工業(yè)數(shù)據(jù)中心（IDC）在濟(jì)鋼高爐的應(yīng)用

工業(yè)數(shù)據(jù)中心（IDC）在濟(jì)鋼高爐的應(yīng)用

近年來，我國高爐自動控制技術(shù)迅速發(fā)展，基本實(shí)現(xiàn)了以PLC自動化控制器為核心的下位機(jī)系統(tǒng)和以計算機(jī)為基礎(chǔ)的自動化監(jiān)控系統(tǒng)即上位機(jī)系統(tǒng)組成。上位機(jī)系統(tǒng)硬件一般由工業(yè)控制計算機(jī)和高速以太網(wǎng)構(gòu)成，軟件采用SCADA（supervisory control and data acquisition）監(jiān)控與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)對高爐生產(chǎn)過程進(jìn)行嚴(yán)密的監(jiān)控和操作。傳統(tǒng)計算機(jī)的壽命一般不超過5年，工控機(jī)的實(shí)際使用年限也很難超過10年，一旦工控機(jī)硬件故障，上位機(jī)系統(tǒng)通常無法正常運(yùn)行，對高爐生產(chǎn)過程產(chǎn)生較大影響甚至埋下安全隱患；當(dāng)今計算機(jī)產(chǎn)業(yè)高速發(fā)展，硬件和軟件更新速度很快，更新的工控機(jī)又和舊的上位機(jī)軟件和操作系統(tǒng)產(chǎn)生諸多不兼容情況，影響了上位機(jī)系統(tǒng)的定期維護(hù)。羅克韋爾自動化的工業(yè)數(shù)據(jù)中心IDC解決方案非常好的解決了上述問題，使高爐上位機(jī)系統(tǒng)能夠長期穩(wěn)定運(yùn)行，消除了因工控機(jī)損壞和上位機(jī)軟件系統(tǒng)不兼容而帶來的系統(tǒng)風(fēng)險。

工業(yè)數(shù)據(jù)中心IDC

工業(yè)數(shù)據(jù)中心IDC系列產(chǎn)品和解決方案2014年由羅克韋爾自動化率先推出。它是集硬件服務(wù)器系統(tǒng)和虛擬化軟件于一體的工業(yè)私有云解決方案。羅韋爾自動化通過與世界領(lǐng)先的IT廠商合作，把所有計算資源（計算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)、存儲）等全部變?yōu)橐粋€可以統(tǒng)一規(guī)劃和使用的資源，從而使上位機(jī)系統(tǒng)具有傳統(tǒng)計算機(jī)所不具備的高可靠性和穩(wěn)定性。

IDC虛擬化平臺

工業(yè)數(shù)據(jù)中心可以自主地創(chuàng)建自己的平臺和虛擬服務(wù)器，就功能、性能和操作方式而言，這些虛擬機(jī)與傳統(tǒng)的單臺物理服務(wù)器并無不同。虛擬服務(wù)器提高了系統(tǒng)的資源利用率，同時硬件的大幅減少有效降低了成本，增強(qiáng)了系統(tǒng)硬件和應(yīng)用軟件的可用性，系統(tǒng)的靈活性和快速響應(yīng)能力也得以顯著提高。

優(yōu)化服務(wù)器計算資源

根據(jù)統(tǒng)計，傳統(tǒng)的服務(wù)器通常其平均利用率在5－15%之間，而通過采用虛擬架構(gòu)進(jìn)行整合后，服務(wù)器的平均利用率可以大幅提高到60%－80%。用戶在降低成本的同時，還大大減少了環(huán)境的復(fù)雜性，具有更靈活穩(wěn)定的管理特性。

工業(yè)數(shù)據(jù)中心統(tǒng)一對每個虛擬服務(wù)器所需使用的系統(tǒng)資源進(jìn)行調(diào)配，虛擬環(huán)境運(yùn)行過程中這種調(diào)配可以在線運(yùn)行和調(diào)度，以保證每一個應(yīng)用都會有充足的系統(tǒng)資源來運(yùn)行。同時空閑資源可以被其他需要資源的應(yīng)用借用，從而最大限度的提高了系統(tǒng)的整體資源利用率。

集中存儲實(shí)現(xiàn)IDC磁盤共享

IDC采用SAN集中存儲方式。在SAN集中存儲陣列上，共享了每一個虛擬機(jī)的文件。基于這種高性能的群集文件系統(tǒng)，多個物理主機(jī)可以同時訪問同一個虛擬機(jī)存儲。 將工業(yè)數(shù)據(jù)中心架構(gòu)系統(tǒng)中的虛擬機(jī)封裝成一個文件和若干相關(guān)環(huán)境配置文件，并將其存放在SAN存儲陣列，不同服務(wù)器上的虛擬機(jī)都能夠訪問該文件，從而消除了單點(diǎn)故障。

