吳曉強(qiáng)

摘要：針對(duì)寶鋼特鋼有限公司光亮機(jī)組自動(dòng)控制系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)故障率、兼容性、故障快速恢復(fù)和降低成本的問(wèn)題進(jìn)行了分析研究，采用虛擬機(jī)遷移技術(shù)實(shí)現(xiàn)服務(wù)器虛擬化，探索虛擬化技術(shù)在光亮機(jī)組控制系統(tǒng)中的應(yīng)用，減少了硬件老化帶來(lái)的故障率升高、可靠性降低的問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：虛擬化技術(shù)；光亮機(jī)組；控制系統(tǒng)

立式半馬弗式連續(xù)光亮退火爐具有氫氣、氮/氫混合氣等多種氣氛保護(hù)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(chǎn)品的光亮退火熱處理。寶鋼特鋼有限公司冷軋光亮機(jī)組的過(guò)程控制系統(tǒng)為西門(mén)子公司開(kāi)發(fā)，使用了產(chǎn)品化的通訊中間件和平臺(tái)軟件，系統(tǒng)集成度、自動(dòng)化程度高。時(shí)至今日，由于硬件不統(tǒng)一以及日益突出的對(duì)軟件系統(tǒng)兼容性的問(wèn)題，在自動(dòng)控制過(guò)程中，經(jīng)常發(fā)生故障，控制失靈現(xiàn)象。因此，針對(duì)現(xiàn)有自動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行虛擬化集成技術(shù)研究和應(yīng)用。本文通過(guò)現(xiàn)狀分析，給出了面向現(xiàn)有系統(tǒng)的虛擬集成開(kāi)發(fā)的方案以及實(shí)施的效果，供相關(guān)研究者參考借鑒。

1.現(xiàn)狀分析

寶鋼特鋼有限公司光亮退火爐機(jī)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(gè)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(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)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(lèi)型。全馬弗式光亮爐氣氛保護(hù)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(jī)組采用馬弗管+磚結(jié)構(gòu)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(diǎn)火系統(tǒng)自動(dòng)點(diǎn)燃，通過(guò)對(duì)燃?xì)夂椭伎諝獾牧髁靠刂茖?shí)現(xiàn)爐溫的控制要求。為提供保護(hù)氣氛下的退火區(qū)域，采用馬弗管隔斷退火區(qū)域和加熱區(qū)域。磚加熱段采用優(yōu)質(zhì)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(dá)到1250℃，平均工作溫度可達(dá)到1200℃，滿足處理溫度超過(guò)馬弗段加熱溫度能力的材料的工藝要求，這種機(jī)組加熱方式在相關(guān)企業(yè)板帶產(chǎn)線的引進(jìn)或改進(jìn)過(guò)程中，對(duì)光亮退火爐的改造具有實(shí)際的借鑒意義。

系統(tǒng)配備L1服務(wù)器1臺(tái)、L2服務(wù)器2臺(tái)、表面檢測(cè)服務(wù)器1臺(tái)、S400PLC 2臺(tái)、現(xiàn)場(chǎng)交換機(jī)3臺(tái)、現(xiàn)場(chǎng)操作站客戶端6臺(tái)和現(xiàn)場(chǎng)工程師站4臺(tái)。目前，服務(wù)器的操作系統(tǒng)為 windows 2000 Professional，現(xiàn)場(chǎng)終端操作系統(tǒng)為windows XP Professional。

