虚拟化技术在钢铁企业老旧生产线上的应用和优化

虚拟化技术在钢铁企业老旧生产线上的应用和优化

王皎月

（华菱安赛乐米塔尔汽车板有限公司，湖南 娄底）

当前，我国多数钢铁企业的生产线已历经逾十载光阴，期间，现场控制系统的核心组件——包括人机界面(HMI)与服务器端——面临着显著的技术滞后。HMI操作系统的版本普遍滞留在Windows XP，乃至更早的Windows 2000或NT时代；而服务器端则大多采用Windows 2003，部分仍依赖于Windows NT。这些过时的操作系统已不再受官方支持，无法获取必要的安全补丁与更新，为生产线的计算机系统埋下了严重的安全隐患。

进一步而言，长期在线运行的服务器、HMI终端以及基础网络设备均已达至其预期的服务寿命极限。频繁的系统崩溃与冗长的重启周期对生产流程构成重大干扰，一旦服务器遭遇故障，生产线即刻陷入停滞，甚至面临控制系统彻底失效的风险，严重影响生产效率与连续性。

尽管生产线的工艺流程与电气控制系统在设计之初充分满足了生产需求，且短期内无迫切的升级需求，但硬件层面的局限性——尤其是服务器与客户端所依赖的已停产设备——使得传统的硬件替换与系统维护成本居高不下。在此背景下，虚拟化技术的引入为冶金行业老旧生产线的现代化改造提供了创新路径。

虚拟化技术的应用不仅是应对上述挑战的必然选择，其核心优势在于显著降低总体拥有成本(TCO)，提高资源使用效率，增强系统稳定性和安全性，以及大幅提升运维响应速度。通过虚拟化，企业能够实现对现有硬件资源的优化配置，同时确保生产过程的连续性和可靠性，进而更好地响应市场变化与客户需求。

综上所述，虚拟化技术在钢铁企业老旧生产线的控制系统升级中扮演着关键角色，它不仅解决了生产线老化带来的诸多难题，还为企业带来了长远的经济效益与竞争优势。

1虚拟化简介

虚拟化技术，作为一项革新性的信息技术，致力于将物理计算资源抽象化，转化为虚拟资源，从而在单一物理平台上高效运行多个独立的虚拟环境。这一技术极大地提升了资源的利用率、灵活性和管理效率，同时降低了IT运维成本。

虚拟化技术的核心特征包括：

1)分区：允许多个虚拟机共存于同一物理服务器，实现资源的有效分配和利用。

2)隔离：确保各虚拟机间的数据和操作完全独立，保障系统的安全性和稳定性。

3)封装：将虚拟机状态完整保存于文件中，便于迁移和备份，增强系统的可移植性。

4)相对硬件独立：虚拟机无需针对特定硬件定制，可在任意兼容服务器上无缝运行，提高部署的灵活性。

图1-1 虚拟化技术：四大特征

在工业实践中，虚拟化技术尤其适用于维持老旧系统的稳定运行，通过充分利用日益强大的硬件资源，为现有系统和软件提供最大化的支持。

1.1.VMware vSphere：领先的服务器虚拟化平台

VMware公司推出的VMware vSphere，作为业界公认的顶尖虚拟化解决方案，凭借其卓越的可靠性和性能，有效简化了IT操作流程。vSphere的核心组件——VMware ESXi，作为一款直接运行于物理服务器上的轻量级操作系统，实现了与宿主操作系统的完全脱钩，为虚拟机的创建和管理提供了坚实的基础。

ESXi通过vSphere Client进行远程管理和控制，用户可以在该平台上构建多个虚拟机，并为其安装Linux或Windows Server操作系统，进而转化为功能齐全的虚拟服务器。得益于内核级的硬件虚拟化支持，运行于ESXi之上的虚拟服务器在性能和稳定性方面媲美实体服务器，同时在管理维护上展现出更为出色的优势。

图1-2 虚拟化架构

1.2.VMware vSphere的架构与便捷性

VMware vSphere的架构设计充分体现了其便捷性和高效性，特别是通过其专有的VMware Converter工具，能够实现对在线物理系统的无缝转换，快速将物理服务器转化为虚拟机（P2V转换），极大地简化了老旧系统向虚拟化环境迁移的过程。

其最大的便捷之处是可以通过其专有的VMware Converter软件对在线计算机进行无缝转换，将物理系统转换为虚拟机。

图1-3VMware vSphere 体系结构

2连退WINCC虚拟化方案概述

2. 1. 现状分析与问题识别

某汽车板厂连退生产线的核心自动化控制系统，基于西门子技术，采用Windows 2008 R2与WinCC 7.0 SP3作为主要软件环境，网络基础设施则依托于Cisco 2960系列百兆交换机。然而，自上线以来，该系统已稳定运行十余年之久，随着IT技术的飞速进步和迭代，原有的计算机设备及备件逐渐淘汰，导致维护与升级困难重重。具体问题包括但不限于：

