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★ 黃建偉（浙江浙能蘭溪發電有限責任公司，浙江 金華 321000）

摘要：隨著云計算技術在各行各業的廣泛應用，發電企業也呈現出其獨有的私有云場景特征，發電企業的生產管理系統（MIS）、廠級監控系統（SIS）、辦公自動化系統等非生產大區內業務已不同程度地遷移至私有云。本文從私有云應用角度出發，結合工控系統數據業務域離散、數據量巨大、實時性要求高的特點，分析生產區工控系統工控機特征，研究并構建基于超融合技術的工控系統私有云平臺。

關鍵詞：超融合；容錯；私有云；H-DCS；HMI；智能化

1　概述

在互聯網+的迅猛浪潮下，新一代的信息技術，特別是大數據、工業互聯網、云計算、人工智能的快速發展，促使企業向數字智能化方向轉變。發電企業目前面臨的形勢和挑戰迫使發電企業轉型升級，高質量發展需求不斷增加，提升系統效率，高品質發電將成為今后發電企業發展的重要目標。

發電廠控制系統是一個龐大復雜的系統，是發電企業的核心系統，本文從控制系統的“窗口”——人機交互系統展開分析，提出H-DCS（HMI集散控制系統）設計理念，將工控機遷移至工控系統私有云集中智能化管理，提高發電廠控制系統工控機的穩定性，將上位機監控系統維護工作簡單化，減少故障處理所需時間。

2　工控系統應用需求

傳統上位機系統，由于24小時持續不間斷工作，壽命一般在5~7年。如何優化上位機監控系統、降低維護成本、提高維護效率和控制系統穩定性成為發電企業急需解決的問題。目前上位機監控系統存在以下問題：

（1）兼容性問題

近年來計算機技術發展十分迅速，計算機硬件不斷地更新換代，如CPU、主板的接口及硬盤接口容量等，與此同時操作系統的升級也從未停止。由于工控系統的特殊性，工控軟件的更新速度遠遠跟不上計算機硬件及操作系統的迭代速度。如此就會出現上位機軟件及編程軟件無法兼容新硬件或新版本操作系統的情況，導致工控機只能選用老版本型號的計算機，工控機性能受限，備品備件可選擇性低。

（2）硬件故障問題

工控機出現硬盤、主板等單點硬件損壞情況無法繼續使用，需要重新更換配件或整套工控機。此時上位機工程及控制邏輯工程均需要重新恢復，所有軟件重新安裝，軟件配置及通訊配置重新調試，需要耗費維護人員大量的時間。若一些工控機硬件停產，則出現無可用備件更換的問題。

（3）擴展難

新增一臺操作員站或者工程師站，需要安裝包括操作系統和應用軟件在內的所有軟件、恢復控制系統工程文件、配置通訊參數、調試畫面及控制邏輯功能。技術要求非常高，并且實施工作量大。

（4）冗余成本高

工程師站或操作員站常見的是單機獨立模式運行，若均配置成雙機冗余模式（例如容錯服務器），會造成理論可靠性高、實際使用性低的現象。另外，冗余實現方式復雜，雙份硬件和軟件成本更高。

3　基于超融合技術的工控系統私有云方案

基于超融合架構，計算存儲統一采用標準X86硬件，運用開源虛擬化和云計算技術，構建安全可控、開箱即用、綠色節能的工控系統私有云產品。用戶可根據控制系統內的服務器數量、工程師站及操作員站數量選擇不同配置的工控系統私有云。產品支持根據功能需要靈活搭配，同時滿足發電廠控制系統高可靠性和實時性要求。產品支持集中管理，通過統一接口進行實時管理，監控上位機監控設備運行狀態。

3.1　超融合架構

超融合架構是指在一套獨立服務器設備中支持計算、網絡、存儲和服務器虛擬化等資源和技術，多套獨立服務器設備可以通過網絡聚合起來，實現無縫橫向擴展，構建統一的資源池。超融合架構以服務器虛擬化為底層架構，延伸出網絡虛擬化和存儲虛擬化，通過模塊化的配置過程構建出業務與數據邏輯，實現虛擬資源的動態調度和靈活擴展。

3.2　超融合架構的特征

3.2.1　存儲虛擬化

存儲虛擬化后，把存儲應用程序與物理的數據存儲基礎設施分離，基于超融合架構技術構建的私有云平臺能夠提高資源的利用率，簡化系統的管理，對服務器硬件設備進行整合和優化，使硬件系統變成可以動態管理的“資源池”。該技術的使用，不但能夠確?？刂葡到y業務的連續性，滿足可持續發展的需求，還顯著提高了整個控制系統的可用性及安全性等級。

3.2.2　面向虛擬化的統一管理

超融合架構支持統一的界面管理，簡化配置管理過程，提高運維的靈活性、安全性、可用性；減輕運維人員的工作負擔，降低運維成本，提升SLA。超融合架構具有彈性部署優勢，用戶可以根據控制系統需要、預算等逐步進行系統的建設和擴展，從而降低總體擁有成本。借助超融合架構，運維將在資源豐裕性、系統可靠性、響應及時性上大大提高，以此提升服務品質和質量。

