CN112305906A - 数据中心模块化空调群控节能系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种数据中心模块化空调群控节能系统及方法，属于机房温度智能控制的技术领域。本发明在数据中心空调系统架构下，对空调系统中的各个部件进行模块化分析，以“面向对象”的方式，将数据中心空调系统中的各种设备按照其各自的功能模块独立划分，每个设备为一个独立的子节点模块。该方法包括主控服务器以当前区域末端精密空调的控制依据，对末端精密空调进行综合调配控制。本发明通过各个子节点模块的相互连接可以自适应的完成数据中心空调系统群控方案的控制连接，同时使得空调系统的优化控制问题解耦，同时将数据中心空调系统的冷源测和末端精密空调侧有效结合，避免出现区域冷量分配不均，个别区域出现热点的情况。

Description

数据中心模块化空调群控节能系统及方法

技术领域

本发明涉及一种数据中心模块化空调群控节能系统及方法，属于机房温度智能控制的技术领域。

背景技术

由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。如何能够提高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空调系统总体运行水平的关键所在。因此，构建一套有效的数据中心空调群控装置的重要性是显而易见的。

现在国内的数据中心空调自动控制系统，大部分还集中在楼宇建筑自动化控制系统当中（BA系统），没有专门针对数据中心空调系统的特点开发的专用空调自控系统。在这些控制系统中，大多都将数据中心的冷源和精密空调末端分离，没有根据数据中心负荷的特点做到一体化综合控制，从而导致数据中心的冷源供应与末端精密空调脱节，出现区域冷量分配不均，个别区域出现热点，给数据中心的正常运行造成威胁。

其次，传统的数据中心空调自控系统在设计过程当中通常是按照不同项目来进行配置，每次配置的过程都需要重新的计算控制点位、配置控制器、设计控制箱、编制控制程序。这样，导致每个项目都会浪费大量的人力和物力，没有形成标准的模块化配置。这些定制化的系统架构，收到不同厂家的能力所限，在后期建设和调试以及运行过程中均会出现均不同样的问题，对数据中心的正常运转也会造成一定的影响。

另外，传统的冷冻站控制系统大多没有未进行冗余设置，都采用一个控制器控制全部冷冻站设备，没有控制总线冗余，控制通讯总线的故障或者单点控制器的故障将影响控制逻辑的正确执行，使系统的可靠性下降。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供一种数据中心模块化空调群控节能系统及方法，解决目前数据中心空调群控系统的一体化集成、模块化集成、以及安全冗余的问题，以便达到综合节能控制、快速搭建和安全稳定的效果，其具体技术方案如下：

数据中心模块化空调群控节能方法，包括以下步骤：

步骤1：将机房划分区域，各个区域编号，在每个区域内分别设置末端温度采集器，且各区域的末端温度采集器的数据通过信号线传输到后台，后台采集到的温度数据与对应区域编号匹配；各个设备模块通过总线进行智能化识别，与智能冷却塔直接相连的智能水泵，自动识别为冷却泵；与末端节点直接相连的智能水泵，自动识别为二次冷冻泵；与智能冷机直接相连的水泵，自动识别为一次冷冻泵；自动识别完成的智能设备，将识别的“标签”信息广播发送给与其直接相连的所有同类智能设备；当智能设备收到冲突的标签时，选择优先级高的标签；识别完毕，经过操作人员确认后，在系统监控软件界面上可以生成上述网络连接拓扑，以及每台智能设备的详细信息；对于有些特殊情况下，系统不能完全自动识别，还需要根据实际情况人工调整，而这一过程中人工的工作是将系统自动识别的结果与系统原理图、设备现场连接图进行对比，通过软件操作重新设置设备“标签”类型；而非传统意义的底层编程、配置工作；

