CN214851313U - 一种上位机虚拟化系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种上位机虚拟化系统，应用于分布式工业控制系统，包括虚拟化服务器集群，千兆网络交换机，以及与虚拟化服务器集群通过千兆网络交换机连接的对应上位机角色设置的瘦客户机；虚拟化服务器集群至少包括万兆管理网交换机和与万兆管理网交换机通过网络连接的若干生产服务器，生产服务器用于运行虚拟机，虚拟机上运行对应上位机角色的上位机软件,瘦客户机通过千兆网络交换机和万兆管理网交换机对应访问虚拟机上运行的上位机软件；本实用新型将虚拟化技术与控制系统上位机技术相结合，瘦客户机与控制系统上位机角色进行人机互动，通过瘦客户机访问安装上位机软件的虚拟机，实现了对传统物理上位机的替代，降低对硬件的要求。

Description

一种上位机虚拟化系统

技术领域

本实用新型涉及工业控制系统的上位机技术，具体的涉及一种上位机虚拟化系统。

背景技术

工业控制系统上位机在生产过程控制过程中有着举足轻重的作用,在自动化程度较高的工艺中尤为明显。在实际生产中,计算机硬件更新的速度与上位机系统软件的更新速度有一定程度的脱节。

在传统架构中，DCS的每个工作站均安装在固定的物理机上。系统软件和硬件的更新均需要在本地服务器和工作站上执行。交换机、服务器、工作站之间的通讯均在传统网络架构下进行。传统的物理机一旦部署，硬件更新较为困难，且资源利用率(例如CPU、内存等)不高，一旦操作系统或控制系统上位机软件更新换代，较容易出现兼容性问题。

实用新型内容

本实用新型为了克服以上技术的不足，提供了一种上位机虚拟化系统，将虚拟化技术与控制系统上位机技术相结合，采用瘦客户机与上位机角色进行人机互动，并通过通讯访问安装了工业控制系统上位机软件的虚拟机，从而实现了对传统物理机作为控制系统上位机的替代，降低对工作站硬件的要求，提高资源利用率，并减少工作站升级维护从而使控制系统上位机的安全性及稳定性得以提升,充分挖掘硬件的利用率,便于维护和管理。

本实用新型克服其技术问题所采用的技术方案是：

一种工业控制系统上位机虚拟化系统，应用于分布式工业控制系统，至少包括虚拟化服务器集群，千兆网络交换机，以及与虚拟化服务器集群通过千兆网络交换机连接的对应分布式工业控制系统上位机角色设置的瘦客户机；其中，虚拟化服务器集群至少包括万兆管理网交换机和与万兆管理网交换机通过网络连接的若干生产服务器，所述生产服务器用于运行虚拟机，所述虚拟机上运行对应分布式工业控制系统上位机角色的上位机软件。所述瘦客户机通过千兆网络交换机和万兆管理网交换机对应访问虚拟机上运行的上位机软件，从而进行上位机软件的组态、监控。

通过万兆管理网交换机，实现虚拟化系统基础功能相关网络流量的转发。

进一步的，还包括与生产服务器和万兆管理网交换机通过网络连接的工业控制系统的DCS网络交换机。

DCS网络交换机是一种应用于工业控制领域的以太网交换机。

进一步的，还包括与生产服务器通过DCS网络交换机连接的工业控制系统的控制站。

控制站是实现分布式工业控制系统控制的硬件中心。

进一步的，所述虚拟化服务器集群还包括与生产服务器和万兆管理网交换机通过网络连接的备份服务器，用于存储备份生产服务器的运行数据，并在生产服务器运行异常时，在生产服务器上加载和运行备份服务器上备份的虚拟机数据。

