CN207050312U - 一种带有冗余控制器的数据中心冷冻站自控系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种带有冗余控制器的数据中心冷冻站自控系统，包括操作站PC机、核心交换机、冷站群控控制器、冷机单元控制器、冷冻水泵冗余控制器、蓄冷罐控制器，冷站群控控制器控制和管理冷机单元控制器、冷冻水泵冗余控制器和蓄冷罐控制器，冷机单元控制器是冷冻水泵的主控制器，冷冻水泵冗余控制器是冷冻水泵的备用控制器，操作站PC机和核心交换机相连接，冷机单元控制器与制冷单元的数量相同，每个冷机单元控制器与其所控制的制冷单元以及本单元管路上安装的温度、压力传感器相连接；冷站群控控制器与冷机单元控制器、蓄冷罐控制器、冷冻水泵冗余控制器之间均是通过信号连接实现数据的双向传递，安装在系统总管上的温度、压力、流量传感器与冷站群控控制器相连接。

Description

一种带有冗余控制器的数据中心冷冻站自控系统

技术领域

本实用新型涉及数据中心冷冻站自动控制邻域，该自控系统适用于数据中心等大型供冷场所。

背景技术

现在，我国正处于高速发展的时期，随着计算机技术和信息技术的高速发展，大型数据中心在各个行业得到广泛的应用，各大通信运营商、政府机关、企业单位、IT公司等纷纷筹建1DC数据中心。大型数据中心安装的IT 设备集成度越来越高，设备发热量越来越大，通常大型数据中心都建设专用冷冻站为机房提供制冷，由此可见，冷冻站设备自动控制系统的安全运行非常重要。

传统的数据中心冷冻站自控系统，为每个制冷单元配备1个制冷单元控制器，每个制冷单元控制器控制冷机、冷冻水泵、冷却水泵、冷却塔、电动阀门等设备，没有配备冗余控制器，这种结构存在弊端：即当某个冷机单元控制器发生故障时，其所控制的整个制冷单元都会停机，尤其冷冻水泵会停机，在这种情况下，虽然备用冷机系统可以立刻启动，但是由于备机系统的启动和阀门的打开或关闭都需要时间，此时最关键是冷冻水泵停机了，这会造成冷冻水输送的中断或冷冻水供水的不足，由于数据机房IT设备发热量巨大，即使冷冻水供水中断(或不足)现象存在极短的时间，机房温度也有可能会立即上升，导致服务器等IT设备发生故障，产生严重后果。

实用新型内容

为解决上述技术所存在的不足，本实用新型提供了一种带有冗余控制器的数据中心冷冻站自控系统。

为解决以上技术问题，本实用新型采用的技术方案是：

一种带有冗余控制器的数据中心冷冻站自控系统，包括操作站PC机、核心交换机、冷站群控控制器、冷机单元控制器、冷冻水泵冗余控制器、蓄冷罐控制器，冷站群控控制器控制和管理冷机单元控制器、冷冻水泵冗余控制器和蓄冷罐控制器，冷机单元控制器是冷冻水泵的主控制器，冷冻水泵冗余控制器是冷冻水泵的备用控制器，操作站PC机和核心交换机相连接，冷机单元控制器与制冷单元的数量相同，每个冷机单元控制器与其所控制的制冷单元以及本单元管路上安装的温度、压力传感器相连接；冷站群控控制器与冷机单元控制器、蓄冷罐控制器、冷冻水泵冗余控制器之间均是通过信号连接实现数据的双向传递，安装在系统总管上的温度、压力、流量传感器与冷站群控控制器相连接。

所述冷站群控控制器、制冷单元控制器、冷冻水泵冗余控制器、蓄冷罐控制器与核心交换机之间均是用以太网线连接进行数据的双向传递，核心交换机与操作站PC机也是用以太网线连接；为了提高系统可靠性，所有控制器的电源均采用双路UPS供电，确保供电的可靠。

