冗余設計是提升自動(dòng)化物流系統可靠性、可用性的主要方法之一，本文通過(guò)對大型自動(dòng)化物流系統的特點(diǎn)進(jìn)行分析，從冗余設計的六個(gè)方面說(shuō)明提升自動(dòng)化物流系統可靠性和可用性的方法。經(jīng)實(shí)踐證明，冗余設計可提升自動(dòng)化物流系統可靠性、可用性，實(shí)現物流系統不間斷運行的目標。
一、概述
在關(guān)系國計民生和經(jīng)濟社會(huì )發(fā)展的大型自動(dòng)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(lèi)大型物流系統一般具有如下特點(diǎn)：
1.規模大
設備數超千套，貨物輸送線(xiàn)路總長(cháng)達數十公里。
2.技術(shù)復雜
系統包括機械、自動(dòng)化控制、計算機等硬件設備；采用自動(dòng)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)、大數據、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(pán)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(chē)等），集成多種物聯(lián)網(wǎng)設備（條碼掃描器、rfid識讀器、圖像識讀器、工業(yè)照相機等）等；系統需要與多個(gè)控制和信息系統接口，完成數據交互，實(shí)現相關(guān)業(yè)務(wù)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(shí)間，保障貨物的持續收發(fā)，讓物流系統相關(guān)方的經(jīng)濟效益和社會(huì )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
冗余設計，是利用系統思維模式對系統進(jìn)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(guān)鍵組件都有冗余，任何單點(diǎn)發(fā)生故障都不會(huì )影響系統正常運行。
即使是關(guān)鍵節點(diǎn)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(dòng)化物流系統中的冗余設計可以從六個(gè)方面考慮：
1.布局冗余
大型物流系統一般分區域實(shí)現業(yè)務(wù)功能，在總體規劃中應區內高集合、區間低耦合。設計時(shí)需對關(guān)鍵區域實(shí)現冗余備份，避免因某個(gè)區出現故障導致整個(gè)系統或物流園區的作業(yè)受到影響。
2.功能組冗余
對實(shí)現系統的關(guān)鍵功能組進(jìn)行冗余設計。也可以采用一些柔性自動(dòng)化搬運設備，替代傳統的輸送機鏈接模式。在采用穿梭車(chē)、agv、kiva等柔性設備時(shí)，需要預留好剛性輸送設備與柔性設備的接駁接口，實(shí)現功能組冗余。
3.物流路徑冗余
物流關(guān)鍵輸送路徑中避免單節點(diǎn)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(dòng)控制系統中的硬件關(guān)鍵組件應有冗余設計。
5.支撐軟件冗余
通過(guò)選擇適當的支撐軟件，實(shí)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(jìn)行相應的冗余設計。
應用軟件不僅需要實(shí)現分布式部署，通過(guò)負載均衡的技術(shù)來(lái)滿(mǎn)足系統的可靠性，同時(shí)還需要具備某一節點(diǎn)輸送設備故障時(shí)，自動(dòng)切換物流路徑、操作模式或者采用人機調度結合的模式來(lái)達到系統持續穩定運行目的。
三、應用案例
某大型自動(dòng)化物流系統，集成約4000臺(套)設備、貨物輸送線(xiàn)總長(cháng)達15公里，各類(lèi)線(xiàn)纜長(cháng)度400公里、急?？刂泣c(diǎn)超1500個(gè)、交叉安全區域近200個(gè)，貨物信息識別比率高于99%，高峰小時(shí)貨物分揀量大于5000件，系統建設要求實(shí)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(gè)區互為鏡像。在系統調試階段，可一個(gè)區運行、一個(gè)區調試，實(shí)現整個(gè)物流系統分區上線(xiàn)的“熱插拔”功能，踐行“統一規劃、分步實(shí)施”的科學(xué)發(fā)展觀(guān)。
高峰時(shí)段兩個(gè)區同時(shí)運行，高效處理貨物的分揀收發(fā)；非高峰時(shí)段可以根據實(shí)際需要關(guān)閉某個(gè)區，實(shí)現物流中心節能環(huán)保的目標。若某區故障完全實(shí)效時(shí)，另外一區可繼續運行，不受故障區的影響。
2.功能組冗余
圖1中，系統中的關(guān)鍵功能組實(shí)現了冗余，每個(gè)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(jìn)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(jìn)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(jìn)行監控。
3.物流路徑冗余
