CN205427603U - 一种数据中心机房的冷冻水二次泵冗余控制系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种数据中心机房的冷冻水二次泵冗余控制系统，包括末端压差单元、控制器、变频器控制柜、冷冻水二次泵；末端压差单元包括四个末端压差传感器，分别为一号末端压差传感器、二号末端压差传感器、三号末端压差传感器和四号末端压差传感器；控制器分为主控制器和备控制器，相互之间采用硬接线进行连接；变频器控制柜为多个，主控制器和备控制器分别与多个变频器控制柜相连接；冷冻水二次泵为多个，与变频器控制柜一一对应相连接；本实用新型实现了变频器控制柜与主备控制器之间的双上连、主备控制器实现同时运行，彼此之间进行心跳检测，对处于运行状态的变频器和冷冻水二次泵无影响，保证了控制系统的安全性和可靠性。

Description

一种数据中心机房的冷冻水二次泵冗余控制系统

技术领域

本实用新型涉及一种冗余控制系统，尤其涉及一种用于数据中心机房的冷冻水二次泵冗余控制系统。

背景技术

从上世纪90年代数据中心(DataCenter)的概念兴起至今，已过去近20年。20年的发展，数据中心的建设规模不断扩大，单个数据中心的规模也从最初常见的数百平方米发展到目前常见的数千乃至上万平方米。数据中心的高功率密度化对冷水自控系统的制冷提出了更高的要求，在冷水自控系统能耗中，系统输送能耗约占1/3，因此，在数据中心冷水自控系统中冷冻水采用冷冻水二次泵变频技术设计日益受到重视。

冷冻水二次泵变频系统主要是根据冷水自控系统中末端压差进行的变流量控制。在冷水自控系统中供回水末端最不利点设置压差传感器，采集到的压力数值发送到控制器（DDC控制器或PLC控制器），控制器对接收到的压力数值与系统中用户设定的压力值进行比较，根据两者的差值来调节变频器的频率，从而调节冷冻水二次泵的转速，使负荷侧供回水末端恒压稳定在用户设定的压力值：即供回水末端压力值大于用户设定的压力值，控制器控制变频器降低频率，减慢冷冻水二次泵的转速；供回水末端压力值小于用户设定的压力值，控制器控制变频器提高频率，加快冷冻水二次泵的转速。通过实现供回水的变流量控制，从而达到节能降耗的目的。相比传统的供水方式，冷冻水二次泵变频系统的安全性和可靠性一直受到数据中心行业的广泛重视。传统的冷水自控系统冷冻水二次泵变频系统如图1所示。

在数据中心中传统的冷冻水二次泵变频系统存在如下缺点：

仅采用单电源供电，当出现电源丢失时，控制器将掉电，变频器将失去控制，导致无法实现自动压差控制，对冷水自控系统中供回水末端的安全性带来隐患，如时间过长，会导致数据中心机房温度过高，服务器大规模的出现宕机甚至烧毁；

在传统的冷冻水二次泵变频系统中供回水末端最不利点仅设置一套压差传感器。当压差传感器数值失真时，控制器无法正常定压控制；当压差传感器故障时，就需要停机检修，影响系统的正常运行；

在传统冷冻水二次泵变频系统中控制器无冗余配置或仅在控制器内部CPU进行冗余配置。当控制器出现故障或变频器控制柜输入输出出现故障时，变频器将失去控制，导致无法实现自动压差控制，给冷水自控系统中供回水末端的安全性带来隐患。

实用新型内容

为了解决上述技术所存在的不足之处，本实用新型提供了一种数据中心冷冻站群控控制系统。

为了解决以上技术问题，本实用新型采用的技术方案是：一种数据中心机房的冷冻水二次泵冗余控制系统，它包括末端压差单元、控制器、变频器控制柜、冷冻水二次泵；末端压差单元包括四个末端压差传感器，分别为一号末端压差传感器、二号末端压差传感器、三号末端压差传感器和四号末端压差传感器；一号末端压差传感器和二号末端压差传感器设置在冷水自控系统第一处供回水末端；三号末端压差传感器和四号末端压差传感器设置在冷水自控系统的第二处供回水末端；

控制器分为主控制器和备控制器，主控制器和备控制器之间采用硬接线进行连接；变频器控制柜为多个，多个变频器控制柜内均设置有变频器；主控制器和备控制器分别与多个变频器控制柜相连接；冷冻水二次泵为多个，与变频器控制柜一一对应相连接；主控制器、备控制器分别与交换机相连接；

一号末端压差传感器通过信号线缆上连到主控制器的输入输出模块，二号末端压差传感器通过信号线缆上连到备控制器的输入输出模块；三号末端压差传感器通过信号线缆上连到主控制器的输入输出模块，四号末端压差传感器通过信号线缆上连到备控制器的输入输出模块。

