基于Stratus服务器的虚拟化系统 在海洋石油平台中的应用

田亮

(中海石油(中国)有限公司上海分公司，上海 200335)

1 简述

某海洋油气生产平台的中央控制系统，采用罗克韦尔公司提供的控制系统，过程控制系统和安全控制系统将工业现场采集到的所有数据都存储在双机冗余的服务器中，上位机操作员站通过服务器来访问数据，进行人机交互。由于长时间运行，加上恶劣的海洋环境，服务器和各操作电脑出现卡顿、频繁死机和服务器不能顺利切换等故障，严重影响了平台的安全生产。该生产平台通过虚拟化技术和Stratus硬容错服务器对控制系统进行了升级改造，有效解决了问题，同时该技术的应用也是海洋石油虚拟化改造的第一例，为海洋石油数字化进程奠定了基础。

2 Stratus服务器

Stratus是一家老牌服务器厂商，它所推出的ftServer系列容错服务器是一种可靠性在99.99%～99.9999%之间的高性能服务器。Stratus ftServer系列服务器是依靠硬容错来实现的，通过独特的硬容错技术设计，可以在单一系统内实现CPU、内存、芯片组、磁盘、I/O部件的冗余[1]，加上DMR Lockstep(锁步)技术、故障自动切换机制、故障部件热插拔替换等，可以做到零切换时间，防止宕机的发生。而传统的双机冗余和集群冗余，本质上是通过软件进行控制的，软件控制的可靠性低于硬件[2]。当系统因故障或其他原因需要切换的时候，存在切换慢和无法顺利切换的问题，特别是当系统长时间运行后，依靠软件管理来进行的冗余系统，很难满足冗余机器之间的同步一致。目前海洋油气生产平台，大多数采用的是双机冗余系统。然而某油气生产平台在应用中发现，尤其是运行3年以上的双机冗余服务器，多次出现不能顺利切换的故障，导致油气生产平台被迫关停，给现场设施造成较大损失，如此故障发生在气田群，将造成更为严重的生产损失。故此油气生产平台在最近一次对中央控制系统升级改造中，选择了Stratus ftServer硬容错服务器作为核心的升级单元。它相对于传统的双机冗余，具有如下优势：

(1)自监控硬件不断检查关键参数；(2)自诊断系统不断评估其健康；(3)自修复服务器会自动将子系统离线和在线；(4)自动警报让用户不断地了解问题；(5)在服务器正常工作时可以热插拔所有硬件，不会出现宕机现象；(6)服务器出现硬件故障，故障组件会自动脱机而不会出现性能降级和宕机，完全可以实现零时间停机；(7)客户可更换单元自动检测，数据在更换后自动同步；(8)后期维护成本非常低。

Stratus硬容错服务器优点环图如图1所示，Stratus硬容错服务器硬件图如图2所示。

图1 Stratus硬容错服务器优点环图

图2 Stratus硬容错服务器硬件图

基于以上高可靠性优点，StratusftServer硬容错服务器已在医疗、航空、高铁、金融等重要领域中得以应用。海洋油气生产现场，选择容错服务器，从长期来看，将大幅减低故障成本和维护成本。

3 虚拟化技术

在海洋油气生产平台，往往会遇见控制系统中的操作电脑和服务器在多年使用后由于性能下降需要更换的问题。然而在更换过程中，可能会出现当前市面上的新电脑无法与老的操作系统以及应用软件匹配现象，同时下位机中的DCS、ESD和火气等控制系统自身又无法满足软件升级的需求。在这种情况下，利用虚拟技术将老电脑虚拟化，然后在各虚拟机上布置老的操作系统和应用软件，这样就避免了操作系统和软件与硬件不匹配的问题，采用虚拟化技术将是一个既节约成本，又缩短升级改造时间的最佳方案。

