★长江勘测规划设计研究有限责任公司陈泽望，杨艳，李东阳，孙康

关键词：大型数据中心；可编程逻辑控制器；自控系统构架；控制流程及运行模式；控制策略

随着信息技术的飞速发展，数据中心作为信息存储与处理的核心基础设施，其能耗问题日益凸显。A级大型数据中心项目，以其高可靠性与高性能要求，对冷源系统的设计与运行提出了严峻挑战。本文针对某A级大型数据中心项目（建筑主体高度31.85米，面积30432.77平方米）的能源站冷源系统的工艺要求、自控系统架构设计、控制流程及运行模式进行了深入探讨。该数据中心的冷源系统设计旨在实现高效、节能与高可靠性运行，以应对日益增长的能耗压力^[1]。为提升系统运行的自动化程度，本研究采用了可编程逻辑控制器（Programmable logic controller，PLC）作为控制系统的核心，以确保系统在可靠、安全、节能及全自动模式下运行。数据中心冷源自控系统对冷水机组及其他机电设备执行节能控制与能效管理。系统采用动态规划控制策略，实时采集温度、压力、流量、电流等关键参数，并自动调整运行参数，以确保各设备达到最佳运行状态，从而最大限度地节约系统能耗。同时，系统实时监测并记录各设备的能耗数据，对能耗进行动态计算与分析，并通过节能管理软件对历史数据进行分析，为系统运行策略和参数的优化提供决策支持^[2]。

本研究旨在通过分析数据中心冷源系统的工艺要求与自控系统架构设计，探讨其节能降耗的潜力与实现路径。研究结果将为数据中心的冷源系统设计与运行提供理论支持与实践指导，对于推动数据中心行业的可持续发展具有重要意义^[3]。

1　项目概述及工艺要求

（1）本能源站冷源系统采用高压变频离心式水冷冷水机组作为冷源，设置5套2300RT（8089kW）制冷单元（每套制冷单元含：1台冷水机组、1台板式换热器、1台冷却水泵、1组（3台/组）冷却塔、1台冷冻水泵），4用1备满足末端冷负荷需求及业主的扩容需求。根据A级机房标准，空调冷冻水系统采用环路设计，并用分段阀隔离各个故障点，保证单点故障时系统的正常运行。

（2）冷冻水系统采用一次泵变流量系统，冷冻泵与主机对应，五台并联运行，冷却泵与主机一一对应，冷冻泵和冷却泵均采用变频泵。

（3）负荷计算：在冷冻水供水总管处设置热计量表，计算空调冷负荷量，并累计全年制冷负荷用量，且数据中心为常年冷负荷。为保证空调水系统供冷可靠性，防止突然停电或设备故障引起制冷中断事故，系统供水环路上设置蓄冷罐（位于空调能源站外），可提供空调系统15min的应急冷水供应。当出现停电事故时，由于冷冻水泵配有UPS电源，继续正常工作，此时机房所需冷量由蓄冷罐和系统管网内所存冷冻水提供^[4]。

（4）考虑到系统本身需要配备蓄冷罐作为应急冷源，本项目设置大容量蓄冷罐作为水蓄冷装置，除满足15min的应急冷水供应，还能满足夏季电价高峰时段数据机房冷水供应，过渡季部分自然冷源与混水补冷，利用冗余冷水机组在夜间低谷电价时段蓄冷。大数据机房配置一个蓄冷罐，蓄冷罐设计温度为7/18℃。

（5）冷冻水供回水温度12/18℃；冷却水供回水温度32/37℃（夏季）、11/16℃（冬季）；蓄冷供回水温度7/18℃。

（6）带自然冷源的制冷单元分四种运行模式：完全自然冷源、完全或部分自然冷源蓄冷、部分自然冷源+释冷混水、部分自然冷源+电制冷；夏季不带自然冷源制冷单元分三种运行模式：制冷、蓄冷、释冷。

