[技术]工业系统虚拟化测试平台搭建

作者: hackliu 分类: 技术文章 发布时间: 2018-09-02 00:06

    当前工业控制领域虚拟化发现情况,基于虚拟化技术搭建的工业自动化测试平台,多个品牌多套控制系统有机融合在一个虚拟化环境里,可以提供一个虚拟化的工控靶场环境。

一、系统概述

    基于虚拟化技术搭建的工业自动化测试平台。多个品牌多套控制系统有机融合在一个虚拟化环境里。对最终的客户或学院屏蔽底层细节。模拟真实的Engineer和Operation 工作站环境。从以太网端口镜像可以截取真实的报文。

二、工业自动化虚拟测试平台

1. 目前暂时未完全实现虚拟化的系统

施耐德-福克斯波罗 I/A DCS和Evo DCS系统

    Foxboro(福克斯波罗)的DCS系统采用专用的MESH网络,该网络基于以太网原理但又不同于以太网。计算机工作站里需要插入专用的MESH网卡。目前暂时未完成虚拟化的主要问题是该MESH网卡暂时未提供“经过VMware 或Citrxi、KVM等验证测试过的驱动程序”。 

横河 Centum VP DCS系统;

    Yokogawa(横河公司)的DCS系统此前采用VNet专用控制网,后升级为VNet/IP控制网。底层基于 TCP/IP协议,网络模型基本上符合以太网原理,但又和以太网有着较大的不同。计算机工作站里需要插入专用的VNet/IP网卡(VI702网卡)。目前暂时未完成虚拟化的主要问题是该VNet/IP网卡暂时未提供“经过VMware 或Citrxi、KVM等验证测试过的驱动程序”。

2. 已经测试并大规模应用于实际工业现场的系统

Siemens公司

  • Siemens PCS7 DCS系统英文版。 国内应用业绩较少。主要原因是中文版本PCS7 DCS系统使用了USB 硬加密锁,该加密锁在映射至虚拟机时,有一定程度的兼容性问题。 而英文版本PCS7 不采用USB硬加密锁。所以英文版PCS7 在欧洲和美洲有大量项目实例运行在虚拟化环境内。 目前中文版和英文版没有功能差异,主要的差异就是在于“界面”是英文语言还是中文语言。

  • Siemens Step7 + WinCC PLC系统 目前测试应用实例很多。

  • Siemens TIA Portal Step7 + WinCC PLC系统 目前博图平台软件在新版本中已经考虑了虚拟化环境运行问题。 但是中文版本的博图WinCC 依然有USB硬加密锁的问题存在。 而同样的,英文版不存在该问题。

  • Siemens SPPA-T3000 DCS 系统 T3000 DCS系统大约从2007年开始大面积部署在虚拟化环境里。 西门子公司发布的环境为Citrix公司的Xen Server。 经测试,其系统充分考虑了虚拟化环境下的运行问题,在VMware vSphere和KVM系统上搭建测试环境,也没有问题。 T3000 DCS系统主要用于大型火电厂,燃气发电,核电站常规岛控制部分。

Rockwell-AB 公司

  • AB公司的编程软件Studio 5000 经测试AB公司Studio 5000 PLC编程软件V20以上版本完全兼容各个虚拟化环境。并且从V19版本开始,AB公司在诸多大项目中开始实际应用虚拟化环境的解决方案。

  • AB公司的人机界面监控软件FT View 目前新版本的FT View软件统一了AB公司老版本的,RSView SE、RSView32和RSView ME。 并且以后只有FT View一个整合的版本。新版本的FT View除了功能更加强大外,还支持虚拟化环境。 除了欧美一些项目外,在中国国内也已经有多个超大项目使用了虚拟化环境,也有多个中等项目运行在虚拟化环境里。

  • AB公司的其他软件 目前资产管理软件FT Asset Center、实时数据库软件FT Histrion、 Web Server门户软件FT View Point 均可运行在虚拟化环境下。 

GE 公司

  • PAC8000 系统

  • iFix监控软件 iFix监控软件在中国十分流行,甚至其流行和普及程度远远超过iFix在北美的流行程度。目前新版本的iFix可以运行在虚拟化环境内。 iFix软件保护版权采用的是USB硬加密锁方式。目前可以使用USB Over EtherNet 转换设备将USB硬加密锁转换至以太网链路,可以使得虚拟机内的软件识别到。兼容性还不错。

