CN108386972A - 一种机房空调节能控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种机房空调节能控制系统及方法，该系统包括主控制器、人机界面、多个温度采集控制器、多个温度传感器和多个终端控制继电器；所述终端控制继电器安装在机房空调中，所述终端控制继电器的常闭触点与机房空调的遥控开关机接口相连，所述终端控制继电器的控制线圈与所述主控制器相连；所述主控制器通过总线与各机房空调控制器相连，所述主控制器通过网线与人机界面相连；各温度采集控制器通过总线与主控制器相连，温度采集控制器通过总线与其所负责区域的各温度传感器相连。本发明能够实现机房温度场的真实情况感知，探测机房内部局部热点的所在位置，提高了整个节能系统控制策略的目的性，可靠性和及时性。

Description

一种机房空调节能控制系统及方法

技术领域

本发明涉及一种控制系统及控制方法，尤其涉及一种机房空调的节能控制系统及控制方法，属于节能、制冷技术领域。

背景技术

据数据中心机房的能耗调研分析可知，制冷和空调所产生的功耗约占数据中心机房所需的总功耗的37％左右。而机房特别是不具备协同控制能力的老旧机房空调群整体运行效率低下而导致得耗电大幅增加，主要表现为：各空调各自独立运行，而实际区布局负荷不均，导致机房区域冷热不均。总体室内环境温度波动大。局部风短路导致空调开机后回风温度迅速波动，设备启停频繁。缺乏整体调度，负荷变化时不能及时调整值班机数量，导致过多的值班机空耗电能。各空调各自独立运行，个体参数差异可能导致空调间内耗(有的加热/湿，有的制冷/除湿)，白白消耗大量电能。因此，如何能够提高机房内部空调设备的自动化运行效率、降低设备故障率、节约能源和人力成为提升数据中心机房空调整体运行水平的关键所在。

现在国内仍有许多数据中心的空调没有实现组网控制，且大部分数据中心在之前设计之初为了保证在最大负荷情况下还留有较大的冗余负载量。实际运行时，空调系统均并未达满负载状态，系统存有甚大的冗余。缺乏统一的轮值调度会造成无效的能耗。

其次，机房区域配置两台或多台空调设备并且各自独立运行时，由于多台空调系统之间存在个体差异(温湿度传感器一致性差异，温湿度场分布差异等)会带来巨大的内部无效损耗，现象是“部分空调处于加热状态，而部分空调则处于降温状态”；或者是湿度处理处于相反状态。

另外，现有的数据中心空调组网系统控制系统大多没有采用温度场概念，通常只是使用机组内部的温度传感器作为控制依据。此温度传感器通常只能反映机组附近的温度情况，并不能真正反映实际的区域负荷情况，尤其是当区域出现热点时不能有效的进行监测。

发明内容

发明目的：针对上述现有技术的不足，本发明目的在于提供一种机房空调节能控制系统及控制方法，根据采集的数据对整个机房的空调设备参数，温度场分布进行综合运算分析，整体调度机房内所有空调的运行，均衡控制机房温度场，提高整体运行效率，达到节能目的。

技术方案：为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案是：

一种机房空调节能控制系统，包括主控制器、人机界面、多个温度采集控制器、多个温度传感器和多个终端控制继电器；

所述终端控制继电器安装在机房空调中，所述终端控制继电器的常闭触点与机房空调的遥控开关机接口相连，所述终端控制继电器的控制线圈与所述主控制器相连；所述主控制器通过总线与各机房空调控制器相连，所述主控制器通过网线与人机界面相连；各温度采集控制器通过总线与主控制器相连，每个温度采集控制器通过总线与其所负责区域的各温度传感器相连；所述温度传感器位于各空调制冷区域的上方；