·当室外湿球温度t＞12℃（可调）、冷却塔出水温度tcws＞16℃时，冷机工作，板式换热器不工作，系统为常规制冷模式；夜间低谷电价时段，利用冗余冷机蓄冷，制备低温（7℃）冷冻水储存在蓄冷罐中，此为正常蓄冷模式；在白天电价高峰时段，冷机不工作或减少开机台数（根据末端负荷需求调整），蓄冷罐中储存低温冷冻水释放到冷冻水系统中，混水制备12℃冷冻水，此为释冷模式。

·当室外湿球温度6℃＜t≤12℃（可调）、冷却塔出水温度11℃＜tcws≤16℃时，在保证蓄冷罐剩余冷量满足当前负荷20min（可调）时，冷机不工作，板式换热器工作，蓄冷罐释放低温冷水混水供冷，系统进入部分自然冷却+混水释冷模式；夜间及其他时段，利用冗余冷机和板式换热器串联蓄冷，制备低温（7℃）冷冻水储存在蓄冷罐中，此为部分自然冷却蓄冷模式。·当室外湿球温度t≤6℃（可调）、冷却塔出水温度tcws≤11℃时，冷机不工作，板式换热器工作，系统进入完全自然冷却模式，可根据需要利用冗余板式换热器、冷却泵、冷却塔进行全自然冷源蓄冷，并根据需要进行释冷。

（7）冷冻水补水系统采用补水泵、软化水箱、全自动软水器；定压装置采用两种定压方式：隔膜式定压罐定压和蓄冷水罐定压，控制系统优先采用蓄冷罐定压补水；当蓄冷罐定压补水系统出现故障时，控制系统自动开启转换阀门，采用隔膜式定压罐定压补水，两种控制方式下，控制系统均根据隔膜式定压罐水泵的出口压力自动控制补水泵的启停。

（8）冷却水补水系统采用双回路补水，由补水冷却水池与补水泵房协同作用，将冷却水输送到大数据机房的屋顶。

2　控制系统组成及构架

冷源自控系统架构如图1所示，主要由上位机、交换机、服务器、PLC系统、电动开关蝶阀及调节阀控制柜、温度传感器、压力传感器等检测仪表、系统控制柜和触摸屏等部分组成。系统采用集中管理模式和分区域单元化节能控制，在冷源系统设备就近提供相应智能控制柜，包括主控制柜、蓄冷罐释冷单元控制柜、蓄冷罐现场控制单元控制柜、1～5#制冷单元控制柜（图中仅示意了1#制冷单元控制柜，其他各制冷单元控制柜均一致）。

根据暖通工艺需求，整个控制系统采用冗余CPU配置、冗余通讯网络以及远程I/O的设计方案。CPU是整个控制系统的核心，其主要功能为运行用户应用程序、逻辑判断、回路控制等，选择SIEMENSS7-1500H系列冗余PLC作为主控制器及ET200SP分布式I/O模块，通过双PROFINET现场总线连接到控制器。为了保证控制系统运行的可靠性和稳定性，在电源供应系统上采用冗余配置，保证电源供应的持续性和稳定性。每面控制柜均采用两路AC220VUPS供电，一用一备。应用程序编程采用TIAPortal（博途）软件。系统各控制柜柜门上设置1台12寸彩色触摸屏，控制柜安装于现场，用户可以在上面进行操作和查看数据。如果上位机出现故障或者在维护期间，由其代替上位机进行系统控制。同时设置2台上位机，操作人员可通过上位机直接发出操控命令，上位机屏幕上显示各种设备状态信号，并能实现设备的群控。上位机采用工业级主机，安装SIEMENSWINCC监控软件，与PLC以TCP/IP方式进行通讯。WINCC是生产过程自动化中解决可视化和控制任务的监控系统，它提供了适用于工业的图形显示消息归档以及报表的功能模板，高性能的功能耦合、快速的画面更新以及可靠的数据交换，使其具有高度的实用性。