  • Cimplicity 监控软件 Cimplicity软件可运行在虚拟化环境内。USB硬加密锁解决方法同iFix。

  • Proficy ME编程软件 Proficy ME从2006年开始起就对虚拟化环境没有任何的“限制”,即在没有宣布正式支持虚拟化环境的时候,Proficy ME软件已经可以正常的稳定的在虚拟化环境内运行,时间达十来年之久。

  • GE-Xinhua OC6000E DCS系统 GE新华的DCS系统。也可稳定运行在VMware虚拟化环境和Citirx环境中。KVM和Hyper-V环境据反馈尚有一些Bug。

ABB 公司

  • AC500 PLC系统

  • Freelance DCS系统

  • 800xA DCS系统 因为800xA DCS系统安装恢复等过程十分复杂,ABB公司推荐采用虚拟化分发部署的方式来实施项目。除了确保兼容性稳定性外,还可以大大提升项目实施的效率。

  • Symphony Plus系统 Symphony Plus系统也充分考虑了虚拟化环境运行问题。关于授权加密锁也要丰富的解决方案。 而传统的老版本的Symphony系统则目前无法运行在虚拟化环境内。 主要原因在于其使用了专用的Scsi 接口卡。该接口卡运行在虚拟化环境内有很大的兼容性问题。

Emerson公司

  • Ovation DCS系统 目前在火电厂项目实际应用中运行在虚拟化环境的业绩尚不多。反而是最近几年核电厂新项目中Ovation系统开始广泛采用虚拟化技术。 Emerson公司内部的所有测试环境均为虚拟化环境。

  • DeltaV DCS系统 DeltaV 自V10.3.1版本起,运行在虚拟化环境内没有任何问题。 官方推荐虚拟化环境为VMware。 但是测试Citrix也无问题。 DeltaV采用USB硬加密锁。需要USB Over Ethernet解决方案。

Honeywell公司

  • Honeywell PKS DCS系统 PKS DCS系统从R410版本开始可运行在虚拟化环境内;从R430版本开始官方推荐运行在虚拟化环境内而不是实体机环境内。 R311版本我们也因为一些特殊的项目需要,进行了充分的系统测试。除了对网卡,显卡有一些限制条件外。也可以稳定运行在虚拟化环境内。 Honeywell公司在新功能的拓展上,表现的态度为“积极甚至激进”。很多新功能往往是业界第一个支持,第一个推出。 Honeywell更老版本的DCS系统,如TPS等,目前不可以运行在虚拟化环境中。不过这些老系统虽然在工业现场还有大面积的应用,但是Honeywell公司已经将其停产超过10年了。

  • Honeywell HS Scada软件 HS Scada软件可运行在虚拟化环境内。 USB硬加密锁解决方案也采用USB Over Ethernet。

  • Honeywell SM SIS系统 

浙大中控、和利时、新华、国电智深、科远

  • 浙大中控Supcon Supcon目前JX-300XP、ECS-100、ECS-700 均可运行在虚拟环境中。 AdvantTrol Pro 和Super Visual软件也没有问题。 USB硬加密锁解决方案同上所述。

  • 和利时 和利时KM系统,MACS V6.X软件可运行在虚拟环境内。 MACS V4.X软件目前暂不能运行在虚拟环境内。 MACS V5.X软件官方未做充分测试。因为目前也不再主推V5软件。所以其稳定性不好验证。

  • 新华 新华OnXDC 系统可以运行在虚拟化环境内。

  • 国电智深 国电智深EDPF-NT+ 也支持虚拟化环境。

  • 科远 科远公司宣传支持虚拟化环境。但是未获得其软件进行测试验证。

Schneider(施耐德)公司

  • 施耐德Unity Pro PLC编程软件支持

  • 施耐德Citect Scada监控软件新版本支持虚拟化环境

  • 施耐德Clear Scada监控软件支持虚拟化环境

  • 施耐德Intouch 监控软件新版本支持虚拟化环境

  • 施耐德Intouch-WAS 企业版监控软件支持虚拟化环境

  • 施耐德-福克斯波罗 Evo Scada软件支持虚拟化环境,并推荐虚拟化环境

  • 施耐德-泰尔文特 OASys DNA Scada软件支持虚拟化环境。 可多平台并存,如Server采用Windows或Linux,数据库采用SUN Solaris,操作站采用Windows。 为减少系统兼容性,降低实施难度,泰尔文特公司也推荐虚拟化部署。

