基于Stratus服務(wù)器的虛擬化系統(tǒng) 在海洋石油平臺中的應(yīng)用

田亮

(中海石油(中國)有限公司上海分公司，上海 200335)

1 簡述

某海洋油氣生產(chǎn)平臺的中央控制系統(tǒng)，采用羅克韋爾公司提供的控制系統(tǒng)，過程控制系統(tǒng)和安全控制系統(tǒng)將工業(yè)現(xiàn)場采集到的所有數(shù)據(jù)都存儲在雙機(jī)冗余的服務(wù)器中，上位機(jī)操作員站通過服務(wù)器來訪問數(shù)據(jù)，進(jìn)行人機(jī)交互。由于長時間運(yùn)行，加上惡劣的海洋環(huán)境，服務(wù)器和各操作電腦出現(xiàn)卡頓、頻繁死機(jī)和服務(wù)器不能順利切換等故障，嚴(yán)重影響了平臺的安全生產(chǎn)。該生產(chǎn)平臺通過虛擬化技術(shù)和Stratus硬容錯服務(wù)器對控制系統(tǒng)進(jìn)行了升級改造，有效解決了問題，同時該技術(shù)的應(yīng)用也是海洋石油虛擬化改造的第一例，為海洋石油數(shù)字化進(jìn)程奠定了基礎(chǔ)。

2 Stratus服務(wù)器

Stratus是一家老牌服務(wù)器廠商，它所推出的ftServer系列容錯服務(wù)器是一種可靠性在99.99%～99.9999%之間的高性能服務(wù)器。Stratus ftServer系列服務(wù)器是依靠硬容錯來實(shí)現(xiàn)的，通過獨(dú)特的硬容錯技術(shù)設(shè)計，可以在單一系統(tǒng)內(nèi)實(shí)現(xiàn)CPU、內(nèi)存、芯片組、磁盤、I/O部件的冗余[1]，加上DMR Lockstep(鎖步)技術(shù)、故障自動切換機(jī)制、故障部件熱插拔替換等，可以做到零切換時間，防止宕機(jī)的發(fā)生。而傳統(tǒng)的雙機(jī)冗余和集群冗余，本質(zhì)上是通過軟件進(jìn)行控制的，軟件控制的可靠性低于硬件[2]。當(dāng)系統(tǒng)因故障或其他原因需要切換的時候，存在切換慢和無法順利切換的問題，特別是當(dāng)系統(tǒng)長時間運(yùn)行后，依靠軟件管理來進(jìn)行的冗余系統(tǒng)，很難滿足冗余機(jī)器之間的同步一致。目前海洋油氣生產(chǎn)平臺，大多數(shù)采用的是雙機(jī)冗余系統(tǒng)。然而某油氣生產(chǎn)平臺在應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，尤其是運(yùn)行3年以上的雙機(jī)冗余服務(wù)器，多次出現(xiàn)不能順利切換的故障，導(dǎo)致油氣生產(chǎn)平臺被迫關(guān)停，給現(xiàn)場設(shè)施造成較大損失，如此故障發(fā)生在氣田群，將造成更為嚴(yán)重的生產(chǎn)損失。故此油氣生產(chǎn)平臺在最近一次對中央控制系統(tǒng)升級改造中，選擇了Stratus ftServer硬容錯服務(wù)器作為核心的升級單元。它相對于傳統(tǒng)的雙機(jī)冗余，具有如下優(yōu)勢：

(1)自監(jiān)控硬件不斷檢查關(guān)鍵參數(shù)；(2)自診斷系統(tǒng)不斷評估其健康；(3)自修復(fù)服務(wù)器會自動將子系統(tǒng)離線和在線；(4)自動警報讓用戶不斷地了解問題；(5)在服務(wù)器正常工作時可以熱插拔所有硬件，不會出現(xiàn)宕機(jī)現(xiàn)象；(6)服務(wù)器出現(xiàn)硬件故障，故障組件會自動脫機(jī)而不會出現(xiàn)性能降級和宕機(jī)，完全可以實(shí)現(xiàn)零時間停機(jī)；(7)客戶可更換單元自動檢測，數(shù)據(jù)在更換后自動同步；(8)后期維護(hù)成本非常低。