进一步的，还包括安装于任一生产服务器上的一个物理加密狗，所述物理加密狗基于安装的生产服务器对运行在虚拟机上的上位机软件授权。

使用一个物理加密狗，实现对多个上位机软件的授权。

进一步的，还包括通过DCS网络交换机与虚拟化服务器集群连接的容灾操作站，用于在工业控制系统上位机虚拟化系统运行异常时，保留现场数据并作为控制系统上位机。

容灾操作站当生产服务器出现大规模宕机时，可通过容灾操作站临时承担控制系统上位机的作用。

进一步的，所述生产服务器安装ESXi环境，并在任一配置DNS服务器的生产服务器上安装部署vCenter Server，以及，安装虚拟机操作系统。

本实用新型的有益效果是：

1、对工业控制系统上位机虚拟化可以缓解计算机、操作系统的更新换代压力，降低用户的硬件、安装和维护成本，提升系统维护的效率；

2、配套虚拟化平台使用的瘦客户机体积较小，成本较低，节约空间；

3、通过生产服务器配置的虚拟交换机技术等方便现场的网络布线；

4、利用虚拟化平台的资源池技术，使得DCS工程师站、操作员站等的CPU、内存等资源能够被统一调度，合理分配；

5、集中化管理，整体环境监控，便于预防问题，及时发现问题。

附图说明

图1为本实用新型实施例的分布式工业控制系统上位机虚拟化系统的部署架构示意图；

图中标号示意如下：10、虚拟化服务器集群；11、万兆管理网交换机；12、生产服务器；13、备份服务器；20、千兆网络交换机；30、瘦客户机；40、DCS网络交换机；50、控制站；60、容灾操作站。

具体实施方式

为了更好的理解本申请的技术方案，首先对本申请中一些专业术语进行说明。

DCS：DCS(Distributed Control System)指分布式控制系统，又称集散控制系统，是相对于集中式控制系统而言的一种新型计算机控制系统。

控制系统上位机：能够对控制系统(DCS等)发出操控命令的计算机，能够在其上运行控制系统组态软件、监控软件等，并且可定义为不同的角色，例如工程师、操作员站等，是控制系统的有机组成部分。

虚拟化：虚拟化是为一些组件(例如虚拟应用、服务器、存储和网络)创建基于软件的(或虚拟)表现形式的过程。它是降低所有规模企业的IT开销，同时提高其效率和敏捷性的最有效方式。

瘦客户机：瘦客户机30(thin client)是使用专业嵌入式处理器、精简版操作系统的基于PC工业标准设计的小型行业专用商用PC。

ESXi：是一款可直接安装在物理服务器上的裸机hypervisor(虚拟机监视器)，是用来建立与执行虚拟机的软件、固件或硬件。VMware ESXi能够直接访问并控制底层资源，因此可对硬件进行有效分区，从而整合应用并削减成本。

vSphere：是一款能够对ESXi主机和其上运行的虚拟机进行统一集群化管理的虚拟化平台。

DSwitch：分布式交换机(Distributed Switch)是虚拟交换机的一种，是vSphere平台上虚拟出的可以对多个ESXi主机进行集中式管理的高级交换机。vSphere分布式交换机是建立在vCenter Server的基础上，通过配置分布式交换机，对所有关联的主机的网络进行管理和监控。

vSwitch：vSwitch(Virtual Switch)指虚拟交换机或虚拟网络交换机，工作在二层数据网络，通过ESXi平台的软件方式实现物理交换机的二层(和部分三层)网络功能。

RDP协议：Remote Desktop Protocol,是一种多通道的远程桌面协议。

为了便于本领域人员更好的理解本实用新型，下面结合附图和具体实施例对本实用新型做进一步详细说明，下述仅是示例性的不限定本实用新型的保护范围。

如图1所示，为应用于本实施例所述的工业控制系统的上位机虚拟化系统，至少包括虚拟化服务器集群10，千兆网络交换机20，以及与虚拟服务器集群通过千兆网络交换机20连接的对应分布式工业控制系统上位机角色设置的瘦客户机30。其中，虚拟化服务器集群10至少包括万兆管理网交换机11和与万兆管理网交换机11通过网络连接的若干生产服务器12，生产服务器12用于运行虚拟机，虚拟机上运行对应分布式工业控制系统上位机角色的上位机软件,瘦客户机30通过千兆网络交换机20和万兆管理网交换机11对应访问虚拟机上运行的上位机软件，从而进行上位机软件的组态、监控。

根据图1，本方实用新型实施例的各组成部分的功能介绍如下：

生产服务器：为虚拟化平台及运行在其上的作为工程师站、操作员站等的虚拟机提供硬件基础。采用在祼机上运行虚拟化软件的标准x86服务器，虚拟化软件为虚拟机提供资源，并运行虚拟机。每台生产服务器12在虚拟环境中均称为独立主机。可以将许多配置相似的x86服务器组合在一起，并与相同的网络和存储子系统连接，以便提供虚拟化环境中的资源集合(称为群集)。本实用新型的技术方案以生产服务器12作为基础平台，在基础平台上通过部署虚拟化软件完成资源池化，并根据业务系统的不同需求生成不同配置的虚拟机，部署虚拟机操作系统及虚拟机业务应用。计算资源池承载控制系统上位机软件及其相关配套软件的计算需求。