所述冷站群控控制器与安装在冷冻水总管上的冷冻水出水温度传感器、冷冻水出水压力传感器以及冻水出水流量传感器相连接，与安装在冷却水总管上的冷却水出水温度传感器、冷却水出水压力传感器连接；冷站群控控制器根据冷水机组最佳负荷系数范围对冷水机组运行台数进行自动增减，并监测冷冻水供回水总管上的温度及冷冻水总管供水流量计算出末端所需的冷负荷，同时也监测制冷单元控制器发来的额定产冷量信号，当计算负荷达到运行的额定负荷的90％并持续设定时间时，将增开下一组制冷单元组，当冷负荷下降到低于运行的制冷单元组的额定负荷的30％并持续设定时间时，群控器将逐步关闭制冷单元组，同时根据启动顺序或运行时间选择逐步关闭的合适制冷单元。

冷站群控控制器监测制冷单元组的运行时间，当负荷减小时，关闭运行时间最长的制冷单元组，使得各个制冷单元组的运行时间均衡；当制冷单元出现故障时，冷站群控控制器会关闭故障机组，启动备用机组。

所述冷机单元控制器与冷水机组、冷却塔、冷冻水泵、冷却水泵、调节阀连接，对它们的启停进行连锁控制；开机顺序为先开冷却塔，再开冷却水泵、冷冻水泵，最后开冷机的顺序，关机顺序与开机相反；当制冷单元中的设备发生故障时，制冷单元控制器会关闭故障设备，同时向冷站群控控制器发出故障报警。

所述冷机单元控制器对本冷机系统中的电动阀门的控制为：对于开关型电动阀，冷机单元控制器会发出开阀和关阀这2个独立信号，当冷机单元控制器发出开阀信号，则开关型电动阀会打开，只要冷机单元控制器不发出关阀信号，则开关型电动阀会一直保持在打开状态；当冷机制器发出关阀信号，则开关型电动阀会关闭，只要冷机单元控制器不发出开阀信号，则开关型电动阀会一直保持在关闭状态；对于调节型电动阀，冷机单元控制器除了会发出一个电动阀开度模拟量信号外，还会发出1个电动阀启动开关量信号，此信号通过接触器接通电动阀的工作电源，当冷机单元控制器出现故障，此电动阀的启动信号就消失，使得调节阀的工作电源失去，阀门就会停留在故障前的开度，不会关闭；这就满足数据中心要求如果冷机单元控制器出现故障了，不能发出信号了，则电动阀门应保持冷机单元控制器故障前的状态的要求。

所述蓄冷罐控制器与蓄冷罐温度传感器、蓄冷罐进水或出水流量计、液位开关、补水电动阀、进出水电动调节阀相连接，实时监测蓄冷罐的温度和斜温层厚度，蓄冷罐通过液位监测，控制电动补水阀进行补水，通过实时的流量计的显示值，计算阀门的开度，随着蓄冷罐阀门开度的变化，冷冻水泵的转速也跟这变化。

冷冻水泵冗余控制器具有控制冷冻水泵启停、手自动和工频运行功能，同时冷冻水泵的运行、故障信号也反馈回冷冻水泵冗余控制器。

本实用新型的有益效果是：

1、该数据中心冷冻站自控系统中的所有控制器都是独立的，任何1个控制器出现故障时，其他控制器仍然可以独立正常工作。

2、所有控制器以及核心交换机都由双路UPS供电，保证了自控系统电源的可靠供给。

3、运行中的制冷单元控制器，当控制器本身发生故障时，其所控制的所有电动阀门都可以保持故障前的状态，而不会由于控制器的故障，阀门的状态发生变化，造成系统制冷管路产生问题。

3)制冷单元中的冷冻水泵由双控制器进行控制，当主控制器出现故障时，备用控制器立刻投入使用，即使本制冷单元的冷机等停机了，但是冷冻水泵依然在工作，继续输送蓄冷罐中的冷冻水至末端，这样有了冷冻水的连续供应，数据机房的安全运行有了可靠的保障。

附图说明

图1为现有的常规数据中心冷冻站自控系统框图。

图2为本实用新型的数据中心冷冻站自控系统框图。

图3为本实用新型的冷站群控控制器系统框图。

图4为本实用新型的制冷单元控制器系统框图。

图5为本实用新型的冗余冷冻水泵控制器系统框图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型设计进行详细说明。

