虛擬化在余熱發(fā)電數(shù)據(jù)平臺的應用

路林濤

（太鋼能源動力總廠，山西 太原 030003）

1 鋼鐵企業(yè)余熱發(fā)電的研究背景

鋼鐵行業(yè)是高耗能、高污染行業(yè)。近年來，在國家相關(guān)政策的推動下，鋼鐵行業(yè)加大環(huán)保投入，綠色發(fā)展、循環(huán)發(fā)展成為主流。

鋼鐵企業(yè)合理組織自備電站發(fā)電和余能、余熱、余壓發(fā)電，高效回收并轉(zhuǎn)化利用生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的二次能源和余能、余熱、余壓資源，不僅可以大大節(jié)約企業(yè)的生產(chǎn)成本，還可減少環(huán)境污染[1]。全流程余熱余壓回收發(fā)電工藝包括干熄焦余熱發(fā)電（Coke Dry Quenching，CDQ）、高爐爐頂煤氣余壓透平發(fā)電（Blast Furnace Top Gas Recovery Turbine Unit，TRT）、燒結(jié)余熱發(fā)電等。太鋼高度重視余能余熱回收再利用，在構(gòu)建全流程余熱余壓回收發(fā)電工藝的同時，提升信息化能源調(diào)控手段，建立余熱發(fā)電數(shù)據(jù)平臺，用信息化手段解決回收余能電力轉(zhuǎn)化時受供應量、熱源品質(zhì)、發(fā)電機運行效率等影響導致轉(zhuǎn)換率低等難題，收到了很好的效果。由于余熱發(fā)電項目的特殊周期性，項目建設(shè)改造、擴建的時間跨度很大，經(jīng)過近10 年的運行，因系統(tǒng)擴容帶來的硬件堆積效應、服務器資源分配不均等問題日趨明顯。余熱發(fā)電數(shù)據(jù)平臺急需對基礎(chǔ)硬件進行升級改造，以適應整個生產(chǎn)工藝改進和余熱系統(tǒng)高效利用的需求。經(jīng)過分析研究，平臺升級采用了目前國際流行的數(shù)據(jù)庫虛擬化技術(shù)，有效解決了以上問題。應用級虛擬主機的實現(xiàn)，使應用的開發(fā)不再受限于傳統(tǒng)的服務器等IT 設(shè)備的性能局限，對保證平臺穩(wěn)健性、設(shè)備本身節(jié)能降耗、增加可維護性都是有益的嘗試。

2 余熱發(fā)電數(shù)據(jù)平臺現(xiàn)狀分析

太鋼余熱發(fā)電系統(tǒng)目前有CDQ、TRT、高爐燃氣蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電（Combined Cycle Power Plant，CCPP）、燒結(jié)余熱發(fā)電、煉鋼（軋鋼） 飽和蒸汽發(fā)電等多種余能、余熱、余壓回收利用發(fā)電裝置。太鋼現(xiàn)有余熱發(fā)電數(shù)據(jù)平臺2012 年建成，基礎(chǔ)硬件包含：磁盤陣列、服務器、核心交換機、二級交換機、網(wǎng)閘、防火墻、不間斷電源（Uninterruptible Power Supply，UPS） 等，主要應用功能有：余熱發(fā)電門戶網(wǎng)站、實時數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、關(guān)系數(shù)據(jù)庫、報表系統(tǒng)、性能計算系統(tǒng)、網(wǎng)絡管理服務、實時數(shù)據(jù)發(fā)布系統(tǒng)。第117頁圖1 為余熱發(fā)電數(shù)據(jù)平臺虛擬化前的架構(gòu)拓撲結(jié)構(gòu)圖。

圖1 余熱發(fā)電數(shù)據(jù)平臺虛擬化前的架構(gòu)拓撲結(jié)構(gòu)圖

舊平臺是基于傳統(tǒng)IT 環(huán)境構(gòu)建的，每個應用系統(tǒng)配置一套服務器和相關(guān)設(shè)備，其安裝硬件，配置網(wǎng)絡，安裝軟件，應用、配置存儲等許多環(huán)節(jié)都需要一定的技術(shù)力量儲備。當環(huán)境發(fā)生改變時，整個過程需要重復進行。不同的人安裝配置的環(huán)境會有很大差異。比如比較復雜的企業(yè)環(huán)境，即使有說明，在維護性、擴展能力、功耗、安全性等多個方面都存在著先天的不足，無法保證環(huán)境的一致性。運行幾年下來，由于應用擴展和服務增加，部分應用功能多的服務器，隨著資源使用率的不斷增加，故障率也隨之增加。以數(shù)據(jù)采集接口部分為例，其系統(tǒng)類型和軟件種類眾多。第117頁圖2 為部分控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集接口的系統(tǒng)類型。

圖2 部分控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集接口系統(tǒng)類型

不同應用功能的服務器，其資源利用率差異很大，大多數(shù)服務器的資源利用率在10%以下，而與此同時個別負擔重的服務器又長期以超過70%的單機高負荷運行，嚴重影響設(shè)備使用壽命。電子設(shè)備使用年限久后，常出現(xiàn)硬盤告警、主板散熱風扇損壞、電源損壞等故障，業(yè)務系統(tǒng)的穩(wěn)定運行難以得到保障。如果更換服務器，由于多配套軟件類服務數(shù)已超出質(zhì)保期，技術(shù)支持費用將大幅提高。這些情況加深了平臺的維護難度，加大了維護成本。

