一种数据中心冷冻站群控控制系统的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种数据中心冷冻站群控控制系统，包括与交换机连接的群控控制器、多个冷冻单元以及和冷冻单元一一对应连接的冷冻单元控制器；冷冻单元控制器均分别与群控控制器、交换机相连接；群控控制器分别与群控温度传感器和群控流量传感器相连接，并对冷冻单元控制器进行监控，实现对冷冻单元的启停控制、故障状态反馈和轮询运行；冷冻单元控制器通过检测接收到的实时心跳信号对群控控制器的运行状况进行监控。本实用新型的群控控制器及各冷冻单元控制器在网络层面完全独立，任何一个控制器出现故障均不影响其他控制器的正常工作；能够使冷冻站系统冗余设置得以真正实现；避免因供电引起的单点故障和因传感器故障引起的单点故障。
【专利说明】
一种数据中心冷冻站群控控制系统
技术领域
[0001]本实用新型涉及一种控制系统，尤其涉及一种数据中心冷冻站群控控制系统。
【背景技术】
[0002]目前，随着社会信息化重要性的日益突显，各种数据中心已经成为像交通、能源一样的经济基础设施，而数据中心的物理基础设施是信息技术和电信网络赖以存在的基础。其中，数据中心冷冻站是数据机房的主要冷源，因此，数据中心冷冻站自动控制系统的重要性不言而喻。
[0003]现在国内自动控制系统的数据中心大都采用一个控制器控制全部冷站设备或依照冷站设备分类配置控制器的系统架构。传统的数据中心冷冻站控制系统通过采集安装在冷冻站管路上的各个传感器数值，得出相关的控制策略，对冷站内的相关设备进行控制。但是这种传统的冷冻站控制系统存在众多弊病:
[0004]由于一个控制器控制冷站内所有的自动化设备或者一类设备，该系统架构使得控制器成为系统运行成功的关键，该控制器的任何故障都将导致该整个控制系统或者控制系统的一类设备无法正常运行，给数据中心的正常运行造成威胁。
[0005]其次，传统的冷冻站控制系统中控制器仅采用单电源供电。当出现电源丢失时，控制器将掉电，会导致冷冻站内相关设备无法正常工作，从而导致数据中心机房内的温度偏离设定值，严重时甚至会导致数据中心宕机。
[0006]另外，传统的冷冻站控制系统所使用的传感器大多未进行冗余设置，单个传感器的系统设置，导致传感器数值无法得到校验和比对，使数值的准确性降低，同时单个传感器故障将影响控制逻辑的正确执行，使系统的可靠性下降;或者即使进行了冗余设置，但由于传统的数据中心多采用纵向分组控制的系统架构，即同类设备分组控制或完全混乱分配，控制器随意配置。这些系统架构均会导致冷冻站设备的冗余设置架构被破坏，使得冷冻站系统的冗余设置无法得以实现。
【实用新型内容】
[0007]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。
[0008]为了解决以上技术问题，本实用新型采用的技术方案是:一种数据中心冷冻站群控控制系统，包括交换机、群控控制器、冷冻单元控制器和冷冻单元;冷冻单元控制器和冷冻单元均为多个，冷冻单元控制器与冷冻单元的数量相匹配，每个冷冻单元控制器分别与一个冷冻单元相连接;冷冻单元控制器分别与群控控制器、交换机相连接;群控控制器与交换机相连接;群控控制器和冷冻单元控制器均与UPS电源相连接；
[0009]群控控制器通过设置在其内部的心跳发送模块，向冷冻单元控制器的心跳接收模块发送心跳信号;群控控制器分别与设置在冷冻水主管路上的群控温度传感器和群控流量传感器相连接；
[0010]冷冻单元由冷机、冷塔、水栗、辅助设备组成;冷机、冷塔、水栗、辅助设备均设置在冷冻水分管路上;辅助设备由开关阀、调节阀、单元温度传感器、单元流量传感器组成;开关阀、调节阀、单元温度传感器、单元流量传感器均连接在冷冻单元控制器上。
[0011]UPS电源分为不同低压系统的主用UPS电源和备用UPS电源。
[0012]冷冻单元控制器通过硬接线与群控控制器相连接。群控温度传感器、群控流量传感器均为多个。
[0013]本实用新型的有益效果是:
[0014](I)该冷冻站群控控制系统为每个冷冻单元设置了冷冻单元控制器，群控控制器及各冷冻单元控制器在网络层面完全独立，任何一个控制器出现故障均不影响其他控制器的正常工作。
