摘  要： 随着数字经济时代的到来，对数据中心的需求越来越大，如何实现冷源群控系统的快速交付，加快数据中心建设进程？东数西算工程对数据中心的PUE提出了新的要求，如何优化冷源群控系统的控制策略，实现控制策略验证后的节能优化？大量的数据中心建立后需要大量的运维人员，如何让运维人员快速了解、掌握冷源群控系统的维护工作？针对这些需求，本平台基于Dynsim动态模拟软件、Intouch数据采集与监视控制软件、Control Expert施耐德Modicon PLC编程软件搭建了数据中心冷源群控系统仿真平台。通过该仿真平台，可以实现：对冷源系统工艺设备进行数字化建模，实现数字孪生；根据热力学严格机理模型模拟冷源系统工艺设备的动态运行；优化和验证群控控制策略；冷源系统运维人员的培训练习。

关键词：数据中心；冷源群控；仿真；Dynsim；PLC

一、数据中心冷源群控系统仿真平台的介绍

数据中心冷源群控系统仿真平台基于Dynsim动态模拟软件、Intouch数据采集与监视控制软件、Control Expert施耐德Modicon PLC编程软件，根据群控控制策略、热力学严格机理模型，模拟冷源群控系统的动态仿真运行。

1.Dynsim动态模拟软件

Dynsim是第四代动态工艺建模软件解决方案，凝聚了流程模拟行业超过50年的研发和软件支持精华，所采用的技术已在由Simsci开发的超过100多个高保真度的操作员培训系统中得到应用，仿真精度达到95%以上。Dynsim是由AVEVA旗下Dynsim模拟器架构内的一个组件，是一个功能全面的、基于严格计算的、成熟的动态过程模拟系统，运用基于物理化学机理的技术和严格的热力学数据提供准确可靠的计算结果，用于解决从工程分析、控制系统和校核到操作员培训系统等工作中遇到的最棘手的动态模拟问题。Dynsim可通过集成的工程师／教员／操作员图形用户界面创建工艺模型，简单的拖动式技术还使得模型可在一个模块化的环境中进行创建和测试，从而为快速的模型开发提供支持。一套完善的装置操作模型，可使开发和调试与实际的工艺装置的性能和特征严密符合的高保真度的工艺模型。Dynsim不仅仅是模拟器，同时也是一个过程模拟和培训管理的集成器，在Dynsim的模型库中的每个对象不但含有物理化学属性，同时含有故障、快照和回放等培训功能。

2.Intouch数据采集与监视控制软件

InTouch是全球市场占有率领先的人机界面软件。用于模仿各类控制系统的操作界面。Intouch将所有HMI（人机界面）应用都看作是一个对象，并存储在系统组态数据库中，双击该对象模板或实例，能启动HMI开发工具InTouch WindowMaker进行人机界面应用的开发和修改。InTouch软件提供的图形可视化，可将业务管理、控制和优化提高到一个全新的水平。InTouch人机界面软件声誉在业内首屈一指。众所周知，InTouch软件作为HMI起步于30多年之前，拥有业界领先的创新，完善的架构，无与伦比的设备集成和连通性，不间断的软件版本升级和真正传奇的易用性。

3.Control Expert施耐德Modicon PLC编程软件

Control Expert软件是适用于 Modicon M340、M580、M580Safety、Premium、Momentum 和 Quantum 系列的通用编程、调试和操作软件。支持FBD（功能块图）、LD（梯形图语言）、SFC（顺序功能图）、IL（指令列表）、ST（机构化文本）等IEC61131标准的编程语言。Control Expert软件自带模拟器，利用其标准化对象或库、程序单元、现场设备集成和功能强大的调试和模拟工具，更快、更轻松地设计应用程序。

二、数据中心冷源系统仿真平台的功能

1.数据中心冷源系统工艺设备建模

Dynsim动态模拟软件拥有完整的模型库、传递函数库和工具库，见图1。根据数据中心冷源系统的工艺设备，完成在Dynsim动态模拟软件中建立数字化模型。本平台在Dynsim中建立三套制冷单元和三台二次冷冻水泵，每套制冷单元包含冷机、冷却塔、冷却水泵、板式换热器、一次冷冻水泵、管路、阀门及传感器。

图1 Dynsim动态模拟软件界面

（1）工艺设备参数以及特性曲线导入

根据实际的工艺设备参数以及特性曲线，导入到Dynsim对应的数字化模型中，以提高仿真模拟的准确度。图2、图3以冷却水泵的特性曲线导入为例。

图2 冷却水泵的特性曲线

图3 冷却水泵的特性曲线导入数字化模型

（2）快照功能

快照功能可以返回到当前模拟的早期时间点，复位到那时记录的所有数据和状态并重新开始模拟计算，见图4。有两种类型：backtracks和初始条件IC，其主要区别在于backtracks在用户定义的时间间隔点自动拍照，而IC则只是在用户做出动作时才拍照。利用这个快照功能，我们可以在Dynsim中设定特定的初始条件IC状态，通过改变PLC的控制策略，让Dynsim模拟计算出不同控制策略下冷源系统运行的结果，再通过这些不同的结果寻找出可靠的更节能的控制策略。制冷单元进入制冷模式的冷却水、冷冻水温度曲线见图5。