主控制器内设置有主心跳发送模块At和主心跳接收模块Ar，备控制器内设置有备用心跳发送模块Bt和备用心跳接收模块Br；主心跳接收模块Ar与备用心跳发送模块Bt相匹配，备用心跳接收模块Br和主心跳发送模块At相匹配。

主控制器、备控制器分别与主用UPS电源和备用UPS电源相连接。

变频器控制柜通过信号线将变频器分别上连到主控制器和备控制器的输入输出模块。

本实用新型的有益效果是：

（1）实现了变频器控制柜与主备控制器之间的双上连、控制系统冗余配置（包括控制器冗余和输入输出配置冗余），主备控制器实现同时运行，彼此之间进行心跳检测，当主控制器掉电或故障时，处于热备状态的备控制器立即接管控制，对处于运行状态的变频器和冷冻水二次泵无影响；（2）实现了控制器的双路供电，保证了控制系统的可靠性；（3）实现了末端压差传感器的冗余配置保证了控制系统的安全性和可靠性。

附图说明

图1是本实用新型的控制系统的结构框图。

图2是现有技术的变频器控制柜的具体输出框图。

图3是本实用新型变频器控制柜的具体输出框图。

图4、图5、图6是本实用新型主、备控制器之间的心跳检测框图。

图7是本实用新型的心跳信号的波形示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。

如图1所示，本实用新型包括末端压差单元、控制器、变频器控制柜、冷冻水二次泵；末端压差单元包括四个末端压差传感器，分别为一号末端压差传感器、二号末端压差传感器、三号末端压差传感器和四号末端压差传感器；一号末端压差传感器和二号末端压差传感器设置在冷水自控系统第一处供回水末端；三号末端压差传感器和四号末端压差传感器设置在冷水自控系统的第二处供回水末端；

控制器分为主控制器和备控制器，主控制器和备控制器之间采用硬接线进行连接；变频器控制柜为多个，多个变频器控制柜内均设置有变频器；主控制器和备控制器分别与多个变频器控制柜相连接；冷冻水二次泵为多个，与变频器控制柜一一对应相连接；主控制器、备控制器分别与交换机相连接；

一号末端压差传感器通过信号线缆上连到主控制器的输入输出模块，二号末端压差传感器通过信号线缆上连到备控制器的输入输出模块，一号末端压差传感器与二号末端压差传感器互为主备；

三号末端压差传感器通过信号线缆上连到主控制器的输入输出模块，四号末端压差传感器通过信号线缆上连到备控制器的输入输出模块，三号末端压差传感器与四号末端压差传感器互为主备。

本实用新型在冷水自控系统供回水末端中选择两处最不利点设置了四个末端压差传感器，相同处的两个末端压差传感器之间互为主备，避免了由单点故障的产生，对冷冻水二次泵变频系统造成的影响，降低数据中心的整体故障率，提高数据中心运行的安全性和可靠性。

本实用新型的主控制器、备控制器通过实时传输的心跳信号进行相互检测；具体方式为：主控制器内设置有主心跳发送模块At和主心跳接收模块Ar，备控制器内设置有备用心跳发送模块Bt和备用心跳接收模块Br；主心跳接收模块Ar与备用心跳发送模块Bt相匹配，备用心跳接收模块Br和主心跳发送模块At相匹配。

本实用新型的主控制器、备控制器分别与主用UPS（不间断）电源和备用UPS电源相连接。两路电源在控制柜内通过静态转换开关进行切换，避免了由单点故障的产生，对冷冻水二次泵变频系统造成的影响，降低数据中心的整体故障率，提高数据中心运行的安全性和可靠性。

变频器控制柜通过信号线将变频器分别上连到主控制器和备控制器的输入输出模块。

采用本实用新型控制系统的控制方法，如图4所示，主控制器正常运行时，主控制器将工作数据时时上传到交换机，备控制器从交换机得到主控制器的时时工作数据并进行同步；备控制器时时检测主控制器心跳信号情况，判断心跳信号是否正确；如图5所示，当备控制器检测到主控制器不正确的心跳信号时，即判断主控制器出现故障，处于热备状态的备控制器立即代替主控制器进行系统控制；主控制器的故障信息通过交换机上传到前端监控平台进行报警，提醒运维人员进行检查和维修；

