数据中心的空调群控系统设计

Technological Innovation
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数据中心的空调群控系统设计
江根明
（杭州华电华源环境工程有限公司，浙江 杭州 310030）
摘要：随着物联网及大数据的快速发展，各种数据中心已经成为像交通、能源一样的经济基础设施。

而数据中心冷冻站是数据中心的
主要冷源，对应的群控系统是数据中心长期安全运行的重要组成。

普通的楼宇DDC控制系统已不能满足数据中心高安全性的使用要求，必须研究设计更高安全性的控制系统。

关键词：数据中心；群控；冗余PLC系统；工业以太网
1 数据中心暖通空调群控系统目前普遍情况
现在国内数据中心群控系统大都采用一个控制器控制全部冷冻站设备或依照冷冻站设备分类配置控制器的系统架构，且基本都是DDC控制器，抗干扰能力差。

传统的冷冻站控制系统存在众多弊病：单控制器控制冷站内所有的自动化设备，该系统架构使得控制器成为系统运行成功的关键，该控制器的任何故障都将导致整个控制系统瘫痪，给数据中心的正常运行造成威胁。

其次，传统的冷冻站控制系统所使用的传感器大多未进行冗余设置，单个传感器的系统设置，导致传感器数值无法得到校验和比对，使数值的准确性降低，同时单个传感器故障将影响控制逻辑的正确执行，使系统的可靠性下降。

而数据中心的暖通空调一旦出现错误，极易引起服务器宕机，从而引发巨大经济损失。

所以，数据中心暖通空调群控系统的好坏，关联着整个数据中心暖通空调的工程成功与否。

2 高安全性的数据中心新群控系统的架构设计及软硬件选型
群控系统分为管理层、控制层和现场层。

我们对每一个层级及网络通讯均进行符合数据中心安全要求的系统设计。

在管理层，为保证数据中心空调数据和空调能耗数据的完成性和可追溯性，系统架构采用CS架构和BS架构模式。

CS架构中服务器为2台冗余服务器；客户端为2台操作员站。

其中冗余服务器互为热备，保持数据库的数据同步。

服务器软件选用西门子公司WINCC 服务器组态软件和SQL数据库。

冗余服务器在主服务器故障后自动切换到备用服务器运行。

在服务器故障恢复正常运行后，服务器之间自动进行数据同步，把故障恢复的服务器进行数据补全，保证数据的完整性。

同时服务器中部署WEB SERVER端和MODBUS TCP SERVER 端。

WEB SERVER可以让授权客户通过浏览器访问控制界面，操作和监控空调运行情况。

MODBUS TCP SERVER可以和数据中心设备管理系统(DCIM系统)进行数据通讯，完成空调群控系统的数据外发和接收控制指令。

操作员站中进行整个控制系统的监控，并导出运行数据报表等。

在控制层中，CPU采用西门子公司冗余S7-412-5H 。

双CPU互为热备，通过同步光纤互连，在主CPU故障后，无延时启动备用CPU，系统实现故障切换无波动运行。

数据采集部分选用冗余通讯接口的 IO采集模块。

在 IO采集模块配置时，考虑一套制冷单元（含一台制冷主机、一台板式换热器、一台冷冻水泵、一台冷却水泵和一台冷却塔）配置一套IO采集系统。

项目中有几套制冷单元就配置几套IO采集系统，这样在单套的采集系统故障时，剩余部分均可以正常运行，不影响供冷系统的正常供冷。

对参与群控系统控制的重要传感器进行冗余设置，冗余的传感器不能接入同一个IO采集系统，防止IO采集系统故障引起控制值缺失，造成控制系统不稳定。

在现场层，电动阀配置专门的阀门控制柜。

为防止电动阀在手自动切换过程引起的手动控制值和自动控制值不一致造成运行系统扰动，每个电动阀配置独立的阀门控制器。

阀门控制器与主控制系统采用硬接线和通讯2种方式进行控制，保持冗余的控制模式。

为防止水泵在手自动切换过程引起的手动控制值和自动控制值不一致造成系统运行扰动，每个变频泵也配置专门的变频控制器，控制器选择西门子的1200PLC。

变频控制器与主控制系统采用硬接线和通讯2种方式进行控制。

在管理层和控制层之间通过环网交换机、光纤和网线组建环形冗余工业以太网，保证任意一通讯节点故障不影响整个系统的通讯稳定。

3 数据中心群控系统的编程和逻辑设计
优良的硬件设计还需要配套成熟的逻辑控制。

优秀严谨的程序设计能提高系统的稳定和安全性。

3.1 重要数据的采集及控制
重要数据的传感器均进行冗余布置，并经不同的采集单元接入系统。

控制目标值为同位置传感器的正常采集数据的平均值。

通过编程对每个传感器的数据采集先进行故障和断线判断，只有正常的传感器数据才能进行平均值计算，故障传感器剔除平均值计算范围。

保证控制系统的稳定性。

3.2 阀门和变频水泵无扰动的控制逻辑
在阀门或变频水泵由手动向自动进行转换时，如果控制器手动输出值同主控制器送来的自动输出值不同，则将从控制器输出值向自动值缓变，其时间常数由参数t（t现场调试确定）决定，t越大，变化越缓慢。

