計(jì)算機(jī)虛擬化技術(shù)在DCS系統(tǒng)延壽方面的應(yīng)用

線海報(bào)

（瑞木鎳鈷管理（中冶）有限公司 北京市 100028）

1 課題背景

XX 濕法冶金項(xiàng)目建成于2009年，設(shè)計(jì)壽命20年，遠(yuǎn)景40年。當(dāng)時(shí)采用的控制系統(tǒng)是國際知名DCS系統(tǒng)集成商的先進(jìn)成熟技術(shù)。經(jīng)過10年運(yùn)行，服務(wù)器和操作站的使用壽命已接近極限，由于市場技術(shù)更新，服務(wù)器和操作站使用的軟硬件均已停產(chǎn)多年，已到無備件可用的窘境，控制系統(tǒng)出現(xiàn)嚴(yán)重故障的高風(fēng)險(xiǎn)困擾著生產(chǎn)。

通過研究分析，主要有以下四個(gè)問題，制約著系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行：

（1）老設(shè)備硬件不好買。計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)進(jìn)步速度快，市場上很難找到5年前生產(chǎn)的硬件。新硬件與老系統(tǒng)之間通常不兼容。

（2）工控系統(tǒng)軟件與操作系統(tǒng)綁定，操作系統(tǒng)不可升級(jí)。工控系統(tǒng)軟件一般是在特定的操作系統(tǒng)下開發(fā)的，不支持系統(tǒng)兼容運(yùn)行。

（3）廠家技術(shù)壟斷。工控系統(tǒng)軟件在開發(fā)時(shí)，為了維護(hù)開發(fā)者的利益，所有軟件均需要授權(quán)或其認(rèn)證過的技術(shù)人員才允許做出改變，更在法律層面上有免責(zé)聲明。

（4）資料缺失。用戶在使用這些軟件的過程中，由于技術(shù)人員的流失、更迭，導(dǎo)致原始資料的不完整。

為了解決這些問題，在綜合考慮經(jīng)濟(jì)性、對(duì)生產(chǎn)過程產(chǎn)生的影響、技術(shù)難度以及綜合風(fēng)險(xiǎn)等因素，決定采用計(jì)算機(jī)虛擬化技術(shù)，對(duì)系統(tǒng)中關(guān)鍵的服務(wù)器與交換機(jī)等設(shè)備進(jìn)行升級(jí)改造。本文對(duì)升級(jí)改造過程的技術(shù)論證、實(shí)施過程、實(shí)施后的效能進(jìn)行論述，提供一種經(jīng)濟(jì)可行的技術(shù)方案，供有同類問題困擾的工程技術(shù)人員參考。

2 技術(shù)方案可行性論證

2.1 計(jì)算機(jī)虛擬化技術(shù)簡介

計(jì)算機(jī)虛擬化技術(shù)是這些年計(jì)算機(jī)行業(yè)非常流行的技術(shù)?；驹硎峭ㄟ^軟件程序，模擬出計(jì)算機(jī)CPU、內(nèi)存、硬盤、網(wǎng)絡(luò)資源、輸入輸出接口等硬件特性，讓操作系統(tǒng)誤以為自己處在一個(gè)獨(dú)立的環(huán)境當(dāng)中，從而擺脫操作系統(tǒng)對(duì)真實(shí)硬件的依賴。它有以下特點(diǎn)：

（1）Fidelity（保真性）：應(yīng)用系統(tǒng)程序在虛擬機(jī)上執(zhí)行，除了時(shí)間因素外（會(huì)比物理硬件上執(zhí)行慢一點(diǎn)），將表現(xiàn)為與在物理硬件上相同的執(zhí)行行為。[1]

（2）Performance（高性能）：在虛擬環(huán)境中應(yīng)用程序絕大多數(shù)指令在虛擬機(jī)管理器不受干預(yù)的情況下，直接在物理硬件上執(zhí)行。[1]

（3）Safety（安全性）：物理硬件由虛擬機(jī)管理器全權(quán)管理，被虛擬出來的執(zhí)行環(huán)境的程序（包括操作系統(tǒng)）不能直接訪問物理硬件。[1]

鑒于以上技術(shù)特點(diǎn)，可以通過模擬硬件環(huán)境，解決硬件無法更新的問題。

2.2 本地系統(tǒng)測評(píng)