如图1所示，一种带有冗余控制器的数据中心冷冻站自控系统，其主要由操作站PC机、核心交换机、冷站群控控制器、冷机单元控制器、冷冻水泵冗余控制器、蓄冷罐控制器组成，冷站群控控制器控制和管理冷机单元控制器、冷冻水泵冗余控制器和蓄冷罐控制器，冷机单元控制器是冷冻水泵的主控制器，冷冻水泵冗余控制器是冷冻水泵的备用控制器。冷机单元控制器与制冷单元的数量相同，每个冷机单元控制器与其所控制的制冷单元以及本单元管路上安装的温度、压力传感器相连接。冷站群控控制器与冷机单元控制器、蓄冷罐控制器、冷冻水泵冗余控制器之间、均是通过信号连接实现数据的双向传递，安装在系统总管上的温度、压力、流量传感器与冷站群控控制器相连接。冷站群控控制器、制冷单元控制器、冷冻水泵冗余控制器、蓄冷罐控制器与核心交换机之间均是用以太网线连接进行数据的双向传递，核心交换机与上位PC机也是用以太网线连接。为了提高系统可靠性，所有控制器的电源均采用双路UPS供电，确保供电的可靠。

所述中央操作站PC机位于数据中心的监控室，数据中心冷冻站操作人员可以在上位PC机的自控界面上对整个冷冻站进行监控，当有自控系统有故障发生时，远程的自控界面上就有声(光)报警发出，提醒运维人员进行维修。

所述冷站群控控制器与安装在冷冻水总管上的冷冻水出水(回水)温度传感器、冷冻水出水(回水)压力传感器以及冻水出水流量传感器相连接，与安装在冷却水总管上的冷却水出水(回水)温度传感器、冷却水出水(回水)压力传感器连接，冷站群控控制器根据冷水机组最佳负荷系数 (70％--90％)范围对冷水机组运行台数进行自动增减，并监测冷冻水供回水总管上的温度及冷冻水总管供水流量计算出末端所需的冷负荷，同时也监测制冷单元控制器发来的额定产冷量信号，当计算负荷达到运行的额定负荷的90％并持续一定时间(可调)时，将增开下一组制冷单元组，当冷负荷下降到低于运行的制冷单元组的额定负荷的30％并持续一定时间(可调)时，群控器将逐步关闭制冷单元组，同时根据启动顺序或运行时间选择逐步关闭的合适制冷单元。冷站群控控制器监测制冷单元组的运行时间，当负荷减小时，关闭运行时间最长的制冷单元组，使得各个制冷单元组的运行时间均衡。当制冷单元出现故障时，冷站群控控制器会关闭故障机组，启动备用机组。

所述冷机单元控制器与冷水机组、冷却塔、冷冻水泵、冷却水泵、调节阀等连接，对它们的启停进行连锁控制，开机顺序为先开冷却塔，再开冷却水泵、冷冻水泵最后开冷机的顺序关机顺序与开机相反。当制冷单元中的设备发生故障时，制冷单元控制器会关闭故障设备，同时向冷站群控控制器发出故障报警。

所述冷机单元控制器为了配合冷冻水泵冗余控制器的工作，对电动阀门的控制进行了专门的设计，现在的方案为：对于开关型电动阀，控制器发出开阀和关阀2个独立信号，当开阀信号发出，只要没有获得关阀信号，则开关型阀门都保持打开状态，达到了开关型电动阀门能够保持故障前状态要求。对于调节型阀门，控制器除了会发出一个阀门开度模拟量信号(DC 0-1Vv，或4—20mA)外，还会发出1个阀门启动开关量信号，此信号可以通过接触器接通调节阀的工作电源，当控制器出现故障了，此阀门启动信号就消失了，这样调节阀的工作电源就失去了，阀门就会停留在故障前的开度，而不会关闭了。

