大型自動化物流系統之冗余設計

來源:物流技術與應用 | 2020-05-26 10:58 | 作者:徐躍明、王磊 姚正亞、王響雷 曾學

  冗余設計是提升自動化物流系統可靠性、可用性的主要方法之一,本文通過對大型自動化物流系統的特點進行分析,從冗余設計的六個方面說明提升自動化物流系統可靠性和可用性的方法。經實踐證明,冗余設計可提升自動化物流系統可靠性、可用性,實現物流系統不間斷運行的目標。

  一、概述

  在關系國計民生和經濟社會發展的大型自動化物流系統中,系統的高可靠、高可用等不間斷運行特性是系統建設的主要目標之一。此類大型物流系統一般具有如下特點:

  1.規模大

  設備數超千套,貨物輸送線路總長達數十公里。

  2.技術復雜

  系統包括機械、自動化控制、計算機等硬件設備;采用自動檢測與控制,信息識別、處理與交換等技術;涉及物聯網、大數據、云計算等高新技術領域,具有很高的技術難度和技術復雜度。

  3.集成度高

  系統集成多種功能性輸送設備(帶式輸送機、收集輸送機等)、分揀設備(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)、裝卸設備(機器人、AGV等)、存儲設備(堆垛機、多層穿梭車等),集成多種物聯網設備(條碼掃描器、RFID識讀器、圖像識讀器、工業照相機等)等;系統需要與多個控制和信息系統接口,完成數據交互,實現相關業務流程。

  4.可靠性、可用性要求高,系統須支持不間斷運行

  為了降低系統的平均故障停機時間,保障貨物的持續收發,讓物流系統相關方的經濟效益和社會效益最大化,“冗余”是設計師常用的方法之一。

  二、冗余設計的思路

  

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  冗余設計,是利用系統思維模式對系統進行設計規劃。系統的總體工藝、單機控制、管理控制軟件等都應該遵循冗余思路完成規劃設計,讓系統所有關鍵組件都有冗余,任何單點發生故障都不會影響系統正常運行。即使是關鍵節點出現故障,系統中其他部分也應具備熱備和應急功能,確保系統的持續運行。

  大型自動化物流系統中的冗余設計可以從六個方面考慮:

  1.布局冗余

  大型物流系統一般分區域實現業務功能,在總體規劃中應區內高集合、區間低耦合。設計時需對關鍵區域實現冗余備份,避免因某個區出現故障導致整個系統或物流園區的作業受到影響。

  2.功能組冗余

  對實現系統的關鍵功能組進行冗余設計。也可以采用一些柔性自動化搬運設備,替代傳統的輸送機鏈接模式。在采用穿梭車、AGV、KIVA等柔性設備時,需要預留好剛性輸送設備與柔性設備的接駁接口,實現功能組冗余。

  3.物流路徑冗余

  物流關鍵輸送路徑中避免單節點設計,源到目的地至少有兩條以上路徑。

  4.控制系統硬件冗余

  計算機系統、自動控制系統中的硬件關鍵組件應有冗余設計。

  5.支撐軟件冗余

  通過選擇適當的支撐軟件,實現計算機系統的集群化。

  6.應用軟件冗余

  應用軟件要在支撐軟件的集群中運行,也須進行相應的冗余設計。應用軟件不僅需要實現分布式部署,通過負載均衡的技術來滿足系統的可靠性,同時還需要具備某一節點輸送設備故障時,自動切換物流路徑、操作模式或者采用人機調度結合的模式來達到系統持續穩定運行目的。

  三、應用案例

  某大型自動化物流系統,集成約4000臺(套)設備、貨物輸送線總長達15公里,各類線纜長度400公里、急??刂泣c超1500個、交叉安全區域近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,系統建設要求實現不間斷運行。此物流系統設計方案遵循了上述的冗余設計思想。

  1.布局冗余

  如圖 1,此布局中包含東、西兩區,兩個區互為鏡像。在系統調試階段,可一個區運行、一個區調試,實現整個物流系統分區上線的“熱插拔”功能,踐行“統一規劃、分步實施”的科學發展觀。高峰時段兩個區同時運行,高效處理貨物的分揀收發;非高峰時段可以根據實際需要關閉某個區,實現物流中心節能環保的目標。若某區故障完全實效時,另外一區可繼續運行,不受故障區的影響。

  2.功能組冗余

  

