★ 黃建偉(浙江浙能蘭溪發(fā)電有限責(zé)任公司,浙江 金華 321000)
摘要:隨著云計算技術(shù)在各行各業(yè)的廣泛應(yīng)用,發(fā)電企業(yè)也呈現(xiàn)出其獨(dú)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(wù)已不同程度地遷移至私有云。本文從私有云應(yīng)用角度出發(fā),結(jié)合工控系統(tǒng)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)域離散、數(shù)據(jù)量巨大、實(shí)時性要求高的特點(diǎn),分析生產(chǎn)區(qū)工控系統(tǒng)工控機(jī)特征,研究并構(gòu)建基于超融合技術(shù)的工控系統(tǒng)私有云平臺。
關(guān)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(shù),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(zhuǎn)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(zhuǎn)型升級,高質(zhì)量發(fā)展需求不斷增加,提升系統(tǒng)效率,高品質(zhì)發(fā)電將成為今后發(fā)電企業(yè)發(fā)展的重要目標(biāo)。
發(fā)電廠控制系統(tǒng)是一個龐大復(fù)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(jī)交互系統(tǒng)展開分析,提出H-DCS(HMI集散控制系統(tǒng))設(shè)計理念,將工控機(jī)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(jī)的穩(wěn)定性,將上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)維護(hù)工作簡單化,減少故障處理所需時間。
2 工控系統(tǒng)應(yīng)用需求
傳統(tǒng)上位機(jī)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(jī)監(jiān)控系統(tǒng)、降低維護(hù)成本、提高維護(hù)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(jī)監(jiān)控系統(tǒng)存在以下問題:
(1)兼容性問題
近年來計算機(jī)技術(shù)發(fā)展十分迅速,計算機(jī)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(yuǎn)遠(yuǎn)跟不上計算機(jī)硬件及操作系統(tǒng)的迭代速度。如此就會出現(xiàn)上位機(jī)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(dǎo)致工控機(jī)只能選用老版本型號的計算機(jī),工控機(jī)性能受限,備品備件可選擇性低。
(2)硬件故障問題
工控機(jī)出現(xiàn)硬盤、主板等單點(diǎn)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(jī)。此時上位機(jī)工程及控制邏輯工程均需要重新恢復(fù),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(fèi)維護(hù)人員大量的時間。若一些工控機(jī)硬件停產(chǎn),則出現(xiàn)無可用備件更換的問題。
(3)擴(kuò)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(yīng)用軟件在內(nèi)的所有軟件、恢復(fù)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(shù)要求非常高,并且實(shí)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(jī)獨(dú)立模式運(yùn)行,若均配置成雙機(jī)冗余模式(例如容錯服務(wù)器),會造成理論可靠性高、實(shí)際使用性低的現(xiàn)象。另外,冗余實(shí)現(xiàn)方式復(fù)雜,雙份硬件和軟件成本更高。
3 基于超融合技術(shù)的工控系統(tǒng)私有云方案
基于超融合架構(gòu),計算存儲統(tǒng)一采用標(biāo)準(zhǔn)X86硬件,運(yùn)用開源虛擬化和云計算技術(shù),構(gòu)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(wù)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(shí)時性要求。產(chǎn)品支持集中管理,通過統(tǒng)一接口進(jìn)行實(shí)時管理,監(jiān)控上位機(jī)監(jiān)控設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)。
3.1 超融合架構(gòu)
