JP5975105B2 - 温度管理システム - Google Patents
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Description
本発明は、温度管理システムに関する。
近年、高度情報化社会の到来にともなって計算機で多量のデータが扱われるようになり、データセンター等の施設において多数の計算機を同一室内に設置して一括管理することが多くなっている。例えば、データセンターでは、計算機室内に多数のラック(サーバラック)を設置し、各ラックにそれぞれ複数の計算機(サーバ)を収納している。そして、それらの計算機の稼動状態に応じて各計算機にジョブを有機的に配分し、大量のジョブを効率的に処理している。
ところで、計算機は、稼働にともなって多量の熱を発生する。計算機内の温度が高くなると誤動作や故障の原因となるため、冷却ファンを使用してラック内に冷気を取り込み、計算機内で発生した熱をラックの外に排出している。
一方、データセンターでは多大な電力を消費しており、省エネルギーの観点から消費電力の削減が要求されている。計算機の熱による故障や誤動作を防止するために、冷却ファンを常に最大回転数で回転させることも考えられる。しかし、データセンターには多数の冷却ファンが設置されているので、それらの冷却ファンを常に最大回転数で回転させると消費電力が増大し、消費電力の削減が達成できなくなる。
従って、データセンター等の施設で消費する電力を削減するためには、計算機の稼働状態に応じて、冷却設備を効率的に稼働させることが重要となる。
ASTROM,K., and HAGGLUND,T.:"PID controllers: theory, design and tuning"(ISA Press, Research Triangle Park, North Carolina,1995)
リセットワインドアップによる制御性能の低下を抑制でき、計算機等の電子機器を効率的に冷却できる温度管理システムを提供することを目的とする。
開示の技術の一観点によれば、稼働状態に応じて発熱量が変化する複数の電子機器と、前記複数の電子機器の温度を個別に検出する温度検出部と、前記複数の電子機器を冷却する冷却装置と、前記温度検出部の出力に応じて前記冷却装置を制御する制御部とを有し、前記制御部は、前記電子機器がアイドル状態か否かを判定するアイドル状態判定部と、積分器を備え目標値と制御量との差分から操作量を演算する操作量演算部と、前記アイドル状態判定部がアイドル状態と判定したときに前記積分器の蓄積値を所定の値に修正する蓄積値修正部とを有する温度管理システムが提供される。
上記の温度管理システムによれば、アイドル状態のときに積分器の蓄積値を所定の値に修正するので、リセットワインドアップによる制御性能の低下を抑制でき、安定的且つ適切に電子機器を冷却できる。
以下、実施形態について説明する前に、実施形態の理解を容易にするための予備的事項について説明する。
前述したように、データセンター等の施設で消費する電力を削減するためには、電子機器の稼働状態に応じて、冷却設備を効率的に稼働させることが重要となる。
そのために、例えば計算機の温度を測定し、その測定温度と目標温度との偏差に応じて冷却ファンをPID(Proportional-Integral-Derivative)制御することが考えられる。しかし、一般的なPID制御を計算機の冷却に使用すると、計算機がアイドル状態から稼働状態に移行したときに一時的に制御が機能しない状態が発生し、目標温度に到達するまでに長時間かかってしまうことがある。
これは、計算機がアイドル状態のときにPID制御部の積分器に目標値と制御量との偏差が過剰に蓄積されるリセットワインドアップと呼ばれる現象が生じるためである。このリセットワインドアップのため、計算機がアイドル状態から稼働状態に移行した後も、積分器に過剰に蓄積された偏差がなくなるまで制御が機能しなくなる。
一般的に、PID制御では、制御量が目標値に追従できない条件に移行したときや、ある条件下において制御量が追従できない範囲に目標値が設定されたときに、リセットワインドアップが生じる。
以下の実施形態では、リセットワインドアップによる制御性能の低下を抑制でき、計算機を効率的に冷却できる温度管理システムについて説明する。
(第1の実施形態)
図1は第1の実施形態に係る温度管理システムが適用されるデータセンターの一例を示す模式上面図、図2は同じくそのデータセンターの模式側面図である。なお、本実施形態では、外気を利用して計算機(サーバ)を冷却するモジュール型データセンターを例として説明している。
図1は第1の実施形態に係る温度管理システムが適用されるデータセンターの一例を示す模式上面図、図2は同じくそのデータセンターの模式側面図である。なお、本実施形態では、外気を利用して計算機(サーバ)を冷却するモジュール型データセンターを例として説明している。
図1,図2に例示したモジュール型データセンターは、直方体形状のコンテナ(筐体)10と、コンテナ10内に配置された冷却ファンユニット12と、複数のラック13とを有する。各ラック13には、それぞれ複数の計算機14が収納されている。
コンテナ10の相互に対向する2つの面のうちの一方には吸気口11aが設けられており、他方には排気口11bが設けられている。また、冷却ファンユニット12とラック13との間の空間の上には仕切り板15が配置されている。
冷却ファンユニット12には複数の冷却ファン12aが設けられている。更に、吸気口11a及び排気口11bには、雨水の侵入を防ぐ雨水侵入防止板や虫等の侵入を防ぐ防虫網が設けられている。本実施形態では、図1に示すように、ラック13毎に冷却ファンユニット12が設けられている。
コンテナ10内の空間は、冷却ファンユニット12、ラック13及び仕切り板15により、外気導入部21、コールドアイル22、ホットアイル23及び暖気循環路24に分割されている。外気導入部21は吸気口11aと冷却ファンユニット12との間の空間であり、コールドアイル22は冷却ファンユニット12とラック13との間の空間であり、ホットアイル23はラック13と排気口11bとの間の空間である。
