中海油中國(guó)有限公司恩平油田 何啟洪

海上石油生產(chǎn)過(guò)程及安全控制系統(tǒng)虛擬化解決方案

中海油中國(guó)有限公司恩平油田 何啟洪

有人認(rèn)為虛擬化技術(shù)是20世紀(jì)60年代以來(lái)最重要的一次IT革命，主要是因?yàn)镮T技術(shù)為經(jīng)濟(jì)和企業(yè)發(fā)展創(chuàng)造了諸多有利條件。筆者對(duì)此深表認(rèn)同，虛擬化技術(shù)不僅能夠簡(jiǎn)化IT流程，還可用于企業(yè)經(jīng)營(yíng)的方方面面，下至降低能源消耗，上至實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵應(yīng)用的高可用性。石油和天然氣行業(yè)的各大企業(yè)都在不斷尋求減少風(fēng)險(xiǎn)和意外停車的方法，力求保持最高的運(yùn)營(yíng)效率，而虛擬化技術(shù)及其展現(xiàn)出的技術(shù)優(yōu)勢(shì)在此就顯得非常重要。

虛擬化技術(shù)

利用虛擬化技術(shù)可以“封裝”計(jì)算機(jī)，包括其操作系統(tǒng)和各種應(yīng)用程序，使它能夠在主機(jī)上輕松運(yùn)行。例如，可以將筆記本電腦或臺(tái)式機(jī)轉(zhuǎn)換為一臺(tái)虛擬計(jì)算機(jī)，從而能將它復(fù)制到另一臺(tái)主機(jī)上運(yùn)行。

虛擬計(jì)算機(jī)（或虛擬機(jī)VM）文件包含除硬件設(shè)備外一切啟動(dòng)運(yùn)行應(yīng)用程序所需的內(nèi)容。若要運(yùn)行虛擬機(jī)，需要借助虛擬軟件層在虛擬機(jī)與主機(jī)硬件之間實(shí)現(xiàn)映射，包括網(wǎng)絡(luò)連接映射、USB 端口映射，以及其他外圍設(shè)備映射。圖1說(shuō)明了虛擬機(jī) (VM)在主機(jī)上運(yùn)行的工作原理。

圖1 虛擬機(jī)在主機(jī)上運(yùn)行工作原理

虛擬化技術(shù)與海上油氣生產(chǎn)控制系統(tǒng)

虛擬化技術(shù)如此重要的原因之一在于：一套包括控制系統(tǒng)在內(nèi)的海上平臺(tái)或 FPSO（浮式生產(chǎn)儲(chǔ)油卸油裝置）的平均生命周期至少為20年。但是，控制系統(tǒng)的控制器及其他組件所采用的技術(shù)日新月異，尤其配套的計(jì)算機(jī)硬件和操作系統(tǒng)通常每3~5年或者更短就需要更新一次。而計(jì)算機(jī)工作站的升級(jí)周期略長(zhǎng)，大約為5~7年，如果不及時(shí)升級(jí)，系統(tǒng)性能會(huì)有所下降，進(jìn)而影響企業(yè)生產(chǎn)。

這是個(gè)很有意思的數(shù)學(xué)問(wèn)題，因?yàn)楹Ｉ嫌蜌馍a(chǎn)的中控系統(tǒng)可以持續(xù)運(yùn)行20年，而相應(yīng)的系統(tǒng)支持技術(shù)卻在不斷更新?lián)Q代。控制系統(tǒng)的升級(jí)過(guò)程非常復(fù)雜，成本高昂并且耗時(shí)較長(zhǎng)，在系統(tǒng)遷移過(guò)程中，需要供應(yīng)商不斷提供支持才能重新安裝所有應(yīng)用程序軟件，有些甚至需要重新升級(jí)控制系統(tǒng)。

圖2所示為海上油氣生產(chǎn)中控制系統(tǒng)的具體架構(gòu)。中控系統(tǒng)是海上油氣生產(chǎn)平臺(tái)的核心部分，用于管理、監(jiān)測(cè)和控制所有生產(chǎn)和安全應(yīng)用的重要系統(tǒng)。這套集成自動(dòng)化系統(tǒng)是海上油氣生產(chǎn)平臺(tái)的核心部分，包含過(guò)程控制系統(tǒng)（DCS/PCS）、緊急停車系統(tǒng)（ESD）以及火氣系統(tǒng)（F&G）。中控系統(tǒng)通常需要配備多個(gè)工作站、工程師站和應(yīng)用站，它們都使用一臺(tái)裝有 Windows 操作系統(tǒng)的工業(yè)計(jì)算機(jī)。

圖2 海上油氣生產(chǎn)控制系統(tǒng)架構(gòu)

海上油氣生產(chǎn)中控系統(tǒng)計(jì)算機(jī)工作站關(guān)注的一個(gè)主要問(wèn)題是MTTR（平均修復(fù)時(shí)間），該時(shí)間最多為2~4周（部分原因是計(jì)算機(jī)工作站通常不會(huì)被視為備件）。完成訂購(gòu)后，維護(hù)工程師通常不能重新安裝所有系統(tǒng)應(yīng)用軟件。因此，系統(tǒng)的運(yùn)行維護(hù)就要按供應(yīng)商的現(xiàn)場(chǎng)服務(wù)計(jì)劃來(lái)安排，而由此產(chǎn)生的意外停車和額外開(kāi)銷則不可避免。

此外，缺乏技術(shù)資源也是一大難題，以操作員培訓(xùn)為例，培訓(xùn)成本非常昂貴（需要針對(duì)多個(gè)工作站）并且耗時(shí)較長(zhǎng)。每個(gè)海