所述蓄冷罐控制器，与蓄冷罐温度传感器、蓄冷罐进水(出水)流量计、液位开关、补水电动阀、进出水电动调节阀等相连接，实时监测蓄冷罐的温度和斜温层厚度，蓄冷罐通过液位监测，控制电动补水阀进行补水，通过实时的流量计的显示值，计算阀门的开度，随着蓄冷罐阀门开度的变化，冷冻水泵的转速也跟这变化。

所述冷冻水泵冗余控制器，当某个正在运行的冷机单元控制器发生故障时，冷站群控控制器立刻向冷冻水泵冗余控制器发出了启动此系统中的冷冻水泵的信号，故障发生前由制冷单元控制器控制的单元冷冻水泵现在立刻转换到由冷冻水泵冗余控制器进行控制，冷冻水泵冗余控制器发出了冷冻水泵启动信号，使得单元冷冻水泵开始工作在工频状态，冗余水泵控制器具有控制冷冻水泵启停、手自动和工频运行功能，同时冷冻水泵的运行、故障信号也反馈回冷冻水泵冗余控制器。

如图2所示，本实用新型具体由操作站PC机、核心交换机、冷站群控控制器、冷机单元控制器、冷冻水泵冗余控制器、蓄冷罐控制器组成，冷站群控控制器控制和管理冷机单元控制器、冷冻水泵冗余控制器和蓄冷罐控制器，冷机单元控制器是冷冻水泵的主控制器，冷冻水泵冗余控制器是冷冻水泵的备用控制器。冷机单元控制器与制冷单元的数量相同，每个冷机单元控制器与其所控制的制冷单元相连接。冷站群控控制器分别与单个冷机单元控制器、蓄冷罐控制器、冷站群控控制器、冷冻水泵冗余控制器相连接，均是通过信号线的连接实现数据的双向传递。核心交换机分别与冷站群控控制器、制冷单元控制器、冷冻水泵冗余控制器、蓄冷罐控制器相连接，采用以太网线连接进行数据的双向传递。核心交换机与上位PC机也是用以太网线连接。为了提高系统可靠性，核心交换机以及所有控制器的电源均采用双路 UPS供电，所有控制器分别与A路/B路这2个UPS输出柜相连接，以确保供电的可靠。

如图3所示，冷站群控控制器与安装在冷冻水总管上的冷冻水出水(回水)温度传感器、冷冻水出水(回水)压力传感器以及冻水出水流量传感器相连接，与安装在冷却水总管上的冷却水出水(回水)温度传感器、冷却水出水(回水)压力传感器以及冷却水出水流量传感器相连接，冷站群控控制器分别与单个冷机单元控制器、蓄冷罐控制器、冷站群控控制器、冷冻水泵冗余控制器相连接，上述连接均为信号线硬连接。冷站群控控制器在冷水机组最佳负荷系数(70％--90％)范围对冷水机组运行台数进行自动增减，并监测冷冻水供回水总管上的温度及冷冻水总管供水流量计算末端所需的冷负荷，同时也监测制冷单元控制器发来的额定产冷量信号，当计算负荷达到运行的额定负荷的90％并持续一定时间(可调)时，将增开下一组制冷单元组，当冷负荷下降到低于运行的制冷单元组的额定负荷的30％并持续一定时间(可调)时，群控器将逐步关闭制冷单元组，同时根据启动顺序或运行时间选择逐步关闭的合适的制冷单元。冷站群控控制器监测制冷单元组的运行时间，当负荷减小时，关闭运行时间最长的制冷单元组，使得各个制冷单元组的运行时间均衡。当制冷单元出现故障时，冷站群控控制器会关闭故障制冷单元机组，启动备用机组。

