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★長江勘測規劃設計研究有限責任公司陳澤望，楊艷，李東陽，孫康

關鍵詞：大型數據中心；可編程邏輯控制器；自控系統構架；控制流程及運行模式；控制策略

隨著信息技術的飛速發展，數據中心作為信息存儲與處理的核心基礎設施，其能耗問題日益凸顯。A級大型數據中心項目，以其高可靠性與高性能要求，對冷源系統的設計與運行提出了嚴峻挑戰。本文針對某A級大型數據中心項目（建筑主體高度31.85米，面積30432.77平方米）的能源站冷源系統的工藝要求、自控系統架構設計、控制流程及運行模式進行了深入探討。該數據中心的冷源系統設計旨在實現高效、節能與高可靠性運行，以應對日益增長的能耗壓力^[1]。為提升系統運行的自動化程度，本研究采用了可編程邏輯控制器（Programmable logic controller，PLC）作為控制系統的核心，以確保系統在可靠、安全、節能及全自動模式下運行。數據中心冷源自控系統對冷水機組及其他機電設備執行節能控制與能效管理。系統采用動態規劃控制策略，實時采集溫度、壓力、流量、電流等關鍵參數，并自動調整運行參數，以確保各設備達到最佳運行狀態，從而最大限度地節約系統能耗。同時，系統實時監測并記錄各設備的能耗數據，對能耗進行動態計算與分析，并通過節能管理軟件對歷史數據進行分析，為系統運行策略和參數的優化提供決策支持^[2]。

本研究旨在通過分析數據中心冷源系統的工藝要求與自控系統架構設計，探討其節能降耗的潛力與實現路徑。研究結果將為數據中心的冷源系統設計與運行提供理論支持與實踐指導，對于推動數據中心行業的可持續發展具有重要意義^[3]。

1　項目概述及工藝要求

（1）本能源站冷源系統采用高壓變頻離心式水冷冷水機組作為冷源，設置5套2300RT（8089kW）制冷單元（每套制冷單元含：1臺冷水機組、1臺板式換熱器、1臺冷卻水泵、1組（3臺/組）冷卻塔、1臺冷凍水泵），4用1備滿足末端冷負荷需求及業主的擴容需求。根據A級機房標準，空調冷凍水系統采用環路設計，并用分段閥隔離各個故障點，保證單點故障時系統的正常運行。

（2）冷凍水系統采用一次泵變流量系統，冷凍泵與主機對應，五臺并聯運行，冷卻泵與主機一一對應，冷凍泵和冷卻泵均采用變頻泵。

（3）負荷計算：在冷凍水供水總管處設置熱計量表，計算空調冷負荷量，并累計全年制冷負荷用量，且數據中心為常年冷負荷。為保證空調水系統供冷可靠性，防止突然停電或設備故障引起制冷中斷事故，系統供水環路上設置蓄冷罐（位于空調能源站外），可提供空調系統15min的應急冷水供應。當出現停電事故時，由于冷凍水泵配有UPS電源，繼續正常工作，此時機房所需冷量由蓄冷罐和系統管網內所存冷凍水提供^[4]。

（4）考慮到系統本身需要配備蓄冷罐作為應急冷源，本項目設置大容量蓄冷罐作為水蓄冷裝置，除滿足15min的應急冷水供應，還能滿足夏季電價高峰時段數據機房冷水供應，過渡季部分自然冷源與混水補冷，利用冗余冷水機組在夜間低谷電價時段蓄冷。大數據機房配置一個蓄冷罐，蓄冷罐設計溫度為7/18℃。

（5）冷凍水供回水溫度12/18℃；冷卻水供回水溫度32/37℃（夏季）、11/16℃（冬季）；蓄冷供回水溫度7/18℃。

（6）帶自然冷源的制冷單元分四種運行模式：完全自然冷源、完全或部分自然冷源蓄冷、部分自然冷源+釋冷混水、部分自然冷源+電制冷；夏季不帶自然冷源制冷單元分三種運行模式：制冷、蓄冷、釋冷。

