南京優(yōu)科思軟件有限公司 鄒亮平

典型數(shù)據(jù)中心的機(jī)房中空調(diào)的耗電量可達(dá)到全部設(shè)備耗電的40%以上，機(jī)房空調(diào)群是機(jī)房節(jié)能減排、提高數(shù)據(jù)中心電源使用效率（PUE）的重點(diǎn)[1]。而機(jī)房空調(diào)特別是不具備協(xié)同控制能力的老舊機(jī)房空調(diào)群整體運(yùn)行效率低下而導(dǎo)致得耗電大幅增加，主要表現(xiàn)為：各空調(diào)各自獨(dú)立運(yùn)行而實(shí)際區(qū)布局負(fù)荷不均，導(dǎo)致機(jī)房區(qū)域冷熱不均，總體室內(nèi)環(huán)境溫度波動(dòng)大；局部風(fēng)短路導(dǎo)致空調(diào)開機(jī)后回風(fēng)溫度迅速波動(dòng)，設(shè)備啟停頻繁；缺乏整體調(diào)度，負(fù)荷變化時(shí)不能及時(shí)調(diào)整值班機(jī)數(shù)量，導(dǎo)致過(guò)多的值班機(jī)空耗電能；各空調(diào)各自獨(dú)立運(yùn)行，個(gè)體參數(shù)差異可能導(dǎo)致空調(diào)間內(nèi)耗（有的加熱/濕，有的制冷/除濕），白白消耗大量電能。

1 控制系統(tǒng)硬件構(gòu)架

機(jī)房空調(diào)機(jī)組群的集中控制系統(tǒng)包括主控制器、分布式溫濕度傳感單元、終端控制繼電器、及人機(jī)界面主機(jī)。如圖1所示，主控制器為基于單片機(jī)的嵌入式系統(tǒng)，含電源電路、MCU（單片機(jī)）、第一、二路RS485通訊電路、繼電器輸出電路（圖3）、MCU 分別與電源電路、2路RS485通訊電路，繼電器輸出電路連接。主控制器內(nèi)置硬件及軟件看門狗，具有防死機(jī)、故障或斷電后自動(dòng)恢復(fù)連續(xù)運(yùn)行功能，軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)為專門的單任務(wù)運(yùn)行模式，可靠性高。

如圖2所示，分布式溫濕度傳感單元為基于單片機(jī)的嵌入式系統(tǒng)，含電源電路、MCU（單片機(jī)）、1路RS485通訊電路、帶有8路NTC溫度傳感器輸入接口的電路，內(nèi)置高精度的溫濕度傳感器芯片，MCU 分別與電源電路、RS485通訊電路、N TC溫度傳感器輸入接口電路，溫濕度傳感器芯片連接。機(jī)房空調(diào)機(jī)組群中每臺(tái)空調(diào)對(duì)應(yīng)1個(gè)溫濕度傳感單元，通過(guò)該溫濕度傳感單元可在該空調(diào)負(fù)責(zé)的區(qū)域內(nèi)布設(shè)8只NTC 高精度溫度傳感器來(lái)測(cè)量該區(qū)域內(nèi)的溫度分布。主控制器第二路RS485通訊電路為通訊主機(jī)接口，用于與分布式溫濕度傳感單元連接通訊，以讀取機(jī)房各采用分布點(diǎn)的溫濕度數(shù)據(jù)。

圖1 控制系統(tǒng)組成圖

圖2 分布式溫濕度傳感單元

圖3 繼電器輸出

表1 使用/不使用群控系統(tǒng)時(shí)空調(diào)耗電量交叉對(duì)比數(shù)據(jù)

