Система автоматичного керування гідромодулем охолодження дата-центру
DOI:
https://doi.org/10.15588/1607-6761-2026-1-6Ключові слова:
електрична інженерія, автоматизація, система керування, цифровий двійник, моделювання, Siemens S7-1200, система охолодження, дата-центр, моніторинг, енергоефективністьАнотація
Мета роботи. Розробка та дослідження системи автоматичного керування гідромодулем охолодження дата-центру на основі промислового контролера Siemens S7-1200 із впровадженням концепції цифрового двійника в середовищі MATLAB / Simulink для забезпечення прецизійної стабілізації температурних режимів за змінного теплового навантаження.
Методи дослідження. Математичне моделювання на основі диференціальних рівнянь, імітаційного моделювання, класичні методи теорії автоматичного керування.
Отримані результати. Розроблено комплексну математичну модель гідромодуля, що адекватно відтворює нелінійні теплофізичні процеси взаємодії між первинним та вторинним контурами охолодження. Створено інтегровану архітектуру керування, де реальний мікропроцесорний контролер здійснює керування віртуалізованим об’єктом у контурі імітаційної моделі. Шляхом чисельного моделювання встановлено, що розроблена система забезпечує підтримку цільових показників мікроклімату з високою прецизійністю та нульовою статичною похибкою. Аналіз перехідних процесів підтвердив аперіодичний характер регулювання при екстремальних збуреннях теплової потужності.
Наукова новизна. Отримала подальший розвиток методологія проєктування інтелектуальних систем автоматичного керування теплотехнічними об’єктами на основі концепції Digital Twin із безпосередньою інтеграцією реального промислового контролера у віртуальний контур керування. Для гідромодуля охолодження дата-центру запропоновано архітектуру, у якій Siemens S7-1200 функціонує в режимі апаратно-програмного зв’язку з імітаційною моделлю, реалізованою у середовищі MATLAB / Simulink, що забезпечує двосторонній обмін даними через протокол ISO-on-TCP у реальному часі. Отримали подальший розвиток методи предиктивного аналізу енергоефективності систем охолодження за рахунок перенесення етапу налаштування регуляторів у віртуальне середовище з апаратною верифікацією алгоритмів. Показано, що запропонована система забезпечує аперіодичний характер перехідних процесів та нульову статичну похибку при збуреннях теплової потужності.
Практична цінність. Створено інструментарій для безпечного та економічно доцільного налагодження систем автоматизації гідромодулів охолодження дата-центрів без ризику пошкодження дороговартісного обладнання. Запропонована система дозволяє: забезпечити стабілізацію температури вторинного контуру з похибкою, що не перевищує 5 %; досягти аперіодичного характеру регулювання з постійною часу T = 20 с; підвищити енергоефективність та надійність роботи насосного обладнання; зменшити витрати на пусконалагоджувальні роботи за рахунок попереднього тестування алгоритмів у цифровому двійнику. Розроблені рішення можуть бути інтегровані в автоматизовані системи керування великих центрів обробки даних, а також масштабовані для багатомодульних конфігурацій із синтезом алгоритмів перерозподілу навантаження між кількома джерелами холоду.
Посилання
Pupena, O. M., Elperin, I. V., Lutska, N. M., & Ladani-uk, A. P. (2011). Promyslovi merezhi ta intehratsiini tekhnolohii v avtomatyzovanykh systemakh. Kyiv: NUKHT.
