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机房环境动力监控系统功能介绍及设计需求规划和选择

来源:中国绿色数据中心 作者:机房360 更新时间:2009-5-8 12:54:33

摘要:在信息化建设中,机房运行处于信息交换管理的核心位置。机房内所有设备必须时时刻刻正常运转,否则一旦某台设备出现故障,对数据传输、存储及系统运行构成威胁,就会影响到全局系统的运行。如果不能及时处理,更有可能损坏硬件设备,耽误业务系统运转,造成的经济损失是不可估量的。



  五、设计需求规划
  不同的机房用户,对机房内的设备数量、型号规格要求不一样,甚至使用习惯都不同,这就造成需求的千差万别,因此很难用固定不变的软件满足所有需求,二次开发是不可避免的。为了成功地进行二次开发,在机房环境动力监控项目的实施过程中,特别需要和用户有良好的技术沟通。
  一般按照如下几个步骤进行环境动力监控的规划和实施。
  (一)确定需要监控的对象
  首先应该明确系统中需要监控的设备和项目。
  (二)确定监控对象的信号类型
  监控对象虽然多,但信号类型只分为三类:开关量信号、模拟量信号、智能设备信号。(1)开关量信号。这类信号只有两个状态,比如配电柜开关只有合闸和分闸两种状态。属于开关量信号的有:配电开关、防雷器状态、新风机、排风机、消防信号。采集到的原始信号需要将其进行数字化转换。在机房环境中,目前主流方法是采用分布式I/O采集模块来实现。由于配电开关只监视,不需要控制,因此需要采用DI输入模块,将开关量状态转化为0、1的数字信号状态。每个模块根据型号和厂家的不同,可以同时检测4~32路开关信号。这里采用8路输入的型号。
  (2)模拟量信号:模拟量是连续变化的信号,采集的过程就是进行模拟到数字信号的转换和传输的过程。模拟量信号转换模块一般有4~8路输入信号,这里我们采用8路输入的模块。上面的监控对象中,房间的温湿度就是典型的模拟信号。
  (3)智能设备:智能设备的检测和数字编码工作由已经内置的单片机自行完成,设备上提供通信接口,监控系统只是与其进行通信连接,将信号传输到监控主机上解码。在上面的需求中,UPS电源、空调、发电机、电量仪、定位漏水控制器属于智能设备。
  需要注意的是,由于设备种类众多,具体的信号类型需要根据具体设备来确定,本例主要针对常见情况,并不代表所有情况。
  (三)确定监控对象的信号采集方法
  信号的采集过程分为几个环节:实际信号一电信号的转换;电信号一数字信号的转换。
  l.UPS电源(包含直流电源)
  UPS电源和直流电源均带有电池,对计算机起到提高电源质量、停电后持续供电的保障。作为机房供电的核心设备,它们的运行安全在某种意义上甚至比不少计算机服务器还高。因为一旦UPS宕机,则整个机房都将瘫痪,业务系统停止工作。所以安全性要求较高的单位如金融、政府、电信等单位元一例外全部采用有热备份的UPS配置。但即便如此,时刻监视UPS的运行状况依然非常必要。通过由UPS厂家提供的通讯协议及智能通讯接口,对UPS进行监控,对UPS内部整流器、逆变器、电池、旁路、负载等各部件的运行状态进行实时监视,一旦有部件发生故障,系统将自动报警。并且实时监视UPS的各种电压、电流、频率、功率等参数,并提供直观的图形界面显示。
  机房环境中对于UPS的监控一律采用只监视,不控制的模式,避免由于监控系统的失误带来的断电风险。
  UPS在机房监控中属于智能设备。目前UPS普遍带有RS232C或RS485接口作为监控接□,一些UPS还支持通过网络访问的SNMP协议接口。由于串行接口更为普及,机房监控系统普遍采用RS232C或RS485串门进行通信,采集设备的运行数据。
