都治強(qiáng) / 王佳斌 / 商 勇

(中國建筑設(shè)計(jì)院有限公司(原中國建筑設(shè)計(jì)研究院)智能工程中心，北京 100044)

1 引言

數(shù)據(jù)中心機(jī)械空調(diào)系統(tǒng)全年7×24h不間斷運(yùn)行，可靠性要求高，空調(diào)系統(tǒng)中的組件故障時需告警并及時替代。與此同時，隨著全年氣候條件和末端負(fù)荷的變化，空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行模式、運(yùn)行臺數(shù)也相應(yīng)調(diào)整。故障替代、告警、運(yùn)行模式切換、空調(diào)設(shè)備臺數(shù)控制等均需要控制器和控制系統(tǒng)完成，因此，數(shù)據(jù)中心機(jī)械空調(diào)的平穩(wěn)運(yùn)行需要可靠的控制系統(tǒng)和控制器。DDC(Direct Digital Control)與PLC(Programmable Logic Controller)均為控制系統(tǒng)中經(jīng)常采用的控制器，其特性和應(yīng)用特點(diǎn)有所不同，本文將分析究竟哪種控制器更適用于數(shù)據(jù)中心機(jī)械空調(diào)的控制系統(tǒng)。

2 信號處理速度

PLC 可在毫秒級的時間段內(nèi)完成信號處理，工藝和電氣領(lǐng)域需要這樣的處理速度，以實(shí)現(xiàn) “實(shí)時”監(jiān)控，確保狀態(tài)信息的準(zhǔn)確性和復(fù)雜流程的精確控制。發(fā)電機(jī)并機(jī)、電壓異常響應(yīng)、工藝監(jiān)控等均需要即時信號處理。根據(jù)過往項(xiàng)目的實(shí)施經(jīng)驗(yàn)，數(shù)據(jù)中心機(jī)械空調(diào)控制需要采集室內(nèi)外溫濕度、壓差等各種變量信息，經(jīng)過DDC控制器對這些變量信息進(jìn)行邏輯判斷并最終做出控制。而上述溫濕度、室內(nèi)外壓差等信息受天氣環(huán)境及人為因素影響較為嚴(yán)重，所采集到的變量值擁有較多不穩(wěn)定性，因此數(shù)據(jù)中心機(jī)械空調(diào)控制過程是一個持續(xù)的邏輯控制過程，而不要求控制器做出即時控制(即時控制將引起機(jī)械空調(diào)的頻繁動作，進(jìn)而影響系統(tǒng)穩(wěn)定性)。因此， DDC控制系統(tǒng)更適合數(shù)據(jù)中心機(jī)械空調(diào)系統(tǒng)監(jiān)控需求，而且應(yīng)作為機(jī)械空調(diào)控制系統(tǒng)首選。

3 編程應(yīng)用

根據(jù)過往實(shí)施項(xiàng)目的經(jīng)驗(yàn)，采用 PLC往往需依賴單一的程序員開發(fā)程序并對程序作出解釋和調(diào)試，PLC 程序員更熟悉非 HVAC的應(yīng)用，對于數(shù)據(jù)中心機(jī)械空調(diào)控制系統(tǒng)，PLC程序員需要完全理解關(guān)鍵設(shè)施的可靠性需求，并根據(jù)PLC硬件特性編制適用于關(guān)鍵設(shè)施環(huán)境下的程序。由于PLC 程序員熟悉工業(yè)應(yīng)用，對關(guān)鍵設(shè)施環(huán)境的 HVAC 控制系統(tǒng)缺乏了解，在程序編制過程中容易產(chǎn)生困惑和錯誤。相反，DDC供應(yīng)商更熟悉HVAC的應(yīng)用，如西門子、奧萊斯和江森自控等公司會提供 HVAC相關(guān)的控制設(shè)備、編程工具和培訓(xùn)，其產(chǎn)品更傾向于HVAC行業(yè)，并開發(fā)出HVAC控制相關(guān)的許多編程工具。采用DDC可開發(fā)出可靠的控制操作系統(tǒng)，比采用PLC花費(fèi)更少的時間，而且故障率更低。因此，DDC更適用于數(shù)據(jù)中心機(jī)械空調(diào)控制系統(tǒng)。

4 點(diǎn)位密度與網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

每個PLC控制器可攜帶的點(diǎn)更多、掃描速度更快，這些特性適用于設(shè)備集中式控制的工業(yè)環(huán)境。但在數(shù)據(jù)中心機(jī)械空調(diào)的控制應(yīng)用中需重新考慮，因?yàn)閿?shù)據(jù)中心模塊化的建設(shè)理念決定了其機(jī)械空調(diào)設(shè)備的分散布置，而DDC控制器正是基于分散式集中控制而發(fā)展起來的，也更適合數(shù)據(jù)中心機(jī)械空調(diào)控制。

