基于PLC的服務器機房電源控制系統(tǒng)的設計
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1、引 言
在互聯(lián)網(wǎng)技術及其應用的推動下，教育信息化建設得到了飛速的發(fā)展，基于網(wǎng)絡的各種應用如網(wǎng)絡遠程教育、數(shù)字圖書館、網(wǎng)絡辦公等系統(tǒng)得到了迅速的普及，越來越多的系統(tǒng)應用對數(shù)據(jù)的存儲提出了更高的要求。在網(wǎng)絡時代，信息資源呈幾何級數(shù)增長，導致通過網(wǎng)絡進行傳輸?shù)男畔⒘坎粩嗯蛎?，大量的信息需要進行數(shù)字化存儲。而構建大量的網(wǎng)絡存儲后，如何保證這些數(shù)據(jù)的安全、可靠的運行呢？
越來越多的高校存在多地辦學的壓力，學生數(shù)目急劇增加，而工作人員工作量的加重、交通不便、機房系統(tǒng)管理人員的匾乏導致我們無法及時應對停電這些突如其來的偶然情況。雖說大多數(shù)服務器機房配備了UPS，但停電時間的偶然性和 UPS電池容量的有限性還是會導致一些重要數(shù)據(jù)的丟失。
現(xiàn)在的服務器存放數(shù)據(jù)大多采用SAN（Storage Area Network)架構的網(wǎng)絡存儲模式，依靠系統(tǒng)管理人員手動啟動或手動關閉服務器等設備。一旦停電，若處理不及時，必然導致數(shù)據(jù)丟失。下面我們以云南大學圖書館基于SAN架構的IBM FAST 900存儲為例（如圖1）。
利用了PLC強大的邏輯功能和高可靠性以及PC機的軟硬件資源，本文設計了一個服務器機房電源控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了整套機房電源的自動有序開啟或關閉（包括服務器、交換機、磁盤控制器、磁盤柜等），克服了傳統(tǒng)手工管理服務器機房的弊端。
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圖1 基于PLC的服務器機房電源控制系統(tǒng)拓撲圖 |
2、服務器機房電源控制系統(tǒng)的功能和組成
2.1 電源自動有序開啟和有序斷開
服務器機房系統(tǒng)中有UPS、磁盤柜（EXP700）、光纖交換機（Switch 3534-FO8）、光纖磁盤控制器（FAST 900）、服務器，整個系統(tǒng)的開啟和斷開都是有順序而且對時間也有一定要求。一旦順序紊亂，就會導致數(shù)據(jù)丟失。
下面我們規(guī)定一下開關機條件：UPS電池容量高于10%且處于充電狀態(tài)，可以開機；UPS電池容量低于10%且處于放電狀態(tài)，關機。
開啟和斷開順序如下圖2所示：
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圖2 開關機示意圖 |
開機：所有磁盤柜（EXP700）開啟一分鐘后，依次開啟光纖交換機（Switch 3534-F08）、光纖磁盤控制器（FAST 900），前后設備間隔30秒啟動；再打開服務器操作系統(tǒng)；
關機：關閉服務器操作系統(tǒng)后，依次關閉光纖磁盤控制器（FAST 900）、光纖交換機（Switch 3534-F08）、磁盤柜（EXP 700），前后設備間隔30秒關閉。
整個過程無需手工介人，一旦確定開機或者關機，UPS通過以太網(wǎng)發(fā)送開機/關機信號到PC機，從而實現(xiàn)整個機房電源的自動開啟或關閉。與傳統(tǒng)的手工開關機相比，節(jié)省了大量的人力、物力、時間，同時避免了誤操作而引起的系統(tǒng)故障。
2.2 電源的監(jiān)視和信息統(tǒng)計
PC機通過OPC Server與PLC建立連接，采集PLC信息，顯示在PC程序界面上，從而實現(xiàn)對電源的開啟和關閉次數(shù)的統(tǒng)計功能。
2.3 組成
系統(tǒng)軟件組成：機房管理監(jiān)控軟件，PLC編程軟件Step7（Ver5.0或更高)，Siemens Simatic Net2006（OPC軟件）。
系統(tǒng)硬件組成：PC、西門子S7300 PLC、16I/160輸入輸出模塊、CP343-1 IT以太網(wǎng)卡、PS307 24VDC穩(wěn)壓源、以及單極斷路器、中間繼電器、指示燈、按鈕若干。
3 基于PLC的服務器電源管理系統(tǒng)的設計過程
3.1 PLC選型
由于系統(tǒng)基于PLC裝置的強大的邏輯功能和高可靠性，建立其輸出節(jié)點與被控對象（中間繼電器）——電源開關量之間的“點對點”關系，對電源開關進行控制；并且PLC具備以太網(wǎng)與PC機通訊功能。所以在PLC的選型上需要綜合考慮以下幾個因素：系統(tǒng)需要的功能、I/O點數(shù)、程序存儲器的容量以及I/O信號的性質(zhì)、參數(shù)、特性等。