所述主控制器用于根据系统冗余度设定值班空调和待机空调；根据机房温度平均值与设定的温度通过PID控制算法计算得到功率投入百分比，并结合所有值班空调的总制冷量得到需要的制冷量，在设定时间内按照空调开启顺序逐个打开排序靠前的空调直到制冷量满足需求，以及用于监测各机房空调负责的各区域温度，在某区域温度高于温度设定值加回差时开启该区域的空调，在判断出存在热区时重新根据各区域温度确定空调开启顺序；所述设定时间根据功率投入百分比与设定的每1％功率投入增量需要的时间相乘得到。

本发明还提供的一种机房空调节能控制系统，包括主控制器、人机界面、多个温度采集控制器、多个温度传感器和多个终端控制继电器；

所述终端控制继电器安装在机房空调中，所述终端控制继电器的常闭触点与机房空调的遥控开关机接口相连，所述终端控制继电器的控制线圈与所述主控制器相连；所述主控制器通过总线与各机房空调控制器相连，所述主控制器通过网线与人机界面相连；各温度采集控制器通过总线与主控制器相连，每个温度采集控制器通过总线与其所负责区域的各温度传感器相连；所述温度传感器位于各空调制冷区域的上方；所述主控制器包括存储器处理器、以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现的步骤包括：

根据系统冗余度设定值班空调和待机空调；

获取与主控器相连的各机房空调所负责的制冷区域上方的温度值；

计算机房温度平均值，并根据机房温度平均值与设定的温度通过PID控制算法计算得到功率投入百分比，并结合所有值班空调的总制冷量得到需要的制冷量；

在设定时间内按照空调开启顺序逐个打开排序靠前的空调直到制冷量满足需求；其中设定时间根据功率投入百分比与设定的每1％功率投入增量需要的时间相乘得到，初始的空调开启顺序根据系统开启时刻各空调所负责的制冷区域温度确定，区域温度越高的空调开启顺序越靠前；

判断是否存在某区域温度高于温度设定值加回差，若存在则开启该区域的空调；

判断是否存在某区域温度高于机房温度平均值加热区确认温差，若存在且达到设定时长，则重新根据各区域温度确定空调开启顺序。

作为优选，所述节能控制系统中设定的每1％功率投入增量需要的时间为其中Δt为当前机房平均温度与设定的温度值的温差，N为当前在控制网络中的机房空调的数量。

作为优选，所述节能控制系统中，所述温度传感器在各空调负责的制冷区域通道的长度方向上分两侧均匀布置。

作为优选，所述节能控制系统中，所述主控制器上设有第一总线接口，用于通过总线与各机房空调控制器相连，以及第二总线接口，用于通过总线与各温度采集控制器相连。

本发明提供的一种使用上述机房空调节能控制系统的机房空调节能控制方法，包括如下步骤：

根据系统冗余度设定值班空调和待机空调；

获取与主控器相连的各机房空调所负责的制冷区域上方的温度值；

计算机房温度平均值，并根据机房温度平均值与设定的温度通过PID控制算法计算得到功率投入百分比，并结合所有值班空调的总制冷量得到需要的制冷量；

在设定时间内按照空调开启顺序逐个打开排序靠前的空调直到制冷量满足需求；其中设定时间根据功率投入百分比与设定的每1％功率投入增量需要的时间相乘得到，初始的空调开启顺序根据系统开启时刻各空调所负责的制冷区域温度确定，区域温度越高的空调开启顺序越靠前；

判断是否存在某区域温度高于温度设定值加回差，若存在则开启该区域的空调；

判断是否存在某区域温度高于机房温度平均值加热区确认温差，若存在且达到设定时长，则重新根据各空调区域温度确定空调开启顺序。

作为优选，所述节能控制方法中，设定的每1％功率投入增量需要的时间为其中Δt为当前机房平均温度与设定的温度值的温差，N为当前在控制网络中的机房空调的数量。

作为优选，所述节能控制方法中，还包括，在按照开启顺序打开空调时，若分配的制冷量大于空调制冷量的a％时，则打开该空调，否则不打开；在空调已经开启的情况下，分配的制冷量小于空调制冷量的b％时，关闭该空调；其中a为设定的开启冷量阈值，b为设定的关闭制冷阈值。

