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★ 黃建偉（浙江浙能蘭溪發(fā)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(yè)的廣泛應用，發(fā)電企業(yè)也呈現(xiàn)出其獨有的私有云場景特征，發(fā)電企業(yè)的生產(chǎn)管理系統(tǒng)（MIS）、廠級監(jiān)控系統(tǒng)（SIS）、辦公自動化系統(tǒng)等非生產(chǎn)大區(qū)內(nèi)業(yè)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(fā)，結合工控系統(tǒng)數(shù)據(jù)業(yè)務域離散、數(shù)據(jù)量巨大、實時性要求高的特點，分析生產(chǎn)區(qū)工控系統(tǒng)工控機特征，研究并構建基于超融合技術的工控系統(tǒng)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(lián)網(wǎng)+的迅猛浪潮下，新一代的信息技術，特別是大數(shù)據(jù)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、云計算、人工智能的快速發(fā)展，促使企業(yè)向數(shù)字智能化方向轉變。發(fā)電企業(yè)目前面臨的形勢和挑戰(zhàn)迫使發(fā)電企業(yè)轉型升級，高質量發(fā)展需求不斷增加，提升系統(tǒng)效率，高品質發(fā)電將成為今后發(fā)電企業(yè)發(fā)展的重要目標。

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

2　工控系統(tǒng)應用需求

傳統(tǒng)上位機系統(tǒng)，由于24小時持續(xù)不間斷工作，壽命一般在5~7年。如何優(yōu)化上位機監(jiān)控系統(tǒng)、降低維護成本、提高維護效率和控制系統(tǒng)穩(wěn)定性成為發(fā)電企業(yè)急需解決的問題。目前上位機監(jiān)控系統(tǒng)存在以下問題：

（1）兼容性問題

近年來計算機技術發(fā)展十分迅速，計算機硬件不斷地更新?lián)Q代，如CPU、主板的接口及硬盤接口容量等，與此同時操作系統(tǒng)的升級也從未停止。由于工控系統(tǒng)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(tǒng)的迭代速度。如此就會出現(xiàn)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(tǒng)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(xiàn)硬盤、主板等單點硬件損壞情況無法繼續(xù)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(diào)試，需要耗費維護人員大量的時間。若一些工控機硬件停產(chǎn)，則出現(xiàn)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(tǒng)和應用軟件在內(nèi)的所有軟件、恢復控制系統(tǒng)工程文件、配置通訊參數(shù)、調(diào)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(xiàn)象。另外，冗余實現(xiàn)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(tǒng)私有云方案

基于超融合架構，計算存儲統(tǒng)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(jié)能的工控系統(tǒng)私有云產(chǎn)品。用戶可根據(jù)控制系統(tǒng)內(nèi)的服務器數(shù)量、工程師站及操作員站數(shù)量選擇不同配置的工控系統(tǒng)私有云。產(chǎn)品支持根據(jù)功能需要靈活搭配，同時滿足發(fā)電廠控制系統(tǒng)高可靠性和實時性要求。產(chǎn)品支持集中管理，通過統(tǒng)一接口進行實時管理，監(jiān)控上位機監(jiān)控設備運行狀態(tài)。

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(wǎng)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(wǎng)絡聚合起來，實現(xiàn)無縫橫向擴展，構建統(tǒng)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(wǎng)絡虛擬化和存儲虛擬化，通過模塊化的配置過程構建出業(yè)務與數(shù)據(jù)邏輯，實現(xiàn)虛擬資源的動態(tài)調(diào)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(shù)據(jù)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(tǒng)的管理，對服務器硬件設備進行整合和優(yōu)化，使硬件系統(tǒng)變成可以動態(tài)管理的“資源池”。該技術的使用，不但能夠確保控制系統(tǒng)業(yè)務的連續(xù)性，滿足可持續(xù)發(fā)展的需求，還顯著提高了整個控制系統(tǒng)的可用性及安全性等級。

3.2.2　面向虛擬化的統(tǒng)一管理

超融合架構支持統(tǒng)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(yōu)勢，用戶可以根據(jù)控制系統(tǒng)需要、預算等逐步進行系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)私有云平臺特點

