虚拟化集成技术在光亮退火机组控制系统中的设计和应用
摘要：针对宝钢特钢有限公司光亮机组自动控制系统中发现故障率、兼容性、故障快速恢复和降低成本的问题进行了分析研究，采用虚拟机迁移技术实现服务器虚拟化，探索虚拟化技术在光亮机组控制系统中的应用，减少了硬件老化带来的故障率升高、可靠性降低的问题。
关键词：虚拟化技术；光亮机组；控制系统
立式半马弗式连续光亮退火炉具有氢气、氮/氢混合气等多种气氛保护功能，可用于高温合金、精密合金、特殊不锈钢和镍基耐蚀合金等冷轧薄带产品的光亮退火热处理。宝钢特钢有限公司冷轧光亮机组的过程控制系统为西门子公司开发，使用了产品化的通讯中间件和平台软件，系统集成度、自动化程度高。时至今日，由于硬件不统一以及日益突出的对软件系统兼容性的问题，在自动控制过程中，经常发生故障，控制失灵现象。因此，针对现有自动控制系统进行虚拟化集成技术研究和应用。本文通过现状分析，给出了面向现有系统的虚拟集成开发的方案以及实施的效果，供相关研究者参考借鉴。
1.现状分析
宝钢特钢有限公司光亮退火炉机组由入口段、清洗段、入口活套、工藝段、出口活套和出口段几个部分组成。退火工艺段包含加热段、冷却段、顶辊室和溜槽等，用来实现对带钢加热、冷却的工艺要求。
薄带光亮退火炉有包括全马弗式和半马弗式两种类型。全马弗式光亮炉气氛保护效果好，但退火温度最高仅能到1100℃。许多高合金材料退火温度较高，为满足热处理温度在1100℃以上材料的需求，本机组采用马弗管+砖结构两段式的加热方式，即半马弗式光亮炉。马弗段采用电子直接点火系统自动点燃，通过对燃气和助燃空气的流量控制实现炉温的控制要求。为提供保护气氛下的退火区域，采用马弗管隔断退火区域和加热区域。砖加热段采用优质钼制成的直径9.2mm的丝状加热元件，可使砖加热段最高温度达到1250℃，平均工作温度可达到1200℃，满足处理温度超过马弗段加热温度能力的材料的工艺要求，这种机组加热方式在相关企业板带产线的引进或改进过程中，对光亮退火炉的改造具有实际的借鉴意义。
系统配备L1服务器1台、L2服务器2台、表面检测服务器1台、S400PLC 2台、现场交换机3台、现场操作站客户端6台和现场工程师站4台。目前，服务器的操作系统为 windows 2000 Professional，现场终端操作系统为windows XP Professional。
控制系统从2010年投入运行至今，设备老化严重，虽有备机可以使用，也因机龄长，可靠性不足。因工控机对操作系统的需求特殊，同时对硬件也有着其特殊的要求，而且同型号产品已停产多年，采购能够兼容老系统的硬件或整机难度及大，且成本高昂。随着时间推移，系统故障发生率也越来越高。现今，操作系统与硬件的快速发展，新的硬件已从根源上不支持Window2000以及Windows XP等许多较老的操作系统。现场机组均基于以上两种操作系统开发，大部分软件在不进行大版本更新的情况下已无法在新版本操作系统中运行，即使勉强安装完毕，也存在严重的兼容性问题。对于工业现场控制而言，工控机的效能已经不单单仅仅是使用寿命，对于确保其稳定性和连续性显得尤为重要。此外，硬件以及软件的快速发展，使得镜像异机还原的方法不能实现系统的还原，给系统的维护以及长期稳定运行带来了很大的隐患。
2.解决方案
根据以上分析，对于像光亮机组这样一个关键性设备来讲，确保其控制系统的稳定性和连续性显得尤为重要，而使用虚拟化架构最大优势在于虚拟化的操作系统仅仅是文件形式存在，在发生故障或灾难的情况下，可以快速切换。
2.1 虚拟化的意义
在计算机中，虚拟化是一种资源管理技术，是将计算机的各种实体资源，如服务器、网络、内存及存储等，予以抽象、转换后呈现出来，打破实体结构间的不可切割的障碍，使用户可以比原本的组态更好的方式来应用这些资源[1]。这些资源的新虚拟部份是不受现有资源的架设方式，地域或物理组态所限制[2]。一般所指的虚拟化资源包括计算能力和资料存储。