ラック13は、コールドアイル22側の面が吸気面、ホットアイル23側の面が排気面となるように配置される。
暖気循環路24はラック13及び仕切り板15の上方の空間であり、ホットアイル23と外気導入部21との間を連絡している。暖気循環路24には、暖気の循環量を調整するためのダンパー17が設けられている。
図1,図2に例示したモジュール型データセンターでは、外気導入部21に、外気温が高いときに水の気化熱を利用して外部導入部21に導入するエアーの温度を下げる気化式冷却装置16が設けられている。
このようなモジュール型データセンターにおいて、冷却ファンユニット12の冷却ファン12aが回転し、吸気口11aを介して外気導入部21にエアー(外気)が導入される。そして、外気導入部21内に導入されたエアーは、冷却ファンユニット12を介してコールドアイル22に移動し、更にラック13の吸気面からラック13内に入って各計算機14を冷却する。
計算機14を冷却することにより温度が上昇したエアー(暖気)は、ラック13の排気面からホットアイル23に排出され、排気口11bから屋外に排出される。
外気温が高いときにはダンパー17を閉状態とし、ホットアイル23から外気導入部21に暖気が移動しないようにする。外気温が更に高いときには気化式冷却装置16に水を供給し、図3に示すように気化式冷却装置16を介して外気導入部21内に外気を導入する。外気が気化式冷却装置16を通過する際に水が気化して気化熱を奪うため、外気導入部21には外気温よりも低温のエアーが導入される。
一方、外気温が低く、ラック13内に導入されるエアーの温度が予め設定された許容下限温度よりも低くなるおそれがあるときにはダンパー17を開状態とする。これにより、ホットアイル23から暖気循環路24を介して外気導入部21に暖気の一部が戻り、ラック13内に導入されるエアーの温度が上昇する。
図4は、第1の実施形態に係る温度管理システムを示すブロック図である。
図4に示すように、本実施形態に係る温度管理システムは、各計算機14のCPU14aの温度を個別に検出する温度センサ32と、ラック13の吸気面側のエアーの温度を検出する温度センサ33と、制御部30と、目標値設定部31と、冷却ファンユニット12とを含んでいる。計算機14は電子機器の一例であり、温度センサ32は温度検出部の一例であり、冷却ファンユニット12は冷却装置の一例である。
温度センサ32は、CPU14aと同一チップ内に形成されており、計算機14内に設けられた通信器(図示せず)を介してCPU14aの温度を制御部30に伝送する。
本実施形態では、制御部30と計算機14との間の信号の送受信は、UDP(User Datagram Protocol)通信を介して行うものとする。但し、制御部30と計算機14との間の通信はUDP通信に限定するものではない。また、本実施形態では、温度センサ32としてCPU14aと同一チップ内に配置された温度センサを使用しているが、CPU14aのパッケージに密着して配置した温度センサを使用してもよい。
制御部30は、例えばマイクロコンピュータ、FPGA(Field-Programmable Gate Array)又はPLC(Programmable logic controller)等を含んで構成される。ラック13内の特定の計算機14に専用プログラムを読み込ませ、制御部30として使用してもよい。
目標値設定部31には、CPU温度の目標値が設定される。目標値は、CPU14aの許容上限温度よりも低い温度であればよく、CPU14aの動作状況に応じて変更することができる。本実施形態では、目標値の初期値を80℃とする。
制御部30は、温度センサ32,33の出力及び目標値設定部31に設定された目標値に応じて、冷却ファンユニット12を制御する。制御部30の動作の詳細については後述する。
図5は、制御部30の構成を説明する機能ブロック図である。図5のように、制御部30は、操作量演算部40と、アイドル状態判定マップ記憶部41と、高水準温度演算部42と、制御量平滑化部43と、アイドル状態判定部44と、蓄積値修正部45と、上下限制約部54と、操作量平滑化部55と、制御信号生成部56とを有する。
また、操作量演算部40は、演算器40a,40bと、比例操作量演算部51と、微分操作量演算部52と、積分操作量演算部53とを有する。比例操作量演算部51は、比例ゲイン設定部46を含んで構成されている。また、微分操作量演算部52は、微分ゲイン設定部47及び微分器48を含んで構成されている。更に、積分操作量演算部53は、積分ゲイン設定部49及び積分器50を含んで構成されている。
アイドル状態判定マップ記憶部41には、ラック13の吸気面側のエアーの温度とCPU14aのアイドル状態における基準温度との関係を示すアイドル状態判定マップが記憶されている。アイドル状態判定マップ記憶部41に記憶されるアイドル状態判定マップの一例を図6に示す。
図6のように、アイドル状態判定マップには、データ番号毎に、吸入空気温度Tc(ラック13の吸気面側のエアーの温度)と、アイドル状態における基準温度Ta(CPU温度)との関係が記載されている。
高水準温度演算部42は、温度センサ32から各計算機14のCPU温度を入力し、後述するように基準値を超えるCPU温度を抽出して、アイドル状態判定部44及び制御量平滑部43に出力する。制御量平滑部43は、高水準温度演算部42から入力したCPU温度を平滑化処理し、操作量演算部40に出力する。
アイドル状態判定部44は、温度センサ33を介してラック13の吸気面側のエアーの温度を入力するとともに、高水準演算部42を介してCPU温度を入力する。そして、アイドル状態判定部44は、これらの入力したデータとアイドル状態判定マップ記憶部41に記憶されているアイドル状態判定マップとを使用して、CPU14aがアイドル状態か否かを判定する。
アイドル状態判定部44による判定結果は、蓄積値修正部45に伝達される。蓄積値修正部45は、アイドル状態判定部44によりCPU14aがアイドル状態であると判定したときは、後述するように操作量演算部40内の積分器50の蓄積値を修正する。
