虛擬化技術(shù)在裝車自控系統(tǒng)中的應(yīng)用

秦萍萍

（中國石化鎮(zhèn)海煉化分公司儀表和計(jì)量中心）

隨著互聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算和虛擬化技術(shù)的發(fā)展完善， 虛擬化技術(shù)在工控系統(tǒng)中的應(yīng)用得以實(shí)現(xiàn)。虛擬化技術(shù)主要用于解決自控系統(tǒng)在使用過程中的物理硬件限制，虛擬化機(jī)獨(dú)立于硬件，可用于多臺(tái)物理機(jī)，能夠有效解決傳統(tǒng)自控系統(tǒng)由于Windows 操作系統(tǒng)不斷升級(jí)，DCS 也被迫更新的問題。 現(xiàn)以某石化企業(yè)鐵路裝車自控系統(tǒng)改造項(xiàng)目為試點(diǎn)， 在EPKS 系統(tǒng)中采用Experion 虛擬化技術(shù)，取消所有操作員站的物理主機(jī)，采用瘦客戶端，將操作系統(tǒng)虛擬化。

1 改造前自控系統(tǒng)簡(jiǎn)介

改造前某石化企業(yè)鐵路裝車自控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖1 所示，采用S7-300 PLC，通過工業(yè)以太網(wǎng)將控制站、 操作員站和工程師站連接起來。 操作員站用于實(shí)時(shí)監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)裝車情況，而工程師站用作PLC 程序和上位開發(fā)。 這是一個(gè)傳統(tǒng)的自控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案， 在石化裝置應(yīng)用十分普遍。

圖1 某裝車自控系統(tǒng)改造前的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

隨著企業(yè)的發(fā)展，裝置要不斷擴(kuò)容，這就加大了原系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備增加，導(dǎo)致現(xiàn)有自控系統(tǒng)擴(kuò)容空間和卡件余量不足。 同樣，計(jì)算機(jī)設(shè)備更新?lián)Q代較快，新設(shè)備往往僅支持當(dāng)前主流Windows 操作系統(tǒng)，幾年后，工控系統(tǒng)采用的應(yīng)用程序無法與當(dāng)前主流操作系統(tǒng)兼容，最后只能通過軟件升級(jí)解決問題，這樣就會(huì)大幅增加企業(yè)的生產(chǎn)成本。

石化行業(yè)生產(chǎn)環(huán)境復(fù)雜惡劣，裝車裝置的機(jī)柜間和中央控制室建在生產(chǎn)區(qū)，除操作員站本身硬件老化外，粉塵、易腐蝕等復(fù)雜環(huán)境也會(huì)提升系統(tǒng)本身的設(shè)備故障率，現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)較為困難。 而且人機(jī)界面不友好等問題都對(duì)此帶來巨大困擾。計(jì)算機(jī)硬件出現(xiàn)故障導(dǎo)致重新配置、操作系統(tǒng)和軟件重裝，不僅增加了恢復(fù)難度，生產(chǎn)裝置無法監(jiān)控，而且對(duì)于諸如鐵路裝車這樣的不間斷在用裝置來說會(huì)產(chǎn)生較大影響。 對(duì)于用戶來說，最關(guān)心的工控系統(tǒng)問題是計(jì)算機(jī)硬件和Windows 操作系統(tǒng)更新速度快、設(shè)備維護(hù)復(fù)雜、有經(jīng)驗(yàn)的工程師少和需要降低整個(gè)生命周期的管理成本。

因此， 公司決定采用虛擬化技術(shù)改造企業(yè)鐵路裝車自控系統(tǒng)，減少物理主機(jī)，節(jié)約改造成本。

2 采用虛擬化技術(shù)改造工控系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)

自第1 套集散自控系統(tǒng)TDC2000 問世，到2006 年控制平臺(tái)Experion EPKS R300 出現(xiàn)，都離不開物理機(jī)的使用。 而Experion 虛擬化技術(shù)的發(fā)布，使得工控系統(tǒng)的發(fā)展又向前邁了一大步。

造采用Experion 虛擬化技術(shù)的優(yōu)勢(shì)如下：

a. 鐵路裝車DCS 將4 個(gè)系統(tǒng)節(jié)點(diǎn) （即4 個(gè)物理主機(jī)） 減少到1 臺(tái)小型服務(wù)器 （以下簡(jiǎn)稱HOST 主機(jī)）（圖2），減少了硬件設(shè)備；

圖2 鐵路裝車DCS Experion 虛擬化自控系統(tǒng)

b. 延長系統(tǒng)的生命周期，將傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)3 年的使用壽命延長到至少6 年；

c. 減少80%的空間容量， 同時(shí)減少維護(hù)量，降低能耗，具有更高的安全性。

3 Experion 虛擬化的實(shí)施

Experion 虛擬化技術(shù)能同時(shí)實(shí)現(xiàn)平臺(tái)虛擬化、應(yīng)用虛擬化和客戶端虛擬化。Experion 虛擬化支持所有Experion 節(jié)點(diǎn)，支持C300、C I/O 卡件和SCADA 接口，F(xiàn)TE 兼容， 與傳統(tǒng)自控系統(tǒng)架構(gòu)一致，僅支持Experion PKS R400 及以上版本。