2.2采用虚拟机迁移技术实现服务器虚拟化
当前流行的虚拟化工具如 VMware，Xen，HyperV，KVM 都提供了各自的迁移组件。迁移服务器可以为用户节省管理资金、维护费用和升级费用。以前的服务器体积比较“庞大”，而一般服务器体积已经比以前小了许多，迁移技术使得用户可以用一台服务器来同时替代以前的许多台服务器，节省了用户大量的机房空间。
2.2.1 V2P（虚拟机到物理机的迁移 Virtual-to-Physica）
V2P 指把一个操作系统、应用程序和数据从一个虚拟机中迁移到物理机的主硬盘上，是 P2V 的逆操作。它可以同时迁移虚拟机系统到一台或多台物理机上。尽管虚拟化的基本需求是整合物理机到虚拟机中，但这并不是虚拟化的唯一的应用。比如有时虚拟机上的应用程序的问题需要排除虚拟环境带来的影响。
2.2.2 V2V（虚拟机到虚拟机的迁移Virtual-to-Virtual）
V2V 迁移是在虚拟机之间移动操作系统和数据，照顾主机级别的差异和处理不同的虚拟硬件。虚拟机从一个物理机上的 VMM 迁移到另一个物理机的 VMM，这两个 VMM 的类型可以相同，也可以不同。如 VMware 迁移到 KVM，可通过多种方式将虚拟机从一个 VM Host 系统移动到另一个 VM Host 系统。
2.2.3 P2V（物理机到虚拟机的迁移Physical-to-Virtua）
P2V 指迁移物理服务器上的操作系统及其上的应用软件和数据到 VMM（Virtual Machine Monitor）管理的虚拟服务器中。这种迁移方式，主要是使用各种工具软件，把物理服务器上的系统状态和数据“镜像”到 VMM 提供的虚拟机中，并且在虚拟机中“替换”物理服务器的存储硬件与网卡驱动程序。
3. 实施结果
根据机组现有的控制系统状况，进行了研究开发，主要开展了光亮机组磁盘阵列设定方法、光亮机组应用软件设置内容、光亮机组操作系统的环境变量及注册表设计、西门子monitor server、MiddlewareServer服务使用方法、光亮机组过程控制系统虚拟化方法、研究光亮机组工控系统虚拟化方法及光亮机组特殊板卡在虚拟化中的应用方法等方面研究，针对光亮机组带特殊板卡的系统在虚拟化不成功的情况，探索其系统进行集成的方法。应用虚拟化技术改进后的相关启动及运行界面图，界面简洁方便，具有操作性强的特点。
4. 结语
针对宝钢特钢有限公司光亮机组自动控制系统中发现故障率、兼容性、故障快速恢复和降低成本的问题进行了分析研究。根据现场的实际情况，采用以下方向研究工控机的虚拟化方法，期望对相关设备的改造提供借鉴。
（1）在没有特殊板卡或虚拟化系统可以使用特殊板卡时，使用虚拟化的方法，把上述机组的工控系统虚拟化处理，在更高级别的操作系统中运行虚拟化的工控系统。
（2）在虚拟化系统无法使用特殊板卡时，重新集成该系统，解决系统的备件问题，减少现场的停机时间。
该虚拟化技术通过实际生产运行的验证，结果表明新的控制系统减少了硬件老化带来的故障率升高、可靠性降低的问题。改善了兼容性，使新的平台可以在虚拟环境下运行Window2000以及Windows XP操作系统及其他应用软件。实现故障快速恢复，在发生故障时，在短间内对故障点进行恢复，减少了重新集成或者系统升级所带来的重新开发的时间与成本。
参考文献
[1] 王春海. 虚拟机深入应用实践（第1版）. 北京：中国铁道出版社，2009：16-20.
[2] 华夏渝，郑骏，胡文心.基于云计算环境的蚁群优化计算资源分配算法[J]. 华东师范大学学报（自然科学版），2010，01（1）：127-134.
[3] 米海波，王怀民，尹刚，等.一种面向虚拟化数字中心资源按需重配置方法[J].软件学报，2011，22（9）：2193-2205.
（作者单位：宝钢特钢有限公司）