Stratus硬容錯服務(wù)器優(yōu)點(diǎn)環(huán)圖如圖1所示，Stratus硬容錯服務(wù)器硬件圖如圖2所示。

圖1 Stratus硬容錯服務(wù)器優(yōu)點(diǎn)環(huán)圖

圖2 Stratus硬容錯服務(wù)器硬件圖

基于以上高可靠性優(yōu)點(diǎn)，StratusftServer硬容錯服務(wù)器已在醫(yī)療、航空、高鐵、金融等重要領(lǐng)域中得以應(yīng)用。海洋油氣生產(chǎn)現(xiàn)場，選擇容錯服務(wù)器，從長期來看，將大幅減低故障成本和維護(hù)成本。

3 虛擬化技術(shù)

在海洋油氣生產(chǎn)平臺，往往會遇見控制系統(tǒng)中的操作電腦和服務(wù)器在多年使用后由于性能下降需要更換的問題。然而在更換過程中，可能會出現(xiàn)當(dāng)前市面上的新電腦無法與老的操作系統(tǒng)以及應(yīng)用軟件匹配現(xiàn)象，同時下位機(jī)中的DCS、ESD和火氣等控制系統(tǒng)自身又無法滿足軟件升級的需求。在這種情況下，利用虛擬技術(shù)將老電腦虛擬化，然后在各虛擬機(jī)上布置老的操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件，這樣就避免了操作系統(tǒng)和軟件與硬件不匹配的問題，采用虛擬化技術(shù)將是一個既節(jié)約成本，又縮短升級改造時間的最佳方案。

以虛擬鏡像(VM)的方式運(yùn)行于VMwarevSphere虛擬架構(gòu)下虛擬機(jī)，是將基于應(yīng)用的服務(wù)與傳統(tǒng)的硬件PC剝離出來[3]，在一臺計算機(jī)上可同時運(yùn)行多個具有不同操作系統(tǒng)的邏輯計算機(jī)，并且應(yīng)用程序都可以在相互獨(dú)立的邏輯計算機(jī)上運(yùn)行而互不影響，從而節(jié)約硬件資源，提升物理計算機(jī)的使用效率[4]。在保證系統(tǒng)穩(wěn)定安全的前提下，除了充分利用新硬件資源提升各項應(yīng)用的流暢度外，工業(yè)控制現(xiàn)場利用虛擬化技術(shù)還可提升增強(qiáng)如下功能：(1)虛擬化架構(gòu)將應(yīng)用從傳統(tǒng)的物理設(shè)備剝離出來，即應(yīng)用程序無需關(guān)心具體部署的硬件設(shè)備，使得系統(tǒng)升級將更加容易；(2)強(qiáng)大的系統(tǒng)備份能力：可以在線備份整個系統(tǒng)，并對現(xiàn)有運(yùn)行的系統(tǒng)無干擾；(3)無可比擬的系統(tǒng)恢復(fù)能力：可以在任何硬件資源上快速移植部署恢復(fù)系統(tǒng)；(4)靈活的系統(tǒng)擴(kuò)展能力：系統(tǒng)可以依據(jù)工藝需求靈活方便地擴(kuò)展系統(tǒng)；(5)數(shù)據(jù)訪問更加高效：基于以太網(wǎng)無處不在的實(shí)時訪問能力，相比于傳統(tǒng)的遠(yuǎn)程桌面更加高效，可以靈活方便地訪問網(wǎng)絡(luò)中所有的虛擬化資源；(6)虛擬化有助于系統(tǒng)的整體可靠性：運(yùn)行于虛擬化平臺的各鏡像系統(tǒng)，通過了權(quán)威的測試環(huán)境，鏡像中的操作系統(tǒng)已經(jīng)完成了工程應(yīng)用的優(yōu)化設(shè)置，理論上有效避免了工程應(yīng)用人員在工程實(shí)施中的人為失誤；(7)虛擬化架構(gòu)減少工程耗時及成本，減輕整個項目生命周期的管理難度，延長系統(tǒng)的使用壽命。