本系統(tǒng)選用德國西門子自動化有限公司的S7300系列器件。該器件由PS307電源、CPU315-2DP、CP343、1 TT、16點I/O模塊以及保護電源的單極斷路器、控制電源通斷的中間繼電器（簡稱“繼電器”）組成。PLC上運行的軟件用Step7開發(fā)，用于采集相應的輸入信號進行處理，處理后輸出到控制繼電器來控制相應設備的電源。
3.2 電路原理
電路原理如圖3所示：
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圖3 基于PLC的服務器機房電源控制系統(tǒng)的電路原理圖 |
由于采用PLC vo控制，電路的控制變得異常簡單，因為PLC程序取代了大部份原先電路邏輯所做的工作。S7300的16輸入16輸出模塊主要是采集一個“啟動”按鈕（StartButton）和一個“停止”按鈕（StopButton）的信號，通過PLC-S73110處理以后，輸出控制相應的繼電器間接控制設備電源關開和指示燈。3.3 PLC程序的主要控制程序簡介
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圖4 主要控制程序（一） |
圖4是PLC使用的典型梯形圖，‘︱︱’——常開邏輯判斷符，‘H’——常閉邏輯判斷符，（SD）——延時接通計時器，（SF）——延時斷開計時器。
改控制程序?qū)崿F(xiàn)了設備的電源開關的延時接通和延時斷開，具體時間由“StartTime”和“StopTime”給定。一旦啟動按鈕 “StartButton”被觸發(fā)，使能“MEnable”就具備，使用整個系統(tǒng)有序上電；而觸發(fā)停止按鈕“StopButton”以后，使能 “MEnable”丟失，整系統(tǒng)就根據(jù)程序有序斷電。
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圖5 主要控制程序（二） |
圖5說明了系統(tǒng)中設備的電源開關控制流程。
使能“MEnable”，具備，則啟動磁盤柜（EXP700）使能“MEnable”具備，“EXP700-ON”是磁盤柜啟動延時計時器（圖4），時間到達1分鐘后，光纖交換機（Switch3534-F08）啟動同理，時間到達30秒鐘后，光纖磁盤控制器（FAST900）啟動同理，時間到達30秒鐘后，服務器（SeiveiComputer）啟動。
上面所介紹的只是系統(tǒng)啟動過程，下面介紹系統(tǒng)關閉過程。
圖4中，觸發(fā)停止按鈕“StopButton”以后，使能“MEnable”丟失，圖S中的服務器（ServeiComputer）輸出停止，服務器電源開關斷電；圖5中“ServeiComputer-OFF”是服務器斷電延時計時器，時間達到30秒鐘后，光纖磁盤控制器（FAST 900）輸出停止，光纖磁盤控制器電源開關斷電；之后再過30秒，光纖交換機（FAST 900）電源開關斷電；再過30秒，磁盤柜（EXP700）電源開關斷電，整個系統(tǒng)斷電完成。
3.4 OPC技術
上述開關電源的過程需要對電源狀態(tài)進行監(jiān)視和統(tǒng)計，因此PC與PLC通訊是必不可少的，OPC（OLE For Process Control）技術是普遍采用的技術。OPC技術規(guī)范是以Microsoft的OLE/COM（Object Linking and Embedding/Component Object Model）技術為差礎，定義了一組接口規(guī)范。它包括OPC自動化接口（Automation Interface）和OPC定制接口（Custom Interface）。另外，OPC技術規(guī)范定義的是OPC服務器程序和客戶機程序進行通訊的接口或通訊的方法。
OLE自動化標準接口定義了以下三層接口，依次呈包含關系。
OPC Server：OPC啟動服務器，獲得其他對象和服務的起始類，并用于返回OPC Group類對象；
OPCGroup：存儲由若干。PC Item組成的Group信息，并用于返回OPC Item類對象；
OPC Item：存儲具體Item的定義、數(shù)據(jù)值、狀態(tài)值等信息。
實現(xiàn)本系統(tǒng)程序源碼的部分核心代碼如下圖6所示：
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圖6 程序源碼部分核心代碼 |
4 結(jié)束語
基于PLC的服務器機房電源控制系統(tǒng)實現(xiàn)了整套機房電源的自動有序開啟或關閉，克服了傳統(tǒng)手工管理服務器機房的弊端，滿足了提高管理效率的管理需求，體現(xiàn)了管理的科學化。
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