基于Stratus服務器的虛擬化系統 在海洋石油平臺中的應用

田亮

(中海石油(中國)有限公司上海分公司，上海 200335)

1 簡述

某海洋油氣生產平臺的中央控制系統，采用羅克韋爾公司提供的控制系統，過程控制系統和安全控制系統將工業現場采集到的所有數據都存儲在雙機冗余的服務器中，上位機操作員站通過服務器來訪問數據，進行人機交互。由于長時間運行，加上惡劣的海洋環境，服務器和各操作電腦出現卡頓、頻繁死機和服務器不能順利切換等故障，嚴重影響了平臺的安全生產。該生產平臺通過虛擬化技術和Stratus硬容錯服務器對控制系統進行了升級改造，有效解決了問題，同時該技術的應用也是海洋石油虛擬化改造的第一例，為海洋石油數字化進程奠定了基礎。

2 Stratus服務器

Stratus是一家老牌服務器廠商，它所推出的ftServer系列容錯服務器是一種可靠性在99.99%～99.9999%之間的高性能服務器。Stratus ftServer系列服務器是依靠硬容錯來實現的，通過獨特的硬容錯技術設計，可以在單一系統內實現CPU、內存、芯片組、磁盤、I/O部件的冗余[1]，加上DMR Lockstep(鎖步)技術、故障自動切換機制、故障部件熱插拔替換等，可以做到零切換時間，防止宕機的發生。而傳統的雙機冗余和集群冗余，本質上是通過軟件進行控制的，軟件控制的可靠性低于硬件[2]。當系統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，特別是當系統長時間運行后，依靠軟件管理來進行的冗余系統，很難滿足冗余機器之間的同步一致。目前海洋油氣生產平臺，大多數采用的是雙機冗余系統。然而某油氣生產平臺在應用中發現，尤其是運行3年以上的雙機冗余服務器，多次出現不能順利切換的故障，導致油氣生產平臺被迫關停，給現場設施造成較大損失，如此故障發生在氣田群，將造成更為嚴重的生產損失。故此油氣生產平臺在最近一次對中央控制系統升級改造中，選擇了Stratus ftServer硬容錯服務器作為核心的升級單元。它相對于傳統的雙機冗余，具有如下優勢：

(1)自監控硬件不斷檢查關鍵參數；(2)自診斷系統不斷評估其健康；(3)自修復服務器會自動將子系統離線和在線；(4)自動警報讓用戶不斷地了解問題；(5)在服務器正常工作時可以熱插拔所有硬件，不會出現宕機現象；(6)服務器出現硬件故障，故障組件會自動脫機而不會出現性能降級和宕機，完全可以實現零時間停機；(7)客戶可更換單元自動檢測，數據在更換后自動同步；(8)后期維護成本非常低。

Stratus硬容錯服務器優點環圖如圖1所示，Stratus硬容錯服務器硬件圖如圖2所示。

圖1 Stratus硬容錯服務器優點環圖

圖2 Stratus硬容錯服務器硬件圖

基于以上高可靠性優點，StratusftServer硬容錯服務器已在醫療、航空、高鐵、金融等重要領域中得以應用。海洋油氣生產現場，選擇容錯服務器，從長期來看，將大幅減低故障成本和維護成本。

3 虛擬化技術

在海洋油氣生產平臺，往往會遇見控制系統中的操作電腦和服務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，可能會出現當前市面上的新電腦無法與老的操作系統以及應用軟件匹配現象，同時下位機中的DCS、ESD和火氣等控制系統自身又無法滿足軟件升級的需求。在這種情況下，利用虛擬技術將老電腦虛擬化，然后在各虛擬機上布置老的操作系統和應用軟件，這樣就避免了操作系統和軟件與硬件不匹配的問題，采用虛擬化技術將是一個既節約成本，又縮短升級改造時間的最佳方案。