步骤2：系统上电后，首先至少开启一条制冷回路主控服务器，根据各个区域的末端温湿度传感器上传来的末端机房温度情况来判定是否开启整个空调系统，所述末端温度传感器按照制冷区域通道的长度均匀布置，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，用于精确监测当前末端区域的温度场；当检测末端各区域的温度场中有任意一个温度场的达到或超过启动系统的温度时，则证明此时末端已有制冷需求，那么主控服务器通过网络控制器给出一个开启空调系统最小一条回路的信号，为整个系统提供冷源；开启的顺序依次为冷却水阀门、冷却塔、冷冻水阀门、冷却水泵、冷冻水泵、冷机；

步骤3：网络控制器将末端数据采集模块采集到的数值进行协议转化后传送给主控服务器，末端负荷计算公式为：末端负荷=4.2*(末端管道回水温度-末端管道供水温度)*末端冷冻水流量*末端数量；

步骤4：主控服务器根据连续平均得出的末端负荷和用户最初设置的运行冷机名义制冷量的加载设定值、运行冷机名义制冷量的减载设定值进行比较，通过群控控制器对各冷机单元控制器发送命令进行加减载控制；

步骤5：主控服务器同时通过对各末端负荷情况进行分析，按照采集到不同区域的温度情况，计算当前区域平均温度场作为当前区域末端精密空调的控制依据，对末端精密空调进行综合调配控制。

进一步的，所述步骤2中开启空调群控系统的方式为：

(1)网络控制器通过总线协议向各个模块控制器发出启动系统的信号；

(2）各设备模块控制器之间通过高速总线互相传递共享数据信息；

(3）各设备模块控制器按照主控服务器中的顺序开启逻辑要求，依次开启各自所控制的设备模块单元，当开启过程中设备模块单元发生故障时，根据各设备模块控制器内部的切换逻辑，自动切换至另一个设备模块单元；

(4）当设备模块控制器与主控服务器之间的通讯发生故障，不能接受主控服务器正确的指令时，设备模块控制器通过读取其他设备模块控制器的共享数据信息，来保证自身逻辑的正确性，从而实现系统的冗余。

进一步的，各个模块控制器在系统运行正常时，考虑到设备的均匀磨损，按照设定的轮询时间进行轮询，即至少设置两组主机和水泵，当一组达到运行时候后，开启另外一组。

进一步的，当值班运行中的末端精密空调的本机温湿度高于平均值达到或超过当前区域总体场温度值时，会自动调整增加设备投入，直到接近设定点；对于待机的末端精密空调，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；

当值班运行的末端精密空调中，监测到区域温度超过热区确认温差时，还会触发一次值班空调开启温度排序；将区域温度较高的末端精密空调放置在序列的前端优先开启。

一种数据中心模块化空调群控节能系统，包括主控服务器、网络控制器、网络交换机、设备模块控制器和设备模块单元，所述设备模块控制器和设备模块均为多组，且设备模块控制器和设备模块的数量相匹配，每个设备模块控制器与一个设备模块单元相连接；所述设备模块控制器通过网线与网络交换机相连接，并且每个设备模块控制器之间通过总线互联；所述网络控制器与网络交换机相连接；所述主控服务器与网络交换机相连接。

进一步的，所述设备模块控制器包括数据采集控制器、冷机单元控制器、冷冻水泵控制器、冷却水泵控制器、冷却塔控制器、水系统阀门控制器、末端设备控制器以及辅助设备控制器，智能化设备的识别过程基于智能设备的通信连接拓扑，通过给定的基本规则自动完成；根据智能设备的标准化信息模型；贴上不同的“标签”，即智能设备的识别过程；

所述设备模块单元包括冷冻主机、冷冻水泵、冷冻水阀门、冷却水泵、冷却塔、电动阀门、辅助设备、水温传感器、水压传感器、流量传感器、液位传感器、末端精密空调和末端温湿度传感器；

冷冻主机、冷冻水泵、冷冻水阀门、冷却水泵、电动阀门、冷却塔、辅助设备通过硬接线和通讯线连到各自的设备模块控制器上；水温传感器、水压传感器、流量传感器、液位传感器均连接在数据采集控制器上，末端设备控制器放置在末端数据机房当中，末端精密空调和末端温湿度传感器通过硬接线和通讯线连接到末端设备控制器上。

