基于虚拟化技术在自动化系统中应用的研究

基于虚拟化技术在自动化系统中应用的研究

周志幸1丁方悦2袁爱建3

扬子江药业集团有限公司，江苏泰州225321

摘  要：虚拟化技术的迅速发展给许多不同领域带来好处，在工业自动化领域同样可以得到应用，从前期项目开发，程序设计以及后期程序运行等等都具备很强的优势。采用虚拟化技术后，不仅可以节省硬件成本，更能够快速应对各种需求，通过虚拟化技术能够快速的整合资源，提高资源利用率。本文主要介绍了基于VMware的虚拟化技术，通过部署虚拟化平台，针对公司现存的自动化系统版本多样性以及电脑过多导致的管理困难等问题，在现有的基础上，提出了基于此技术的新的解决方案并应用实施。

关键词：虚拟化技术；自动化系统；VMware；资源

0 引言

在公司自动化技术建设过程中，随着项目数量的增多，各个自动化系统先后部署在企业厂区中，为公司自动化建设打下了坚实的基础。但随着自动化系统不断建设，过多的服务器电脑导致管理困难以及硬件老化的问题不断产生，若全部重新开发，成本较高且周期较长，并不现实。针对这一状况，提出了基于VMware ESXi虚拟化技术的新的解决方案，通过部署该平台，可以在一台服务器电脑中部署多套自控系统，并且现有的电脑系统可以通过VMware Converter技术将物理电脑系统直接转换到VMware ESXi平台中使用，无需重新安装。该解决方案具有成本低、部署快捷、资源利用率高等优势，经过测试验证极具可行性和实用性。

1 虚拟化技术

虚拟化是一个广义的术语，在计算机硬件方面通常是指将系统在虚拟出来的硬件基础上运行而不是真实的硬件上运行。虚拟化技术能够扩大硬件的容量，提高硬件的使用率。CPU的虚拟化可以使单CPU模拟多CPU运行，这样就可以在一个平台上运行多个操作系统，并且每个操作系统中的程序都可以相对独立运行而不会受到影响，从而提高计算机的工作效率。虚拟化基础架构如下图1所示。

图1：虚拟化基础架构图

1.1 相关技术简介

VMware ESXi是可直接安装到物理服务器的裸机虚拟机管理程序，可以通过直接访问并控制底层资源，能够有效地对硬件进行分区，以便整合应用并降低成本。占用空间小，可实现功能多，同时还可以最大限度的降低安全风险。

VMware Workstation是一款功能强大桌面虚拟机管理程序，它允许用户将Linux、Windows等多个操作系统作为虚拟机在单台PC上运行。用户可以在虚拟机上重现服务器或桌面电脑环境，无需重新启动即可跨不同操作系统同时运行应用。它可以远程连接VMware ESXi环境，以便快速访问虚拟机并执行基本操作。

2 自动化系统简介

自动化系统在我司主要应用方式为BMS系统（楼宇管理系统）和EMS系统（环境监测系统）。BMS系统主要是用于实现车间所有组合式空调机组、冷水机组、臭氧发生器等公用系统设备设施的远程监视或控制；EMS系统主要是用于实现洁净区功能间温湿度、压差和门状态监视，两套系统均能够根据预设报警点以及监测点数据采集实现参数超限报警功能，并且系统具备数据记录存储的功能。

控制系统网络分为三层，从上到下为：第一层为终端总线，采用以太网通讯，第二层为工厂总线，采用以太网通讯，第三层为现场总线，采用Profinet、Profibus、Modubs等网络进行通讯。终端总线上的设备使用TCP/IP进行通讯，主要由冗余服务器站、工程师站、操作员站、网络打印机等组成；工厂总线上的设备使用Profinet进行通讯，主要是PLC控制站与服务器以及工程师站通讯；现场总线是各控制系统与I/O设备之间通讯的网络，由监控系统控制站、分布式I/O模块、第三方设备控制器等组成。网络结构如下图2所示。

图2：网络架构图

3自动化系统中虚拟化技术应用价值

自动化系统在我司应用中原来都是一台服务器系统部署一台实体计算机，一个车间系统安装需要四台实体计算机，一个厂区拥有很多车间，全部使用实体服务器部署会造成服务器资源冗余浪费，并且过多的服务器会增加管理成本。采用虚拟化技术后一个厂区仅需要部署两台物理服务器，可以最大限度地运用硬件资源，减少管理难度。现阶段，采用虚拟化技术具有更高的应用价值，能够节省大量的资源，提高服务器性能利用率，降低自动化系统部署的实际成本。

