一、方案背景

1.1、背景概述

內蒙某電廠二期、三期輔控系統(tǒng)，到目前為止二期兩臺爐已經運行將近二十年，三期兩臺爐也已經運行將近十年，而控制器屬于IT類產品，平均使用壽命為五到八年，即使硬件沒出現(xiàn)什么故障，但是由于硬件的升級換代造成軟件驅動、備品備件等也已經跟不上了，現(xiàn)在陸陸續(xù)續(xù)會出現(xiàn)一些問題：控制系統(tǒng)運行緩慢、備品備件無法采購、軟件升級新的計算機不支持。上位監(jiān)控系統(tǒng)由于計算機更新?lián)Q代，新的操作系統(tǒng)不支持原有的上位監(jiān)控軟件、原有網(wǎng)絡結構過于分散設備維護工作量大、也由于原有網(wǎng)絡特點所有上位監(jiān)控計算機全部訪問控制系統(tǒng)的控制器造成控制器負荷太大運行緩慢

1.2、改造原因

(1)、工程師站和上位監(jiān)控系統(tǒng)。在運行的工程師站和上位監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡采用的是每臺工程師站和操作員站計算機都直接訪問現(xiàn)場控制系統(tǒng)的CPU，這樣每個CPU都和多臺計算機同時進行數(shù)據(jù)交換，這樣就大大占用了CPU的內存，造成CPU運行變慢，表現(xiàn)就是網(wǎng)速很慢，上位畫面更新慢，有時甚至畫面卡死不能更新。工程師站同樣當它同下位CPU連接查看或修改程序時，有時可以連接，有時卡死不動，有時連接上程序不能更新等等。浪費大量時間和人力也不能及時處理故障，嚴重地影響了安全生產。所以網(wǎng)絡結構需要改造，實現(xiàn)畫面更新及時，工程師站連接下位CPU流暢。

(2)、增加各個系統(tǒng)的歷史事故追憶功能，重要能夠快速準確地查找到故障點，為系統(tǒng)恢復正常運行節(jié)約了大量的時間和人力。原系統(tǒng)沒有歷史事故追憶功能，出現(xiàn)故障只能憑經驗判斷。不能準確及時地查找到故障點。

(3)、計算機，系統(tǒng)中用到的計算機都是WindowsXp操作系統(tǒng)，現(xiàn)在市場上已經采購不到支持WindowsXp操作系統(tǒng)的計算機，采購到Windows7操作系統(tǒng)的計算機又不支持原有的上位監(jiān)控軟件和程序開發(fā)軟件，所以一旦計算機硬件故障現(xiàn)在已經無計算機可換。

二、解決方案

該電廠輔控 BOP 網(wǎng)絡于 2011 年進行了一次整合，已經將煤網(wǎng)，灰網(wǎng)和水網(wǎng)分別進行了整合，現(xiàn)在欲將水煤灰能在一臺顯示終端上任意顯示，包括脫硫DCS 部分。主要將電廠的水網(wǎng)，灰網(wǎng)和脫硫的控制系統(tǒng)集中到BOP輔控網(wǎng)進行監(jiān)視以及必要的操作，現(xiàn)在由于各種原因造成BOP網(wǎng)絡運行緩慢，水網(wǎng)和輔網(wǎng)中心服務器維護費用高昂，嚴重影響正常的運行，給維護人員也造成很大的工作量；另外由于輔網(wǎng)部分數(shù)據(jù)需要給到SIS系統(tǒng)，SIS 還專門放置一臺機器提供數(shù)據(jù)，整體感覺網(wǎng)絡比較混亂，數(shù)據(jù)監(jiān)視刷新比較慢，鑒于目前存在的這些問題，我方提出基于工業(yè)私有云的改造方案。

2.1、硬件設計

A、工業(yè)私有云

基于現(xiàn)有的網(wǎng)絡架構，添加兩臺工業(yè)私有云WiCloud，一臺采用WL-840B-B型號工業(yè)私有云放置在輔網(wǎng)集控室電子間，替換原有BOP輔網(wǎng)服務器和控制室所有的工控機；將原有的服務器和工控機使用WiP2V工具原封不動地遷移到工業(yè)私有云中以虛擬機方式運行起來。

一臺放置在化學水控制室，采用WL-820B-B型號工業(yè)私有云，替換原有水網(wǎng)的所有服務器和工控機。同樣地，使用WiP2V工具將服務器和工控機原封不動地遷移到工業(yè)私有云中以虛擬機方式運行起來。經過第一次輔網(wǎng)整合，各個地方網(wǎng)絡已經全部打通。

