臺灣博碩士論文加值系統

本研究利用PID控制器和可程式控制器(PLC)聯結機櫃冷卻系統進行控制研究，根據設定過熱度值與實際蒸發器冷媒過熱度值之變化，研究如何能以快速準確及穩定達到控制目標值，並藉由試車實驗方式進而探討該系統之效率。本研究研發之機櫃冷卻系統屬於閉迴路(In-Row)之系統，使用電子式加熱器來模擬IT設備機櫃之發熱量，以產生系統負載IT，當與本機櫃冷卻系統並列後，即可達到循環散熱效果。本研究將PID控制程式撰寫於電腦中，再利用可程式控制器(PLC)監控各冷媒迴路狀態點，並傳遞給電腦進行PID運算，運算後找出最佳PID參數再回傳給可程式控制器(PLC)控制電子式膨脹閥開關，以達到最佳的蒸發器過熱度控制。
實驗過程中以定冷卻水溫與變冷卻水溫等兩組條件來進行實驗，在不同負載匹配下，找出機櫃之操控範圍，並藉由電源使用效率指標PUE，評估機櫃冷卻系統之最佳操作點，使系統運轉達到節約能源之目標。
實驗結果得知，在定冷卻水溫實驗下最大負載的PUE為1.47，而在變冷卻水溫實驗下PUE為1.42，此結果與國內機房實際量測PUE平均值為1.9，和美國ASHRAE之300RT 等級之標準PUE值為1.52相較之下，其機櫃冷卻系統之電能使用效率皆優於國內外之案例。

This study aims on the application of Programmable Logic Controller (PLC) associates with PID control on Rack Cooling system. In order to achieve the target point accurately, steadily and faster, the controller is designed based on the variation characteristic between the superheated temperature set point and the actual superheated temperature. The rack cooling system is a closed loop (In-Row) system. The IT equipment cooling load in the rack is simulated by electric heater, which can be removed by the rack cooling system if IT rack is tied with cooling system rack. This research used the PLC controller to monitor the operating parameters and pass the parameter values to the computer. Once the optimum PID parameters were calculated by computer program, the control signal was sent back to the PLC for the optimum superheat control of electronic expansion valve of the evaporator.
In the research, Power Usage Effectiveness (PUE) was used to evaluate the optimum operating point of the cooling system for different condenser water temperature and cooling load for the sake of energy saving.
The results show that the PUE could be 1.47 at maximum cooling load point, and 1.42 at lower cooling water temperature. This maximum PUE is much better than the average PUE 1.9 of the surveyed data in Taiwan and also better than the PUE 1.52 of ASHRAE for a 300RT cooling system.

摘　要 i
ABSTRACT ii
誌　謝 iii
目　錄 iv
表目錄 vi
圖目錄 vii
第一章 緒論 1
1.1 研究背景與動機 1
1.2 文獻回顧與探討 2
1.3 研究目的 6
第二章 系統辨識與PID控制方法 7
2.1 系統辨識 7
2.2 Ziegler-Nichols法則 9
2.2.1 頻率響應法 9
2.2.2 步階響應法 11
2.3 傳統PID控制 12
2.3.1 PID控制架構 16
2.3.2 PID控制器應用 18
第三章 IDC設備類型與能源效率 21
3.1 IDC機房空調系統類型 21
3.1.1 外氣預先處理空調系統 21
3.1.2 直膨式空調系統 22
3.1.3 中央空調系統 23
3.2 IDC機房空調設計與送風方式 25
3.2.1 高架地板送風方式 27
3.2.2 頂板(天花板)分配方式 28
3.2.3 出風口的配置 29
3.3 IT設備散熱方式 30
3.3.1 冷熱通道概念 30
3.3.2 IT風扇擺設位置 33
3.3.3 背板式冰水熱交換系統 34
3.4 IDC能源效率評估方式 35
第四章 實驗設備介紹 37
4.1 設備與系統配置 37
4.1.1 機櫃冷卻系統之架構 37
4.1.2 實驗設備簡介 40
4.1.3 控制與通訊 45
4.2 量測方法與位置 47
4.2.1 量測設備 48
第五章 結果與討論 54
5.1 機櫃冷卻系統PID控制 54
5.2 定冷卻水溫實驗結果 56
5.2.1 定冷卻水溫結果分析 57
5.3 變冷卻水溫實驗結果 58
5.3.1 變冷卻水溫結果分析 59
第六章 結論 61
6.1 研究結論 61
6.2 後續研究建議 62
參考文獻 63