如图6所示，当备控制器正常运行时，主控制器维修完成，备控制器将工作数据时时上传到交换机，主控制器从交换机得到备控制器的时时工作数据并进行同步；主控制器时时检测备控制器心跳信号情况，判断心跳信号是否正确；当主控制器检测到备控制器不正确的心跳信号时，即判断备控制器出现故障，处于热备状态的主控制器立即代替备控制器进行系统控制，实现备控制器切换到主控制器运行，切换过程中，变频器和冷冻水二次泵实现不停机无缝切换，不影响系统正常运行。

本实用新型主控制器正常运行时通过一号末端压差传感器、三号末端压差传感器采集得到两个压力数值，并对这两个压力数值进行比较，取两者的最小值与用户设定的压力值再进行比较，当两者的最小值大于用户设定的压力值，主控制器控制变频器降低频率，减慢冷冻水二次泵的转速；当两者的最小值小于用户设定的压力值，主控制器控制变频器提高频率，加快冷冻水二次泵的转速。

当一号末端压差传感器与三号末端压差传感器其中之一出现故障时，主控制器将根据其中正常工作的末端压差传感器采集的压力值与用户设定的压力值进行比较，对变频器进行控制；故障信息通过交换机上传到前端监控平台进行报警；当一号末端压差传感器、三号末端压差传感器均出现故障时，处于热备状态的备控制器开始进行系统控制，通过二号末端压差传感器、四号末端压差传感器采集得到两个压力数值，并对这两个压力数值进行比较，取两者的最小值与用户设定的压力值再进行比较，当两者的最小值大于用户设定的压力值，备控制器控制变频器降低频率，减慢冷冻水二次泵的转速；当两者的最小值小于用户设定的压力值，备控制器控制变频器提高频率，加快冷冻水二次泵的转速。

当二号末端压差传感器、四号末端压差传感器其中之一出现故障时，备控制器将根据其中正常工作的末端压差传感器采集的压力值与用户设定的压力值进行比较，对变频器进行控制；二号末端压差传感器、四号末端压差传感器均出现故障时，处于热备状态的主控制器开始进行系统控制。

主控制器、备控制器通过交换机对末端压差值、冷冻水二次泵最小运行数量、冷冻水二次泵自动加载频率、冷冻水二次泵自动减载频率、冷冻水二次泵加载顺序、冷冻水二次泵减载顺序、冷冻水二次泵手动轮询进行同步设定，保证控制器、主备控制器冗余配置的同步。

如图2所示传统的变频器控制柜的输出方式，变频器控制柜将变频器控制频率、反馈频率、冷冻水二次泵手自动状态、启停控制、运行状态、故障状态上连都控制器。控制器出现故障时，系统无法对变频器控制柜进行控制，系统将整体停机，影响数据中心的正常运行。

如图3所示，本实用新型将冷冻水二次泵的实际数量设置为5台，变频器控制柜根据冷冻水二次泵数量进行配置变频器控制柜5套；每套变频器控制柜将变频器控制频率信号、反馈频率信号、冷冻水二次泵手自动状态信号、启停控制信号、运行状态信号、故障状态信号分别通过信号线缆上连到主控制器和备控制器的输入输出模块，在变频器控制柜的输入输出端口进行冗余配置，时时对5套变频器控制柜的信息进行采集和检测，对处于运行状态的变频器和冷冻水二次泵进行无缝切换控制，不影响变频器和冷冻水二次泵的正常运行，降低数据中心的整体故障率，提高数据中心运行的安全性和可靠性。

如图5所示，主控制器和备控制器之间心跳信号为周期性跳动形式，通过模拟量信号进行传输，保证心跳信号的可靠性；主备之间互相检测信号的准确性和正确性，相比数字信号提高了安全性和可靠性。

本实用新型具体加载和减载的过程为：

系统处于自动控制状态，当数据中心机房内负荷增加，处于目前运行状态的冷冻水二次泵每台运行频率都大于自动加载频率值，并超过设定时间时，系统将加载一台处于备用状态的冷冻水二次泵，加载成功后，运行状态的冷冻水二次泵每台运行频率将降低，如继续大于自动加载频率值并超过设定时间，系统将加载一台处于备用状态的冷冻水二次泵，依次进行，直至5台冷冻水二次泵全部处于运行状态；

当数据中心机房内负荷减小，处于目前运行状态的冷冻水二次泵每台运行频率都小于自动减载频率值，并超过设定时间时，系统将减载一台处于运行状态的冷冻水二次泵，减载成功后，运行状态的冷冻水二次泵每台运行频率将升高，如继续小于自动减载频率值并超过设定时间，系统将减载一台处于运行状态的冷冻水二次泵，依次进行，直至减载到冷冻水二次泵最小运行数量。

