云計算技術在工業自動化中的應用

任靖輝， 張進思

（1.云南永昌硅業股份有限公司， 云南 昆明 650500；2.昆明理工大學信息工程與自動化學院， 云南 昆明 650500）

0 引言

自動化技術作為降本增效、現代化管理運營的手段，在工業生產中發揮著重要作用。自動化技術及相關應用在各業務部門部署實施，帶來數據量的快速增長；另外，在傳統的工業自動化系統中，數據存儲分散、自動化應用程序部署在獨立的硬件設備中，帶來資源的浪費和管理的復雜性。普通服務器機房在資源承載、運維管理等方面，面臨巨大壓力[1-2]。建設一套安全、穩定的云計算平臺非常有必要。在云計算技術中，OpenStack 以其靈活性、可擴展性等優秀指標一直受到相關從業者關注，并成為企業構建云計算基礎設施的首選之一。可為工業自動化提供合適的基礎云計算平臺服務。

1 總體設計

將云計算技術應用于現代工業自動化中，整體架構可分為三層，如圖1 所示，即硬件層、云計算資源池層、工業自動化應用層。將零散獨立的硬件層服務器、網絡設備、存儲設備等用OpenStack 組件整合在一起，構成統一的云計算資源池；云計算資源池包括計算資源池、網絡資源池、存儲資源池，這個龐大的資源池可根據數據量、業務量的不斷增加而進行動態擴充，形成穩定、便捷、管理方便的新型IT 管理模式；資源池中的各個資源可通過云計算管理界面動態按需分配給工業自動化應用層的生產業務系統使用[3-4]。實現工業自動化建設的統一資源池化、資源動態擴展、軟件定義網絡管理、自動化業務應用資源按需分配的綠色計算模式。

圖1 工業自動化云平臺整體架構

2 云計算資源池構建

2.1 云計算平臺節點信息

根據工廠現有業務及規劃中業務應用的資源評估，得出所需計算、存儲等資源的大概數量；再考慮云計算平臺的負載均衡架構節點的建設和OpenStack各組件的超融合部署，規劃出初步建設云計算平臺的服務器為六臺，后期可根據業務應用的增多再進行添加服務器動態擴展資源。云計算平臺節點的信息如圖2 所示。

圖2 云計算平臺節點信息

OpenStack 云平臺中的控制節點主要是管理和調度整個云環境中的各種資源和服務的節點；網絡節點主要負責處理虛擬網絡的創建、配置和管理，以及為云計算環境中的虛擬機實例提供網絡連接和通信功能；計算節點是運行虛擬機實例的計算資源節點，主要負責虛擬機實例管理和計算資源調度；存儲節點是提供云平臺存儲資源池的節點，用于滿足虛擬機實例和其他數據的存儲資源需求[5-6]。

在各節點的部署規劃上，為合理利用服務器資源，從各節點的資源占用、高可用及負載均衡的實現方面、服務器及節點的擴展性方面等進行充分考慮。將控制節點和網絡節點部署在同一臺服務器上，再將控制節點和網絡節點配置為三臺服務器的負載均衡及高可用架構，可對資源請求進行負載均衡，同時高可用服務實現了某臺服務器宕機后整個云平臺服務的不間斷提供，保障了云平臺服務的高可用性及高可靠性。另外，將計算節點和存儲節點部署在同一臺服務器上，當需要進行云平臺資源池擴充時，僅需增加服務器，橫向擴充計算節點和存儲節點即可[7]。

2.2 平臺組件及網絡

OpenStack 云平臺為分布式組件部署模式，并支持動態擴展。在不同的節點主機中部署相應的服務，云平臺各節點中部署的主要服務或組件如圖3 所示。服務器一、服務器二、服務器三（即控制節點+網絡節點）主要部署負載均衡組件、Mariadb-galera 數據庫集群、RabbitMQ 消息隊列服務、Keystone 身份認證服務組件、Glance 云鏡像服務組件、Nova 計算組件、Neutron 網絡組件、Dashboard 圖形化界面、Cinder 存儲組件、和CEPH 分布式存儲服務；服務器四、服務器五、服務器六（即計算節點+存儲節點）主要部署Nova 計算組件、Neutron 網絡組件、CEPH 分布式存儲服務[8-9]。

圖3 云計算平臺各節點部署信息

在云平臺的網絡規劃上，根據不同的網絡通信用途一共規劃三個網絡。“云平臺內部網絡1”主要用于傳輸云平臺的控制及管理信息、消息隊列通信、節點狀態監測通信等。“云平臺內部網絡2”主要用于計算及存儲資源管理調度。“云平臺內部網絡3”主要用于建立云平臺和工廠局域網之間的數據通信，提供Neutron 網絡組件，通過該網絡實現云主機與工廠內部各設備局域網互聯[10]。

2.3 云平臺節點動態擴展

OpenStack 云計算組件具有強擴展性。擴展節點的方法有很多種，支持網絡節點、計算節點、存儲節點等各節點及組件的動態擴展；鑒于工廠實際應用及業務量考慮，通常僅需對計算節點和存儲節點進行動態擴展。擴展節點時，需構建一個和現有節點類似的新節點，控制節點的相關服務配置不用新增或修改。構建和配置新節點時，同現有同類型節點類似配置，包括指定消息響應隊列相關信息、身份認證信息等。新節點安裝完成后，可自動添加至OpenStack 云平臺資源池中提供相關服務。

3 工業自動化應用層

工廠內部各自動化業務應用均部署在云平臺中，根據不同的業務應用規模大小、所需資源情況分配合理的資源。業務應用包括自動化生產線、機器人應用、能源管理應用、安全監控和管理應用、質量檢測自動化應用等。信息監控采集類自動化控制設備將生產過程中的溫度、壓力、電流、電壓、流量、各業務數據等通過網絡實時傳輸到云平臺中，實時監測設備狀態和生產過程，及時發現問題并進行故障排除和維護，同時和云平臺自動化控制系統雙向通信，自動調節、處理反饋數據。依托云平臺提供的強大算力資源和存儲資源，工業大數據分析等應用得到更大的發揮[11-13]。

4 結語

根據工廠具體情況，論述了云計算平臺的基本建設情況以及在工業自動化過程中的應用。云計算技術在工業自動化中具有巨大的應用潛力，可以為工業自動化的數字化轉型和智能化升級提供有效的解決方案。通過合理的規劃資源和應用云計算技術，有助于實現工業自動化過程中的資源高效利用，為生產過程自動化和智能化管理提供強大的基礎設施資源池服務，推動工業自動化領域的創新和發展。