云計(jì)算技術(shù)在工業(yè)自動(dòng)化中的應(yīng)用

任靖輝， 張進(jìn)思

（1.云南永昌硅業(yè)股份有限公司， 云南 昆明 650500；2.昆明理工大學(xué)信息工程與自動(dòng)化學(xué)院， 云南 昆明 650500）

0 引言

自動(dòng)化技術(shù)作為降本增效、現(xiàn)代化管理運(yùn)營(yíng)的手段，在工業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮著重要作用。自動(dòng)化技術(shù)及相關(guān)應(yīng)用在各業(yè)務(wù)部門(mén)部署實(shí)施，帶來(lái)數(shù)據(jù)量的快速增長(zhǎng)；另外，在傳統(tǒng)的工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)分散、自動(dòng)化應(yīng)用程序部署在獨(dú)立的硬件設(shè)備中，帶來(lái)資源的浪費(fèi)和管理的復(fù)雜性。普通服務(wù)器機(jī)房在資源承載、運(yùn)維管理等方面，面臨巨大壓力[1-2]。建設(shè)一套安全、穩(wěn)定的云計(jì)算平臺(tái)非常有必要。在云計(jì)算技術(shù)中，OpenStack 以其靈活性、可擴(kuò)展性等優(yōu)秀指標(biāo)一直受到相關(guān)從業(yè)者關(guān)注，并成為企業(yè)構(gòu)建云計(jì)算基礎(chǔ)設(shè)施的首選之一。可為工業(yè)自動(dòng)化提供合適的基礎(chǔ)云計(jì)算平臺(tái)服務(wù)。

1 總體設(shè)計(jì)

將云計(jì)算技術(shù)應(yīng)用于現(xiàn)代工業(yè)自動(dòng)化中，整體架構(gòu)可分為三層，如圖1 所示，即硬件層、云計(jì)算資源池層、工業(yè)自動(dòng)化應(yīng)用層。將零散獨(dú)立的硬件層服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、存儲(chǔ)設(shè)備等用OpenStack 組件整合在一起，構(gòu)成統(tǒng)一的云計(jì)算資源池；云計(jì)算資源池包括計(jì)算資源池、網(wǎng)絡(luò)資源池、存儲(chǔ)資源池，這個(gè)龐大的資源池可根據(jù)數(shù)據(jù)量、業(yè)務(wù)量的不斷增加而進(jìn)行動(dòng)態(tài)擴(kuò)充，形成穩(wěn)定、便捷、管理方便的新型IT 管理模式；資源池中的各個(gè)資源可通過(guò)云計(jì)算管理界面動(dòng)態(tài)按需分配給工業(yè)自動(dòng)化應(yīng)用層的生產(chǎn)業(yè)務(wù)系統(tǒng)使用[3-4]。實(shí)現(xiàn)工業(yè)自動(dòng)化建設(shè)的統(tǒng)一資源池化、資源動(dòng)態(tài)擴(kuò)展、軟件定義網(wǎng)絡(luò)管理、自動(dòng)化業(yè)務(wù)應(yīng)用資源按需分配的綠色計(jì)算模式。

圖1 工業(yè)自動(dòng)化云平臺(tái)整體架構(gòu)

2 云計(jì)算資源池構(gòu)建

2.1 云計(jì)算平臺(tái)節(jié)點(diǎn)信息

根據(jù)工廠現(xiàn)有業(yè)務(wù)及規(guī)劃中業(yè)務(wù)應(yīng)用的資源評(píng)估，得出所需計(jì)算、存儲(chǔ)等資源的大概數(shù)量；再考慮云計(jì)算平臺(tái)的負(fù)載均衡架構(gòu)節(jié)點(diǎn)的建設(shè)和OpenStack各組件的超融合部署，規(guī)劃出初步建設(shè)云計(jì)算平臺(tái)的服務(wù)器為六臺(tái)，后期可根據(jù)業(yè)務(wù)應(yīng)用的增多再進(jìn)行添加服務(wù)器動(dòng)態(tài)擴(kuò)展資源。云計(jì)算平臺(tái)節(jié)點(diǎn)的信息如圖2 所示。