PLC硬件尺寸趨于緊湊，需處理的數(shù)據(jù)卻越來越多，硬件配置應(yīng)不斷改良；控制器需處理的數(shù)據(jù)對應(yīng)著控制點(diǎn)位功能，如西門子的PXC產(chǎn)品，可容納多達(dá) 500 個輸入輸出(IO)點(diǎn)；另一方面，數(shù)據(jù)處理強(qiáng)度大時，高密度控制器容納的點(diǎn)位不宜超過 300 個，以維持控制器最佳性能。在數(shù)據(jù)中心項(xiàng)目機(jī)械空調(diào)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，每個控制器的點(diǎn)位數(shù)低于 100 個，也可能最多 50 個點(diǎn)位，少數(shù)復(fù)雜的冷凍站控制系統(tǒng)中也頂多 200 個點(diǎn)位，為控制器留出了大量儲備容量，可縮短處理時間和改善系統(tǒng)性能。DDC控制器的平衡點(diǎn)密度和數(shù)據(jù)處理速度將得到最佳配置，使控制器可有效滿足系統(tǒng)信號處理的時間要求，不會使系統(tǒng)點(diǎn)位密度過高引起浪費(fèi)。

數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)通信規(guī)劃已經(jīng)基本采用全數(shù)字網(wǎng)絡(luò)的通訊架構(gòu)，機(jī)械空調(diào)控制系統(tǒng)在數(shù)據(jù)中心建設(shè)中的最佳設(shè)計(jì)也將采用以太網(wǎng)作為核心通信主干，每個控制器配有一個板載以太網(wǎng)接口。數(shù)據(jù)中心項(xiàng)目控制系統(tǒng)不允許采用菊花鏈、星形或其他 MSTP(主從令牌傳遞)網(wǎng)絡(luò)作為通信主干。在以太網(wǎng)內(nèi)，每個控制器作為網(wǎng)絡(luò)的一個 IP 節(jié)點(diǎn)，直接匯報(bào)給服務(wù)器，進(jìn)行輪詢和數(shù)據(jù)傳輸。數(shù)據(jù)中心項(xiàng)目控制系統(tǒng)需要這樣的通信特性，如風(fēng)管靜壓箱的常規(guī)控制需要網(wǎng)絡(luò)時，僅接受以太網(wǎng)層級的通信，而采用 MSTP 網(wǎng)需要輪詢，MSTP常用于商業(yè)通信，可削減成本。數(shù)據(jù)中心控制系統(tǒng)采用以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，不予采用MSTP，不進(jìn)行輪詢，網(wǎng)絡(luò)不會經(jīng)常因流量過剩陷入擁堵，從而無法快速響應(yīng)。在需要輪詢的系統(tǒng)中，每個控制器的狀態(tài)定期接受檢查，檢查周期基于時鐘，由編程設(shè)定。因?yàn)樗锌刂破鞯娜奎c(diǎn)位須按順序進(jìn)行輪詢，所以輪詢需耗費(fèi)時間?；谝蕴W(wǎng)的系統(tǒng)，某事件發(fā)生時即進(jìn)行記錄，獨(dú)立于系統(tǒng)的輪詢延遲。當(dāng)對數(shù)據(jù)趨勢(用于預(yù)測性控制和制定管理決策)進(jìn)行設(shè)置時，數(shù)據(jù)實(shí)時存放于控制器中，然后發(fā)送至服務(wù)器進(jìn)行存儲備案。如果發(fā)生報(bào)警，則注明警報(bào)發(fā)生時間并即時傳送至服務(wù)器進(jìn)行告警。根據(jù)過往實(shí)施項(xiàng)目的經(jīng)驗(yàn)， MSTP 網(wǎng)絡(luò)由于輪詢協(xié)議延遲，傳遞關(guān)鍵數(shù)據(jù)需花費(fèi)長達(dá)數(shù)分鐘的時間，而以太網(wǎng)可在1s內(nèi)完成告警。

5 通信協(xié)議問題

數(shù)據(jù)中心智能化系統(tǒng)的建成將是一個高度集成化的控制系統(tǒng)，在數(shù)據(jù)中心建設(shè)過程中，智能化專業(yè)的電力監(jiān)控系統(tǒng)、漏電火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)、精密空調(diào)群控系統(tǒng)、UPS及電池監(jiān)測系統(tǒng)、安全防范系統(tǒng)、能量計(jì)量系統(tǒng)等均會集成在一個大的IBMS集成平臺下，DDC控制系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)這項(xiàng)功能，因?yàn)镈DC控制系統(tǒng)一般支持多種協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)(Lonworks、Lontalk，BACnet等)，集成能力強(qiáng)，系統(tǒng)自身的擴(kuò)展性與開放性好；而PLC基本都為個體工作，其在與其他PLC或上位機(jī)進(jìn)行通訊時，所采用的網(wǎng)絡(luò)形式基本都是單網(wǎng)結(jié)構(gòu)，與第三方設(shè)備的集成能力相對較差。