超融合架構(gòu)是指在一套獨(dú)立服務(wù)器設(shè)備中支持計算、網(wǎng)絡(luò)、存儲和服務(wù)器虛擬化等資源和技術(shù),多套獨(dú)立服務(wù)器設(shè)備可以通過網(wǎng)絡(luò)聚合起來,實(shí)現(xiàn)無縫橫向擴(kuò)展,構(gòu)建統(tǒng)一的資源池。超融合架構(gòu)以服務(wù)器虛擬化為底層架構(gòu),延伸出網(wǎng)絡(luò)虛擬化和存儲虛擬化,通過模塊化的配置過程構(gòu)建出業(yè)務(wù)與數(shù)據(jù)邏輯,實(shí)現(xiàn)虛擬資源的動態(tài)調(diào)度和靈活擴(kuò)展。
3.2 超融合架構(gòu)的特征
3.2.1 存儲虛擬化
存儲虛擬化后,把存儲應(yīng)用程序與物理的數(shù)據(jù)存儲基礎(chǔ)設(shè)施分離,基于超融合架構(gòu)技術(shù)構(gòu)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(wù)器硬件設(shè)備進(jìn)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(shù)的使用,不但能夠確保控制系統(tǒng)業(yè)務(wù)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(gòu)支持統(tǒng)一的界面管理,簡化配置管理過程,提高運(yùn)維的靈活性、安全性、可用性;減輕運(yùn)維人員的工作負(fù)擔(dān),降低運(yùn)維成本,提升SLA。超融合架構(gòu)具有彈性部署優(yōu)勢,用戶可以根據(jù)控制系統(tǒng)需要、預(yù)算等逐步進(jìn)行系統(tǒng)的建設(shè)和擴(kuò)展,從而降低總體擁有成本。借助超融合架構(gòu),運(yùn)維將在資源豐裕性、系統(tǒng)可靠性、響應(yīng)及時性上大大提高,以此提升服務(wù)品質(zhì)和質(zhì)量。
3.3 工控系統(tǒng)私有云平臺特點(diǎn)
傳統(tǒng)云計算架構(gòu)復(fù)雜,平臺的整體性能受限于物理設(shè)備,服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)和存儲設(shè)備等組件管理無法統(tǒng)一。同時相互獨(dú)立的運(yùn)維工具讓維護(hù)更復(fù)雜,使得傳統(tǒng)云計算難以應(yīng)用于工控系統(tǒng)。基于超融合構(gòu)建的工業(yè)級云架構(gòu),僅需通用的X86服務(wù)器和交換機(jī)硬件,利用軟件定義技術(shù)實(shí)現(xiàn)計算、存儲、網(wǎng)絡(luò)的資源池化,即可替代繁重復(fù)雜的傳統(tǒng)云基礎(chǔ)架構(gòu),實(shí)現(xiàn)云架構(gòu)的極簡。由于傳統(tǒng)云計算架構(gòu)缺乏完整的安全體系和可靠性保障,工控系統(tǒng)等關(guān)鍵應(yīng)用上云比較困難,借助超融合技術(shù)的優(yōu)勢,針對工控系統(tǒng)對私有云的可靠性、實(shí)時性和網(wǎng)絡(luò)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(guān)鍵應(yīng)用能夠部署到私有云平臺上,讓IT更好地驅(qū)動發(fā)電企業(yè)生產(chǎn)管理和運(yùn)行維護(hù)變革,以實(shí)現(xiàn)降低維護(hù)成本、提高維護(hù)效率的目標(biāo)。
工控系統(tǒng)私有云平臺在實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)工控機(jī)功能的基礎(chǔ)上,還具有高容錯性、高兼容性、高穩(wěn)定性、高擴(kuò)展性的新特性,并且硬件維護(hù)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(wù)模型中,包含了IaaS、PaaS、SaaS三種服務(wù)模型,其中IaaS模型的服務(wù)對象是IT管理員,PaaS模型的服務(wù)對象是軟件開發(fā)者,SaaS模型的服務(wù)對象是終端用戶。傳統(tǒng)企業(yè)私有云的主要服務(wù)對象是IT管理員以及軟件開發(fā)者,IT管理員更關(guān)注如何簡化資源交付,基礎(chǔ)架構(gòu)管理與監(jiān)控以及自動化運(yùn)維等;而軟件開發(fā)者更關(guān)注開發(fā)效率,持續(xù)、快速應(yīng)用交付等。工控系統(tǒng)業(yè)務(wù)單一且功能明確,因此工控系統(tǒng)私有云適合建設(shè)成SaaS服務(wù)模型,同時定制化開發(fā)、自動化運(yùn)維、資源監(jiān)控與管理功能集成在云管理平臺。
4.1 業(yè)務(wù)更“敏捷”的研究
在傳統(tǒng)的架構(gòu)下,用戶基于業(yè)務(wù)系統(tǒng)的資源需求,獨(dú)立采購軟件和硬件設(shè)備,一般需要經(jīng)歷預(yù)算—測試—招標(biāo)—采購—部署—上位機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)上線等流程,整個過程復(fù)雜、耗時,很難實(shí)現(xiàn)工控機(jī)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(jìn)行交付,引入更多自動化功能幫助企業(yè)縮短業(yè)務(wù)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(wù)更“穩(wěn)定”的研究
