有人認為虛擬化技術是20世紀60年代以來最重要的一次IT革命，主要是因為IT技術為經濟和企業發展創造了諸多有利條件。筆者對此深表認同，虛擬化技術不僅能夠簡化IT流程，還可用于企業經營的方方面面，下至降低能源消耗，上至實現關鍵應用的高可用性。石油和天然氣行業的各大企業都在不斷尋求減少風險和意外停車的方法，力求保持最高的運營效率，而虛擬化技術及其展現出的技術優勢在此就顯得非常重要。

虛擬化技術

利用虛擬化技術可以“封裝”計算機，包括其操作系統和各種應用程序，使它能夠在主機上輕松運行。例如，可以將筆記本電腦或臺式機轉換為一臺虛擬計算機，從而能將它復制到另一臺主機上運行。

虛擬計算機（或虛擬機VM）文件包含除硬件設備外一切啟動運行應用程序所需的內容。若要運行虛擬機，需要借助虛擬軟件層在虛擬機與主機硬件之間實現映射，包括網絡連接映射、USB 端口映射，以及其他外圍設備映射。圖1說明了虛擬機 (VM)在主機上運行的工作原理。

圖1 虛擬機在主機上運行工作原理

虛擬化技術與海上油氣生產控制系統

虛擬化技術如此重要的原因之一在于：一套包括控制系統在內的海上平臺或 FPSO（浮式生產儲油卸油裝置）的平均生命周期至少為20年。但是，控制系統的控制器及其他組件所采用的技術日新月異，尤其配套的計算機硬件和操作系統通常每3~5年或者更短就需要更新一次。而計算機工作站的升級周期略長，大約為5~7年，如果不及時升級，系統性能會有所下降，進而影響企業生產。

這是個很有意思的數學問題，因為海上油氣生產的中控系統可以持續運行20年，而相應的系統支持技術卻在不斷更新換代。控制系統的升級過程非常復雜，成本高昂并且耗時較長，在系統遷移過程中，需要供應商不斷提供支持才能重新安裝所有應用程序軟件，有些甚至需要重新升級控制系統。

圖2所示為海上油氣生產中控制系統的具體架構。中控系統是海上油氣生產平臺的核心部分，用于管理、監測和控制所有生產和安全應用的重要系統。這套集成自動化系統是海上油氣生產平臺的核心部分，包含過程控制系統（DCS/PCS）、緊急停車系統（ESD）以及火氣系統（F&G）。中控系統通常需要配備多個工作站、工程師站和應用站，它們都使用一臺裝有 Windows 操作系統的工業計算機。

圖2 海上油氣生產控制系統架構

海上油氣生產中控系統計算機工作站關注的一個主要問題是MTTR（平均修復時間），該時間最多為2~4周（部分原因是計算機工作站通常不會被視為備件）。完成訂購后，維護工程師通常不能重新安裝所有系統應用軟件。因此，系統的運行維護就要按供應商的現場服務計劃來安排，而由此產生的意外停車和額外開銷則不可避免。

此外，缺乏技術資源也是一大難題，以操作員培訓為例，培訓成本非常昂貴（需要針對多個工作站）并且耗時較長。每個海上油氣生產平臺通常只配備一名儀表控制工程師，而且在海上平臺上很難按陸上資源協調服務，因此海上平臺也很難獲得及時有效的技術支持。

虛擬化解決方案的優勢

考慮到以上技術難題，虛擬化技術對于海上平臺中控系統的應用創造了巨大優勢。虛擬化技術將會更改主機特定的軟硬件平臺，而裝有操作系統和應用軟件的傳統計算機站則會變成文件。這些文件在一臺通用主機上運行；一旦有新技術誕生，用戶可以方便快捷地升級或更改這臺平臺主機。

這一理念如圖3所示，圖中展示了采用虛擬化技術的中控系統典型架構。在該架構中，維護工程師只需管理一系列文件，無需管理整個系統的平臺。如果因任何原因導致系統部分停車，主機不會受應用軟件影響，換言之，如果主機出現故障，維護工程師只需將相關文件復制到新主機上，很快即可恢復系統運行。這一轉換過程無需致電供應商尋求支持，也不會中斷生產。

圖3 虛擬化技術的中控系統典型架構

圖4所示的虛擬化解決方案適用于要求自動備份和冗余的應用，這是海上平臺尤其是操作員的必備要求，以便在確保最長運行時間和最短操作中斷的同時為人員、資產和環境提供最高級別的安全保護。

圖4 虛擬化解決方案

虛擬化解決方案提供的完全容錯功能適用于所有工作站應用。圖5和圖6介紹了如何借助容錯選項在兩個物理服務器上同步執行多個虛擬機，從而在發生硬件故障時實現無擾動故障切換。

圖5

圖6

結語

影響虛擬化技術在海上油氣生產中控系統中應用的四大要點如下：

（1）理解升級周期。虛擬化有助于延長整個系統的使用壽命，因此用戶可以制定升級周期，有計劃且可預測地完成升級。現在，升級服務器工作站時不必考慮硬件問題，也不需要工程設計介入。

（2）了解局限所在。借助虛擬化，用戶可以讓多個應用安全地共享同一服務器，通過合并服務器實現更高的服務器利用率。

（3）評估管理需求。軟件升級和補丁可以集中部署。故障客戶端的復位和新系統的部署能夠以同樣的方式完成。災難恢復也可集中進行，同時由于能夠集中授予和撤消用戶訪問權限，安全性也得到了進一步加強。

（4）減少故障發生。采用物理服務器時，機器發生故障往往等同于停車或處于極大停車風險之下，而采用虛擬化技術時則不然。主機會對彼此及各自的虛擬機進行故障監視。如果虛擬機出現故障，它將自動在另一個具有可用資源的位置重新啟動。

這意味著隨著虛擬化技術與海上油氣生產中控系統相結合，海上油氣生產自動化領域將產生翻天覆地的變化。自動化供應商將會充分利用虛擬化技術的各項優勢和最佳實踐，這對于幫助石油和天然氣企業了解虛擬化部署前需考慮的關鍵事項至關重要。

對于有意采用使用虛擬化技術中控系統的企業，這些最佳實踐將有助于簡化技術過渡過程并采取正確的步驟確保中控系統的可用性，從而保持生產持續進行。停車是海上生產的最大隱患，而虛擬化技術能夠使系統的可用性得以提升，在增加可靠性的同時縮短停車時間并降低系統風險。

作者簡介

何啟洪（1973-），男，廣東肇慶人，工程師，工程碩士，現就職于中海油中國有限公司恩平油田聯合開發項目管理團隊設計工程部，主要研究方向為控制工程。

摘自《自動化博覽》2016年9月刊