如图4所示，由于各个冷机单元的结构是相同的，现以1#冷机单元为例，1#冷机单元控制器分别与1#冷水机组、1#冷却水泵、1#冷冻水泵、1# 冷却塔、1#制冷系统所属的电动调节阀、1#制冷系统所属的电动蝶阀、1# 冷机单元所属的温度传感器、1#冷机单元所属的压力传感器冷、1#冷机单元所属的流量传感器相连接，在冷却塔的进(出)水管上安装有温度传感器，在冷却塔的出水管上安装有压力传感器和流量传感器，电动调节阀和电动蝶阀安装在冷冻水管或冷却水管的管道上，1#冷冻水泵、1#冷却水泵以及1# 冷却塔风机与各自的变频器连接。1#冷机单元控制器根据群控控制器发来的启停信号以及本单元温度、压力、流量传感器输入的信号按照一定的顺序启停1#冷机单元内的设备，1#冷机单元控制器向1#冷机发出启停信号，1#冷机的所有运行参数均网线传递到1#单元控制器，1#冷机单元控制器向1#冷冻水泵、1#冷却水泵、1#风机变频器发出启停信号和模拟量调速信号，1# 冷冻水泵、1#冷却水泵、1#冷却塔风机变频器的调速反馈信号、运行信号和故障信号也反馈回1#冷机单元控制器，1#冷机单元所属电动调节阀的开度调节、1#冷机单元所属电动蝶阀的打开(关闭)均受1#单元控制器控制， 1#冷机单元所属的电动阀门的状态信号或开度信号均反馈回1#冷机单元控制器。

如图5所示，冷冻水泵冗余控制器分别与1#冷冻水泵、2#冷冻水泵、 3#冷冻水泵、4#冷冻水泵采用信号导线相连接，冷冻水泵冗余控制器的工作过程是这样的：现在以1#冷机单元为例加以说明，在正常情况下，群控控制器向1#冷机单元控制器发出启动1#冷机单元的信号，随即1#冷机单元内相关的电动阀门、冷却塔、冷却水泵、冷冻水泵、冷机依次被启动，1#冷机单元开始正常工作，群控控制器实时监测1#冷机单元控制器是否有故障，当1#冷机单元控制器发生故障了，此时1#冷机，1#冷却塔，1#冷却水泵， 1#冷冻水泵都会立刻停止运行，但是所有电动阀门通过特定的设计依然可以保持故障发生前的状态，此时群控控制器会立刻启动备用制冷单元，同时向冷冻水泵冗余控制器发出启动1#冷冻水泵的命令，冷冻水泵冗余控制器接到此命令后，立刻发出了启动1#冷冻水泵的信号，此时1#冷冻水泵直接运行在工频状态，不再受变频器控制，1#冷冻水泵的变频和工频这2种工作模式是电气联锁的，1#冷冻水泵工频运行时，1#冷冻水泵变频器的工作电源是被切断的，由于有蓄冷罐提供备用冷源，所以只要1#冷冻水泵能够持续运行，机房末端空调所需要的冷冻水就可以在一定的时间内持续供应，使得机房温度不会立刻升高，当备用制冷单元启动完毕后，群控控制器将向冷冻水泵冗余控制器发出关闭1#冷冻水泵的信号，1#冷冻水泵随即被关闭。

当冷站群控控制器出现故障时，整个自控系统仅失去了冷机单元的加载或减载及轮值功能，此前正在工作的其他控制器均可以彼此保持独立，可以继续维持群控控制器发生故障前的工作状态，使得冷冻站依然可以维持制冷的工作状态，为数据中心的安全运行提供了可靠的保障。

Claims (8)

1.一种带有冗余控制器的数据中心冷冻站自控系统，其特征在于：包括操作站PC机、核心交换机、冷站群控控制器、冷机单元控制器、冷冻水泵冗余控制器、蓄冷罐控制器，冷站群控控制器控制和管理冷机单元控制器、冷冻水泵冗余控制器和蓄冷罐控制器，冷机单元控制器是冷冻水泵的主控制器，冷冻水泵冗余控制器是冷冻水泵的备用控制器，操作站PC机和核心交换机相连接，冷机单元控制器与制冷单元的数量相同，每个冷机单元控制器与其所控制的制冷单元以及本单元管路上安装的温度、压力传感器相连接；冷站群控控制器与冷机单元控制器、蓄冷罐控制器、冷冻水泵冗余控制器之间均是通过信号连接实现数据的双向传递，安装在系统总管上的温度、压力、流量传感器与冷站群控控制器相连接。