上油氣生產(chǎn)平臺(tái)通常只配備一名儀表控制工程師，而且在海上平臺(tái)上很難按陸上資源協(xié)調(diào)服務(wù)，因此海上平臺(tái)也很難獲得及時(shí)有效的技術(shù)支持。

虛擬化解決方案的優(yōu)勢(shì)

考慮到以上技術(shù)難題，虛擬化技術(shù)對(duì)于海上平臺(tái)中控系統(tǒng)的應(yīng)用創(chuàng)造了巨大優(yōu)勢(shì)。虛擬化技術(shù)將會(huì)更改主機(jī)特定的軟硬件平臺(tái)，而裝有操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件的傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)站則會(huì)變成文件。這些文件在一臺(tái)通用主機(jī)上運(yùn)行；一旦有新技術(shù)誕生，用戶可以方便快捷地升級(jí)或更改這臺(tái)平臺(tái)主機(jī)。

這一理念如圖3所示，圖中展示了采用虛擬化技術(shù)的中控系統(tǒng)典型架構(gòu)。在該架構(gòu)中，維護(hù)工程師只需管理一系列文件，無(wú)需管理整個(gè)系統(tǒng)的平臺(tái)。如果因任何原因?qū)е孪到y(tǒng)部分停車，主機(jī)不會(huì)受應(yīng)用軟件影響，換言之，如果主機(jī)出現(xiàn)故障，維護(hù)工程師只需將相關(guān)文件復(fù)制到新主機(jī)上，很快即可恢復(fù)系統(tǒng)運(yùn)行。這一轉(zhuǎn)換過(guò)程無(wú)需致電供應(yīng)商尋求支持，也不會(huì)中斷生產(chǎn)。

圖3 虛擬化技術(shù)的中控系統(tǒng)典型架構(gòu)

圖4所示的虛擬化解決方案適用于要求自動(dòng)備份和冗余的應(yīng)用，這是海上平臺(tái)尤其是操作員的必備要求，以便在確保最長(zhǎng)運(yùn)行時(shí)間和最短操作中斷的同時(shí)為人員、資產(chǎn)和環(huán)境提供最高級(jí)別的安全保護(hù)。

圖4 虛擬化解決方案

虛擬化解決方案提供的完全容錯(cuò)功能適用于所有工作站應(yīng)用。圖5和圖6介紹了如何借助容錯(cuò)選項(xiàng)在兩個(gè)物理服務(wù)器上同步執(zhí)行多個(gè)虛擬機(jī)，從而在發(fā)生硬件故障時(shí)實(shí)現(xiàn)無(wú)擾動(dòng)故障切換。

圖5

圖6

結(jié)語(yǔ)

影響虛擬化技術(shù)在海上油氣生產(chǎn)中控系統(tǒng)中應(yīng)用的四大要點(diǎn)如下：

（1）理解升級(jí)周期。虛擬化有助于延長(zhǎng)整個(gè)系統(tǒng)的使用壽命，因此用戶可以制定升級(jí)周期，有計(jì)劃且可預(yù)測(cè)地完成升級(jí)。現(xiàn)在，升級(jí)服務(wù)器工作站時(shí)不必考慮硬件問(wèn)題，也不需要工程設(shè)計(jì)介入。

（2）了解局限所在。借助虛擬化，用戶可以讓多個(gè)應(yīng)用安全地共享同一服務(wù)器，通過(guò)合并服務(wù)器實(shí)現(xiàn)更高的服務(wù)器利用率。

（3）評(píng)估管理需求。軟件升級(jí)和補(bǔ)丁可以集中部署。故障客戶端的復(fù)位和新系統(tǒng)的部署能夠以同樣的方式完成。災(zāi)難恢復(fù)也可集中進(jìn)行，同時(shí)由于能夠集中授予和撤消用戶訪問(wèn)權(quán)限，安全性也得到了進(jìn)一步加強(qiáng)。

（4）減少故障發(fā)生。采用物理服務(wù)器時(shí)，機(jī)器發(fā)生故障往往等同于停車或處于極大停車風(fēng)險(xiǎn)之下，而采用虛擬化技術(shù)時(shí)則不然。主機(jī)會(huì)對(duì)彼此及各自的虛擬機(jī)進(jìn)行故障監(jiān)視。如果虛擬機(jī)出現(xiàn)故障，它將自動(dòng)在另一個(gè)具有可用資源的位置重新啟動(dòng)。

這意味著隨著虛擬化技術(shù)與海上油氣生產(chǎn)中控系統(tǒng)相結(jié)合，海上油氣生產(chǎn)自動(dòng)化領(lǐng)域?qū)a(chǎn)生翻天覆地的變化。自動(dòng)化供應(yīng)商將會(huì)充分利用虛擬化技術(shù)的各項(xiàng)優(yōu)勢(shì)和最佳實(shí)踐，這對(duì)于幫助石油和天然氣企業(yè)了解虛擬化部署前需考慮的關(guān)鍵事項(xiàng)至關(guān)重要。

對(duì)于有意采用使用虛擬化技術(shù)中控系統(tǒng)的企業(yè)，這些最佳實(shí)踐將有助于簡(jiǎn)化技術(shù)過(guò)渡過(guò)程并采取正確的步驟確保中控系統(tǒng)的可用性，從而保持生產(chǎn)持續(xù)進(jìn)行。停車是海上生產(chǎn)的最大隱患，而虛擬化技術(shù)能夠使系統(tǒng)的可用性得以提升，在增加可靠性的同時(shí)縮短停車時(shí)間并降低系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)。

何啟洪（1973-），男，廣東肇慶人，工程師，工程碩士，現(xiàn)就職于中海油中國(guó)有限公司恩平油田聯(lián)合開(kāi)發(fā)項(xiàng)目管理團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)工程部，主要研究方向?yàn)榭刂乒こ獭?/p>