本发明的有益效果是：

（1）该群控控制系统采用模块化设计，将数据中心空调系统按照不同的功能区域模块化，方便进行组合和拆分，每个模块按照标准化程序设计，大大提高在项目实现过程中的效率。

（2）不同模块控制器之间采用冗余总线连接，当主控服务器出现问题的时候，不同模块控制器可以通过相互之间的高速总线互相传递共享数据信息，从而来保证自身工作的正确性和有效性。使整个系统冗余设置得以真正实现。

（3）本发明通过各个子节点模块的相互连接可以自适应的完成数据中心空调系统群控方案的控制连接，同时使得空调系统的优化控制问题解耦，同时将数据中心空调系统的冷源测和末端精密空调侧有效结合，根据数据中心负荷的特点做到一体化综合控制，从而避免数据中心的冷源供应与末端精密空调脱节，出现区域冷量分配不均，个别区域出现热点的情况，同时也达到按需供冷，节能的目的。

（4）直接连接至群控控制器的各传感器均进行冗余设置，避免因传感器故障引起。

附图说明

图1是本发明的系统图。

具体实施方式

现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。

如图1所示，本发明的系统主要包括主控服务器、网络控制器、网络交换机、设备模块控制器和设备模块单元。设备模块控制器和设备模块单元均为多组，且设备模块控制器和设备模块单元的数量相匹配，每个设备模块控制器与一个设备模块单元相连接；设备模块控制器通过网线与网络交换机相连接，并且每个设备模块控制器之间通过总线互联；网络控制器与交换机相连接；主控服务器与交换机相连接。

设备模块控制器包括数据采集控制器、冷机单元控制器、冷冻水泵控制器、冷却水泵控制器、冷却塔控制器、水系统阀门控制器、末端设备控制器以及辅助设备控制器。

数据采集控制器连接采集水温传感器、水压传感器、流量传感器、液位传感器的数据。

冷机单元控制器连接控制多路冷冻主机。冷冻水泵控制器连接控制多个冷冻水泵。冷却水泵控制器连接控制多路冷却水泵。冷却塔控制器连接控制多路冷却塔。水系阀门控制器连接控制各个冷冻水阀门、冷却水法曼、冷却塔阀门和其他系统阀门。辅助设备控制器连接控制定压补水装置、水处理装置、膨胀水箱和补水箱。

末端设备控制器连接控制末端的精密空调和设置在各个区域的温度传感器。设备模块单元包括多台冷冻主机、每台冷冻主机均配有冷冻水泵、冷冻水阀门、冷却水泵、冷却塔、电动阀门、辅助设备、末端精密空调和末端温湿度传感器。

冷冻主机、冷冻水泵、冷冻水阀门、冷却水泵、电动阀门、冷却塔、辅助设备通过硬接线和通讯线连到各自的设备模块控制器上；水温传感器、水压传感器、流量传感器、液位传感器均连接在数据采集控制器上，末端设备控制器放置在末端数据机房当中，末端精密空调和末端温湿度传感器通过硬接线和通讯线连接到末端设备控制器上。

本发明控制方法过程为：

步骤1：将机房划分区域，各个区域编号，在每个区域内分别设置末端温度采集器，且各区域的末端温度采集器的数据通过信号线传输到后台，后台采集到的温度数据与对应区域编号匹配；

步骤2：系统上电后，首先至少开启一条制冷回路主控服务器，根据各个区域的末端温湿度传感器上传来的末端机房温度情况来判定是否开启整个空调系统，所述末端温度传感器按照制冷区域通道的长度均匀布置，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，用于精确监测当前末端区域的温度场；当检测末端各区域的温度场中有任意一个温度场的达到或超过启动系统的温度时，则证明此时末端已有制冷需求，那么主控服务器通过网络控制器给出一个开启空调系统最小一条回路的信号，为整个系统提供冷源；开启的顺序依次为冷却水阀门、冷却塔、冷冻水阀门、冷却水泵、冷冻水泵、冷机；

