流程行業(yè)MES系統(tǒng)的虛擬化硬件架構(gòu)

制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）是從企業(yè)經(jīng)營戰(zhàn)略到具體生產(chǎn)之間的橋梁和紐帶，其針對(duì)企業(yè)的生產(chǎn)運(yùn)行與管理信息的之間的脫節(jié)、滯后問題，實(shí)現(xiàn)企業(yè)從現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)與控制平臺(tái)到企業(yè)管理平臺(tái)的上下連通與信息共享，實(shí)現(xiàn)全生產(chǎn)過程的計(jì)劃調(diào)度、生產(chǎn)控制管理、物料平衡、能源管理、績效考核、成本監(jiān)測(cè)、設(shè)備管理、優(yōu)化控制等功能，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)企業(yè)信息的綜合集成，達(dá)到對(duì)生產(chǎn)過程實(shí)現(xiàn)全過程高效協(xié)調(diào)的控制與管理?；贛ES在流程行業(yè)企業(yè)的重要作用，一旦MES服務(wù)器系統(tǒng)停機(jī)或服務(wù)中斷，將造成程序的混亂和數(shù)據(jù)的丟失，直接影響到企業(yè)的正常生產(chǎn)和協(xié)作。雖然有容錯(cuò)服務(wù)器等硬件架構(gòu)的出現(xiàn)，從某些方面解決了高可用性的問題，但系統(tǒng)擴(kuò)容并不容易。然而由于MES模塊較多，一次實(shí)施完成所有功能模塊的成本和風(fēng)險(xiǎn)也非常大，分步實(shí)施是一個(gè)良好的策略，這就要求MES系統(tǒng)的硬件架構(gòu)具有高可用性之外，還要考慮良好的擴(kuò)展性能、維護(hù)便利性能等多種需求。

1．虛擬化技術(shù)

虛擬化從出現(xiàn)到今天，已經(jīng)進(jìn)入成熟期，開始進(jìn)入大規(guī)模應(yīng)用階段。虛擬化技術(shù)可以看作所有將不同的資源和邏輯單元?jiǎng)冸x，形成松耦合關(guān)系的技術(shù)集合。目前，提供虛擬化服務(wù)的廠家也很多，包括VMWare、Citrix、微軟等。對(duì)于虛擬化技術(shù)的分類有很多說法，就現(xiàn)行的虛擬化技術(shù)而言，可以分為三類。

1．1存儲(chǔ)虛擬化

在傳統(tǒng)的IT環(huán)境中，計(jì)算資源和存儲(chǔ)資源都是運(yùn)行在同一服務(wù)器上的，服務(wù)器訪問自身的存儲(chǔ)設(shè)備，在服務(wù)器升級(jí)、數(shù)據(jù)共享和數(shù)據(jù)安全等方面都存在較大問題。存儲(chǔ)虛擬化（storage virtualizafion）按照一定的虛擬存儲(chǔ)體系結(jié)構(gòu)將不同的物理存儲(chǔ)設(shè)備（如RAID、JBOD、磁帶庫等）通過不同的接口協(xié)議（如SCSI、iSCSI、iFCP等）整合成一個(gè)虛擬的存儲(chǔ)池，為用戶提供統(tǒng)一的數(shù)據(jù)服務(wù)，實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)資源的共享。

存儲(chǔ)虛擬化把原本分散在各個(gè)單獨(dú)服務(wù)器的存儲(chǔ)資源集中起來，提供統(tǒng)一的存儲(chǔ)服務(wù)。這樣一方面滿足了部分應(yīng)用對(duì)大存儲(chǔ)容量的需求；另一方面存儲(chǔ)資源集中起來后也利于日常的管理和維護(hù)，同時(shí)也便于對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一的備份、恢復(fù)和容災(zāi)管理，提高業(yè)務(wù)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)安全性，從而降低故障恢復(fù)時(shí)間，提升服務(wù)的可靠性和連續(xù)性。

1．2系統(tǒng)虛擬化

系統(tǒng)虛擬化（System Virtualization）也常被稱為服務(wù)器虛擬化（Server Virtualization），是把服務(wù)器擁有的各類資源抽象出來，以邏輯服務(wù)器的方式為用戶提供服務(wù)。在用戶面前的不是一個(gè)物理上的服務(wù)器，而是在同一物理服務(wù)器的操作系統(tǒng)之上運(yùn)行著的虛擬服務(wù)層中的一個(gè)操作系統(tǒng)實(shí)例。