·當室外濕球溫度t＞12℃（可調）、冷卻塔出水溫度tcws＞16℃時，冷機工作，板式換熱器不工作，系統為常規制冷模式；夜間低谷電價時段，利用冗余冷機蓄冷，制備低溫（7℃）冷凍水儲存在蓄冷罐中，此為正常蓄冷模式；在白天電價高峰時段，冷機不工作或減少開機臺數（根據末端負荷需求調整），蓄冷罐中儲存低溫冷凍水釋放到冷凍水系統中，混水制備12℃冷凍水，此為釋冷模式。

·當室外濕球溫度6℃＜t≤12℃（可調）、冷卻塔出水溫度11℃＜tcws≤16℃時，在保證蓄冷罐剩余冷量滿足當前負荷20min（可調）時，冷機不工作，板式換熱器工作，蓄冷罐釋放低溫冷水混水供冷，系統進入部分自然冷卻+混水釋冷模式；夜間及其他時段，利用冗余冷機和板式換熱器串聯蓄冷，制備低溫（7℃）冷凍水儲存在蓄冷罐中，此為部分自然冷卻蓄冷模式。·當室外濕球溫度t≤6℃（可調）、冷卻塔出水溫度tcws≤11℃時，冷機不工作，板式換熱器工作，系統進入完全自然冷卻模式，可根據需要利用冗余板式換熱器、冷卻泵、冷卻塔進行全自然冷源蓄冷，并根據需要進行釋冷。

（7）冷凍水補水系統采用補水泵、軟化水箱、全自動軟水器；定壓裝置采用兩種定壓方式：隔膜式定壓罐定壓和蓄冷水罐定壓，控制系統優先采用蓄冷罐定壓補水；當蓄冷罐定壓補水系統出現故障時，控制系統自動開啟轉換閥門，采用隔膜式定壓罐定壓補水，兩種控制方式下，控制系統均根據隔膜式定壓罐水泵的出口壓力自動控制補水泵的啟停。

（8）冷卻水補水系統采用雙回路補水，由補水冷卻水池與補水泵房協同作用，將冷卻水輸送到大數據機房的屋頂。

2　控制系統組成及構架

冷源自控系統架構如圖1所示，主要由上位機、交換機、服務器、PLC系統、電動開關蝶閥及調節閥控制柜、溫度傳感器、壓力傳感器等檢測儀表、系統控制柜和觸摸屏等部分組成。系統采用集中管理模式和分區域單元化節能控制，在冷源系統設備就近提供相應智能控制柜，包括主控制柜、蓄冷罐釋冷單元控制柜、蓄冷罐現場控制單元控制柜、1～5#制冷單元控制柜（圖中僅示意了1#制冷單元控制柜，其他各制冷單元控制柜均一致）。

根據暖通工藝需求，整個控制系統采用冗余CPU配置、冗余通訊網絡以及遠程I/O的設計方案。CPU是整個控制系統的核心，其主要功能為運行用戶應用程序、邏輯判斷、回路控制等，選擇SIEMENSS7-1500H系列冗余PLC作為主控制器及ET200SP分布式I/O模塊，通過雙PROFINET現場總線連接到控制器。為了保證控制系統運行的可靠性和穩定性，在電源供應系統上采用冗余配置，保證電源供應的持續性和穩定性。每面控制柜均采用兩路AC220VUPS供電，一用一備。應用程序編程采用TIAPortal（博途）軟件。系統各控制柜柜門上設置1臺12寸彩色觸摸屏，控制柜安裝于現場，用戶可以在上面進行操作和查看數據。如果上位機出現故障或者在維護期間，由其代替上位機進行系統控制。同時設置2臺上位機，操作人員可通過上位機直接發出操控命令，上位機屏幕上顯示各種設備狀態信號，并能實現設備的群控。上位機采用工業級主機，安裝SIEMENSWINCC監控軟件，與PLC以TCP/IP方式進行通訊。WINCC是生產過程自動化中解決可視化和控制任務的監控系統，它提供了適用于工業的圖形顯示消息歸檔以及報表的功能模板，高性能的功能耦合、快速的畫面更新以及可靠的數據交換，使其具有高度的實用性。