3.1 網(wǎng)絡(luò)配置

如圖3 所示，石化企業(yè)鐵路裝車DCS 虛擬化網(wǎng)絡(luò)分為DCS 的主干網(wǎng)絡(luò)FTE 網(wǎng)（容錯(cuò)以太網(wǎng)）和虛擬化管理網(wǎng)。

圖3 鐵路裝車DCS 虛擬化網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

主干網(wǎng)絡(luò)FTE 網(wǎng)是EPKS 系統(tǒng)的控制網(wǎng)絡(luò)，以先進(jìn)的多路由替代雙網(wǎng)結(jié)構(gòu)的傳統(tǒng)冗余結(jié)構(gòu)。虛擬化技術(shù)的升級(jí)， 并沒改變?cè)璂CS 的主干網(wǎng)絡(luò)，只增加了管理網(wǎng)，并將管理網(wǎng)與FTE 網(wǎng)相融合，增加管理網(wǎng)交換機(jī)，用于管理網(wǎng)口和虛擬化機(jī)。 兩臺(tái)操作員站、EPKS 冗余服務(wù)器和防病毒服務(wù)器都接入虛擬化管理網(wǎng)。由于項(xiàng)目DCS 首次采用虛擬化技術(shù)， 考慮到今后維護(hù)的不可控因素，工程師站仍采用傳統(tǒng)工控機(jī)。

3.2 硬件資源分配

虛擬化硬件設(shè)備主要有：HOST 主機(jī)、VMware vSphere 客戶端、 瘦客戶端、FTE 交換機(jī)及管理網(wǎng)交換機(jī)等。

兩臺(tái)物理EPKS 服務(wù)器（HOST1 和HOST2）和一臺(tái)管理機(jī)（HOST3）統(tǒng)稱為HOST 主機(jī)，是EPKS 虛擬化后的計(jì)算機(jī)硬件部分。 由于HOST主機(jī)僅作為虛擬化系統(tǒng)的平臺(tái)，因此采用Linux系統(tǒng)作為操作系統(tǒng)， 安裝方便且占用資源少。HOST3 分配vCenter 服務(wù)器和防病毒服務(wù)器，其中vCenter 服務(wù)器中安裝VMware vSphere 相關(guān)軟件， 用于管理各個(gè)虛擬化機(jī)和安全防護(hù)，資源分配見表1。 HOST1 和HOST2 互為主備，HOST1 虛擬化分配EPKS 服務(wù)器A 和操作員站01（C-Station01），資源分配見表2。 HOST2 虛擬化分配EPKS 服務(wù)器B 和操作員站02（C-Station02），資源分配見表3，其中服務(wù)器A、B 互為主備，是DCS 的重要組成部分，主要用于數(shù)據(jù)庫管理。 操作員站01、02 互為主備， 用于工藝操作員對(duì)現(xiàn)場(chǎng)流程的監(jiān)控和操作。 如果有任何一個(gè)虛擬化機(jī)死機(jī)或發(fā)生其他故障， 可以通過管理機(jī)快速恢復(fù)。 因此， 現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)工作中做好虛擬化機(jī)備份十分重要。

表1 HOST3 資源分配

表2 HOST1 資源分配

表3 HOST2 資源分配

VMware vSphere 客戶端是連接管理機(jī)的工具。 用1 臺(tái)物理機(jī)或移動(dòng)計(jì)算機(jī)通過vSphere 客戶端或IE 訪問管理機(jī)， 可以對(duì)虛擬化機(jī)進(jìn)行新建、備份及開關(guān)機(jī)等常規(guī)操作。

瘦客戶端用于虛擬化機(jī)的桌面顯示，主要用于操作員站，基于DELL Wyse Z90，取代傳統(tǒng)操作員站硬件，通過遠(yuǎn)程桌面協(xié)議訪問操作員站或服務(wù)器的虛擬化機(jī)。

FTE 交換機(jī)與傳統(tǒng)FTE 交換機(jī)功能一致。

虛擬化機(jī)基礎(chǔ)架構(gòu)采用Essentials 核心平臺(tái)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)需求選用不同型號(hào)的HOST 主機(jī)。

3.3 軟件安裝配置

Experion 虛擬化技術(shù)軟件為VMware vSphere Essentials Plus，根據(jù)鐵路裝車項(xiàng)目自控系統(tǒng)的規(guī)模，設(shè)計(jì)只帶有1 個(gè)vCenter 服務(wù)器，軟件的配置框架如圖4 所示。 對(duì)于多個(gè)具有vCenter 服務(wù)器的大型環(huán)境，安裝配置會(huì)有所區(qū)別。

圖4 軟件配置框架

在登錄到vSphere 客戶端并新建虛擬化機(jī)時(shí)，主要新建DCS 節(jié)點(diǎn)和vCenter 服務(wù)器。本項(xiàng)目安裝DCS 節(jié)點(diǎn)主要包括EPKS 服務(wù)器A、B、操作員站C-StationN01、C-Station02。