作为优选，所述节能控制方法中，还包括在值班空调故障或通讯异常时，将出现故障或通讯异常的值班空调从正常值班空调的队列中剔除，加入另一台待机空调作为值班空调；在检测不到某区域的温度时，直接开启负责该区域的空调。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

(1)本发明的节能控制系统采用一套独立于原机房内部精密空调温度感知之外的高密度感知网络，布置了大量温度传感器，实现机房温度场的真实情况感知，探测机房内部局部热点的所在位置，提高了整个节能系统控制策略的目的性，可靠性和及时性。

(2)本发明节能控制系统引入能量分级匹配的概念，主控制器通过温湿度模糊PID控制，把当前机房的总体温度场平均值作为控制目标，按照功率投入百分比与设定的每1％功率投入增量需要的时间，统一分级调度所有空调设备，机房内空调越多，功率控制分级越多，能量需求匹配度越好。

(3)本发明对空调的控制采用终端控制继电器常闭触点控制方式，设计理念上进一步提升高节能系统的运行安全可靠性。即使节能控制系统的主控制器断电或死机，或输出信号线路在达到精密空调机组的途中出现损害或短路意外故障，终端继电器将会失去控制信号，精密空调机组会凭借终端继电器的常闭触电闭合信号立即唤醒处于启动运行状态。

(4)本发明具备热区确认排序功能，有效的应对当前机房中负荷变化的情况，及时跟踪热区出现的区域，优先开启热区的空调，保证机房不出现热点。

(5)控制系统整个安装工程施工过程，不影响整体机房的正常运行。每台空调可单独调试，选择自主运行或群控运行。安装继电器时，单个空调只需停机几分钟。

附图说明

图1为本发明的机房空调节能控制系统的结构示意图。

图2为本发明的机房空调节能控制系统的控制方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的说明。

如图1所示，本发明实施例公开的一种机房空调节能控制系统，包括主控制器、人机界面、温度采集控制器、温度传感器和终端控制继电器。其中温度采集控制器、温度传感器和终端控制继电器均为多组，温度传感器部署在机房空调制冷区域的上方，每个温度传感器通过专用总线与一个温度采集控制器相连接；温度采集控制器通过总线与主控制器相连接；终端控制继电器安装在每个终端机房空调当中，常闭触点与机房空调的遥控开关机接口相连，且控制线圈通过控制线缆与主控器的继电器输出接口相连；原有机房空调控制器通过总线与主控制器相连接；所述人机界面通过网线与主控制器的网络通信接口连接。本例中分别在主控器上设第一总线接口和第二总线接口，采用RS485接口，分别通过RS485总线与机房空调以及温度采集控制器通讯。温度传感器按照每台机房空调负责的冷通道的长度分两侧均匀布置，按照每1.5米布置一个测点的方式固定在所监测区域上方的桥架上，用于精确监测当前区域的温度场。

主控制器用于根据系统冗余度设定值班空调和待机空调；根据机房温度平均值与设定的温度通过PID控制算法计算制冷量，按照空调开启顺序逐个打开排序靠前的空调直到制冷量满足需求，以及用于监测各机房空调负责的各区域温度，在某区域温度高于温度设定值加回差时开启该区域的待机空调，在判断出存在热区时重新根据各区域温度确定空调开启顺序。具体控制方法如图2所示，主控制器包括存储器、处理器和存储在存储器上的计算机程序，处理器执行程序时实现的步骤包括：

(1)根据系统冗余度设定值班空调和待机空调。在系统上电后，按照系统冗余度设置情况确定当前系统中的值班空调数量和待机空调数量，例如8台空调参与控制，冗余度设置为25％，则有6台空调为值班空调，2台为冗余的待机空调。

(2)获取与主控器相连的各机房空调所负责的制冷区域上方的温度值。通过温度采集控制器获取布置各空调负责区域上方的温度传感器实时测量的温度值，可以基于所测量的温度分别计算各区域的平均温度值(即区域温度)和整个机房的平均温度值。

