冷水机组群控的设计与实现_奚伟东

安徽建筑
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水 电 暖 通 技 术 与 应 用
安 徽 建 筑
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冷却塔风机、1 台免费板换、流量计、全自动加药装置、真空脱 气罐、蓄冷罐、附属阀门；通过使用 I- VU 控制系统，建立一套 完整的中央空调控制系统。
I- VU 控制网络系统将冷水机组和外围设备，包括冷冻水 泵、冷却水泵和冷却塔综合成一个系统，实现多台冷水机组的 集中群控，同时将冷冻水泵、冷却水泵和冷却塔纳入联锁管理。 与系统相连接的监控计算机为冷水机组的集中群控提供人机 界面，通过该界面，可了解系统的运行状态，各冷水机组运行状 态及主要运行参数，可参与冷水机组的集中群控管理。另外，系 统所有内部参数均可以转换成符合 BACnet IP 的标准数据格 式，然后通过其通讯端口传送至其它控制系统的智能终端，并 实现单向数据传输。
f.新冷水机组禁止运行的命令未激活。 g.新冷水机组没有处于出错，斜坡加载或处于断电重起阶
11 数据中心机组断电重起策略
段。
①群控系统的 DDC 设备由 UPS 供电，系统内部的电动阀
②减少制冷需求 Reduce Cooling Required- RCR 卸载的流
门都采用 220V 供电，由 DDC 控制柜内的 UPS 电源一路供电。
a.当前运行的机组有足够的时间由 0%负载至接近 100%负 行；
载。
⑤当温度上升，Δt> 设定温差的 75%时，开启冷却塔风机；
b.当 ACR 温度传感器所测的冷冻水供水温度，高于当前的
⑥当温度下降，Δt< 设定温差的 50%时，停止冷却塔风机。
冷冻水供水温度设定点与一个可调整的温度偏差值相加后的
所得值。 c.运行机组的负载大于某个设定值(一般为 90%~95%)。
10 数据中心机组循环启停顺序
d.运行冷水机组的温度降低速率小于 0.5/min。 机组加载流程：当以下各项要求 e~g 均能满足时，新冷水 机组立即启动。 e.新冷水机组启动的延迟时间已经结束（延迟时间可以设 定）。
为平衡冷冻机的使用时间，使每台机组保持基本一致的运 行时间以延长机组寿命，冷机群控系统为用户提供了一个循环 冷冻机启停顺序的程序，可在操作平台自定义循环周期，即用 户可自定义冷冻机的循环方式及循环时间。
SP VAVBOX VAVBOX 控制器
通用控制器
水阀
技 术
图 1 I- VU 网络结构
与 应
பைடு நூலகம்
2 I- VU 网络的特点
用
I- VU 系统是开利公司应用多年空调控制领域的先进知识研发的冷
冻机组能源效率管理系统。该系统以为用户提供广泛的舒适度、可操作
性、空气质量调节和能源管理为目标，能够涵盖开利公司的冷水机组、
Internet
WML/WAP HTML/HTTP
Ethemet，ARCNET，EIA- 485，EIA- 232 SIM 集成第三方设备 MODBUS，BACnet MS/TP
I/O 扩展
SP 系列传感器
AHU SE 系列控制器
冷水机组
冷水机组
水
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管理模块
PAU ZN 系列控制器
冷却塔
电
暖
水泵
通
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2011 年第 3 期（总 178 期）
冷水机组群控的设计与实现
Des ign a nd Implement a t ion of Wa t er- Cooled Unit Cont rol
奚伟东 （上海邮电设计咨询研究院有限公司 ，上海 200092）
摘 要：文章简单介绍了水冷机组控制原理，结合开利 I- VU 系统对数据中心冷水机组的控制特点、设计要点、控制内容、管理的控制特点、冷却塔
非开利公司的机电设备及其它楼宇控制系统。I- VU 系统能够保证能源
管理系统的所有利益，允许用户从使用的经济性和环境保护两个角度
来管理系统的能源消耗。机组按时间安排运行、负荷分段卸载和加载等
功能可以为用户提供最高效的能耗管理。操作者可以在非常短的时间
内对系统故障报警做出反应，保持系统的稳定性和可靠性。本系统能够