2.根据权利要求1所述的带有冗余控制器的数据中心冷冻站自控系统，其特征在于：所述冷站群控控制器、制冷单元控制器、冷冻水泵冗余控制器、蓄冷罐控制器与核心交换机之间均是用以太网线连接进行数据的双向传递，核心交换机与操作站PC机也是用以太网线连接；为了提高系统可靠性，所有控制器的电源均采用双路UPS供电，确保供电的可靠。

3.根据权利要求1所述的带有冗余控制器的数据中心冷冻站自控系统，其特征在于：所述冷站群控控制器与安装在冷冻水总管上的冷冻水出水温度传感器、冷冻水出水压力传感器以及冻水出水流量传感器相连接，与安装在冷却水总管上的冷却水出水温度传感器、冷却水出水压力传感器连接；冷站群控控制器根据冷水机组最佳负荷系数范围对冷水机组运行台数进行自动增减，并监测冷冻水供回水总管上的温度及冷冻水总管供水流量计算出末端所需的冷负荷，同时也监测制冷单元控制器发来的额定产冷量信号，当计算负荷达到运行的额定负荷的90％并持续设定时间时，将增开下一组制冷单元组，当冷负荷下降到低于运行的制冷单元组的额定负荷的30％并持续设定时间时，群控器将逐步关闭制冷单元组，同时根据启动顺序或运行时间选择逐步关闭的合适制冷单元。

4.根据权利要求3所述的带有冗余控制器的数据中心冷冻站自控系统，其特征在于：冷站群控控制器监测制冷单元组的运行时间，当负荷减小时，关闭运行时间最长的制冷单元组，使得各个制冷单元组的运行时间均衡；当制冷单元出现故障时，冷站群控控制器会关闭故障机组，启动备用机组。

5.根据权利要求1所述的带有冗余控制器的数据中心冷冻站自控系统，其特征在于：所述冷机单元控制器与冷水机组、冷却塔、冷冻水泵、冷却水泵、调节阀连接，对它们的启停进行连锁控制；开机顺序为先开冷却塔，再开冷却水泵、冷冻水泵，最后开冷机的顺序，关机顺序与开机相反；当制冷单元中的设备发生故障时，制冷单元控制器会关闭故障设备，同时向冷站群控控制器发出故障报警。

6.根据权利要求1所述的带有冗余控制器的数据中心冷冻站自控系统，其特征在于：所述冷机单元控制器对本冷机系统中的电动阀门的控制为：对于开关型电动阀，冷机单元控制器会发出开阀和关阀这2个独立信号，当冷机单元控制器发出开阀信号，则开关型电动阀会打开，只要冷机单元控制器不发出关阀信号，则开关型电动阀会一直保持在打开状态；当冷机制器发出关阀信号，则开关型电动阀会关闭，只要冷机单元控制器不发出开阀信号，则开关型电动阀会一直保持在关闭状态；对于调节型电动阀，冷机单元控制器除了会发出一个电动阀开度模拟量信号外，还会发出1个电动阀启动开关量信号，此信号通过接触器接通电动阀的工作电源，当冷机单元控制器出现故障，此电动阀的启动信号就消失，使得调节阀的工作电源失去，阀门就会停留在故障前的开度，不会关闭；这就满足数据中心要求如果冷机单元控制器出现故障了，不能发出信号了，则电动阀门应保持冷机单元控制器故障前的状态的要求。

7.根据权利要求1所述的带有冗余控制器的数据中心冷冻站自控系统，其特征在于：所述蓄冷罐控制器与蓄冷罐温度传感器、蓄冷罐进水或出水流量计、液位开关、补水电动阀、进出水电动调节阀相连接，实时监测蓄冷罐的温度和斜温层厚度，蓄冷罐通过液位监测，控制电动补水阀进行补水，通过实时的流量计的显示值，计算阀门的开度，随着蓄冷罐阀门开度的变化，冷冻水泵的转速也跟这变化。

8.根据权利要求1所述的带有冗余控制器的数据中心冷冻站自控系统，其特征在于：冷冻水泵冗余控制器具有控制冷冻水泵启停、手自动和工频运行功能，同时冷冻水泵的运行、故障信号也反馈回冷冻水泵冗余控制器。