大型自動化物流系統(tǒng)之冗余設(shè)計

文/徐躍明 姚正亞 王 磊 王響雷 曾 學

一、概述

在關(guān)系國計民生和經(jīng)濟社會發(fā)展的大型自動化物流系統(tǒng)中，系統(tǒng)的高可靠、高可用等不間斷運行特性是系統(tǒng)建設(shè)的主要目標之一。此類大型物流系統(tǒng)一般具有如下特點：

1.規(guī)模大

設(shè)備數(shù)超千套，貨物輸送線路總長達數(shù)十公里。

2.技術(shù)復(fù)雜

系統(tǒng)包括機械、自動化控制、計算機等硬件設(shè)備；采用自動檢測與控制，信息識別、處理與交換等技術(shù)；涉及物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算等高新技術(shù)領(lǐng)域，具有很高的技術(shù)難度和技術(shù)復(fù)雜度。

自動化物流系統(tǒng)的總體工藝、單機控制、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，讓系統(tǒng)所有關(guān)鍵組件都有冗余，任何單點發(fā)生故障都不會影響系統(tǒng)正常運行

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、收集輸送機等）、分揀設(shè)備（交叉帶式分揀機或傾翻式托盤分揀機、垂直分流器、水平分流器等）、裝卸設(shè)備（機器人、AGV等）、存儲設(shè)備（堆垛機、多層穿梭車等），集成多種物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備（條碼掃描器、RFID識讀器、圖像識讀器、工業(yè)照相機等）等；系統(tǒng)需要與多個控制和信息系統(tǒng)接口，完成數(shù)據(jù)交互，實現(xiàn)相關(guān)業(yè)務(wù)流程。

4.可靠性、可用性要求高，系統(tǒng)須支持不間斷運行

為了降低系統(tǒng)的平均故障停機時間，保障貨物的持續(xù)收發(fā)，讓物流系統(tǒng)相關(guān)方的經(jīng)濟效益和社會效益最大化，“冗余”是設(shè)計師常用的方法之一。

二、冗余設(shè)計的思路

冗余設(shè)計，是利用系統(tǒng)思維模式對系統(tǒng)進行設(shè)計規(guī)劃。系統(tǒng)的總體工藝、單機控制、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，讓系統(tǒng)所有關(guān)鍵組件都有冗余，任何單點發(fā)生故障都不會影響系統(tǒng)正常運行。即使是關(guān)鍵節(jié)點出現(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)運行。

大型自動化物流系統(tǒng)中的冗余設(shè)計可以從六個方面考慮：

圖1 系統(tǒng)布局圖

圖2 局部路徑圖

表1 PLC配置

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)計時需對關(guān)鍵區(qū)域?qū)崿F(xiàn)冗余備份，避免因某個區(qū)出現(xiàn)故障導(dǎo)致整個系統(tǒng)或物流園區(qū)的作業(yè)受到影響。

2.功能組冗余

對實現(xiàn)系統(tǒng)的關(guān)鍵功能組進行冗余設(shè)計。也可以采用一些柔性自動化搬運設(shè)備，替代傳統(tǒng)的輸送機鏈接模式。在采用穿梭車、AGV、KIVA等柔性設(shè)備時，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)點設(shè)計，源到目的地至少有兩條以上路徑。

4.控制系統(tǒng)硬件冗余

計算機系統(tǒng)、自動控制系統(tǒng)中的硬件關(guān)鍵組件應(yīng)有冗余設(shè)計。

5.支撐軟件冗余

通過選擇適當?shù)闹诬浖瑢崿F(xiàn)計算機系統(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行，也須進行相應(yīng)的冗余設(shè)計。應(yīng)用軟件不僅需要實現(xiàn)分布式部署，通過負載均衡的技術(shù)來滿足系統(tǒng)的可靠性，同時還需要具備某一節(jié)點輸送設(shè)備故障時，自動切換物流路徑、操作模式或者采用人機調(diào)度結(jié)合的模式來達到系統(tǒng)持續(xù)穩(wěn)定運行目的。

三、應(yīng)用案例

某大型自動化物流系統(tǒng)，集成約4000臺(套)設(shè)備、貨物輸送線總長達15公里，各類線纜長度400公里、急停控制點超1500個、交叉安全區(qū)域近200個，貨物信息識別比率高于99%，高峰小時貨物分揀量大于5000件，系統(tǒng)建設(shè)要求實現(xiàn)不間斷運行。此物流系統(tǒng)設(shè)計方案遵循了上述的冗余設(shè)計思想。

1.布局冗余

如圖 1，此布局中包含東、西兩區(qū)，兩個區(qū)互為鏡像。在系統(tǒng)調(diào)試階段，可一個區(qū)運行、一個區(qū)調(diào)試，實現(xiàn)整個物流系統(tǒng)分區(qū)上線的“熱插拔”功能，踐行“統(tǒng)一規(guī)劃、分步實施”的科學發(fā)展觀。高峰時段兩個區(qū)同時運行，高效處理貨物的分揀收發(fā)；非高峰時段可以根據(jù)實際需要關(guān)閉某個區(qū)，實現(xiàn)物流中心節(jié)能環(huán)保的目標。若某區(qū)故障完全實效時，另外一區(qū)可繼續(xù)運行，不受故障區(qū)的影響。