  当UPS接口为RS232时,从UPS将数据传送到监控主机的通信线路距离应不超过15m。在大多数机房中,这个距离是无法满足的。于是就需要采用RS232/485转换器,将232信号转换为485信号后传输,这样就可以支持1000m以上的传输距离。满足几乎所有本地机房监控的需求。
  在监控主机一侧,信号线直接接入多串口扩展卡上,从而完成了线路的物理连接。需要注意的是,如果设备侧采用485接□,主机侧也需要采用485接口,两端的电气接口类型应保持一致。
  以上连接模式中,主要需要两种设备:R5232/485转换器和多串口扩展卡。
  RS232/485转换器:建议采用带光电隔离型的,有利于设备的安全。
  多串口扩展卡:用在监控主机上。主机一般自带1~2个RS232C串口,但在监控项目中一般都不够用,因此需要通过扩展卡来扩展本机的串口数量。

  电池部分
  在一个UPS不间断电源系统中,可以说蓄电池是这个系统的支柱,没有电池的UPS只能称作稳压稳频电源。UPS能够实现不间断供电,就是因为有了蓄电池的存在,在市电异常时,逆变器能够直接将蓄电池的化学能转换成交流电能,使负载设备得以连续运行。
  目前,中小型UPS电源广泛使用的是免维护密封铅酸蓄电池,通常占据UPS电源总成本的1/4一1/2之多。不仅如此,长期的维修经验表明,约有50%以上的UPS电源故障与UPS蓄电池有关。UPS蓄电池的故障主要表现为端电压不够、容量不足或瞬间放电电流不满足负载启动要求等。
  一般正常使用的UPS,其蓄电池寿命通常在3一5年,但是目前国内有相当部分UPS蓄电池在投入使用不到1年就开始出现问题,更有甚者,有些进口品牌UPS的国产电池刚买来就失效的情况也时常发生。这一方面是由于蓄电池在制造工艺上存在先天的缺陷,另一方面也是由于缺乏必要维护所造成的。值得注意的是,许多使用UPS的单位由于缺乏必要的、定期的检测维护措施,根本不清楚UPS系统中蓄电池的工作状况,为UPS系统运行留下隐患。ups蓄电池定期测量各块蓄电池的端电压。当各块蓄电池电压差过大时,需要进行均衡充电,并定期对蓄电池进行容量测试,以便检查蓄电池组的性能以及保持蓄电池的活性。在实际运用中,由于各种条件的限制,UPS蓄电池的维护很少有人完全按照标准进行。在国内有95%以上的UPS电池缺乏必要的维护,这为UPS供电系统埋了隐患;一般UPS蓄电池是装在柜子里或放在地板下,测量、拆装都不方便;现在98%以上的UPS蓄电池没有安装监控设备,维护人员通常所能进行的只有每隔一段时间,断开市电让UPS蓄电池放电一段时间,充其量只是能够一定程度上保持电池的活性,而对于电池的性能以及各节蓄电池的容量等重要数据还是无从知晓。如果不能妥善地管理使用蓄电池组,如过度充放电或电池老化等现象都会导致电池损坏或电池容量急剧下降(即便只有一节电池性能恶化,也会严重影响整组电池的性能),从而影响设备的正常供电。因此,及时可靠地对蓄电池组进行巡回检测,对于维护负载设备的正常运转具有十分重要的意义。为此,需要通过在线式电池监测仪、直流电流传感器等设备对UPS蓄电池进行监控,对电池故障进行预警;鉴于温度对蓄电池容量与寿命有很大影响,应使用微型温度传感器对蓄电池的工作温度进行监测。一且蓄电池异常,将自动切换到蓄电池监测画面,并伴随有报警声音和相应的处理提示。