PLC控制系統(tǒng)常用的總線協(xié)議Modbus 是一個數(shù)字接口系統(tǒng)，允許基于不同微處理器代碼的系統(tǒng)之間傳遞和共享信息，常用于不同制造商設(shè)備之間的系統(tǒng)集成。接口通信存在延遲，在反饋時高度依賴Modbus節(jié)點(diǎn)的點(diǎn)位數(shù)量。在項(xiàng)目現(xiàn)場，發(fā)生過Modbus接口速度緩慢，需花費(fèi)長達(dá) 10 min的時間傳遞數(shù)據(jù)的情況。這看似是 DDC 性能問題，但實(shí)際情形卻并非如此。Modbus協(xié)議是一種串行的主從通訊協(xié)議, 主機(jī)既能對某個從機(jī)單獨(dú)訪問，又能對所有的從機(jī)發(fā)布廣播信息。對于單獨(dú)訪問的主機(jī)查詢，從機(jī)都要返回一個信息(稱為響應(yīng))，該通信協(xié)議的本質(zhì)決定了其通信必將會有所延遲，而PLC是基于Modbus的。 PLC 通過在控制器上直接安裝以太網(wǎng)接口，顯著改善了通信速度，訪問速度可與基于以太網(wǎng)的DDC 系統(tǒng)等同。基于以太網(wǎng)的PLC 和基于以太網(wǎng)的DDC均有應(yīng)用案例中，數(shù)據(jù)傳輸速度相差無幾，二者均受限于某給定 GUI(圖形用戶界面)上信息請求的信息量。例如用戶在某圖形界面搜索 100 個值，由于數(shù)據(jù)處理量的問題，無法立即完成搜索。其中，告警的優(yōu)先級最高，不受數(shù)據(jù)處理量的限制。

另外，DDC GUI(圖形用戶界面)基于 Web(網(wǎng)頁)，支持遠(yuǎn)程控制，這個特性很重要，只要操作員擁有密碼授權(quán)，任何本地執(zhí)行的命令均可遠(yuǎn)程執(zhí)行。這就允許操作員可現(xiàn)場或遠(yuǎn)程地進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)視和告警，可對問題進(jìn)行響應(yīng)并按照需要修改運(yùn)行策略。而PLC控制器不支持可視化的網(wǎng)頁訪問，只能通過服務(wù)器去查看控制器的數(shù)據(jù)。

6 系統(tǒng)可擴(kuò)展性

近些年，突如其來的金融風(fēng)暴，強(qiáng)烈地震撼了國際金融市場，并且波及整個世界經(jīng)濟(jì)。受此影響，信息安全行業(yè)為安全“過冬”，高度注重節(jié)流，嚴(yán)格控制成本，減少一切非必要開支。國內(nèi)大型數(shù)據(jù)中心建設(shè)開始引入模塊化數(shù)據(jù)中心建設(shè)模式，即本該一次性完成的數(shù)據(jù)中心項(xiàng)目往往先建設(shè)幾個模塊，或分一期、二期來建設(shè)投產(chǎn)，進(jìn)而模塊機(jī)房中機(jī)械空調(diào)的建設(shè)也被人為地進(jìn)行了分期。

PLC組成的網(wǎng)絡(luò)規(guī)模有限，系統(tǒng)搭接完成后，可擴(kuò)展性差，DDC控制系統(tǒng)有多種模塊化系列可以選擇，可擴(kuò)展性強(qiáng)，控制系統(tǒng)在整個設(shè)計(jì)上留有大量的可擴(kuò)展性接口(柴油發(fā)電機(jī)網(wǎng)關(guān)接口、冷水機(jī)組網(wǎng)關(guān)接口、機(jī)房精密空調(diào)網(wǎng)關(guān)接口等)，外接系統(tǒng)或擴(kuò)展系統(tǒng)都十分方便。從當(dāng)前數(shù)據(jù)中心建設(shè)規(guī)模和建設(shè)方式來講，DDC控制系統(tǒng)擁有良好的擴(kuò)展性，也適合數(shù)據(jù)中心內(nèi)機(jī)械空調(diào)的分期控制需求。