圖1 自控系統配置圖

3　控制流程及運行模式

（1）能源站系統控制模式總體上分為本地和遠程兩種。這種設計旨在滿足不同運行場景下的操作需求，同時確保系統的靈活性與可靠性。設備轉換開關置于本地時，自控系統只能監測系統的運行狀態和運行參數，而所有設備的啟停控制則通過其電控柜上的啟停按鈕進行本地操作。當設備轉換開關置于遠程時，所有設備由自控系統實現其遠程啟停控制。具體控制模式如下：

①本地控制模式

在本地控制模式下，設備的運行由人工在現場進行操作。操作人員通過設備電控柜上的按鈕直接控制設備的啟停，這種方式適用于設備調試、維護或緊急情況下的手動干預。本地控制模式雖然操作直觀，但缺乏自動化控制的優勢，無法實現系統的高效運行與節能優化。

②遠程控制模式

當系統處于遠程控制模式時，自控系統分為遠程手動控制和遠程自動控制兩種子模式。

·遠程手動控制

在遠程手動控制模式下，所有的設備由操作人員在上位機（或工作站）進行控制，包括啟停控制和參數設定。操作人員可以通過圖形化界面直接對設備進行操作，這種方式提供了較高的靈活性，允許操作人員根據實時需求調整設備運行狀態。然而，遠程手動控制模式依賴于操作人員的經驗與判斷，可能無法實現最優的節能效果。

·遠程自動控制

遠程自動控制進一步細分為時區自控和非時區自控兩種模式。

時區自控：時區自控模式允許操作人員在計算機上設定設備的啟停時間段。自控系統根據設定的時間自動完成系統的順序自動啟停控制，各設備的邏輯連鎖和啟停順序由自控系統自動實現。這種模式特別適用于具有固定運行周期的設備，能夠有效減少人工干預，提高系統的運行效率和節能效果。

非時區啟停控制：非時區啟停控制模式則由操作人員在計算機上手動點擊啟動系統，自控系統自動完成設備邏輯連鎖和順序啟停。在非時區啟停模式下，操作人員需要手動啟動系統，但設備的運行邏輯和順序由自控系統自動完成。需要注意的是，非時區啟停是由人工在計算機上手動操作啟動后，必須手動進行停機操作。這種模式適用于需要根據實時需求靈活調整運行時間的場景，但同樣依賴于操作人員的及時干預。

（2）系統加機控制策略：能源站群控系統主要基于冷凍水的供水溫度和機組負荷來實現冷水機組的加減載控制。當系統的冷負荷增加時，冷凍水回水溫度會升高。由于冷水機組的冷凍水出水溫度由冷水機組通過自身的控制調節機制來保證穩定，在一定的機組負載范圍內，可以保證冷凍水供水溫度的穩定。如果系統末端冷負荷過大，超過了運行機組的加機上限（85%，可調）一定時長（15min，可調），系統的出水溫度就會高于設定值（通常為12℃），此時就需要再啟動一臺冷水機組來保證系統冷負荷的需求。

（3）系統減機控制策略：當系統的負荷減少時，冷凍水回水溫度降低，系統的冷凍水供回水溫差減小，正在運行的冷水機組會通過調整自身的負載來保證冷水出水溫度的穩定。多臺冷水機組運行在低負荷狀態時，雖然也可以滿足末端機房冷負荷的需要，但是由于開啟的冷水機組較多，相應的其他設備包括冷凍泵、冷卻泵、冷卻塔也都開啟得較多，所以能耗較高；而且冷水機組在低負荷時往往運行效率也很低，綜合計算能效優先原則，如果負載率已低于當前高效區下限，且減機后COP可增加超過5%（可調），所以在這種情況下需要停止一臺冷水機組的運行。

（4）能源站設備順序啟停控制策略能源站自控系統在啟動機組的過程中，遵循“先開附屬設備，再開冷水機組”的原則，相反在停止機組運行的過程中，遵循“先關閉冷水機組，再關閉附屬設備”的原則。