开启空调群控系统的方式为：

(1)网络控制器通过总线协议向各个模块控制器发出启动系统的信号；

(2）各设备模块控制器之间通过高速总线互相传递共享数据信息；

(3）各设备模块控制器按照主控服务器中的顺序开启逻辑要求，依次开启各自所控制的设备模块单元，当开启过程中设备模块单元发生故障时，根据各设备模块控制器内部的切换逻辑，自动切换至另一个设备模块单元；

(4）当设备模块控制器与主控服务器之间的通讯发生故障，不能接受主控服务器正确的指令时，设备模块控制器通过读取其他设备模块控制器的共享数据信息，来保证自身逻辑的正确性，从而实现系统的冗余。

步骤3：网络控制器将末端数据采集模块采集到的数值进行协议转化后传送给主控服务器，末端负荷计算公式为：末端负荷=4.2*(末端管道回水温度-末端管道供水温度)*末端冷冻水流量*末端数量；

步骤4：主控服务器根据连续平均得出的末端负荷和用户最初设置的运行冷机名义制冷量的加载设定值、运行冷机名义制冷量的减载设定值进行比较，通过群控控制器对各冷机单元控制器发送命令进行加减载控制；

步骤5：主控服务器同时通过对各末端负荷情况进行分析，按照采集到不同区域的温度情况，计算当前区域平均温度场作为当前区域末端精密空调的控制依据，对末端精密空调进行综合调配控制。当值班运行中的末端精密空调的本机温湿度高于平均值达到或超过当前区域总体场温度值时，会自动调整增加设备投入，直到接近设定点；对于待机的末端精密空调，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；当值班运行的末端精密空调中，监测到区域温度超过热区确认温差时，还会触发一次值班空调开启温度排序；将区域温度较高的末端精密空调放置在序列的前端优先开启。

各个模块控制器在系统运行正常时，考虑到设备的均匀磨损，按照设定的轮询时间进行轮询，即至少设置两组主机和水泵，当一组达到运行时候后，开启另外一组。例如主机和水泵的设定轮询时间为168小时，则在运行的主机和水泵按照168小时后进行一次切换，将在运行的关闭，同时开启未运行的主机和水泵运转。

以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (6)

1.一种数据中心模块化空调群控节能方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：将机房划分区域，各个区域编号，在每个区域内分别设置末端温度采集器，且各区域的末端温度采集器的数据通过信号线传输到后台，后台采集到的温度数据与对应区域编号匹配；各个设备模块通过总线进行智能化识别，与智能冷却塔直接相连的智能水泵，自动识别为冷却泵；与末端节点直接相连的智能水泵，自动识别为二次冷冻泵；与智能冷机直接相连的水泵，自动识别为一次冷冻泵；自动识别完成的智能设备，将识别的“标签”信息广播发送给与其直接相连的所有同类智能设备；当智能设备收到冲突的标签时，选择优先级高的标签；识别完毕，经过操作人员确认后，在系统监控软件界面上可以生成上述网络连接拓扑，以及每台智能设备的详细信息；对于有些特殊情况下，系统不能完全自动识别，还需要根据实际情况人工调整，而这一过程中人工的工作是将系统自动识别的结果与系统原理图、设备现场连接图进行对比，通过软件操作重新设置设备“标签”类型；而非传统意义的底层编程、配置工作；

步骤2：系统上电后，首先至少开启一条制冷回路主控服务器，根据各个区域的末端温湿度传感器上传来的末端机房温度情况来判定是否开启整个空调系统，所述末端温度传感器按照制冷区域通道的长度均匀布置，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，用于精确监测当前末端区域的温度场；当检测末端各区域的温度场中有任意一个温度场的达到或超过启动系统的温度时，则证明此时末端已有制冷需求，那么主控服务器通过网络控制器给出一个开启空调系统最小一条回路的信号，为整个系统提供冷源；开启的顺序依次为冷却水阀门、冷却塔、冷冻水阀门、冷却水泵、冷冻水泵、冷机；

步骤3：网络控制器将末端数据采集模块采集到的数值进行协议转化后传送给主控服务器，末端负荷计算公式为：末端负荷=4.2*(末端管道回水温度-末端管道供水温度)*末端冷冻水流量*末端数量；

