大型自動(dòng)化物流系統(tǒng)之冗余設(shè)計(jì)

冗余設(shè)計(jì)是提升自動(dòng)化物流系統(tǒng)可靠性、可用性的主要方法之一，本文通過(guò)對(duì)大型自動(dòng)化物流系統(tǒng)的特點(diǎn)進(jìn)行分析，從冗余設(shè)計(jì)的六個(gè)方面說(shuō)明提升自動(dòng)化物流系統(tǒng)可靠性和可用性的方法。經(jīng)實(shí)踐證明，冗余設(shè)計(jì)可提升自動(dòng)化物流系統(tǒng)可靠性、可用性，實(shí)現(xiàn)物流系統(tǒng)不間斷運(yùn)行的目標(biāo)。
一、概述
在關(guān)系國(guó)計(jì)民生和經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的大型自動(dòng)化物流系統(tǒng)中，系統(tǒng)的高可靠、高可用等不間斷運(yùn)行特性是系統(tǒng)建設(shè)的主要目標(biāo)之一。此類大型物流系統(tǒng)一般具有如下特點(diǎn)：
1.規(guī)模大
設(shè)備數(shù)超千套，貨物輸送線路總長(zhǎng)達(dá)數(shù)十公里。
2.技術(shù)復(fù)雜
系統(tǒng)包括機(jī)械、自動(dòng)化控制、計(jì)算機(jī)等硬件設(shè)備；采用自動(dòng)檢測(cè)與控制，信息識(shí)別、處理與交換等技術(shù)；涉及物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等高新技術(shù)領(lǐng)域，具有很高的技術(shù)難度和技術(shù)復(fù)雜度。
3.集成度高
系統(tǒng)集成多種功能性輸送設(shè)備（帶式輸送機(jī)、收集輸送機(jī)等）、分揀設(shè)備（交叉帶式分揀機(jī)或傾翻式托盤(pán)分揀機(jī)、垂直分流器、水平分流器等）、裝卸設(shè)備（機(jī)器人、agv等）、存儲(chǔ)設(shè)備（堆垛機(jī)、多層穿梭車(chē)等），集成多種物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備（條碼掃描器、rfid識(shí)讀器、圖像識(shí)讀器、工業(yè)照相機(jī)等）等；系統(tǒng)需要與多個(gè)控制和信息系統(tǒng)接口，完成數(shù)據(jù)交互，實(shí)現(xiàn)相關(guān)業(yè)務(wù)流程。
4.可靠性、可用性要求高，系統(tǒng)須支持不間斷運(yùn)行
為了降低系統(tǒng)的平均故障停機(jī)時(shí)間，保障貨物的持續(xù)收發(fā)，讓物流系統(tǒng)相關(guān)方的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益最大化，“冗余”是設(shè)計(jì)師常用的方法之一。
二、冗余設(shè)計(jì)的思路
冗余設(shè)計(jì)，是利用系統(tǒng)思維模式對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)規(guī)劃。系統(tǒng)的總體工藝、單機(jī)控制、管理控制軟件等都應(yīng)該遵循冗余思路完成規(guī)劃設(shè)計(jì)，讓系統(tǒng)所有關(guān)鍵組件都有冗余，任何單點(diǎn)發(fā)生故障都不會(huì)影響系統(tǒng)正常運(yùn)行。
即使是關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障，系統(tǒng)中其他部分也應(yīng)具備熱備和應(yīng)急功能，確保系統(tǒng)的持續(xù)運(yùn)行。
大型自動(dòng)化物流系統(tǒng)中的冗余設(shè)計(jì)可以從六個(gè)方面考慮：
1.布局冗余
大型物流系統(tǒng)一般分區(qū)域?qū)崿F(xiàn)業(yè)務(wù)功能，在總體規(guī)劃中應(yīng)區(qū)內(nèi)高集合、區(qū)間低耦合。設(shè)計(jì)時(shí)需對(duì)關(guān)鍵區(qū)域?qū)崿F(xiàn)冗余備份，避免因某個(gè)區(qū)出現(xiàn)故障導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)或物流園區(qū)的作業(yè)受到影響。