圖2 云計(jì)算平臺(tái)節(jié)點(diǎn)信息

OpenStack 云平臺(tái)中的控制節(jié)點(diǎn)主要是管理和調(diào)度整個(gè)云環(huán)境中的各種資源和服務(wù)的節(jié)點(diǎn)；網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)主要負(fù)責(zé)處理虛擬網(wǎng)絡(luò)的創(chuàng)建、配置和管理，以及為云計(jì)算環(huán)境中的虛擬機(jī)實(shí)例提供網(wǎng)絡(luò)連接和通信功能；計(jì)算節(jié)點(diǎn)是運(yùn)行虛擬機(jī)實(shí)例的計(jì)算資源節(jié)點(diǎn)，主要負(fù)責(zé)虛擬機(jī)實(shí)例管理和計(jì)算資源調(diào)度；存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)是提供云平臺(tái)存儲(chǔ)資源池的節(jié)點(diǎn)，用于滿足虛擬機(jī)實(shí)例和其他數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)資源需求[5-6]。

在各節(jié)點(diǎn)的部署規(guī)劃上，為合理利用服務(wù)器資源，從各節(jié)點(diǎn)的資源占用、高可用及負(fù)載均衡的實(shí)現(xiàn)方面、服務(wù)器及節(jié)點(diǎn)的擴(kuò)展性方面等進(jìn)行充分考慮。將控制節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)部署在同一臺(tái)服務(wù)器上，再將控制節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)配置為三臺(tái)服務(wù)器的負(fù)載均衡及高可用架構(gòu)，可對(duì)資源請(qǐng)求進(jìn)行負(fù)載均衡，同時(shí)高可用服務(wù)實(shí)現(xiàn)了某臺(tái)服務(wù)器宕機(jī)后整個(gè)云平臺(tái)服務(wù)的不間斷提供，保障了云平臺(tái)服務(wù)的高可用性及高可靠性。另外，將計(jì)算節(jié)點(diǎn)和存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)部署在同一臺(tái)服務(wù)器上，當(dāng)需要進(jìn)行云平臺(tái)資源池?cái)U(kuò)充時(shí)，僅需增加服務(wù)器，橫向擴(kuò)充計(jì)算節(jié)點(diǎn)和存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)即可[7]。

2.2 平臺(tái)組件及網(wǎng)絡(luò)

OpenStack 云平臺(tái)為分布式組件部署模式，并支持動(dòng)態(tài)擴(kuò)展。在不同的節(jié)點(diǎn)主機(jī)中部署相應(yīng)的服務(wù)，云平臺(tái)各節(jié)點(diǎn)中部署的主要服務(wù)或組件如圖3 所示。服務(wù)器一、服務(wù)器二、服務(wù)器三（即控制節(jié)點(diǎn)+網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)）主要部署負(fù)載均衡組件、Mariadb-galera 數(shù)據(jù)庫(kù)集群、RabbitMQ 消息隊(duì)列服務(wù)、Keystone 身份認(rèn)證服務(wù)組件、Glance 云鏡像服務(wù)組件、Nova 計(jì)算組件、Neutron 網(wǎng)絡(luò)組件、Dashboard 圖形化界面、Cinder 存儲(chǔ)組件、和CEPH 分布式存儲(chǔ)服務(wù)；服務(wù)器四、服務(wù)器五、服務(wù)器六（即計(jì)算節(jié)點(diǎn)+存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)）主要部署Nova 計(jì)算組件、Neutron 網(wǎng)絡(luò)組件、CEPH 分布式存儲(chǔ)服務(wù)[8-9]。