[0015](2)冷冻单元控制器通过对群控控制器的心跳信号进行检测，来决定群控控制器发出的控制命令的有效性，以此来避免错误控制命令的执行;群控控制器通过检测冷冻单元控制器的反馈信号确保控制命令有效执行，以此确保控制系统的冗余设置与冷冻站内设备冗余设置相一致，使冷冻站系统冗余设置得以真正实现。
[0016](3)所有控制器均由来自两套不同低压系统的UPS电源供电，避免因供电引起的单点故障。
[0017](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的错误采集信息用于控制策略计算的参数错误和因传感器故障引起的单点故障。
【附图说明】
[0018]图1为现有传统数据中心冷冻站的控制系统框图。
[0019]图2为本实用新型群控控制系统的结构框图。
[0020]图3为本实用新型心跳信号的波形示意图。
[0021 ]图4为本实用新型群控控制器与冷冻单元控制器的具体连接框图。
[0022]图5为本实用新型冷冻单元控制器与冷冻单元的连接框图。
【具体实施方式】
[0023]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。
[0024]如图2所示，本实用新型包括交换机、群控控制器、冷冻单元控制器和冷冻单元;冷冻单元控制器和冷冻单元均为多个，冷冻单元控制器与冷冻单元的数量相匹配，每个冷冻单元控制器分别与一个冷冻单元相连接;冷冻单元控制器分别与群控控制器、交换机相连接;群控控制器与交换机相连接，群控控制器和冷冻单元控制器通过硬接线进行数据交换和同步;群控控制器和冷冻单元控制器均与不同低压系统的主用UPS(不间断)电源和备用UPS电源相连接，确保其中一路电源故障时，控制器可以正常运行，减少因供电引起的单点故障。
[0025]群控控制器分别与设置在冷冻水主管路上的群控温度传感器和群控流量传感器相连接，并根据群控温度传感器和群控流量传感器采集得到的信息对冷冻单元控制器进行监控，实现对冷冻单元的启停控制、故障状态反馈和轮询运行；
[0026]群控控制器在运行过程中向冷冻单元控制器发送心跳信号，冷冻单元控制器通过检测接收到的实时心跳信号对群控控制器的运行状况进行监控。
[0027]冷冻单元由冷机、冷塔、水栗、辅助设备组成;冷机、冷塔、水栗、辅助设备均设置在冷冻水分管路上;辅助设备由开关阀、调节阀、单元温度传感器、单元流量传感器组成;开关阀、调节阀、单元温度传感器、单元流量传感器均连接在冷冻单元控制器上。
[0028]群控温度传感器、群控流量传感器均为多个，采用冗余设置，以减少因传感器故障引起的单点故障。当有任何传感器的范围超过校验的量程时，群控控制器将使用备用的传感器数值进行计算，当主备传感器均出现故障时，系统则固定运行在失效前的运行状态。
[0029]本实用新型为每个冷冻单元设置一个冷冻单元控制器，该冷冻单元控制器与冷冻站中设置的冷冻单元--对应，既一个冷冻单元控制器对应一套冷冻单元。此冷冻单元控制器的主要作用包括控制所对应冷冻单元的启停，既控制冷冻单元内部冷机、水栗、开关阀等的联动启停；当冷冻单元成功运行时，冷冻单元控制器应发送运行状态信号到群控控制器;当冷冻单元运行时出现故障时，冷冻单元控制器应向群控控制器发送故障状态反馈。
[0030]上述系统的控制器彼此独立，控制程序也彼此独立，群控控制器与冷冻单元控制器之间仅为物理层面的协同工作关系。每个冷冻单元控制器通过硬接线与群控控制器相连，每个冷冻单元控制器、群控控制器又通过交换机进行数据交换和同步。群控管理控制的程序运行在群控控制器中，冷冻单元控制器的控制程序运行在冷冻单元控制器中，每个控制器的控制程序均可以独立运行，运行程序之间互不依赖。当一套冷冻单元控制器出现故障时，其它冷冻单元控制器可以继续保持运行。
[0031]采用本实用新型群控控制系统的控制方法，包括以下步骤:
[0032](—)系统通电处于自动控制状态，首先通过群控控制器启动一个冷冻单元，让整个系统开始运行；
[0033]具体启动一个冷冻单元的方式为:
[0034](a)群控控制器向冷冻单元控制器发送心跳信号；
[0035](b)群控控制器向冷冻单元控制器发送启动信号；
[0036](c)冷冻单元控制器接收到群控控制器的启动信号后开始核实群控控制器的心跳是否存在，当心跳正常时，冷冻单元控制器启动其对应的冷冻单元开始运行；