XX 濕法冶金項(xiàng)目使用的是霍尼韋爾公司的PKS 控制系統(tǒng)，R310.3 版本。

PKS R310.3 大約于2008年推出，在2008-2010年的項(xiàng)目中大量應(yīng)用。R310.3 的服務(wù)器和客戶機(jī)必須使用Win2003 和WinXP 操作系統(tǒng)。

圖1

系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖1，紅色區(qū)域是需要改造的部分。

通過對(duì)現(xiàn)場控制系統(tǒng)的分析，需要更新的設(shè)備包括：HART 設(shè)備服務(wù)器1 臺(tái)；WEB 發(fā)布服務(wù)器1 臺(tái)，PKS 冗余服務(wù)器4 臺(tái)，操作員站34 臺(tái)，工程師站2 臺(tái)。

服務(wù)器的操作系統(tǒng)均為Windows sever2003，操作員站和工程師站的操作系統(tǒng)為Windows XP；系統(tǒng)中的硬件及軟件信息如表1所示。

升級(jí)對(duì)象中的硬件、軟件等均符合虛擬化升級(jí)的條件，且在其他行業(yè)中有應(yīng)用成功的范例[2]，在技術(shù)上可以實(shí)現(xiàn)。

3 實(shí)施過程

通過對(duì)現(xiàn)場系統(tǒng)地調(diào)研，收集系統(tǒng)信息，明確升級(jí)目標(biāo)及內(nèi)容，選購硬件、軟件，并通過工廠預(yù)裝測試，最后在現(xiàn)場實(shí)施安裝與調(diào)試，并同時(shí)培訓(xùn)運(yùn)維人員。首先需要建立一份任務(wù)清單，對(duì)實(shí)施過程進(jìn)行分解細(xì)化，列出行動(dòng)列表，如表2 所示。

3.1 信息收集

檢查機(jī)柜室內(nèi)網(wǎng)絡(luò)布局，記錄機(jī)器型號(hào)及安裝方式。收集系統(tǒng)版本等信息，備份程序和流程圖等需要備份的內(nèi)容。備份電腦整個(gè)C 盤和其他盤資料，根據(jù)現(xiàn)場調(diào)研結(jié)果，整理調(diào)研清單。

調(diào)研清單應(yīng)包含：

（1）所有機(jī)器的機(jī)器名、機(jī)器上2 塊FTE 網(wǎng)卡的MAC 地址、2 個(gè)IP 地址；

（2）所有機(jī)器的型號(hào)，內(nèi)存容量，硬盤大??；每個(gè)分區(qū)的大小，如C 盤容量，已用容量；D 盤容量，已用容量。E 盤有沒有Ghost備份等。

（3）所有機(jī)器的Hosts文件；（通常所有機(jī)器應(yīng)該是同樣的文件）

（4）驗(yàn)收時(shí)程序和畫面文件的備份；以及運(yùn)行了多年后，當(dāng)前時(shí)間點(diǎn)的程序和畫面文件的備份。

如表3、表4 所示。

3.2 制作擬化鏡像

PKS Server1A、 Server1B、Server2A、Server2B；以及eServer和FDM Server 的VM 虛擬化鏡像

表1：控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)硬件、軟件信息表

表2：行動(dòng)列表

PKS Console 站；（1 臺(tái)Console 站的虛擬化鏡像即可）

PKS Flex 站；（1 臺(tái)Flex 站的虛擬化鏡像即可）

3.3 虛擬服務(wù)器系統(tǒng)安裝

安裝服務(wù)器以及工作站，可以在廠家安裝。vSphere 系統(tǒng)一般都部署安裝在服務(wù)器的SD 卡介質(zhì)上。

3.4 操作站系統(tǒng)安裝

操作員站電腦并非支持XP 驅(qū)動(dòng)的機(jī)器即可完美支持PKS R310.3 版本， 必須是經(jīng)過PKS 兼容性測試，要求不僅可完美運(yùn)行XP，而且必須與PKS R310.3 版本沒有兼容性問題，可完美運(yùn)行PKS R310.3 操作員站軟件的型號(hào)才可以。需要查閱PKSR310 兼容性說明書。