主控制器的主控制器板內(nèi)置多個(gè)中間繼電器（圖3），每一中間繼電器連接控制一個(gè)外部終端繼電器。外部終端繼電器安裝于每一臺(tái)空調(diào)配電箱內(nèi)，外部終端繼電器常閉觸點(diǎn)接入機(jī)房空調(diào)的標(biāo)準(zhǔn)遠(yuǎn)程控制接口[2]。主控制器通過(guò)控制外部終端繼電器的通斷來(lái)控制所對(duì)應(yīng)空調(diào)的啟停。這種控制接口方式不插手干涉精密空調(diào)微處理器內(nèi)部控制過(guò)程，可兼容不同廠家各種型號(hào)的機(jī)房空調(diào)，同時(shí)提升了高節(jié)能系統(tǒng)的運(yùn)行安全可靠性：即使集控節(jié)能系統(tǒng)的主控器斷電或死機(jī)，或輸出信號(hào)線路在達(dá)到精密空調(diào)機(jī)組的途中出現(xiàn)損害或短路意外故障，終端繼電器將會(huì)失去控制信號(hào)，精密空調(diào)機(jī)組會(huì)憑借終端繼電器的常閉觸電閉合信號(hào)立即喚醒處于啟動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)。

人機(jī)界面采用帶組態(tài)功能的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)彩色觸摸屏人機(jī)交互界面單元，通過(guò)RS485通訊接口（采用MODBUS-RTU 協(xié)議）與主控制器的第一RS485通訊電路連接，對(duì)主控制器的配置、參數(shù)設(shè)置、運(yùn)行狀態(tài)及運(yùn)行歷史數(shù)據(jù)庫(kù)查詢，溫度場(chǎng)歷史數(shù)據(jù)曲線圖形顯示、數(shù)據(jù)導(dǎo)出等操作。

2 控制系統(tǒng)運(yùn)行原理

該控制系統(tǒng)基本運(yùn)行原理是在機(jī)房布置大量溫度采集點(diǎn)，采集整個(gè)機(jī)房的溫度場(chǎng)，以總體機(jī)房環(huán)境溫度為控制對(duì)象，統(tǒng)一自動(dòng)調(diào)度機(jī)房空調(diào)開啟的臺(tái)數(shù)（保證機(jī)房設(shè)備的冷卻）。同時(shí)結(jié)合機(jī)房局部溫度熱點(diǎn)區(qū)消除功能：溫度過(guò)高的區(qū)域空調(diào)優(yōu)先開機(jī)，溫度超高的區(qū)域空調(diào)強(qiáng)行開機(jī)；溫度低的區(qū)域空調(diào)優(yōu)先關(guān)機(jī)。這樣統(tǒng)一自動(dòng)調(diào)度機(jī)房所有空調(diào)，解決了機(jī)房空調(diào)各自為政導(dǎo)致的能耗增加，實(shí)現(xiàn)整個(gè)機(jī)房溫度場(chǎng)的均衡，提高了機(jī)房整體溫度控制精度（減少了溫度波動(dòng)），達(dá)到節(jié)能的目標(biāo)。同時(shí)實(shí)現(xiàn)了機(jī)房值班機(jī)的無(wú)人值守切換，降低了管理成本[3]。

該控制系統(tǒng)通過(guò)主機(jī)通訊口為每個(gè)空調(diào)區(qū)域節(jié)點(diǎn)都配置一個(gè)網(wǎng)絡(luò)型溫濕度傳感器，以采集每個(gè)空調(diào)負(fù)責(zé)區(qū)域溫濕度及外置該區(qū)域8個(gè)點(diǎn)的溫度場(chǎng)數(shù)據(jù)，并由該網(wǎng)絡(luò)獲取機(jī)房整體溫度場(chǎng)數(shù)據(jù)。集控系統(tǒng)根據(jù)采集的數(shù)據(jù)對(duì)整個(gè)機(jī)房的溫度場(chǎng)分布進(jìn)行綜合運(yùn)算分析，采取智能PID 算法，自動(dòng)決策投入機(jī)房空調(diào)運(yùn)行臺(tái)數(shù)，整體調(diào)度機(jī)房?jī)?nèi)所有空調(diào)的啟停，均衡控制機(jī)房溫度場(chǎng)，提高整體運(yùn)行效率，達(dá)到節(jié)能目的。

