工厂虚拟化技术
发布时间：2013-07-13 作者：Joel Conover
物尽其用
虚拟技术和虚拟设备技术不仅能够改善设备的利用率，还能够降低成本。
Joel Conover
在经济激烈竞争的时代，利用较少的资源实现更多的利益能够帮助生产企业在竞争中存活下来。虚拟技术和虚拟设备是被企业IT系统广泛采用的技术，在工厂部署、升级和维护方面可以带来诸多实际的好处。虚拟技术能够整合工作量，提升利用率，降低运营、固定资产、空间、能源和制冷成本。如果在集中网络上采用虚拟技术，生产厂商可以获得更大的管理便利，同时还能提升应用性能。
便于管理
在虚拟的环境中，控制系统、服务器和各种服务可以比实际的控制系统、服务器和服务更加快速地执行，无需几个小时或者几天的单调且会发生潜在误差的手工配置。在统一的系统管理软件平台下，例如Cisco UCS管理器，使用基于角色和基于政策的管理模型，设计工程师和控制系统操作人员能够在几分钟内实现复杂的变更和新的部署。这为系统中生产设计的变更、升级或者重新配置提供极大的灵活性。而且，虚拟技术可以提供不同的视角实施有效的远程管理，深入安全和政策实施层面，借助远程管理的特点，将其扩展至工厂车间。这样一来，设计工程师或者控制系统工程师就能够对一个组件实施管理、升级或者移除作业，不会危及整个IT集成系统的其他部分。
例如，Cisco公司的UCS管理器提供角色管理模型，将大多数生产厂商已经存在的IT规则和控制系统规则隔离开来。使用这种角色模型，网络管理员可以定义所有的网络规则，服务器管理员可以对这些规则进行合并和参考，不会影响其他网络管理员同事。同时，设计工程师可以聚焦于生产执行系统定义的商务过程，而无需聚焦于每一个独立的系统配置细节。
可用性和安全性
虚拟系统能够改善生产系统的可用性，通过一些技术避免停机，例如虚拟设备故障自动重启技术，以及同一硬件平台或者不同硬件平台下的不同虚拟设备的自动故障冗余技术。在商业环境中，停机就意味着经济损失，这些能力可以极大地缓和由技术故障造成的停机风险。
在虚拟系统中，安全性更加灵活，可以通过规则模板进行管理。一种常见的技术就是将虚拟设备独立于虚拟LAN上，使用这种技术，不同的系统可以具备不同的安全层级，可以对数据的读取进行控制，例如放行一些需要适度开放的作业（分析作业），对一些作业视情况禁止（控制系统），甚至严格禁止（机器人）。
应用性能
虚拟技术让你能够将能力和性能分配到最需要的方面，有些人可能会对共享资源的效率持怀疑态度，而现实世界的实践证明了这种怀疑是毫无根据的。
虚拟技术的全生命周期考量
这种新方法能够帮助一些老旧的平台获得更长的服役时间。
Paul Hodge
大多数工业过程用户在寻求一种方法，使其能够最长时间地维持使用一种特定的控制系统平台，这主要有两个原因：提升投资回报和降低作业的中断时间。虚拟技术是一种重要的技术，它能够帮助减少硬件更新的频率、降低每一次更新的成本、减轻每一次更新对过程运营的影响，这些帮助都有助于提升投资回报和减少作业中断。
在考虑虚拟技术如何改善作业时，用户的思考应该深入生命周期的多个层面，这些层面包括：
■ 物理硬件；
■管理程序（VMware、Hyper-V等等）；
■ 虚拟硬件；
■ 虚拟驱动器；
■ 操作系统；
■ 应用程序。
物理硬件
虚拟技术能够实现操作系统及应用程序层面与物理硬件之间的抽象化和隔离。这种技术减少了操作系统和应用程序对于硬件的依赖程度，用户在决定哪一个供应商或者哪一个平台能够满足自身的需求、可靠性和目标时可以有更好的选择。然而，用户需要明白这种技术还创建了管理程序和硬件之间的另一种依存关系，因此，必须考虑管理程序和所选择的硬件之间的兼容性，以及这种硬件组合的服役时间。
打破禁锢 重获新生
虚拟技术能够跨越距离的束缚，利用任何位置的资源。
Grant LeSueur
多年以来，虚拟计算技术对于IT领域来说已经是一项不可或缺的技术，生产制造和过程自动化领域对这项技术的接纳较为缓慢，然而随着技术的演变，我们开始看到这种技术对于工厂环境带来的显著影响。实际上，虚拟技术将会迅速改变自动化供应商的开发过程和产品供应，帮助调试其系统和解决方案。
打破固有顺序
总体来说，事件的固有顺序影响了项目的效率。首先，在产品准备阶段，针对生产需求设计系统、采购设备、系统搭建和测试、系统验证和运输，最后是工厂试运行。在那之后，开始进入运营阶段，新系统开始发挥作用，硬件到达寿命时被更换，系统升级具有全新的软件能力。