1)硬件老化与备件缺失：服务器、工程师工作站和客户端因年代久远，频繁出现故障，且同型号备件难寻，严重影响系统稳定性。

2)性能瓶颈：HMI终端访问服务器数据延迟增加，网络响应速度减慢，文件数据处理效率下降，接口氧化加剧，整体性能下滑。

3)管理复杂度：分散的Windows Server与Windows 7操作系统部署，缺乏集中管理手段，故障恢复周期长，系统整体可控性差。

鉴于以上挑战，采用虚拟化技术对现有计算机资源进行全面升级，显得尤为必要。VMware vSphere ESXi，作为西门子公司官方推荐的虚拟化解决方案，以其出色的兼容性、广泛的应用场景（特别是在制造业与工业领域）以及对西门子工业软件的支持，成为了此次升级的理想选择。

2.2.项目改造范围与目标

本次改造覆盖了生产线的关键IT资产，包括两台WINCC服务器、一台炉子L2服务器、一台L2服务器、五台ES工程师站、一台L2工程师站、三十六台HMI客户端以及十三台网络交换机。目标在于：

1)统一管理与优化：所有服务器、工程师站和操作站整合至虚拟化集群中，通过瘦客户机实现远程接入，减少物理设备需求。

2)增强高可用性与容灾能力：借助VMware vCenter的集中管理能力，实现资源优化调度与高可用性保障，同时制定高效备份策略，确保系统故障时的快速恢复。

3)提升维护效率与响应速度：虚拟化环境下的统一管理，大幅缩短故障排查与系统恢复时间，保障生产连续性。

通过实施虚拟化升级，不仅能显著提升连退生产线的运行稳定性与生产效率，还能降低硬件维护成本，延长现有系统生命周期，为汽车板厂带来显著的经济效益与技术革新动力。

2.3.实施方案概述

本项目采用虚拟化服务器以及集中存储方式构建虚拟化集群，集群中包含三台虚拟化服务器以及集中存储系统（如虚拟化集群机柜示意图所示），运行Vmware vSphere 7.0 U3虚拟化系统，所有计算机均转换为虚拟化机形式运行在集群中（如虚拟化集群示意图所示），所有现场客户端均由瘦客户机通过网络进行资源访问。

图2-1虚拟化集群机柜示意图图2-2虚拟化集群示意图

VMware vSphere ESXi虚拟化集群将安装在原服务器所在PLC室中，集群内含三台虚拟化高性能DELL R760Xs服务器用于托管替换的设备，同时配置有一台双控制器存储阵列DELL ME 5024，用于存储放置虚拟机文件并提供给VMware vSphere ESXi服务器使用，所有工程师站、服务器以及客户机均将部署在VMware vSphere ESXi环境平台中，另使用46台 DELL OPTIPLEX 7010瘦客户机作为访问终端用于替换原操作台客户机。

由于生产线计算机控制系统的特殊性，很多软件并不是对外出售的商业软件，为实施方自行开发的控制软件，所以基本没有办法在虚拟化环境中自行重新安装操作系统与软件，P2V（physical to virtual machine）是此类系统的最佳选择，原计算机系统使用VMware vCenter Converter在线转化为虚拟机文件后，根据实际情况编辑虚拟机硬件信息并对操作系统进行优化后上传至ESXi服务器既完成了P2V的工作。

由于虚拟化中采用的虚拟网络的概念，在完成P2V工作后还需要在虚拟化中网络进行配置，原则上是每个一个网络设置一组标准交换机，或者每一种设备设置一组标准交换机，以用于隔离流量，防止因为流量过多导致的网络中断。完成这些后在虚拟机中选择相应的虚拟网络所对应的虚拟网卡，以实现通讯。

在完成上述过后，对ELL OPTIPLEX 7010别进行配置，以1对1的方式远程访问到对应的虚拟机中，以供现场操作人员使用，这样就完成了计算机控制系统对由物理计算机转换至虚拟化的过程。

本文提及项目出于成本与数量的考虑未使用超融合架构进行搭建，而是采用传统服务器搭配磁盘阵列形式进行搭建，一方面对项目整体成本进行了控制，另一方面降低对维护人员的专业知识要求。

整个虚拟化集群由Vmware vSphere vCenter进行管理，虚拟化集群架构环境能最大程度保障用户业务系统的可靠性和运行的连续性，任何经过授权的管理员在任意的地点均可以通过浏览器插件（vSphere Client）访问vCenter的管理控制界面对任何一操作室控制台机器进行关机、重启、恢复等操作，最大程度的方便了现场计算机的管理与维护。

本项目最终所得虚拟化集群机柜连接图示意如下：

图2-3 最终虚拟化集群机柜连接图

3虚拟系统优化

钢铁企业生产线往往对稳定性与可用性要求十分严格，数据传送不限于计算机与计算机之间的传输，更多的是计算机系统与PLC、特殊设备等的通讯，通讯方式也存在TCP、UDP、OCP、IOS等不同的报文结构，对网络与计算机响应要求高。这与传统IT行业存在一定的差异。