傳統(tǒng)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(wǎng)絡和存儲設備等組件管理無法統(tǒng)一。同時相互獨立的運維工具讓維護更復雜，使得傳統(tǒng)云計算難以應用于工控系統(tǒng)。基于超融合構建的工業(yè)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(xiàn)計算、存儲、網(wǎng)絡的資源池化，即可替代繁重復雜的傳統(tǒng)云基礎架構，實現(xiàn)云架構的極簡。由于傳統(tǒng)云計算架構缺乏完整的安全體系和可靠性保障，工控系統(tǒng)等關鍵應用上云比較困難，借助超融合技術的優(yōu)勢，針對工控系統(tǒng)對私有云的可靠性、實時性和網(wǎng)絡安全的高要求作專門的研究和優(yōu)化提升，讓發(fā)電企業(yè)控制系統(tǒng)關鍵應用能夠部署到私有云平臺上，讓IT更好地驅動發(fā)電企業(yè)生產(chǎn)管理和運行維護變革，以實現(xiàn)降低維護成本、提高維護效率的目標。

工控系統(tǒng)私有云平臺在實現(xiàn)傳統(tǒng)工控機功能的基礎上，還具有高容錯性、高兼容性、高穩(wěn)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(wěn)定、接口豐富。

4　工控系統(tǒng)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(fā)者，SaaS模型的服務對象是終端用戶。傳統(tǒng)企業(yè)私有云的主要服務對象是IT管理員以及軟件開發(fā)者，IT管理員更關注如何簡化資源交付，基礎架構管理與監(jiān)控以及自動化運維等；而軟件開發(fā)者更關注開發(fā)效率，持續(xù)、快速應用交付等。工控系統(tǒng)業(yè)務單一且功能明確，因此工控系統(tǒng)私有云適合建設成SaaS服務模型，同時定制化開發(fā)、自動化運維、資源監(jiān)控與管理功能集成在云管理平臺。

4.1　業(yè)務更“敏捷”的研究

在傳統(tǒng)的架構下，用戶基于業(yè)務系統(tǒng)的資源需求，獨立采購軟件和硬件設備，一般需要經(jīng)歷預算—測試—招標—采購—部署—上位機監(jiān)測系統(tǒng)上線等流程，整個過程復雜、耗時，很難實現(xiàn)工控機快速部署。發(fā)電企業(yè)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(yè)縮短業(yè)務系統(tǒng)的部署與投用流程，使發(fā)電企業(yè)在競爭中獲得更大的優(yōu)勢。

4.2　業(yè)務更“穩(wěn)定”的研究

一般工控上位機監(jiān)控系統(tǒng)被要求提供7×24h的不間斷服務，事實上，上位機監(jiān)控系統(tǒng)一直面臨著各種風險和挑戰(zhàn)，包括停電、網(wǎng)絡故障、硬件故障等問題，這些問題都有可能影響上位機監(jiān)控系統(tǒng)的可用性。特別在傳統(tǒng)架構下，隨著工控機數(shù)量的增多，上位機監(jiān)控系統(tǒng)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(yè)的維護人員經(jīng)常上演“消防員”角色。因此發(fā)電企業(yè)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(tǒng)工控機架構中，工控機往往是基于某個業(yè)務系統(tǒng)投用而建立，與業(yè)務系統(tǒng)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(fā)電企業(yè)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(tǒng)一管理，建設統(tǒng)一資源池，實現(xiàn)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(guī)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(wǎng)絡現(xiàn)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(yōu)化上位機監(jiān)控系統(tǒng)，平衡上位機監(jiān)控軟件、操作系統(tǒng)、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(jiān)控系統(tǒng)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(tǒng)的可控性和兼容性。

同時，保留原集控室內(nèi)工控機并安裝配套開發(fā)的HMI同步插件，與虛擬化后進入輔控網(wǎng)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(shù)據(jù)庫

基于KVM開源技術開發(fā)并優(yōu)化，解決工控系統(tǒng)私有云機柜的高可靠性問題，研究網(wǎng)絡配置的可靠性、網(wǎng)絡通信的可靠性，以及控制系統(tǒng)軟件和數(shù)據(jù)庫的高可用性應用等，實現(xiàn)對物理主機資源、網(wǎng)絡資源的高可用性提升。

開發(fā)高彈性架構的HMI實時數(shù)據(jù)庫，該架構優(yōu)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(shù)據(jù)庫，經(jīng)高彈性HMI實時數(shù)據(jù)庫優(yōu)化訪問請求后統(tǒng)一連接至PLC控制器。可有效阻斷HMI側出現(xiàn)爆發(fā)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(shù)字化、智能化的建設提供技術基礎