[0037](d)当冷冻单元控制器成功启动冷冻单元时，冷冻单元控制器将发给群控控制器状态运行的成功反馈；
[0038](e)当冷冻单元控制器未能成功启动冷冻单元或在运行过程中冷冻单元出现故障时，冷冻单元控制器将报故障信号到群控控制器;群控控制器将开启另一个冷冻单元的冷冻单元控制器；
[0039](二)群控控制器通过采集安装在冷冻水主管路上的温度传感器和流量计的数值数据，运算得出系统末端负荷；
[0040]末端负荷计算公式为:末端负荷=1.163*(冷水主管道回水温度-冷水主管道供水温度)*冷冻水流量;群控控制器需每间隔一定时间采集一组数据，要连续采集一段时间后取数值数据的平均值；
[0041 ]例如系统刚启动时冷水主管道供水温度为12度，回水温度为18度，流量为600立方米每小时，则末端的负荷计算值为4186.8KW;群控控制器需每间隔I分钟采集一组数据，连续采集5分钟后取平均值:假如系统此时末端负荷计算值为4186.8KW，I分钟前末端负荷为4200KW，2分钟前末端负荷为4100KW，3分钟前末端负荷为4150KW，4分钟前末端负荷为4300KW，则此时的系统的末端负荷应为(4186.8+4200+4100+4150+4300)/5 S卩4187.36KW;
[0042](三)群控控制器将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冻单元控制器发送命令进行加减载控制；
[0043](四)群控控制器在系统正常运行时将根据检测到的各冷冻单元运行情况对运行中的冷冻单元进行故障替换；
[0044]当某冷冻单元出现故障时，系统将按照故障轮询，群控控制器放弃故障冷冻单元另外启动一个备用冷冻单元；只有当新开启的冷冻单元的启动成功，且状态得到确认后，才允许关闭故障冷冻单元；
[0045](五)群控控制器在系统正常运行时将根据各冷冻单元的运行时间长短进行轮询运行；
[0046]当运行时间最长的冷冻单元与停止运行的冷冻单元运行时长比较后达到设定值时，群控控制器将会开启其中停止运行时间最长的冷冻单元，当停止运行时间最长的冷冻单元被成功开启运行后，群控控制器将会关闭已经运行时间最长的冷冻单元，从而保证各冷冻单元均保持合理的时间运行。
[0047]本实用新型群控控制器对各冷冻单元控制器进行加减载控制的具体方式为:
[0048]当测得冷冻水的末端负荷大于冷冻单元的名义制冷量的加载冷量值，并且持续时间超过设定时间时，假如通过计算得出的末端负荷为4187.36KW，I台冷机运行，每台冷机运行的名义制冷量为4044KW，加载设定值为80%，则根据计算公式4044*80%〈4187.36，当此状态持续5分钟时，则满足加载条件，系统将加载一个处于备用状态的冷冻单元;此时，群控控制器向该备用的冷冻单元控制器发送冷冻单元启动信号，冷冻单元控制器接收该启动信号后开启其控制的冷冻单元;冷冻单元控制器成功启动其控制的冷冻单元后将该冷冻单元的状态信号反馈给群控控制器；
[0049]加载成功后，系统的制冷量将增加，但当所有已开启的冷冻单元的制冷量仍小于末端负荷时，且末端负荷达到此时的加载制冷量值，并且持续时间超过设定时间时，群控控制器将向下一个备用的冷冻单元控制器发送冷冻单元启动信号，这样依次进行直至冷冻单元的制冷量与末端负荷保持平衡。
[0050]当测得冷冻水的末端负荷小于冷冻单元的名义制冷量的减载冷量值，并且持续时间超过设定时间时，假如通过计算得出的末端负荷为3000KW，2台冷机运行，每台冷机运行的名义制冷量为4044KW，减载设定值为30%，则根据计算公式4044*2*30%〈3000，当此状态持续5分钟时，则满足减载条件，系统将减载一个处于运行状态的冷冻单元，此时，群控控制器向其中一个运行冷冻单元控制器发送冷冻单元停止信号，冷冻单元控制器接收信号后停止其控制的冷冻单元;冷冻单元控制器成功停止其控制的冷冻单元后将该冷冻单元的状态信号反馈给群控控制器；
[0051]减载成功后，系统的制冷量将减少，但当所有开启的冷冻单元的制冷量仍大于末端负荷，且此时末端负荷达到此时的减载制冷量值，并且持续时间超过设定时间时，群控控制器将向下一个运行的冷冻单元控制器发送冷冻单元停止信号，依次进行直至减载到运行的冷冻单元个数达到程序规定的最小值。