工業(yè)私有云平臺內部包含若干臺配置了虛擬機高可用性功能的物理計算節(jié)點，這種高可用性機制使得運行在物理計算節(jié)點上的虛擬機具備了自主不停機遷移、故障自動遷移等功能，從而使得運行在虛擬機里面的各種應用程序能夠不間斷的運行以保證整個控制系統(tǒng)的不間斷運行。工業(yè)私有云平臺配備兩臺高性能工業(yè)管理型交換機，該交換機支持堆疊功能，這使得私有云平臺的網(wǎng)絡連接安全性得到充分的保證。

工業(yè)私有云WL-840B-B：

•緊湊型機箱內配置3個計算節(jié)點和1個存儲節(jié)點、2個網(wǎng)絡交換節(jié)點、1個電源節(jié)點。

•每計算節(jié)點主機2顆 Intel Xeon Processor E5 CPU 8核

•每計算節(jié)點主機配64GB 物理內存

•16盤位工業(yè)存儲，支持工業(yè)級熱插拔磁盤

•標配8X2TB容量工業(yè)級硬盤，可擴展

•每臺虛擬機最大可支持高達 4 顆虛擬處理器以及 16GB 內存

•虛擬操作系統(tǒng)可支持Win7、XP、2003/2000、VISTA、NT、98、DOS等windows操作系統(tǒng)和linux操作系統(tǒng)

•可使用瘦客戶端遠程訪問WIN2000/98、DOS、NT等Windows早期操作系統(tǒng)

•集成的WiNet網(wǎng)卡可自動識別ModbusTCP/S7 Net/EtherNet/IP /OPC等工業(yè)  通訊協(xié)議

•可虛擬最多48臺虛擬機

•支持虛擬機自動的故障轉移和物理主機故障重啟

•虛擬機關閉時資源回收

•虛擬機網(wǎng)絡健康監(jiān)測

•遷移將只傳輸虛擬機的運行狀態(tài)以實現(xiàn)更快的完成速度

•在系統(tǒng)運行時可創(chuàng)建虛擬機，對新建虛擬機配置進行修改

•管理員在目標主機可以直接啟動虛擬機

•虛擬機之間內存動態(tài)分配，自動分頁

•支持虛擬機與虛擬機之間的網(wǎng)絡隔離與互訪

•無需停機可實現(xiàn)虛擬機的實時遷移

•可輕松將物理機數(shù)據(jù)轉化為虛擬機文件，直接運行

•工業(yè)服務服務器寬溫-10-60度

工業(yè)私有云WL-820B-B：

•緊湊型機箱內配置2個計算節(jié)點和1個存儲節(jié)點、2個網(wǎng)絡交換節(jié)點、1個電源節(jié)點。

•每計算節(jié)點主機1顆 Intel Xeon Processor E5 CPU 8核

•每計算節(jié)點主機配64GB 物理內存

•8盤位工業(yè)存儲，支持工業(yè)級熱插拔磁盤

•標配4X2TB容量工業(yè)級硬盤，可擴展

•每臺虛擬機最大可支持高達 4 顆虛擬處理器以及 16GB 內存

•虛擬操作系統(tǒng)可支持Win7、XP、2003/2000、VISTA、NT、98、DOS等windows操作系統(tǒng)和linux操作系統(tǒng)

•可使用瘦客戶端遠程訪問WIN2000/98、DOS、NT等Windows早期操作系統(tǒng)

•集成的WiNet網(wǎng)卡可自動識別ModbusTCP/S7 Net/EtherNet/IP /OPC等工業(yè)  通訊協(xié)議

•可虛擬最多16臺虛擬機

•支持虛擬機自動的故障轉移和物理主機故障重啟

•虛擬機關閉時資源回收

•虛擬機網(wǎng)絡健康監(jiān)測

•遷移將只傳輸虛擬機的運行狀態(tài)以實現(xiàn)更快的完成速度

•在系統(tǒng)運行時可創(chuàng)建虛擬機，對新建虛擬機配置進行修改

•管理員在目標主機可以直接啟動虛擬機

•虛擬機之間內存動態(tài)分配，自動分頁

•支持虛擬機與虛擬機之間的網(wǎng)絡隔離與互訪

•無需停機可實現(xiàn)虛擬機的實時遷移

•可輕松將物理機數(shù)據(jù)轉化為虛擬機文件，直接運行

•工業(yè)服務服務器寬溫-10-60度

B、瘦客戶機WL-990T-S

使用工業(yè)私有云架構后，運行人員使用瘦客戶端連接遠程桌面的方式連接到工業(yè)私有云中的虛擬機桌面，瘦客戶端上的的所有操作都會在虛擬機里面執(zhí)行，瘦客戶端本地不會存儲任何數(shù)據(jù)。一臺瘦客戶端可以連接多個虛擬機的遠程桌面，這在一定程度上可以減少一定量的操作員站，實現(xiàn)經濟高效操作和管理。

