武允文+张大红
摘 要：数据中心是公众互联网应用和企业局域网应用以及云计算和大数据产业的的基础。数据中心内部核心区域有比较严格的环境温湿度控制的要求，特别是数据中心内部核心区域中有大量的IT设备，这些IT设备发热量巨大，冷源控制的好坏直接影响数据中心的运行。本文就此探讨一下，数据中心冷源控制的意义和基本流程。
关键词：数据中心；集中冷源；冷源自控；系统调试
中图分类号：TU831 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2017）09-0055-03
1 概述
数据中心承载着IT的应用，是公众互联网应用和企业局域网应用以及云计算和大数据产业的的基础。数据中心承载了互联网企业的产品、业务、理念和梦想、承载着企业业务运行的重大责任。
数据中心内部核心区域有比较严格的环境温湿度控制的要求，特别是数据中心内部核心区域中有大量的IT设备，这些IT设备发热量巨大，即使是低功率密度的数据中心在内部核心区域发热量可达到每平方米1KW，而数据中心内部核心区域面积经常达到3000平方米以上。 因此，大型的数据中心通常会选择采用集中的冷源中心向各区域供冷以达到满足数据中心制冷的冷量需求的同时具有能源利用率较高、容易利用自然冷源、总体拥有成本较低、制冷连续性能力较好、运维工作比较简单的目的。
2 数据中心冷源及控制系统的特点
2.1 制冷连续性的要求
数据中心在制冷的连续性方面有极严格的要求，这是由于以下的原因：
（1）密闭的空间：基于物理安全的需要与空气粉尘与腐蚀性气体的防护需要。
（2）单位面积的高功率密度：数据中心单位面积的功率密度远大于一般民用建筑物，即使是低功率密度的数据中心在内部核心区域发热量可达到每平方米1KW。一旦制冷中断，中低功率密度的核心区域温度上升速率可达到1℃--2℃/分钟。
（3）环境温度容限范围小：按照现行的国家标准，数据中心内部核心区域温度的控制范围为23±2℃，环境温度超过30℃时一些敏感的IT设备将可能发生宕机。
由于数据中心有上述的特殊要求，数据中心冷源系统的架构与一般的民用建筑物有很大的不同，在冷冻机组、水泵、管路以及电力供应等各个环节有不同于一般民用建筑物的冗余甚至容错的系统配置，应急储冷装置、供电中断时冷冻水泵的不间断运行也都是一般民用建筑物中不常见的。
冷源系统的控制系统也因此与一般的民用建筑物有一些不同，只有充分理解数据中心核心诉求基础上的数据中心冷源系统，和覆盖于合理完善的冷源系统上的冷源控制系统才是一个能够满足需求的数据中心冷源系统，二者缺一不可。
2.2 节能的要求
冷源系统节能的要求在固然在所有领域的应用都有其诉求。但是，由于数据中心需要全年制冷和体量巨大的原因，节能的要求更加强烈的同时也具有一定的可能性。例如，由于数据中心需要全年制冷使得利用大自然的自然冷源实现节能成为可能，其他节能或者控制运行成本的技术手段也有大量的应用，例如利用电力公司级差电价的冰储冷技术。
机械制冷模式、自然冷源模式以及二者在过渡气温条件下的混合模式设置与其他节能运行方式（例如新风、蒸发制冷）的模式切换控制也给冷源控制系统带来了新的要求。
数据机房的负荷为典型的显热类型负载，为了延长利用自然冷源的时间，以及避免不必要的除湿，采用较高温度的冷冻水进回水温度也是常用的节能手段。
3 数据中心冷源自控系统的方法
3.1 数据中心冷源的类型
集中冷源由于具有利用自然冷源经济方便的原因以及在制冷连续性具有良好的表现，因此在稍有规模的数据中心有大量的应用。本文仅针对集中冷源中间接自然冷源的控制做一定的探讨（表1）。
3.2 数据中心集中冷源的基本运行模式
冷源自动控制系统因历史原因属于建筑物自控系统（BA系统）中重要的一部分，经常就被称为BA系统。我们以下对数据中心冷源自动控制系统简称为“数据中心BA系统”。
一个比较典型的数据中心冷源系统，如图1，由冷冻水机组、冷冻水水泵、冷却塔、冷却水水泵、板式热交换器、储冷水罐、阀门与管路系统组成。[1]
（1）机械制冷基本的启动工作流程是这样的：1）数据中心BA系统发出相关管路阀门的开启或关闭命令，冷冻水管路阀门被打开；2）数据中心BA系统发出冷冻水水泵启动的命令，冷冻水水泵运行并根据BA系统控制要求控制水泵转速；3）数据中心BA系统发出冷冻机组启动的命令，冷冻水机组运行；4）数据中心BA系统发出冷却塔和冷却水水泵启动的命令，冷却塔和冷却水水泵运行；并通过控制冷却水水泵和旁通阀进行冷却水温度调节。
（2）自然冷源基本的启动工作流程是这样的：1）室外湿球温度低于设置控制温度人工干预启动；2）数据中心BA系统发出相关管路阀门的开启或关闭命令、板式换热器与冷却塔和冷却水水泵、冷冻水管路阀门被打开；3）数据中心BA系统确认冷冻水水泵已启动或发出冷冻水水泵的命令，并根据BA系统控制要求控制水泵转速；4）数据中心BA系统依据冷冻水出水温度，必要时启动冷冻机组实现混合自然冷源模式的运行。
（3）应急制冷的启动工作流程是这样的：1）一旦电力供应中断，冷冻水水泵由于采用UPS/EPS供电，冷冻水水泵维持连续运行；2）数据中心BA系统发出相关管路阀门的开启或关闭命令，控制储冷水罐内部之前存储的低温冷冻水向系统维持供冷，直到外部电力恢复后冷冻机恢复制冷能力；3）数据中心BA系统发布命令控制系统切换到基本机械制冷的运行模式。