IDC確保虛擬機(jī)高可靠性

虛擬化平臺使虛擬機(jī)與物理服務(wù)器相對獨(dú)立，并提供了一系列的方法確保虛擬機(jī)在物理服務(wù)器故障時仍然可以運(yùn)行。

HA（high availability）高可用性

IDC會啟動一個資源監(jiān)視器來監(jiān)視所有服務(wù)器資源，如果某一服務(wù)器故障，則無法響應(yīng)資源監(jiān)視器。監(jiān)視器會向虛擬機(jī)集群服務(wù)報告，采取將故障服務(wù)器運(yùn)行的虛擬機(jī)遷移到正常服務(wù)器的動作來確保虛擬機(jī)繼續(xù)運(yùn)行。

（fault－tolerant）容錯性

IDC使用Lockstep一致性技術(shù)將一個主虛擬機(jī)和副虛擬機(jī)保持在一個Lockstep中，并在不同的物理服務(wù)器中運(yùn)行。一旦某一個服務(wù)器發(fā)生故障，虛擬機(jī)不會受到任何影響，確保了重要業(yè)務(wù)的連續(xù)性運(yùn)行。

IDC延長上位機(jī)系統(tǒng)軟件生命周期

在隔離環(huán)境中運(yùn)行的虛擬機(jī)，使用了系統(tǒng)虛擬化技術(shù)同時具有備完整硬件功能邏輯以及客戶操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序。舊版軟件能夠與新的硬件環(huán)境共存，舊版應(yīng)用程序所需的運(yùn)行環(huán)境也可以在高版本的硬件上被虛擬出，避免了升級軟件造成的成本增加，延長了舊版軟件的生命周期，也避免了高額的移植成本。

IDC的桌面虛擬化技術(shù)

桌面虛擬化是指將計算機(jī)的客戶端終端（也稱作桌面）進(jìn)行虛擬化，以達(dá)到更為安全和靈活使用桌面的效果。通過網(wǎng)絡(luò)，使用人員或技術(shù)人員可以在隨時隨地訪問桌面系統(tǒng)。

桌面的虛擬化基于服務(wù)器的虛擬化。IDC數(shù)據(jù)中心的服務(wù)器能夠虛擬化生成大量的獨(dú)立的桌面操作系統(tǒng)（虛擬機(jī)或者虛擬桌面），終端設(shè)備通過專有協(xié)議訪問虛擬服務(wù)器。用戶使用瘦客戶機(jī)通過網(wǎng)絡(luò)登陸到虛擬主機(jī)上，輸入用戶名和密碼，就能夠訪問自己的桌面系統(tǒng)，從而真正實(shí)現(xiàn)單機(jī)多用戶。

IDC將上位機(jī)系統(tǒng)的操作員利用桌面虛擬化技術(shù)進(jìn)行部署，使用瘦客戶機(jī)替代原有工控機(jī)。瘦客戶機(jī)是使用專業(yè)嵌入式處理器、小型本地DOM電子盤、精簡版操作系統(tǒng)的基于PC工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計的小型行業(yè)專用PC。 瘦客戶機(jī)僅包含嵌入式處理器及本地系統(tǒng)內(nèi)存、網(wǎng)絡(luò)適配器、顯卡和其它外設(shè)選件，能夠提供相比普通PC而言更為安全可靠的運(yùn)行環(huán)境同時獲得更低的功耗及更高的安全性。

IDC在濟(jì)鋼2號高爐的部署情況

使用了IDC的濟(jì)鋼2號高爐網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖如圖1。

濟(jì)鋼2號高爐原上位機(jī)系統(tǒng)采用了大量工控機(jī)作為服務(wù)器和操作員站，使用了IDC后，中控室內(nèi)的所有服務(wù)器和操作員站的功能均由IDC完成。

虛擬化基礎(chǔ)架構(gòu)

搭建一臺windows域控制器，統(tǒng)一管理域內(nèi)所有虛擬機(jī)，分配操作員賬戶。配置域名解析服務(wù)（DNS）和DHCP服務(wù)，使瘦客戶端自動獲取IP地址。

一臺vCenter服務(wù)器，統(tǒng)一對虛擬化平臺進(jìn)行管理，利用其提供的瀏覽器客戶端（web Client）即可完成所有管理操作，包括虛擬機(jī)創(chuàng)建、虛擬機(jī)遷移、虛擬化平臺硬件資源監(jiān)控等。