3.1自动化系统服务器部署要求

自动化系统服务器需要能够正常访问PLC控制器与客户机电脑，能够监视PLC数据，控制设备启停，保证系统7*24H运行不中断，服务器运行不卡顿，能够防止硬件故障导致数据丢失的问题。

4 虚拟化平台设计

使用戴尔R730服务器平台，该服务器具有四个以太网口，可以用来区分PLC访问的工厂总线、客户机访问的终端总线以及两台服务器之间的冗余网络。服务器还具备RAID卡，组态硬盘RAID可以有效的保障数据安全，不会出现因为硬盘故障导致数据丢失的情况。通过VMware ESXi 6.5 软件搭建虚拟化平台，配置网卡端口，分配服务器资源，组态虚拟服务器系统，搭建自动化服务器，实现数据获取与监视功能。

4.1服务器组态RAID磁盘阵列

戴尔R730服务器通过硬件RAID卡组态RAID5磁盘阵列，RAID磁盘阵列是一种运用很多块独立的磁盘，组合成一个容量巨大的磁盘组的技术，它能够将数据切割成许多区段，分别存放在各个硬盘上，当任意一个硬盘发生故障时，仍可读出数据。运用这种方法能够有效保障数据安全性。

4.2部署VMware ESXi

在服务器中插入VMware ESXi安装光盘，通过指定安装硬盘、配置用户账户等操作进行系统部署，在运行的系统中可查看服务器CPU、内存、网络等信息。

4.3组态VMware ESXi

在服务器中按下F2，输入管理员账户和密码，进入配置界面。可以进行用户密码修改、网络地址配置、网络测试等等操作。

选择第三项Configure Management Network，进入管理网络设置选项，选择IPv4 Configuration项，并在弹出界面中设置中将配置类型改为静态设置（即第三项）。然后设置EXSi Web管理面板的IP地址、子网掩码和默认网关。保存网络设置。

虚拟化平台可通过浏览器进行访问，打开浏览器在地址栏中输入刚刚配置的IP地址，页面中出现虚拟化平台登录界面。

输入账户密码后登录Web管理面板，在管理面板上可以查看服务器的基本信息，如CPU、内存、硬盘使用情况。Web管理面板如下图3所示。

图3：Web管理面板

点击左侧网络按钮，进入网络配置界面。物理网卡指的是物理服务器中的网卡，虚拟交换机的作用是连通虚拟机和物理网卡，端口组的作用是开放虚拟交换机的端口给虚拟机使用。虚拟服务器是通过设置界面选择端口组，通过该端口组对应的虚拟服务器与物理网卡连接，当这个物理网卡连接到PLC时，我们的虚拟服务器就可以访问这个PLC控制器。

4.4部署虚拟服务器

点击导航器中的虚拟机选项，界面出现虚拟机列表，这里可以查看ESXi平台中已经配置过的虚拟机列表。

点击创建/注册虚拟机，页面中弹出新建虚拟机界面，根据实际需求，可配置服务器硬件资源，根据网卡功能不同，选择端口组，便于后期服务器中区分网络架构，如需多个网卡，可以点击添加网络适配器，添加新的网络端口。配置完虚拟机资源后安装操作系统与软件，完成服务器搭建。

运行服务器与监控软件，服务器可以实现与PLC通讯，获取监控数据以及控制设备启停等功能，满足自动化服务器设计需求。自动化系统监控界面如下图4所示。

图4：自动化系统监控界面

5 结语

基于虚拟化技术在自控系统中应用可以对服务器资源最大化的利用，一台服务器可以通过虚拟化技术部署多台虚拟服务器，通过有效的资源利用方式节省硬件服务器的投入，进而提高服务器的资源利用率。虚拟化技术成本低，部署快捷，更能体现物联网技术的广泛应用。

使用过程中公司技术人员对应用进行拓展应用于子公司部署的制药用水SCADA系统中，实现了良好的功能应用。

参考文献

[1]郝成勐, 陈新, 王会华, 吕伟杰, 李召超.《基于群晖NAS的虚拟化技术及应用分析》[J]. 山东冶金,2021

[2]丁方悦, 韦军.《PCS7系统在制药企业FMCS系统中的应用》[J]. 机电信息, 2013(2):4.

[3]万玉华,.《虚拟化技术在船舶设计网络中的应用分析》[J]. 船舶物资与市场,2021.