  在线式电池监测仪通常采用分布式结构,每只电池配备一个电池检测模块,每组电池配备一个电池组参数检测模块,每台用户设备(最多两个电池组)配备一台控制器。电池检测模块负责监测电池的运行参数端电压、电池表面温度和电池参数内阻,电池端电压和温度以数模转换并采用过采样算法而获得。内阻采样时模块中的激励单元产生lOHz、2A的恒幅交流信号,经过数字加权滤波算法,滤去千扰信号并算出信号的幅值即是电池的内阻值。由于电池端电压因激励而产生的波动量级在数十微伏至数十毫伏之间且频率很低,与开关电源的纹波和噪声达几百毫伏和几十千赫兹相比,监测系统不会对用户系统产生影响。
  2.空调设备
  机房的特点之一就是设备密集,发热量大。因此,空调对控制机房的温湿度起着决定性作用。当机房温度超过25℃后,一些计算机、网络设备就会发出报警。机房空调停止运行2h左右,机房温度就会从20℃升到30℃以上,此时计算机设备运行可靠性大为降低。对空调运行状态进行监控可以使空调设备稳定运行,保证机房温湿度的稳定、可靠。通常对空调系统采用RS485接口进行数据采集。通过实时监控,能够全面诊断空调运行状况,监控空调各部件(如压缩机、风机、加热器、加湿器、去湿器、滤网等)的运行状态与参数,并能够通过管理软件远程修改空调设置参数(温度、湿度、温度上下限、湿度上下限等),以及对精密空调的重启。监控系统一且监测到有报警或参数超出范围,将自动切换到相关的运行画面,并伴随报警声音和相关处理提示。对重要参数,可作曲线记录,用户能够通过曲线记录直观地看到空调机组的运行情况。空调机组即便有微小的故障,也可以通过系统检测出来,及时采取措施防止空调机组进一步损坏。
  3.漏水检测
  大多数机房的设计采用的是地板下走线方式,强电、弱电、接地线、电缆通常纵横交错。一旦发生地板漏水,管理人员难以及时发现,漏水将威胁着整个机房负载。因此对机房内的漏水状态进行实时的监测是十分必要的,很可能造成电气线路及计算机短路,烧毁设备,中断系统运行,危害极大。因此在规划机房时应避免无关水管经过机房。从实际运行经验来看,机房发生漏水的原因主要有以下几种。
  (1)由于必须的空调系统,机房内不可避免地需要布置空调的上下水管,从而形成隐患。
  (2)由于外墙窗户或外墙穿墙孔洞(如空调孔,电气孔等)密封防水处理不好造成下雨时漏水。
  (3)当机房外走道上或大楼其他地方由于某些原因发生强烈漏水时(如消防爆管),水会通过门、墙角等处涌进机房。
  (4)楼上漏水,造成机房顶部滴漏。
  防止水患应采取主动和被动两种措施,主动措施是在机房规划时就减少漏水隐患;被动措施就是万一发生漏水,能在第一时间发现并采取措施。采用漏水检测系统可实现该目的。
  漏水检测系统分定位和不定位两种。所谓定位式,就是指可以准确报告具体漏水地点的测漏系统。不定位系统则相反,只能报告发现漏水,但不能指明位置。系统由传感器和控制器组成。控制器监视传感器的状态,发现水情立即将信息上传给监控PC。测漏传感器有线检测和面检测两类,机房内主要采用线检测。线检测使用测漏绳,将水患部位围绕起来,漏水发生后,水接触到检测线发出报警。由于活动地板在机房内普遍使用,各种水管在地板下布置,一旦发生漏水,往往无法及时发现。在配置漏水检测线时,如果漏水隐患(通常是水管)在地板下分布范围较厂,建议采用定位式检测,否则难以迅速找到泄漏点。如果隐患范围集中,则建议采用不定位式,简单经济。

  4.配电系统
  配电系统监测主要是对配电柜的运行状况进行监测,其中又分两部分监测内容。
  用电情况监视:主要对配电系统的电压、电流、功率等参数进行监视。当一些重要参数超过危险界限后进行报警。
  配电开关的状态监视:配电开关控制着设备的电源,当其故障跳闸时应尽快发现并快速排除故障。
