云计算技术在工业自动化中的应用

任靖辉， 张进思

（1.云南永昌硅业股份有限公司， 云南 昆明 650500；2.昆明理工大学信息工程与自动化学院， 云南 昆明 650500）

0 引言

自动化技术作为降本增效、现代化管理运营的手段，在工业生产中发挥着重要作用。自动化技术及相关应用在各业务部门部署实施，带来数据量的快速增长；另外，在传统的工业自动化系统中，数据存储分散、自动化应用程序部署在独立的硬件设备中，带来资源的浪费和管理的复杂性。普通服务器机房在资源承载、运维管理等方面，面临巨大压力[1-2]。建设一套安全、稳定的云计算平台非常有必要。在云计算技术中，OpenStack 以其灵活性、可扩展性等优秀指标一直受到相关从业者关注，并成为企业构建云计算基础设施的首选之一。可为工业自动化提供合适的基础云计算平台服务。

1 总体设计

将云计算技术应用于现代工业自动化中，整体架构可分为三层，如图1 所示，即硬件层、云计算资源池层、工业自动化应用层。将零散独立的硬件层服务器、网络设备、存储设备等用OpenStack 组件整合在一起，构成统一的云计算资源池；云计算资源池包括计算资源池、网络资源池、存储资源池，这个庞大的资源池可根据数据量、业务量的不断增加而进行动态扩充，形成稳定、便捷、管理方便的新型IT 管理模式；资源池中的各个资源可通过云计算管理界面动态按需分配给工业自动化应用层的生产业务系统使用[3-4]。实现工业自动化建设的统一资源池化、资源动态扩展、软件定义网络管理、自动化业务应用资源按需分配的绿色计算模式。

图1 工业自动化云平台整体架构

2 云计算资源池构建

2.1 云计算平台节点信息

根据工厂现有业务及规划中业务应用的资源评估，得出所需计算、存储等资源的大概数量；再考虑云计算平台的负载均衡架构节点的建设和OpenStack各组件的超融合部署，规划出初步建设云计算平台的服务器为六台，后期可根据业务应用的增多再进行添加服务器动态扩展资源。云计算平台节点的信息如图2 所示。

图2 云计算平台节点信息

OpenStack 云平台中的控制节点主要是管理和调度整个云环境中的各种资源和服务的节点；网络节点主要负责处理虚拟网络的创建、配置和管理，以及为云计算环境中的虚拟机实例提供网络连接和通信功能；计算节点是运行虚拟机实例的计算资源节点，主要负责虚拟机实例管理和计算资源调度；存储节点是提供云平台存储资源池的节点，用于满足虚拟机实例和其他数据的存储资源需求[5-6]。

在各节点的部署规划上，为合理利用服务器资源，从各节点的资源占用、高可用及负载均衡的实现方面、服务器及节点的扩展性方面等进行充分考虑。将控制节点和网络节点部署在同一台服务器上，再将控制节点和网络节点配置为三台服务器的负载均衡及高可用架构，可对资源请求进行负载均衡，同时高可用服务实现了某台服务器宕机后整个云平台服务的不间断提供，保障了云平台服务的高可用性及高可靠性。另外，将计算节点和存储节点部署在同一台服务器上，当需要进行云平台资源池扩充时，仅需增加服务器，横向扩充计算节点和存储节点即可[7]。

2.2 平台组件及网络

OpenStack 云平台为分布式组件部署模式，并支持动态扩展。在不同的节点主机中部署相应的服务，云平台各节点中部署的主要服务或组件如图3 所示。服务器一、服务器二、服务器三（即控制节点+网络节点）主要部署负载均衡组件、Mariadb-galera 数据库集群、RabbitMQ 消息队列服务、Keystone 身份认证服务组件、Glance 云镜像服务组件、Nova 计算组件、Neutron 网络组件、Dashboard 图形化界面、Cinder 存储组件、和CEPH 分布式存储服务；服务器四、服务器五、服务器六（即计算节点+存储节点）主要部署Nova 计算组件、Neutron 网络组件、CEPH 分布式存储服务[8-9]。

图3 云计算平台各节点部署信息

在云平台的网络规划上，根据不同的网络通信用途一共规划三个网络。“云平台内部网络1”主要用于传输云平台的控制及管理信息、消息队列通信、节点状态监测通信等。“云平台内部网络2”主要用于计算及存储资源管理调度。“云平台内部网络3”主要用于建立云平台和工厂局域网之间的数据通信，提供Neutron 网络组件，通过该网络实现云主机与工厂内部各设备局域网互联[10]。

2.3 云平台节点动态扩展

OpenStack 云计算组件具有强扩展性。扩展节点的方法有很多种，支持网络节点、计算节点、存储节点等各节点及组件的动态扩展；鉴于工厂实际应用及业务量考虑，通常仅需对计算节点和存储节点进行动态扩展。扩展节点时，需构建一个和现有节点类似的新节点，控制节点的相关服务配置不用新增或修改。构建和配置新节点时，同现有同类型节点类似配置，包括指定消息响应队列相关信息、身份认证信息等。新节点安装完成后，可自动添加至OpenStack 云平台资源池中提供相关服务。

3 工业自动化应用层

工厂内部各自动化业务应用均部署在云平台中，根据不同的业务应用规模大小、所需资源情况分配合理的资源。业务应用包括自动化生产线、机器人应用、能源管理应用、安全监控和管理应用、质量检测自动化应用等。信息监控采集类自动化控制设备将生产过程中的温度、压力、电流、电压、流量、各业务数据等通过网络实时传输到云平台中，实时监测设备状态和生产过程，及时发现问题并进行故障排除和维护，同时和云平台自动化控制系统双向通信，自动调节、处理反馈数据。依托云平台提供的强大算力资源和存储资源，工业大数据分析等应用得到更大的发挥[11-13]。

4 结语

根据工厂具体情况，论述了云计算平台的基本建设情况以及在工业自动化过程中的应用。云计算技术在工业自动化中具有巨大的应用潜力，可以为工业自动化的数字化转型和智能化升级提供有效的解决方案。通过合理的规划资源和应用云计算技术，有助于实现工业自动化过程中的资源高效利用，为生产过程自动化和智能化管理提供强大的基础设施资源池服务，推动工业自动化领域的创新和发展。