[1]J. G. Ziegler, N. B. Nichols, “Optimum settings for automatic controllers”, Tran. ASME, Vol. 64, pp.759-768, 1942.
[2]L.Hua, S.K. Jeong, S.S.You,Feedforward control of capacity and superheat for a variable speed refrigeration system, Applied Thermal Engineering 29 ,2009, pp.1067–1074.
[3]F.Mnif, New tuning rules of PI-like controllers with transient performances formonotonic time-delay systems, ISA Transactions 47 ,2008,pp.401–406.
[4]Mingfang Du, Tongshun Fan, Wei Su, Hongxing Li ,Design of a New Practical Expert Fuzzy Controller in Central Air Conditioning Control System, 2008, IEEE Pacific-Asia Workshop on Computational Intelligence and Industrial Application.
[5]S.Soyguder, M.Karakose,H.Alli, Design and simulation of self-tuning PID-type fuzzy adaptive control for an expert HVAC system, Expert Systems with Applications 36 ,2009,pp.4566–4573.
[6]S.Soyguder , H.Alli,Predicting of fan speed for energy saving in HVAC system based on adaptive network based fuzzy inference system, Expert Systems with Applications 36 ,2009, pp.8631–8638.
[7]C.Kurkjian , " Air conditioning design for data centers, "Accommodating current loads and planning for the future, EYP Mission Critical Facilities, 2006.
[8]張奇、黃怡娟、吳善同、朱南勳，「綠化關鍵分析」，MIC, 2008。
[9]S. Shrivastava, B. Sammakia, R. Schmidt, and M. Iyengar,“Comparative analysis of different data center airflow management configurations”, Proceedings of the ASME InterPACK ’05 Conference, San Francisco, CA, paper IPACK2005-73234, 2005.
[10]Suhas V. Patankar and Kailash C. Karki, Ph. D. “Distribution of Cooling Airflow in a Raised-Floor Data Center,” ASHRAE Transactions,Vol.110,Part 2. 2004, pp.629~634.
[11]S. Bhopte, B. Sammakia, R. Schmidt, M. Iyengar, and D. Agonafer,“Effect of under floor blockages on data center performance”, Proceedings of the inter society conference on thermal phenomena(ITherm), San Diego, CA, MAY 30-June 2, 2006.
[12]J. VanGilder, and R. Schmidt,“Airflow uniformity through perforated tiles in a raised floor data center”, Proceedings of the ASME InterPACK ’05 Conference, San Francisco, CA, paper IPACK2005-73375, 2005.
[13]S. Patankar, V., and K.C. Karki,“Distribution of cooling airflow in a raised flow data center”, ASHRAE Transactions 110(2):629-34, 2004.
[14]G.Malone,Data Center TCO Benefits of Reduced System Airflow,IEEE 1199-1202.
[15]Cullen E. Bash, Chandrakant D. Patel, Ratnesh K. Sharma Hewlett-Packard Laboratories,Dynamic Thermal Management of Air Cooled Data Centers,2006 IEEE 445-452.
[16]謝閔宏，一階具時間延遲系統以實驗方法進行PI/PID控制器的微調，碩士論文，國立屏東科技大學，機械工程所，屏東，2001年。
[17]ASHRAE,ASHRAE Handbook - HVAC Applications,Data Processing and Electronic Office Areas,2007,pp.17.1-17.16.
[18]鄧南平，Data Center 消災延壽節能法門，IBM Corporation，2007年。
[19]李魁鵬，王獻堂，朱國權，吳建德，電機月刊，綠色資料中心國際現況與技術，不斷電系統與電源供應裝置專輯，第223期，2009年。
[20]邵文鶴，資料中心機櫃冷卻系統之研究與開發，碩士論文，國立臺北科技大學，能源與冷凍空調系所，台北，2009年。
[21]許富春，滿液式變頻冰水主機之模糊PID嵌入式控制器研究，碩士論文，國立臺北科技大學，能源與冷凍空調系所，台北，2008年。
[22]吳建德，電腦機房空調氣流分析與節能潛力評估，碩士論文，國立臺北科技大學，能源與冷凍空調系所，台北，2009年。
[23]郭誌宏，節能外氣空調系統之研究與開發，碩士論文，國立臺北科技大學，能源與冷凍空調系所，台北，2008年。
[24]陳湢文，變頻螺旋式冰水機節能效益之研究，碩士論文，國立臺北科技大學，能源與冷凍空調系所，台北，2008年。
[25]黃崇傑，網路資料中心內密閉式伺服器機櫃散熱節能分析研究，碩士論文，國立臺北科技大學，能源與冷凍空調系所，台北，2008年。
[26]劉偉忠，資訊管理系統機房空調箱最佳運轉模式分析，碩士論文，國立臺北科技大學，能源與冷凍空調系所，台北，2007年。
[27]蘇泓霖，機櫃冷卻系統蒸發器之模糊PID控制研究，碩士論文，國立臺北科技大學，能源與冷凍空調系所，台北，2010年。
[28]張碩，自動控制系統，台北：鼎茂圖書出版股份有限公司，2003，第8.14-8.17頁。
[29]蘇金佳譯，冷凍與空調，台北：美商麥格羅．希爾國股份有限公司，2006。
[30]陳正義，開放式可程式控制器程式設計與應用，台北：全華科技圖書股份有限公司，2004。
[31]洪志育、允成科技，富士人機介面，台北：新文京開發出版社，2003年。
[32]雙象貿易股份有限公司譯，三菱可程式控制器FX2N中文使用手冊，台北：雙象貿易股份有限公司，2006年。
[33]雙象貿易股份有限公司譯，三菱可程式控制器類比模組 中文使用手冊，台北：雙象貿易股份有限公司，2006年。
[34]黃聖凱，應用於滿液式變頻冰水主機之即時自我調整PID策略及控制器開發研究，碩士論文，國立臺北科技大學，能源與冷凍空調系所，台北，2011年。