延时t结束后，控制器输出值等于自动输出值。

反之同理。

4 数据中心群控系统的上位机软件设计
4.1 流程界面设计
在界面图中显示空调设备的运行状态（不同颜色区分故障、运行和停机状态），数据采集实时值（不同颜色区分温度、压力、流量、频率和阀位等不同类型值）。

并根据流量及水泵运行状态，在界面中显示实时水流，让操作监视人员可以简单直接的发现系统的运行状态。

4.2 运行记录设计
为保证运行和操作记录的可追溯性。

需要统计设备的运行停止状态，包括主机、水泵和阀门等设备。

重要参数的设定过程和控制系统的操作记录均需要记录进入服务器数据库，条目中包括操作人员的账号，登陆的操作站及操作时间。

4.3 报警系统设计
数据中心群控系统中，故障报警系统是其中的重点。

故障根据重要性要求分为紧急告警，重要告警和一般告警，并由三色告警灯（设置在值班控制室）进行提醒。

故障必须包含冷冻水泵全部停机、制冷主机全部停机、供水温度和压力超限的紧急告警，PLC系统的故障，通讯网络的故障，采集器的故障，传感器的故障，电机的故障等。

对每个传感器均设置低、超低、高、超过报警，报警阈值均在操作界面可以设定。

5 系统调试过程
5.1 和DCIM系统的联调
现在新建数据中心为得到更优的PUE值，DCIM系统均开始布置AI控制系统，需要群控系统提供空调系统的运行数据并能接受AI 控制系统的控制指令。

AI系统通过群控系统MODBUS TCP接口采集运行参数和能耗数据， 通过神经网络算法建立数据模型，寻找最优的控制参数下发给群控系统，让群控系统运行在最优的模式下。

群控系统必须设置寻优接口和通讯接口，保证联调的顺利进行。

5.2 调试中遇到的问题和解决方案
（1）在系统需要加机时，需要增加冷冻水泵。

增加的冷冻水泵会引起原先冷冻水泵的流量减少，减少值约为原先运行值的35%。

水流的缺少会引起离心主机喘振，为保护主机设备运行安全，减少
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科技创新
框架包括内层框架和外层框架两部分。

框架有面板、侧板和外层框组成，材料为50mm厚的绝缘尼龙板，主要作用为支撑和隔离屏蔽层及电缆。

内层框架中间放置电缆，面板直径可根据电缆直径大小及电缆的数量进行改变。

内、外层框架间的缝隙用于安装内层屏蔽层。

内屏蔽层是将较高电磁饱和度的硅钢基材复合材料外包在内层框架的尼龙板上，考虑到加工难度，将硅钢片分成三段，相邻硅钢片之间采用铆钉连接固定。

外屏蔽层是将较高磁导率的硅钢基材复合材料外包在外层框架上，分为围板和底板两部分，同样将围板分成三段，相邻之间采用铆钉连接固定。

另外在硅钢片和外层框架之间贴上两层0.55mm的浸橡胶丝网屏（浸橡胶丝网屏是由浸没了氯丁橡胶或硅橡胶的铝丝网屏制成，主要提供EMI屏蔽和环境密封）。

在实际的EMI屏蔽中，电磁屏蔽效能很大程度上取决于装置的物理结构，即导电的连续性；装置上的接缝和开口都是电磁波的泄漏源。

本装置的相邻硅钢片采用铆钉连接，连接处存在接缝，接缝面积不大，但其最大线度尺寸即缝长却很长，采用导电衬垫等特殊屏蔽材料可以有效抑制电磁泄露。

因此在相邻硅钢片交叠处夹一层环境密封丝网组合衬垫（环境密封丝网组合衬垫由编制金属丝网和橡胶结合而成，可同时提供电磁密封和环境密封作用）进行密封。

3 结语
本文通过仿真分析得出了密闭金属空间内工频电磁场辐射情况，并设计了一种使用双层屏蔽材料的工频电磁场防护装置，从传输途径方面遏制电磁场在平台内的过度辐射，使高压输电线路产生的电磁辐射效应对人员安全的影响降低至满足国家相关标准，并为敏感设备、系统提供了良好的电磁环境，对电磁兼容的控制能起到有效帮助。

参考文献：
[1]欧频.高压输电线路电磁辐射影响与防护[J].江西建材,2015.
[2]李文明.高压输电线路和变电站的电磁辐射的防护[J].技术交流,
2018.
[3]李建华.电子设备的电磁屏蔽研究[J].电子元器件应用,2004.
[4]向春清.低频电磁屏蔽效能研究[J].舰船电子工程,2011.
注：“国家重点研发计划资助”2017YFC0307800
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喘振的发生。