系统处于自动控制状态，当用户修改末端压差设定值，末端压差设定值大于原末端压差设定值，处于目前运行状态的冷冻水二次泵每台运行频率都将升高，升高后的频率值都大于自动加载频率值，超过设定时间时，系统将加载一台处于备用状态的冷冻水二次泵，加载成功后，运行状态的冷冻水二次泵每台运行频率将降低，如继续大于自动加载频率值并超过设定时间，系统将加载一台处于备用状态的冷冻水二次泵，依次进行，直至5台冷冻水二次泵全部处于运行状态；

末端压差设定值小于原末端压差设定值，处于目前运行状态的冷冻水二次泵每台运行频率都将降低，降低后的频率值都小于自动减载频率值，超过设定时间时，系统将减载一台处于运行状态的冷冻水二次泵，减载成功后，运行状态的冷冻水二次泵每台运行频率将升高，如继续小于自动减载频率值并超过设定时间，系统将减载一台处于运行状态的冷冻水二次泵，依次进行，直至减载到冷冻水二次泵最小运行数量。

本实用新型冷冻水二次泵故障替换可实现自动切换控制，正常运行的冷冻水二次泵出现故障时，系统的前端监控平台报警，控制器将自动启动排在加载顺序第一位的冷冻水二次泵，此台冷冻水二次泵运行成功后，出现故障的冷冻水二次泵将停止运行；在控制器自动启动排在加载顺序第一位的冷冻水二次泵，此台冷冻水二次泵启动时间超过设定时间将会发出报警，系统进行锁定，并自动启动排在加载顺序第二位的冷冻水二次泵，此台冷冻水二次泵运行成功后，出现故障的冷冻水二次泵将停止运行，冷冻水二次泵故障替换完成。

此外，本实用新型根据用户实际运行情况，对处于运行状态的冷冻水二次泵和处于备用状态的冷冻水二次泵进行手动轮询。用户发出手动轮询命令，系统会自动启动排在加载顺序第一位的冷冻水二次泵，此台冷冻水二次泵运行成功后，系统会自动关闭排在减载顺序第一位的冷冻水二次泵，此台冷冻水二次泵关闭成功后，此次手动轮询命令执行完毕；当系统自动启动排在加载顺序第一位的冷冻水二次泵，此台冷冻水二次泵启动时间超过设定时间将会发出报警，系统进行锁定，并自动启动排在加载顺序第二位的冷冻水二次泵，此台冷冻水二次泵运行成功后，系统会自动关闭排在减载顺序第一位的冷冻水二次泵，此台冷冻水二次泵关闭成功后，此次手动轮询命令执行完毕。

上述实施方式并非是对本实用新型的限制，本实用新型也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本实用新型的技术方案范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也均属于本实用新型的保护范围。

Claims (4)

1.一种数据中心机房的冷冻水二次泵冗余控制系统，其特征在于：它包括末端压差单元、控制器、变频器控制柜、冷冻水二次泵；所述末端压差单元包括四个末端压差传感器，分别为一号末端压差传感器、二号末端压差传感器、三号末端压差传感器和四号末端压差传感器；所述一号末端压差传感器和二号末端压差传感器设置在冷水自控系统第一处供回水末端；所述三号末端压差传感器和四号末端压差传感器设置在冷水自控系统的第二处供回水末端；

所述控制器分为主控制器和备控制器，主控制器和备控制器之间采用硬接线进行连接；所述变频器控制柜为多个，多个变频器控制柜内均设置有变频器；主控制器和备控制器分别与多个变频器控制柜相连接；所述冷冻水二次泵为多个，与变频器控制柜一一对应相连接；所述主控制器、备控制器分别与交换机相连接；

所述一号末端压差传感器通过信号线缆上连到主控制器的输入输出模块，二号末端压差传感器通过信号线缆上连到备控制器的输入输出模块；所述三号末端压差传感器通过信号线缆上连到主控制器的输入输出模块，四号末端压差传感器通过信号线缆上连到备控制器的输入输出模块。

2.根据权利要求1所述的数据中心机房的冷冻水二次泵冗余控制系统，其特征在于：所述主控制器内设置有主心跳发送模块At和主心跳接收模块Ar，备控制器内设置有备用心跳发送模块Bt和备用心跳接收模块Br；所述主心跳接收模块Ar与备用心跳发送模块Bt相匹配，备用心跳接收模块Br和主心跳发送模块At相匹配。

3.根据权利要求1所述的数据中心机房的冷冻水二次泵冗余控制系统，其特征在于：所述主控制器、备控制器分别与主用UPS电源和备用UPS电源相连接。

4.根据权利要求1所述的数据中心机房的冷冻水二次泵冗余控制系统，其特征在于：所述变频器控制柜通过信号线将变频器分别上连到主控制器和备控制器的输入输出模块。