2.功能組冗余
對(duì)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的關(guān)鍵功能組進(jìn)行冗余設(shè)計(jì)。也可以采用一些柔性自動(dòng)化搬運(yùn)設(shè)備，替代傳統(tǒng)的輸送機(jī)鏈接模式。在采用穿梭車(chē)、agv、kiva等柔性設(shè)備時(shí)，需要預(yù)留好剛性輸送設(shè)備與柔性設(shè)備的接駁接口，實(shí)現(xiàn)功能組冗余。
3.物流路徑冗余
物流關(guān)鍵輸送路徑中避免單節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)，源到目的地至少有兩條以上路徑。
4.控制系統(tǒng)硬件冗余
計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、自動(dòng)控制系統(tǒng)中的硬件關(guān)鍵組件應(yīng)有冗余設(shè)計(jì)。
5.支撐軟件冗余
通過(guò)選擇適當(dāng)?shù)闹诬浖瑢?shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的集群化。
6.應(yīng)用軟件冗余
應(yīng)用軟件要在支撐軟件的集群中運(yùn)行，也須進(jìn)行相應(yīng)的冗余設(shè)計(jì)。
應(yīng)用軟件不僅需要實(shí)現(xiàn)分布式部署，通過(guò)負(fù)載均衡的技術(shù)來(lái)滿足系統(tǒng)的可靠性，同時(shí)還需要具備某一節(jié)點(diǎn)輸送設(shè)備故障時(shí)，自動(dòng)切換物流路徑、操作模式或者采用人機(jī)調(diào)度結(jié)合的模式來(lái)達(dá)到系統(tǒng)持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行目的。
三、應(yīng)用案例
某大型自動(dòng)化物流系統(tǒng)，集成約4000臺(tái)(套)設(shè)備、貨物輸送線總長(zhǎng)達(dá)15公里，各類線纜長(zhǎng)度400公里、急停控制點(diǎn)超1500個(gè)、交叉安全區(qū)域近200個(gè)，貨物信息識(shí)別比率高于99%，高峰小時(shí)貨物分揀量大于5000件，系統(tǒng)建設(shè)要求實(shí)現(xiàn)不間斷運(yùn)行。此物流系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案遵循了上述的冗余設(shè)計(jì)思想。
1.布局冗余
如圖 1，此布局中包含東、西兩區(qū)，兩個(gè)區(qū)互為鏡像。在系統(tǒng)調(diào)試階段，可一個(gè)區(qū)運(yùn)行、一個(gè)區(qū)調(diào)試，實(shí)現(xiàn)整個(gè)物流系統(tǒng)分區(qū)上線的“熱插拔”功能，踐行“統(tǒng)一規(guī)劃、分步實(shí)施”的科學(xué)發(fā)展觀。
高峰時(shí)段兩個(gè)區(qū)同時(shí)運(yùn)行，高效處理貨物的分揀收發(fā)；非高峰時(shí)段可以根據(jù)實(shí)際需要關(guān)閉某個(gè)區(qū)，實(shí)現(xiàn)物流中心節(jié)能環(huán)保的目標(biāo)。若某區(qū)故障完全實(shí)效時(shí)，另外一區(qū)可繼續(xù)運(yùn)行，不受故障區(qū)的影響。
2.功能組冗余
圖1中，系統(tǒng)中的關(guān)鍵功能組實(shí)現(xiàn)了冗余，每個(gè)區(qū)配置了兩套分揀機(jī)，若其中一套分揀機(jī)故障，另外一套分揀機(jī)可接收該區(qū)內(nèi)所有的貨物進(jìn)行分揀。
在該系統(tǒng)中，人工處理站臺(tái)、信息識(shí)讀檢測(cè)設(shè)備等也進(jìn)行了冗余配置。設(shè)備數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)scada與plc主控柜上的本地監(jiān)控功能互為冗余，若scada與plc失去連接或完全宕機(jī)，可以使用plc主控柜上的監(jiān)控功能繼續(xù)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控。