圖3 自動化控制PLC系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計圖

2.功能組冗余

圖1中，系統(tǒng)中的關(guān)鍵功能組實現(xiàn)了冗余，每個區(qū)配置了兩套分揀機，若其中一套分揀機故障，另外一套分揀機可接收該區(qū)內(nèi)所有的貨物進行分揀。在該系統(tǒng)中，人工處理站臺、信息識讀檢測設(shè)備等也進行了冗余配置。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，可以使用PLC主控柜上的監(jiān)控功能繼續(xù)對系統(tǒng)進行監(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冗余分揀機，經(jīng)分揀機分揀后達到目的地，避免了因設(shè)備故障導(dǎo)致貨物不能被及時分揀風險。

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CPU運行，并且發(fā)出報警信息。同時可編程控制器PLC還對內(nèi)部的RAM、EPROM、輸入輸出寄存器等元件進行實時監(jiān)控，并且采用特殊的測試脈沖對輸入信號和輸出被控元件進行檢測，如出現(xiàn)任何異常，控制器立刻切換至安全保護狀態(tài)并且發(fā)出報警信息。

PLC配置如表 1。

PLC系統(tǒng)在主流的工業(yè)現(xiàn)場總線基礎(chǔ)上，采用了一系列的時間檢測、地址檢測、連接檢測和冗余校驗等措施，達到更高的可靠性和安全等級。

對于整個系統(tǒng)的核心管理部分，計算機系統(tǒng)配置兩個UPS，兩個UPS分別給每個機柜的兩個PDU供電。所有服務(wù)器主機均配置有兩個電源模塊，兩個電源模塊連接至不同的PDU，當某個電源模塊故障時，主機自動切換至另一電源模塊，不會造成服務(wù)器斷電停機。

計算機系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中配置有冗余的接入層交換機、核心交換機、防火墻以及區(qū)域存儲網(wǎng)SAN。計算機主機（服務(wù)器、工作站等）配置兩塊以上網(wǎng)卡，通過使用網(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)，當計算機主機的某塊網(wǎng)卡故障或某個網(wǎng)絡(luò)設(shè)備故障時，不會因網(wǎng)卡導(dǎo)致系統(tǒng)單點通訊故障，影響系統(tǒng)運行。如圖4。

服務(wù)器和磁盤整列配置有冗余硬盤，配置為RAID1或RAID5，可確保一塊硬盤故障時數(shù)據(jù)不會丟失。?

5.支撐軟件冗余

針對如WEB服務(wù)等允許短時中斷的應(yīng)用系統(tǒng)，設(shè)計部署在由VMWare管理的服務(wù)器虛擬化環(huán)境中，在這個環(huán)境下，WEB應(yīng)用服務(wù)可以實現(xiàn)系統(tǒng)級高可用、應(yīng)用級高可用、容錯、系統(tǒng)在線遷移、存儲在線遷移、資源動態(tài)負載均衡、虛擬機自動備份等功能。遷移通過重啟虛擬機的方式完成，在遷移的過程中，系統(tǒng)可能會中斷服務(wù)幾分鐘。負載均衡功能可以讓用戶的查詢業(yè)務(wù)、報表業(yè)務(wù)分布在不同虛擬機上執(zhí)行，可有效降低網(wǎng)絡(luò)負載，提高系統(tǒng)的可用性。

圖4 網(wǎng)絡(luò)拓撲示意圖

針對如物流控制核心服務(wù)等必須連續(xù)運行的應(yīng)用系統(tǒng)，設(shè)計部署在由VMWare管理的服務(wù)器虛擬化環(huán)境中，并通過Veritas的InfoScale-Enterprise作為系統(tǒng)無縫切換的集群管理軟件， InfoScale-Enterprise由兩部分組成，一部分是主機及應(yīng)用端的高可用系統(tǒng)VCS，另外一部分是存儲管理和虛擬化系統(tǒng)Store Foundation。兩者接合，就可以實現(xiàn)存儲到主機再到應(yīng)用的無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，整個系統(tǒng)可以擴展到國家規(guī)定的最高容災(zāi)標準。

Veritas支持應(yīng)用程序Singleton類型的服務(wù)，這些服務(wù)只能運行于一個節(jié)點上，當該節(jié)點出現(xiàn)故障時，它將遷移到其它節(jié)點上。例如：與MES的接口，它負責接受來自MES的指令，此類接口一般只活動于一個節(jié)點上。當接口節(jié)點故障，集群管理軟件Veritas能識別其故障，然后將其遷移至第二個節(jié)點上并激活，繼續(xù)接收MES的生產(chǎn)指令，不會造成系統(tǒng)整體故障。

針對系統(tǒng)數(shù)據(jù)中心，設(shè)計部署支撐軟件Oracle Real Application Cluster （RAC，實時應(yīng)用集群）。用于在集群環(huán)境下實現(xiàn)多機共享數(shù)據(jù)，自動實現(xiàn)并行處理及負載均衡，并實現(xiàn)數(shù)據(jù)庫在故障時的容錯和無斷點恢復(fù)。

6.應(yīng)用軟件冗余

系統(tǒng)包含多個關(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)計部署在多個虛擬機節(jié)點上，在這些虛擬機節(jié)點上，使用分布式緩存技術(shù)實時復(fù)制數(shù)據(jù)，達到數(shù)據(jù)在多個服務(wù)器上同步的目的。貨物的位置信息、設(shè)備的運行狀態(tài)等數(shù)據(jù)在應(yīng)用軟件部署的多個節(jié)點上實時更新，當某一個節(jié)點故障時，另外一個節(jié)點接管其工作，繼續(xù)處理業(yè)務(wù)。

四、結(jié)語

上述物流系統(tǒng)已平穩(wěn)運行近3年，無重大停機事故發(fā)生，實踐證明：在大型自動化物流系統(tǒng)中，通過布局冗余、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，實現(xiàn)不間斷運行的目標，使系統(tǒng)相關(guān)方經(jīng)濟、社會效益最大化。