(3)根据机房温度平均值与设定的温度通过PID控制算法计算得到功率投入百分比，并结合所有值班空调的总制冷量得到需要的制冷量。

根据机房实际平均温度和设定温度通过模糊PID算法对平均温度高于/低于设定值加回差的部分进行正负向积分得到功率投入百分比，对于固定温差，每1％功率投入增量需要时间为例如有10台在网控制的空调N＝10，Δt＝0.1度温差时，控制系统每10秒增加1％总功率投入。将所有参与控制的值班中的精密空调的制冷量相加得到机房的总制冷量，根据功率投入的百分比得到当前需要的制冷量。当系统中精密空调数量越多时，按照功率投入的增加，分级也就会越细，系统控制精度效果也就越好。

例如对于100％的总功率投入划分来说，4台空调参控制只能分4级进行启停。而10台空调参与控制时，可以分10级进行启停，每台空调启停的功率分级范围更小，精度也越高，系统平滑性也越好。

(4)按照空调开启顺序逐个打开排序靠前的空调直到制冷量满足需求。其中初始的空调开启顺序根据系统开启时刻各空调所负责的制冷区域温度确定，温度越高的表明制冷需求越强烈，那么开启顺序也就越靠前。

在计算好功率投入百分比后，空调开启顺序逐个打开排序在靠前的空调直到制冷量满足需求。在分配的制冷量大于空调制冷量的a％时，打开该空调，否则不打开。在空调已经开启的情况下，分配给空调额制冷量小于为b％时，关闭该空调。其中a为设定的开启冷量阈值，b为设定的关闭制冷阈值，本例中可取a＝50，b＝3。

例如机房实际平均温度为28.4，设定温度为25。设置8台空调参与控制，每一台的制冷量相同为20KW。得到机房的功率投入为34％，总制冷量160kw，则所需制冷量54.4KW，此时系统按照当前计算的空调开启排序顺序首先依次打开排序第一和第二的两台精密空调。当40KW冷量分配给2台空调后，那么剩余还有14.4KW的制冷量，占一台空调制冷量的72％，所以排序为第三的空调也将打开。

(5)判断是否存在某区域温度高于温度设定值加回差，若存在则直接开启该区域的空调。被直接开启的空调可以是值班空调或待机空调，直到该区域的温度低于温度设定值时，才可能关闭该区域的空调。

(6)判断是否存在热区，若存在则重新根据各空调区域温度确定空调开启顺序。当某区域的平均温度值高于机房温度平均值加热区确认温差，并且持续热区确认时长，则启动一次温度排序，温度排序规则按照当前各个区域的平均温度值从高到低进行排列。

例如：设定机房温度25℃，回差5℃，热区确认温差为3℃，热区确认时长为5min。当前功率投入为34％，按照前面的描述8台参与控制的空调中有3台空调处于开启状态，排序分别为1、2、3，其各自的负责区域的平均温度依次为31.2、30.3和29.7，当前机房的平均温度为28.4℃。经过一段时间后，原来排序为7的精密空调负责区域的温度由26.7上升至为30.5℃，超过了机房温度设定值+回差，因此排序为7空调强制启动，需要回到25℃的时候才能够关闭。经过5min之后，由于排序为7号的空调的温度为30.0，仍然持续超过温度设定值+热区确认温差，因此系统将启动一次空调温度重新排序。当前原来排序为1、2、3的空调的当前温度分别为30.9、30.2、28.9经过重新排序后，原来排序为7的空调温度超过了原来排序为3的空调，因此排序由原来的7改变为3。

此外，当检测到所管辖的值班机组中出现故障时或者通讯连接异常时，控制系统首先将此台空调机组从正常值班机组的队列之中剔除，然后自动唤醒另一台正在待机的机房空调设备，以补充当前缺少的制冷量。当所属区域的传感器发生故障时，不考虑故障区域的温度直接开启当前区域的空调。