冷水機組及其附屬設備的啟動順序是確保系統安全、高效運行的關鍵環節。通過嚴格的順序控制和狀態監測，系統能夠在設備出現故障時及時切換至備用設備，從而最大限度地減少停機時間并保障數據中心的穩定運行。以下是詳細的啟動順序描述：

·電動蝶閥的開啟與故障檢測

首先，系統會打開冷凍水電動蝶閥和冷卻水電動蝶閥。若冷凍水電動閥門在控制回饋延遲時間內未被確認為打開狀態，系統將判斷該閥門可能存在故障，并發出警報，同時將當前冷水機組標記為故障狀態，準備啟動排程中的下一臺冷水機組。同理，若冷卻水電動閥門在控制回饋延遲時間內未被確認為打開狀態，系統也會發出警報并將當前冷水機組標記為故障狀態，準備啟動下一臺冷水機組。這一步驟確保了在啟動后續設備之前，水流通道的暢通性，為系統的正常運行提供了基礎保障。

·冷凍泵的啟動與故障處理

群控系統在確認冷凍水電動蝶閥的開啟狀態后，才會開始啟動冷凍泵的啟動次序。若冷凍水泵的運行狀態在控制回饋延遲時間內未被確認，系統將判斷該泵可能有故障，并發出報警，同時啟動排程中的下一臺冷凍水泵。通過這種方式，系統能夠在冷凍泵出現故障時迅速切換至備用泵，確保冷凍水系統的持續運行。

·冷卻塔電動蝶閥的開啟與故障檢測

群控系統在確認冷卻水電動蝶閥的開啟狀態后，才會開始打開冷卻塔電動蝶閥。若冷卻塔電動蝶閥的開啟狀態在控制回饋延遲時間內未被確認，系統將判斷該閥門可能有故障，并發出警報，同時開啟排程中的下一臺冷卻塔的電動蝶閥。這一步驟確保了冷卻水能夠順利流向冷卻塔，為后續的冷卻過程提供支持。

·冷卻塔風機的啟動與故障處理

群控系統在確認冷卻塔電動蝶閥的開啟狀態后，才會啟動冷卻塔風機。若冷卻塔風機的運行狀態在控制回饋延遲時間內未被確認，系統將判斷該風機可能有故障，并發出警報，同時關閉當前冷卻塔的電動蝶閥，并開啟排程中的下一臺冷卻塔的電動蝶閥和風機。這一措施確保了冷卻塔的正常運行，避免因風機故障導致冷卻效果下降。

·冷卻泵的啟動與故障處理

群控系統在確認冷卻塔風機的運行狀態后，才會開始啟動冷卻泵的啟動次序。若冷卻泵的運行狀態在控制回饋延遲時間內未被確認，系統將判斷該泵可能有故障，并發出警報，同時啟動排程中的下一臺冷卻泵。通過這種方式，系統能夠在冷卻泵出現故障時迅速切換至備用泵，確保冷卻水系統的持續運行。

·冷水機組的啟動與故障處理

群控系統在確認冷凍水流和冷卻水流的正常狀態后，才會開始啟動冷水機組的啟動次序。若冷水機組的運行狀態在控制回饋延遲時間內未被確認，系統將判斷該冷水機組可能有故障，并發出警報，同時啟動排程中的下一臺冷水機組。這一步驟確保了冷水機組能夠在故障發生時迅速切換至備用機組，保障系統的整體運行效率。

·冷水機組及其附屬設備停機順序如下：

停止冷水機組的運行，如果在延遲時間內監測不到機組的停止運行信號，系統將會發出故障報警，但是不會停止冷凍泵、冷卻泵等設備的運行。

群控系統在等待冷水機組的停止運行狀態確認以后，其他設備會繼續運行一段時間（默認是5分鐘，可調）。在這段時間內，會保證機組的蒸發器和冷凝器繼續有水流通過，避免機組蒸發器溫度過低或者冷凝器溫度過高而給機組造成損害。在等待時間結束后，停止冷卻塔風機、冷凍水泵、冷卻水泵的運行。