4 應(yīng)用虛擬化技術(shù)前后的對(duì)比

原自控系統(tǒng)虛擬化改造后，整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)發(fā)生了巨大變化（圖3），將原單一自控系統(tǒng)改造成了冗余互備模式，虛擬化機(jī)替代了作為操作員站的工控機(jī)，全部集中在HOST1、HOST2 主機(jī)中，同時(shí)增加了虛擬化防病毒服務(wù)器，讓整個(gè)自控系統(tǒng)更加安全可靠。

在裝置不斷擴(kuò)容的情況下，應(yīng)用虛擬化技術(shù)后，首先，在增加新的設(shè)備和接入新的信號(hào)時(shí)項(xiàng)目實(shí)施變得非常簡(jiǎn)單， 例如油氣回收擴(kuò)容項(xiàng)目中，需要增加新的操作員站，只需在HOST1 主機(jī)和HOST2 主機(jī)中分別增加虛擬化操作員站和瘦客戶端， 不需要額外增加成本購買物理計(jì)算機(jī)，操作配置也十分簡(jiǎn)單。 其次，減少了工控機(jī)點(diǎn)檢清灰工作，需要維護(hù)的工控機(jī)明顯減少，維護(hù)工作高效。 改造前，需要對(duì)工控機(jī)進(jìn)行逐臺(tái)檢查，實(shí)施虛擬化技術(shù)后， 現(xiàn)場(chǎng)即使有再多的操作員站，只需將VMware vSphere 客戶端接入管理機(jī)就可以全面查看所有虛擬化機(jī)的狀態(tài)。 最后，工控機(jī)的硬件故障率降低了， 也不用因工控機(jī)的Windows 操作系統(tǒng)升級(jí)維護(hù)而產(chǎn)生困擾。

5 系統(tǒng)實(shí)施虛擬化后的問題及改進(jìn)建議

石化企業(yè)鐵路裝車新自控系統(tǒng)投用后，在運(yùn)行過程中發(fā)生了虛擬化操作員站死機(jī)的情況，可以將VMware vSphere 管理客戶端連接管理機(jī)進(jìn)行重啟操作員站予以解決。 但是由于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，不能使用移動(dòng)管理客戶端或者遇到移動(dòng)管理客戶端故障等問題， 會(huì)影響現(xiàn)場(chǎng)故障的及時(shí)處理，為了避免類似問題發(fā)生，提出3 種解決方案：

a. 對(duì)移動(dòng)管理客戶端進(jìn)行定期維護(hù)。

b. 工程師站搭建管理客戶端。 將工程師站接入管理網(wǎng)并安裝VMware vSphere 客戶端軟件，通過軟件連接到虛擬化機(jī)，找到需處理的操作員站。

c. 瘦客戶端搭建管理客戶端。 將瘦客戶端接入管理網(wǎng)，連接vCenter（RDP）服務(wù)器，通過軟件VMware vSphere 客戶端連接到虛擬化機(jī)，找到需要處理的操作員站。

進(jìn)行系統(tǒng)虛擬化改造后，取消了所有操作員站的物理主機(jī)，但仍需配置瘦客戶端以滿足工藝鍵盤和操作員站網(wǎng)線的連接需要。

石化裝置面向集中化管理，中央控制室距離機(jī)柜間較遠(yuǎn)，虛擬化的遠(yuǎn)程操作員站在處理故障時(shí)會(huì)給運(yùn)維人員帶來困難，不僅要通過管理機(jī)重啟操作員站，還要在遠(yuǎn)程操作員站處重連瘦客戶端。 為了解決這個(gè)問題，可以將管理機(jī)移至中央控制室，在項(xiàng)目實(shí)施前充分考慮虛擬化主機(jī)和操作員站的距離，再分配設(shè)備的安裝位置。

此次鐵路裝車自控系統(tǒng)虛擬化后，并沒有取消工程師站的物理主機(jī)，但在自控系統(tǒng)投運(yùn)期間維護(hù)工作較為方便。 在今后的虛擬化項(xiàng)目上可以大膽嘗試將所有工控機(jī)虛擬化。

6 結(jié)束語

Experion 虛擬化自控系統(tǒng)在石化企業(yè)鐵路裝車裝置投入使用后，運(yùn)行情況良好。 虛擬化技術(shù)帶來的優(yōu)勢(shì)是顯而易見的，雖然目前虛擬化技術(shù)在石化工控領(lǐng)域應(yīng)用不多，但這將是未來發(fā)展的趨勢(shì)。 現(xiàn)場(chǎng)還有很多裝置的老舊工控系統(tǒng)仍在使用， 可以將這些在用老系統(tǒng)設(shè)備轉(zhuǎn)換為虛擬化機(jī)，以延長系統(tǒng)的使用周期。Experion 虛擬化技術(shù)還具有云工程平臺(tái)，通過VPN 隨時(shí)隨地訪問裝置虛擬化主機(jī)，真正做到實(shí)時(shí)監(jiān)控，但是對(duì)于石化行業(yè)這種特殊行業(yè)來說，目前還無法實(shí)現(xiàn)，需要繼續(xù)努力開拓。