操作量演算部40の演算器40aは、目標値設定部31に設定された目標値と、制御量平滑部43から入力したCPU温度(平滑化されたCPU温度)との差分を演算する。
比例操作量演算部51は、比例ゲイン設定部46を用いて、演算器40aの出力から比例操作量uPを算出する。また、微分操作量演算部52は、微分ゲイン設定部47及び微分器48を用いて、演算器40aの出力から微分操作量uDを算出する。更に、積分操作量演算部53は、積分ゲイン設定部49及び積分器50を用いて、演算器40aの出力から積分操作量uIを算出する。
演算器40bは、比例操作量演算部51から出力される比例操作量uPと、微分操作量演算部52から出力される微分操作量uDと、積分操作量演算部53から出力される積分操作量uIとを加算する。この演算器40bから出力される操作量が、操作量演算部40の出力として上下限制約部54に出力される。
上下限制約部54は、操作量演算部40から出力された操作量を操作量平滑部55に伝達する。但し、上下限制約部54は、操作量演算部40から出力された操作量が予め設定された上限値よりも大きいときは上限値を操作量として操作量平滑部55に伝達し、下限値よりも小さいときは下限値を操作量として操作量平滑部55に伝達する。
操作量平滑部55は、上下限制約部54から伝達された操作量を平滑化する。制御信号生成部56は、操作量平滑部55から出力される操作量に応じた制御信号を生成する。冷却ファンユニット12の各冷却ファン12aは、制御信号生成部56から出力される制御信号に応じた回転数で回転する。
図7,図8は、本実施例に係る温度管理システムによる温度管理方法を示すフローチャートである。このフローチャートを参照して、制御部30の動作をより詳細に説明する。なお、ここでは、制御部30は、図7,図8に示す一連の動作をラック13毎に、且つ一定の時間毎(例えば1秒毎)に行うものとする。
まず、ステップS11において、制御部30は、目標値設定部31に設定された目標値を取得する。
次に、ステップS12に移行し、制御部30は、温度センサ32を介して各計算機14のCPU温度を取得する。また、ステップS13において、制御部30は、温度センサ33を介してラック13の吸気面側のエアーの温度を取得する。
次に、ステップS14に移行し、制御部30は、温度センサ32を介して取得した各計算機14のCPU温度の測定値から、CPU温度が基準値θ以上のCPU温度を抽出する。
ここで、基準値θは、0<θ<Tmaxとする。Tmaxは例えば計算機14のCPU14aがスロットリング(Throttling)する温度である。CPU14aの温度がTmaxになると、CPU14aは自動的にクロックを下げて、CPU14aの温度がTmax以上に上昇しないようにする。本実施形態では、基準値θの初期値を100℃とする。
次に、ステップS15において、制御部30はCPU温度を1以上抽出できたか否かを判定する。CPU温度を1つも抽出していない場合、すなわち対象とするラック13内にCPU温度が基準値θを超えるCPU14aがない場合は、ステップS16に移行する。そして、制御部30は、基準値θの値をφだけ減少した後、ステップS14に移行する。φは、下記(1)式により算出する。
ここで、αは基準値θの値の減少量を決める定数であり、1よりも小さい任意の値である。但し、αの値が大きすぎると詳細な温度制御ができなくなり、小さすぎると制御が煩雑になる。本実施形態では、αの値を0.01とする。
このようにして、制御部30は、基準値θを超えるCPU温度が1以上抽出されるまでステップS14からステップS16までを繰り返す。
ステップS14において基準値θを超えるCPU温度が1以上抽出されると、ステップS15からステップS17に移行する。ステップS17において、制御部30は、ステップS14で取得したCPU温度を制御量y(s)に設定する。ステップS14で抽出されたCPU温度が複数の場合は、それらの平均値又は最高値を制御量y(s)に設定する。
上述のステップS14からステップS17までの動作は、高水準温度演算部42において実行される。
その後、ステップS18に移行し、制御部30は、制御量y(s)の変動を滑らかにする平滑化処理を実施する。この平滑化処理は、制御量平滑化部43で行われる。
本実施形態では平滑化法として、一次遅れ伝達関数F(s)を用いる。この場合、平滑前の制御量をyinとすると、平滑化後の制御量youtは下記(2)式により算出される。
ここで、一次遅れ伝達関数F(s)は、下記(3)式で表現される。
(3)式において、sはラプラス演算子である。また、Tfはフィルタ時定数であり、Tfの値が大きいほど時系列において制御量が滑らかになるが、制御応答が遅くなる。本実施形態では、Tf=5とする。
平滑化は、一次遅れ伝達関数のほかに、カルマンフィルタなどを用いて実施することもできる。
次に、ステップS19に移行し、制御部30は、目標値設定部31から取得した目標値r(t)と平滑後の制御量y(t)との偏差e(t)を、下記(4)式により計算する。
この計算は、演算器40aにより行われる。
また、ステップS20において、制御部30は、偏差e(t)に応じて比例操作量uP(t)を下記(5)式により算出する。
更に、制御部30は、偏差e(t)の変化量に応じて微分操作量uD(t)を、下記(6)式により算出する。
ここで、KPは比例ゲインであり、KDは微分ゲインである。微分ゲインKDは、下記(7)式のように比例ゲインKPと微分時間TDとで表現することもできる。
これらの演算は、演算器40の比例操作量演算部51及び微分操作量演算部52により行われる。
次に、ステップS21に移行し、制御部30は、アイドル状態判定マップ記憶部41に記憶されているアイドル状態判定マップを参照する。そして、吸気面側のエアーの温度を検索キーとして、吸気面側のエアーの温度の値が近いデータ番号を所定の数だけ取得する。その後、ラック13の吸気面側のエアーの温度Tcとアイドル状態のCPUの基準温度Taとから、後述するように補間処理を実施してアイドル状態のCPU基準温度Tabaseを求める。
例えば、アイドル状態判定マップから(Tci、Tai),(Tci+1、Tai+1)の2点を取得し線形補間した場合は、現在の吸入空気温度Tcinから、アイドル状態のCPU基準温度Tabaseを下記(8)式で算出する。
