【研究】大型超大型数据中心暖通自控系统PLC解决方案技术潜力分析

yi321yi 2020-03-22

展开全文

0导读

高端工控领域PLC唯我独尊，为何数据中心自控系统依然是DDC一家独大？

控制系统稳定性、复杂控制需求响应性、跨地域跨客户行业的多种数据中心上层基于人工智能/大数据优化运营的适应性，谁强谁弱？

未来谁主沉浮？

1前言

图1-数据中心上游领域相关顶级政策

随着《促进大数据发展行动纲要》、十三五、人工智能、物联网、IPV6、5G等相关规划、引领和促进政策的落实，作为这些万丈高楼的共同基石数据中心受到了越来越多的关注。

根据工信部通信发展司《全国数据中心应用发展指引》，国内大型及超大型数据中心在2017年底上电机柜数已然超过一半，如果考虑功率密度问题，其提供的IT计算、存储等能力规模远超过一半，大型超大型数据中心全年耗电量已超过全社会用电量0.5%，>300亿kwh/年。每节约1%，即可供50万居民全年生活用电，而且这个数据还将在未来十年以平均年化超过15%的比例持续增长。

图2-中国大型超大型数据中心规模

大型、超大型数据中心的暖通控制系统作为其稳定运行的核心中枢之一，随着行业可持续发展与健康科学发展的推进，出于自身竞争力及国家越来越严苛的管控压力，为数据中心的高效运营做出更大贡献，成为一个不得不接受的成王败寇式的挑战。

2PLC系统方案劣势

2.1新技术/成熟技术新应用场景通用劣势-真劣势

从目前市场规模来看，国内数据中心无论中小型还是大型、超大型，暖通控制系统仍然是DDC一家独大。占据着超过95%以上的份额。因此PLC解决方案在数据中心市场渠道、生态链建设、信任建立方面有着极大劣势。这也是每种新技术或者成熟技术进入数据中心这个新应用场景必然面对的劣势。

信任建设的上半部分涉及到人的思维，要应对思维惯性、思维惰性、长短期利益与风险考量，任重而道远，但是出于数据中心全行业可持续高效与健康发展，推动技术及应用创新或许是必经之路。

市场渠道、售前（规划设计阶段支持）、售中（采购建设支持与品控管理）、售后（维护及时性、维护质量）团队建设与展示做好了，信任的下半部分也就解决了。

2.2新技术/成熟技术新应用场景传说劣势-假劣势

2.2.1信号处理速度太快

早先有说法认为PLC系统可在毫秒级时间内完成信号处理，仅适用于工艺、电气、及时报警领域，而数据中心暖通控制系统由于温湿度、压差等变量拥有较多不稳定性，因此控制系统不需要即时控制，以免引起机械系统频繁动作，进而影响系统稳定性。

1）从需求上来看室内温湿度不存在较多不稳定性问题，实际上存在的不稳定性，是由于传感器普遍采用了楼宇级，质量、精度和一致性较差导致。但是目前在大型及超大型数据中心往往采用工业级传感器，且其安装位置也经过多重考验和验证，对控制系统的实时性减轻了约束。

2）对于室外温湿度不稳定性问题：如果是传感器质量造成的，同上；如果确实天气短时剧烈往复变化或者局部如冷塔等气流组织或者传感器位置不合理且无法改善造成的实际传感数据不稳定性问题，也可以通过控制逻辑优化来解决。优秀的暖通空调设计逻辑本来就不应该直接依赖这些可能剧烈变化的变量，应优先考虑采用如冷却塔出水温度或者附加时间加权累计之后，再联动输出控制需求。

3）对于压差不稳定性问题，一个正常运行的数据中心，如果无上下架的调整，是不存在压差剧烈变化或者不稳定性问题的，如果有压差剧烈变化那也只能是传感器质量问题。即使突然上架大量负载，比如现存量的一倍或者两倍，这不像电气开关，而且是计划内的。任何计划内的变化，都不应该成为一个数据中心专业运营团队的挑战，比如有计划提前分步启动空调末端即可大幅降低压差剧烈变化的风险。

