A 基于PLC的数据中心冷源自控系统技术白皮书

基于PLC的数据中心冷源自控系统技术白皮书ODCC-2023-0600A 1 [编号ODCC-2023-0600A] 基于PLC的数据中心冷源自控系统技术白皮书 开放数据中心委员会2023-09发布 基于PLC的数据中心冷源自控系统技术白皮书ODCC-2023-0600A 版权声明 ODCC（开放数据中心委员会）发布的各项成果，受《著作权法》保护，编制单位共同享有著作权。 转载、摘编或利用其它方式使用ODCC成果中的文字或者观点的，应注明来源：“开放数据中心委员会ODCC”。 对于未经著作权人书面同意而实施的剽窃、复制、修改、销售、改编、汇编和翻译出版等侵权行为，ODCC及有关单位将追究其法律责任，感谢各单位的配合与支持。 I 基于PLC的数据中心冷源自控系统技术白皮书ODCC-2023-0600A 编写组 项目经理： 金玉龙北京三快云计算有限公司工作组长： 岳上腾讯科技（深圳）有限公司 贡献专家： 胡兴赞北京三快云计算有限公司李鼎谦腾讯科技（深圳）有限公司白涛京东科技信息技术有限公司李晓斌北京百度网讯科技有限公司许可欣中国信息通信研究院 王榕辉京东科技信息技术有限公司蒲星宇上海迪普自动化技术有限公司 江根明杭州华电华源环境工程有限公司牛国宇北京三快云计算有限公司 陈聪北京三快云计算有限公司 杨瑞中金数据集团有限公司张茂成中金数据集团有限公司 刘大闯深圳市中电电力技术股份有限公司杨佳浩上海迪普自动化技术有限公司 明晶深圳市中电电力技术股份有限公司李振锋北京世纪互联宽带数据中心有限公司麻雷北京世纪互联宽带数据中心有限公司谭志雄杭州华电华源环境工程有限公司 II 基于PLC的数据中心冷源自控系统技术白皮书ODCC-2023-0600A 前言 PLC控制系统是一种广泛应用于工业自动化领域的控制系统，具有可用性高、处理能力强、扩展性强的优势。在数据中心行业，PLC控制系统的应用也呈现出日益增长的趋势。 本项目从数据中心经典水冷冷冻水系统出发，梳理了PLC控制系统项目相关的技术要点，为行业提供一定的参考。 首先，在技术架构方面进行了全面罗列，包含系统网络架构，现场控制层架构，各层级设备之间的通讯约定。也对一些具体的技术问题做了阐述，例如，解释了“何为冗余PLC系统”；也对重要的技术点“自保持技术”做了文字阐述并编制了“双DO控制电路图”。 本技术白皮书项目更接近底层硬件和工程项目实施，实操层面主要包含以下九大内容： 1）BA系统的设计标准； 2）项目全过程及各阶段需要提供的设计及技术资料； 3）典型项目的设备规格参数及配置清单； 4）列举了传感器的参数要求，对自控系统的稳定性及监控效果进行把关； 5）约束了主要采集设备、控制设备的信息点位； III 基于PLC的数据中心冷源自控系统技术白皮书ODCC-2023-0600A 6）从运维视角对操作员站的监控界面给出了示例。 7）阐明了BA系统厂验的技术要求、厂验的内容以及技术核对清单； 8）从项目工序、人员配置、典型工期、安装工艺、调试、测试验证全周期进行了图文说明； 9）通过案例介绍，帮助读者理解PLC自控系统项目。 希望本次技术白皮书项目能抛砖引玉，引发行业对数据中心冷源自控系统更多深入的开源研究。 由于时间仓促，水平所限，错误和不足之处在所难免，欢迎各位读者批评指正。如有意见或建议请联系编写组。 