3.物流路徑冗余
如圖2，所有導(dǎo)入貨物有兩條以上的路徑到達(dá)冗余分揀機(jī)，經(jīng)分揀機(jī)分揀后達(dá)到目的地，避免了因設(shè)備故障導(dǎo)致貨物不能被及時(shí)分揀風(fēng)險(xiǎn)。
4.控制系統(tǒng)硬件冗余
如圖3，可編程控制器plc的cpu采用冗余的多處理器結(jié)構(gòu)。各個(gè)處理器之間相互監(jiān)控，若一cpu出現(xiàn)故障，控制系統(tǒng)立刻切換至另一個(gè)cpu運(yùn)行，并且發(fā)出報(bào)警信息。
同時(shí)可編程控制器plc還對(duì)內(nèi)部的ram、eprom、輸入輸出寄存器等元件進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，并且采用特殊的測(cè)試脈沖對(duì)輸入信號(hào)和輸出被控元件進(jìn)行檢測(cè)，如出現(xiàn)任何異常，控制器立刻切換至安全保護(hù)狀態(tài)并且發(fā)出報(bào)警信息。
plc配置如表1。
plc系統(tǒng)在主流的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線基礎(chǔ)上，采用了一系列的時(shí)間檢測(cè)、地址檢測(cè)、連接檢測(cè)和冗余校驗(yàn)等措施，達(dá)到更高的可靠性和安全等級(jí)。
對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)的核心管理部分，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)配置兩個(gè)ups，兩個(gè)ups分別給每個(gè)機(jī)柜的兩個(gè)pdu供電。所有服務(wù)器主機(jī)均配置有兩個(gè)電源模塊，兩個(gè)電源模塊連接至不同的pdu，當(dāng)某個(gè)電源模塊故障時(shí)，主機(jī)自動(dòng)切換至另一電源模塊，不會(huì)造成服務(wù)器斷電停機(jī)。
計(jì)算機(jī)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中配置有冗余的接入層交換機(jī)、核心交換機(jī)、防火墻以及區(qū)域存儲(chǔ)網(wǎng)san。計(jì)算機(jī)主機(jī)（服務(wù)器、工作站等）配置兩塊以上網(wǎng)卡，
通過(guò)使用網(wǎng)卡綁定策略將多塊網(wǎng)卡轉(zhuǎn)換成一塊邏輯網(wǎng)卡接入網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)計(jì)算機(jī)主機(jī)的某塊網(wǎng)卡故障或某個(gè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備故障時(shí)，不會(huì)因網(wǎng)卡導(dǎo)致系統(tǒng)單點(diǎn)通訊故障，影響系統(tǒng)運(yùn)行。如圖4。
服務(wù)器和磁盤(pán)整列配置有冗余硬盤(pán)，配置為raid1或raid5，可確保一塊硬盤(pán)故障時(shí)數(shù)據(jù)不會(huì)丟失。
5.支撐軟件冗余
針對(duì)如web服務(wù)等允許短時(shí)中斷的應(yīng)用系統(tǒng)，設(shè)計(jì)部署在由vmware管理的服務(wù)器虛擬化環(huán)境中，在這個(gè)環(huán)境下，web應(yīng)用服務(wù)可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)級(jí)高可用、應(yīng)用級(jí)高可用、容錯(cuò)、系統(tǒng)在線遷移、存儲(chǔ)在線遷移、資源動(dòng)態(tài)負(fù)載均衡、虛擬機(jī)自動(dòng)備份等功能。
遷移通過(guò)重啟虛擬機(jī)的方式完成，在遷移的過(guò)程中，系統(tǒng)可能會(huì)中斷服務(wù)幾分鐘。負(fù)載均衡功能可以讓用戶的查詢業(yè)務(wù)、報(bào)表業(yè)務(wù)分布在不同虛擬機(jī)上執(zhí)行，可有效降低網(wǎng)絡(luò)負(fù)載，提高系統(tǒng)的可用性。