4）对于实时性过高可能导致机械系统频繁动作问题，这在控制系统逻辑设计时就应该解决掉，考虑相应的延时响应策略或者舍弃部分可能导致频繁启停或者切换的优化运营的时段，在不影响机械系统频繁动作的前提下，优化整个控制系统。应对避免机械系统频繁动作，PLC控制系统在广泛的工控领域已经有了非常丰富的经验。刀太快，配个刀鞘即可。刀太快无论如何也没有理由成为宝刀的缺点。

2.2.2编程复杂，可靠性低

早期国内程序员少，优秀的PLC解决方案供应商也未关注到这个行业。因此给业内造成一些误解。认为PLC编程复杂，软硬件成本高，依赖于程序员个人。而暖通类DDC是楼宇控制领域内暖通行业发展经验的汇总，将经过验证的多种逻辑功能已经固化内置在DDC模块内，既稳定可靠，又能通过简单的选择、参数设置等快速适应各场景要求，仅需要简单培训即有大量人员可以胜任。

1）难者不会，会者不难。国内能造原子弹都已经55年了，随着数据中心的蓬勃发展，通过专业编程人员的介入，编程复杂，将不再成为约束发展的难题。

2）软硬件成本也随着PLC控制系统在高铁城铁控制、芯片制造/集成、晶圆生产/加工、电子厂房、医药厂房等核心工控设施管控领域攻城掠地的成功而得到大幅下降，另一方面由于工业级传感器的采用，及系统规模的提升，PLC软硬件设备的成本增加在整个控制系统内，绝对值和百分比值都得以大幅下降（以一个3000机柜4kw/柜的规模为例，其控制系统有效投资增量不超过10%）。

3）由于DDC设计师往往是经由简单培训或者训练而成，对于较深的控制需求定制，往往都无法响应；甚至由于DDC内置功能的固化，如果需要依据数据中心的独特需求而进行调整，涉及到全生态链的调整，而无法因一两个项目而得到重视和满足。而一个优秀的PLC设计师，无论需求如何复杂和难以实现，只要有需求就能及时响应和实现（不过是多加几天班的问题，不存在DDC设计师的权限问题及DDC研发工程师的因项目而特殊开发的成本和必要性问题）。

4）正是由于PLC对于实施及解决方案工程师提出了更高要求，导致必须用高薪聘请专业人员，而使得其人员输出能力的稳定性更高，专业人员对需求的理解更透彻，也使得系统可靠性得以提升。否则连一锤子买卖都无法完成，就会被市场直接淘汰了。而传统DDC往往由于较低的能力需求，导致较低的需求沟通效率；即使完成了较多项目，也无法表明其定制化需求满足能力的契合，可能仅是简单逻辑的重复堆砌；较低的薪资水平，也易使得人员波动较大，经常出现一个项目还没完成，核心项目人员就已经换了一茬的情况。

2.2.3系统复杂，便利性低可维护性差

1）便利性是针对运行团队而言，PLC由于深度定制性，调试后更契合项目使用特点和需求，将显著便于使用，减轻运行人工监管工作量；

2）涉及到程序内部故障和错误，将在程序编译试运行的第一阶段即被清除，要么无法运行；

3）涉及控制逻辑的错误，将在出厂前的逻辑测试阶段，即可通过错误的输出结果被发现，而进行调整改进；

4）对于只有驻场运维团队的企业，一样是看见报警通知相应的厂家或者维保团队处理；

5）对于原自有维保团队的企业，只是相当于多了一种新的设备需要学习和维护，如果不具备相应实力，将需要增加相应专业人员，或者将该设备及系统维保外包给具备维护能力的团队。

3PLC系统方案优势

3.1大型超大型数据中心暖通控制系统三超特点

随着①科学发展、可持续发展观的贯彻；②供给侧改革深化；③数据中心市场转向同质化自由竞争市场；④能效管控趋严，大型及超大型数据中心暖通控制系统越来越呈现：①超大规模、②超级定制、③超级复杂三超型控制需求。

