基于PLC的服务器机房电源控制系统的设计

1、引 言

      在互联网技术及其应用的推动下，教育信息化建设得到了飞速的发展，基于网络的各种应用如网络远程教育、数字图书馆、网络办公等系统得到了迅速的普及，越来越多的系统应用对数据的存储提出了更高的要求。在网络时代，信息资源呈几何级数增长，导致通过网络进行传输的信息量不断膨胀，大量的信息需要进行数字化存储。而构建大量的网络存储后，如何保证这些数据的安全、可靠的运行呢？

      越来越多的高校存在多地办学的压力，学生数目急剧增加，而工作人员工作量的加重、交通不便、机房系统管理人员的匾乏导致我们无法及时应对停电这些突如其来的偶然情况。虽说大多数服务器机房配备了UPS，但停电时间的偶然性和 UPS电池容量的有限性还是会导致一些重要数据的丢失。 

      现在的服务器存放数据大多采用SAN（Storage Area Network)架构的网络存储模式，依靠系统管理人员手动启动或手动关闭服务器等设备。一旦停电，若处理不及时，必然导致数据丢失。下面我们以云南大学图书馆基于SAN架构的IBM FAST 900存储为例（如图1）。

      利用了PLC强大的逻辑功能和高可靠性以及PC机的软硬件资源，本文设计了一个服务器机房电源控制系统，实现了整套机房电源的自动有序开启或关闭（包括服务器、交换机、磁盘控制器、磁盘柜等），克服了传统手工管理服务器机房的弊端。

图1 基于PLC的服务器机房电源控制系统拓扑图

2、服务器机房电源控制系统的功能和组成

2.1 电源自动有序开启和有序断开

      服务器机房系统中有UPS、磁盘柜（EXP700）、光纤交换机（Switch 3534-FO8）、光纤磁盘控制器（FAST 900）、服务器，整个系统的开启和断开都是有顺序而且对时间也有一定要求。一旦顺序紊乱，就会导致数据丢失。

      下面我们规定一下开关机条件：UPS电池容量高于10%且处于充电状态，可以开机；UPS电池容量低于10%且处于放电状态，关机。

      开启和断开顺序如下图2所示：

图2 开关机示意图

      开机：所有磁盘柜（EXP700）开启一分钟后，依次开启光纤交换机（Switch 3534-F08）、光纤磁盘控制器（FAST 900），前后设备间隔30秒启动；再打开服务器操作系统；

      关机：关闭服务器操作系统后，依次关闭光纤磁盘控制器（FAST 900）、光纤交换机（Switch 3534-F08）、磁盘柜（EXP 700），前后设备间隔30秒关闭。

      整个过程无需手工介人，一旦确定开机或者关机，UPS通过以太网发送开机/关机信号到PC机，从而实现整个机房电源的自动开启或关闭。与传统的手工开关机相比，节省了大量的人力、物力、时间，同时避免了误操作而引起的系统故障。

2.2 电源的监视和信息统计

       PC机通过OPC Server与PLC建立连接，采集PLC信息，显示在PC程序界面上，从而实现对电源的开启和关闭次数的统计功能。

2.3 组成

       系统软件组成：机房管理监控软件，PLC编程软件Step7（Ver5.0或更高)，Siemens Simatic Net2006（OPC软件）。

       系统硬件组成：PC、西门子S7300 PLC、16I/160输入输出模块、CP343-1 IT以太网卡、PS307 24VDC稳压源、以及单极断路器、中间继电器、指示灯、按钮若干。

3 基于PLC的服务器电源管理系统的设计过程

3.1 PLC选型

       由于系统基于PLC装置的强大的逻辑功能和高可靠性，建立其输出节点与被控对象（中间继电器）——电源开关量之间的“点对点”关系，对电源开关进行控制；并且PLC具备以太网与PC机通讯功能。所以在PLC的选型上需要综合考虑以下几个因素：系统需要的功能、I/O点数、程序存储器的容量以及I/O信号的性质、参数、特性等。