圖3 云計(jì)算平臺(tái)各節(jié)點(diǎn)部署信息

在云平臺(tái)的網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃上，根據(jù)不同的網(wǎng)絡(luò)通信用途一共規(guī)劃三個(gè)網(wǎng)絡(luò)?！霸破脚_(tái)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)1”主要用于傳輸云平臺(tái)的控制及管理信息、消息隊(duì)列通信、節(jié)點(diǎn)狀態(tài)監(jiān)測(cè)通信等?！霸破脚_(tái)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)2”主要用于計(jì)算及存儲(chǔ)資源管理調(diào)度?！霸破脚_(tái)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)3”主要用于建立云平臺(tái)和工廠局域網(wǎng)之間的數(shù)據(jù)通信，提供Neutron 網(wǎng)絡(luò)組件，通過(guò)該網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)云主機(jī)與工廠內(nèi)部各設(shè)備局域網(wǎng)互聯(lián)[10]。

2.3 云平臺(tái)節(jié)點(diǎn)動(dòng)態(tài)擴(kuò)展

OpenStack 云計(jì)算組件具有強(qiáng)擴(kuò)展性。擴(kuò)展節(jié)點(diǎn)的方法有很多種，支持網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)、計(jì)算節(jié)點(diǎn)、存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)等各節(jié)點(diǎn)及組件的動(dòng)態(tài)擴(kuò)展；鑒于工廠實(shí)際應(yīng)用及業(yè)務(wù)量考慮，通常僅需對(duì)計(jì)算節(jié)點(diǎn)和存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行動(dòng)態(tài)擴(kuò)展。擴(kuò)展節(jié)點(diǎn)時(shí)，需構(gòu)建一個(gè)和現(xiàn)有節(jié)點(diǎn)類似的新節(jié)點(diǎn)，控制節(jié)點(diǎn)的相關(guān)服務(wù)配置不用新增或修改。構(gòu)建和配置新節(jié)點(diǎn)時(shí)，同現(xiàn)有同類型節(jié)點(diǎn)類似配置，包括指定消息響應(yīng)隊(duì)列相關(guān)信息、身份認(rèn)證信息等。新節(jié)點(diǎn)安裝完成后，可自動(dòng)添加至OpenStack 云平臺(tái)資源池中提供相關(guān)服務(wù)。

3 工業(yè)自動(dòng)化應(yīng)用層

工廠內(nèi)部各自動(dòng)化業(yè)務(wù)應(yīng)用均部署在云平臺(tái)中，根據(jù)不同的業(yè)務(wù)應(yīng)用規(guī)模大小、所需資源情況分配合理的資源。業(yè)務(wù)應(yīng)用包括自動(dòng)化生產(chǎn)線、機(jī)器人應(yīng)用、能源管理應(yīng)用、安全監(jiān)控和管理應(yīng)用、質(zhì)量檢測(cè)自動(dòng)化應(yīng)用等。信息監(jiān)控采集類自動(dòng)化控制設(shè)備將生產(chǎn)過(guò)程中的溫度、壓力、電流、電壓、流量、各業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)等通過(guò)網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)傳輸?shù)皆破脚_(tái)中，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)設(shè)備狀態(tài)和生產(chǎn)過(guò)程，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并進(jìn)行故障排除和維護(hù)，同時(shí)和云平臺(tái)自動(dòng)化控制系統(tǒng)雙向通信，自動(dòng)調(diào)節(jié)、處理反饋數(shù)據(jù)。依托云平臺(tái)提供的強(qiáng)大算力資源和存儲(chǔ)資源，工業(yè)大數(shù)據(jù)分析等應(yīng)用得到更大的發(fā)揮[11-13]。

4 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)工廠具體情況，論述了云計(jì)算平臺(tái)的基本建設(shè)情況以及在工業(yè)自動(dòng)化過(guò)程中的應(yīng)用。云計(jì)算技術(shù)在工業(yè)自動(dòng)化中具有巨大的應(yīng)用潛力，可以為工業(yè)自動(dòng)化的數(shù)字化轉(zhuǎn)型和智能化升級(jí)提供有效的解決方案。通過(guò)合理的規(guī)劃資源和應(yīng)用云計(jì)算技術(shù)，有助于實(shí)現(xiàn)工業(yè)自動(dòng)化過(guò)程中的資源高效利用，為生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化和智能化管理提供強(qiáng)大的基礎(chǔ)設(shè)施資源池服務(wù)，推動(dòng)工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的創(chuàng)新和發(fā)展。