基于Xen的工业过程综合监控平台设计与实现

收稿日期：2013-06-24

基金项目：国家“863”计划重点项目(2011AA110202)

作者简介：叶 莹（1980―），男，湖北咸宁人，工程师,学士，研究方向：现场工业控制及系统应用。

文章编号：1003-6199(2014)02-0034-04

摘 要：随着现代工业生产自动化水平的提高，监控平台已经成为自动控制系统中必不可少的部分；近年来信息化技术的发展要求工业企业破除各装置之间存在的“自动化孤岛”壁垒，实现统一的系统监控、身份认证以及软硬件平台的高度可靠。本文基于Xen实现统一监控虚拟化软硬件平台，并在其上完成主流监控软件（Ifix/PIMS/VXSCADA）的部署，进行冗余热备机制和高度可用性等技术的试验，实现异构监控平台的统一部署、统一接入和即插即用。

关键词：虚拟化技术；工业控制；监控平台

中图分类号：TN081文献标识码：A

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The Design and Implementation of a Comprehensive Monitoring Platform for Industrial Process Based on Xen

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YE Ying1k, HAN Bing1,CHEN Peng1,2,WANG Wei1

(1.Zhejiang SUPCON Research Limited Company, Hangzhou,Zheijiang 310053, China;

2.Institute of Cyber-Systems and Control Zhejiang University, Hangzhou,Zheijiang 310053, China)

Abstract:With the development of the automation technologies in modern industrial production, SCADA has become an essential part in automatic control system. The development of information technology requires industrial enterprises to break the barriers known as “isolated automation island” between each device, realizes the unity of the system monitoring, the identity authentication and high reliable software/hardware platform. In this paper, a unified monitoring software/hardware platform based on virtualization technology has been designed with the help of Xen, and several mainstream SCADA software (Ifix/PIMS/VXSCADA) are deployed on the platform. Besides, redundant hot standby mechanism and high availability technologies are studied to realize the unified deployment/access and plugandplay of different SCADA software.

Key words:virtualization technology;industrial control;Supervisory Control And Data Acquisition (SCADA)

1 引 言

随着微电子技术、计算机控制技术、工业以太网技术及现场总线技术的发展，作为通用的自动化系统开发与实施工具软件――工控组态软件日渐成熟。由于其在构建工业控制系统的过程中免去了大量烦琐的编程工作，极大地提高了自动化系统开发、实施和运行管理过程中的工作效率，近年来，工控组态软件在中小型工业过程控制工程、工业自动化工程中越来越受到欢迎［1］。

目前，世界上有不少专业软件/硬件/系统厂商生产和提供各种组态软件产品，如Ifix，PIMS，VXSCADA，组态王等，这些产品在工业控制系统中得到了广泛的应用，为提升我国工控企业的自动化水平做出很大的贡献；然而，各组态软件间的兼容性较差，很难进行信息的交互，形成了企业内部的“信息孤岛”；控制算法和核心指令均通过监控计算机实施，一旦软硬件出现问题，就会对企业生产造成巨大的损失，且系统的恢复以及维护均需要专业人员现场完成，工作量巨大。信息化技术的发展对工矿企业的自动化系统提出了更高的要求，即具有高度的信息互通互联、统一身份认证、即插即用以及高度的安全性/可用性，同时系统配置、维护和升级简单方便。

传统的监控系统和组态软件均采用C/S架构，其优点是客户端响应速度快，处理能力强。这种模式比较适用于在小规模、并发用户少且有安全性保障的局域网环境中运行。但随着信息技术以及用户需求的发展，传统C/S架构的监控系统暴露出许多问题，其局限性表现在如下几个方面［2］：

1)部署困难。除了要安装服务器软件外，对每台客户机都要安装专用的客户端软件，对于大型分布式系统来说，不便于管理。

2)监控系统软件产品大都缺乏开放的标准，一般不能跨平台运行。在多数情况下，客户端的操作系统是不同的，与此对应的客户端程序也是不┩的。

3)移植性差。如果用户分布范围广，造成系统维护难度大，移植、升级困难，成本较高。

4)可扩充性差。对于服务器端的数据库，它必须同每一个活动的客户端保持连接，服务器有限的系统资源将被用于频繁应付与客户端之间的连接，无法及时响应数据请求，系统性能不断下降。