      本系统选用德国西门子自动化有限公司的S7300系列器件。该器件由PS307电源、CPU315-2DP、CP343、1 TT、16点I/O模块以及保护电源的单极断路器、控制电源通断的中间继电器（简称“继电器”）组成。PLC上运行的软件用Step7开发，用于采集相应的输入信号进行处理，处理后输出到控制继电器来控制相应设备的电源。

3.2 电路原理

      电路原理如图3所示：

图3 基于PLC的服务器机房电源控制系统的电路原理图

      由于采用PLC vo控制，电路的控制变得异常简单，因为PLC程序取代了大部份原先电路逻辑所做的工作。S7300的16输入16输出模块主要是采集一个“启动”按钮（StartButton）和一个“停止”按钮（StopButton）的信号，通过PLC-S73110处理以后，输出控制相应的继电器间接控制设备电源关开和指示灯。3.3 PLC程序的主要控制程序简介

图4 主要控制程序（一）

       图4是PLC使用的典型梯形图，‘︱︱’——常开逻辑判断符，‘H’——常闭逻辑判断符，（SD）——延时接通计时器，（SF）——延时断开计时器。

       改控制程序实现了设备的电源开关的延时接通和延时断开，具体时间由“StartTime”和“StopTime”给定。一旦启动按钮 “StartButton”被触发，使能“MEnable”就具备，使用整个系统有序上电；而触发停止按钮“StopButton”以后，使能 “MEnable”丢失，整系统就根据程序有序断电。

图5 主要控制程序（二）

      图5说明了系统中设备的电源开关控制流程。

      使能“MEnable”，具备，则启动磁盘柜（EXP700）使能“MEnable”具备，“EXP700-ON”是磁盘柜启动延时计时器（图4），时间到达1分钟后，光纤交换机（Switch3534-F08）启动同理，时间到达30秒钟后，光纤磁盘控制器（FAST900）启动同理，时间到达30秒钟后，服务器（SeiveiComputer）启动。

      上面所介绍的只是系统启动过程，下面介绍系统关闭过程。

       图4中，触发停止按钮“StopButton”以后，使能“MEnable”丢失，图S中的服务器（ServeiComputer）输出停止，服务器电源开关断电；图5中“ServeiComputer-OFF”是服务器断电延时计时器，时间达到30秒钟后，光纤磁盘控制器（FAST 900）输出停止，光纤磁盘控制器电源开关断电；之后再过30秒，光纤交换机（FAST 900）电源开关断电；再过30秒，磁盘柜（EXP700）电源开关断电，整个系统断电完成。

3.4 OPC技术

       上述开关电源的过程需要对电源状态进行监视和统计，因此PC与PLC通讯是必不可少的，OPC（OLE For Process Control）技术是普遍采用的技术。OPC技术规范是以Microsoft的OLE/COM（Object Linking and Embedding/Component Object Model）技术为差础，定义了一组接口规范。它包括OPC自动化接口（Automation Interface）和OPC定制接口（Custom Interface）。另外，OPC技术规范定义的是OPC服务器程序和客户机程序进行通讯的接口或通讯的方法。

      OLE自动化标准接口定义了以下三层接口，依次呈包含关系。

      OPC Server：OPC启动服务器，获得其他对象和服务的起始类，并用于返回OPC Group类对象；
      OPC Group：存储由若干。PC Item组成的Group信息，并用于返回OPC Item类对象；

      OPC Item：存储具体Item的定义、数据值、状态值等信息。

      实现本系统程序源码的部分核心代码如下图6所示：

图6 程序源码部分核心代码

4 结束语

    基于PLC的服务器机房电源控制系统实现了整套机房电源的自动有序开启或关闭，克服了传统手工管理服务器机房的弊端，满足了提高管理效率的管理需求，体现了管理的科学化。