傳統(tǒng)模式下的數(shù)據(jù)中心存放眾多服務器，采用一個業(yè)務系統(tǒng)配置一套服務器的模式，存在利用率低、能耗大、系統(tǒng)擴展困難等問題。隨著虛擬化技術(shù)的出現(xiàn)，綠色、環(huán)保、節(jié)能將成為今后數(shù)據(jù)中心發(fā)展的方向[2]。

3 虛擬化技術(shù)概述

虛擬化應用技術(shù)可以將單個計算機的資源分成多個獨立的執(zhí)行環(huán)境，它可以在可擴展的硬件基礎(chǔ)上，進一步簡化軟件部署配置的過程；在同一平臺中同時允許多版本的Windows 操作系統(tǒng)及Linux 操作系統(tǒng)；各應用程序在相互獨立互不影響的環(huán)境中工作，大幅提高計算機的工作效率；硬件池化技術(shù)將物理服務器抽象化，使服務器可以“一變十”甚至“一變百”，IT 系統(tǒng)不再受制于物理上的界限，從而提高資源的利用率，簡化系統(tǒng)管理，讓IT 系統(tǒng)對業(yè)務變化更具適應力。

虛擬化技術(shù)大致可分為服務器虛擬化、存儲虛擬化、網(wǎng)絡虛擬化、應用虛擬化。綜合對比了服務器資源利用率、安全性、維護量、運營成本等因素，本項目選用了應用虛擬化方式構(gòu)建整個數(shù)據(jù)平臺。第118頁圖3 為傳統(tǒng)IT 系統(tǒng)同虛擬化系統(tǒng)架構(gòu)的對比圖。

圖3 傳統(tǒng)IT 系統(tǒng)同虛擬化系統(tǒng)架構(gòu)的對比圖

4 虛擬化余熱發(fā)電數(shù)據(jù)平臺實施

4.1 總體規(guī)劃

目前，余熱發(fā)電數(shù)據(jù)平臺共有服務器42 臺，為生產(chǎn)管理提供過程數(shù)據(jù)接入、實時性能計算、機組性能分析、指標優(yōu)化、綜合報表、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)接等服務。除了WEB 訪問和性能計算服務器外，其他大部分服務器的負載率在7%～28%之間，沒有發(fā)揮出硬件的效率。服務器虛擬化的規(guī)劃主要內(nèi)容是規(guī)劃系統(tǒng)資源，首先要對即將虛擬化的服務器硬件資源使用情況進行統(tǒng)計，包括CPU、內(nèi)存、磁盤大小及利用率等，做好規(guī)劃是服務器虛擬化成功實施的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[3]。

針對余熱發(fā)電數(shù)據(jù)平臺運行業(yè)務現(xiàn)狀，利用系統(tǒng)現(xiàn)有網(wǎng)絡拓撲架構(gòu)，實現(xiàn)系統(tǒng)應用虛擬化。系統(tǒng)建成后，將現(xiàn)有業(yè)務遷移到虛擬機上，實現(xiàn)節(jié)能、高效、安全、穩(wěn)定、低成本的運行。

4.2 方案設(shè)計

通過虛擬化方案，利用4 臺高性能的浪潮INSPUR NF5280M5 服務器，將這些服務器按數(shù)據(jù)區(qū)域進行資源池化，虛擬化出12 臺數(shù)據(jù)服務器以及36 臺采集服務器。未來需要新增服務器時，只需要在VMware 系統(tǒng)中克隆虛擬機而不必購買新的服務器。虛擬化就是由位于下層的軟件模塊，根據(jù)上層的軟件模塊的期待，抽象（虛擬） 出一個虛擬的軟件模塊或硬件模塊，使上一層軟件直接運行在這個與自己期待完全一致的虛擬環(huán)境上。從這個意義上來看，虛擬化既可以是軟件層的抽象，又可以是硬件層的抽象。在方案中，將數(shù)量龐大功能單一的接口服務器進行了虛擬化，分布式控制系統(tǒng)（Distributed Control System，DCS） 經(jīng)單向網(wǎng)閘后，接入二級交換機，由二級交換機進行集中匯集到各虛擬化接口設(shè)備進行采集。圖4 為整合、完全虛擬化后的余熱發(fā)電數(shù)據(jù)平臺虛擬化系統(tǒng)架構(gòu)圖。

圖4 完全虛擬化后的余熱發(fā)電數(shù)據(jù)平臺虛擬化系統(tǒng)架構(gòu)圖

4.2.1 服務器部署

系統(tǒng)是面向生產(chǎn)、設(shè)備管理的前級IT 系統(tǒng)，后期擴展僅涉及工藝調(diào)整、分析等原因，方案實施選擇了VMware Workstation Pro 單服務器版構(gòu)建。數(shù)據(jù)服務器、應用服務器分別各采用1 臺浪潮INSPUR NF5280M5 服務器，服務器配置為：1 顆5220 18 核2.2 GHz CPU、128 GB 內(nèi)存、4 TB PCIe固態(tài)硬盤。