备份服务器：对生产服务器12的运行数据进行相应的存储备份，从而保障数据的安全运行。备份策略可以选择完全备份、增量备份、差分备份等方案。当生产服务器12运行异常时，可以从备份服务器13上获取工程师站、操作员站等虚拟机数据，在生产服务器12上加载、运行。

万兆管理网交换机：承载虚拟化平台管理网络的流量，包括VMotion，HA等。

DCS网络交换机40：是一种应用于工业控制领域的以太网交换机。

控制站50：实现分布式工业控制系统控制的硬件中心。

IP网络：每台生产服务器12都可以有多个物理网络适配器，并接入控制网，关联虚拟化平台上的虚拟交换机(VDS)，使其上运行的操作站、工程师站等节点能够接入控制网，并具备可靠的网络连接。

瘦客户机30：瘦客户机30(thin client)是使用专业嵌入式处理器、精简版操作系统的基于PC工业标准设计的小型行业专用PC，以瘦客户机30通过通信协议连接虚拟机，作为对应角色的工程师站、操作员站等。

工程师站及操作站虚拟化：物理工程师站及操作站在服务器上虚拟化，承担的DCS管理功能不变化，人机操作界面不变化。但所有虚拟操作站和工程师站被统一管理，每台虚拟机的资源利用率以及运行情况可以很直观的显示出来，减少硬件维护工作，降低管理成本，提高CPU等硬件资源利用率。

容灾操作站60

采用工控计算机，不采用“生产服务器12+瘦客户端”硬件方案的DCS操作站。当虚拟化部署方案运行异常的情况，现场可以采用这个预留的DCS操作站进行临时监控。容灾操作站60对应的组态服务器、工程师站等可以采用虚拟化方案部署，日常DCS工程组态管理方式、监控操作方式和虚拟化操作站一致，当虚拟化方案发生异常死机等异常灾难时，容灾操作站60保留了现场数据监控功能。

在分布式控制系统中，对于操作员站角色，可以获取工艺过程信息和事件报警，对现场设备进行实时控制。操作员站直接从控制站50获得实时数据，并向控制站50发送操作指令；

对于工程师站角色，需要安装相应的组态平台和系统维护工具，通过系统组态平台可构建适用于生产工艺要求的应用系统，而使用系统的维护工具软件可实现过程控制网络调试、故障诊断、信号调校等，工程师站可创建、编辑和下载控制所需的各种软硬件组态信息。可同时具备操作员站的监控功能。

以将较早前应用的例如CPU为奔腾4的工控上位机硬件进行更新换代为例，对本实用新型的一种工业控制系统上位机虚拟化系统进行说明。由于老的工控机硬件已经不能满足系统和性能的要求，要更换的新的上位机硬件，但是旧设备硬件和新设备差别较大，原有的操作系统或者是上位机软件无法和新的硬件很好的适配，那么就通过上位机虚拟化系统解决这个问题。

本实用新型实施例中的上位机虚拟化系统还包括与生产服务器12和万兆管理网11交换机通过网络连接的工业控制系统的DSC网络交换机40，以及与生产服务器12通过DSC网络交换机40连接的工业控制系统的控制站50。

在本实用新型上位机虚拟化系统中的一些实施例中，还包括与生产服务器12和万兆管理网交换机11通过网络连接的备份服务器13，用于存储备份生产服务器12的运行数据，并在生产服务器12运行异常时，在生产服务器12上加载和运行备份服务器13上备份的虚拟机数据。

在传统的上位机系统上，一个物理加密狗对应一个授权。在其中一台生产服务器12上连接一个物理加密狗，其中物理加密狗和生产服务器12采用USB连接方式。为了使运行在虚拟机上的上位机软件都可以获得授权，将USB连接映射至需作为网络加密狗服务器的虚拟机，则将该虚拟机作为网络加密狗Server，获取软件的权限，并将权限通过网络授权其他安装上位机软件的上位机网络加密狗Client。

在本实用新型上位机虚拟化系统中的一些实施例中，还包括通过DCS网络交换机40与虚拟化服务器集群10连接的容灾操作站60，用于在工业控制系统上位机虚拟化系统运行异常时，保留现场数据并作为工业控制系统上位机。

应用本实用新型实施例中通过上位机虚拟化系统进行上位机虚拟化的具体实施方式如下：配置生产服务器12的磁盘阵列，然后对配置好磁盘阵列的生产服务器12安装ESXi环境，之后再搭建vCenter Server，从而构建vSphere集群。