图1 自控系统配置图

3　控制流程及运行模式

（1）能源站系统控制模式总体上分为本地和远程两种。这种设计旨在满足不同运行场景下的操作需求，同时确保系统的灵活性与可靠性。设备转换开关置于本地时，自控系统只能监测系统的运行状态和运行参数，而所有设备的启停控制则通过其电控柜上的启停按钮进行本地操作。当设备转换开关置于远程时，所有设备由自控系统实现其远程启停控制。具体控制模式如下：

①本地控制模式

在本地控制模式下，设备的运行由人工在现场进行操作。操作人员通过设备电控柜上的按钮直接控制设备的启停，这种方式适用于设备调试、维护或紧急情况下的手动干预。本地控制模式虽然操作直观，但缺乏自动化控制的优势，无法实现系统的高效运行与节能优化。

②远程控制模式

当系统处于远程控制模式时，自控系统分为远程手动控制和远程自动控制两种子模式。

·远程手动控制

在远程手动控制模式下，所有的设备由操作人员在上位机（或工作站）进行控制，包括启停控制和参数设定。操作人员可以通过图形化界面直接对设备进行操作，这种方式提供了较高的灵活性，允许操作人员根据实时需求调整设备运行状态。然而，远程手动控制模式依赖于操作人员的经验与判断，可能无法实现最优的节能效果。

·远程自动控制

远程自动控制进一步细分为时区自控和非时区自控两种模式。

时区自控：时区自控模式允许操作人员在计算机上设定设备的启停时间段。自控系统根据设定的时间自动完成系统的顺序自动启停控制，各设备的逻辑连锁和启停顺序由自控系统自动实现。这种模式特别适用于具有固定运行周期的设备，能够有效减少人工干预，提高系统的运行效率和节能效果。

非时区启停控制：非时区启停控制模式则由操作人员在计算机上手动点击启动系统，自控系统自动完成设备逻辑连锁和顺序启停。在非时区启停模式下，操作人员需要手动启动系统，但设备的运行逻辑和顺序由自控系统自动完成。需要注意的是，非时区启停是由人工在计算机上手动操作启动后，必须手动进行停机操作。这种模式适用于需要根据实时需求灵活调整运行时间的场景，但同样依赖于操作人员的及时干预。

（2）系统加机控制策略：能源站群控系统主要基于冷冻水的供水温度和机组负荷来实现冷水机组的加减载控制。当系统的冷负荷增加时，冷冻水回水温度会升高。由于冷水机组的冷冻水出水温度由冷水机组通过自身的控制调节机制来保证稳定，在一定的机组负载范围内，可以保证冷冻水供水温度的稳定。如果系统末端冷负荷过大，超过了运行机组的加机上限（85%，可调）一定时长（15min，可调），系统的出水温度就会高于设定值（通常为12℃），此时就需要再启动一台冷水机组来保证系统冷负荷的需求。

（3）系统减机控制策略：当系统的负荷减少时，冷冻水回水温度降低，系统的冷冻水供回水温差减小，正在运行的冷水机组会通过调整自身的负载来保证冷水出水温度的稳定。多台冷水机组运行在低负荷状态时，虽然也可以满足末端机房冷负荷的需要，但是由于开启的冷水机组较多，相应的其他设备包括冷冻泵、冷却泵、冷却塔也都开启得较多，所以能耗较高；而且冷水机组在低负荷时往往运行效率也很低，综合计算能效优先原则，如果负载率已低于当前高效区下限，且减机后COP可增加超过5%（可调），所以在这种情况下需要停止一台冷水机组的运行。

（4）能源站设备顺序启停控制策略能源站自控系统在启动机组的过程中，遵循“先开附属设备，再开冷水机组”的原则，相反在停止机组运行的过程中，遵循“先关闭冷水机组，再关闭附属设备”的原则。

