摘要：随之高性能服务器不断增多，IT设备的应用更加广泛、密集，高热密度数据中心对机房制冷提出了更加苛刻的要求，因此，诞生了新一代泵循环柜顶空调系统对高热密度数据中心进行冷却，取代传统的压缩制冷循环空调系统以及冷冻水循环空调系统，从而提高整个冷却系统的稳定性，提高对数据中心的局部冷却效果，提高数据中心的工作性能及寿命。
关键词：高热密度数据中心；PLC；触摸屏；程序设计；单片机；Modbus-RTU；通讯协议
本文主要介绍数据中心高热密度冷却系统的自动化控制系统设计，整个控制系统根据冷却系统的功能分为“主机”和“末端”两个部分，由主机（1台）搭配末端（10台）组成，主机与末端之间的信息链接通过Modbus-RTU通讯协议实现。主机部分主要负责冷却系统（主机部分）的所有逻辑控制，其次负责冷却系统（末端部分）的部分逻辑控制，控制器选用西门子S7-200系列PLC，显示器选用西门子SMART LINE系列触摸屏，PLC及触摸屏程序根据冷却系统的功能要求独立编写，末端部分仅负责冷却系统（末端部分）的所有逻辑控制，控制器选用某自动化公司开发的单片机，单片机程序由自动化公司结合控制系统（主机部分）进行编写。
数据中心高热密度冷却系统由局部冷却单元（末端）和冷媒泵主机（主机）构成，局部冷却单元通过吸入机房内的热气，经蒸发冷媒将高温空气冷却后送回高热密度数据中心的空气热交换系统，而冷媒泵主机是将局部冷却单元吸热升温后的冷媒用冷水降温后重新送回局部冷却单元的系统。
数据中心高热密度冷却系统是一款应用于数据中心高热密度环境的高效制冷系统，该系统末端吊顶安装于数据中心的机柜上方，不占用地面空间，并将产生的制冷量直接冷却IT设备。系统利用制冷剂相变吸收大量机房显热的原理结合独特的自动化控制技术，输出100%的显冷量，局部冷却效果显著，是理想的数据中心高热密度制冷解决方案。
一、数据中心高热密度冷却系统核心部件
数据中心高热密度冷却系统内涉及冷凝器、蒸发器、节流阀、水泵、冷媒泵、电磁阀以及风机等等，以上均为极其重要的核心部件。
二、数据中心高热密度冷却系统自动控制要求
2.1冷却系统由1台主机搭配10台末端组成，每台末端独立配置单片机控制器，单片机控制器（作为Modbus-RTU协议从站）通过RS485接口与主机PLC控制器（作为Modbus-RTU协议主站）进行通讯连接，实现PLC集中控制整个系统。
2.2主机控制柜为AC380V三相四线制电源，末端（10 台）AC220V 电源由主机分配；
2.3主机控制柜对每台末端的电源分配设立独立断路器，方便末端的维护与检修；
2.4主机控制柜含有电源相序保护功能；
2.5主机控制柜含有控制系统总耗电量采集功能；
2.6系统状态有待机、运行、停止、延时、故障；
2.7控制功能包含系统启停顺序控制、泵恒压变频控制、防凝露控制、故障报警功能等。
三、基于PLC的控制系统介绍
可编程控制器（Programmable Controller）是计算机家族中的一员，是为工业控制应用而设计制造的，它主要用来代替传统的继电器电路实现逻辑控制，随着技术的快速发展，这种装置的功能已经大大超过了逻辑控制的范围，为了避免与个人计算机（Personal Computer）的简称混淆，所以将可编程控制器简称为PLC。
PLC的基本结构由电源、中央处理器（CPU）、存储器、输入输出接口电路、功能模块和通讯模块组成。PLC的控制原理首先是将外部数据输入并采样，然后进入用户程序执行阶段，最后将执行结果输出刷新。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆另外，PLC还具有使用方便、编程简单，功能强、性价比高，硬件配套齐全、用户使用方便，适应性强，可靠性高、抗干扰能力强，系统的设计、安装、调试工作量少，维修工作量少、维修方便等等诸多特点。
四、数据中心高热密度冷却系统电气自动化PLC控制I/O定义
模拟量输入：冷媒进口压力、冷媒出口压力、冷媒进口温度、冷媒出口温度、冷却水进口温度、冷却水出口温度。
模拟量输出：冷媒泵变频信号、冷却水进水水阀、冷却水旁通水阀。
数字量输入：冷媒泵过载、冷却水流开关、客户自设报警、遥控开关、冷却水泵过载、储液器液位开关、相序保护。
数字量输出：冷媒泵、冷却泵、汽路电磁阀、运行指示、故障指示。
确定各Modbus-RTU从站的通讯地址：由于主机与末端之间需要通过Modbus-RTU通讯协议实现信息传递，因此在编程前需确定Modbus-RTU从站（末端）的数据地址，并将其转化为Modbus-RTU主站（主机）的数据地址，以便后续PLC编程及人机界面的组态。
五、数据中心高热密度冷却系统自动化控制流程及其运行原理
开机顺序：开机→满足“①末端冷媒需求数量”大于或等于“冷媒泵启停内机数量设定值”→冷却泵启动→“②满足“冷媒泵启动压力条件”→未满足“③冷媒泵强制停止压力条件”→未满足“④冷媒泵运行后的压差停止条件”→没有相关故障发生→冷媒泵/冷媒阀启动→满足“⑤末端启动压力条件” →末端逐级启动。
注释：
①末端冷媒需求数量的统计：末端回风温度≥设定温度+偏差即认为有冷媒需求；
②冷媒泵启动压力条件：1、冷媒泵进口压力＜“冷媒泵启动进口压力设定值”；
2、冷媒泵出入口压差＞“冷媒泵启动前后压差设定值”；
③冷媒泵强制停止压力条件：冷媒泵启动后延时30秒，若检测到末端电磁阀全关，冷媒泵强制停止，待满足最小的停机时间后如末端冷媒需求数量达到设定数量时再次启动；
④冷媒泵运行后的压差停止条件：泵运行后延时30秒检测出口、入口压差→泵出口压力小于“冷媒泵运行后前后压差设定值”→停冷媒泵→大于或等于“冷媒泵运行后前后压差设定值”时再次启动；
⑤末端启动压力条件：开机后→冷媒泵进口压力低于“内机启动进口压力设定值”。
结束语:
本文设计的PLC及人机界面程序基本上反映了数据中心高热密度冷却系统的工作原理和使用功能，根据受控系统中的受控部件编制PLC的I/O地址分配表，然后根据分配表的输入输出点数选择性价比高、功能性好的PLC型号，最后选择合适的人机界面与PLC匹配，编程时要严格按照编程手册的要求进行设计，编程完成后通过模拟调试的方法初步验证程序设计是否合理，不合理或有误之处及时修改，逐步完善，模拟调试后应编制调试使用说明书、操作使用说明书、设计原理接线图、电控箱接线图、总装接线图等。
参考文献：
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[5]栾坤.《PLC与HMI在小规模控制系统中的应用》.黑龙江：黑龙江科技信息，2008.
论文作者:吴永成
论文发表刊物:《科技研究》2019年5期
论文发表时间:2019/7/24
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