3.5 程序?qū)牒头?wù)器配置

導(dǎo)入Control Builder 程序備份，導(dǎo)入SCADA 備份，導(dǎo)入流程圖；

根據(jù)備份的系統(tǒng)，逐項(xiàng)配置Station 配置，做到完全一致；

根據(jù)現(xiàn)場連接情況，配置交換機(jī)；

連接各臺(tái)電腦，搭建網(wǎng)絡(luò)；

連接并配置各臺(tái)電腦運(yùn)行正常。

3.6 工廠測試

整套設(shè)備連接網(wǎng)絡(luò)，開機(jī)運(yùn)行72 小時(shí)以上，期間可進(jìn)行模擬操作。工作時(shí)間每小時(shí)檢查系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，所有設(shè)備正常后，簽FAT 測試報(bào)告。設(shè)備拆除打包，運(yùn)往現(xiàn)場。

3.7 現(xiàn)場設(shè)備安裝調(diào)試

設(shè)備就位，連接電纜，檢查接地，檢查并上電?，F(xiàn)場交換機(jī)更新，系統(tǒng)搭建測試，測試完成后，根據(jù)現(xiàn)場情況確定更換方式（在線/離線更換）。如果需要停機(jī)更換，須提前跟業(yè)主協(xié)調(diào)好停車時(shí)間。

（1）逐一更換服務(wù)器，注意更換授權(quán)及USB 加密鎖；

（2）逐一更換操作站電腦；

（3）系統(tǒng)更換完成后進(jìn)行測試檢驗(yàn)；

（4）系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定后，進(jìn)行系統(tǒng)備份；

（5）連續(xù)安全穩(wěn)定運(yùn)行超過72 小時(shí)后簽署SAT。

系統(tǒng)使用培訓(xùn)：

表3：硬件配置表

表4：軟件配置表

對(duì)系統(tǒng)維護(hù)技術(shù)人員進(jìn)行系統(tǒng)維護(hù)的現(xiàn)場培訓(xùn)。培訓(xùn)內(nèi)如包括：

（1）虛擬化的服務(wù)器遷移、備份、恢復(fù)；

（2）操作員站、工程師站的系統(tǒng)安裝、虛擬化遷移、備份、恢復(fù)；

（3）配置FTE 交換機(jī)與FTE 網(wǎng)卡；

（4）NAS 系統(tǒng)的操作；

（5）簡單網(wǎng)絡(luò)故障的排除。

4 結(jié)論

在xx 濕法冶金項(xiàng)目中，2018年對(duì)系統(tǒng)實(shí)施了服務(wù)器虛擬化改造，運(yùn)行2年時(shí)間，期間遭遇了服務(wù)器硬盤故障、網(wǎng)卡故障，但工控系統(tǒng)從未發(fā)生網(wǎng)絡(luò)中斷或服務(wù)器掉線等問題。實(shí)踐證明，PKS 工控系統(tǒng)服務(wù)器的虛擬化之后，系統(tǒng)的穩(wěn)定性和容錯(cuò)性得到了改善，對(duì)連續(xù)生產(chǎn)的企業(yè)降本增效效果顯著。解決的具體問題總結(jié)起來有以下三方面：

（1）虛擬化運(yùn)行服務(wù)器，可以將硬件因素變?yōu)檐浖蛩?，在運(yùn)行過程中，消除了工業(yè)控制系統(tǒng)對(duì)特定硬件的依賴，降低了維修成本和運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)。

（2）降低技術(shù)依賴，將專用技術(shù)變?yōu)橥ㄓ眉夹g(shù)。由于采用了整機(jī)備份技術(shù)，在系統(tǒng)內(nèi)的設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)需要重置系統(tǒng)時(shí)，無須重新安裝操作系統(tǒng)、重新安裝工控軟件、安裝授權(quán)、恢復(fù)數(shù)據(jù)庫、配置專用網(wǎng)絡(luò)等專業(yè)操作，只需將虛擬機(jī)一鍵重置即可。在物理機(jī)上恢復(fù)系統(tǒng)需要3 個(gè)小時(shí)以上，對(duì)生產(chǎn)來說是災(zāi)難性的，虛擬機(jī)的恢復(fù)只需30 秒，操作也變得極為簡單。

（3）升級(jí)后實(shí)現(xiàn)熱備份，抗災(zāi)能力加強(qiáng)。NAS 系統(tǒng)中可以設(shè)置定期無擾備份，確保了服務(wù)器的備份是最新的組態(tài)內(nèi)容，每日的運(yùn)行報(bào)表通過自動(dòng)打印功能，完善了設(shè)備管理的功能。