アイドル状態判定マップから3点以上取得し補間する場合は、下記(9)式に示すラグランジェ補間を用いることもできる。
ここで、Mは取得したデータ数である。このほかに、スプライン補間などを用いることもできる。
次に、ステップS22において、制御部30は、計算機14がアイドル状態か否かを判定する。ここでは、高水準温度演算部42から伝達されたCPU温度(制御量y(s))の値がTabase+βの値よりも小さければ、すなわちTabase+β>y(s)が真であるのならば、アイドル状態と判定する。
ここで、βは、アイドル状態のCPU温度のバラツキを考慮するパラメータであり、正の数である。本実施形態では、βを5℃と設定する。βの値が大きいとアイドル状態の判定基準が緩和され、アイドル状態と判定する温度範囲が広がり、βの値が小さいとアイドル状態の判定基準が厳密になり、アイドル状態と判定する温度範囲が狭くなる。
ステップS22でアイドル状態と判定した場合(YESの場合)はステップS23に移行し、アイドル状態でないと判定した場合(NOの場合)はステップS22からステップS24に移行する。
ステップS23では、積分器50の蓄積値S(t)を、下記(10)式に示すように所定の値γに再設定する。本実施形態では、γ=0とする。
その後、積分操作量演算部53において、下記(11)式により積分操作量uI(t)を演算する。その後、ステップS25に移行する。
一方、ステップS22からステップS24に移行した場合、制御部30は、積分操作量演算部53において下記(11)式により積分操作量uI(t)を演算する。
ここで、S(t)は積分器50の蓄積値であり、KIは積分ゲインである。KIは、下記(12)式に示すように、比例ゲインKPと積分時間TIとで表現される。
積分演算は、説明を容易にするために離散化した式で表現する。本実施形態では、修正オイラー法(台形則)を採用し、積分演算を下記(13)式で算出するものとする。
ここで、Δtはステップ時間である。積分操作量uI(t)を演算した後、ステップS25に移行する。
ステップS25において、制御部30は、演算器40bを使用して、比例操作量演算部51、微分操作量演算部52及び積分操作量演算部53の出力の総和を演算し、操作量として出力する。本実施形態では、冷却ファンユニット12をPID制御する場合について説明しているので、操作量u(t)を下記(14)式で算出する。
なお、冷却ファンユニット12をPI制御するのであれば、操作量u(t)を下記(15)式で算出する。
次に、ステップS26において、制御部30は、操作量u(t)がumin≦u(t)≦umaxの範囲となるように、必要に応じて下記(16)式又は(17)式により操作量u(t)を修正する。
この演算は、上下限制約部54にて行われる。
次に、ステップS27に移行し、制御部30は、例えば前述した一次遅れ伝達関数を使用して、操作量u(t)を平滑化する。ここでは、操作量u(t)を平滑化する際のフィルタ時定数Tfの値を、Tf=10とする。
次に、ステップS28に移行し、制御部30は、制御信号生成部56を使用して、操作量u(t)から冷却ファンユニット12の制御信号を生成する。本実施形態では、冷却ファン12aを制御するためにPWM(Pulse Width Modulation)信号を生成するものとする。
次いで、ステップS29に移行し、制御部30は、制御信号に基づいて冷却ファンユニット12の各冷却ファン12aの回転数を制御する。
本実施形態では、上述したように、制御部30は、アイドル状態のときに積分操作量演算部53の積分器50の蓄積値S(t)を、所定の値γに再設定する。このため、アイドル状態のときに積分器50に偏差が過剰に蓄積されることがなく、アイドル状態から稼働状態に移行後の制御が適切に行われ、安定的且つ効率的に計算機14が冷却される。
また、本実施形態においては、制御量平滑化部43により制御量y(s)を平滑化するとともに、操作量平滑部55により操作量u(t)を平滑化するので、実際には実施できない振動的な操作量ではなく、実用的な滑らかな操作量が生成される。
更に、本実施形態においては、温度センサ32を用いてCPU温度を直接測定し、高水準にあるCPU温度が目標値を超えないように冷却ファンユニット12を制御するので、CPU温度に応じた効率的な冷却が可能になる。これにより、計算機14の熱による不具合の発生を回避しつつ、データセンターの消費電力の削減が達成できる。
図9(a),(b)は、比較例として、PID制御を用いた従来法による温度管理の一例を示す図である。図9(a)はCPU温度の経時的な変化を示しており、図9(b)は制御部から冷却ファンユニットに供給する制御信号(ファン回転数指令値)の経時的な変化を示している。
図9(a),(b)に示す例では、目標温度を80℃とし、500秒後にアイドル状態から稼働状態に移行している。なお、図9(a)中の実線はCPU温度の実測値であり、破線は目標温度である。
図9(a),(b)からわかるように、従来法では、500秒後にCPU温度が上昇して目標値を超えてもしばらくの間は制御が機能せず、CPU温度が大きくオーバーシュートしている。
図10(a),(b)は、本実施形態に係る温度管理システムによる温度管理の例を示す図である。図10(a)はCPU温度の経時的な変化を示しており、図10(b)は制御部30から冷却ファンユニット12に供給する制御信号(ファン回転数指令値)の経時的な変化を示している。図10(a),(b)に示す例では、目標温度を80℃とし、500秒後にアイドル状態から稼働状態に移行している。
図10(a),(b)からわかるように、本実施形態に係る温度管理システムによれば、計算機14がアイドル状態から稼働状態に移行したときに、ファン回転数指令値が速やかに応答して、冷却ファン12aの回転数が上昇する。そして、約1100秒後にCPU温度が目標温度に到達し、その後CPU温度は目標温度に維持される。
図11(a),(b)は、比較例として、観測ノイズが加わる状況における従来法による温度管理の例を示す図である。図11(a)はCPU温度の経時的な変化を示しており、図11(b)は制御部から冷却ファンユニットに供給する制御信号のファン回転数指令値の経時的な変化を示している。