一般工控上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)被要求提供7×24h的不間斷服務(wù),事實(shí)上,上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)一直面臨著各種風(fēng)險和挑戰(zhàn),包括停電、網(wǎng)絡(luò)故障、硬件故障等問題,這些問題都有可能影響上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的可用性。特別在傳統(tǒng)架構(gòu)下,隨著工控機(jī)數(shù)量的增多,上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)引入了更多不同的設(shè)備以及技術(shù),增大了維護(hù)的復(fù)雜性,使得企業(yè)的維護(hù)人員經(jīng)常上演“消防員”角色。因此發(fā)電企業(yè)構(gòu)建私有云另外一個重要訴求是:私有云應(yīng)該具備更簡單的維護(hù)、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(jī)架構(gòu)中,工控機(jī)往往是基于某個業(yè)務(wù)系統(tǒng)投用而建立,與業(yè)務(wù)系統(tǒng)有比較強(qiáng)的耦合關(guān)系,工控機(jī)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(jī)資源建設(shè)缺乏通盤的考慮,導(dǎo)致管理與擴(kuò)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(jī)資源進(jìn)行統(tǒng)一管理,建設(shè)統(tǒng)一資源池,實(shí)現(xiàn)更靈活的資源劃分與交付;資源應(yīng)具備“彈性伸縮”特性,可對資源進(jìn)行生命周期管理,既可迅速擴(kuò)展資源規(guī)模,也可以及時回收“閑置”資源進(jìn)行重分配。
4.4 技術(shù)路線
4.4.1 虛實(shí)結(jié)合功能互備的高可用性冗余設(shè)計路線
立足于火電廠輔控網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)狀及需求,提出工控機(jī)虛實(shí)結(jié)合功能互備的高可用性冗余設(shè)計理念。優(yōu)化上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng),平衡上位機(jī)監(jiān)控軟件、操作系統(tǒng)、主機(jī)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(jī)監(jiān)控系統(tǒng)停運(yùn)等維護(hù)問題。將就地離散的工控機(jī)物理資源虛擬化集中智能管理,既提高了工控機(jī)物理硬件的高可靠性,又提升了工控機(jī)系統(tǒng)的可控性和兼容性。
同時,保留原集控室內(nèi)工控機(jī)并安裝配套開發(fā)的HMI同步插件,與虛擬化后進(jìn)入輔控網(wǎng)絡(luò)私有云平臺的工控機(jī)功能互備,構(gòu)成虛實(shí)結(jié)合、功能互備的多重高可用性冗余上位機(jī)。
4.4.2 高彈性架構(gòu)的HMI實(shí)時數(shù)據(jù)庫
基于KVM開源技術(shù)開發(fā)并優(yōu)化,解決工控系統(tǒng)私有云機(jī)柜的高可靠性問題,研究網(wǎng)絡(luò)配置的可靠性、網(wǎng)絡(luò)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(yīng)用等,實(shí)現(xiàn)對物理主機(jī)資源、網(wǎng)絡(luò)資源的高可用性提升。
開發(fā)高彈性架構(gòu)的HMI實(shí)時數(shù)據(jù)庫,該架構(gòu)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(shí)時數(shù)據(jù)庫,經(jīng)高彈性HMI實(shí)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(cè)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(zāi)難性沖擊。
4.4.3 數(shù)字化、智能化的建設(shè)提供技術(shù)基礎(chǔ)
為控制系統(tǒng)數(shù)字化、智能化的建設(shè)提供技術(shù)基礎(chǔ),實(shí)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(jié)構(gòu),加強(qiáng)對工業(yè)環(huán)境的適應(yīng)能力,減少維護(hù)工作量,降低整體維護(hù)成本,提高工控機(jī)數(shù)字化、智能化能力。實(shí)現(xiàn)智能化管理工控系統(tǒng)私有云機(jī)柜,實(shí)時監(jiān)測服務(wù)器健康和能耗狀況,智能分析與風(fēng)險預(yù)測,實(shí)現(xiàn)工控系統(tǒng)私有云機(jī)柜部署的“自動化”和維護(hù)的“傻瓜化”,做到一站式交付、家電化安裝、一鍵式業(yè)務(wù)部署。