控制系統(tǒng)從2010年投入運(yùn)行至今，設(shè)備老化嚴(yán)重，雖有備機(jī)可以使用，也因機(jī)齡長(zhǎng)，可靠性不足。因工控機(jī)對(duì)操作系統(tǒng)的需求特殊，同時(shí)對(duì)硬件也有著其特殊的要求，而且同型號(hào)產(chǎn)品已停產(chǎn)多年，采購(gòu)能夠兼容老系統(tǒng)的硬件或整機(jī)難度及大，且成本高昂。隨著時(shí)間推移，系統(tǒng)故障發(fā)生率也越來(lái)越高?，F(xiàn)今，操作系統(tǒng)與硬件的快速發(fā)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(tǒng)。現(xiàn)場(chǎng)機(jī)組均基于以上兩種操作系統(tǒng)開(kāi)發(fā)，大部分軟件在不進(jìn)行大版本更新的情況下已無(wú)法在新版本操作系統(tǒng)中運(yùn)行，即使勉強(qiáng)安裝完畢，也存在嚴(yán)重的兼容性問(wèn)題。對(duì)于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)控制而言，工控機(jī)的效能已經(jīng)不單單僅僅是使用壽命，對(duì)于確保其穩(wěn)定性和連續(xù)性顯得尤為重要。此外，硬件以及軟件的快速發(fā)展，使得鏡像異機(jī)還原的方法不能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的還原，給系統(tǒng)的維護(hù)以及長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)了很大的隱患。

2.解決方案

根據(jù)以上分析，對(duì)于像光亮機(jī)組這樣一個(gè)關(guān)鍵性設(shè)備來(lái)講，確保其控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和連續(xù)性顯得尤為重要，而使用虛擬化架構(gòu)最大優(yōu)勢(shì)在于虛擬化的操作系統(tǒng)僅僅是文件形式存在，在發(fā)生故障或?yàn)?zāi)難的情況下，可以快速切換。

2.1 虛擬化的意義

在計(jì)算機(jī)中，虛擬化是一種資源管理技術(shù)，是將計(jì)算機(jī)的各種實(shí)體資源，如服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)、內(nèi)存及存儲(chǔ)等，予以抽象、轉(zhuǎn)換后呈現(xiàn)出來(lái)，打破實(shí)體結(jié)構(gòu)間的不可切割的障礙，使用戶可以比原本的組態(tài)更好的方式來(lái)應(yīng)用這些資源[1]。這些資源的新虛擬部份是不受現(xiàn)有資源的架設(shè)方式，地域或物理組態(tài)所限制[2]。一般所指的虛擬化資源包括計(jì)算能力和資料存儲(chǔ)。

2.2采用虛擬機(jī)遷移技術(shù)實(shí)現(xiàn)服務(wù)器虛擬化

當(dāng)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(wù)器可以為用戶節(jié)省管理資金、維護(hù)費(fèi)用和升級(jí)費(fèi)用。以前的服務(wù)器體積比較“龐大”，而一般服務(wù)器體積已經(jīng)比以前小了許多，遷移技術(shù)使得用戶可以用一臺(tái)服務(wù)器來(lái)同時(shí)替代以前的許多臺(tái)服務(wù)器，節(jié)省了用戶大量的機(jī)房空間。

2.2.1 V2P（虛擬機(jī)到物理機(jī)的遷移 Virtual-to-Physica）

V2P 指把一個(gè)操作系統(tǒng)、應(yīng)用程序和數(shù)據(jù)從一個(gè)虛擬機(jī)中遷移到物理機(jī)的主硬盤(pán)上，是 P2V 的逆操作。它可以同時(shí)遷移虛擬機(jī)系統(tǒng)到一臺(tái)或多臺(tái)物理機(jī)上。盡管虛擬化的基本需求是整合物理機(jī)到虛擬機(jī)中，但這并不是虛擬化的唯一的應(yīng)用。比如有時(shí)虛擬機(jī)上的應(yīng)用程序的問(wèn)題需要排除虛擬環(huán)境帶來(lái)的影響。

2.2.2 V2V（虛擬機(jī)到虛擬機(jī)的遷移Virtual-to-Virtual）

V2V 遷移是在虛擬機(jī)之間移動(dòng)操作系統(tǒng)和數(shù)據(jù)，照顧主機(jī)級(jí)別的差異和處理不同的虛擬硬件。虛擬機(jī)從一個(gè)物理機(jī)上的 VMM 遷移到另一個(gè)物理機(jī)的 VMM，這兩個(gè) VMM 的類(lèi)型可以相同，也可以不同。如 VMware 遷移到 KVM，可通過(guò)多種方式將虛擬機(jī)從一個(gè) VM Host 系統(tǒng)移動(dòng)到另一個(gè) VM Host 系統(tǒng)。