図11(a),(b)に示す例では、目標温度の初期値を70℃とし、約200秒後に目標温度を80℃に変更している。なお、図11(a)中の実線はCPU温度の実測値であり、破線は目標温度である。
図11(a),(b)からわかるように、従来法では、制御信号(ファン回転数指令値)が振動的であり、実際の冷却ファンユニット12では追従困難な信号を生成していることがわかる。
図12(a),(b)は、観測ノイズが加わる状況における本実施形態に係る温度管理システムによる温度管理の例を示す図である。図12(a)はCPU温度の経時的な変化を示しており、図12(b)は制御部30から冷却ファンユニット12に供給する制御信号(ファン回転数指令値)の経時的な変化を示している。
図12(a),(b)に示す例では、目標温度の初期値を70℃とし、約200秒後に目標温度を80℃に変更している。なお、図12(a)中の実線はCPU温度の実測値であり、破線は目標温度である。
図12(a),(b)からわかるように、本実施形態に係る温度管理システムによれば、制御量が振動的であっても、実際の冷却ファンユニット12が追従可能な滑らかな制御信号を生成している。また、従来法と比較しても応答性が著しく低下することはなく、適切に冷却制御が実現できている。
(第2の実施形態)
図13は、第2の実施形態に係る温度管理システムを示すブロック図である。本実施形態が第1の実施形態と異なる点は、計算機の消費電力に基づいて計算機がアイドル状態か否かを判定する点にあり、その他の構成は基本的に第1の実施形態と同様である。このため、図13において、図4と同一物には同一符号を付して、その詳細な説明は省略する。また、本実施形態においても、図1,図2を参照して説明する。
図13は、第2の実施形態に係る温度管理システムを示すブロック図である。本実施形態が第1の実施形態と異なる点は、計算機の消費電力に基づいて計算機がアイドル状態か否かを判定する点にあり、その他の構成は基本的に第1の実施形態と同様である。このため、図13において、図4と同一物には同一符号を付して、その詳細な説明は省略する。また、本実施形態においても、図1,図2を参照して説明する。
本実施形態に係る温度管理システムでは、図13に示すように、計算機14毎に消費電力センサ61が設けられており、これらの消費電力センサ61から制御部30aに各計算機14の消費電力がリアルタイムに入力される。消費電力センサは、消費電力検出部の一例である。
計算機14は、アイドル状態のときは消費電力が小さく、CPU14aの稼働率が高いほど消費電力が大きくなる。このため、消費電力を監視することにより、計算機14がアイドル状態か否かを判定することができる。
図14は、制御部30aの構成を説明する機能ブロック図である。図14においても、図5と同一物には同一符号を付して、その詳細な説明は省略する。
計算機14毎に設置された消費電力センサ61の出力は、最大消費電力演算部62に伝達される。最大消費電力演算部62は、各消費電力センサ61から与えられる各計算機14の消費電力のうちから、消費電力の最大値(最大消費電力)を抽出する。
アイドル状態判定部44は、高水準温度演算部42を介して与えられるCPU温度と最大消費電力演算部62から与えられる最大消費電力とから、計算機14がアイドル状態か否かを判定する。
例えば、アイドル状態判定部44は、最大消費電力演算部62から与えられた最大消費電力が予め設定された値よりも低いとき、又は高水準温度演算部42から与えられたCPU温度が予め設定された温度よりも低いときは、アイドル状態と判定する。
一方、アイドル状態判定部44は、最大消費電力演算部62から与えられた最大消費電力が予め設定された値以上であり、且つ高水準温度演算部42から与えられたCPU温度が予め設定された温度以上であるときには、アイドル状態ではないと判定する。
そして、蓄積値修正部45は、アイドル状態判定部44により計算機14がアイドル状態であると判定したときに、操作量演算部40内の積分器50の蓄積値を修正する。
図15,図16は、本実施形態に係る温度管理システムによる温度管理方法を示すフローチャートである。このフローチャートを参照して、制御部30aの動作をより詳細に説明する。ここでは、制御部30aは、図15,図16に示す一連の動作をラック13毎に、且つ一定の時間毎(例えば1秒毎)に行うものとする。
まず、ステップS31において、制御部30aは目標値設定部31に設定された目標値を取得する。
次に、ステップS32に移行し、制御部30aは、温度センサ32を介して各計算機14のCPU温度を取得する。また、ステップS33において、制御部30aは、消費電力センサ61を介して各計算機14の消費電力を取得する。
次に、ステップS34に移行し、制御部30aは、温度センサ32を介して取得した各計算機14のCPU温度の測定値から、CPU温度が基準値θ以上のCPU温度を抽出する。
次に、ステップS35において、制御部30aはCPU温度を1以上抽出できたか否かを判定する。CPU温度を1つも抽出していない場合、すなわち対象とするラック13内にCPU温度が基準値θを超えるCPU14aがない場合は、ステップS36に移行する。そして、制御部30aは、基準値θの値を前述の(1)式により算出したφだけ減少した後、ステップS34に移行する。
このようにして、制御部30aは、基準値θを超えるCPU温度が1以上抽出されるまで、ステップS34からステップS36までを繰り返す。
ステップS34において基準値θを超えるCPU温度が1以上抽出されると、ステップS35からステップS37に移行する。ステップS37において、制御部30aは、ステップS34で取得したCPU温度を制御量y(s)に設定する。ステップS34で抽出されたCPU温度が複数の場合は、それらの平均値又は最高値を制御量y(s)に設定する。
以上のステップS34からステップS37までの動作は、高水準温度演算部42において実行される。
その後、ステップS38に移行し、制御部30aは、制御量y(s)の変動を滑らかにする平滑化処理を実施する。この平滑処理は、制御量平滑部43で行われる。