通過系統(tǒng)虛擬化，可以在原本一臺(tái)物理服務(wù)器上安裝多個(gè)操作系統(tǒng)。管理員可以根據(jù)業(yè)務(wù)大小，分配一定數(shù)量的CPU、內(nèi)存和存儲(chǔ)容量。這樣既提高了系統(tǒng)資源的利用率，同時(shí)也可以實(shí)現(xiàn)各個(gè)邏輯系統(tǒng)文件式的備份和恢復(fù)，降低新業(yè)務(wù)系統(tǒng)安裝配置操作系統(tǒng)的時(shí)問，加快新業(yè)務(wù)系統(tǒng)的調(diào)試過程，滿足信息化建設(shè)快速發(fā)展的需求。

1．3網(wǎng)絡(luò)虛擬化

IT網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，并存著服務(wù)網(wǎng)絡(luò)、科研網(wǎng)絡(luò)、辦公網(wǎng)絡(luò)、生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)等多個(gè)網(wǎng)絡(luò)，這些網(wǎng)絡(luò)常存在于同一個(gè)物理網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，這就需要在保持網(wǎng)絡(luò)的高可用性、易管理性、安全性和可擴(kuò)展性的前提下，盡可能實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)和安全策略的集中。

通過VLAN、VPN、MPLS VPN等網(wǎng)絡(luò)虛擬化技術(shù)（Network Virtualization），可以滿足對(duì)網(wǎng)絡(luò)的訪問控制、路徑隔離、集中管理等要求，確保合法的用戶和設(shè)備訪問各自合理的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，并集中實(shí)施網(wǎng)絡(luò)訪問策略，降低網(wǎng)絡(luò)管理成本。

2．流程行業(yè)MES對(duì)系統(tǒng)硬件架構(gòu)的要求

MES對(duì)流程企業(yè)生產(chǎn)中的作用非常重要，由于流程行業(yè)生產(chǎn)的連續(xù)性，對(duì)MES系統(tǒng)的硬件架構(gòu)提出了比一般系統(tǒng)更高的要求。

2．1高可用性

高可用性主要包括四個(gè)特性：可靠性、可恢復(fù)性、錨誤檢測(cè)和可持續(xù)工作性。

（1）可靠性：可靠性分為硬件可靠性和軟件可靠性。MES整體任一環(huán)節(jié)上的故障都會(huì)影響到系統(tǒng)的正常運(yùn)行，整體運(yùn)行的可靠性對(duì)硬件的可靠性依賴很大。

（2）可恢復(fù)性：當(dāng)故障發(fā)生的時(shí)候，及時(shí)（即在業(yè)務(wù)需求允許范圍內(nèi)）判斷和解決發(fā)生的問題尤為重要，現(xiàn)有的架構(gòu)是否具備在SLA（service Level Agreement）約定時(shí)間內(nèi)恢復(fù)的能力。

（3）錯(cuò)誤檢測(cè)：如果在現(xiàn)有基礎(chǔ)架構(gòu)中，有某個(gè)組件發(fā)生故障，那么快速檢測(cè)和發(fā)現(xiàn)是另一個(gè)實(shí)現(xiàn)快速意外故障恢復(fù)的重要因素。1分鐘內(nèi)可以解決某個(gè)特定故障，如果系統(tǒng)需要花1個(gè)小時(shí)來發(fā)現(xiàn)這個(gè)故障，那么很有可能已經(jīng)無法滿足SLA的要求了，所以需要一個(gè)可靠監(jiān)控機(jī)制將故障或預(yù)警通知系統(tǒng)管理員。

（4）可持續(xù)工作性：當(dāng)容許的用以進(jìn)行系統(tǒng)維護(hù)的停機(jī)時(shí)間非常短的時(shí)候，可持續(xù)工作性就很必要，因此諸如數(shù)據(jù)庫軟件升級(jí)等維護(hù)工作時(shí)，就要求高可用性系統(tǒng)使這樣的維護(hù)盡可能地對(duì)用戶透明，也就是沒有影響。

2．2可擴(kuò)展性

可擴(kuò)展性是根據(jù)MES項(xiàng)目的實(shí)施特點(diǎn)而形成的要求，包括兩個(gè)方面，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的可擴(kuò)展性和計(jì)算能力的可擴(kuò)展性。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方面：流程行業(yè)的生產(chǎn)數(shù)據(jù)是企業(yè)最寶貴的信息資產(chǎn)，每分鐘都有大量的工廠基礎(chǔ)數(shù)據(jù)被收集到MES系統(tǒng)中，長期運(yùn)行的狀態(tài)下必然需要大容量的存儲(chǔ)才可以保證系統(tǒng)的數(shù)據(jù)完整性。由于IT系統(tǒng)硬件價(jià)格的特點(diǎn)（可能一年前和一年后，一塊高端硬盤就會(huì)下降到之前一半的價(jià)格），集中采購肯定不是最佳的方案，只有系統(tǒng)良好的擴(kuò)展能力才能保證滿足項(xiàng)目后期逐步增加的存儲(chǔ)需求。