在一些实施方式中，对生产服务器12首先进行存储空间配置。出于对数据冗余和存储利用率的考虑，我们优选对存储空间采用RAID 5配置方式。

若某些分布式工业控制系统项目规模较小，并且成本控制严格，则不需要搭建虚拟化服务器集群10，直接基于生产服务器12配置虚拟交换机。但是大多数的分布式工业控制系统的项目规模较大，那么就需要搭建虚拟化服务器集群10。

如果搭建虚拟化服务器集群10，则基于安装ESXi环境的生产服务器12之一搭建DNS服务器，并对DNS服务器参数进行配置，包括配置正反向查找区域等，从而确定查找对应主机的范围。然后对配置好DNS服务器参数的生产服务器12上安装部署vCenter Server，集中进行生产服务器12的大规模管理，从而构建基于vCenter Server统一管理的虚拟化服务器集群10。

无论是否需要搭建虚拟化服务器集群10，都需要配置虚拟交换机，从而实现虚拟交换机和物理交换机之间的网络通信。并且虚拟交换机需要为过程控制网A、B分配不同的vLAN池，可以实现过程控制网A、B和上位机虚拟化平台的通讯链路。在一些实施方式中，分布式工业控制系统项目规模较小的情况下虚拟化平台指的是ESXi软件平台，分布式工业控制系统的项目规模较大的情况下，虚拟化平台指的是vSphere软件平台。对应的，虚拟交换机包括了vSwitch和DSwitch，两者分别是ESXi平台和vSphere平台上的虚拟交换机。在虚拟化平台上安装虚拟机操作系统，并且对操作系统进行克隆。按照分布式控制系统的上位机角色进行克隆。如图1所示，分布式控制系统的上位机角色有工程师站、操作站、历史数据服务器站，设备管理站，OPC服务器，则根据实际需求对应对虚拟机操作系统进行克隆。

在一些实施方式中，存在上位机软件对应运行在不同操作系统的情况，那么就需要安装多种虚拟机操作系统，并对应上位机角色进行克隆。对应上位机角色的虚拟机上安装上位机软件，并在虚拟机上运行上位机软件。

在本实用新型的一个实施例中，优选瘦客户机30为一个带有显示器、网络接口、键盘、鼠标以及嵌入式CPU的最小系统。以对应工程师站角色的瘦客户机30为例，瘦客户机30通过RDP协议连接部署在生产服务器12上的虚拟机，从而实现上位机软件的组态、监控等功能。

以上仅描述了本实用新型的基本原理和优选实施方式，本领域人员可以根据上述描述做出许多变化和改进，这些变化和改进应该属于本实用新型的保护范围。

Claims (7)

1.一种上位机虚拟化系统，应用于分布式工业控制系统，其特征在于：

至少包括虚拟化服务器集群，千兆网络交换机，以及与虚拟化服务器集群通过千兆网络交换机连接的对应分布式工业控制系统上位机角色设置的瘦客户机；

其中，虚拟化服务器集群至少包括万兆管理网交换机和与万兆管理网交换机通过网络连接的若干生产服务器，所述生产服务器用于运行虚拟机，所述虚拟机上运行对应分布式工业控制系统上位机角色的上位机软件；

所述瘦客户机通过千兆网络交换机和万兆管理网交换机对应访问虚拟机上运行的上位机软件，从而进行上位机软件的组态、监控。

2.根据权利要求1所述的上位机虚拟化系统，其特征在于：还包括与生产服务器和万兆管理网交换机通过网络连接的工业控制系统的DCS网络交换机。

3.根据权利要求1所述的上位机虚拟化系统，其特征在于：还包括与生产服务器通过DCS网络交换机连接的工业控制系统的控制站。

4.根据权利要求1所述的上位机虚拟化系统，其特征在于：所述虚拟化服务器集群还包括与生产服务器和万兆管理网交换机通过网络连接的备份服务器，用于存储备份生产服务器的运行数据，并在生产服务器运行异常时，在生产服务器上加载和运行备份服务器上备份的虚拟机数据。

5.根据权利要求1所述的上位机虚拟化系统，其特征在于：还包括安装于任一生产服务器上的一个物理加密狗，所述物理加密狗基于安装的生产服务器对运行在虚拟机上的上位机软件授权。

6.根据权利要求1所述的上位机虚拟化系统，其特征在于：还包括通过DCS网络交换机与虚拟化服务器集群连接的容灾操作站，用于在工业控制系统上位机虚拟化系统运行异常时，保留现场数据并作为工业控制系统上位机。

7.根据权利要求1-6任一项所述的上位机虚拟化系统，其特征在于：所述生产服务器安装ESXi环境，并在任一配置DNS服务器的生产服务器上安装部署vCenter Server，以及，安装虚拟机操作系统。

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