服務器物理機操作系統(tǒng)軟件采用了Windows Server 2016+VMware Workstation Pro 15.0 作為軟件系統(tǒng)基礎(chǔ)。針對數(shù)據(jù)服務器的虛擬機，分別劃分出6 臺數(shù)據(jù)基礎(chǔ)采集、分析、管理的虛擬機；針對應用功能服務器的虛擬機，分別劃分出6 臺應用功能展示相關(guān)的虛擬機。

4.2.2 網(wǎng)絡配置

VMware 虛擬機網(wǎng)絡編輯器中有3 種不同網(wǎng)絡連接方式：一是網(wǎng)絡地址轉(zhuǎn)換（Network Address Translation，NAT）；二是橋接；三是僅主機。3 種不同網(wǎng)絡連接方式的VMware 虛擬機網(wǎng)絡配置區(qū)別見表1。

表1 3 種不同網(wǎng)絡連接方式的VMware 虛擬機網(wǎng)絡配置表

數(shù)據(jù)采集、分析側(cè)服務器有兩塊采用自動獲取IP 的網(wǎng)卡：網(wǎng)卡1 連接數(shù)據(jù)DB 側(cè)核心交換機；網(wǎng)卡2 連接單向隔離網(wǎng)閘入口。數(shù)據(jù)側(cè)6 臺虛擬機采用數(shù)據(jù)側(cè)IP 地址配置，虛擬網(wǎng)絡配置采用橋接至物理網(wǎng)卡1，連接至數(shù)據(jù)側(cè)。

負責應用功能的WEB 側(cè)服務器有3 塊網(wǎng)卡：網(wǎng)卡1 連接至隔離網(wǎng)閘出口；網(wǎng)卡2 連接WEB 側(cè)交換機；網(wǎng)卡3 連接其他數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。WEB 側(cè)6臺應用虛擬機采用各自應用系統(tǒng)IP 配置，虛擬網(wǎng)絡采用橋接方式分別連接3 塊物理網(wǎng)卡。

針對網(wǎng)絡配置，WEB 發(fā)布的虛擬機設(shè)置標簽見圖5。

圖5 WEB 發(fā)布的虛擬機設(shè)置標簽

4.2.3 應用添加

在虛擬化平臺建立后，將原平臺和物理服務器上的應用系統(tǒng)進行適當?shù)倪w移，虛擬機中的系統(tǒng)可直接啟動并保持原有環(huán)境配置信息。單個虛擬機就相當于一臺物理服務器，它有新建虛擬機、刪除虛擬機、將現(xiàn)有虛擬機增加硬盤、內(nèi)存等的容量、對運行中的虛擬機進行調(diào)試安裝等基本操作。如需新增服務器，可使用VMware 中的模板添加功能，按需求添加Windows 操作系統(tǒng)或Linux 操作系統(tǒng)，并匹配內(nèi)存大小和硬盤容量。

4.2.4 性能評估及安全措施

目前，系統(tǒng)投用后主要使用單位為公司各機關(guān)部室及生產(chǎn)檢修、設(shè)備供應等單位，整體用戶數(shù)保持在300 人左右。用戶均可通過平臺的授權(quán)賬號對WEB 側(cè)發(fā)布服務器的數(shù)據(jù)進行訪問，后臺IT 維護人員可以高效地根據(jù)用戶訪問和系統(tǒng)運行情況，動態(tài)分配服務器資源，完成系統(tǒng)調(diào)整和運維工作。在系統(tǒng)部署中，針對安全性，根據(jù)協(xié)議類型劃分、物理端口劃分、IP 地址劃等，劃分了多個虛擬局域網(wǎng)（Virtual Local Area Network，VLAN）。通過靜態(tài)VLAN，加強了交換機管理。

5 結(jié)論

余熱發(fā)電數(shù)據(jù)平臺的虛擬化改造，對太鋼集團余熱發(fā)電信息化基礎(chǔ)建設(shè)更上一層樓提供了保障；虛擬化技術(shù)的應用，更為后續(xù)平臺計算類應用的發(fā)展提供了技術(shù)的變革。

本文分析了余熱發(fā)電數(shù)據(jù)平臺以往運行中遇到的問題，針對問題提出了虛擬化的解決方案，介紹了虛擬化技術(shù)現(xiàn)狀，闡述了余熱發(fā)電數(shù)據(jù)平臺虛擬化的服務器構(gòu)建、網(wǎng)絡配置、應用添加等方面內(nèi)容，與改造前的架構(gòu)做了對比，虛擬化改造后使得服務器配置動態(tài)調(diào)整和應用添加更為方便。虛擬服務器遷移的過程用戶感覺不到變化，不會對應用服務造成影響[3]。系統(tǒng)整體恢復時間縮短。對整個余熱發(fā)電系統(tǒng)網(wǎng)絡安全方面的內(nèi)容，還有很多需要在后續(xù)的工作中加強認識，提升管理能力。