4.4.4 智能管控平臺
基于分散控制系統(tǒng)基本設(shè)計思想開發(fā),兼顧分而自治和綜合協(xié)調(diào)的設(shè)計原則,廣泛應(yīng)用高可靠性的工業(yè)級硬件設(shè)備和生產(chǎn)工藝,采用冗余技術(shù),在軟件設(shè)計上實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的容錯技術(shù)、故障自診斷和自動處理技術(shù)等。平臺管理界面依據(jù)HMI監(jiān)控界面風(fēng)格及運(yùn)行維護(hù)人員使用習(xí)慣開發(fā),并且能夠嵌入至HMI系統(tǒng)實(shí)時監(jiān)控。
5 現(xiàn)場實(shí)施
5.1 現(xiàn)場概況
目前#1/2機(jī)控制室布置有4臺操作員站(兼工程師站)、#3/4機(jī)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(shè)立相應(yīng)的3個分區(qū)集中控制點(diǎn)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(diǎn)分布
5.2 部署工控系統(tǒng)私有云機(jī)柜
(1)安裝機(jī)柜
工控系統(tǒng)私有云機(jī)柜安裝方式和DCS系統(tǒng)盤柜安裝方式一致,機(jī)柜底座固定安裝在槽鋼上,安裝過程做好絕緣及接地保護(hù)等工作。
(2)電源接入
工控系統(tǒng)私有云機(jī)柜內(nèi)含有一套冗余電源模塊,該電源模塊布置在機(jī)柜上層,進(jìn)線電源為雙路220VAC電源,其中一路進(jìn)線電源設(shè)計為保安段電源。
(3)布置網(wǎng)絡(luò)
工控系統(tǒng)私有云機(jī)柜內(nèi)集成有兩臺支持虛擬化的核心交換機(jī),瘦客戶端連接至兩臺核心交換機(jī)可實(shí)現(xiàn)與工控系統(tǒng)私有云機(jī)柜的數(shù)據(jù)交互。工控系統(tǒng)私有云機(jī)柜通過核心交換機(jī)連接至工控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)可實(shí)時采集現(xiàn)場PLC數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)上位機(jī)監(jiān)控功能。瘦客戶端的通訊網(wǎng)絡(luò)與工控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)相互獨(dú)立,不交叉混用。故需要鋪設(shè)瘦客戶端至工控系統(tǒng)私有云機(jī)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(luò)。
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(jī)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(jī)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(jī)中恢復(fù)物理工控機(jī)上運(yùn)行的工程。
5.4 工控系統(tǒng)私有云試運(yùn)行
調(diào)試完成后工控系統(tǒng)私有云虛擬機(jī)系統(tǒng)做好鏡像和快照,原上位機(jī)系統(tǒng)安裝HMI同步插件并同步運(yùn)行。
6 結(jié)語
通過對當(dāng)前業(yè)界主流技術(shù)的調(diào)研分析,以及前述超融合技術(shù)與私有云技術(shù)的結(jié)合可以看出,利用該技術(shù)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(jī)系統(tǒng)都在統(tǒng)一的平臺上運(yùn)行,對應(yīng)的維護(hù)及管理人員可以整合,節(jié)省了人力成本;
(2)應(yīng)用集中管理模式,維護(hù)及管理部門可以直觀地查看所有的工控機(jī)數(shù)據(jù)應(yīng)用的運(yùn)行情況,維護(hù)及管理工作變得簡單高效;
(3)各個工控機(jī)應(yīng)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(jī)交互界面和應(yīng)用之間的數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)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(yùn)行服務(wù),促進(jìn)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(shí)現(xiàn)高效率、高品質(zhì)發(fā)電提供了一個很好的思路,不僅具備傳統(tǒng)的工控機(jī)功能,還具有獨(dú)特的優(yōu)勢,如維護(hù)方便、系統(tǒng)資源實(shí)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(zé)任公司,主要從事火電廠熱控技術(shù)管理工作。
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摘自《自動化博覽》2021年12月刊