一、项目概述

1.1 项目背景

随着AI计算、高密度服务器快速普及，单机柜功率从传统5kW攀升至30kW以上，高功率算力机柜突破80kW，传统风冷已无法满足散热需求。冷板式液冷作为当前主流高效散热方案，通过CDU（冷却液分配单元）实现机柜级精准温控，而多机柜部署场景下，单机CDU独立控制存在调度不同步、冗余性差、运维分散等问题。

本项目面向ODM客户定制需求，研发一款工业级CDU群控控制板，实现多台CDU统一调度、协同控制、状态监控与故障联锁，适配高功率高热量机柜的液冷散热需求，为数据中心、算力中心提供稳定可靠的液冷控制核心。

1.2 研发目标

• 完成CDU群控控制板的硬件设计、软件开发与样机试制，最大支持16台CDU集中管控
• 供液温度控制精度±0.5℃，压差控制精度±5kPa，满足高功率机柜精准散热需求
• 支持N+1冗余备份与故障自动切换，故障切换响应时间≤100ms
• 兼容主流数据中心DCIM系统，支持Modbus、BACnet、OPC UA等工业协议
• 工业级可靠性设计，7×24小时不间断运行，MTBF≥10万小时

1.3 应用场景

二、主要技术指标

三、总体设计方案

3.1 系统层级架构

液冷控制系统采用四层分层架构，CDU群控控制板作为承上启下的核心控制单元，实现集群级调度与协同控制，替代传统单CDU独立控制模式，实现多机柜、多CDU的全局最优控制。

1. 监控管理层：DCIM系统、机房BMS、上位机监控平台，负责全局监控与运维管理
2. 群控控制层：本项目CDU群控控制板，负责集群调度、冗余控制、统一管理、联锁保护
3. 单机控制层：CDU单机控制板，负责单台CDU数据采集、泵阀驱动、本地保护
4. 传感执行层：温度/压力/流量传感器、水泵、调节阀、泄漏检测等现场设备

3.2 核心功能定位

群控控制板是整个液冷集群的控制大脑，核心承担四大功能：全量数据采集与汇总、多CDU协同调度与负载均衡、集群级闭环控制、分级故障联锁保护。同时作为数据中转节点，完成底层设备与上层监控系统的交互对接。

3.3 控制规模规划

四、硬件详细设计

4.1 主控单元选型

主控芯片是群控板的运算核心，选型直接决定系统实时性与稳定性。本方案选用STM32H750工业级ARM控制器，兼顾运算性能、外设资源与可靠性，满足多回路控制与多协议通信需求。

• 核心规格：Cortex-M7内核，主频480MHz，内置DSP与FPU浮点运算单元
• 存储资源：2MB Flash + 1MB RAM，外置8MB SPI Flash用于数据存储，可选SD卡扩容
• 实时时钟：内置RTC，支持掉电时钟保持，数据时间戳精准可靠
• 看门狗设计：独立硬件看门狗+软件看门狗双重设计，防止程序跑飞
• 工业等级：-40℃~85℃宽温工作，满足工业现场环境要求

4.2 接口资源配置

采用模块化接口设计，覆盖通信、采集、控制全场景需求，预留扩展余量，适配不同项目定制需求。

4.3 可靠性硬件设计

• 全接口隔离：所有通信、采集、输出接口光电隔离设计，信号与电源完全隔离，抗共模干扰
• 端口防护：电源端口、通信端口集成浪涌保护、ESD保护，耐受工业现场冲击
• 掉电保护：掉电检测与数据保护电路，异常掉电时自动保存关键数据，不丢失
• 紧急旁路：硬件独立紧急旁路回路，极端故障下可强制开启旁路阀门，保障机柜安全

4.4 PCB与EMC设计

• 采用4层工业级PCB设计，电源层与地层完整分割，模拟地与数字地单点连接
• 功率回路与信号回路分区布局，敏感信号走线屏蔽处理，减小寄生干扰
• 满足GB/T 17626工业级EMC标准，通过静电、浪涌、脉冲群等抗扰测试
• 支持导轨安装与螺丝固定两种安装方式，适配标准工业机柜

