高，升高后的頻率值都大于自動加載頻率值，超過設定時間，系統(tǒng)將加載一臺處于備用狀態(tài)的冷凍水二次泵，加載成功后，運行狀態(tài)的冷凍水二次泵每臺運行頻率將降低，如繼續(xù)大于自動加載頻率值，超過設定時間，系統(tǒng)將加載一臺處于備用狀態(tài)的冷凍水二次泵，依次進行，直至5臺冷凍水二次泵全部處于運行狀態(tài)。末端壓差設定值小于原末端壓差設定值，處于目前運行狀態(tài)的冷凍水二次泵每臺運行頻率都將降低，降低后的頻率值都小于自動減載頻率值，超過設定時間，系統(tǒng)將減載一臺處于運行狀態(tài)的冷凍水二次泵，減載成功后，運行狀態(tài)的冷凍水二次泵每臺運行頻率將升高，如繼續(xù)小于自動減載頻率值，超過設定時間，系統(tǒng)將減載一臺處于運行狀態(tài)的冷凍水二次泵，依次進行，直至減載到冷凍水二次泵最小運行數(shù)量。

冷凍水二次泵故障替換實現(xiàn)自動切換控制，正常運行的冷凍水二次泵出現(xiàn)故障時，系統(tǒng)前端報警，控制器將自動啟動排在加載順序第一位的冷凍水二次泵，此臺冷凍水二次泵運行成功后，出現(xiàn)故障的冷凍水二次泵將停止運行。在控制器自動啟動排在加載順序第一位的冷凍水二次泵，此臺冷凍水二次泵啟動時間超過設定時間將會發(fā)出報警，系統(tǒng)進行鎖定，并自動啟動排在加載順序第二位的冷凍水二次泵，此臺冷凍水二次泵運行成功后，出現(xiàn)故障的冷凍水二次泵將停止運行，冷凍水二次泵故障替換完成。

冷凍水二次泵手動輪詢提供用戶根據(jù)實際運行情況，對處于運行狀態(tài)的冷凍水二次泵和處于備用狀態(tài)的冷凍水二次泵進行手動輪詢。用戶發(fā)出手動輪詢命令，系統(tǒng)會自動啟動排在加載順序第一位的冷凍水二次泵，此臺冷凍水二次泵運行成功后，系統(tǒng)會自動關閉排在減載順序第一位的冷凍水二次泵，此臺冷凍水二次泵關閉成功后，此次手動輪詢命令執(zhí)行完畢。系統(tǒng)自動啟動排在加載順序第一位的冷凍水二次泵，此臺冷凍水二次泵啟動時間超過設定時間將會發(fā)出報警，系統(tǒng)進行鎖定，并自動啟動排在加載順序第二位的冷凍水二次泵，此臺冷凍水二次泵運行成功后，系統(tǒng)會自動關閉排在減載順序第一位的冷凍水二次泵，此臺冷凍水二次泵關閉成功后，此次手動輪詢命令執(zhí)行完畢。

3 結(jié)語

以上主要對數(shù)據(jù)中心冷源自控系統(tǒng)中二次泵冗余控制系統(tǒng)的架構(gòu)設計、控制點及運行控制邏輯進行了說明和描述，除此之外，冗余控制系統(tǒng)還包括了各設備的報警信息、設備遠程手自動操作、設備設定值等功能?？傊?，隨著數(shù)據(jù)中心規(guī)模的不斷擴大，自控技術的不斷創(chuàng)新，對數(shù)據(jù)中心各設備的控制將越來越靈活，并能對數(shù)據(jù)中心各設備做到精準控制，必將極大的提高數(shù)據(jù)中心的安全性和可靠性。