基于上述现有工业监控系统平台的不足，本研究引入基于Xen的虚拟化技术对硬件资源进行整合，实现了统一监控虚拟化软硬件平台，并基于虚拟机完成了主流监控软件（Ifix/PIMS/VXSCADA）的安装和部署，通过统一的虚拟机监视器(Virtual Machine Monitor，VMM)对运行在虚拟机之上的数据服务/监控服务应用进行配置和管理，同时虚拟化技术的引入可进行动态迁移，实现不宕机情况下应用程序的转移［3］，保证工业现场监控连续性。为达到监控和管理工业生产的目的，需要实现对虚拟机桌面进行访问和操作，本研究使用身份认证机制，实现用户权限的识别，最终实现了异构监控平台的统一访问、即插即用和高度安全性/可用性。

计算技术与自动化2014年6月

第33卷第2期叶 莹等：基于Xen的工业过程综合监控平台设计与实现

2 虚拟化技术分析

虚拟化技术是指在一个计算机硬件平台上模拟多个独立的、结构和实际硬件相同的虚拟硬件系统，在每个虚拟硬件系统上都可以运行不同的操作系统，即客户操作系统 ［3］。虚拟化的概念最早由IBM公司在上世纪六十年代提出，并成功运用在IBM大型机System/360上［4］。虚拟化技术能够动态组织多种计算资源，实现透明化的可伸缩计算系统架构，从而可以灵活构建满足多种应用需求的计算环境，提高计算资源的使用效率，除此之外虚拟化技术还有降低管理成本、提高使用灵活性、提高安全性、更高的可用性、更高的可扩展性、互操作性和投资保护、改进资源供应等特点［5］。因此，虚拟化技术是IT基础设施和资源管理方式的变革，降低了资源使用者和资源之间的联系度［6］。

本文进行10次试验统计服务中断时间，试验结果如表3所示。在10次测试中，统一监控平台都实现了对虚拟机通讯的监测，并在虚拟机迁移后实现监控的自动开启。 VXSCADA监控服务中断时长均在在2秒以内，基本可以满足工业监控需求。基于上述技术，可以为用户提供不间断的监控服务，实现监控平台的高可靠性/高可用性。

从以上分析和实际验证效果可以得出，本研究在所开发的系统上成功部署了多种主流工业监控软件，实现了异构监控平台的统一访问、即插即用和高度安全性/可用性，该系统能够取代传统的硬件配置方式应用于工业化生产监控过程。

4 结 论

本文使用Xen技术创建了服务器集群的虚拟化软硬件基础平台，在其上部署工业监控软件，为保证工业监控的安全性/可用性，开发统一监控平台，对用户身份进行验证，并对用户访问监控软件进行控制，形成了一整套基于异构组态软件的工业控制虚拟化监控方案，并通过试验验证了其有效性。未来将会对资源分配策略、迁移策略等方面技术进行深入研究，进一步提高虚拟化技术稳定性及高效性。

随着工业自动化技术的发展以及虚拟化技术的进一步成熟，虚拟化技术有望在更多的工业自动化领域得到推广。

参考文献

［1］ 罗媛,工控组态软件的开发［D］.贵州：贵州大学,2008.

［2］ 张修建,基于Web的工业污水远程监控系统的设计与实现［D］.秦皇岛：燕山大学,2011.

［3］ 石磊,邹德清,金海,Xen 虚拟化技术［M］.武汉:华中科技大学出版社,2009.

［4］ PADEGSA.System/360 and Beyond, IBM Journal of Research and Development［J］.Vol25(5), p377-390, 1981.

［5］ 张小虎,基于Xen的系统监测技术研究［D］.西安:西安工业大学,2011.

［6］ DAVID CHISNALL,The Definitive Guide to the Xen Hypervisor［J］. Prentice Hall. Nov.，2007.

［5］ 江雪 基于XEN虚拟机的动态迁移技术研究［M］.上海：上海交通大学,2009.

［7］ 曹欣 半虚拟化技术分析与研究［D］.杭州：浙江大学,2008.

［8］ 惠新忠 XEN虚拟I/O优化策略［D］.大连：大连理工大学,2010.

［9］ 孟江涛 XEN虚拟机研究［D］.杭州：电子科技大学,2010.

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［11］A江雪,李小勇,虚拟机动态迁移的研究［J］.计算机应用,2008,28(9),2375-2385.