综上，本发明实施例公开的机房空调节能控制系统主要实现了如下几个方面的功能：

(一)通过人机界面设置当前接入节能控制系统的机房空调额数量，并选择系统已经内置好的相应的机房空调通讯协议进行匹配。通过RS485接口以标准Modbus_RTU协议采集当前所管辖区域中所有机房空调的运行数据，并通过继电器常闭触点输出的方式远程控制所辖区域机房空调的开关机。

(二)节能系统主控制器通过内置的温度模糊PID控制算法，把当前机房的总体温度场平均值作为控制目标，统一分级调度所有值班空调，机房内空调越多，功率控制分级越多，能量需求匹配度越好。

(三)按系统的冗余度设置和机房负载需求自动调度各台空调的待机和值班运行，做到节能运行的目的。

(四)当值班运行中的空调的区域温度高于平均值达到或超过机房总体温度场值时，会自动调整增加设备投入，直到接近设定点。对于待机的空调，区域热点温度传感器随时监测其所辖区域的温度，当区域温度高于设定值加回差时，空调被自动唤醒投入运行，直到温度回到设定点。当值班运行的空调中，监测到区域温度超过热区确认温差时，还会触发一次空调开启温度排序。

(五)系统支持故障互备功能，当检测到所管辖的机房空调出现故障时或者通讯连接异常时，根据控制器内部的切换逻辑，自动切换至另一台待机的机房空调设备，当传感器发生故障时，不考虑故障区域的温度直接开启当前区域的空调。

本发明实施例公开的一种机房空调节能控制方法，该控制方法包括：根据系统冗余度设定值班空调和待机空调；获取与主控器相连的各机房空调所负责的制冷区域上方的温度值；计算机房温度平均值，并根据机房温度平均值与设定的温度通过PID控制算法计算得到功率投入百分比，并结合所有值班空调的总制冷量得到需要的制冷量；在设定时间内按照空调开启顺序逐个打开排序靠前的空调直到制冷量满足需求；其中设定时间根据功率投入百分比与设定的每1％功率投入增量需要的时间相乘得到，初始的空调开启顺序根据系统开启时刻各空调所负责的制冷区域温度确定，区域温度越高的空调开启顺序越靠前；判断是否存在某区域温度高于温度设定值加回差，若存在则开启该区域的空调；判断是否存在某区域温度高于机房温度平均值加热区确认温差，若存在且达到设定时长，则重新根据各空调区域温度确定空调开启顺序。

上述节能控制方法与节能控制系统的技术原理、所解决的技术问题及产生的技术效果相似，属于同一发明构思，细节不再赘述。

以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换，这些等同变换均属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种机房空调节能控制系统，其特征在于，包括主控制器、人机界面、多个温度采集控制器、多个温度传感器和多个终端控制继电器；

所述终端控制继电器安装在机房空调中，所述终端控制继电器的常闭触点与机房空调的遥控开关机接口相连，所述终端控制继电器的控制线圈与所述主控制器相连；所述主控制器通过总线与各机房空调控制器相连，所述主控制器通过网线与人机界面相连；各温度采集控制器通过总线与主控制器相连，每个温度采集控制器通过总线与其所负责区域的各温度传感器相连；所述温度传感器位于各空调制冷区域的上方；

所述主控制器用于根据系统冗余度设定值班空调和待机空调；根据机房温度平均值与设定的温度通过PID控制算法计算得到功率投入百分比，并结合所有值班空调的总制冷量得到需要的制冷量，在设定时间内按照空调开启顺序逐个打开排序靠前的空调直到制冷量满足需求，以及用于监测各机房空调负责的各区域温度，在某区域温度高于温度设定值加回差时开启该区域的空调，在判断出存在热区时重新根据各区域温度确定空调开启顺序；所述设定时间根据功率投入百分比与设定的每1％功率投入增量需要的时间相乘得到。

