0013施耐德电气数据中心解决方案在数据中心的应用.docx

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0013施耐德电气数据中心解决方案在数据中心的应用

打造业界最完美的数据中心环境监控系统－－

Schneider-electricContinuum在数据中心的应用

施耐德电气刘洋波丁晓炯

【摘要】本文从分析当前数据中心的发展要求入手，深入剖析数据中心环境监控对各子系统的要求以及对集成平台开放性和集成性的要求，以某数据中心为例，全面展示Schneider-electricContinuum集成平台在数据中心领域的竞争优势，分享一些在调试工程遇到的问题和解决方案，最后给出对数据中心建设的几点建议。

【关键词】无缝集成，通讯接口，BACnet,一体化集成管理平台,数据中心

1．数据中心的发展概况及对环境监控的要求

随着IT技术的飞速发展，对服务器和网络的性能要求越来越高，由此带动了数据中心的发展。

从下表中可以看到数据中心的最近十年的发展历程和未来的发展趋势。

过去

现在

未来

服务器及网络性能

按照摩尔定律及麦特卡尔夫定律与日俱增

服务器密度

机架优化

刀片式服务器

继续以每年15%的比例增加

单台机架耗电

2000年：

1KW；

2006年：

6~8KW

20KW+

继续增加

服务器与电力、制冷的投入比例

服务器占主导

关键电力及制冷已超过服务器投入

关键电力和制冷在数据中心可靠性方面的作用越来越大

服务器负荷变化

变化缓慢，房间级制冷即可满足要求

随着虚拟化的发展，服务器之间动态热点转移需要行级甚至机架级制冷

基于机架级制冷，优化制冷能耗成为主流

规模、安全性及可靠性要求

数据中心规模不断增大，数据中心当机或被非法入侵产生的经济损失越来越大。

根据墨菲定律，数据中心对安全性及可靠性的要求与日俱增

规划、管理及升级

情况真是乱七八糟，不知哪里来的服务器，随意安放服务器，人工查找热点，记事贴、Excel管理，听取口头汇报

统筹规划：

空间、位置、供电、制冷、接口、冗余后备时间？

软件规划、效率评估、裕量评估、潜在问题评估、扩容评估

数据中心机房环境的温湿度，空气质量以及相关服务保障设备的运行情况的监控是保证机房设备安全性和可靠性的重要手段，由此产生的能耗已经超过了服务器本身的能耗。

能源管理和管理规划是保证数据中心高效运营和可持续性发展的有效途径。

完成上述的监控和管理需要多个子系统来保障，如楼宇自控系统，安全防范系统，动力环境监控系统，配电监控与能源管理系统等。

这些子系统可以各自独立，完成各自的监控和管理功能，但是需要一个一体化的监控管理平台对各个子系统进行有效的集成和管理，用户可以在一个平台和界面上对所有的子系统进行浏览，查询甚至控制，这就要求各个系统系统提供开放的接口和协议，还要求一体化的监控管理平台必须具有高度的集成能力，具有多种标准的接口和协议，而且在技术上领先的、成熟的，尽量减少甚至杜绝二次开发，以保证监控管理平台的可靠性和稳定性，

2．Continuum系统集成管理平台

Continuum系统是Schneide-Electric旗下一套性能卓越具有高度集成能力的管理平台，其强大的集成能力主要表现在如下方面：

1采用楼宇自控行业国际标准BACnet,支持BACnetIP,BACnetEthernet,BACnetMS/TP,BACnetPPP,因此对于同样采用BACnet标准的系统能够实现无缝集成和完全互操作。

2系统软件支持门禁系统，入侵报警系统，因此在这两个系统的集成也是无缝集成，无需二次开发。

3具有与数字视频系统的API接口，无需二次开发就能实现与数字视频系统的无缝集成。

4具有多种非BACnet标准协议的接口，如LON,C-BUS,Modbus,M-BUS,J-BUS.