步骤4：主控服务器根据连续平均得出的末端负荷和用户最初设置的运行冷机名义制冷量的加载设定值、运行冷机名义制冷量的减载设定值进行比较，通过群控控制节能系统对各设备模块控制器发送命令进行加减载控制；

步骤5：主控服务器同时通过对各末端负荷情况进行分析，按照采集到不同区域的温度情况，计算当前区域平均温度场作为当前区域末端精密空调的控制依据，对末端精密空调进行综合调配控制。

2.根据权利要求1所述数据中心模块化空调群控节能方法，其特征在于：所述步骤2中开启空调群控系统的方式为：

(1)网络控制器通过总线协议向各个模块控制器发出启动系统的信号；

(2）各设备模块控制器之间通过高速总线互相传递共享数据信息；

(3）各设备模块控制器按照主控服务器中的顺序开启逻辑要求，依次开启各自所控制的设备模块单元，当开启过程中设备模块单元发生故障时，根据各设备模块控制器内部的切换逻辑，自动切换至另一个设备模块单元；

(4）当设备模块控制器与主控服务器之间的通讯发生故障，不能接受主控服务器正确的指令时，设备模块控制器通过读取其他设备模块控制器的共享数据信息，来保证自身逻辑的正确性，从而实现系统的冗余。

3.根据权利要求1所述数据中心模块化空调群控节能方法，其特征在于：各个模块控制器在系统运行正常时，考虑到设备的均匀磨损，按照设定的轮询时间进行轮询，即至少设置两组主机和水泵，当一组达到运行时候后，开启另外一组。

4.根据权利要求1所述数据中心模块化空调群控节能方法，其特征在于：所述步骤5具体为：当值班运行中的末端精密空调的本机温湿度高于平均值达到或超过当前区域总体场温度值时，会自动调整增加设备投入，直到接近设定点；对于待机的末端精密空调，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；

当值班运行的末端精密空调中，监测到区域温度超过热区确认温差时，还会触发一次值班空调开启温度排序；将区域温度较高的末端精密空调放置在序列的前端优先开启。

5.一种数据中心模块化空调群控节能系统，其特征在于：包括主控服务器、网络控制器、网络交换机、设备模块控制器和设备模块单元，所述设备模块控制器和设备模块均为多组，且设备模块控制器和设备模块的数量相匹配，每个设备模块控制器与一个设备模块单元相连接；所述设备模块控制器通过网线与网络交换机相连接，并且每个设备模块控制器之间通过总线互联；所述网络控制器与网络交换机相连接；所述主控服务器与网络交换机相连接；

对空调系统中的各个部件进行模块化分析，以“面向对象”的方式，将数据中心空调系统中的各种设备按照其各自的功能模块独立划分，每个设备为一个独立的子节点模块。

6.根据权利要求5所述数据中心模块化空调群控节能系统，其特征在于：所述设备模块控制器包括数据采集控制器、冷机单元控制器、冷冻水泵控制器、冷却水泵控制器、冷却塔控制器、水系统阀门控制器、末端设备控制器以及辅助设备控制器；每个设备模块控制器通过相互连接的总线进行智能化识别，智能化设备的识别过程基于智能设备的通信连接拓扑，通过给定的基本规则自动完成；根据智能设备的标准化信息模型；贴上不同的“标签”，即智能设备的识别过程；

所述设备模块单元包括冷冻主机、冷冻水泵、冷冻水阀门、冷却水泵、冷却塔、电动阀门、辅助设备、水温传感器、水压传感器、流量传感器、液位传感器、末端精密空调和末端温湿度传感器；

冷冻主机、冷冻水泵、冷冻水阀门、冷却水泵、电动阀门、冷却塔、辅助设备通过硬接线和通讯线连到各自的设备模块控制器上；水温传感器、水压传感器、流量传感器、液位传感器均连接在数据采集控制器上，末端设备控制器放置在末端数据机房当中，末端精密空调和末端温湿度传感器通过硬接线和通讯线连接到末端设备控制器上。

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