虛擬化集成技術(shù)在光亮退火機組控制系統(tǒng)中的設(shè)計和應(yīng)用

吳曉強

摘要：針對寶鋼特鋼有限公司光亮機組自動控制系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)故障率、兼容性、故障快速恢復(fù)和降低成本的問題進行了分析研究，采用虛擬機遷移技術(shù)實現(xiàn)服務(wù)器虛擬化，探索虛擬化技術(shù)在光亮機組控制系統(tǒng)中的應(yīng)用，減少了硬件老化帶來的故障率升高、可靠性降低的問題。

關(guān)鍵詞：虛擬化技術(shù)；光亮機組；控制系統(tǒng)

立式半馬弗式連續(xù)光亮退火爐具有氫氣、氮/氫混合氣等多種氣氛保護功能，可用于高溫合金、精密合金、特殊不銹鋼和鎳基耐蝕合金等冷軋薄帶產(chǎn)品的光亮退火熱處理。寶鋼特鋼有限公司冷軋光亮機組的過程控制系統(tǒng)為西門子公司開發(fā)，使用了產(chǎn)品化的通訊中間件和平臺軟件，系統(tǒng)集成度、自動化程度高。時至今日，由于硬件不統(tǒng)一以及日益突出的對軟件系統(tǒng)兼容性的問題，在自動控制過程中，經(jīng)常發(fā)生故障，控制失靈現(xiàn)象。因此，針對現(xiàn)有自動控制系統(tǒng)進行虛擬化集成技術(shù)研究和應(yīng)用。本文通過現(xiàn)狀分析，給出了面向現(xiàn)有系統(tǒng)的虛擬集成開發(fā)的方案以及實施的效果，供相關(guān)研究者參考借鑒。

1.現(xiàn)狀分析

寶鋼特鋼有限公司光亮退火爐機組由入口段、清洗段、入口活套、工藝段、出口活套和出口段幾個部分組成。退火工藝段包含加熱段、冷卻段、頂輥室和溜槽等，用來實現(xiàn)對帶鋼加熱、冷卻的工藝要求。

薄帶光亮退火爐有包括全馬弗式和半馬弗式兩種類型。全馬弗式光亮爐氣氛保護效果好，但退火溫度最高僅能到1100℃。許多高合金材料退火溫度較高，為滿足熱處理溫度在1100℃以上材料的需求，本機組采用馬弗管+磚結(jié)構(gòu)兩段式的加熱方式，即半馬弗式光亮爐。馬弗段采用電子直接點火系統(tǒng)自動點燃，通過對燃氣和助燃空氣的流量控制實現(xiàn)爐溫的控制要求。為提供保護氣氛下的退火區(qū)域，采用馬弗管隔斷退火區(qū)域和加熱區(qū)域。磚加熱段采用優(yōu)質(zhì)鉬制成的直徑9.2mm的絲狀加熱元件，可使磚加熱段最高溫度達到1250℃，平均工作溫度可達到1200℃，滿足處理溫度超過馬弗段加熱溫度能力的材料的工藝要求，這種機組加熱方式在相關(guān)企業(yè)板帶產(chǎn)線的引進或改進過程中，對光亮退火爐的改造具有實際的借鑒意義。

系統(tǒng)配備L1服務(wù)器1臺、L2服務(wù)器2臺、表面檢測服務(wù)器1臺、S400PLC 2臺、現(xiàn)場交換機3臺、現(xiàn)場操作站客戶端6臺和現(xiàn)場工程師站4臺。目前，服務(wù)器的操作系統(tǒng)為 windows 2000 Professional，現(xiàn)場終端操作系統(tǒng)為windows XP Professional。

控制系統(tǒng)從2010年投入運行至今，設(shè)備老化嚴重，雖有備機可以使用，也因機齡長，可靠性不足。因工控機對操作系統(tǒng)的需求特殊，同時對硬件也有著其特殊的要求，而且同型號產(chǎn)品已停產(chǎn)多年，采購能夠兼容老系統(tǒng)的硬件或整機難度及大，且成本高昂。隨著時間推移，系統(tǒng)故障發(fā)生率也越來越高?，F(xiàn)今，操作系統(tǒng)與硬件的快速發(fā)展，新的硬件已從根源上不支持Window2000以及Windows XP等許多較老的操作系統(tǒng)?，F(xiàn)場機組均基于以上兩種操作系統(tǒng)開發(fā)，大部分軟件在不進行大版本更新的情況下已無法在新版本操作系統(tǒng)中運行，即使勉強安裝完畢，也存在嚴重的兼容性問題。對于工業(yè)現(xiàn)場控制而言，工控機的效能已經(jīng)不單單僅僅是使用壽命，對于確保其穩(wěn)定性和連續(xù)性顯得尤為重要。此外，硬件以及軟件的快速發(fā)展，使得鏡像異機還原的方法不能實現(xiàn)系統(tǒng)的還原，給系統(tǒng)的維護以及長期穩(wěn)定運行帶來了很大的隱患。

2.解決方案

根據(jù)以上分析，對于像光亮機組這樣一個關(guān)鍵性設(shè)備來講，確保其控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和連續(xù)性顯得尤為重要，而使用虛擬化架構(gòu)最大優(yōu)勢在于虛擬化的操作系統(tǒng)僅僅是文件形式存在，在發(fā)生故障或災(zāi)難的情況下，可以快速切換。