5具有与多个设备厂商的通讯接口，如Honeywell的C-BUS，JohnsonControls的N2,SiemensCerberus的消防报警系统等。

6采用完全开放的SQLserver数据库。

7支持OPC,XML,ODBC等多种数据接口方式

8完全开放、无比强大的简明英语编程，能够通过简单的编程实现与非标准协议国内外某些厂商的设备通讯。

此外，128位的IPSec加密机制让Continuum系统在以太网上的集成通讯更加安全。

Continuum系统网络结构图

3．某数据中心一体化集成管理分析

本工程是具有国内和国际先进水平、高可用、高可靠、又灵活应变的新一代数据中心A类机房。

同时为工作人员创造一个良好的工作环境，并提供一个充分展现数据中心管理水平的窗口。

相应的配套工程将为数据中心机房提供包括能源、环境、安全、监控、防灾和自动化等方面的使用环境，并提供可靠、安全、不间断等方面的可持续发展空间。

如下图所示，该数据中心要求建立一体化的管理平台，基于统一的数据库和服务器，将冷热源、空调、通风、给排水、动力、配电，环境监控，消防，安全防范，资产安全管理等系统集成在一起，在同一平台实现对所有系统设备的监控和管理，也可以以web方式远程访问。

针对上述需求，根据Continuum系统集成管理的平台的特点，将数据中心所有的设备子系统划归4个大的子系统，即楼宇自控系统，配电及电能管理系统，机房动力及环境监控系统，安全防范系统，系统网络结构如下：

3.1楼宇自控系统：

包括冷热源系统、空调通风系统、给排水系统、楼宇环境监控、消防报警系统、智能照明和电梯管理系统，其中，空调通风系统、给排水系统、楼宇环境监控和冷热源系统采用DDC采集现场数据和自动控制的方式通过现场总线接入楼宇自控系统；智能照明系统和电梯监控系统通过MODBUSRTU接口接入楼宇自控系统；消防报警系统通发送火灾报警信息和设备报警信息给Continuum集成管理平台，Continuum集成管理平台对收到的报警信息进行分析，然后在界面上进行显示和报警。

3.2配电及管理系统

10KV高压和0.4KV电压监控系统第三方的智能表计，UPS系统及蓄电池系统通过ModbusRTU网关接入Continuum集成管理平台，由管理平台系统对所采集的数据进行储存，分析和管理。

3.3机房环境和动力监控系统

机房环境温湿度、空气洁净度的检测以及机房热场管理系统通过DDC直接接入集成管理平台，精密空调系统，UPS系统，蓄电池系统，通信电源系统都采用ModbusRTU接口接入集成管理系统，精密配电柜采用施耐德的PM系列表计具有ModbusRTU接口，并由此接入集成管理系统。

RFID资产管理系统的报警通过SNMP进入集成管理系统显示和处理。

3.4安全防范系统

Continuum系统本身就集成了门禁系统，入侵报警系统，在线巡更系统，无需任何接口和网关就能实现无缝的集成。

此外对于CCTV系统，采用了PELCO的ENDURA数字视频系统，本身提供API。

Continuum系统软件内嵌与PELCOENDURA系统API接口的接口程序，可以无需网关和其他任何的二次开发就能实现与视频监控系统通讯和集成，在系统管理平台上可以查看机房各个位置的图象，甚至可以控制摄像机。