冷水机组及其附属设备的启动顺序是确保系统安全、高效运行的关键环节。通过严格的顺序控制和状态监测，系统能够在设备出现故障时及时切换至备用设备，从而最大限度地减少停机时间并保障数据中心的稳定运行。以下是详细的启动顺序描述：

·电动蝶阀的开启与故障检测

首先，系统会打开冷冻水电动蝶阀和冷却水电动蝶阀。若冷冻水电动阀门在控制回馈延迟时间内未被确认为打开状态，系统将判断该阀门可能存在故障，并发出警报，同时将当前冷水机组标记为故障状态，准备启动排程中的下一台冷水机组。同理，若冷却水电动阀门在控制回馈延迟时间内未被确认为打开状态，系统也会发出警报并将当前冷水机组标记为故障状态，准备启动下一台冷水机组。这一步骤确保了在启动后续设备之前，水流通道的畅通性，为系统的正常运行提供了基础保障。

·冷冻泵的启动与故障处理

群控系统在确认冷冻水电动蝶阀的开启状态后，才会开始启动冷冻泵的启动次序。若冷冻水泵的运行状态在控制回馈延迟时间内未被确认，系统将判断该泵可能有故障，并发出报警，同时启动排程中的下一台冷冻水泵。通过这种方式，系统能够在冷冻泵出现故障时迅速切换至备用泵，确保冷冻水系统的持续运行。

·冷却塔电动蝶阀的开启与故障检测

群控系统在确认冷却水电动蝶阀的开启状态后，才会开始打开冷却塔电动蝶阀。若冷却塔电动蝶阀的开启状态在控制回馈延迟时间内未被确认，系统将判断该阀门可能有故障，并发出警报，同时开启排程中的下一台冷却塔的电动蝶阀。这一步骤确保了冷却水能够顺利流向冷却塔，为后续的冷却过程提供支持。

·冷却塔风机的启动与故障处理

群控系统在确认冷却塔电动蝶阀的开启状态后，才会启动冷却塔风机。若冷却塔风机的运行状态在控制回馈延迟时间内未被确认，系统将判断该风机可能有故障，并发出警报，同时关闭当前冷却塔的电动蝶阀，并开启排程中的下一台冷却塔的电动蝶阀和风机。这一措施确保了冷却塔的正常运行，避免因风机故障导致冷却效果下降。

·冷却泵的启动与故障处理

群控系统在确认冷却塔风机的运行状态后，才会开始启动冷却泵的启动次序。若冷却泵的运行状态在控制回馈延迟时间内未被确认，系统将判断该泵可能有故障，并发出警报，同时启动排程中的下一台冷却泵。通过这种方式，系统能够在冷却泵出现故障时迅速切换至备用泵，确保冷却水系统的持续运行。

·冷水机组的启动与故障处理

群控系统在确认冷冻水流和冷却水流的正常状态后，才会开始启动冷水机组的启动次序。若冷水机组的运行状态在控制回馈延迟时间内未被确认，系统将判断该冷水机组可能有故障，并发出警报，同时启动排程中的下一台冷水机组。这一步骤确保了冷水机组能够在故障发生时迅速切换至备用机组，保障系统的整体运行效率。

·冷水机组及其附属设备停机顺序如下：

停止冷水机组的运行，如果在延迟时间内监测不到机组的停止运行信号，系统将会发出故障报警，但是不会停止冷冻泵、冷却泵等设备的运行。

群控系统在等待冷水机组的停止运行状态确认以后，其他设备会继续运行一段时间（默认是5分钟，可调）。在这段时间内，会保证机组的蒸发器和冷凝器继续有水流通过，避免机组蒸发器温度过低或者冷凝器温度过高而给机组造成损害。在等待时间结束后，停止冷却塔风机、冷冻水泵、冷却水泵的运行。