施耐德公司目前旗下拥有最多的HMI/Scada软件产品。小中大型均有。 主流、非主流也有。Windows平台和非Windows平台也都有。

Omron、Mitsubishi、Beckoff等

因为工作原因,对Omron和Mitsubishi相关产品近十年内未再关注和测试。 暂不清楚具体情况。 倍福公司(Beckoff)倒是宣称完美支持虚拟化环境。并且有相关业绩证明。

3. 虚拟化测试平台的搭建

虚拟化平台的选择。

拟采用VMware vSpher或者Citrix XenServer。如果是单一平台时,倾向于VMware。 或者不排除考虑,2种平台均搭建。 目前绝大部分自动化行业领导者均优先支持VMware的系统。 拟用版本vSphere v6.0u3. 暂不考虑使用最新版本v6.5 。已降低系统Bug造成的潜在风险。

系统搭建步骤

  • 搭建服务器硬件资源池。

A方案,采用10台低配置的HP MicroServer Gen8 或者类似机器。
每台服务器内正常时只运行1-2个VMs(虚拟机实例)。
数量多,但是每台单价低。此时因为虚拟机不集中运行在少数量机器中。风险也较低。同时MicroServer  Gen8这类机器体积小巧。
搬迁、拆卸、维护也方便,占用空间并不比三四台大型服务器多,甚至占用空间更小。

B方案,采用2-4台(根据项目的实际需求)DELL R920或者HP ML350P Gen9这类大型服务器。
每台服务器运行4-6个VMs。服务器数量控制在2-4台。一般的实验室,2台即差不多可满足要求。
因为多个VMs运行在同一台硬件上,因此建议必须采用冗余的热插拔电源,冗余的热插拔阵列硬盘。
服务器内也须插多个网卡。最好每个VMs都有自己独立的网卡。

C方案,可采用今年来流行的四子星、八子星等硬件,如DELL C6320或HP SL230S 等刀片式服务器。
一般每个刀箱可容纳4个或8个刀片服务器。
刀片配置可高可低。
也可以一开始就配置较高配置的刀箱,但是刀片数量初期保持为3-4个,后期可以慢慢再根据实际需求,经费预算进行扩展。
刀片式一般均为冗余热插拔电源。

D方案,采用美国容错(Stratus)、日本NEC、中国海得等容错服务器硬件平台。
系统运行在硬容错平台的虚拟化环境内。
系统安全性大大提升。
但容错平台相对较昂贵。
  • 搭建VMware vSphere平台 按照硬件厂家推荐的vSphere版本,严格遵照部署手册,部署vSphere平台。 应充分考虑到兼容性、可扩展性、容错性。

  • 搭建虚拟化环境内的自动化软件环境 须严格按照各个自控系统厂家推荐的方式来部署虚拟化环境。 对于要求网卡直通的软件必须设置网卡直通。 对于不要求网卡直通的软件推荐采用网卡直通。 为降低兼容性风险,应尽量采用较新的自动化软件版本。

  • 搭建自动化控制网络 有的PLC系统网络可以合并在一套交换机上。 而有的DCS系统网络必须是单独的一套或者两套交换机。 当系统厂家众多时,网络会显得十分凌乱,需要丰富的经验进行梳理。 对于能合并的尽量进行合并。 对于不能合并的系统,应尽量将其单独隔离开来。并尽量将网络比较复杂的DCS系统部署在一套服务器上。 将网络比较简单的PLC系统部署在一套服务器上。 为便于侦听报文,交换机应选择兼容性好,性能强,带有端口镜像功能的高级管理型交换机。

  • 建设灾备和恢复系统 系统搭建完成后,必须构建灾备系统。 以防止意外故障,或者攻防时导致系统瘫痪时,可将系统环境快速的复原。不致影响正常运行。 除灾备软件、杀毒软件和防火墙等外,还应部署独立的存储服务器。推荐群晖公司的产品。








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