計(jì)算能力方面：MES模塊眾多，企業(yè)為了降低項(xiàng)目實(shí)施的風(fēng)險(xiǎn)和費(fèi)用，也會(huì)采用分步實(shí)施的策略，隨著工廠進(jìn)入系統(tǒng)的應(yīng)用模塊越來越多，系統(tǒng)負(fù)荷越來越大，MES系統(tǒng)后期計(jì)算能力的擴(kuò)展提升潛力也是必須要考慮的一個(gè)因素。

3．MES在虛擬架構(gòu)上的實(shí)現(xiàn)方法

MES性價(jià)比是企業(yè)做出方案選擇的出發(fā)點(diǎn)，虛擬化不是目的，而是一個(gè)高可用性和可擴(kuò)展性的實(shí)現(xiàn)手段。現(xiàn)給出一種MES系統(tǒng)在虛擬架構(gòu)上性價(jià)比較高的一種實(shí)現(xiàn)方案。

本方案的主體部分是兩臺(tái)安裝了VMware ESX Server的服務(wù)器，并利用一臺(tái)普通服務(wù)器安裝vCenter作為管理端。ESX Server為底層虛擬操作系統(tǒng)直接安裝在物理服務(wù)器的裸機(jī)上，將物理服務(wù)器上的處理器、內(nèi)存、存儲(chǔ)器和網(wǎng)絡(luò)資源抽象到多個(gè)虛擬機(jī)中，多個(gè)虛擬機(jī)封裝為文件存儲(chǔ)于SAN上，通過萬兆交換機(jī)與虛擬服務(wù)器進(jìn)行通訊。在這些虛擬機(jī)上，分別實(shí)現(xiàn)流程行業(yè)MES所對(duì)應(yīng)的各種功能模塊。

通過高級(jí)資源管理、高可用性和安全功能提高了服務(wù)級(jí)別。vCenter Server務(wù)器為虛擬環(huán)境提供了集中化管理、操作自動(dòng)化、資源優(yōu)化和高可用性，降低了維護(hù)成本。方案中，采用基于IP SAN集中存儲(chǔ)方式，這樣可以將每個(gè)虛擬機(jī)的文件系統(tǒng)創(chuàng)建在共享的集中存儲(chǔ)陣列上，多個(gè)ESX Server同時(shí)訪問同一虛擬機(jī)存儲(chǔ)，保證了服務(wù)器硬件宕機(jī)的時(shí)候，能夠快速恢復(fù)和啟動(dòng)MEs服務(wù)。通過VMware的VirtualCenter、VMotion、DRS和HA提供的基于虛擬化的分布式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)服務(wù)，架構(gòu)實(shí)現(xiàn)了資源的動(dòng)態(tài)合理分配，保證了每一個(gè)MEs服務(wù)都可以得到所需的計(jì)算資源和存儲(chǔ)資源。由于VMware的虛擬架構(gòu)系統(tǒng)中的虛擬機(jī)實(shí)際上是被封裝成了一個(gè)檔案文件和若干相關(guān)環(huán)境配置文件，通過將這些文件放在存儲(chǔ)陣列上的VMFS文件系統(tǒng)中，可以讓不同服務(wù)器上的虛擬機(jī)都可以訪問到該文件，從而消除了單點(diǎn)故障。

4．結(jié)束語

MES的硬件架構(gòu)對(duì)其運(yùn)行和維護(hù)都非常重要，本文針對(duì)流程企業(yè)的一些特殊要求，給出了基于虛擬化的一種MES硬件架構(gòu)。系統(tǒng)的整體架構(gòu)中，可以看出存儲(chǔ)是最關(guān)鍵的部分，虛擬機(jī)的正常運(yùn)行完全依賴于存儲(chǔ)上的文件，但這也恰恰改變了以往軟件系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫等關(guān)鍵內(nèi)容分散在整個(gè)系統(tǒng)的不同位置，環(huán)節(jié)中多故障點(diǎn)的情況，現(xiàn)在只要簡單備份存儲(chǔ)，即可保證整個(gè)MES系統(tǒng)的安全，可以隨時(shí)完整恢復(fù)，且該存儲(chǔ)支持RAID5和RAID10，少量硬盤損壞的情況下，系統(tǒng)可自動(dòng)在線重建，從而很好地保護(hù)了系統(tǒng)的安全，如果用戶需要更高級(jí)別的安全性，還可以另行添置遠(yuǎn)程災(zāi)備系統(tǒng)。