7 系統(tǒng)安全性

數(shù)據(jù)中心由于其擁有大量發(fā)熱載體，該區(qū)域內(nèi)空調(diào)系統(tǒng)需要常年24h不間斷制冷，空調(diào)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全運(yùn)轉(zhuǎn)是數(shù)據(jù)中心中大量存儲設(shè)備能否連續(xù)工作的必要條件。國際國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)也對數(shù)據(jù)中心建設(shè)進(jìn)行了分級，如國外Tier-4和Tier-3標(biāo)準(zhǔn)，國內(nèi)A級機(jī)房和B級機(jī)房都要求空調(diào)系統(tǒng)有冗余備份能力。

因?yàn)镻LC完全依靠上位機(jī)來維持系統(tǒng)的工作，若PLC單元模塊發(fā)生故障，需把整個系統(tǒng)停止運(yùn)行，組織專業(yè)PLC控制技術(shù)人員重新編程。DDC的許多程序都是固化在DDC控制器里，DDC自身可以獨(dú)立工作，當(dāng)數(shù)據(jù)中心區(qū)域內(nèi)DDC出現(xiàn)故障時，不影響本網(wǎng)絡(luò)上其他DDC的網(wǎng)絡(luò)通訊，中央操作站不停機(jī)就可以在線更換DDC控制器，保證整個系統(tǒng)的安全可靠。所以在數(shù)據(jù)中心機(jī)械空調(diào)控制設(shè)備的選取方面，DDC系統(tǒng)要比PLC系統(tǒng)在安全可靠性上高一個等級，也更加符合高等級數(shù)據(jù)中心建設(shè)空調(diào)系統(tǒng)控制需要。

8 結(jié)束語

數(shù)據(jù)中心機(jī)械空調(diào)控制系統(tǒng)重視可靠性，可靠性與產(chǎn)品質(zhì)量、一致性、適用性、告警、數(shù)據(jù)追蹤分析、供應(yīng)商的服務(wù)、網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、系統(tǒng)安全性都有關(guān)系。從控制器的工作方式、網(wǎng)絡(luò)通訊、系統(tǒng)功能、專業(yè)性、擴(kuò)展性及安全性方面來講，數(shù)據(jù)中心機(jī)械空調(diào)控制系統(tǒng)應(yīng)優(yōu)先選用DDC，主要因素如下：

1)DDC控制器是針對HVAC暖通空調(diào)設(shè)備的控制而設(shè)計(jì)的，內(nèi)部已經(jīng)固化了大量專家級的控制策略，不僅能做到最好的性能價(jià)格比，而且降低了對編程者和操作人員的應(yīng)用要求。對其軟件和控制器的操作易學(xué)好懂，應(yīng)用程序修改和維護(hù)相對PLC等更方便；

2)從控制器到服務(wù)器的以太網(wǎng)通信；

3)服務(wù)器故障時，控制器仍可執(zhí)行必要的命令，命令的發(fā)布不依賴網(wǎng)絡(luò)；

4)支持本地和遠(yuǎn)程訪問，Web瀏覽功能；

5)適合數(shù)據(jù)中心分期建設(shè)模式，不影響原有系統(tǒng)運(yùn)行；

6)系統(tǒng)維護(hù)更換簡單，不影響整個系統(tǒng)運(yùn)行；

7)不依賴于個別編程解釋。

DDC與PLC的控制方式對比如表1所示。

綜上所述，DDC是直接數(shù)字系統(tǒng),其功能全面、

表1 DDC與PLC控制方式對比表

性能穩(wěn)定，擁有操作方便的DDC硬件產(chǎn)品、軟件功能模塊及軟件模板庫，通過他們的靈活組合可以滿足樓宇自控的各種要求。對于數(shù)據(jù)中心里一些常見設(shè)備和控制模式，專用控制器可以明顯提高使用效率，降低使用難度?？刂破髟O(shè)有通用輸入輸出端口，信號類型可以通過硬件跳線和上位機(jī)軟件進(jìn)行設(shè)置。主要用在空調(diào)控制系統(tǒng)，因?yàn)樗鼘囟?、濕?模擬量信號)控制優(yōu)于PLC，過程量控制也更優(yōu)越，是一種理想的數(shù)字控制器。雖然PLC在邏輯、計(jì)數(shù)和計(jì)時方面有優(yōu)勢，但在以模擬量為主要處理對象的空調(diào)系統(tǒng)中，缺乏足夠的計(jì)算和分析能力。在實(shí)際使用操作中，對操作人員的操作水平要求高,更改程序比較困難。

總之，基于以太網(wǎng)通信的DDC網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)是數(shù)據(jù)中心機(jī)械空調(diào)控制系統(tǒng)的最佳選擇，它更簡單、更易于編程，同時其系統(tǒng)的擴(kuò)展性和維護(hù)性更加優(yōu)異。

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