  配电柜的开关状态一般可采用两种方法来反映:第一种是需要检测的重要开关自身带有辅助触点,可直接采集辅助触点的无源信号(干接点)来反映开关状态;第二种是通过检测开关下端的电压有无来间接判断上面的开关是否合闸。由于辅助触点和开关是机械联动的,显然前一种办法最为直接准确,但需要注意,开关的辅助触点往往是选配件,在供配电设计时最好一并配置。后一种办法在开关前级停电的情况下则会认为开关"分闸",此时就会误报。为此,还需要结合前级电源的有无才能真实反映开关实际状况。从这个例子中可以看到,对被监测设备的了解是关键的一步,只有充分了解被监视设备的特性,才能确定正确的监测方案。
  采用电量仪或电压电流传感器以及模拟量模块能够组成配电参数监测系统。电量仪是集三相相电压、相电流、线电压、线电流、有功、无功、频率、功率因数等参数于一体的智能仪表。将仪表带有的报警功能和智能通讯接口与监控系统相连,监控系统通过分析处理仪表采集的参数,使得管理人员能够非常方便地读取配电系统的电流、电压等运行数据,了解供电质量情况。通过分析配电系统运行参数存有的历史数据和曲线图,分析故障的原因,甚至可以预防很多事故的发生。
  5.发电机
  通过串口通信的方式进行监控,需要发电机的串口通信协议。
  6.机房实际温湿度
  机房内安装的负载设备,其正常运行对环境温湿度有比较高的要求。良好的温湿度控制,对充分发挥计算机系统的性能,延长机器使用寿命、确保数据安全性以及准确性是非常重要的问题。
  计算机设备中,.通常使用了大批的半导体器件、电阻器、电容器等。在计算机加电工作时,环境温度的升高部会对它们的正常工作造成影响。当温度过高时,可能会导致某些元器件不能正常工作甚至完全失去作用,进一步导致计算机设备的故障。因此,必须按照各种设备的要求,把温度控制在设定的范围之内。
  为了确保计算机安全可靠地运行,除严格温度控制之外,还需要把湿度控制在规定的范围之内。一般地讲,相对湿度低于40%时,空气被认为是干燥的;而相对湿度高于80%时,则认为空气是潮湿的;相对湿度为100%时,空气处在饱和状态。
  在相对湿度保持不变的情况下,温度越高,水蒸气压力增大,水蒸气对计算机设备的影响越大。由于水蒸气压力增大,在元器件或由介质材料表面形成的水膜越来越厚,可能造成"导电小路"和飞弧现象,引起设备故障。
  高湿度对电子计算机设备的危害是明显的,而低湿度的危害有时更加严重。在相同的条件下,相对湿度越低,也就是说越干燥,静电电压会越高,影响电子计算机设备的正常工作越明显。实验表明,当计算机机房的相对湿度为30%时,静电电压为5000v,当相对湿度为20%时,静电电压为10000v,而相对湿度降到5%时,则静电电压可高达20000v。
  虽然在精密空调中已经能够读到空调的回风温度参数,但对于较大面积的机房或有多个设备房间的机房(特别是有些还没有做到全部使用精密空调的机房),空调的回风温度并不能准确代表房间内的实际温湿度,而只是一个回风的平均值。因此可能回风温度是合乎标准的,但某些房间或某些区域的实际温度反而超标,也就是温湿度均匀性不好。
  所以在机房的各个重要位置,需要装设温湿度检测模块,记录温湿度曲线供管理人员查询。一旦温湿度超出范围,即刻启动报警,提醒管理人员及时调整空调的工作设置值或调整机房内的设备分布情况。另外,监控系统将记录下机房的温湿度曲线,供机房管理人员参考。管理人员能够根据当地的各季节的温湿度状况进行适时的调整;及时防范因温湿度变化造成不必要的设备损坏;在问题发生后可根据历史曲线轻松找到问题所在,快速解决问题。