群控系統在等待冷凍水泵停止運行狀態確認后，關閉冷凍水閥；在等待冷卻水泵停止運行后，關閉冷卻水閥和冷卻塔水閥。

（5）能源站設備的排序和輪換：由于本項目的冷水機組、冷凍水泵、冷卻水泵和冷卻塔都是采用并聯的系統形式，并且是互為備用的，為了避免長久地開啟某一臺設備，而導致某一臺設備的運行時間很長，而其他設備的運行時間很短，導致運行時間長的設備易出故障。在能源站群控系統中，可以對設備進行順序輪換。如在開啟冷凍水泵時，會優先采用運行累計時間比較短或者開啟次數比較少的水泵，而在冷凍水泵停機時，會優先停掉運行累計時間比較長或者開啟次數比較多的水泵，從而平衡冷凍水泵的運行時間，達到延長冷凍水泵使用壽命的效果。

（6）設備故障檢查與復位：在能源站的運行過程中，必須保證冷水機組的蒸發器和冷凝器始終有足夠的水流，即對應的冷凍水泵和冷卻水泵必須保持在開啟狀態。在系統的運行過程中，如果監測到水泵停機或者水泵出現故障報警，能源站群控系統會立即啟動備用泵水泵，并延遲停止當前故障水泵的運行，避免機組由于水流不夠而導致停機。在水泵出現故障后，能源站群控系統會把此水泵標為故障狀態，即使水泵沒有發出報警信號，系統在再次啟動水泵時也不會啟動發生故障報警的水泵，只有操作人員對水泵的故障原因進行確認，并且在軟件的操作界面對故障進行復位操作后，此臺水泵才會恢復為正常狀態，并加入啟動序列中。在能源站群控系統中，設備的故障報警以及故障復位機制存在各種設備中，比如冷凍泵、冷卻泵、冷卻塔、冷水機組等。

4　結論

數據中心冷源系統采用冗余PLC系統作為主控制器，采用智能檢測儀表作為數據采集終端，并設計合理的控制策略及運行模式，采用先進的控制設備，大大提高了系統的自動化程度，提升了數據中心的運行效率，減少了運維人力，降低了對人工的依賴。本文在探討數據中心冷源系統的節能優化過程中，還特別關注了系統的動態響應能力和故障診斷機制。通過引入先進的預測控制算法，系統能夠根據實時數據和歷史趨勢預測未來的能耗需求，從而提前調整運行參數，以適應負載變化。此外，系統集成了故障診斷模塊，能夠實時監測設備狀態，一旦檢測到異常，即刻啟動故障分析程序，快速定位問題所在，并提供相應的維護建議，確保數據中心的連續穩定運行，從而實現整個系統的安全可靠、節能減排、無人值守全自動運行的目的。此控制系統已在該項目中成功得到應用，節能效果明顯，并獲得一致好評。

作者簡介：

陳澤望（1983-），男，湖北孝感人，高級工程師，碩士，現就職于長江勘測規劃設計研究有限責任公司，主要研究方向為控制理論與控制工程。

楊　艷（1985-），男，湖南醴陵人，高級工程師，碩士，現就職于長江勘測規劃設計研究有限責任公司，主要研究方向為暖通空調。

李東陽（1986-），男，河南周口人，高級工程師，碩士，現就職于長江勘測規劃設計研究有限責任公司，主要研究方向為電力系統及其自動化。

孫　康（1995-），男，湖北咸寧人，助理工程師，碩士，現就職于長江勘測規劃設計研究有限責任公司，主要研究方向為暖通空調。

參考文獻：

[1]黃渝.淺談浦東機場能源中心水蓄冷系統的控制[J].制冷空調與電力機械,2008,29(3):73-77.

[2]岑曉春.PLC在冰蓄冷中央空調系統控制中的應用[J].制冷空調與電力機械,2013,24(1):50-52.

[3]奚偉東.數據中心冷源自控系統設計[J].電信技術,2017,(8):104-107.

[4]何照東,周華飛.基于PLC技術的數據中心冷源自控系統設計與應用[J].電腦知識與技術,2024,20(12):96-12.

[5]吳靖.基于PLC的大型數據中心BA系統設計與應用[J].化工設計通訊,2024,50(6):122-125.

摘自《自動化博覽》2025年4月刊