瘦客戶端可以連接鼠標、鍵盤、音響等外部設備，這種連接效果和與物理機直接連接一樣。瘦客戶端的所有操作都在云中心的虛擬機中執(zhí)行，瘦客戶端本機不會存儲任何數(shù)據(jù)，所以，一旦瘦客戶端故障，只需更換即可，無需安裝操作系統(tǒng)和各種工業(yè)軟件，而且，瘦客戶端比工控機更加便宜實用。

工程師可以使用自己擁有的特殊權限利用任意瘦客戶端訪問工業(yè)私有云內部，對虛擬化平臺、虛擬機、虛擬機上運行的應用程序進行管理和維護，甚至在可以使用自己的筆記本在管理員允許的情況下遠程維護工業(yè)私有云。

關鍵特點：

?◆CPU采用英特核心處理器，處理器基本頻率2.4GHz，TDP只有10W

?◆集成核芯顯卡，Intel HD Graphics

?◆低功耗無風扇零噪音設計，保證系統(tǒng)穩(wěn)定性

?◆所有硬盤采用高速SSD硬盤；大幅度提升系統(tǒng)反應，文件拷貝和加載速度更快

?◆內存最高可配置DDR3 8G；運行速度更快。

?◆整個瘦客戶機小巧輕薄，只有傳統(tǒng)主機的1/30，更具靈活性，便攜性。

?◆可支持高清影音，分辨率可達1920×1080P，畫面更清晰，轉碼速度快。

?◆內置WiFi和4G+, 聯(lián)網(wǎng)方式更靈活。

?◆集成4個高速USB口，USB 3.0×2 USB2.0×2

?◆操作系統(tǒng)專用瘦客戶機系統(tǒng)，可支持Hyper-V，VMWare和Citrix

?◆可支持RDP，PcoIP和ICA

技術規(guī)格：

無線規(guī)格：

2.2、軟件設計

工業(yè)私有云平臺可視為一個融合了運算、存儲、網(wǎng)絡等多項資源的統(tǒng)一的資源池，在這個資源池中可以用虛擬化的方式虛擬化出用于采集制氧機組控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)的虛擬機、用于顯示HMI畫面的服務器、用于查看各種報表信息的報表服務器、用于修改工程項目的工程師站等。并且為所有虛擬機配置高可用性，資源池會動態(tài)地為這些虛擬機分配可用的運算、存儲、網(wǎng)絡資源以保證虛擬機的正常運行，所有的虛擬機運行文件都會存儲在虛擬磁盤內，方便用戶隨時遷移和備份。超融合的私有云架構有利于私有云平臺資源的擴展，通過將新的物理服務器加入云平臺的方式可實現(xiàn)私有云性能和資源的線性擴展。

工業(yè)私有云平臺支持主機，存儲，網(wǎng)絡的虛擬化，可以通過云平臺的管理輕松創(chuàng)建應用虛擬機，并提供結合工業(yè)應用軟件的應用模板，同時可以完成基于主機和存儲的可遷移功能。    

工業(yè)私有云提供的實時遷移機制可為用戶實現(xiàn)不停機維護方案，用戶有計劃地進行物理計算節(jié)點的升級維護時，可按既定的計劃將該物理計算節(jié)點上運行的虛擬機全部無縫遷移到另外的計算節(jié)點上繼續(xù)運行，這種遷移不會影響虛擬機內業(yè)務的運行。  

為保證用戶業(yè)務的連續(xù)不間斷運行，工業(yè)私有云內部提供HA高可用機制，這種機制可以將工業(yè)私有云機箱內的兩臺或多臺計算節(jié)點以群集方式整合在一起，正常運行時一旦某臺計算節(jié)點故障，其上運行的虛擬機會自動遷移到另外的計算節(jié)點繼續(xù)運行，保障業(yè)務運行不間斷。

WitLinc提供的WiP2V遷移工具可方便地將物理機操作系統(tǒng)不停機地遷移到工業(yè)私有云內以虛擬機的方式運行起來，該工具可放置于移動硬盤運行，無需安裝，使用時根據(jù)需要自由選擇預遷移工控機的磁盤， 遷移時間短、效率高，是工業(yè)私有云升級改造實施的得力助手。    