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  圖1中,系統中的關鍵功能組實現了冗余,每個區配置了兩套分揀機,若其中一套分揀機故障,另外一套分揀機可接收該區內所有的貨物進行分揀。在該系統中,人工處理站臺、信息識讀檢測設備等也進行了冗余配置。設備數據采集與監控系統SCADA與PLC主控柜上的本地監控功能互為冗余,若SCADA與PLC失去連接或完全宕機,可以使用PLC主控柜上的監控功能繼續對系統進行監控。

  3.物流路徑冗余

  

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  如圖2,所有導入貨物有兩條以上的路徑到達冗余分揀機,經分揀機分揀后達到目的地,避免了因設備故障導致貨物不能被及時分揀風險。

  4.控制系統硬件冗余

  

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  如圖3,可編程控制器PLC的CPU采用冗余的多處理器結構。各個處理器之間相互監控,若一CPU出現故障,控制系統立刻切換至另一個CPU運行,并且發出報警信息。同時可編程控制器PLC還對內部的RAM、EPROM、輸入輸出寄存器等元件進行實時監控,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,如出現任何異常,控制器立刻切換至安全保護狀態并且發出報警信息。

  PLC配置如表1。

  

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  PLC系統在主流的工業現場總線基礎上,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。

  對于整個系統的核心管理部分,計算機系統配置兩個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,不會造成服務器斷電停機。

  計算機系統網絡結構中配置有冗余的接入層交換機、核心交換機、防火墻以及區域存儲網SAN。計算機主機(服務器、工作站等)配置兩塊以上網卡,通過使用網卡綁定策略將多塊網卡轉換成一塊邏輯網卡接入網絡,當計算機主機的某塊網卡故障或某個網絡設備故障時,不會因網卡導致系統單點通訊故障,影響系統運行。如圖4。

  

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  服務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據不會丟失。

  5.支撐軟件冗余

  針對如WEB服務等允許短時中斷的應用系統,設計部署在由VMWare管理的服務器虛擬化環境中,在這個環境下,WEB應用服務可以實現系統級高可用、應用級高可用、容錯、系統在線遷移、存儲在線遷移、資源動態負載均衡、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,系統可能會中斷服務幾分鐘。負載均衡功能可以讓用戶的查詢業務、報表業務分布在不同虛擬機上執行,可有效降低網絡負載,提高系統的可用性。

  針對如物流控制核心服務等必須連續運行的應用系統,設計部署在由VMWare管理的服務器虛擬化環境中,并通過Veritas的InfoScale-Enterprise作為系統無縫切換的集群管理軟件, InfoScale-Enterprise由兩部分組成,一部分是主機及應用端的高可用系統VCS,另外一部分是存儲管理和虛擬化系統Store Foundation。兩者接合,就可以實現存儲到主機再到應用的無任何單一故障的高可用系統,結合VCS GCO選件和InfoScale-Enterprise 的VVR選件,整個系統可以擴展到國家規定的最高容災標準。

  Veritas支持應用程序Singleton類型的服務,這些服務只能運行于一個節點上,當該節點出現故障時,它將遷移到其它節點上。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點上。當接口節點故障,集群管理軟件Veritas能識別其故障,然后將其遷移至第二個節點上并激活,繼續接收MES的生產指令,不會造成系統整體故障。

  針對系統數據中心,設計部署支撐軟件Oracle Real Application Cluster (RAC,實時應用集群)。用于在集群環境下實現多機共享數據,自動實現并行處理及負載均衡,并實現數據庫在故障時的容錯和無斷點恢復。

  6.應用軟件冗余

  系統包含多個關鍵應用軟件,例如:設備數據采集與監控SCADA,物流調度與控制系統等。關鍵應用軟件設計部署在多個虛擬機節點上,在這些虛擬機節點上,使用分布式緩存技術實時復制數據,達到數據在多個服務器上同步的目的。貨物的位置信息、設備的運行狀態等數據在應用軟件部署的多個節點上實時更新,當某一個節點故障時,另外一個節點接管其工作,繼續處理業務。

  四、結語

  上述物流系統已平穩運行近3年,無重大停機事故發生,實踐證明:在大型自動化物流系統中,通過布局冗余、功能冗余、路徑冗余、硬件冗余、支撐軟件冗余、應用軟件冗余等方法,可顯著提升系統的可靠性、可用性,實現不間斷運行的目標,使系統相關方經濟、社會效益最大化。

  文|紅云紅河煙草(集團)有限責任公司 徐躍明、王磊  昆明昆船物流信息產業有限公司 姚正亞、王響雷   昆明船舶設備集團有限公司 曾學

  

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