次に、ステップS39に移行し、制御部30aは、目標値設定部31から取得した目標値r(t)と平滑後の制御量y(s)との偏差e(t)を計算する。この計算は、演算器40aにより行われる。
次に、ステップS40に移行し、制御部30aは、偏差e(t)に応じて比例制御量uP(t)を、前述の(5)式により算出する。また、制御部30aは、偏差e(t)の変化量に応じて微分操作量uD(t)を、前述の(6)式により算出する。
これらの演算は、演算器40の比例操作量演算部51及び微分操作量演算部52により行われる。
次に、ステップS41に移行し、制御部30aは、最大電力演算部62を使用し、消費電力センサ61から入力した各計算機14の消費電力から、最大消費電力を抽出する。
次に、ステップS42に移行し、制御部30aは、アイドル状態判定部44において、高水準温度演算部42により抽出されたCPU温度と最大消費電力演算部62により抽出された最大消費電力とを使用して、計算機14がアイドル状態か否かを判定する。
すなわち、アイドル状態判定部44は、高水準温度演算部42により抽出されたCPU温度が予め設定された温度よりも低い場合、又は最大消費電力演算部62で抽出された最大消費電力が予め設定された値よりも低い場合は、アイドル状態であると判定する。また、アイドル状態判定部44は、高水準温度演算部42により抽出されたCPU温度が予め設定された温度以上であり、且つ最大消費電力演算部62で抽出された最大消費電力が予め設定された値以上である場合は、アイドル状態ではないと判定する。
ステップS42でアイドル状態と判定した場合(YESの場合)はステップS43に移行し、アイドル状態でないと判定した場合(NOの場合)はステップS42からステップS44に移行する。
ステップS43では、積分器50の蓄積値S(t)を、前述の(10)式に示すように所定の値γに再設定する。本実施形態においても、γ=0とする。その後、前述の(11)式により積分操作量uI(t)を演算し、ステップS45に移行する。
一方、ステップS42からステップS44に移行した場合、積分操作量uI(t)を、前述の(11)式により算出する。積分操作量uI(t)を演算した後、ステップS45に移行する。
ステップS45において、制御部30aは、演算器40bを使用し、前述の(14)式により比例操作量演算部51、微分操作量演算部52及び積分操作量演算部53の出力の総和を演算し、操作量u(t)として出力する。
次に、ステップS46において、制御部30aは、操作量u(t)がumin≦u(t)≦umaxの範囲となるように、必要に応じて前述の(16)式又は(17)式により操作量u(t)を修正する。
次に、ステップS47に移行し、制御部30aは、操作量平滑部55において、操作量u(t)を平滑化する。
次に、ステップS48に移行し、制御部30aは、制御信号生成部56を使用して、操作量u(t)から冷却ファンユニット12の制御信号を生成する。
次いで、ステップS49に移行し、制御部30aは、制御信号に基づいて冷却ファンユニット12の各冷却ファン12aの回転数を制御する。
上述したように、本実施形態においては、計算機14の消費電力に基づいて計算機14がアイドル状態か否かを判定する。
本実施形態においても、第1の実施形態と同様に、制御部30aは、アイドル状態のときに積分操作量演算部53の積分器50の蓄積値S(t)を、所定の値γに再設定する。このため、アイドル状態のときに積分器50に偏差が過剰に蓄積されることがなく、アイドル状態から稼働状態に移行後の制御が適切に行われ、安定的且つ効率的に計算機14が冷却される。
また、本実施形態においても、制御量平滑化部43により制御量y(s)を平滑化するとともに、操作量平滑部55により操作量u(t)を平滑化するので、実際には実施できない振動的な操作量ではなく、実用的な滑らかな操作量が生成される。
更に、本実施形態においても、温度センサ32を用いてCPU温度を直接測定し、高水準にあるCPU温度が目標値を超えないように冷却ファンユニット12を制御するので、CPU温度に応じた効率的な冷却が可能になる。これにより、計算機14の熱による不具合の発生を回避しつつ、データセンターの消費電力の削減が達成できる。
(第3の実施形態)
図17は、第3の実施形態に係る温度管理システムの制御部の構成を説明する機能ブロック図である。本実施形態が第1の実施形態と異なる点は、制御部内に蓄積値上下限飽和判定部と蓄積値飽和修正部とを設けた点にあり、その他の構成は基本的に第1の実施形態と同様である。このため、図17において、図5と同一物には同一符号を付して、その詳細な説明は省略する。また、本実施形態においても、図1,図2を参照して説明する。
図17は、第3の実施形態に係る温度管理システムの制御部の構成を説明する機能ブロック図である。本実施形態が第1の実施形態と異なる点は、制御部内に蓄積値上下限飽和判定部と蓄積値飽和修正部とを設けた点にあり、その他の構成は基本的に第1の実施形態と同様である。このため、図17において、図5と同一物には同一符号を付して、その詳細な説明は省略する。また、本実施形態においても、図1,図2を参照して説明する。
本実施形態に係る温度管理システムでは、図17に示すように、制御部30b内に、蓄積値上下限飽和判定部71と、蓄積値飽和修正部72とを設けている。蓄積値上下限飽和判定部71は、積分器50の蓄積値が所定の範囲内であるか否かを判定する。蓄積値飽和修正部72は、蓄積値上下限飽和判定部71で積分器50の蓄積値が予め設定された上限値よりも大きいと判定したときには蓄積値を上限値に修正し、積分器50の蓄積値が予め設定された下限値よりも小さいと判定したときには蓄積値を下限値に修正する。
図18,図19は、本実施形態に係る温度管理システムによる温度管理方法を示すフローチャートである。このフローチャートを参照して、制御部30bの動作をより詳細に説明する。ここでは、制御部30bは、図18,図19に示す一連の動作をラック13毎に、且つ一定の時間毎(例えば1秒毎)に行うものとする。
まず、ステップS51において、制御部30bは目標値設定部31に設定された目標値を取得する。