Marica, M. C., Bizon, N., & Bostan, I. (2025). Real-time pick-and-place digital twin in Unity for Industry 4.0. In Proceedings of the 17th International Con-ference on Electronics, Computers and Artificial In-telligence (ECAI) (pp. 1–6). https://doi.org/10.1109/ECAI65401.2025.11095550
Sánchez, W. E., Robayo, B. L., Rodríguez, P. E., Sala-zar, M. E., Jácome, S., & Mullo, A. S. (2018). Energy optimization of chillers by automating a cooling sys-tem. E3S Web of Conferences, 57, 02002. https://doi.org/10.1051/e3sconf/20185702002
Ramirez, J. A., Montalvo, D. B., & Hilario-Tacuri, A. (2025). Remote-controlled cooling system for chrome plating cells using industrial IoT and MOD-BUS TCP/IP. SSRG Int. Journ.of Electrical and Elec-tronics Engineering, 12(6), 214–223. https://doi.org/
14445/23488379/IJEEE-V12I6P119
Nazarova, O., Osadchyy, V., Hutsol, T., Glowacki, S., Nurek, T., Hulevskyi, V., & Horetska, I. (2024). Mechatronic automatic control system of electro-pneumatic manipulator. Scientific Reports, 14, 6970. https://doi.org/10.1038/s41598-024-56672-4
Nazarova, O., Osadchyy, V., Shulzhenko, S., & Olieinikov, M. (2022). Software and hardware com-plex for the study of electropneumatic mechatronic systems. In Proc. of the 4th Int. Conference on Mod-ern Electrical and Energy System (MEES) (pp. 1–6). https://doi.org/10.1109/MEES58014.2022.10005698
Krayem, H., Younes, J., Ghali, K., Jradi, M., Ghaddar, N., & others. (2026). A digital twin solution for opti-mizing productivity and energy performance in hy-brid ventilated office space. Energy Conversion and Management, 349, 120880. https://doi.org/10.1016/j.enconman.2025.120880
Giordani, S., Scoccia, R., & Aprile, M. (2026). Digital twins for data centre cooling optimisation and waste heat recovery. In A. Jurelionis, P. A. Fokaides, L. Mazzarella, & T. Hartmann (Eds.), Building digital twins (Lecture Notes in Civil Engineering, Vol. 775). Springer. https://doi.org/10.1007/978-3-032-09040-9_8
Lua, K. B., & Wang, C.-C. (2026). Single-phase immer-sion cooling for data centers and HPC: Recent ad-vances and system-level challenges. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 232, 116786. https://doi.org/10.1016/j.rser.2026.116786
Bhatia, A. (n.d.). HVAC cooling systems for data cen-ters: Course No. M05-020.
Coroamă, V. C. (2025). Temperature optimisation in data centres. Roegen Centre for Sustainability. https://doi.org/10.48550/arXiv.2509.26163
Torrell, W., Brown, K., & Avelar, V. (2016). The un-expected impact of raising data center temperatures. Schneider Electric.
ASHRAE. (2009). Thermal guidelines for data pro-cessing environments (2nd ed.).
Liu, G., Pan, Z., & Chen, L. (2024). Reducing step size of hardware-in-loop simulation in electro-dynamic shaker controller design by electrical-mechanical analogy. IEEE Access, 12, 88819–88828. https://doi.org/10.1109/ACCESS.2024.3418623
Anticaglia, A., Capitani, R., & Annicchiarico, C. (2025). Hardware-in-the-loop driving simulators: Simplifying real component integration in simulated environments. IEEE Open Journal of Vehicular Technology, 6, 2891–2908. https://doi.org/10.1109/OJVT.2025.3622519
Liu, Y. (2023). Research on maglev power heat pipe refrigeration control system based on 1200 PLC Modbus serial communication acquisition technolo-gy. In Proc. of the 6th Int. Conf. on Information Sys-tems and Computer Aided Education (pp. 1010–1014). https://doi.org/10.1109/ICISCAE59047.2023.
Osadchyy, V., & Nazarova, O. (2020). Laboratory stand for investigation of liquid level microprocessor control systems. In Proc. of the IEEE Problems of Automated Electrodrive. Theory and Practice (PAEP) (pp. 1–4). https://doi.org/10.1109/PAEP49887.2020.9240868
Siemens. (2020). Basic examples for open user com-munication TCP. https://url.zp.edu.ua/08105
Shevchenko, V. V., & Tymchyk, H. S. (2023). Osno-vy avtomatyzatsii tekhnolohichnykh protsesiv. Kyiv: KPI.
Bahan, T. H., & Nekrashevych, O. V. (2020). Pro-iektuvannia system avtomatyzatsii. Kyiv: KPI.
##submission.downloads##
Опубліковано
Як цитувати
Номер
Розділ
Ліцензія
Авторське право (c) 2026 V.V. Osadchy, O.S. Nazarova, A.V. Kunitsyn
Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution-ShareAlike 4.0 International License.
Положення про авторські права Creative Commons
Автори, які публікуються у цьому журналі, погоджуються з наступними умовами:
Автори залишають за собою право на авторство своєї роботи та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії Creative Commons Attribution License, котра дозволяє іншим особам вільно розповсюджувати опубліковану роботу з обов'язковим посиланням на авторів оригінальної роботи та першу публікацію роботи у цьому журналі.
Автори мають право укладати самостійні додаткові угоди щодо неексклюзивного розповсюдження роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована цим журналом (наприклад, розміщувати роботу в електронному сховищі установи або публікувати у складі монографії), за умови збереження посилання на першу публікацію роботи у цьому журналі.
Політика журналу дозволяє і заохочує розміщення авторами в мережі Інтернет (наприклад, у сховищах установ або на особистих веб-сайтах) рукопису роботи, як до подання цього рукопису до редакції, так і під час його редакційного опрацювання, оскільки це сприяє виникненню продуктивної наукової дискусії та позитивно позначається на оперативності та динаміці цитування опублікованої роботи.
