VMWare服務(wù)器虛擬化在LTCC數(shù)字化車間中的應(yīng)用*

賀霄琛，韓棟梁，李少飛

(中國電子科技集團公司第二研究所，山西 太原 030024)

1 背景

LTCC(LowTemperatureCo-fired Ceramic)，低溫共燒陶瓷技術(shù)，LTCC基板高頻性能表現(xiàn)優(yōu)越、易實現(xiàn)無源器件集成，在航天航空、軍事通信等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景[1]。LTCC基板制造屬于典型的離散型制造模式，工藝復(fù)雜、對設(shè)備的可靠性要求高。為保證工藝參數(shù)的穩(wěn)定性和產(chǎn)品性能的一致性，引入SIMATICWinCC平臺實施SCADA系統(tǒng)實現(xiàn)自動控制和生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集。同時，采用SIMATICIT平臺實施MES系統(tǒng)，通過與現(xiàn)有科研管理信息化平臺系統(tǒng)和PDM系統(tǒng)的數(shù)據(jù)集成，實現(xiàn)LTCC基板制造過程的數(shù)字化管控。

然而，傳統(tǒng)的物理服務(wù)器部署模式難以滿足大型應(yīng)用系統(tǒng)對軟硬件性能和可靠性的要求，存在單點故障及故障恢復(fù)時間長等缺點，而服務(wù)器虛擬化技術(shù)可以很好的彌補這一短板。本文主要闡述VMWare服務(wù)器虛擬化在LTCC數(shù)字化車間中的應(yīng)用。

2 LTCC數(shù)字化車間介紹

2.1 數(shù)字化車間架構(gòu)圖

以現(xiàn)有信息系統(tǒng)為基礎(chǔ)，引入SCADA和MES系統(tǒng)，構(gòu)建LTCC基板制造數(shù)字化車間的整體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 數(shù)字化車間架構(gòu)圖

系統(tǒng)分為:設(shè)備層、SCADA控制層、MES執(zhí)行層、科研管理信息化平臺、PDM共5層。其中:

1) 生產(chǎn)設(shè)備層：包括LTCC生產(chǎn)過程中的工藝設(shè)備、AOI檢測、傳輸線與緩存庫等。

2) SCADA控制層：完成生產(chǎn)線的自動化控制，將MES系統(tǒng)的指令下傳至工藝設(shè)備，同時將設(shè)備狀態(tài)、過程參數(shù)等相關(guān)數(shù)據(jù)上傳至MES系統(tǒng)進行可視化管理。

3) MES執(zhí)行層：完成生產(chǎn)計劃排程、生產(chǎn)執(zhí)行管理、生產(chǎn)跟蹤/追溯、質(zhì)量管理及設(shè)備管理等，對SCADA系統(tǒng)上傳的數(shù)據(jù)分析處理。

4) 科研管理信息化平臺:實現(xiàn)對人員信息、項目合同、項目計劃、原料庫及產(chǎn)成品庫等進行管理。

5) PDM系統(tǒng)：完成圖紙審批流程管理、數(shù)據(jù)版本管理以及產(chǎn)品BOM管理等。

2.2 數(shù)字化車間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

數(shù)字化車間應(yīng)用系統(tǒng)所需服務(wù)器主要有：SCADA數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、SCADA應(yīng)用服務(wù)器、MES數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、SIMATIC PORTAL服務(wù)器、SIT服務(wù)器。原有的科研信息化管理平臺服務(wù)器、PDM應(yīng)用服務(wù)器和PDM存檔服務(wù)器。

其網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 數(shù)字化車間網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)圖

工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)采用專用工業(yè)交換機實現(xiàn)相關(guān)設(shè)備之間以及與SCADA系統(tǒng)之間的互聯(lián)互通。以太網(wǎng)主要用于MES系統(tǒng)和計算機終端之間的網(wǎng)絡(luò)通訊。