次に、ステップS52に移行し、制御部30bは、温度センサ32を介して各計算機14のCPU温度を取得する。また、ステップS53において、制御部30bは、温度センサ33を介してラック13の吸気面側のエアーの温度を取得する。
次に、ステップS54に移行し、制御部30bは、温度センサ32を介して取得した各計算機14のCPU温度の測定値から、CPU温度が基準値θ以上のCPU温度を抽出する。
次に、ステップS55において、制御部30bはCPU温度を1以上抽出できたか否かを判定する。CPU温度を1つも抽出していない場合、すなわち対象とするラック13内にCPU温度が基準値θを超えるCPU14aがない場合は、ステップS56に移行する。そして、制御部30bは、基準値θの値を前述の(1)式により算出したφだけ減少した後、ステップS54に移行する。
このようにして、制御部30bは、基準値θを超えるCPU温度が1以上抽出されるまで、ステップS54からステップS56までを繰り返す。
ステップS54において基準値θを超えるCPU温度が1以上抽出されると、ステップS55からステップS57に移行する。ステップS57において、制御部30bは、ステップS54で取得したCPU温度を制御量y(s)に設定する。ステップS54で抽出されたCPU温度が複数の場合は、それらの平均値又は最高値を制御量y(s)に設定する。
以上のステップS54からステップS57までの動作は、高水準温度演算部42において実行される。
その後、ステップS58に移行し、制御部30bは、制御量y(s)の変動を滑らかにする平滑化処理を実施する。この平滑化処理は、制御量平滑部43で行われる。
次に、ステップS59に移行し、制御部30bは、目標値設定部31から取得した目標値r(t)と平滑後の制御量y(s)との偏差e(t)を、前述の(4)式により計算する。この計算は、演算器40aにより行われる。
次に、ステップS60に移行し、制御部30bは、偏差e(t)に応じて比例制御量uP(t)を、前述の(5)式により算出する。更に、制御部30bは、偏差e(t)の変化量に応じて微分操作量uD(t)を、前述の(6)式により算出する。
これらの演算は、演算器40の比例操作量演算部51及び微分操作量演算部52により行われる。
次に、ステップS61に移行し、制御部30bは、アイドル状態判定マップ41を参照し、ラック13の吸気面側のエアーの温度Tcとアイドル状態のCPUの基準温度Taとから、アイドル状態のCPU基準温度Tabaseを求める。
次に、ステップS62において、制御部30bは、計算機14がアイドル状態か否かを判定する。ここでは、高水準温度演算部42から伝達されたCPU温度(制御量y(s))の値がTabase+βの値よりも小さければ、すなわちTabase+β>y(s)が真であるのならば、アイドル状態と判定する。本実施形態においても、第1の実施形態と同様に、βの値を5℃とする。
ステップS62でアイドル状態と判定した場合(YESの場合)はステップS63に移行し、アイドル状態でないと判定した場合(NOの場合)はステップS62からステップS64aに移行する。
ステップS63では、積分器50の蓄積値S(t)を所定の値γに再設定する。本実施形態においても、γ=0とする。その後、前述の(11)式により積分操作量uI(t)を演算し、ステップS65に移行する。
一方、ステップS62からステップS64aに移行した場合、制御部30bは、積分操作量uI(t)を、前述の(11)式で算出する。
その後、ステップS64bに移行し、制御部30bは、積分器50の蓄積値S(t)がSmin≦S(t)≦Smaxを満たすように、必要に応じて積分器50の蓄積値S(t)を下記(18)式又は(19)式により修正する。
ここで、Sminは予め設定された蓄積値の下限値であり、Smaxは予め設定された蓄積値の上限値である。本実施形態では、チューニングを行った結果から、Smaxの値を100(Smax=100)とし、Sminの値を−100(Smin=−100)とした。
次に、ステップS65において、制御部30bは、演算器40bを使用し、比例操作量演算部51、微分操作量演算部52及び積分操作量演算部53の出力の総和を演算し、操作量u(t)として出力する。
次に、ステップS66において、制御部30bは、操作量u(t)がumin≦u(t)≦umaxの範囲となるように、必要に応じて操作量u(t)を修正する。
次に、ステップS67に移行し、制御部30bは、操作量平滑部55において、操作量u(t)を平滑化する。
次に、ステップS68に移行し、制御部30bは、制御信号生成部56を使用して、操作量u(t)から冷却ファンユニット12の制御信号を生成する。
次いで、ステップS69に移行し、制御部30bは、制御信号に基づいて冷却ファンユニット12の各冷却ファン12aの回転数を制御する。
本実施形態では、上述したように、制御部30bは、アイドル状態のときには積分操作量演算部53の積分器50の蓄積量S(t)を所定の値γに再設定する。このため、アイドル状態のときに積分器50に偏差が過剰に蓄積されることがなく、アイドル状態から稼働状態に移行後の制御が適切に行われる。
また、本実施形態では、アイドル状態でないときに、積分器50の蓄積値が所定の範囲内となるように必要に応じて蓄積値を修正する。このため、従来法では制御が追従できない範囲に目標値が範囲に設定された場合においても、積分器50に偏差が過剰に蓄積されることがなく、安定的且つ効率的に計算機14が冷却される。
図20(a),(b)は、本実施形態に係る温度管理システムによる温度管理の例を従来法と比較して示す図である。これらの図20(a),(b)において破線は目標値を示し、実線は制御量を示す。ここでは、1000秒後から2000秒後までの間、及び3000秒後から4000秒後までの間、目標値を制御量が追従できない値に設定している。
従来法では、図20(a)に示すように、制御量が追従できない値に目標値が設定されたときに、目標値が追従できる範囲になってもしばらくの間は制御が機能しない状態が発生する。
これに対し、本実施形態に係る温度管理システムでは、図20(b)に示すように、制御量が追従できない値に目標値が設定されたときであっても、目標値が追従できる範囲になると速やかに制御が機能する。
