流程行业MES系统的虚拟化硬件架构

制造执行系统（MES）是从企业经营战略到具体生产之间的桥梁和纽带，其针对企业的生产运行与管理信息的之间的脱节、滞后问题，实现企业从现场生产与控制平台到企业管理平台的上下连通与信息共享，实现全生产过程的计划调度、生产控制管理、物料平衡、能源管理、绩效考核、成本监测、设备管理、优化控制等功能，从而实现整个企业信息的综合集成，达到对生产过程实现全过程高效协调的控制与管理。基于MES在流程行业企业的重要作用，一旦MES服务器系统停机或服务中断，将造成程序的混乱和数据的丢失，直接影响到企业的正常生产和协作。虽然有容错服务器等硬件架构的出现，从某些方面解决了高可用性的问题，但系统扩容并不容易。然而由于MES模块较多，一次实施完成所有功能模块的成本和风险也非常大，分步实施是一个良好的策略，这就要求MES系统的硬件架构具有高可用性之外，还要考虑良好的扩展性能、维护便利性能等多种需求。

1．虚拟化技术

虚拟化从出现到今天，已经进入成熟期，开始进入大规模应用阶段。虚拟化技术可以看作所有将不同的资源和逻辑单元剥离，形成松耦合关系的技术集合。目前，提供虚拟化服务的厂家也很多，包括VMWare、Citrix、微软等。对于虚拟化技术的分类有很多说法，就现行的虚拟化技术而言，可以分为三类。

1．1存储虚拟化

在传统的IT环境中，计算资源和存储资源都是运行在同一服务器上的，服务器访问自身的存储设备，在服务器升级、数据共享和数据安全等方面都存在较大问题。存储虚拟化（storage virtualizafion）按照一定的虚拟存储体系结构将不同的物理存储设备（如RAID、JBOD、磁带库等）通过不同的接口协议（如SCSI、iSCSI、iFCP等）整合成一个虚拟的存储池，为用户提供统一的数据服务，实现存储资源的共享。

存储虚拟化把原本分散在各个单独服务器的存储资源集中起来，提供统一的存储服务。这样一方面满足了部分应用对大存储容量的需求；另一方面存储资源集中起来后也利于日常的管理和维护，同时也便于对数据进行统一的备份、恢复和容灾管理，提高业务系统的数据安全性，从而降低故障恢复时间，提升服务的可靠性和连续性。

1．2系统虚拟化

系统虚拟化（System Virtualization）也常被称为服务器虚拟化（Server Virtualization），是把服务器拥有的各类资源抽象出来，以逻辑服务器的方式为用户提供服务。在用户面前的不是一个物理上的服务器，而是在同一物理服务器的操作系统之上运行着的虚拟服务层中的一个操作系统实例。

通过系统虚拟化，可以在原本一台物理服务器上安装多个操作系统。管理员可以根据业务大小，分配一定数量的CPU、内存和存储容量。这样既提高了系统资源的利用率，同时也可以实现各个逻辑系统文件式的备份和恢复，降低新业务系统安装配置操作系统的时问，加快新业务系统的调试过程，满足信息化建设快速发展的需求。

1．3网络虚拟化

IT网络环境中，并存着服务网络、科研网络、办公网络、生产网络等多个网络，这些网络常存在于同一个物理网络环境中，这就需要在保持网络的高可用性、易管理性、安全性和可扩展性的前提下，尽可能实现网络服务和安全策略的集中。

通过VLAN、VPN、MPLS VPN等网络虚拟化技术（Network Virtualization），可以满足对网络的访问控制、路径隔离、集中管理等要求，确保合法的用户和设备访问各自合理的网络服务，并集中实施网络访问策略，降低网络管理成本。

2．流程行业MES对系统硬件架构的要求

MES对流程企业生产中的作用非常重要，由于流程行业生产的连续性，对MES系统的硬件架构提出了比一般系统更高的要求。

2．1高可用性

高可用性主要包括四个特性：可靠性、可恢复性、锚误检测和可持续工作性。

（1）可靠性：可靠性分为硬件可靠性和软件可靠性。MES整体任一环节上的故障都会影响到系统的正常运行，整体运行的可靠性对硬件的可靠性依赖很大。

（2）可恢复性：当故障发生的时候，及时（即在业务需求允许范围内）判断和解决发生的问题尤为重要，现有的架构是否具备在SLA（service Level Agreement）约定时间内恢复的能力。