某数据中心各子系统通讯接口一览表

系统名称

接口型式

说明

变频水泵

RS485MODBUSRTU

通过接口读取变频器的运行状态，故障状态，频率反馈，发出启停和频率调解等控制指令

冷机

RS485MODBUSRTU

通过接口读取冷机的运行，故障，负载百分比，冷凝器、蒸发器温度等，发出起停等控制指令

发电机

RS485MODBUSRTU

通过接口发电机运行状态，输出电压电流功率等参数。

FAS

RS485MODBUSRTU

通过接口读取消防分区的设备状态，报警信息。

漏电FAS

RS485MODBUSRTU

通过接口读取漏电消防报警系统的设备状态，报警信息，漏电报警信息，

智能照明

C-BUS

通过接口读取智能照明系统回路的工作状态，故障状态。

电梯

RS485MODBUSRTU

通过接口读取各电梯的运行状态、故障、运行。

精密空调和UPS

RS485MODBUSRTU

通过接口读取精密空调的运行状态，故障状态，送风温湿度，UPS的工作状态，故障状态。

高压配电柜、变压器

RS485MODBUSRTU

通过接口读取配电柜的和变压器的运行状态，故障报警，一次，二次电压电流，变压线圈温度等信息

低压配电柜

RS485MODBUSRTU

通过接口读取低压配电柜的运行状态，故障报警，一次，二次电压电流，回路功率，功率因素等

动力柜、UPS输出柜

RS485MODBUSRTU

通过接口读取动力电柜和UPS的运行状态，故障报警，一次，二次电压电流，回路功率，功率因素等

精密空调和PDU

RS485MODBUSRTU

通过接口读取精密空调的运行状态，故障状态，送风温湿度，PDU的工作状态，故障状态。

UPS二级柜和动力柜

RS485MODBUSRTU

通过接口读取UPS二级柜和动力柜的运行状态，故障报警，输出电压，电流，功率，功率因素。

闯入报警系统

干接点接入报警控制器直接进入BMS系统

BMS提供报警控制器检测红外，双鉴探测器以及红外对射探测器报警信号，线路故障状态。

视频监控系统

API

Pelco数字视频系统提供API接口，BMS有针对与该接口的接口应用程序，无缝集成

门禁和巡更系统

接入门禁控制器

共享数据库和系统平台，自然集成到Continuum系统

VRV系统

BACnetIP

无缝集成VRV系统，所有数据都能进入Continuum系统

RFID资产管理系统

OPC

通过接口实现对IT资产的信息和报警信息的管理。

4．数据中心实施专题探讨

4.1自然冷却

数据中心由于服务器密度大，发热量也比较大，因此需要常年制冷，该工程地处我国西北地区，冬季以及早春和晚秋过渡季节室外温度相对较低，可以部分利用或完全利用室外低温进行自然冷却，可以少开或完全不开冷机而达到机房制冷的目的，从而可以节约大量的能源。

在本案中央空调的设计中，自然冷却的运行工况为室外湿球温度<=8摄氏度，即在环境湿球温度小于冷冻水出水温度1-2度既可开启自然冷却功能，系统运行如下：

1，在冬季当室外湿球温度<=3摄氏度时，整个系统采用完全自然冷却方式。

2，过度季节当室外湿球温度在3-8摄氏度之间时，采用冷冻机供冷和自然冷却相结合的方式，即部分自然冷却。

在运行过程，由机械制冷切换到自然冷却的条件如下

湿球温度低于8摄氏度（相当于气温15度）时间持续20分钟以上，机组负荷小于单机总负荷的95%，而且机组负荷应大于单机负荷的15%

工况切换与调节：

若机组负荷低于单机负荷的40%，机组处于单机运行状态，若机组负荷为单机负荷的40%-95%，机组在切换前，关闭热备机器，机组调整为单机运行，切换后机组泵的流量保持不变，检测出水温度，离心机组可以自动调低负荷至设定的出水温度，以充分利用自然冷却。

若水流量低于额定流量的90%，则逐渐增大冷冻水流量至额定流量的100%，以板换前的回水温度控制离心机的输出，以不断调低离心机的输出直至15%。

此时若机房温度升高，EC风机会自动调高频率，强化换热，以提高携冷量。

离心机符合低于15%，则关闭离心机，同时开启另一板换，切换至完全自然冷却工况。

离心机关闭后，若板换出水温度低于设定温度，则可减少冷却塔侧流量。

篇幅所限，从自然冷却到机械制冷的切换工况和过程在本文中不再赘述。

4.2冗余备份

数据中心必须具有高度的可靠性，任何的意外对于数据中心来说都会带来不可估量的损失，因此相关的服务保障设备如一体化集成平台的数据库服务器也必须高度可靠，因此服务器的双极热备份必不可少，本案采用两台工业级的服务器作为一体化集成平台的数据库服务器，互为备份，并实时同步，如果其中一台宕机，另一台则立即接管。