(その他の実施形態)
第1〜第3の実施形態では、いずれも室内に外気を導入して計算機を冷却するモジュール型データセンターの温度管理システムについて説明している。しかし、開示の技術は、室内に外気を導入しない方式のデータセンターの温度管理に使用することもできる。図21は、そのようなデータセンターの一例を示す図である。
第1〜第3の実施形態では、いずれも室内に外気を導入して計算機を冷却するモジュール型データセンターの温度管理システムについて説明している。しかし、開示の技術は、室内に外気を導入しない方式のデータセンターの温度管理に使用することもできる。図21は、そのようなデータセンターの一例を示す図である。
計算機室80内には複数のラック83と、空調機(パッケージエアコン)81と、冷却ファンユニット82とが配置されている。各ラック83内にはそれぞれ複数の計算機84が収納されている。また、冷却ファンユニット82は、複数の冷却ファン82aを有している。
冷却ファンユニット82とラック83の吸気面との間の区間がコールドアイル91であり、ラック83の排気面側の空間がホットアイル92である。また、冷却ファンユニット82及びラック83の上方には仕切り板85が設けられており、仕切り板85の上の空間は、ホットアイル92に排出されたエアーを空調機81に戻す暖気流路93となっている。
空調機81の吹き出し口から吹き出された低温のエアーは、冷却ファンユニット82によりコールドアイル91に送られ、ラック83の吸気面からラック83内に導入される。ラック83内に導入されたエアーは、計算機84内を通る間にCPU等の電子部品を冷却して温度が上昇し、ラック83の排気面からホットアイル92に排出される。
ホットアイル92に排出されたエアーは、暖気流路93を通って空調機81の吸気口に移動する。そして、空調機81により温度が調整された後、再度吹き出し口から吹き出される。
このようなデータセンターにおいても、例えば第1〜第3の実施形態に記載した温度管理システムを採用することにより、計算機84の実質的な稼働率の低下を抑制しつつ、CPUの温度に応じた適切な冷却が可能となる。
なお、上述した各実施形態はいずれも計算機の温度を管理する温度管理システムについて説明しているが、開示した技術を計算機以外の電子機器の冷却に適用することも可能である。
また、上述した各実施形態では同一のラック13内に収納されている複数の計算機14を1つのグループとし、グループ毎(ラック13毎)に対応する冷却ファンユニット12を制御する場合について説明している。しかし、例えば各ラック13の上側に配置された複数の計算機14を1つのグループとし、下側に配置された複数の計算機14を他のグループとして、各冷却ファンユニット12の上側の冷却ファン12a及び下側の冷却ファン12aを個別に制御してもよい。
Claims (10)
- 稼働状態に応じて発熱量が変化する複数の電子機器と、
前記複数の電子機器の温度を個別に検出する温度検出部と、
前記複数の電子機器を冷却する冷却装置と、
前記温度検出部の出力に応じて前記冷却装置を制御する制御部とを有し、
前記制御部は、前記電子機器がアイドル状態か否かを判定するアイドル状態判定部と、積分器を備え目標値と制御量との差分から操作量を演算する操作量演算部と、前記アイドル状態判定部がアイドル状態と判定したときに前記積分器の蓄積値を所定の値に修正する蓄積値修正部とを有することを特徴とする温度管理システム。 - 前記制御部は、前記冷却装置をPID(Proportional-Integral-Derivative)制御又はPI(Proportional-Integral)制御することを特徴とする請求項1に記載の温度管理システム。
- 前記制御部は、更に前記温度検出部で検出した温度のうちから基準値以上の温度を抽出して前記制御量とする高水準温度演算部と、前記高水準温度演算部から出力される前記制御量を平滑化する制御量平滑部と、前記操作量演算部から出力される操作量に基づいて前記冷却装置を制御する制御信号を生成する制御信号生成部とを有することを特徴とする請求項1又は2に記載の温度管理システム。
- 前記制御部は、更に前記操作量演算部と前記制御信号生成部との間に配置されて前記操作量演算部から出力される操作量の上限値及び下限値を制約する上下限制約部を有することを特徴とする請求項3に記載の温度管理システム。
- 前記制御部は、更に前記上下限制約部と前記制御信号生成部との間に配置されて前記操作量を平滑化する操作量平滑部を有することを特徴とする請求項4に記載の温度管理システム。
- 前記制御部は、前記アイドル状態判定部がアイドル状態でないと判定したときに前記積分器の蓄積値の上限値及び下限値を制約する蓄積値飽和修正部を有することを特徴とする請求項1乃至5のいずれか1項に記載の温度管理システム。
- 更に、前記電子機器の外のエアーの温度を検出する温度センサを備え、
前記アイドル状態判定部は、前記温度検出部により検出した温度と前記温度センサにより検出したエアーの温度とに基づいて前記電子機器がアイドル状態か否かを判定することを特徴とする請求項1乃至6のいずれか1項に記載の温度管理システム。 - 更に、前記電子機器の消費電力を検出する消費電力検出部を備え、
前記アイドル状態判定部は、前記温度検出部により検出した電子機器の温度と前記消費電力検出部により検出した消費電力とに基づいて前記電子機器がアイドル状態か否かを判定することを特徴とする請求項1乃至6のいずれか1項に記載の温度管理システム。 - 前記制御部は、前記基準値以上の温度が抽出できないときに、少なくとも1以上の温度が抽出されるまで前記基準値の値を減少することを特徴とする請求項3乃至8のいずれか1項に記載の温度管理システム。
- 前記制御部は、前記複数の電子機器を複数のグループに分割し、前記グループ毎に前記基準値以上の温度を抽出して、前記グループ毎に前記冷却装置を制御することを特徴とする請求項3乃至8のいずれか1項に記載の温度管理システム。
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