在冷冻水泵加机过程中，新增水泵频率的给定值为原先水泵的频率值减10Hz，运行30s后。

新增水泵频率的给定值以20s 增加1Hz的方式缓慢增加，在差值小于1Hz以后，把冷冻水泵的输出频率进行同步，进行同步调节。

（2）在工艺设计最初，供冷模式（主机供冷、板换和主机联合供冷、板换供冷三种）的切换仅由室外湿球温度控制，根据不同的湿球温度进行供冷模式的切换。

后发现在系统供水温度未稳定，系统加减机过程中，也会进行供冷模式切换。

后在供冷模式的切换条件增加了供水温度稳定超过10分钟以上才能进行供冷模式切换判断。

温度波动超过1℃以上，必须进行重新计时判断。

6 结语
随着着互联网、物联网和大数据业务的的进步与发展，数据中心的建设会越来越多，原先旧的数据中心群控产品所存在的缺点也就逐渐暴露。

国内某大型IT公司的承建的数据中心就因为群控系统的故障导致超过亿元的赔偿。

数据中心和普通的楼宇空调不一样，必须以工业级的安全要求来考虑。

只有安全性高的群控系统才能保证数据中心的稳定运行，更高安全性的群控系统投入势在必行。

参考文献：
[1]张建雪,李程贵,夏洁,张慧玲.数据中心水冷系统智能控制逻辑的研
究与应用[J].信息通信,2019(10):129-131.
[2]邵洋,马宇飞.浅谈暖通空调系统设计[J].山东工业技术,2018(15):
235-235.
（上接第 27 页）
收塔运行液位12米。

吸收塔内最高喷淋层下方安装有烟气增效环。

其中一台炉在托盘下方预留一层托盘安装空间，另一台炉在托盘上方预留一层托盘安装空间。

吸风机和增压风机进行了二合一改造，原烟道净烟道都布置在空中，吸收塔入口烟道移位，吸收塔入口方向正对锅炉方向，既减少了机组设备，留出后续改造空间，还减少了系统阻力，节能效果明显，吸风机余量很充足。

4 优化建议
4.1 完善防烟气短路装置
烟气短路不但包括吸收塔壁四周，还包括吸收塔中部喷淋母管下方。

该厂2018年8月起一台机组有2个月脱硫效率较低。

停机检修发现托盘上最接近的喷淋母管下方，有较多的像钟乳石一样的石膏与石灰石的结晶，结晶导致不能形成浆液液膜而发生烟气短路，此结晶是由于烟气烘干分布较稀少的浆液导致。

将此结晶清理后，吸收塔用的还是原有的石膏浆液，但脱硫效率立即提高，与另一台炉的脱硫效率一致。

因此托盘上相近的喷淋母管下方有较严重的烟气走廊现象，应减小喷淋母管下方部分托盘的开孔率，并维持吸收塔内清洁。

4.2 提高烟气调温装置的调温能力
烟气调温装置冷却烟气后不但可以提高粉尘的荷电性能，还可以显著减小烟气体积，从而显著提高脱硫效率。

因此应提高调温装置的调温能力。

同时提高电除尘抗结露的能力。

4.3 机组节能改造
通过机组节能改造，比如汽轮机轴封改造、空预器防漏风装置改造，使机组节能而煤耗下降，烟气量也下降，烟气排放参数变优。

4.4 重新进行物料平衡和废水系统改造
在实际的工作中，由于石膏浆液质量差，比如含固量高，影响废水处理设备的效能，导致脱硫系统排废水不足，氯离子升高，达到20000ppm左右时，浆液恶化，不但氯离子对设备安全带来威胁，而且由于氯离子的同离子效应，影响吸收塔内的传质过程向生成粗石膏晶粒方向发展。

粉尘中铝、镁等元素也会导致浆液中毒。

石膏晶粒细化，不易沉淀，旋流效果变差，石膏粉不合格。

当前用消泡剂解决粉尘超标问题不是长久之计（严重时加消泡剂失效），石膏浆液粘度上长，影响压滤机工作。

恶性循环，当严重时排空吸收塔，塔底干净可以不清理石膏渣（正常状态塔底的大量石膏渣）。

所以应重新物料平衡和废水系统改造。

参考文献：
[1]柯昌华,陈捷.吸收塔浆液再分布装置在WFGD升级改造中的应用
[J].电力科技与环保,2017(03).
[2]邓乾红,姚超良,李玉兰,李小芝.单塔双托盘脱硫除尘要体化技术的
应用[J].中国环保产业,2018(03).
作者简介：
胡辉，男，本科，锅炉高级工程师，现从事锅炉灰渣硫检修管理工作。

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3 结语
综上，随着中国机电行业的不断发展和进步，推动了传感器技术的成熟。

在应用传感器技术的时候，也将一定的发展需求体现了出来。

在发展机电自动化的时候，传感器技术得到了广泛的应用，并取得了不错的应用效果。

传感器技术未来发展的主要内容就是可以将机电自动化的服务水平不断提高，使传感器技术的效率得到保证。

参考文献：
[1]哈明.机电自动化中传感器技术的应用[J].黑龙江科学,2019(12):
114-115.
[2]臧鸿志.机电自动化中传感器技术的应用[J].现代商贸工业,2017(2):
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[3]丛高.机电自动化中传感器技术的应用浅谈[J].大科技,2017(29):
290.。