2.一种机房空调节能控制系统，其特征在于，包括主控制器、人机界面、多个温度采集控制器、多个温度传感器和多个终端控制继电器；

所述终端控制继电器安装在机房空调中，所述终端控制继电器的常闭触点与机房空调的遥控开关机接口相连，所述终端控制继电器的控制线圈与所述主控制器相连；所述主控制器通过总线与各机房空调控制器相连，所述主控制器通过网线与人机界面相连；各温度采集控制器通过总线与主控制器相连，每个温度采集控制器通过总线与其所负责区域的各温度传感器相连；所述温度传感器位于各空调制冷区域的上方；所述主控制器包括存储器处理器、以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现的步骤包括：

根据系统冗余度设定值班空调和待机空调；

获取与主控器相连的各机房空调所负责的制冷区域上方的温度值；

计算机房温度平均值，并根据机房温度平均值与设定的温度通过PID控制算法计算得到功率投入百分比，并结合所有值班空调的总制冷量得到需要的制冷量；

在设定时间内按照空调开启顺序逐个打开排序靠前的空调直到制冷量满足需求；其中设定时间根据功率投入百分比与设定的每1％功率投入增量需要的时间相乘得到，初始的空调开启顺序根据系统开启时刻各空调所负责的制冷区域温度确定，区域温度越高的空调开启顺序越靠前；

判断是否存在某区域温度高于温度设定值加回差，若存在则开启该区域的待机空调；

判断是否存在某区域温度高于机房温度平均值加热区确认温差，若存在且达到设定时长，则重新根据各区域温度确定空调开启顺序。

3.根据权利要求1或2所述的机房空调节能控制系统，其特征在于，设定的每1％功率投入增量需要的时间为其中Δt为当前机房平均温度与设定的温度值的温差，N为当前在控制网络中的机房空调的数量。

4.根据权利要求1或2所述的机房空调节能控制系统，其特征在于，所述温度传感器在各空调负责的制冷区域通道的长度方向上分两侧均匀布置。

5.根据权利要求1或2所述的机房空调节能控制系统，其特征在于，所述主控制器上设有第一总线接口，用于通过总线与各机房空调控制器相连，以及第二总线接口，用于通过总线与各温度采集控制器相连。

6.一种使用权利要求1或2所述的机房空调节能控制系统的机房空调节能控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

根据系统冗余度设定值班空调和待机空调；

获取与主控器相连的各机房空调所负责的制冷区域上方的温度值；

计算机房温度平均值，并根据机房温度平均值与设定的温度通过PID控制算法计算得到功率投入百分比，并结合所有值班空调的总制冷量得到需要的制冷量；

在设定时间内按照空调开启顺序逐个打开排序靠前的空调直到制冷量满足需求；其中设定时间根据功率投入百分比与设定的每1％功率投入增量需要的时间相乘得到，初始的空调开启顺序根据系统开启时刻各空调所负责的制冷区域温度确定，区域温度越高的空调开启顺序越靠前；

判断是否存在某区域温度高于温度设定值加回差，若存在则开启该区域的空调；

判断是否存在某区域温度高于机房温度平均值加热区确认温差，若存在且达到设定时长，则重新根据各空调区域温度确定空调开启顺序。

7.根据权利要求6所述的机房空调节能控制方法，其特征在于，设定的每1％功率投入增量需要的时间为其中Δt为当前机房平均温度与设定的温度值的温差，N为当前在控制网络中的机房空调的数量。

8.根据权利要求6所述的机房空调节能控制方法，其特征在于，还包括，在按照开启顺序打开空调时，若分配的制冷量大于空调制冷量的a％时，则打开该空调，否则不打开；在空调已经开启的情况下，分配的制冷量小于空调制冷量的b％时，关闭该空调；其中a为设定的开启冷量阈值，b为设定的关闭制冷阈值。

9.根据权利要求6所述的机房空调节能控制方法，其特征在于，还包括在值班空调故障或通讯异常时，将出现故障或通讯异常的值班空调从正常值班空调的队列中剔除，加入另一台待机空调作为值班空调；在检测不到某区域的温度时，直接开启负责该区域的空调。