（3）错误检测：如果在现有基础架构中，有某个组件发生故障，那么快速检测和发现是另一个实现快速意外故障恢复的重要因素。1分钟内可以解决某个特定故障，如果系统需要花1个小时来发现这个故障，那么很有可能已经无法满足SLA的要求了，所以需要一个可靠监控机制将故障或预警通知系统管理员。

（4）可持续工作性：当容许的用以进行系统维护的停机时间非常短的时候，可持续工作性就很必要，因此诸如数据库软件升级等维护工作时，就要求高可用性系统使这样的维护尽可能地对用户透明，也就是没有影响。

2．2可扩展性

可扩展性是根据MES项目的实施特点而形成的要求，包括两个方面，数据存储的可扩展性和计算能力的可扩展性。数据存储方面：流程行业的生产数据是企业最宝贵的信息资产，每分钟都有大量的工厂基础数据被收集到MES系统中，长期运行的状态下必然需要大容量的存储才可以保证系统的数据完整性。由于IT系统硬件价格的特点（可能一年前和一年后，一块高端硬盘就会下降到之前一半的价格），集中采购肯定不是最佳的方案，只有系统良好的扩展能力才能保证满足项目后期逐步增加的存储需求。

计算能力方面：MES模块众多，企业为了降低项目实施的风险和费用，也会采用分步实施的策略，随着工厂进入系统的应用模块越来越多，系统负荷越来越大，MES系统后期计算能力的扩展提升潜力也是必须要考虑的一个因素。

3．MES在虚拟架构上的实现方法

MES性价比是企业做出方案选择的出发点，虚拟化不是目的，而是一个高可用性和可扩展性的实现手段。现给出一种MES系统在虚拟架构上性价比较高的一种实现方案。

本方案的主体部分是两台安装了VMware ESX Server的服务器，并利用一台普通服务器安装vCenter作为管理端。ESX Server为底层虚拟操作系统直接安装在物理服务器的裸机上，将物理服务器上的处理器、内存、存储器和网络资源抽象到多个虚拟机中，多个虚拟机封装为文件存储于SAN上，通过万兆交换机与虚拟服务器进行通讯。在这些虚拟机上，分别实现流程行业MES所对应的各种功能模块。

通过高级资源管理、高可用性和安全功能提高了服务级别。vCenter Server务器为虚拟环境提供了集中化管理、操作自动化、资源优化和高可用性，降低了维护成本。方案中，采用基于IP SAN集中存储方式，这样可以将每个虚拟机的文件系统创建在共享的集中存储阵列上，多个ESX Server同时访问同一虚拟机存储，保证了服务器硬件宕机的时候，能够快速恢复和启动MEs服务。通过VMware的VirtualCenter、VMotion、DRS和HA提供的基于虚拟化的分布式基础结构服务，架构实现了资源的动态合理分配，保证了每一个MEs服务都可以得到所需的计算资源和存储资源。由于VMware的虚拟架构系统中的虚拟机实际上是被封装成了一个档案文件和若干相关环境配置文件，通过将这些文件放在存储阵列上的VMFS文件系统中，可以让不同服务器上的虚拟机都可以访问到该文件，从而消除了单点故障。

4．结束语

MES的硬件架构对其运行和维护都非常重要，本文针对流程企业的一些特殊要求，给出了基于虚拟化的一种MES硬件架构。系统的整体架构中，可以看出存储是最关键的部分，虚拟机的正常运行完全依赖于存储上的文件，但这也恰恰改变了以往软件系统和数据库等关键内容分散在整个系统的不同位置，环节中多故障点的情况，现在只要简单备份存储，即可保证整个MES系统的安全，可以随时完整恢复，且该存储支持RAID5和RAID10，少量硬盘损坏的情况下，系统可自动在线重建，从而很好地保护了系统的安全，如果用户需要更高级别的安全性，还可以另行添置远程灾备系统。