在工業(yè)私有云內虛擬機，部署WiSCADA工業(yè)組態(tài)軟件，在組態(tài)軟件內開發(fā)調用整個輔網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)畫面的程序，運行人員可使用已經分配的用戶名和密碼以不同的權限登錄到系統(tǒng)內即可查看對應的畫面，使用菜單欄的方式切換各系統(tǒng)畫面便捷快速，實現(xiàn)一人同時監(jiān)控多個系統(tǒng)畫面目的。

2.3、網(wǎng)絡設計

輔網(wǎng)集控室電子間網(wǎng)絡拓撲

如圖所示，基于現(xiàn)有的輔網(wǎng)系統(tǒng)網(wǎng)絡規(guī)劃，設計在輔網(wǎng)集控室電子間增加2臺WL-1X08M-L2工業(yè)級網(wǎng)管型匯聚交換機，該交換機配置16個光口和8個電口。將除灰、水網(wǎng)、脫硫、電除塵、煙氣調質等分系統(tǒng)匯聚而來的光纖接入到該匯聚交換機上，各個系統(tǒng)之間劃分為不同的VLAN區(qū)域，使其相互不能連通。

將匯聚交換機與工業(yè)私有云內的核心交換機使用網(wǎng)線級聯(lián)起來，并為其配置交換機端口的trunk模式，使其能夠在一條鏈路上同時傳輸所有VLAN局域的數(shù)據(jù)流量。同樣地，基于工業(yè)私有云虛擬化環(huán)境特殊的虛擬網(wǎng)絡交換機支持網(wǎng)絡管理功能的優(yōu)勢，物理計算節(jié)點也是使用網(wǎng)線與核心交換機相連接，并配置trunk模式，這樣的設計可保證即使在工業(yè)私有云內的不同虛擬機直接也可以使用VLAN區(qū)域相互劃分開，避免網(wǎng)絡交叉。

水網(wǎng)控制室網(wǎng)絡拓撲

如圖所示，在電廠水網(wǎng)系統(tǒng)的化學水控制室增加2臺WL-1X08M-L2型號工業(yè)級網(wǎng)管型匯聚交換機，將所有水網(wǎng)子系統(tǒng)網(wǎng)絡匯聚到化學水控制室后接入到該交換機上。

化學水控制室匯聚交換機與WL-820B-B型號工業(yè)私有云內核心交換機以Trunk模式連接起來，并且部署相應的策略保證個系統(tǒng)之間相互不干擾。

水網(wǎng)控制室與輔網(wǎng)集控室網(wǎng)絡拓撲

如圖所示，設計將水網(wǎng)控制室匯聚交換機與輔網(wǎng)集控室匯聚交換機使用2路光纖分別連接起來，并配合WL-820B-B型號工業(yè)私有云和WL-840B-B型號工業(yè)私有云內的核心交換機配置trunk和vlan策略，保證輔網(wǎng)集控室放置的工業(yè)私有云與化學水控制室放置的工業(yè)私有云能建立正常的網(wǎng)絡通訊。

兩臺工業(yè)私有云內都會含兩臺高性能可堆疊工業(yè)級核心交換機，做為核心交換機使用，另外，基于現(xiàn)場雙網(wǎng)段性質，設計將核心交換機、匯聚交換機都進行VLAN劃分，從控制器端連接到核心交換機的兩個網(wǎng)段劃分為不同的VLAN以隔離數(shù)據(jù)流。在工業(yè)私有云內部也使用劃分VLAN的方式將控制器現(xiàn)場的雙網(wǎng)段分別接入兩臺虛擬數(shù)據(jù)服務器。

三、方案優(yōu)勢

1)菜單欄方式切換查看每個子系統(tǒng)畫面方便快捷

2)用戶不再考慮操作系統(tǒng)與驅動兼容性的問題。

3)可將工控機系統(tǒng)不停機遷移到私有云中，以虛擬機方式運行起來。

4)所有的系統(tǒng)均可以實現(xiàn)遠程網(wǎng)絡維護，當系統(tǒng)發(fā)生故障時不再需要工程師親臨現(xiàn)場去處理。

5)更換操作員站所需要的時間更短，無需再次安裝其他輔助軟件和工業(yè)軟件，只安裝瘦客戶端即可。

6)資源動態(tài)分配，保證虛擬機正常運行。

7)多重備份，一塊硬盤壞掉有多塊硬盤共享存儲。

8)工業(yè)私有云具備高可用性，可保障所有虛擬機的業(yè)務連續(xù)運行而不中斷。

9)可以充分利用舊的工控機作為瘦客戶，等工控機不能使用時再更換為新的瘦客戶機即可。

四、設備清單