為控制系統(tǒng)數(shù)字化、智能化的建設提供技術基礎，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、存儲、顯示的集中托管，并提供各類數(shù)據(jù)接口。簡化系統(tǒng)結構，加強對工業(yè)環(huán)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(shù)字化、智能化能力。實現(xiàn)智能化管理工控系統(tǒng)私有云機柜，實時監(jiān)測服務器健康和能耗狀況，智能分析與風險預測，實現(xiàn)工控系統(tǒng)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(yè)務部署。

4.4.4　智能管控平臺

基于分散控制系統(tǒng)基本設計思想開發(fā)，兼顧分而自治和綜合協(xié)調(diào)的設計原則，廣泛應用高可靠性的工業(yè)級硬件設備和生產(chǎn)工藝，采用冗余技術，在軟件設計上實現(xiàn)系統(tǒng)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(jù)HMI監(jiān)控界面風格及運行維護人員使用習慣開發(fā)，并且能夠嵌入至HMI系統(tǒng)實時監(jiān)控。

5　現(xiàn)場實施

5.1　現(xiàn)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(tǒng)布置有2臺操作員站（兼工程師站）。

根據(jù)輔網(wǎng)子系統(tǒng)的功能按“ 水” 、“ 煤” 、“灰”3個系統(tǒng)設立相應的3個分區(qū)集中控制點監(jiān)控。

改造后“水”系統(tǒng)布置4臺操作員站，“煤”系統(tǒng)部署2臺操作員站，“灰”系統(tǒng)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(wǎng)子系統(tǒng)分區(qū)集中控制點分布

5.2　部署工控系統(tǒng)私有云機柜

（1）安裝機柜

工控系統(tǒng)私有云機柜安裝方式和DCS系統(tǒng)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(tǒng)私有云機柜內(nèi)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(wǎng)絡

工控系統(tǒng)私有云機柜內(nèi)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(xiàn)與工控系統(tǒng)私有云機柜的數(shù)據(jù)交互。工控系統(tǒng)私有云機柜通過核心交換機連接至工控系統(tǒng)網(wǎng)絡可實時采集現(xiàn)場PLC數(shù)據(jù)，實現(xiàn)上位機監(jiān)控功能。瘦客戶端的通訊網(wǎng)絡與工控系統(tǒng)網(wǎng)絡相互獨立，不交叉混用。故需要鋪設瘦客戶端至工控系統(tǒng)私有云機柜之間的網(wǎng)線或者光纜。

（4）安裝瘦客戶端

根據(jù)現(xiàn)場情況，安裝瘦客戶端并提供電源220VAC及網(wǎng)絡。

5.3　操作員站及工程師站功能遷移至工控系統(tǒng)私有云

遷移物理工控機上的工控軟件和數(shù)據(jù)到工控系統(tǒng)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(tài)和數(shù)據(jù)“鏡像”到工控系統(tǒng)私有云中，并且在工控系統(tǒng)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(tǒng)私有云試運行

調(diào)試完成后工控系統(tǒng)私有云虛擬機系統(tǒng)做好鏡像和快照，原上位機系統(tǒng)安裝HMI同步插件并同步運行。

6　結語

通過對當前業(yè)界主流技術的調(diào)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(fā)電企業(yè)帶來以下優(yōu)勢：

（1）整個工控系統(tǒng)私有云平臺采用集中管理的模式，所有的工控機系統(tǒng)都在統(tǒng)一的平臺上運行，對應的維護及管理人員可以整合，節(jié)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(shù)據(jù)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(tǒng)私有云平臺上，避免了數(shù)據(jù)的孤立和難以利用的問題，人機交互界面和應用之間的數(shù)據(jù)流轉也十分簡便快捷，更有利于挖掘發(fā)電企業(yè)生產(chǎn)數(shù)據(jù)的價值。

發(fā)電企業(yè)的生產(chǎn)數(shù)據(jù)具有深度挖掘的價值，靈活高效地管理這些數(shù)據(jù)資產(chǎn)，使之更好地為發(fā)電企業(yè)安全穩(wěn)定運行服務，促進企業(yè)數(shù)據(jù)保值增值。基于H-DCS（HMI集散控制系統(tǒng)）理念的工控系統(tǒng)私有云為實現(xiàn)高效率、高品質發(fā)電提供了一個很好的思路，不僅具備傳統(tǒng)的工控機功能，還具有獨特的優(yōu)勢，如維護方便、系統(tǒng)資源實時監(jiān)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(xiàn)就職于浙江浙能蘭溪發(fā)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