2.1 虛擬化的意義

在計算機中，虛擬化是一種資源管理技術(shù)，是將計算機的各種實體資源，如服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)、內(nèi)存及存儲等，予以抽象、轉(zhuǎn)換后呈現(xiàn)出來，打破實體結(jié)構(gòu)間的不可切割的障礙，使用戶可以比原本的組態(tài)更好的方式來應(yīng)用這些資源[1]。這些資源的新虛擬部份是不受現(xiàn)有資源的架設(shè)方式，地域或物理組態(tài)所限制[2]。一般所指的虛擬化資源包括計算能力和資料存儲。

2.2采用虛擬機遷移技術(shù)實現(xiàn)服務(wù)器虛擬化

當前流行的虛擬化工具如 VMware，Xen，HyperV，KVM 都提供了各自的遷移組件。遷移服務(wù)器可以為用戶節(jié)省管理資金、維護費用和升級費用。以前的服務(wù)器體積比較“龐大”，而一般服務(wù)器體積已經(jīng)比以前小了許多，遷移技術(shù)使得用戶可以用一臺服務(wù)器來同時替代以前的許多臺服務(wù)器，節(jié)省了用戶大量的機房空間。

2.2.1 V2P（虛擬機到物理機的遷移 Virtual-to-Physica）

V2P 指把一個操作系統(tǒng)、應(yīng)用程序和數(shù)據(jù)從一個虛擬機中遷移到物理機的主硬盤上，是 P2V 的逆操作。它可以同時遷移虛擬機系統(tǒng)到一臺或多臺物理機上。盡管虛擬化的基本需求是整合物理機到虛擬機中，但這并不是虛擬化的唯一的應(yīng)用。比如有時虛擬機上的應(yīng)用程序的問題需要排除虛擬環(huán)境帶來的影響。

2.2.2 V2V（虛擬機到虛擬機的遷移Virtual-to-Virtual）

V2V 遷移是在虛擬機之間移動操作系統(tǒng)和數(shù)據(jù)，照顧主機級別的差異和處理不同的虛擬硬件。虛擬機從一個物理機上的 VMM 遷移到另一個物理機的 VMM，這兩個 VMM 的類型可以相同，也可以不同。如 VMware 遷移到 KVM，可通過多種方式將虛擬機從一個 VM Host 系統(tǒng)移動到另一個 VM Host 系統(tǒng)。

2.2.3 P2V（物理機到虛擬機的遷移Physical-to-Virtua）

P2V 指遷移物理服務(wù)器上的操作系統(tǒng)及其上的應(yīng)用軟件和數(shù)據(jù)到 VMM（Virtual Machine Monitor）管理的虛擬服務(wù)器中。這種遷移方式，主要是使用各種工具軟件，把物理服務(wù)器上的系統(tǒng)狀態(tài)和數(shù)據(jù)“鏡像”到 VMM 提供的虛擬機中，并且在虛擬機中“替換”物理服務(wù)器的存儲硬件與網(wǎng)卡驅(qū)動程序。

3. 實施結(jié)果

根據(jù)機組現(xiàn)有的控制系統(tǒng)狀況，進行了研究開發(fā)，主要開展了光亮機組磁盤陣列設(shè)定方法、光亮機組應(yīng)用軟件設(shè)置內(nèi)容、光亮機組操作系統(tǒng)的環(huán)境變量及注冊表設(shè)計、西門子monitor server、MiddlewareServer服務(wù)使用方法、光亮機組過程控制系統(tǒng)虛擬化方法、研究光亮機組工控系統(tǒng)虛擬化方法及光亮機組特殊板卡在虛擬化中的應(yīng)用方法等方面研究，針對光亮機組帶特殊板卡的系統(tǒng)在虛擬化不成功的情況，探索其系統(tǒng)進行集成的方法。應(yīng)用虛擬化技術(shù)改進后的相關(guān)啟動及運行界面圖，界面簡潔方便，具有操作性強的特點。

4. 結(jié)語

針對寶鋼特鋼有限公司光亮機組自動控制系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)故障率、兼容性、故障快速恢復(fù)和降低成本的問題進行了分析研究。根據(jù)現(xiàn)場的實際情況，采用以下方向研究工控機的虛擬化方法，期望對相關(guān)設(shè)備的改造提供借鑒。

（1）在沒有特殊板卡或虛擬化系統(tǒng)可以使用特殊板卡時，使用虛擬化的方法，把上述機組的工控系統(tǒng)虛擬化處理，在更高級別的操作系統(tǒng)中運行虛擬化的工控系統(tǒng)。

（2）在虛擬化系統(tǒng)無法使用特殊板卡時，重新集成該系統(tǒng)，解決系統(tǒng)的備件問題，減少現(xiàn)場的停機時間。

該虛擬化技術(shù)通過實際生產(chǎn)運行的驗證，結(jié)果表明新的控制系統(tǒng)減少了硬件老化帶來的故障率升高、可靠性降低的問題。改善了兼容性，使新的平臺可以在虛擬環(huán)境下運行Window2000以及Windows XP操作系統(tǒng)及其他應(yīng)用軟件。實現(xiàn)故障快速恢復(fù)，在發(fā)生故障時，在短間內(nèi)對故障點進行恢復(fù)，減少了重新集成或者系統(tǒng)升級所帶來的重新開發(fā)的時間與成本。

參考文獻

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（作者單位：寶鋼特鋼有限公司）