群控系统在等待冷冻水泵停止运行状态确认后，关闭冷冻水阀；在等待冷却水泵停止运行后，关闭冷却水阀和冷却塔水阀。

（5）能源站设备的排序和轮换：由于本项目的冷水机组、冷冻水泵、冷却水泵和冷却塔都是采用并联的系统形式，并且是互为备用的，为了避免长久地开启某一台设备，而导致某一台设备的运行时间很长，而其他设备的运行时间很短，导致运行时间长的设备易出故障。在能源站群控系统中，可以对设备进行顺序轮换。如在开启冷冻水泵时，会优先采用运行累计时间比较短或者开启次数比较少的水泵，而在冷冻水泵停机时，会优先停掉运行累计时间比较长或者开启次数比较多的水泵，从而平衡冷冻水泵的运行时间，达到延长冷冻水泵使用寿命的效果。

（6）设备故障检查与复位：在能源站的运行过程中，必须保证冷水机组的蒸发器和冷凝器始终有足够的水流，即对应的冷冻水泵和冷却水泵必须保持在开启状态。在系统的运行过程中，如果监测到水泵停机或者水泵出现故障报警，能源站群控系统会立即启动备用泵水泵，并延迟停止当前故障水泵的运行，避免机组由于水流不够而导致停机。在水泵出现故障后，能源站群控系统会把此水泵标为故障状态，即使水泵没有发出报警信号，系统在再次启动水泵时也不会启动发生故障报警的水泵，只有操作人员对水泵的故障原因进行确认，并且在软件的操作界面对故障进行复位操作后，此台水泵才会恢复为正常状态，并加入启动序列中。在能源站群控系统中，设备的故障报警以及故障复位机制存在各种设备中，比如冷冻泵、冷却泵、冷却塔、冷水机组等。

4　结论

数据中心冷源系统采用冗余PLC系统作为主控制器，采用智能检测仪表作为数据采集终端，并设计合理的控制策略及运行模式，采用先进的控制设备，大大提高了系统的自动化程度，提升了数据中心的运行效率，减少了运维人力，降低了对人工的依赖。本文在探讨数据中心冷源系统的节能优化过程中，还特别关注了系统的动态响应能力和故障诊断机制。通过引入先进的预测控制算法，系统能够根据实时数据和历史趋势预测未来的能耗需求，从而提前调整运行参数，以适应负载变化。此外，系统集成了故障诊断模块，能够实时监测设备状态，一旦检测到异常，即刻启动故障分析程序，快速定位问题所在，并提供相应的维护建议，确保数据中心的连续稳定运行，从而实现整个系统的安全可靠、节能减排、无人值守全自动运行的目的。此控制系统已在该项目中成功得到应用，节能效果明显，并获得一致好评。

作者简介：

陈泽望（1983-），男，湖北孝感人，高级工程师，硕士，现就职于长江勘测规划设计研究有限责任公司，主要研究方向为控制理论与控制工程。

杨　艳（1985-），男，湖南醴陵人，高级工程师，硕士，现就职于长江勘测规划设计研究有限责任公司，主要研究方向为暖通空调。

李东阳（1986-），男，河南周口人，高级工程师，硕士，现就职于长江勘测规划设计研究有限责任公司，主要研究方向为电力系统及其自动化。

孙　康（1995-），男，湖北咸宁人，助理工程师，硕士，现就职于长江勘测规划设计研究有限责任公司，主要研究方向为暖通空调。

参考文献：

[1]黄渝.浅谈浦东机场能源中心水蓄冷系统的控制[J].制冷空调与电力机械,2008,29(3):73-77.

[2]岑晓春.PLC在冰蓄冷中央空调系统控制中的应用[J].制冷空调与电力机械,2013,24(1):50-52.

[3]奚伟东.数据中心冷源自控系统设计[J].电信技术,2017,(8):104-107.

[4]何照东,周华飞.基于PLC技术的数据中心冷源自控系统设计与应用[J].电脑知识与技术,2024,20(12):96-12.

[5]吴靖.基于PLC的大型数据中心BA系统设计与应用[J].化工设计通讯,2024,50(6):122-125.

摘自《自动化博览》2025年4月刊