針對(duì)如物流控制核心服務(wù)等必須連續(xù)運(yùn)行的應(yīng)用系統(tǒng)，設(shè)計(jì)部署在由vmware管理的服務(wù)器虛擬化環(huán)境中，并通過(guò)veritas的infoscale-enterprise作為系統(tǒng)無(wú)縫切換的集群管理軟件， infoscale-enterprise由兩部分組成，一部分是主機(jī)及應(yīng)用端的高可用系統(tǒng)vcs，另外一部分是存儲(chǔ)管理和虛擬化系統(tǒng)store foundation。
兩者接合，就可以實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)到主機(jī)再到應(yīng)用的無(wú)任何單一故障的高可用系統(tǒng)，結(jié)合vcs gco選件和infoscale-enterprise 的vvr選件，整個(gè)系統(tǒng)可以擴(kuò)展到國(guó)家規(guī)定的最高容災(zāi)標(biāo)準(zhǔn)。
veritas支持應(yīng)用程序singleton類型的服務(wù)，這些服務(wù)只能運(yùn)行于一個(gè)節(jié)點(diǎn)上，當(dāng)該節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障時(shí)，它將遷移到其它節(jié)點(diǎn)上。
例如：與mes的接口，它負(fù)責(zé)接受來(lái)自mes的指令，此類接口一般只活動(dòng)于一個(gè)節(jié)點(diǎn)上。當(dāng)接口節(jié)點(diǎn)故障，集群管理軟件veritas能識(shí)別其故障，然后將其遷移至第二個(gè)節(jié)點(diǎn)上并激活，繼續(xù)接收mes的生產(chǎn)指令，不會(huì)造成系統(tǒng)整體故障。
針對(duì)系統(tǒng)數(shù)據(jù)中心，設(shè)計(jì)部署支撐軟件oracle real application cluster （rac，實(shí)時(shí)應(yīng)用集群）。用于在集群環(huán)境下實(shí)現(xiàn)多機(jī)共享數(shù)據(jù)，自動(dòng)實(shí)現(xiàn)并行處理及負(fù)載均衡，并實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫(kù)在故障時(shí)的容錯(cuò)和無(wú)斷點(diǎn)恢復(fù)。
6.應(yīng)用軟件冗余
系統(tǒng)包含多個(gè)關(guān)鍵應(yīng)用軟件，例如：設(shè)備數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控scada，物流調(diào)度與控制系統(tǒng)等。關(guān)鍵應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)部署在多個(gè)虛擬機(jī)節(jié)點(diǎn)上，在這些虛擬機(jī)節(jié)點(diǎn)上，使用分布式緩存技術(shù)實(shí)時(shí)復(fù)制數(shù)據(jù)，達(dá)到數(shù)據(jù)在多個(gè)服務(wù)器上同步的目的。
貨物的位置信息、設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)等數(shù)據(jù)在應(yīng)用軟件部署的多個(gè)節(jié)點(diǎn)上實(shí)時(shí)更新，當(dāng)某一個(gè)節(jié)點(diǎn)故障時(shí)，另外一個(gè)節(jié)點(diǎn)接管其工作，繼續(xù)處理業(yè)務(wù)。
四、結(jié)語(yǔ)
上述物流系統(tǒng)已平穩(wěn)運(yùn)行近3年，無(wú)重大停機(jī)事故發(fā)生，實(shí)踐證明：在大型自動(dòng)化物流系統(tǒng)中，通過(guò)布局冗余、功能冗余、路徑冗余、硬件冗余、支撐軟件冗余、應(yīng)用軟件冗余等方法，可顯著提升系統(tǒng)的可靠性、可用性，實(shí)現(xiàn)不間斷運(yùn)行的目標(biāo)，使系統(tǒng)相關(guān)方經(jīng)濟(jì)、社會(huì)效益最大化。