以虛擬鏡像(VM)的方式運行于VMwarevSphere虛擬架構下虛擬機，是將基于應用的服務與傳統的硬件PC剝離出來[3]，在一臺計算機上可同時運行多個具有不同操作系統的邏輯計算機，并且應用程序都可以在相互獨立的邏輯計算機上運行而互不影響，從而節約硬件資源，提升物理計算機的使用效率[4]。在保證系統穩定安全的前提下，除了充分利用新硬件資源提升各項應用的流暢度外，工業控制現場利用虛擬化技術還可提升增強如下功能：(1)虛擬化架構將應用從傳統的物理設備剝離出來，即應用程序無需關心具體部署的硬件設備，使得系統升級將更加容易；(2)強大的系統備份能力：可以在線備份整個系統，并對現有運行的系統無干擾；(3)無可比擬的系統恢復能力：可以在任何硬件資源上快速移植部署恢復系統；(4)靈活的系統擴展能力：系統可以依據工藝需求靈活方便地擴展系統；(5)數據訪問更加高效：基于以太網無處不在的實時訪問能力，相比于傳統的遠程桌面更加高效，可以靈活方便地訪問網絡中所有的虛擬化資源；(6)虛擬化有助于系統的整體可靠性：運行于虛擬化平臺的各鏡像系統，通過了權威的測試環境，鏡像中的操作系統已經完成了工程應用的優化設置，理論上有效避免了工程應用人員在工程實施中的人為失誤；(7)虛擬化架構減少工程耗時及成本，減輕整個項目生命周期的管理難度，延長系統的使用壽命。

4 虛擬技術+Stratus硬容錯服務器

將強大的虛擬技術與Stratus硬容錯服務器相結合，給工業控制帶來極大的方便和極高的可靠性能。主要表現如下：(1)Stratus硬容錯服務器可靠性好，可實現硬件級別的雙服務器容錯，是目前全球中處于壟斷地位的硬容錯服務器；(2)硬容錯服務器性能在虛擬化架構下性能可以得到充分利用，以Stratus ftServer 2810為例，單臺服務器可以部署10個RA標準鏡像文件，幾乎可以容納工業現場的常規服務器，操作員站，工程師站，甚至可以部署Historian服務器；(3)虛擬化架構使傳統的工程師站和操作員站變成了客戶端，系統核心應用托管于硬容錯服務器，使得應用更加安全。

在Stratus硬容錯服務器上布置各種VMware vSphere虛擬機后，整個服務器可以理解為一個局域網中的“私有云服務器”，只要Stratus硬容錯服務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絡，就可以實現對私有云資源的訪問。

對于海上油氣生產平臺來說，當中心平臺布置有私有云服務器后，其相關聯井口平臺，不需要再配置數據服務器、工程師站和操作員站等傳統實體電腦，我們可以在中心平臺的私有云服務器上來布置上訴實體電腦的虛擬化產品，從而節約硬件資源，實現統一管理和高性能、高可靠性的要求。同時為控制系統的工程師在系統維護和升級改造中帶來極大的便利，不用往返于各平臺進行操作，只需要訪問相應的私有云服務器資源即可。

將私有云服務器的概念擴大到更大范圍，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器，各個平臺的所有控制實體機都布置到私有云服務器上，則可以大幅度的降低控制系統投資成本、縮短建設周期和降低后期維護費用[5]，并可以隨著油氣田群的規模變化，來靈活的分配私有云服務器資源，從而為海洋石油油氣生產平臺的數字化打下基礎。

5 結語

以上內容主要從應用層面介紹了Stratus硬容錯服務器和虛擬化技術的各種優點，以此為基礎引出了私有云服務器的概念，以及它在海洋油氣生產平臺服務中的具體實現方式。

云服務作為當今社會的熱點，它是數字化轉型的核心。相對于私有云來說，更為廣泛的是公有云服務。目前公有云的主要屬性是共享資源服務，依靠公有云服務平臺更為強大的云計算能力和靈活的資源配置，可以進一步降低應用公有云企業的成本和配置周期。而私有云對于重要企業來說，在數據安全和服務質量上都較公有云有更好的保障，但布置成本比公有云要高。

隨著時代技術的發展，不久的將來公有云服務的安全性會越來越高，海洋油氣生產平臺上可以將控制服務器布置到阿里云、騰訊云和華為云等公有云服務上，現場不再需要有實體的服務器，依靠云服務商提供的強大云計算能力、高可靠性和安全性的云服務，通過5G移動技術和高速網絡通道，在油氣生產平臺與云服務之間建立數據交互，實現海洋油氣生產的數字化和智能化。