服務器系統(tǒng)雙電源自動切換的保護與監(jiān)控系統(tǒng)設計

袁 霏,蔣天翔,李繼松,芮彬詞

(1.南通職業(yè)大學 電子信息工程學院,江蘇 南通 226000;2.科德寶寶翎襯布(南通)有限公司,江蘇 南通 226000)

印染工廠車間正常生產(chǎn)的過程中,物料的信息由一套完備的SAP服務系統(tǒng)控制,物料的代碼、數(shù)量以及在制品的貨號等都錄入系統(tǒng)中,這些對于生產(chǎn)、銷售等部門至關重要。但是服務器的運行需要持續(xù)穩(wěn)定的供電系統(tǒng),遇到電壓波動或者雷電斷電,服務器就會宕機,需要很長的時間重啟恢復。同時再次送電后需要總服務器系統(tǒng)重啟命令,這里存在6 h的時差。因此服務器故障就會持續(xù)很長時間,生產(chǎn)車間不能正常使用SAP系統(tǒng),會給整個工廠運行帶來較大損失?，F(xiàn)在急需一種能夠過濾這種電壓的波動且成本低的裝置,能讓服務器最大限度穩(wěn)定運行。

目前國內(nèi)外對于工廠供電系統(tǒng)主要依據(jù)負載的重要性程度考慮方案,一般工廠的雙電源供電系統(tǒng)還只能在現(xiàn)場的配電間進行操作與狀態(tài)觀察。當發(fā)生一路電源緊急故障時,另一路電源還需要現(xiàn)場人員手動操作完成,這樣很不利于管理。隨著工廠內(nèi)電源穩(wěn)定性要求的提高,部分服務器系統(tǒng)關系到生產(chǎn)的正常運行。因此需要對重要的負載設備進行雙路電源供應,同時在兩路電源均故障時,能夠及時響應并發(fā)送通知給維護人員,做到人為緩沖關閉服務器或及時恢復電源供電[1]。

1 總體設計

服務器需要一直保持持續(xù)不間斷供電狀態(tài),不可出現(xiàn)1 s的電壓波動或丟失。如果給服務器供應雙電源系統(tǒng),在A電源向B電源切換的時候會出現(xiàn)瞬間停電狀態(tài),大約2 s的間隙。雙電源自動切換開關無法做到不間斷切換模式,否則成本代價很高。因此在雙電源開關輸出回路上考慮增加一個UPS供應模塊作為過渡橋,來解決切換時2 s斷電間隙問題。

如圖1所示,為服務器設計的電源控制柜采用兩個獨立電源進入方式,一用一備。當正常使用電源丟失時,雙電源開關將自動切換至另一路備用電源。雙電源開關具備簡單的控制輸出和液晶顯示狀態(tài)功能,同時搭載485通信功能。電柜里還增加了遠程監(jiān)控模塊,其具備網(wǎng)關功能,可以連接現(xiàn)場無線WiFi信號,發(fā)送雙電源開關數(shù)據(jù)給手機客戶端[2]。管理員通過手機APP軟件可以查看當前雙電源開關電柜的運行狀態(tài),即服務器的運行電流、電壓以及開關位置狀態(tài)。如果主電源發(fā)生電源故障,手機將會收到監(jiān)控模塊推送的電源報警信息,同時搭載的UPS電源自動向服務器供電,直到主開關切換至備用電源。如果當兩路電源同時發(fā)生故障時,UPS也會向服務器提供至少2 h的工作電源,從而保證工作人員在接到報警信息后,有充足的時間對服務器系統(tǒng)進行正常關機準備或恢復至少一路的供電能力。

2 硬件設計

2.1 雙電源自動切換開關

電源控制柜使用CAP3-125/4IN II型自動切換開關組件,它主要用于50/60 Hz,額定工作電壓在AC230/400 V的電源系統(tǒng),當一路電源發(fā)生異常而進行電源之間的切換,保證其供電的連續(xù)性和可靠性。

圖1 服務器雙電源供應架構

如圖2所示,雙電源開關分為執(zhí)行結構和液晶顯示單元。開關的上端分別有主電源和備用電源的三項四線接入端子,下方為一路三相四線的負載輸出端子。左側的旋轉箭頭狀態(tài)指示此時開關在常用主電源位置,右側的旋轉撥動開關指示在自動位置[3]。

圖2 雙電源切換開關

液晶顯示屏中,操作按鈕選擇工作模式為“自投自復”模式,即當備用電源正常時,如果常用主電源發(fā)生故障,則經(jīng)過設定的轉換動作延時時間t1自動換接至備用電源。而當常用電源恢復正常后,則經(jīng)過設定的返回轉換延時時間t2從備用電源自動切換至常用電源。在切換的過程中,隨著指示燈閃爍和箭頭的旋轉可以很明顯看出開關的狀態(tài)變化。操作人員也可以將旋轉撥動開關切換到手動模式,且無關人力操作,僅是按鈕選擇,保證操作者的安全。通過電磁兼容,可應對頻繁轉換及各種惡劣環(huán)境的使用[4]。