  传统的温湿度检测方式为温湿度传感器输出电压或电流信号,通过模拟量采集模块传送至计算机,其电压或电流信号在传输过程中不可避免地受到线材质量、传输距离、电磁干扰等影响,造成不可避免的误差。为确保温湿度检测值不至于受上述因素的影响,应选用总线式温湿度传感器,传感器把检测到的温湿度数据在本地直接转换成数字信号,再传送给系统,最大限度地保证了温湿度检测的准确性。
  通过加装温湿度传感器,采集机房内各个区域的实时温湿度,提供机房关键位置准确的实时温湿度值。管理员通过了解机房实时温湿度状态,调节送风口、合理设定空调的运行参数,尽可能让机房整体的温湿度趋向合理,确保机房设备的安全稳定运行。
  7.通风系统通风系统监控主要包括新风系统和排风系统的监控。
  (1)新风系统。机房内使用的新风机的过滤器过滤级别达到了中效甚至是亚高效,因此比较容易发生堵塞,影响机房的新风供应量。因此,监测系统一般要对过滤器状况进行监视,这可通过压差开关来实现。当过滤器太脏时监测系统发出报警,提醒尽早更换。同时系统对风机的运行状况进行监视,当风机发生故障时及时报警。风机运行状态可通过检测风机电机是否有电来检测,也可通过增加压力传感器来实现。这两个方法中,压力传感器监测最为直接准确。风机故障还可以通过风机电源的有无和压力传感器两者共同作用来检测,或者对风机的热保护继电器状态进行监视。
  新风系统一般还设计有远程启动功能,能在机房之外的区域执行新风机的启动或停止操作。
  新风的联动控制:可以在机房内设置CO2传感器,通过检测机房内CO2的浓度实现风机的联动控制。当浓度超标时,自动启动风机;浓度达标则自动停止。
  (2)排风系统。对排风系统监视的内容和新风系统基本一样,只是排风机的过滤器过滤级别较低,一般不进行特别监视。
  8.防雷系统
  由于机房所具有的特殊功能,防雷系统的工作状况显得尤为重要。一旦防雷模块被损坏,或发生其他故障,机房负载设备将会处于假保护状态,此时一旦发生雷击必然造成非常严重的损失。如果采用的防雷系统具有智能监控接口,可以通过生产厂家提供的通讯协议来实现完美的监控功能;如果采用的防雷系统仅支持开关信号输出,则需要通过开关量采集模块来实现对防雷模块工作情况的实时监测,通常只有开和关两种监测状态。
  9.消防系统
  对消防系统的监控主要是消防报警信号、气体喷洒信号的采集,不对消防系统进行控制。有两种方法实现消防信号的采集:按消防报警控制器厂家的通信协议进行通信采集或者干接点采集。采用通信监控可以检测到每个探头的报警情况,是理想的解决方案。但需要注意的是,在实际项目中,由于消防报警控制器的通信协议不开放,往往无法实施。此时就只能采用于接点采集,但不能具体监视到每个探头,建议按房间进行监视。
  10.视频监控
  数字视频监控系统采用MPEG4视频压缩方式,集多画面测览、录像回放、视频远传、触发报警、云台控制、设备联动于一体,并具备以下特点。
  (1)定制视频组件。在视频系统组件中,视频实时窗口、录像回放窗口、远程接受窗口、球机(云台)控制窗口都作为控件无缝嵌入,操作人员能够自行定义视频窗口的数目、摆放位置、窗口大小、播放器界面等,满足不同的个性化需要。
  (2)报警联动功能。视频系统可由外部的输入信号进行联动,如双鉴探头、门磁或由自身设备支持的"移动报警"功能进行录像。录像时段也可以由操作人员自行设定,任意一路视频均可实现远程传输。视频一旦报警,可同时与其它设备进行联动,输出相应的控制信号。
  (3)web管理。视频系统集成的w乱功能,用户通过远程测览器看到的是与本地监控系统完全一样的组件界面,井能够实现同样的监控功能,保证了界面控制的一致性。