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(jīng)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(shí)分揀風(fēng)險。
4.控制系統硬件冗余
如圖3，可編程控制器plc的cpu采用冗余的多處理器結構。各個(gè)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(gè)cpu運行，并且發(fā)出報警信息。
同時(shí)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(jìn)行實(shí)時(shí)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(jìn)行檢測，如出現任何異常，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系統在主流的工業(yè)現場(chǎng)總線(xiàn)基礎上，采用了一系列的時(shí)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(gè)系統的核心管理部分，計算機系統配置兩個(gè)ups，兩個(gè)ups分別給每個(gè)機柜的兩個(gè)pdu供電。所有服務(wù)器主機均配置有兩個(gè)電源模塊，兩個(gè)電源模塊連接至不同的pdu，當某個(gè)電源模塊故障時(shí)，主機自動(dòng)切換至另一電源模塊，不會(huì )造成服務(wù)器斷電停機。
計算機系統網(wǎng)絡(luò )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(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(guò)使用網(wǎng)卡綁定策略將多塊網(wǎng)卡轉換成一塊邏輯網(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(gè)網(wǎng)絡(luò )設備故障時(shí)，不會(huì )因網(wǎng)卡導致系統單點(diǎn)通訊故障，影響系統運行。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)數據不會(huì )丟失。
5.支撐軟件冗余
針對如web服務(wù)等允許短時(shí)中斷的應用系統，設計部署在由vmware管理的服務(wù)器虛擬化環(huán)境中，在這個(gè)環(huán)境下，web應用服務(wù)可以實(shí)現系統級高可用、應用級高可用、容錯、系統在線(xiàn)遷移、存儲在線(xiàn)遷移、資源動(dòng)態(tài)負載均衡、虛擬機自動(dòng)備份等功能。
遷移通過(guò)重啟虛擬機的方式完成，在遷移的過(guò)程中，系統可能會(huì )中斷服務(wù)幾分鐘。負載均衡功能可以讓用戶(hù)的查詢(xún)業(yè)務(wù)、報表業(yè)務(wù)分布在不同虛擬機上執行，可有效降低網(wǎng)絡(luò )負載，提高系統的可用性。
針對如物流控制核心服務(wù)等必須連續運行的應用系統，設計部署在由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(shí)現存儲到主機再到應用的無(wú)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(gè)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(lèi)型的服務(wù)，這些服務(wù)只能運行于一個(gè)節點(diǎn)上，當該節點(diǎn)出現故障時(shí)，它將遷移到其它節點(diǎn)上。
例如：與mes的接口，它負責接受來(lái)自mes的指令，此類(lèi)接口一般只活動(dòng)于一個(gè)節點(diǎn)上。當接口節點(diǎn)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(gè)節點(diǎn)上并激活，繼續接收mes的生產(chǎn)指令，不會(huì )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(shí)時(shí)應用集群）。用于在集群環(huán)境下實(shí)現多機共享數據，自動(dòng)實(shí)現并行處理及負載均衡，并實(shí)現數據庫在故障時(shí)的容錯和無(wú)斷點(diǎn)恢復。
6.應用軟件冗余
系統包含多個(gè)關(guān)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(guān)鍵應用軟件設計部署在多個(gè)虛擬機節點(diǎn)上，在這些虛擬機節點(diǎn)上，使用分布式緩存技術(shù)實(shí)時(shí)復制數據，達到數據在多個(gè)服務(wù)器上同步的目的。
貨物的位置信息、設備的運行狀態(tài)等數據在應用軟件部署的多個(gè)節點(diǎn)上實(shí)時(shí)更新，當某一個(gè)節點(diǎn)故障時(shí)，另外一個(gè)節點(diǎn)接管其工作，繼續處理業(yè)務(wù)。
四、結語(yǔ)
上述物流系統已平穩運行近3年，無(wú)重大停機事故發(fā)生，實(shí)踐證明：在大型自動(dòng)化物流系統中，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、應用軟件冗余等方法，可顯著(zhù)提升系統的可靠性、可用性，實(shí)現不間斷運行的目標，使系統相關(guān)方經(jīng)濟、社會(huì )效益最大化。