当然，数据中心BA系统完全具备例如供回水温度控制、供回水压力控制、加/减机组的控制、运行模式切换的控制等等的基本功能。
3.3 数据中心集中冷源控制系统的特殊性
数据中心BA控制系统的特殊性首先表现在：在任何情况下，特别是在电力供应中断的情况下，数据中心BA系统依然具有使得集中冷源系统连续运行以及制冷冻的能力。这种能力不但表现集中冷源系统本身具有的一些能力。例如，冷冻水水泵由UPS供电，电力中断时冷冻水继续循环、系统配置有储冷罐，平时蓄冷电力中断时放冷。
这种能力还表现在数据中心BA系统在发生任何单一故障时依然具有一定的能力，使得数据中心集中冷源系统保持一定程度的连续制冷。
可用的数据中心BA控制系统通常会在以下一些方面有充分的安全容错机制的考虑。[2]
（1）控制主机的双机热备，控制平台的容错，确保数据中心BA控制系统安全运行。
（2）控制系统内部单点故障的容错。
4 数据中心冷源控制系统的调试
数据中心冷源控制系统标准调试步骤如下：
4.1 自控设备与受控设备的单体调试
4.1.1 传感器调试
温度传感器：接入DDC后，在中央站上读出其温湿度值，与在现场用标准温湿度计测得的值比较，以判断该传感器是否准确。
风管式压差传感器：通常用于送风压差，室内压差等的监测。调试时可用三通把标准压差计与压差传感器并联，在中央站上读出传感器的测量值与标准值比较，以判断传感器的好坏。
水管式压力传感器：常用于供水压力的监测，通常在安装压力传感器的附近同时安装有现场压力表，可对照中央站读出的数值与现场压力表的数值，数据一致为正常。
4.1.2 驱动器调试
模拟量调节驱动器，包括主要为阀门驱动器和风门执行器。在调试时，给出0%，50%及100%开度信号及断电等情况，观察阀门或风门等被控设备是否相应动作，在这里需要说明的是，阀门驱动器调节可以是控制信号与阀门流量成正比调节或控制信号与阀门驱动器推杆成正比调节，在默认情况下是与阀门流量成比例调节，我们可以通过拨动驱动器上的拔位开关进行互换选择。
4.1.3 DDC调试
第一类：现场控制器调试。
开始调试前，先确认变压器电源、通讯线以模拟量点的跳线以及扩展模块地址拨码都已跳好或拨好，且现场控制器电源处于关闭状态。
通电后，连接手提电脑登录至全局控制器并设定其地址、设置日期和时间。
第二类：全局控制器调试。
开始调试前，先确认变压器电源、通讯线以模拟量点的跳线以及扩展模块地址拨码都已跳好或拨好，且全局控制器电源处于关闭状态。
通电后，连接手提电脑登录至全局控制器并设定其地址、设置日期和时间。
4.2 系统联网调试
在单体调试的完成的基础上，把手提电脑接入现场控制器后，现场控制器本身直接控制的未端设备的运行状况，都能在手提电脑里显示出来，并能直接控制。这条支网就算正常运行。
在自控中心里，接上网络控制器和计算机，在单机调试和支网调试的基础上，整个BA系统都能在这台计算机上显示出来，并能随意操作任意一个单机上的任意一个点，即总体联网调试成功。
4.3 系统检查与测试
BA系统的调试将先后进行两大部分测试：单点测试和系统功能测试[3]。
4.3.1 单点测试
数字量输入点（DI）测试：阀门开关状态、空调机组状态、报警状态等；
数字量输出点（DO）测试：阀门开关控制、空调机组控制、设备恢复控制等；
模拟量输入点（AI）测试：测量元件的输出电阻、电压、电流等物理量，并换算成相应的测量值；
模拟量输出点（AO）测试：调节阀开度控制、阀门开度调节。
4.3.2 系统功能测试
根据系统的功能要求以及各设备的工艺，对控制功能进行模拟测试。测试对工艺和工况进行模拟和参数调整，确保满足系统要求。对于数据中心BA制冷控制系统不同于一般BA制冷控制系统有以下需要重点检测与验证的内容：
（1）储冷系统储冷与应急放冷的检测与验证。
（2）冷源系统供电中断，一定时间过程内通过储冷系统维持供冷能力的检测与验证。
（3）中央控制系统故障离线，中央控制系统冗余切换或控制对象保持功能、维持供冷能力的检测与验证。
（4）某个DDC故障离线，维持供冷能力的检测与验证。
（5）模拟向所有DDC供电UPS故障停电，DDC控制对象保持维持供冷能力的检测与验证。
5 结语
数据中心制冷系统由于对制冷连续性有不同于一般民用建筑物应用的要求，不但制冷系统的配置有很多不同以外，数据中心BA制冷控制系统也有一些不同于一般BA制冷控制系统的考虑，数据中心BA制冷控制系统要求在各种情况下保持数据中心制冷系统尽量维持连续运行。
本文仅从维持制冷连续性的角度讨论了数据中心BA制冷控制系统应考虑的要点，为了达到这个目的，可以采用的实现方式与方法是多种多样的，本文描述的可能仅是其中的若干种方法，鉴于文章探讨的重点，未能提及的方式方法就不再赘述了。
参考文献
[1]朱洪波.数据中心集中冷源空调系统设计综述[J].电信网技术，2014.10，P15 - P26.
[2]杨世忠，邢丽娟.智能建筑中空调系统的节能方法[J].智能建筑电气技术2009.02，P32- P34.
[3]中国电子工程设计院主编.GB50174《电子信息系统机房设计规范》，2008.