當(dāng)機(jī)房出現(xiàn)局部熱點(diǎn)時(shí)，優(yōu)先投入熱點(diǎn)所在區(qū)域機(jī)房空調(diào)的制冷量輸出，如果溫度還是降不到安全區(qū)域，則喚醒相鄰區(qū)域機(jī)房空調(diào)開啟制冷，協(xié)助工作?？刂葡到y(tǒng)調(diào)度順序上，控制溫度低的區(qū)域空調(diào)優(yōu)先關(guān)機(jī)，以均衡控制機(jī)房溫度場(chǎng)。機(jī)房空調(diào)機(jī)組群一般都有冗余配置，該控制系統(tǒng)根據(jù)用戶設(shè)置的冗余量自動(dòng)控制調(diào)度值班機(jī)組的切換，保證機(jī)房空調(diào)的均衡磨損運(yùn)行。

對(duì)機(jī)房空調(diào)的調(diào)度只通過(guò)機(jī)房空調(diào)本身配備的遙控開機(jī)輸入端口來(lái)實(shí)現(xiàn)，不插手干涉機(jī)房空調(diào)微處理器內(nèi)部控制過(guò)程。對(duì)空調(diào)的控制采用終端控制繼電器常閉觸點(diǎn)控制方式，保證了節(jié)能系統(tǒng)的運(yùn)行安全可靠性。即使集控節(jié)能系統(tǒng)的主控器斷電或損壞死機(jī)，或輸出信號(hào)線路在達(dá)到機(jī)房空調(diào)機(jī)組的途中出現(xiàn)損害或短路故障，繼電器將會(huì)失去控制信號(hào)，機(jī)房空調(diào)機(jī)組會(huì)憑借終端繼電器的常閉觸電閉合信號(hào)立即喚醒處于啟動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)，而且控制系統(tǒng)整個(gè)安裝工程施工過(guò)程，可以不影響整體機(jī)房空調(diào)的正常運(yùn)行。每臺(tái)空調(diào)可單獨(dú)調(diào)試，選擇自主運(yùn)行或群控運(yùn)行[4]。機(jī)房群集控系統(tǒng)能同時(shí)兼容控制不同廠家/品牌的不同型號(hào)空調(diào)。

3 結(jié)語(yǔ)

該系統(tǒng)在浙江嘉興某數(shù)據(jù)機(jī)房進(jìn)行了使用/不使用該群控系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，對(duì)機(jī)房空調(diào)總體耗電量的綜合交叉對(duì)比測(cè)試。該機(jī)房?jī)?nèi)有七臺(tái)機(jī)房精密空調(diào)，幾個(gè)月的測(cè)試期間，采用群控節(jié)能系統(tǒng)運(yùn)行一段時(shí)間后，緊接著采用手動(dòng)模式運(yùn)行一段時(shí)間，二種模式交替進(jìn)行，保證機(jī)房溫度基本一致。根據(jù)當(dāng)年7月3日至10月28日期間對(duì)比測(cè)試所測(cè)數(shù)據(jù)（表1）進(jìn)行對(duì)比綜合評(píng)估節(jié)電達(dá)22%。這里基于夏季3個(gè)多月對(duì)比運(yùn)行測(cè)試的數(shù)據(jù)進(jìn)行的經(jīng)濟(jì)效益分析不能說(shuō)完全準(zhǔn)確，但可以說(shuō)應(yīng)該是相對(duì)保守的，因?yàn)閷?shí)際后續(xù)測(cè)試中發(fā)現(xiàn)冬季環(huán)境溫度越低，群控模式節(jié)能效果越明顯。

數(shù)據(jù)中心機(jī)房采用該系統(tǒng)后，既可全面監(jiān)控管理機(jī)房的溫度場(chǎng)分布，又可提高溫濕度場(chǎng)的控制精準(zhǔn)度，有效節(jié)約了電能，提高機(jī)房PUE 指標(biāo)；并且同時(shí)可省去過(guò)去需投入過(guò)多人力資源去干預(yù)調(diào)節(jié)工作，從宏觀上節(jié)省了人力資源成本投入。