2.3 服務(wù)器推薦配置

SIMATIC平臺服務(wù)器推薦配置清單如表1。

2.4 傳統(tǒng)部署方式的弊端

現(xiàn)有的部署模式為典型的業(yè)務(wù)驅(qū)動型，這種方式有著以下幾個突出的問題：

1) 設(shè)備采購是基于業(yè)務(wù)峰值估算硬件配置，而絕大部分業(yè)務(wù)平穩(wěn)運行時間內(nèi)，硬件設(shè)備利用率不高，如CPU、內(nèi)存等資源利用率很多情況只有10%～20%。

2) 單一設(shè)備的可靠性差，系統(tǒng)的容災(zāi)備份能力有限，導(dǎo)致系統(tǒng)穩(wěn)定性和可用性低，如都配備為雙機，則成本高且資源冗余厲害。

3) 業(yè)務(wù)連續(xù)性保障差、數(shù)據(jù)可靠性弱，有限的主動宕機時間不足以完成系統(tǒng)維護工作。例如，SIMATIC平臺要求硬件系統(tǒng)故障平均響應(yīng)時間小于30 min，平均故障修復(fù)時間小于4 h。經(jīng)測試，一旦服務(wù)器出現(xiàn)故障，硬件維護時間從幾個小時到幾天不等，對生產(chǎn)造成重大的損失。

2.5 服務(wù)器虛擬化概念及產(chǎn)品選擇

服務(wù)器虛擬化是指將服務(wù)器物理資源抽象為邏輯資源池，可以將一臺服務(wù)器劃分為多臺相互隔離的虛擬服務(wù)器，可以提高資源利用率、整合優(yōu)化資源配置，同時提升管理效率[3]。目前市場上主流的服務(wù)器虛擬化產(chǎn)品有：VMWarevSphere、Microsoft Hyper-V和CitrixXenServer。相關(guān)調(diào)研數(shù)據(jù)顯示，3種技術(shù)對比如表2所示。

本文擬采用VMWare vSphere平臺來搭建LTCC數(shù)字化車間的系統(tǒng)環(huán)境。

表1 服務(wù)器推薦配置清單

表2 主流服務(wù)器虛擬化技術(shù)對比

3 VMWare vSphere平臺設(shè)計

3.1 VMWare vSphere介紹

使用VMWare vSphere虛擬化軟件在物理設(shè)備的基礎(chǔ)上搭建了一層“中間件”，對服務(wù)器物理資源進行抽象,可以把物理服務(wù)器虛擬成多個并行工作的虛擬服務(wù)器，且可以像物理服務(wù)器一樣提供服務(wù)。

圖3 VMWare vSphere架構(gòu)示意圖

VMWare vSphere主要功能組件簡介：

1) VMWare vSphere ESXi。ESXi是服務(wù)器虛擬化的基本功能組件，直接安裝在為虛擬機提供資源的物理服務(wù)器上，將物理服務(wù)器上的處理器、內(nèi)存、存儲和網(wǎng)絡(luò)資源抽象到虛擬機中。

2) VMWare vCenter Server。vCenter Server是平臺的控制管理中心，統(tǒng)一管理ESXi主機和主機上負載的所有虛擬機，實現(xiàn)了資源可視化、集中管理。同時，vCenter Server支持DRS(Distributed Resource Scheduler)，以根據(jù)業(yè)務(wù)優(yōu)先級為應(yīng)用程序提供正確的資源，從而讓應(yīng)用程序可以根據(jù)需要壓縮或增長。此外，vCenter Server還支持Vmotion，可以在不中斷使用的情況下，在線遷移虛擬機，有效地避免了因為服務(wù)器宕機造成的損失，保證系統(tǒng)服務(wù)的連續(xù)性和完整性。

3.2 VMWare vSphere平臺部署步驟

3.2.1 安裝配置ESXi主機

新采購4臺聯(lián)想3650M5服務(wù)器，其配置為十核CPU*2，內(nèi)存128GB，硬盤900GB*4，400GB SSD，作為底層ESXi主機，對其逐一安裝ESXi，配置許可、網(wǎng)絡(luò)和存儲等。

3.2.2 安裝配置vCenter Server

vCenter Server以Data Center為單位管理機房內(nèi)所有計算機，將多臺ESXi主機整合為Cluster集群，集群設(shè)置打開VMWare HA、VMWare DRS、VMWare Vmotion等功能。可在Web Client中對vCenter Server進行管理。通過集群快速的進行虛擬機添加和刪除，查看分配到集群下的虛擬機配置、狀態(tài)、資源占用情況等。