五、嵌入式软件方案

5.1 软件整体架构

基于FreeRTOS实时操作系统开发，采用分层模块化设计，保障系统实时性与可维护性，分为四级架构，各层独立解耦，便于功能扩展与维护迭代。

• 驱动层：MCU外设驱动、传感器驱动、通信接口驱动、执行机构驱动
• 中间件层：协议栈、文件系统、操作系统、算法库
• 业务逻辑层：数据采集、控制算法、群控调度、故障诊断
• 应用层：参数管理、日志存储、人机交互、远程通信

5.2 核心功能模块

• 数据采集与处理模块：多通道同步采样，数字滤波处理，异常数据剔除，保障采集数据准确性
• 闭环控制模块：PID+模糊控制复合算法，支持温度、压差、流量多回路耦合控制
• 群控调度模块：CDU在线状态管理、负载分配、启停控制、冗余切换逻辑
• 故障诊断模块：参数越限判断、传感器故障识别、通信异常检测、故障等级分类
• 通信协议模块：内置Modbus RTU/TCP协议栈，可选BACnet/IP、OPC UA协议定制
• 数据存储模块：循环存储运行数据与告警记录，支持按时间查询与导出，存储周期≥1年

5.3 核心控制算法

针对高功率机柜热负荷波动大、温控精度要求高的特点，采用自适应模糊PID控制算法，相比传统PID具备更强的抗干扰能力与动态响应速度，可根据负载变化自动调整控制参数，避免超调与振荡，保障供液温度稳定。同时采用串级控制架构，实现温度外环、压差内环的双闭环耦合控制，兼顾温控精度与流量稳定性。

六、群控核心策略（高功率机柜专属）

6.1 多机柜负载动态跟随控制

对接机柜服务器实时功耗数据，建立热负荷预测模型，提前预判机柜发热量变化，动态调整CDU输出流量与供液温度。针对单柜功率波动（如AI算力峰值）实现毫秒级响应，避免机柜局部过热，同时低负载时段自动降低输出，实现节能运行。

6.2 多CDU负载均衡与N+1冗余

• 集群内所有CDU统一调度，根据总热负荷自动计算所需运行台数，均衡分配各CDU负载，避免单台设备过载运行
• 支持N+1/2N冗余配置，当某台CDU发生故障时，群控系统100ms内完成故障隔离与负载转移，保障总供冷量不下降
• 自动轮换运行机制，均衡各台CDU运行时长，延长设备整体使用寿命

6.3 供液温度与压差双闭环控制

采用外层温度闭环、内层压差闭环的串级控制架构：外层根据机柜回液温度与目标温度偏差，调整供液压力设定值；内层通过调节水泵转速与阀门开度，稳定供回液压差，保障各机柜冷却液流量充足。双闭环控制兼顾温控精度与流量稳定性，适配多机柜并联部署场景。

6.4 分级故障联锁保护机制

6.5 节能优化调度策略

基于当前总热负荷与室外环境温度，动态调整供液温度设定值与水泵运行台数，在满足机柜散热需求的前提下，最大限度降低水泵与冷站能耗。相比单机定速运行模式，群控节能模式可降低液冷系统输配能耗20%~35%。

七、研发进度计划

八、交付物与成本估算

8.1 交付物清单

8.2 成本构成

九、ODM定制服务说明

9.1 定制化能力

• 可根据客户需求定制控制规模、接口路数、硬件配置规格
• 支持定制外形尺寸、安装方式、接口定义、显示屏按键配置
• 可定制控制策略、保护逻辑，适配冷板/浸没/喷淋等不同液冷架构
• 支持对接客户自有DCIM平台、BMS系统、服务器带外管理系统
• 可扩展泄漏检测、水质监测、自动补液、消防联动等附加功能

9.2 质量保障与服务

• 严格遵循ISO9001质量管理体系，全流程管控研发与生产质量
• 关键器件100%选用工业级一线品牌，保障长期运行可靠性
• 出厂全功能测试+高温老化筛选，保障交付产品一致性
• 提供24个月质保，终身技术支持，专属项目对接团队全程服务