  (4)视频流量控制。远程图像采用MPEG-4压缩方式(视频质量为25帧/秒、352X288分辨率),理想状态下的视频传输每通道约占用250k带宽,视频系统可以通过调整画面质量、每秒帧数或显示分辨率等参数来满足不同带宽的需要。
  11.门禁监控
  在机房区域重要位置安装门禁系统,以便对出入人员进行有效监控管理,出于安全考虑,门禁系统设计时采用控制与读卡分开的结构。门外安装读卡器,室内隐蔽处安装门禁系统控制器,防止有人通过技术手段破坏并非法进入。
  门禁系统由控制器、感应式读卡器、电控锁和开门按钮等组成(联网系统外加通讯转换器)。读卡方式属于非接触读卡方式,持卡人只要将卡在读卡器有效范围内晃动一次,读卡器就能感应到有卡请求验证并将卡中的信息发送到主机,主机将检查卡的有效性,然后决定是否进行开门。
  感应卡为只读属性、不易复制、安全可靠、寿命长(非接触读卡方式减少了感应卡机械磨损)。使用通信转接器与监控系统联网后,监控中心能够实时监控门禁系统的状态,并对门禁系统的历史数据进行处理、查询、报表输出等。
  非接触感应式门禁系统主要优点如下。
  (1)非接触式Ic卡与读写器之间无机械接触,磨损和故障。从而避免了由于接触读写而产生的各种问题。
  (2)非接触式卡表面无裸露的芯片,无需担心芯片脱落、静电击穿、弯曲损坏等问题。
  (3)每张卡均有唯一的序列号。制造厂家在产品出厂前己将序列号固化,不可再更改,序列号具有唯一性。芯片内有几十亿组密码组合,因此复制的可能性极小。
  12.网络设备与应用系统监控
  监控系统主机通过网络与路由器、服务器、小型机等建立通讯联系,直接从这些网络设备中获取各种信息,通讯过程采用国际上通用的简单网络管理协议(SNMP),无需在网络;设备上添加任何应用程序,即可监控机房内服务器、路由器、工作站及其他网络设备的工作状态;记录网络设备的启停时间、网络流量;统计通讯繁忙程度、通讯可靠性;提供网络通讯状况的详尽资料,辅助管理人员预先发现网络问题隐患,保障网络系统的安全可靠性。同时,由于采用的是通用协议,也给系统后期的扩容和升级带来极大方便。
  13.系统通信的监视
  环境动力监控系统也可能发生模块故障或通信故障等问题,因此需要对系统自身的通信情况实时监控,确保系统可靠运行。
  采集模块与智能设备间的通信:可单独设置一个记录上位机和设备间通信成功次数的计数器,在上位机软件中对计算器的读数变化进行判断即可。
  
  (四)确定智能设备的控制参数
  智能设备是监控系统数据采集中的难点。首先应保证设备有通信接口,因为部分设备的通信接口是选购件,用户采购设备时不一定都带有。要得到通信协议,只能通过设备厂家。其次,对协议的分析是最关键的一环,在分析协议前需要对设备进行了解以便能够理解各个参数的含义,重点是了解协议中提供的参数并规划出需要采集的信息。一份完整的协议中有十到数百个参数,可分为报警参数、运行参数、设置调试参数,其中报警和运行参数是主要要采集的,而设置调试参数则往往是厂家工程师进行调试所用,大多数参数对用户并没有多少实际意义,可以不考虑。比如精密空调的设置参数,用户一般只需要了解设置的温湿度和报警上下限值就够了。
  (五)确定系统所要实现的功能
  前面已经介绍了系统常用的功能。在每个具体项目中,需要与用户进行良好的沟通,确认最终要实现的系统功能。
  (六)确定采用的通信解决方案
  这里采用常用的现场采集模块配合RS485通信的模式。模拟量和开关量共用一条总线,其余的智能设备每台占用一条总线。
  (七)确定软件的集成开发平台
  考虑到灵活性和开放性,可以采用组态软件。

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