3.3　工控系統私有云平臺特點

傳統云計算架構復雜，平臺的整體性能受限于物理設備，服務器、網絡和存儲設備等組件管理無法統一。同時相互獨立的運維工具讓維護更復雜，使得傳統云計算難以應用于工控系統。基于超融合構建的工業級云架構，僅需通用的X86服務器和交換機硬件，利用軟件定義技術實現計算、存儲、網絡的資源池化，即可替代繁重復雜的傳統云基礎架構，實現云架構的極簡。由于傳統云計算架構缺乏完整的安全體系和可靠性保障，工控系統等關鍵應用上云比較困難，借助超融合技術的優勢，針對工控系統對私有云的可靠性、實時性和網絡安全的高要求作專門的研究和優化提升，讓發電企業控制系統關鍵應用能夠部署到私有云平臺上，讓IT更好地驅動發電企業生產管理和運行維護變革，以實現降低維護成本、提高維護效率的目標。

工控系統私有云平臺在實現傳統工控機功能的基礎上，還具有高容錯性、高兼容性、高穩定性、高擴展性的新特性，并且硬件維護簡單、可替代性高，平臺智能穩定、接口豐富。

4　工控系統私有云平臺的核心訴求研究

在常見的云服務模型中，包含了IaaS、PaaS、SaaS三種服務模型，其中IaaS模型的服務對象是IT管理員，PaaS模型的服務對象是軟件開發者，SaaS模型的服務對象是終端用戶。傳統企業私有云的主要服務對象是IT管理員以及軟件開發者，IT管理員更關注如何簡化資源交付，基礎架構管理與監控以及自動化運維等；而軟件開發者更關注開發效率，持續、快速應用交付等。工控系統業務單一且功能明確，因此工控系統私有云適合建設成SaaS服務模型，同時定制化開發、自動化運維、資源監控與管理功能集成在云管理平臺。

4.1　業務更“敏捷”的研究

在傳統的架構下，用戶基于業務系統的資源需求，獨立采購軟件和硬件設備，一般需要經歷預算—測試—招標—采購—部署—上位機監測系統上線等流程，整個過程復雜、耗時，很難實現工控機快速部署。發電企業用戶對私有云的一個核心訴求是：資源可方便地進行交付，引入更多自動化功能幫助企業縮短業務系統的部署與投用流程，使發電企業在競爭中獲得更大的優勢。

4.2　業務更“穩定”的研究

一般工控上位機監控系統被要求提供7×24h的不間斷服務，事實上，上位機監控系統一直面臨著各種風險和挑戰，包括停電、網絡故障、硬件故障等問題，這些問題都有可能影響上位機監控系統的可用性。特別在傳統架構下，隨著工控機數量的增多，上位機監控系統引入了更多不同的設備以及技術，增大了維護的復雜性，使得企業的維護人員經常上演“消防員”角色。因此發電企業構建私有云另外一個重要訴求是：私有云應該具備更簡單的維護、更高的容錯性，甚至是一定程度的故障自愈功能。

4.3　資源交付更具“彈性”的研究

在傳統工控機架構中，工控機往往是基于某個業務系統投用而建立，與業務系統有比較強的耦合關系，工控機資源之間無法流動，容易造成資源孤島以及資源利用率較低等問題。另外工控機資源建設缺乏通盤的考慮，導致管理與擴展成本比較高。發電企業用戶對私有云的另外一個期許是：將零散工控機資源進行統一管理，建設統一資源池，實現更靈活的資源劃分與交付；資源應具備“彈性伸縮”特性，可對資源進行生命周期管理，既可迅速擴展資源規模，也可以及時回收“閑置”資源進行重分配。

4.4　技術路線

4.4.1　虛實結合功能互備的高可用性冗余設計路線

立足于火電廠輔控網絡現狀及需求，提出工控機虛實結合功能互備的高可用性冗余設計理念。優化上位機監控系統，平衡上位機監控軟件、操作系統、主機硬件之間的兼容需求，解決硬件的低容錯性故障引起的上位機監控系統停運等維護問題。將就地離散的工控機物理資源虛擬化集中智能管理，既提高了工控機物理硬件的高可靠性，又提升了工控機系統的可控性和兼容性。

同時，保留原集控室內工控機并安裝配套開發的HMI同步插件，與虛擬化后進入輔控網絡私有云平臺的工控機功能互備，構成虛實結合、功能互備的多重高可用性冗余上位機。

4.4.2　高彈性架構的HMI實時數據庫

基于KVM開源技術開發并優化，解決工控系統私有云機柜的高可靠性問題，研究網絡配置的可靠性、網絡通信的可靠性，以及控制系統軟件和數據庫的高可用性應用等，實現對物理主機資源、網絡資源的高可用性提升。

