虛擬化集成技術在光亮退火機組控制系統中的設計和應用

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中發現故障率、兼容性、故障快速恢復和降低成本的問題進行了分析研究，采用虛擬機遷移技術實現服務器虛擬化，探索虛擬化技術在光亮機組控制系統中的應用，減少了硬件老化帶來的故障率升高、可靠性降低的問題。

關鍵詞：虛擬化技術；光亮機組；控制系統

立式半馬弗式連續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為西門子公司開發，使用了產品化的通訊中間件和平臺軟件，系統集成度、自動化程度高。時至今日，由于硬件不統一以及日益突出的對軟件系統兼容性的問題，在自動控制過程中，經常發生故障，控制失靈現象。因此，針對現有自動控制系統進行虛擬化集成技術研究和應用。本文通過現狀分析，給出了面向現有系統的虛擬集成開發的方案以及實施的效果，供相關研究者參考借鑒。

1.現狀分析

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+磚結構兩段式的加熱方式，即半馬弗式光亮爐。馬弗段采用電子直接點火系統自動點燃，通過對燃氣和助燃空氣的流量控制實現爐溫的控制要求。為提供保護氣氛下的退火區域，采用馬弗管隔斷退火區域和加熱區域。磚加熱段采用優質鉬制成的直徑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企業板帶產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。

系統配備L1服務器1臺、L2服務器2臺、表面檢測服務器1臺、S400PLC 2臺、現場交換機3臺、現場操作站客戶端6臺和現場工程師站4臺。目前，服務器的操作系統為 windows 2000 Professional，現場終端操作系統為windows XP Professional。

控制系統從2010年投入運行至今，設備老化嚴重，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，而且同型號產品已停產多年，采購能夠兼容老系統的硬件或整機難度及大，且成本高昂。隨著時間推移，系統故障發生率也越來越高。現今，操作系統與硬件的快速發展，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。現場機組均基于以上兩種操作系統開發，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。對于工業現場控制而言，工控機的效能已經不單單僅僅是使用壽命，對于確保其穩定性和連續性顯得尤為重要。此外，硬件以及軟件的快速發展，使得鏡像異機還原的方法不能實現系統的還原，給系統的維護以及長期穩定運行帶來了很大的隱患。

2.解決方案

根據以上分析，對于像光亮機組這樣一個關鍵性設備來講，確保其控制系統的穩定性和連續性顯得尤為重要，而使用虛擬化架構最大優勢在于虛擬化的操作系統僅僅是文件形式存在，在發生故障或災難的情況下，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，是將計算機的各種實體資源，如服務器、網絡、內存及存儲等，予以抽象、轉換后呈現出來，打破實體結構間的不可切割的障礙，使用戶可以比原本的組態更好的方式來應用這些資源[1]。這些資源的新虛擬部份是不受現有資源的架設方式，地域或物理組態所限制[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實現服務器虛擬化

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。遷移服務器可以為用戶節省管理資金、維護費用和升級費用。以前的服務器體積比較“龐大”，而一般服務器體積已經比以前小了許多，遷移技術使得用戶可以用一臺服務器來同時替代以前的許多臺服務器，節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、應用程序和數據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用。比如有時虛擬機上的應用程序的問題需要排除虛擬環境帶來的影響。

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和數據，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 系統移動到另一個 VM Host 系統。

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

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

3. 實施結果

根據機組現有的控制系統狀況，進行了研究開發，主要開展了光亮機組磁盤陣列設定方法、光亮機組應用軟件設置內容、光亮機組操作系統的環境變量及注冊表設計、西門子monitor server、MiddlewareServer服務使用方法、光亮機組過程控制系統虛擬化方法、研究光亮機組工控系統虛擬化方法及光亮機組特殊板卡在虛擬化中的應用方法等方面研究，針對光亮機組帶特殊板卡的系統在虛擬化不成功的情況，探索其系統進行集成的方法。應用虛擬化技術改進后的相關啟動及運行界面圖，界面簡潔方便，具有操作性強的特點。

4. 結語

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

（1）在沒有特殊板卡或虛擬化系統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虛擬化處理，在更高級別的操作系統中運行虛擬化的工控系統。

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

該虛擬化技術通過實際生產運行的驗證，結果表明新的控制系統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境下運行Window2000以及Windows XP操作系統及其他應用軟件。實現故障快速恢復，在發生故障時，在短間內對故障點進行恢復，減少了重新集成或者系統升級所帶來的重新開發的時間與成本。

參考文獻

[1] 王春海. 虛擬機深入應用實踐（第1版）. 北京：中國鐵道出版社，2009：16-20.

[2] 華夏渝，鄭駿，胡文心.基于云計算環境的蟻群優化計算資源分配算法[J]. 華東師范大學學報（自然科學版），2010，01（1）：127-134.

[3] 米海波，王懷民，尹剛，等.一種面向虛擬化數字中心資源按需重配置方法[J].軟件學報，2011，22（9）：2193-2205.

（作者單位：寶鋼特鋼有限公司）