4 虛擬技術(shù)+Stratus硬容錯服務(wù)器

將強(qiáng)大的虛擬技術(shù)與Stratus硬容錯服務(wù)器相結(jié)合，給工業(yè)控制帶來極大的方便和極高的可靠性能。主要表現(xiàn)如下：(1)Stratus硬容錯服務(wù)器可靠性好，可實(shí)現(xiàn)硬件級別的雙服務(wù)器容錯，是目前全球中處于壟斷地位的硬容錯服務(wù)器；(2)硬容錯服務(wù)器性能在虛擬化架構(gòu)下性能可以得到充分利用，以Stratus ftServer 2810為例，單臺服務(wù)器可以部署10個RA標(biāo)準(zhǔn)鏡像文件，幾乎可以容納工業(yè)現(xiàn)場的常規(guī)服務(wù)器，操作員站，工程師站，甚至可以部署Historian服務(wù)器；(3)虛擬化架構(gòu)使傳統(tǒng)的工程師站和操作員站變成了客戶端，系統(tǒng)核心應(yīng)用托管于硬容錯服務(wù)器，使得應(yīng)用更加安全。

在Stratus硬容錯服務(wù)器上布置各種VMware vSphere虛擬機(jī)后，整個服務(wù)器可以理解為一個局域網(wǎng)中的“私有云服務(wù)器”，只要Stratus硬容錯服務(wù)器的硬件資源滿足要求，就可以在它上面布置各種我們需要的虛擬化資源，外界只需通過局域網(wǎng)絡(luò)，就可以實(shí)現(xiàn)對私有云資源的訪問。

對于海上油氣生產(chǎn)平臺來說，當(dāng)中心平臺布置有私有云服務(wù)器后，其相關(guān)聯(lián)井口平臺，不需要再配置數(shù)據(jù)服務(wù)器、工程師站和操作員站等傳統(tǒng)實(shí)體電腦，我們可以在中心平臺的私有云服務(wù)器上來布置上訴實(shí)體電腦的虛擬化產(chǎn)品，從而節(jié)約硬件資源，實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一管理和高性能、高可靠性的要求。同時為控制系統(tǒng)的工程師在系統(tǒng)維護(hù)和升級改造中帶來極大的便利，不用往返于各平臺進(jìn)行操作，只需要訪問相應(yīng)的私有云服務(wù)器資源即可。

將私有云服務(wù)器的概念擴(kuò)大到更大范圍，如大型油氣田群，以整個油氣田群來建立一個更為廣泛的私有云服務(wù)器，各個平臺的所有控制實(shí)體機(jī)都布置到私有云服務(wù)器上，則可以大幅度的降低控制系統(tǒng)投資成本、縮短建設(shè)周期和降低后期維護(hù)費(fèi)用[5]，并可以隨著油氣田群的規(guī)模變化，來靈活的分配私有云服務(wù)器資源，從而為海洋石油油氣生產(chǎn)平臺的數(shù)字化打下基礎(chǔ)。

5 結(jié)語

以上內(nèi)容主要從應(yīng)用層面介紹了Stratus硬容錯服務(wù)器和虛擬化技術(shù)的各種優(yōu)點(diǎn)，以此為基礎(chǔ)引出了私有云服務(wù)器的概念，以及它在海洋油氣生產(chǎn)平臺服務(wù)中的具體實(shí)現(xiàn)方式。

云服務(wù)作為當(dāng)今社會的熱點(diǎn)，它是數(shù)字化轉(zhuǎn)型的核心。相對于私有云來說，更為廣泛的是公有云服務(wù)。目前公有云的主要屬性是共享資源服務(wù)，依靠公有云服務(wù)平臺更為強(qiáng)大的云計算能力和靈活的資源配置，可以進(jìn)一步降低應(yīng)用公有云企業(yè)的成本和配置周期。而私有云對于重要企業(yè)來說，在數(shù)據(jù)安全和服務(wù)質(zhì)量上都較公有云有更好的保障，但布置成本比公有云要高。

隨著時代技術(shù)的發(fā)展，不久的將來公有云服務(wù)的安全性會越來越高，海洋油氣生產(chǎn)平臺上可以將控制服務(wù)器布置到阿里云、騰訊云和華為云等公有云服務(wù)上，現(xiàn)場不再需要有實(shí)體的服務(wù)器，依靠云服務(wù)商提供的強(qiáng)大云計算能力、高可靠性和安全性的云服務(wù)，通過5G移動技術(shù)和高速網(wǎng)絡(luò)通道，在油氣生產(chǎn)平臺與云服務(wù)之間建立數(shù)據(jù)交互，實(shí)現(xiàn)海洋油氣生產(chǎn)的數(shù)字化和智能化。