1）超大规模：不仅体现在冷冻机房内外的设备规格越来越大，种类越来越多，也体现在一个项目或者一个园区内冷却系统数量也越来越多，甚至跨机房楼供冷，跨越数据中心园区向外输送中低品位热能等。另一个层面也体现在该类控制系统市场规模上，超大的市场规模有利于定制化转向标准化，实现化繁为简的神奇，孕育新的标准化和简单。

2）超级定制：①因项目所在城市、街区、客户类型各有不同；②因需要兼容至少未来六七年内智能化自动化少人无人化发展；③因适应未来人工智能接管监视与控制；④因客户管理团队水平⑤因高效及永续运行需求等而对量身定制提出了更高、更深入的定制型需求。

3）超级复杂：因①超大规模、②超级定制、③持续优化运营的需求而导致控制系统超级复杂。有很多朋友对于复杂的控制系统往往存在一定的误解，认为越复杂越不可靠。其实这是需求侧和供应侧错位的问题，简单举例：

我们用笔对着现实的场景画一幅画很简单（笔、纸、画家即可）而且可靠（在以前认为），但是我们已经是新时代了，拿相机对准一按就行了，对于使用侧很简单，现在相机就是我们的控制系统，用起来简单是正确的需求，但是要求制造（控制需求的实现）也能通过把一只笔和纸放进去这样类似的简单操作就能生产出来的需求合理么？另一方面一个普通画家和一个专业摄像头谁更能准确可靠简单无误的把多变繁复的现实监控下来？

DDC作为一种非常成熟及灵活性也非常不错的传统控制系统方案，在新的三超型控制系统需求面前，却渐显颓势。各种用户痛点及故障与事故，导致越来越多的客户无法完全信任传统控制系统，甚至有很多客户内心认为人是最后一道防线，比控制系统要更可靠。

3.2应用领域宽广

PLC控制系统作为可深度定制的白纸一张，已经广泛应用于几乎所有工控领域，对几乎所有类型的传感器及设备及元器件的监控均有成熟的应对方案。

大型超大型数据中心，出于优化运营的目的，在未来四五年内打通一个基地内多个机房的实时数据互通，一个机房内多个监控系统甚至是与IT监控系统、业务系统的实时数据互通，打通一个法人下甚至一个行业下的多种数据实时互通，成为一个可能性较大的需求，而那时已在数年前建成的PLC控制系统将在这方面体现出较大的兼容性和适应性优势。

3.3高可靠性

1）PLC控制系统本就是为工业控制而生，为了应对复杂的应用环境，往往均采用工业级元器件及传感器，其平均无故障运行MTBF均远高于常规楼宇级；基本均采用信号隔离措施，抗干扰能力强，面对高压设备、变频设备、整流逆变设备、旋转震动设备可靠性高；

2）为了应对复杂的控制需求，而虚位以待（空出一切功能以便定制），以求最大程度满足合理需求，进而提高系统可靠性目标；另一方面相关的成熟经验和积累又可以快速的进行复制。

3）更专业编程及实施团队保障需求及维护的及时响应，确保了高可靠性实现的人力可靠性准备；

4）在电力、钢铁、石化等高可靠工控领域以及高铁城铁、芯片制造/集成、晶圆生产/加工、电子厂房等高可靠暖通设施管控领域成功驱逐DDC控制系统，已能说明市场对于可靠性的选择倾向。

3.4高实时性

1）专业CPU，可支持更高计算速率；模块存储容量大，自带点位多，可支持更短扫描周期；

2）总线无需授权自动开放；

3）通讯速率高，数据刷新周期可达ms级别；

4）可支持模块热插拔，提高故障场景实时性；

5）变量、IO域、按钮、控件画面等可根据用户需求根据系统资源自由优化设置刷新周期，可避开资源限制分别提高相应需求实时性；

6）可支持触摸屏，支持人工干预实时响应性。