8 冷水机组加载和卸载的流程
6 数据中心冷水机组控制内容
冷水机组：远程启停控制。每台机组的最大运行负荷设定
①增加制冷需求 Additional Cooling Required - ACR 加载的 流程。
当以下各项要求 a~d 均能满足时，才进入机组加载程序。
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2011 年第 3 期（总 178 期）
4 数据中心冷水机组群控系统控制特点
根据能效和设备性能提供最优设备运行组合和优化每台 冷水机组负荷分配，提供智能控制算法以便最大限度的根据负 载需求实现节能运行，合理控制冷水机组运行台数，实现最佳 系统高效节能运行。综合考虑系统冷冻水供水温度设定值偏差 与系统负荷变化趋势，防止过量机组负载的发生。例如，当冷冻 系统刚开始起动时，冷冻水管内的水温较高，若无此功能，系统 会错误地显示比实际所需更大的冷负荷需求。实现各台冷水机 组及水泵的运行时间均衡，根据要求自动切换机组的运行次 序，累计每台机组运行时间，自动选择运行时间最短的机组，使 每台机组运行时间基本相等，以延长机组使用寿命。对冷冻水 泵、冷却水泵和冷却塔实现联锁控制，并在设备损坏时自动启 用备用设备，并且具备断电恢复后自动启动的功能。全面显示 系统运行状态和主要参数，具有故障报警、报告及故障诊断信 息的功能。专用用户界面软件具备局域网通讯能力，提供严密 的安全等级及操作权限，能够设置不同权限级别的操作密码。 整个系统具有自动存储档案数据及记录的功能，按照使用要求 保存历史运行数据，并且能够根据需要自动编制冷水机组管理 报告。全面数据传送至 BAS 系统，实现楼宇集中式控制，并可 接受 BAS 系统发出的开关冷机指令、冷冻水出水温度和运转 电流限制修改指令。
冷却水泵：启停控制，变频反馈。运行状态，故障报警，手自 动状态，变频控制。
冷却塔：启停控制，冷却塔进水管的电动蝶阀开关控制。运 行状态，故障报警，手自动状态，蝶阀状态反馈，冷却水总管温 度监测。
本项目共分四个系统：冷冻系统、冷却系统、自由冷却系统 及其他系统。输入 / 输出共 280 点，其中开关量输出（DO）40 点，包括风机水泵或设备启停、电加热器启停、风门开关。模拟 量输出（AO）12 点，包括阀门调节、水泵调速、冷冻机设定。开关 量输入（DI）132 点，包括风机水泵启停状态、风机水泵故障状 态、风机水泵手自动状态、电加热故障状态、电加热开关状态、 阀门开关状态、液位开关状态、冷冻机组监控信号。模拟量输入 （AI）96 点，总出水水温、总回水水温、供回水压差、流量测量、 冷冻机组监控信号、风机或水泵电流、水泵变速反馈、阀门或风 门开度、室外温度、室外湿度。
与调节。运行状态，故障报警。监测每台机组冷冻水供 / 回水温 度，冷却水供 / 回水温度，蒸发器压力，冷凝器压力，蒸发器制 冷剂温度，冷凝器制冷剂温度等机组内部运行参数。冷冻水总 管温度监测。监测冷冻水旁通的压差，控制调节旁通阀开度。流 量监测、能量监测。
冷冻水泵：启停控制，变频反馈。运行状态，故障报警，手自 动状态，变频控制。
提供设备运行时间和能耗量等数据，为用户作能耗分析和系统决定提
供有效的依据。
通过对温度、相对湿度、室外空气通风量的精确控制来提升环境的
舒适度。集中控制减轻了用户的人工操作量，简化排除故障的过程，这
些将为用户提供更加有效的设备管理。持续性的现场和远程监视系统，
有利于延长机组的寿命，降低设备的维护成本。I- VU 系统的模块化结
构，可灵活地适应现场需求及后期项目的扩展要求。依据 I- VU 通讯网
络体系的策略，通过专用数据模块可以实现与其它楼宇控制系统的联
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网。
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建
3 数据中心冷水机组群控系统概述
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数据中心选用 3 台 19XR 机组、4 台冷冻水泵、4 台冷却水泵、9 台 151
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5 数据中心空调控制系统设计要点