图4 初始条件IC拍照功能

图5 制冷单元进入制冷模式的水温趋势图

（3）故障干扰

故障干扰是一个不希望发生的、非正常的事件。比如阀门不按照给定命令动作等。故障干扰的引入是培训运维人员最重要的内容，它可以锻炼提高运维人员对冷源系统发生问题时的分析和正确反应的能力。在Dynsim中，可以创建任意数量的故障干扰，可以有选择性地保存下来以便重新调用。每个故障干扰直接影响一个模型对象（如泵、阀门、管路等等），用户选择了某个对象进行故障干扰，Dynsim则能显示一个自定义地串口，反映与该对象类型相关的故障特征。

2.数据中心冷源系统人机界面

人机界面Intouch，监视控制整套冷源群控系统的运行，显示冷源系统工艺设备的实时数据。如设备启停状态、阀门开度、冷却水温度、冷冻水温度、电机运行频率、冷机负荷率、末端压差等实时数据。冷源系统总体系统画面、单体制冷单元画面、蓄冷罐画面、二次冷冻泵画面等操作员画面切换，见图6、图7。冷源系统模式切换条件、加减机条件、时间轮巡等参数设置画面。

针对设备报警、故障维护处理，可以建立知识库，培训运维人员快速响应排查故障。

图6 人机界面冷冻站系统图

图7 人机界面一号制冷单元

3.数据中心冷源系统群控控制策略

数据中心冷源系统是一个复杂的大惯性、多变量、强耦合的系统，如同心脏一样为中心机房提供源源不断地冷源，保证设备的正常稳定运行。如何实现稳定安全且节能高效的群控控制策略，是当下东数西算工程中数据中心机房建设所面临的巨大挑战。

群控控制策略包含：不同模式下的启停控制、模式切换、加减机、时间轮巡、故障单元切换、蓄冷罐充放冷、冷机控制、冷却塔风机控制、冷却泵控制、一次二次冷冻泵控制、阀门控制等。

当我们提出优化的控制策略后，可以借助本仿真平台进行验证其稳定性可靠性。下面举例冷却泵在冷机制冷模式下控制策略优化过程。

在冷机制冷模式下，冷却泵的频率通常是由冷机自带的冷却水进口调节阀的开度来调节控制，见图8。

图8 制冷模式

当室外湿球温度小于一定温度后（必要非充分条件），制冷单元从冷机制冷模式切换到预冷模式下，为了提高板式换热器的换热量，冷却泵的频率切换由板式换热器冷冻水出水温度来调节控制，同时还要保证板式换热器冷冻水出水温度高于冷机允许的最低设定值以上，避免冷机进入再循环模式，见图9。

图9 预冷模式

当室外湿球温度小于一定温度后（必要非充分条件），制冷单元从预冷模式切换到自然冷却模式下，冷机已经被关闭，系统冷冻水出水温度就是板式换热器冷冻水出水的温度，为了保证系统冷冻水出水温度的稳定性，冷却泵的频率切换由板式换热器冷冻水出水温度来调节控制，见图10。

图10 自然冷却模式

制冷单元从冷机制冷模式切换到预冷模式的冷却水、冷冻水温度曲线如图11所示，蓝色是冷机冷冻水出水温度，红色是冷冻水回水温度，绿色是冷却塔冷却水出水温度，黄色是冷机冷却水出水温度。

图11 冷却水、冷冻水温度曲线

三、结语

数据中心冷源系统仿真平台的应用，可以通过Dynsim软件实现冷源系统工艺设备的数字化建模，结合Control Expert编程软件可以对冷源群控控制策略的进行联合调试，实现数据中心冷源系统的快速交付；利用Dynsim快照功能，设定初始条件IC状态，通过改变PLC的控制策略，寻找更可靠更节能的控制策略，使试验更具有针对性和方向性。利用故障干扰功能，结合Intouch图形化人机界面软件，实现故障报警快速排查的知识库管理。

作者简介：

周超，毕业于东北大学，工业自动化专业，本科学历。 2000年-2004年就职于北京冶金自动化研究院；2004年加入施耐德电气（中国）有限公司。

曹弘，毕业于华北电力大学，检测技术与自动化装置专业，硕士研究生学历。2020年加入施耐德电气（中国）有限公司。

范林川，毕业于昆明工学院，工业自动化专业，本科学历。 2001年加入施耐德电气（中国）有限公司。