3.2.3 建立新虛擬服務(wù)器

登錄Web Client，為新虛擬機系統(tǒng)安裝鏡像，進行資源配置。如操作系統(tǒng)相同，可使用模板功能快速地進行克隆。

3.2.4 遷移已有的應(yīng)用系統(tǒng)

使用vCenterConverter工具可以方便地遷移Windows應(yīng)用，絕大部分應(yīng)用可以不停機在線直接轉(zhuǎn)化為虛擬機，如遷移數(shù)據(jù)庫服務(wù)則需要保證數(shù)據(jù)完整性，需采用離線克隆方式進行。在遷移服務(wù)器時應(yīng)掌握好資源配置，以免由于資源不足導(dǎo)致轉(zhuǎn)化失敗，同時，轉(zhuǎn)化完成后暫時保留之前的服務(wù)器，以免出錯后無法恢復(fù)。

部署完成后，登陸Web Client對虛擬服務(wù)器的管理效果圖如圖4。

圖4 vCenterWeb Client管理界面

3.3 網(wǎng)絡(luò)拓撲圖

平臺部署后，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖如圖5。

圖5 平臺部署后網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

4 應(yīng)用效果分析

通過服務(wù)器虛擬化技術(shù)的應(yīng)用，除新建的LTCC數(shù)字化車間的應(yīng)用部署在Vmware vSphere平臺上，原有的主要應(yīng)用系統(tǒng)也完成了遷移。實現(xiàn)了我單位硬件資源的共享，同時顯著地提高了管理效率，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。主要表現(xiàn)在以下幾個方面：

1) Vmware vSphere平臺，有效地降低了運維成本。如有新應(yīng)用上線，只需要在管理平臺選擇合適的ESXi主機分配資源，新增虛擬服務(wù)器即可。極大地減少了管理人員的工作量，提高了管理效率。

2) 顯著地提高了資源的利用率。以前服務(wù)器CPU、內(nèi)存、磁盤等資源大量閑置，經(jīng)過服務(wù)器虛擬化后，資源的利用率可以達到50%～70%。

3) 業(yè)務(wù)穩(wěn)定性可靠性提高。以前服務(wù)器宕機會造成服務(wù)停止，人工排查錯誤又會浪費大量的時間，虛擬化平臺可以在服務(wù)器出現(xiàn)故障時，自動遷移至其他服務(wù)器，僅需十幾分鐘。有效地保證了業(yè)務(wù)連續(xù)，尤其是提高了重要生產(chǎn)業(yè)務(wù)系統(tǒng)的可靠性。

5 結(jié)束語

本文以Vmware服務(wù)器虛擬化為主題，重點闡述了利用vSphere平臺降低運維成本、提高資源利用率、保障業(yè)務(wù)可靠性和減少管理工作量等，取得了非常顯著的效果。下一步還要繼續(xù)研究vSphere配置優(yōu)化，將其他業(yè)務(wù)遷移到該平臺中等相關(guān)內(nèi)容，以滿足本單位對網(wǎng)絡(luò)平臺各種需求。

[1] 楊邦朝,胡永達.LTCC技術(shù)的現(xiàn)狀和發(fā)展[J].電子元件與材料,2014(11):5-9.

[2] 李少飛.基于MES和SCADA系統(tǒng)的LTCC基板數(shù)字化制造車間設(shè)計[J].山西電子技術(shù),2017(2):59-62.

[3] 何禹,胡宇鴻.虛擬化技術(shù)在校園網(wǎng)數(shù)據(jù)中心[J].電子科技大學(xué)學(xué)報,2007.

[4] 楊華,王和,高福兵.基于服務(wù)器虛擬化技術(shù)構(gòu)建教學(xué)實踐平臺[J]．四川兵工學(xué)報，2011(3):108-110.

[5] 王春海.VMWare虛擬化與云計算應(yīng)用案例詳解[M].北京：中國鐵道出版社,2017.

[6] Danielle Ruest,Nelson Ruest.虛擬化技術(shù)指南[M].北京：機械工業(yè)出版社,2011.