3. 1. 服务器优化

虚拟化系统安装在服务器中，所以服务器的设置优化对于虚拟化的适配性尤为重要，如是否开启高性能电源、是否开启VT-d技术、是否使用了超线程技术等，这些都会虚拟化运行性能产生影响。对于不用型号的服务器建议遵循相关制造商的文档，对BIOS进行配置以达到最优性能。

3.2.虚拟机优化

在完成P2V之后使用之处，常常会出现虚拟机没有响应，或者系统响应慢等问题，查看磁盘阵列I/O日志，发现并不是由于磁盘读写造成的响应问题，并且在使用业务系统时也存在一定程度的延迟，经过研究后发现，原操作系统中存在大量滞留的服务与软件，包括磁盘扫描、磁带备份、性能监控等软件与相应服务。由于P2V之后系统环境发生变化导致原本某些设备硬件不复存在或者失效，导致后台服务长时间无法启动或者长时间无响应导致系统卡死，针对这一现象需要删除无用的此类软件，并停止或删除相应的服务。经过甄别后我们对其进行了删除与更改，最终虚拟机运行效率大幅提升。

3.3.网络优化

对网络进行分组，以用于隔离流量达到稳定运行的目的。按照不同功能对于网络进行分组，对于所有虚拟机之间通讯使用一组网络，和外部设备通讯使用一组网络，控制虚拟化平台使用一组网络。

原供应商在供货时只单独隔离了外部设备和内部设备，生成了两组虚拟交换机用于使用，在实际使用过程中每当对虚拟化平台进行操作有时会出现卡顿，观察网络曲线后发现由于虚拟机与虚拟机之间通讯频繁，已经占用了大量了通道资源，此致如再使用同一组通道进行控制有可能造成网络拥堵，新增一组通道用于控制虚拟化平台使用后，此现象再未发生。

当虚拟化环境运行一段时间后，用户抱怨有时虚拟化会与逻辑控制器断开连接，但又快速恢复，虽然不影响生产但经过对虚拟化网络进行观察后发现，与逻辑控制器通讯时有时会存在短时间的断开并迅速恢复。经过研究以及查阅手册后我们发现使用E1000网络适配器不如使用VMXNET3稳定，最后对所有虚拟机采用替换E1000为VMXNET3适配器，经过一段时间的运行后，问题解决。

4总结与展望

在钢铁企业中，老旧产线的稳定高效运行是持续发展的基石，也是行业面临的共同挑战。虚拟化技术的引入，为这一挑战提供了创新的解决方案，不仅提升了产线的稳定性和效率，还促进了智能化运维的发展，为冶金行业注入了新的活力。

虚拟化技术在连退线的成功应用，证明了其在冶金领域内的巨大潜力。通过将物理资源转化为虚拟资源，虚拟化技术实现了资源的灵活调配和高效利用，减少了硬件故障对生产的影响，保障了产线的连续运行。这一技术的应用，不仅提高了生产效率和产品质量，还降低了运营成本，减少了因设备老化带来的风险，为钢铁企业带来了实实在在的经济效益。

智能工厂的核心特征之一就是集中式的产线运维管理。虚拟化技术的应用，使得这一愿景成为现实。通过构建虚拟化集群，所有的服务器、工程师站和操作站被整合在一个统一的管理平台之下，运维人员可以远程监控和管理整个产线的运行状态，及时发现并解决潜在问题，极大提升了运维效率和响应速度。此外，虚拟化环境下的数据集中存储和处理，为数据分析和决策支持提供了便利，进一步优化了生产流程，提高了决策的科学性和准确性。

虚拟化技术在冶金行业的应用远不止于此，它覆盖了从生产、设备管理、安全监控、工艺优化到数据分析的各个环节。通过虚拟化，企业能够实现资源的动态调整，快速响应市场变化，提升产品竞争力；同时，数据驱动的决策模式，助力企业精准预测和规划，减少浪费，提高资源利用效率。更重要的是，虚拟化技术为冶金行业开辟了数字化转型的道路，推动了行业向绿色、智能、可持续的方向发展。

总之，虚拟化技术的广泛应用，不仅解决了钢铁企业老旧产线稳定高效生产的问题，还推动了智能运维管理模式的形成，为冶金行业带来了前所未有的发展机遇。随着技术的不断成熟和应用的深入拓展，虚拟化将继续在推动行业变革、提升竞争力方面发挥关键作用。

参考文献

[1]陈小军,张璟.虚拟化技术及其在制造业信息化中的应用综述[J].计算机工程与应用,2010,46(23):25-30.

[2]林雪燕.云计算环境下的网络虚拟化与性能优化[J].信息与电脑(理论版),2024,36(05):153-155.

[3]王东海,陈孔明,叶建望,等.钢铁企业私有云数据中心基础平台设计实践[J].冶金自动化,2018,42(04):16-21.