4.3能源利用率（PUE）

数据中心绿色节能已经成为当今的潮流，而电力能源利用率（PUE）则是衡量数据中心的一个重要指标。

2006年，ChristianBelady提出能源利用率（PUE）的概念，如今，PUE已发展成为一个全球性的数据中心能耗标准。

数据中心的PUE的值等于数据中心总能耗与IT设备的能耗的比值，比值越小，表示数据中心的能源利用率越高，该数据中心越符合低碳、节能的标准。

提高能源利用率，一般来说硬从如下几方面入手：

1降低供电损耗，

供电损耗主要ATS开关损耗、低压配电系统损耗、供电电缆损耗和UPS系统损耗。

统计数据表明出了UPS系统损耗外，其他损耗值大约为0.02，所以降低UPS系统损耗是关键。

2引入电源管理软件

另外，在数据中心里，即使服务器在空闲时也会消耗峰值的75%-80%，使用电源管理软件适时关闭和开启空闲服务器可降低能源峰值的45%，但是应用在需要不间断工作的系统中，很多人关注服务器再启动的响应时间问题。

3减少制冷能耗

数据中心所需制冷量需要与IT负载热容量匹配，可随IT设备的散热量调节制冷容量和风速，消除不必要的冷量和空气循环来提高制冷系统效率。

另一方面，在高热密度的数据中心里，可让冷风更接近热源，可也有效减少制冷损耗。

一个设计与运营良好的数据中心，在空调系统配置正确，不考虑照明、新风机等设备情况下，能效比应该是小于1.6，随着数据机房设计和运行经验的积累以及制冷技术的发展，PUE值将会越来越小，能源利用率将会越来越高。

5．工程实施经验分享

本工程最大的特点就是采用大量的高阶通讯接口将冷热源系统、智能配电系统、漏水报警等二十余个设备子系统集成到一个统一的管理平台上，这是一项非常艰巨并存在巨大风险的工作，由于个别子系统的设备先于集成管理系统招标和采购，如消防报警系统，而且在其招标和采购时没有明确为第三方集成系统提供集成接口的接口类型和协议，使得这些子系统的设备安装调试完成以后不具备通用的标准协议，如ModbusRTU,OPC,而是一些私有的协议，这就给集成带来了很大的麻烦，而这些设备如果增加标准协议接口将会增加费用，业主不同意，设备厂商也不愿意免费提供或更换设备，好在Continuum一体化集成系统系统支持串口编程以ASCII码，这些设备子系统也配置了串口，并也能对串口进行编程，而且编程的工作量很小，设备厂商也愿意免费服务，特别是消防报警系统主机已经具有串口实时打印的功能，无需任何编程便能输出报警和设备运行信息到串口，因此通过与这些设备厂商的沟通与试验，最终采用串口通讯的方式实现这些子系统与集成管理系统的集成。

6．几点建议

根据当今数据中心快速发展的特点和在实施过程中遇到的问题，给出几点建议如下：

1，服务器之间动态热点转移需要行级甚至机架级制冷才能使制冷的成本大幅下降。

2，必须要了解每个子系统的通讯接口，确保每个子系统的通讯接口能够与管理平台兼容

3，确认每个需要集成报警的子系统能够支持统一的报警接口，如SNMP；以及各种报警方式，包括电话、短信、邮件等

4，需要采取各种节能手段来减低能耗，如采取变频控制，增加过渡季自然通风模式以及冬季免费冷源的利用，设置电力计量系统及能耗分析管理等

5，需要明确楼宇自控系统与精密空调系统的控制对象范围

6，根据不同的数据中心冗余等级，设定不同的冗余控制策略。

7，在数据中心的视频监控系统中，要结合正常录像，事件录像和报警录像，以便于查找相应事件或报警发生时的图像资料

8，在系统设计时应充分考虑系统的灵活性和扩展性

9，对于数据的访问，修改都需要有记录并配以多重的安全措施

【结束语】

Continuum以其灵活的配置，高度开放和易于集成的能力非常适合为中型，大型，超大型数据中心提供一体化集成管理解决方案，降低数据中心的PUE值，节约更多的能源。

【参考文献】

1，《银行数据中心空调控制》，肖京平，《智能建筑与城市信息》2008年第7期总第140期