[0052]本实用新型群控控制器的运行状况通过冷冻单元控制器进行监控，如图3所示，群控控制器在运行过程中需向冷冻单元控制器发送类似于正弦波的模拟量心跳信号，来供冷冻单元控制器判断群控控制器是否正常运行，冷冻单元控制器通过检测接收到的实时心跳信号的形式，来判断群控控制器的运行是否正常。当实时接收的心跳信号数值与上一时刻接收的数值不同时，冷冻单元控制器则认为群控控制器此刻运行良好，其将执行此刻群控控制器发出的控制命令。当实时接收的心跳信号数值与上一时刻接收的数值相同时，冷冻单元控制器则认为群控控制器此刻运行故障，其将不执行此刻群控控制器发出的控制命令，且继续执行上一时刻群控控制器发出的控制命令。此后，冷冻单元控制器将继续监听群控控制器发出的心跳信号，直至心跳信号恢复正常，单元控制才开始执行新接收的群控控制器发出的控制命令。心跳信号的实施主要用于避免群控控制器故障时，冷冻单元控制器接受到了群控控制器的错误命令，从而影响整个系统的正常运行。
[0053]心跳信号的发送方式为:群控控制器通过设置在其内部的心跳发送模块，发送5?1V的电压作为心跳信号，初始时采用5V的信号，然后每隔I秒钟电压增加0.1V，逐步增加到10V，然后再反向每隔I秒钟减少0.1V，逐步减少到5V，最后重复相应的过程；同时冷冻单元控制器通过设置在其内部的心跳接收模块接受群控控制器发送的心跳信号，当检测到接受到的心跳信号按照5?1V的电压信号每秒钟变化0.1V时，可认为群控控制器正常工作；当检测到接受到的心跳信号不在5?1V的电压信号范围之内或不按照每秒0.1V的信号规律进行变化时，可认为群控控制器故障，此时交换机将故障信息发送给前端监控平台进行报警，通知运维人员进行相关维护。
[0054]本实用新型设置了一个群控控制器用于对各冷冻单元控制器进行管理。群控控制器的主要作用主要包括以下三点:a)根据群控温度传感器、群控流量传感器采集到的数据进行计算来决定启动几个冷冻单元;b)运行过程中当冷冻单元控制器控制的设备故障时，群控控制器负责故障的替换;c)运行过程中，通过群控控制器来控制各冷冻单元，从而实现冷冻站运行过程中的轮询功能。
[0055]如图4所示，群控控制器向冷冻单元控制器发送的信号主要有:群控控制器管理冷冻单元的启停信号、群控控制器发送给冷冻单元控制器的心跳;接受的信号主要有:冷冻单元控制器向群控控制器反馈的状态运行信号、冷冻单元控制器向群控控制器反馈的故障信号。
[0056]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。
【主权项】
1.一种数据中心冷冻站群控控制系统，包括交换机，其特征在于:它还包括群控控制器、冷冻单元控制器和冷冻单元;所述冷冻单元控制器和冷冻单元均为多个，冷冻单元控制器与冷冻单元的数量相匹配，每个冷冻单元控制器分别与一个冷冻单元相连接;所述冷冻单元控制器分别与群控控制器、交换机相连接;所述群控控制器与交换机相连接;所述群控控制器和冷冻单元控制器均与UPS电源相连接； 所述群控控制器通过设置在其内部的心跳发送模块，向冷冻单元控制器的心跳接收模块发送心跳信号;所述群控控制器分别与设置在冷冻水主管路上的群控温度传感器和群控流量传感器相连接； 所述冷冻单元由冷机、冷塔、水栗、辅助设备组成;所述冷机、冷塔、水栗、辅助设备均设置在冷冻水分管路上;所述辅助设备由开关阀、调节阀、单元温度传感器、单元流量传感器组成;所述开关阀、调节阀、单元温度传感器、单元流量传感器均连接在冷冻单元控制器上。2.根据权利要求1所述的数据中心冷冻站群控控制系统，其特征在于:所述UPS电源分为不同低压系统的主用UPS电源和备用UPS电源。3.根据权利要求1所述的数据中心冷冻站群控控制系统，其特征在于:所述冷冻单元控制器通过硬接线与群控控制器相连接。4.根据权利要求1所述的数据中心冷冻站群控控制系统，其特征在于:所述群控温度传感器、群控流量传感器均为多个。
【文档编号】H05K7/20GK205430870SQ201620219988
【公开日】2016年8月3日
【申请日】2016年3月22日
【发明人】郭阿梅, 崔先锋, 张军伟
【申请人】天津惠普数据中心设计工程有限公司