以虚拟镜像(VM)的方式运行于VMwarevSphere虚拟架构下虚拟机，是将基于应用的服务与传统的硬件PC剥离出来[3]，在一台计算机上可同时运行多个具有不同操作系统的逻辑计算机，并且应用程序都可以在相互独立的逻辑计算机上运行而互不影响，从而节约硬件资源，提升物理计算机的使用效率[4]。在保证系统稳定安全的前提下，除了充分利用新硬件资源提升各项应用的流畅度外，工业控制现场利用虚拟化技术还可提升增强如下功能：(1)虚拟化架构将应用从传统的物理设备剥离出来，即应用程序无需关心具体部署的硬件设备，使得系统升级将更加容易；(2)强大的系统备份能力：可以在线备份整个系统，并对现有运行的系统无干扰；(3)无可比拟的系统恢复能力：可以在任何硬件资源上快速移植部署恢复系统；(4)灵活的系统扩展能力：系统可以依据工艺需求灵活方便地扩展系统；(5)数据访问更加高效：基于以太网无处不在的实时访问能力，相比于传统的远程桌面更加高效，可以灵活方便地访问网络中所有的虚拟化资源；(6)虚拟化有助于系统的整体可靠性：运行于虚拟化平台的各镜像系统，通过了权威的测试环境，镜像中的操作系统已经完成了工程应用的优化设置，理论上有效避免了工程应用人员在工程实施中的人为失误；(7)虚拟化架构减少工程耗时及成本，减轻整个项目生命周期的管理难度，延长系统的使用寿命。

4 虚拟技术+Stratus硬容错服务器

将强大的虚拟技术与Stratus硬容错服务器相结合，给工业控制带来极大的方便和极高的可靠性能。主要表现如下：(1)Stratus硬容错服务器可靠性好，可实现硬件级别的双服务器容错，是目前全球中处于垄断地位的硬容错服务器；(2)硬容错服务器性能在虚拟化架构下性能可以得到充分利用，以Stratus ftServer 2810为例，单台服务器可以部署10个RA标准镜像文件，几乎可以容纳工业现场的常规服务器，操作员站，工程师站，甚至可以部署Historian服务器；(3)虚拟化架构使传统的工程师站和操作员站变成了客户端，系统核心应用托管于硬容错服务器，使得应用更加安全。

在Stratus硬容错服务器上布置各种VMware vSphere虚拟机后，整个服务器可以理解为一个局域网中的“私有云服务器”，只要Stratus硬容错服务器的硬件资源满足要求，就可以在它上面布置各种我们需要的虚拟化资源，外界只需通过局域网络，就可以实现对私有云资源的访问。

对于海上油气生产平台来说，当中心平台布置有私有云服务器后，其相关联井口平台，不需要再配置数据服务器、工程师站和操作员站等传统实体电脑，我们可以在中心平台的私有云服务器上来布置上诉实体电脑的虚拟化产品，从而节约硬件资源，实现统一管理和高性能、高可靠性的要求。同时为控制系统的工程师在系统维护和升级改造中带来极大的便利，不用往返于各平台进行操作，只需要访问相应的私有云服务器资源即可。

将私有云服务器的概念扩大到更大范围，如大型油气田群，以整个油气田群来建立一个更为广泛的私有云服务器，各个平台的所有控制实体机都布置到私有云服务器上，则可以大幅度的降低控制系统投资成本、缩短建设周期和降低后期维护费用[5]，并可以随着油气田群的规模变化，来灵活的分配私有云服务器资源，从而为海洋石油油气生产平台的数字化打下基础。

5 结语

以上内容主要从应用层面介绍了Stratus硬容错服务器和虚拟化技术的各种优点，以此为基础引出了私有云服务器的概念，以及它在海洋油气生产平台服务中的具体实现方式。

云服务作为当今社会的热点，它是数字化转型的核心。相对于私有云来说，更为广泛的是公有云服务。目前公有云的主要属性是共享资源服务，依靠公有云服务平台更为强大的云计算能力和灵活的资源配置，可以进一步降低应用公有云企业的成本和配置周期。而私有云对于重要企业来说，在数据安全和服务质量上都较公有云有更好的保障，但布置成本比公有云要高。

随着时代技术的发展，不久的将来公有云服务的安全性会越来越高，海洋油气生产平台上可以将控制服务器布置到阿里云、腾讯云和华为云等公有云服务上，现场不再需要有实体的服务器，依靠云服务商提供的强大云计算能力、高可靠性和安全性的云服务，通过5G移动技术和高速网络通道，在油气生产平台与云服务之间建立数据交互，实现海洋油气生产的数字化和智能化。