冷水机组由 Chiller System Manage（r CSM）冷水机组系统管 理控制器来管理，水泵、冷却塔等设备由 I- VUM 系列控制器及 扩展 I/O 模块来管理。
根据项目需求在各类管道上（包括空调冷水供水管、空调 冷水回水管、空调冷却水供水管、空调冷却水回水管、冬季板换 冷却水供水管、冬季板换冷却水回水管、空调膨胀管、空调冷却 塔补水管）安装温度传感器、压力传感器、管道式流量传感器、 室外温湿度传感器、液位开关、开关型电动蝶阀、电动调节阀、 流量开关、自力式压差控制阀、温度计、压力表、流量计等仪器 仪表设备。
风机控制流程进行了详细的阐述，最后简单介绍了机组断电重起策略。
关键词：风冷；水冷；PUE；群控；断电重起
中图分类号：TB657
文献标识码：A
文章编号：1007- 7359(2011)03- 0151- 03
0前言
数据机房内的设备发热量都比较大，制冷效果的 好坏直接影响到机房的使用，但由于数据机房内不能 有水，因此数据机房通常采用风冷方式对机房进行制 冷。随着网络通信科技的飞速发展，目前大型数据机 房的单机架耗电量已突破了 4kW/ 架，风冷式恒温恒 湿空调的单机容量及安装数量也随之不断的增加。如 今，用电能效（简称“PUE”,PUE = 数据中心总设备能耗 /IT 设备能耗，PUE 是一个比率，基准是 2，越接近 1 表 明能效水平越好）已经成为国际上比较通行的数据中 心电力使用效率衡量指标。据统计，国外先进的机房 PUE 值可以达到 1.7，而我们国家的 PUE 平均值则在 2.5 以上。随着国家绿色节能计划的推出，对大型数据 机房这样的用电大户提出了一个机房用电能效考核， 因此，采用其它更加节能的制冷方式成为当务之急。 据测算，采用水冷机组制冷虽然一次性投资较大，而 且设计、施工比较繁琐，但它的节能效果比较理想，一 般能使大型数据机房的 PUE 降到 1.7 左右。因此在大 型数据机房采用水冷机组进行制冷势在必行，如何根 据机房内设备的发热情况来实时控制冷水机组的运 行对机房的运行及节能都将非常关键。
②一般 BAS 加机的策略是当冷量比末端小时便需要加 机，运行机组保持原运行状态，加载机组的负载逐步上升，趋于 稳定状态。这样常常需要长时间的温度波动与温度接近。CSM 管理系统的最大优点是加卸载管理，当系统需要增多一台机组 制冷，它不止光启动后备状态机组，而是同时发出指令给正在 运行的机组，将其制冷负荷至平均负载，然后 2 台机组同时上 载，最终达到稳定状态。这样可以最快程度的达到系统稳定，使 供水温度达到波动最小，同时也平衡机组使用寿命，减低电网 突增的负荷，最大限度达到节能作用。
1 水冷机组控制原理
现代工业过程对控制系统的要求已不局限于能 实现自动数据采集和控制功能，还要求工业过程能长 期在最佳状态下运行。对于一个规模庞大、结构复杂、 功能综合、因素众多的大型工程系统，要解决的不是 一个局部最优化问题，而是一个整体的总目标函数最 优化问题，即生产过程的综合自动化问题。总目标函 数不但包括产量、质量等指标，还包括能耗、成本等其 他各类指标。为了实现大型工程系统的最优化控制， 大系统控制理论中引入了“分解”和“协调”的设计原 则。本文结合开利冷水机组群控系统 I- VU 对机房冷 水机组群控进行介绍（见图 1）。
收稿日期：2011- 03- 08 作者简介：奚伟东（1972- ），男，上海人，毕业于上海市第二工 业大学，工程师。
企业系统
Web Server 服务器
Web 浏览器 PDA
Web 浏览器 手机
XML/SOAP HTML/HTTP WML/WAP
BACnet/IP，100Base- TEthemet
7 数据中心冷水机组管理的控制特点
通常制冷机台数的控制，一般 BAS 的控制是通过计算冷 量，即总水量×供回水温差，得出末端的冷量多少。但是其缺点 是误差很大。
①因为监测流量有±15％的误差 （如果安装的不恰当，误 差更大—— —流量传感器有很严格的安装要求与精度要求），因 此通常计算出来的冷量的误差会超过 15％。I- VU 系统拥有专 为冷水机组研制的 CSM 冷水机组系统管理模块，可对每台冷 机进行全面的监测与管理，CSM 内部优化程序进行逻辑运算， 决定开启制冷机台数；除了保证供水温度外，制冷机的制冷量 也参与增加或减少台数的策略，因此在制冷的控制效果比其他 控制系统更优良、更节能、更专业。