IV 基于PLC的数据中心冷源自控系统技术白皮书ODCC-2023-0600A 目录 版权声明I 编写组II 前言III 一、概述1 二、术语、定义和缩略语2 三、现状及挑战2 （一）传统冷源自控方案的问题2 1、可靠性低3 2、逻辑适应性差3 3、性能差4 4、可扩展性差4 5、维护困难4 （二）PLC系统的技术优势4 1、可用性高5 2、处理能力强6 3、扩展性强7 （三）PLC系统的发展现状及挑战8 1、行业规范缺失8 2、定制属性强8 3、风险比较隐蔽9 4、项目交付周期长9 四、PLC系统技术架构9 V 基于PLC的数据中心冷源自控系统技术白皮书ODCC-2023-0600A （一）网络架构9 （二）现场控制层架构12 （三）设备通讯方案18 1、服务器与操作员站之间18 2、服务器与冗余控制器之间18 3、控制器与I/O模块之间18 4、I/O模块与模拟量之间19 5、I/O模块与现场设备之间19 五、PLC系统标准化交付方案20 （一）设计要求20 （二）设计资料标准化22 （三）元器件及接口标准化23 1、服务层及网络层设备要求（推荐）23 2、控制层设备的规格参数（推荐）23 3、传感器设备24 4、典型系统的设备清单25 5、与PLC系统对接的设备接口约定27 （四）监控界面标准化33 （五）厂验方案标准化39 1、厂验的目的39 2、厂验软硬件环境要求40 3、厂验内容40 4、软件测试42 （六）现场实施标准化43 VI 基于PLC的数据中心冷源自控系统技术白皮书ODCC-2023-0600A 1、项目人员配置及工作流程43 2、现场实施的安装工艺44 3、现场调试测试的步骤46 4、典型工期（参考）48 六、PLC系统工程最佳实践案例49 （一）某数据中心冷源系统简介49 （二）系统架构设计50 1、冷源群控系统根据功能划分51 2、二次泵控制系统功能划分52 3、管理层配置52 （三）实际运行效果52 七、未来发展52 （一）对IDC冷源的兼容性52 （二）先进的控制算法53 （三）与服务器的联动54 VII 基于PLC的数据中心冷源自控系统技术白皮书ODCC-2023-0600A 基于PLC的数据中心冷源自控系统技术白皮书 一、概述 海外互联网数据中心的冷却系统，一般颗粒度都比较小。例如：Meta、AWS采用直接新风冷为机房包间进行冷却，以容量较小的风冷冷水机组作为补冷的形式。因此海外互联网数据中心在冷源自控方面大多沿用了楼宇自控方案。 国内数据中心园区的开发强度比较高，尤其东部地区的数据中心很多在4层以上，且采用大规模的冷冻水系统。目前国内各大互联网厂商以及电信运营商数据中心在冷冻水型冷却系统中，已经逐步使用PLC技术，并且有扩大应用的趋势。 在以间接蒸发冷却为主数据中心，冷却系统颗粒度更小，似乎没有采用集中式控制系统的必要。但有很多关注节电、节水的用户，会引入冷源群控方案，来实现更精细的运行。 当前，液冷系统逐步被一些高算力的数据中心采用，液冷系统的散热组件直接与服务器耦合，其自控方案也自然引起了用户的高度重视，重视程度甚至超过了冷冻水系统。 基于PLC的冷源自控系统具备可用性高、处理能力强、扩展性强等特点，系统可以深度定制以适应大型数据中心冷却系统高可靠、高性能的需求。PLC的开放性和高性能，也为数据中心冷却系统的AI控制提供了落地条件。另外，在分批建设冷源系统的数据中心中， 1 基于PLC的数据中心冷源自控系统技术白皮书ODCC-2023-0600A PLC可以实现不停机在线编程和组态扩容。为数据中心的灵活扩展，提供了更多选择。 在冷源自控领域，可以参考的规范、图集很少，本文旨在对PLC系统的架构、设计、实施、调测等给出参考做法。最大化发挥PLC系统高可靠、高性能、可扩展、可深度定制的优势。以技术白皮书的形式约定PLC系统的开发、落地，可以为行业带来一定的参考，减少项目风险，提高数据中心可用性。 二、术语、定义和缩略语 表1 BA BuildingAutomationSystem，楼宇设备自控系统。在数据中心工程中除了楼宇设备自控之外，其主要内容是数据中心冷源自控系统。 PLC ProgrammableLogicController，可编程逻辑控制器 DDC DirectDigitalControl，直接数字控制器 MTBF MeanTimeBetweenFailures，平均故障间隔时间，是技术产品两次可修复故障之间的平均时间。 