兩臺虛擬桌面服務(wù)器，為搭建桌面虛擬化提供支持。包括了自動化克隆桌面虛擬機(jī)，瘦客戶機(jī)接入虛擬桌面認(rèn)證等。

應(yīng)用服務(wù)虛擬機(jī)

濟(jì)鋼2號高爐上位機(jī)系統(tǒng)采用了羅克韋爾自動化的Factory Talk View SE，它是基于多服務(wù)器集群和多客戶端的分布式結(jié)構(gòu)軟件，具有強(qiáng)大的可伸縮性。在FactoryTalk View Enterprise的開發(fā)環(huán)境下通過使用FactoryTalk View Studio來進(jìn)行開發(fā)。用戶的應(yīng)用組態(tài)位于各個FactoryTalk View SE服務(wù)器中，每個客戶端能夠任意調(diào)用服務(wù)器中的應(yīng)用。FactoryTalk View SE同時也是羅克韋爾自動化產(chǎn)品戰(zhàn)略的核心組成部分，為企業(yè)提供集成的一體化的監(jiān)控方案。

View SE服務(wù)器虛擬機(jī)

搭建兩臺View SE畫面虛擬服務(wù)器，為SE client提供監(jiān)控畫面；另外這兩臺虛擬服務(wù)器還承擔(dān)著SE數(shù)據(jù)采集的角色，利用RSLinx Enterprise與現(xiàn)場下位機(jī)即PLC進(jìn)行通訊。

這兩臺虛擬服務(wù)器使用SE的熱備功能互相備份，當(dāng)一臺服務(wù)器的SE軟件服務(wù)異常時，另外一臺可以自動切換。

利用IDC容錯特性對這兩臺虛擬服務(wù)器進(jìn)行進(jìn)一步保護(hù)，即使運(yùn)行中的某一物理服務(wù)器故障，SE server依然可以正常提供服務(wù)，不會造成任何數(shù)據(jù)中斷。

View SE客戶端虛擬機(jī)

搭建15臺View SE客戶端虛擬機(jī)，首先創(chuàng)建一臺虛擬機(jī)并安裝好View SE Client軟件；利用IDC提供的虛擬桌面功能對這一臺View SE Client虛擬機(jī)進(jìn)行克隆，一次性克隆出14臺View SE客戶端；利用15臺瘦客戶機(jī)分別訪問IDC內(nèi)的View SE客戶端虛擬機(jī)，大大減輕了安裝操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件的工作量。

View SE Studio虛擬機(jī)

創(chuàng)建一臺虛擬機(jī)并安裝好View SE Studio軟件，此軟件為View SE系統(tǒng)的組態(tài)工具，供維護(hù)工程師對上位機(jī)畫面進(jìn)行修改。利用IDC提供的虛擬桌面功能，工程師們可以利用個人電腦訪問此虛擬機(jī)的桌面，從而在SE架構(gòu)中進(jìn)行編程組態(tài)；工程師們無需對個人電腦安裝相應(yīng)的編程、組態(tài)軟件，從而避免了多廠商軟件的不兼容問題；同時，上位機(jī)畫面文件都存放于IDC內(nèi)的虛擬機(jī)中，提高了數(shù)據(jù)安全性。

圖1 2號高爐網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

總結(jié)

在2號高爐上位機(jī)系統(tǒng)中使用了IDC后，高爐生產(chǎn)和維護(hù)帶來了一系列的優(yōu)勢：1）服務(wù)器更加穩(wěn)定，IDC的物理服務(wù)器損壞不會影響虛擬機(jī)的運(yùn)行。2）客戶端更加穩(wěn)定，且易于更換。客戶端采用瘦客戶機(jī)后，壽命長于有風(fēng)扇的工控機(jī)；另外瘦客戶機(jī)沒有操作系統(tǒng)，不需要繁瑣的軟件安裝，只需簡單的插拔即可完成更換。3）View SE上位機(jī)系統(tǒng)軟件免升級。由于虛擬機(jī)的獨(dú)立性，升級服務(wù)器硬件不會對虛擬機(jī)操作系統(tǒng)及上位機(jī)軟件造成任何影響，真正實(shí)現(xiàn)了一勞永逸。

IDC工業(yè)數(shù)據(jù)中心在濟(jì)鋼2號高爐的成功應(yīng)用，標(biāo)志著高爐自動化技術(shù)的發(fā)展進(jìn)入了一個里程碑式的新階段，必將在日后的數(shù)字化、信息化冶煉過程中更加廣泛的應(yīng)用，為企業(yè)帶來更大的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益！

10.3969/j.issn.1001- 8972.2016.20.031