2.2 遠程監(jiān)控報警設備

為了能夠及時發(fā)現(xiàn)雙電源開關的動作情況,在系統(tǒng)中增加了網(wǎng)關報警模塊。采用MNGate301模塊,它具備4G和WiFi以太網(wǎng)等網(wǎng)絡接入功能,自適應端口強。同時自帶RS485和RS232串口接入功能,滿足不同的硬件模塊通信口連接,可支持數(shù)據(jù)采集功能和PLC遠程上下載程序[5]。

如圖3所示,雙電源開關自帶有RS485通信接口,通過兩線制連接至網(wǎng)關模塊的485接口,采用MODBUS協(xié)議通信獲取雙電源模塊的實時狀態(tài)數(shù)據(jù)。為了保證無線網(wǎng)關模塊在沒有備用電源的情況下仍然能夠發(fā)送報警信息,在雙電源開關的負載電源上設計增加小型UPS電源并供給至開關電源,再由開關電源輸出直流24VDC供應工作電壓給網(wǎng)關模塊。這樣網(wǎng)關模塊再經(jīng)過軟件組態(tài),就可以讀取主開關的狀態(tài)信息,如常用/備用位置的檢查,欠壓和過壓保護數(shù)據(jù)[6]。

圖3 遠程監(jiān)控報警設計

3 軟件設計

遠程監(jiān)控報警設備采用明牛云組態(tài)軟件編寫程序。如圖4所示,雙電源開關的通信模塊中將會給定每個數(shù)據(jù)變量的地址和讀寫標準。在硬件通信正常的基礎上,設定好網(wǎng)關模塊為主站,雙電源開關為從站地址1,統(tǒng)一設置波特率19200,偶校驗以及數(shù)據(jù)位值即可。如反應主開關模式的地址位數(shù)據(jù)403074.2,表示讀寫方式為只讀,數(shù)據(jù)類型為16位,該數(shù)據(jù)的第2位置的二進制數(shù)值為0代表自動模式,1代表手動模式。雙電源常用主電源合閘,數(shù)據(jù)地址為403073.1的數(shù)值為1,而雙電源備用合閘數(shù)據(jù)地址403073.2的數(shù)值為0。主開關還提供了三相電壓值的狀態(tài),如欠壓報警和過壓報警,以及雙電源開關整體系統(tǒng)的故障報警,以上數(shù)據(jù)均可以實時讀取[7]。

為了達到100%服務器狀態(tài)監(jiān)控,如服務器被誤操作關閉,這時雙電源系統(tǒng)無法監(jiān)測到故障信息,網(wǎng)關模塊也不會主動發(fā)送報警信息給管理者。因此,設備還需要監(jiān)控負載服務器的工作狀態(tài)。通過數(shù)據(jù)收集,可以了解到服務器正常工作時,負載電流值穩(wěn)定在5 A左右,因此可以設定主電源開關負載線路上電流值低于1 A左右值即可認定服務器負載斷開或關閉,此時需要及時查找服務器的故障原因。

圖4 遠程監(jiān)控模塊的組態(tài)界面

如圖5所示,電控柜上安裝的電能表具備485通信采集功能,由它實時采集負載電流值,然后網(wǎng)關模塊增加從站2號讀取電能表內(nèi)寄存器電流值,并設定了雙電源負載電流值小于1.0 A即認定服務器故障,發(fā)送報警內(nèi)容給管理員,從而實現(xiàn)閉環(huán)反饋監(jiān)控,使服務器的運行更加穩(wěn)定可靠。

圖5 服務器的電流監(jiān)控

4 應用效果

登錄云平臺賬號后得到的實時在線數(shù)據(jù)電腦網(wǎng)頁界面如圖6所示。管理員也可以隨時使用手機APP軟件遠程連接云平臺,獲取網(wǎng)關模塊的數(shù)據(jù)信息。從圖6中可以看出,雙電源開關為自投自復模式,備用和常用相電壓均是正常電壓水平。

如圖7所示,管理員通過手機APP軟件顯示實時狀態(tài)數(shù)據(jù),組態(tài)相應的報警條件。從圖7中可看到當發(fā)生電源開關切換時,雙電源開關將狀態(tài)數(shù)據(jù)通信傳輸給網(wǎng)關模塊,網(wǎng)關模塊內(nèi)部程序組態(tài)了報警發(fā)送功能,然后發(fā)送至云平臺,最后云平臺將報警信息以短信形式發(fā)送至管理員手機。整個過程的延遲不超過5 s,足夠管理人員接收到報警信息進行快速響應。不論備用電源是否正常,服務器的UPS電源會在切換過程自動進入工作模式,無間隙供應服務器電源,直到現(xiàn)場電源在2 h內(nèi)修復即可[8]。

圖6 電腦網(wǎng)頁監(jiān)控結果

圖7 手機APP監(jiān)控畫面及短信報警消息

5 結束語

通過增加主開關的雙電源進線,保證了一用一備的電源回路,服務器同時掛載大容量UPS電源,保證在電源切換時或電源產(chǎn)生故障時,能夠短時間供應服務器不間斷電源且不受外部干擾。增加的網(wǎng)關監(jiān)控模塊不僅能監(jiān)測到主開關的動作位置,及時告知管理員檢查電源回路,還能夠監(jiān)測負載的通斷狀態(tài),實現(xiàn)負載的反饋運行機制,百分百監(jiān)控服務器運行穩(wěn)定。