FAT FactoryAcceptanceTesting，工厂验收试验 DCIM DataCenterInfrastructureManagement，数据中心基础设施管理 三、现状及挑战 （一）传统冷源自控方案的问题 随着数据中心规模的不断扩大，对于能够可靠控制冷源和空调系统的需求也在不断增加。传统的冷源自控方案起源于楼宇自控， 2 基于PLC的数据中心冷源自控系统技术白皮书ODCC-2023-0600A 由于其技术和结构的局限性，存在着诸多问题，如系统可靠性低、适应逻辑性差、设备稳定性比较差等。 1、可靠性低 传统冷源自控方案的硬件和软件都比较简单，缺乏容错和故障恢复机制。传统的控制器本身不具备冗余特性，一般通过心跳信号和硬接线实现秒级的数据同步，无法实现CPU的真正冗余。任何一个心跳点位的故障都将影响系统运行，需要人为干预，严重影响IDC的可靠性。传统冷源自控方案不具备网络冗余，必须借助于外部网络设备，增加了网络传输风险。 传统冷源自控系统最初用于楼宇控制，属于民用级别，无严格的MTBF测试，无法保证系统长时间运行。 2、逻辑适应性差 传统冷源自控方案一般都是针对固定的控制模式设计，依赖于自控厂家的标准化图形块，无法灵活适应不同的IDC场景需求。根据实际需求定制功能后，调试也变得复杂，使得系统很难完全实现所需的全部功能和逻辑。 传统冷源自控方案的控制方式比较简单，难以引入智能化调度和优化算法，导致能耗效率不高。在对接AI寻优算法上实现困难。 3 基于PLC的数据中心冷源自控系统技术白皮书ODCC-2023-0600A 3、性能差 传统冷源自控方案是为实现楼宇控制发展起来的，产品需求是简单、集中管理和低成本。为了满足商用楼控产品激烈竞争下的经济性要求，早期的传统解决方案是在PLC中固化了逻辑功能，同时裁剪了整体性能。这种解决方案实现了产品的经济性，损失了大量产品性能，导致很多采用传统冷源自控方案的项目的数据刷新很慢。很多项目在使用三到五年后，数据刷新时长达到数秒钟，且整个系统会越来越慢。 4、可扩展性差 基于上述整体性能差的原因，传统解决方案在可扩展性上与大型数据中心一次规划、分批投入、多次迭代的项目实施路径不太匹配。 5、维护困难 传统冷源自控系统无法整体的完成系统搭建，需要各种控制器通过多层网络实现，造成系统复杂度提升，给实施和运维都带来巨大挑战。 （二）PLC系统的技术优势 PLC控制系统是一种广泛应用于工业自动化领域的控制系统，是以PLC(可编程逻辑控制器)做为核心的控制中心，通过编程来控 4 基于PLC的数据中心冷源自控系统技术白皮书ODCC-2023-0600A 制其他设备。PLC系统一般包含中央处理器（CPU）、输入单元、输出单元、扩展I/O模块、通讯模块、电源模块、存储器等，如图1所示： 图1PLC系统组成示意图 PLC控制系统与传感器（IT负载、温度计、流量计、气象站等）、执行器（阀门、冷机、水泵、冷却塔等），组成了完整的冷源自控系统。基于PLC的冷源自控系统具有以下优势： 1、可用性高 PLC在数据中心中的应用越来越普遍，其高可用性是最重要的优势，主要体现在以下几点。 产品可用性高：PLC控制器有着严格的测试表和行业标准，行业体系成熟，产品稳定可靠。PLC本身为工业级产品，有严格的工业测试，PLC的MTBF一般在200000小时（25年）以上。 5 基于PLC的数据中心冷源自控系统技术白皮书ODCC-2023-0600A 采用冗余控制器：热备的冗余控制器是实现PLC高可用性的关键，它采用主备方式实现，当主控制器出现故障时，备控制器会立即接管。这种方式可确保系统连续运行并最大程度地减少停机时间。同时能够通过双总线或者环网总线实现通讯冗余，排除任何单点故障。 实时监测和故障排除：为了确保PLC控制器的高可用性，可定期监测其运行状况，包括输入输出模块的状态、通讯状态等，并及时进行故障排除。PLC控制系统还可以通过内置的自检功能来监测系统的工作状态，及时发现故障并进行修复，进