通过改善这两个阶段，虚拟技术改进了传统的递交模型。施工和测试以前只能够在实际设备就位之后才能够按顺序开始，有了虚拟技术之后，供应商可以另辟蹊径。项目递交过程可以在世界上任何一个地方完成，使工程师能够摆脱物理硬件的禁锢。具有特殊技能的个体不管身处何处，哪怕距离硬件几千英里以外，也可以将其技能应用于系统施工中。
项目递交方面的好处
在项目递交阶段，相比于传统的等待采购设备然后安装硬件和软件的方式，虚拟技术可以更加快速地完成系统建立和运行。不仅仅是需要更少的设备，更重要的是采用虚拟设备，项目可以更早地进行试运行。硬件只有在系统设计完成后才会进入采购和递交阶段，然后在现场进行初步安装，这时工程配置还谈不上。由于虚拟设备能够采用文件复制这种简单的模式，所以工程师能够在虚拟环境中创建一整套系统。工程不一定要在系统安装现场实施——而是可以在世界上任何一个位置，然后再进行系统搭建和测试，这对于最终用户来说更加方便。
创建可以重用的工程
在虚拟设备中使用模板可以节省软件重新编写的时间。
Anthony Baker
VMware vCenter模板为联合工程、系统集成商和其他工程团队提供了标准化作业的机会，简化了在每一个站点和客户处部署通用系统组件的过程。模板为自动化软件的安装和配置提供了一个通用的开始节点，为每一个工作站和服务器搭建一套控制系统会花费数天的努力：规划系统架构、检查兼容性、安装操作系统并打补丁以及配置应用程序。如果没有正确操作，每一步都会引入风险。
有了虚拟技术，时间和风险可以极大地降低。采用虚拟设备（VM）模板，只需要几分钟即可，而不是几天。某些具有特定软件和操作系统的自动化供应商可以提供工作站和服务器的模板，用户也可以针对特定系统自行开发。
复制现有配置
VMware vCenter服务器允许系统管理员根据现有VM创建模板，你的工程师可以为不同的工作站搭建标准的VM，例如操作员工作站或者工厂工作站，这些工作站都包含明确的操作系统和软件。这种标准VM被转化成模板，在其他系统工作站的实施过程中成为“点金石”，如果用户决定对其进行扩展，它也可以重用。
在未来扩展时，用户不再需要担心安装介质和硬件，或者担心系统兼容性，如果用户需要额外的操作员工作站，他只需要随时通过模板生成新的VM即可。
标准化镜像在验收阶段极其有利，有了它就无需对每一个站点进行测试——不仅仅是在项目初装时，在系统的整个生命周期中只要工作站需要维护或者更换就需要验收。如果硬件损坏（例如一个精简客户端），只需要更换新的硬件即可，无需更改镜像，也无需对操作系统和软件重新验证。
准备好你的配电系统
相比于传统的架构，虚拟技术对你的基础设施有一些不同的要求。
Jim Tessier
通过增加服务器的利用率，虚拟技术将实现令人难以置信节省，包括服务器数量、尺寸，功耗和冷却要求。然而，为了在不牺牲电气可靠性的前提下获得这些优点，几个重要的电力分配挑战必须加以解决。
举个例子来说，虽然整体功耗会更低，但是易变性和聚集度会更高。例如在一个非虚拟化平台上，服务器的CPU平均运行在10%-15%的性能区间内。通过虚拟化技术，这一数字上升到约70%-80%。随着CPU使用率的增加，每台服务器的功耗也会增加。
系统的可用性变得尤为重要，因为服务器将要承担更大的工作量。为了保护服务器，需要提升功率保护和功率分配的封装层级密度。基于外壳的电源模块能够在仅仅几个U（一种表示机架式服务器外部尺寸的单位，是unit的缩略语）的机架空间内分配36kW的能耗。这些模块以一个有序的方式覆盖4-45个位置，以满足广泛的功率密度的需求。
另外，需要先进的基于外壳的PDU（电源分配单元），可以从任何公司的内网或互联网上查看每个电路的安全状态，自动报警潜在的问题。
不断增加的电力需求
对于电力系统，你将会需要确保现有的电路能够支持高密度的计算系统。传统上，工厂管理者可以为每U的机架空间分配大约60至100W的功耗，所以一个完整的机架设备平均为3-4kW。今天的刀片服务器已经升级到600至1,000W每U，这一数字稳步增长，可能很快就会达到每机架高达40kW。
5-10年之前，典型的计算机房的设计是为每一个机架配以20A、208V电路，或者每一个机架的功耗不高于3.5kW。如果现在必须在每个阵列上支持20kW的设备，那么就会占用6个这种20A的电路。现有的电力基础设施将无法支持这种负载增长，特别是在双接线或者三接线绳负载大行其道的今天，很容易出现短路。