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

P2V 指遷移物理服務(wù)器上的操作系統(tǒng)及其上的應(yīng)用軟件和數(shù)據(jù)到 VMM（Virtual Machine Monitor）管理的虛擬服務(wù)器中。這種遷移方式，主要是使用各種工具軟件，把物理服務(wù)器上的系統(tǒng)狀態(tài)和數(shù)據(jù)“鏡像”到 VMM 提供的虛擬機(jī)中，并且在虛擬機(jī)中“替換”物理服務(wù)器的存儲(chǔ)硬件與網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)程序。

3. 實(shí)施結(jié)果

根據(jù)機(jī)組現(xiàn)有的控制系統(tǒng)狀況，進(jìn)行了研究開(kāi)發(fā)，主要開(kāi)展了光亮機(jī)組磁盤(pán)陣列設(shè)定方法、光亮機(jī)組應(yīng)用軟件設(shè)置內(nèi)容、光亮機(jī)組操作系統(tǒng)的環(huán)境變量及注冊(cè)表設(shè)計(jì)、西門(mén)子monitor server、MiddlewareServer服務(wù)使用方法、光亮機(jī)組過(guò)程控制系統(tǒng)虛擬化方法、研究光亮機(jī)組工控系統(tǒng)虛擬化方法及光亮機(jī)組特殊板卡在虛擬化中的應(yīng)用方法等方面研究，針對(duì)光亮機(jī)組帶特殊板卡的系統(tǒng)在虛擬化不成功的情況，探索其系統(tǒng)進(jìn)行集成的方法。應(yīng)用虛擬化技術(shù)改進(jìn)后的相關(guān)啟動(dòng)及運(yùn)行界面圖，界面簡(jiǎn)潔方便，具有操作性強(qiáng)的特點(diǎn)。

4. 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)寶鋼特鋼有限公司光亮機(jī)組自動(dòng)控制系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)故障率、兼容性、故障快速恢復(fù)和降低成本的問(wèn)題進(jìn)行了分析研究。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況，采用以下方向研究工控機(jī)的虛擬化方法，期望對(duì)相關(guān)設(shè)備的改造提供借鑒。

（1）在沒(méi)有特殊板卡或虛擬化系統(tǒng)可以使用特殊板卡時(shí)，使用虛擬化的方法，把上述機(jī)組的工控系統(tǒng)虛擬化處理，在更高級(jí)別的操作系統(tǒng)中運(yùn)行虛擬化的工控系統(tǒng)。

（2）在虛擬化系統(tǒng)無(wú)法使用特殊板卡時(shí)，重新集成該系統(tǒng)，解決系統(tǒng)的備件問(wèn)題，減少現(xiàn)場(chǎng)的停機(jī)時(shí)間。

該虛擬化技術(shù)通過(guò)實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行的驗(yàn)證，結(jié)果表明新的控制系統(tǒng)減少了硬件老化帶來(lái)的故障率升高、可靠性降低的問(wèn)題。改善了兼容性，使新的平臺(tái)可以在虛擬環(huán)境下運(yùn)行Window2000以及Windows XP操作系統(tǒng)及其他應(yīng)用軟件。實(shí)現(xiàn)故障快速恢復(fù)，在發(fā)生故障時(shí)，在短間內(nèi)對(duì)故障點(diǎn)進(jìn)行恢復(fù)，減少了重新集成或者系統(tǒng)升級(jí)所帶來(lái)的重新開(kāi)發(fā)的時(shí)間與成本。

參考文獻(xiàn)

[1] 王春海. 虛擬機(jī)深入應(yīng)用實(shí)踐（第1版）. 北京：中國(guó)鐵道出版社，2009：16-20.

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（作者單位：寶鋼特鋼有限公司）