開發高彈性架構的HMI實時數據庫，該架構優化了HMI軟件與PLC控制器的通訊方式。支持N套HMI軟件同時連接高彈性HMI實時數據庫，經高彈性HMI實時數據庫優化訪問請求后統一連接至PLC控制器。可有效阻斷HMI側出現爆發式流量請求或者其它惡意攻擊情況時，對PLC控制器造成災難性沖擊。

4.4.3　數字化、智能化的建設提供技術基礎

為控制系統數字化、智能化的建設提供技術基礎，實現數據的采集、存儲、顯示的集中托管，并提供各類數據接口。簡化系統結構，加強對工業環境的適應能力，減少維護工作量，降低整體維護成本，提高工控機數字化、智能化能力。實現智能化管理工控系統私有云機柜，實時監測服務器健康和能耗狀況，智能分析與風險預測，實現工控系統私有云機柜部署的“自動化”和維護的“傻瓜化”，做到一站式交付、家電化安裝、一鍵式業務部署。

4.4.4　智能管控平臺

基于分散控制系統基本設計思想開發，兼顧分而自治和綜合協調的設計原則，廣泛應用高可靠性的工業級硬件設備和生產工藝，采用冗余技術，在軟件設計上實現系統的容錯技術、故障自診斷和自動處理技術等。平臺管理界面依據HMI監控界面風格及運行維護人員使用習慣開發，并且能夠嵌入至HMI系統實時監控。

5　現場實施

5.1　現場概況

目前#1/2機控制室布置有4臺操作員站（兼工程師站）、#3/4機控制室布置有2臺操作員站（兼工程師站）、脫硫除灰控制室布置有5臺操作員站（兼工程師站）、化水控制室布置有2臺操作員站（兼工程師站）、除灰控制室布置有2臺操作員站（兼工程師站）、輸煤系統布置有2臺操作員站（兼工程師站）。

根據輔網子系統的功能按“ 水” 、“ 煤” 、“灰”3個系統設立相應的3個分區集中控制點監控。

改造后“水”系統布置4臺操作員站，“煤”系統部署2臺操作員站，“灰”系統部署5臺操作員站，部分操作員站兼工程師站，如圖1所示。

圖1 改造后輔網子系統分區集中控制點分布

5.2　部署工控系統私有云機柜

（1）安裝機柜

工控系統私有云機柜安裝方式和DCS系統盤柜安裝方式一致，機柜底座固定安裝在槽鋼上，安裝過程做好絕緣及接地保護等工作。

（2）電源接入

工控系統私有云機柜內含有一套冗余電源模塊，該電源模塊布置在機柜上層，進線電源為雙路220VAC電源，其中一路進線電源設計為保安段電源。

（3）布置網絡

工控系統私有云機柜內集成有兩臺支持虛擬化的核心交換機，瘦客戶端連接至兩臺核心交換機可實現與工控系統私有云機柜的數據交互。工控系統私有云機柜通過核心交換機連接至工控系統網絡可實時采集現場PLC數據，實現上位機監控功能。瘦客戶端的通訊網絡與工控系統網絡相互獨立，不交叉混用。故需要鋪設瘦客戶端至工控系統私有云機柜之間的網線或者光纜。

（4）安裝瘦客戶端

根據現場情況，安裝瘦客戶端并提供電源220VAC及網絡。

5.3　操作員站及工程師站功能遷移至工控系統私有云

遷移物理工控機上的工控軟件和數據到工控系統私有云中，將使用到P2V工具。這種遷移方式，主要是把物理工控機上的工程狀態和數據“鏡像”到工控系統私有云中，并且在工控系統私有云的虛擬機中恢復物理工控機上運行的工程。

5.4　工控系統私有云試運行

調試完成后工控系統私有云虛擬機系統做好鏡像和快照，原上位機系統安裝HMI同步插件并同步運行。

6　結語

通過對當前業界主流技術的調研分析，以及前述超融合技術與私有云技術的結合可以看出，利用該技術可以為發電企業帶來以下優勢：

（1）整個工控系統私有云平臺采用集中管理的模式，所有的工控機系統都在統一的平臺上運行，對應的維護及管理人員可以整合，節省了人力成本；

（2）應用集中管理模式，維護及管理部門可以直觀地查看所有的工控機數據應用的運行情況，維護及管理工作變得簡單高效；

（3）各個工控機應用集中于同一個工控系統私有云平臺上，避免了數據的孤立和難以利用的問題，人機交互界面和應用之間的數據流轉也十分簡便快捷，更有利于挖掘發電企業生產數據的價值。

發電企業的生產數據具有深度挖掘的價值，靈活高效地管理這些數據資產，使之更好地為發電企業安全穩定運行服務，促進企業數據保值增值?；贖-DCS（HMI集散控制系統）理念的工控系統私有云為實現高效率、高品質發電提供了一個很好的思路，不僅具備傳統的工控機功能，還具有獨特的優勢，如維護方便、系統資源實時監控、冗余容錯率高等。AP

作者簡介：

黃建偉（1982-），男，浙江金華人，工程師，現就職于浙江浙能蘭溪發電有限責任公司，主要從事火電廠熱控技術管理工作。

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摘自《自動化博覽》2021年12月刊