SCADA的IT化趋势 - WinCC 虚拟化技术解析

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今天分享SCADA的IT化趋势 - WinCC 虚拟化技术解析~

1

什么是虚拟化

众所周知，虚拟化是云技术的基础。通过将计算机实体资源进行抽象，转换为可分割、组合的多个计算机资源环境。虚拟化技术脱离了部署形式、地理限制和硬件资源的束缚。

无论是 IaaS（基础设施即服务）、PaaS（平台即服务）还是 SaaS（软件即服务），对于存储、服务器和网络等物理资源的管理，虚拟化技术不可或缺。



2

虚拟化的收益

由于虚拟化技术需要一定 IT 相关专业的技术背景，对于物理硬件和网络环境的要求也十分严苛。例如，一般需要服务器级别的处理器、内存和硬盘存储等，与普通台式机的配置存在较大差异。如果没有较为充足的技术人才储备和经济预算，很难实现并发挥虚拟化的优势。



虚拟化技术的优点有：

降低管理成本

虚拟化可提高工作人员的效率，降低管理成本：

减少必须进行管理的物理资源数量；

隐藏物理资源的部分复杂性；

通过实现自动化的中央管理来简化公共管理任务；

实现负载管理的自动化。

提高使用灵活性

通过虚拟化可实现动态的资源部署和重配置，满足不断变化的业务需求。

提高安全性

虚拟化可实现更加安全和灵活的隔离和划分，以及对数据和服务进行可控和安全的访问。

更高可用性

虚拟化可在不影响用户的情况下对物理资源进行删除、升级或改变。

更高可扩展性

根据不同的产品，通过资源分区和汇聚，可实现比单一物理资源小得多或大得多的虚拟资源。这意味着可以在不改变物理资源配置的情况下进行规模调整。

互操作性和投资保护

虚拟化可提供与各种接口和协议的兼容性，这是底层物理资源无法提供的。

改进资源供应

与个体物理资源单位相比，虚拟化能够以更小的单位进行资源分配。虚拟资源因其不存在硬件和操作系统方面的问题，因而能够在出现崩溃后更快地恢复。

WinCC 虚拟化方案相比较传统方案能否节省费用，以谋求效益最大化？这其实是一个仁者见仁、智者见智的问题。仅仅关注整体费用分析并不全面，虚拟化带来的运营、管理和维护的革新与便捷才是最重要的。

3

虚拟化在自动化领域的两种应用场景

自动化领域两种常用的虚拟化技术为：

寄居架构也叫做宿主型虚拟化（在计算机操作系统上安装虚拟软件）

裸金属架构（虚拟化软件直接安装在硬件上）

分别举例如下：

1

寄居架构下的示例

场景：工程师站虚拟化

硬件：普通台式电脑或笔记本电脑

在自动化项目开发中，经常遇到这样的问题：现场实际部署的WinCC 项目从 V7.0 到 V7.5，涉及多个版本，工程师可能都要进行维护修改。因此需要重复安装和卸载软件，再加上 WinCC 版本跨度太大的话，有时还得重装操作系统，耗时耗力。

工程师常用的办法是在 PC 硬件上安装 Windows 操作系统，再安装 VMware Workstation Player/Pro 这样的虚拟机软件，在虚拟机软件里运行所需的虚拟机文件（如：Windows 10 + WinCC V7.5 开发版软件）。这种方式经常受限于 PC 的硬件资源，无法同时启动多个虚拟机。





2

裸金属架构的示例

场景：服务器虚拟化

硬件：专业级别服务器

服务器虚拟化就是将以前多台硬件服务器要承担的任务全部整合到一台专业级别的硬件服务器中，常用于数据中心。



服务器虚拟化带来的收益显而易见：

节省物理空间，降低硬件投资和电力成本

显著降低管理服务器的工作负荷和时间。以文件方式部署/备份/恢复一台虚拟机比一台物理机要快的多，可以在几秒内克隆或者部署新的虚拟服务器

企业数据变得更加可靠安全，系统之间更易隔离。虚拟化服务器可以实现在多个服务器上面运行一个应用程序。这也就意味着，当一台服务器出现故障或者被攻击时，另外一台服务器上面可以继续运行相同的应用程序，最大的减少了服务器中断的可能性

这种应用，在计算机服务器硬件上不需要 Windows 这样的宿主操作系统，只需要一个虚拟化管理软件（如：VMware 的 ESXi 和微软的 Hyper-V ；这等同于替换了场景 1 中的 Windows 操作系统 + VMware Workstation Player/Pro），直接管理硬件资源。在此基础上同时部署和运行多个虚拟机文件（包括 Windows Server 系统+ WinCC 运行版软件）。



如下图所示，较为复杂的 WinCC 项目网络架构，在终端总线上包括了冗余服务器、中央归档服务器、客户机以及连通站等多个组件。



可以在上述场景中采用虚拟化方式，即使用一台或少数几台高性能服务器实现上述终端总线上多个 WinCC 计算机的功能，如下图所示：



WinCC 的常规应用可能涉及到硬件加密狗（ WinCC 亚洲版）和西门子的通信卡（ WinCC 与 S7-400H 通信），这就要求虚拟机系统能有硬件直通能力（也称硬件透传，指 PassThrough 或 DirectPath IO，即虚拟机可以直接控制和操作物理服务器的 I/O 设备，一个 I/O 设备仅用于一个虚拟机），在 VMware ESXi 环境下，能够很好地支持上述功能。

4

虚拟化部署的三个步骤

虚拟化部署的过程分为服务器安装、管理机配置和客户机连接三个步骤：

在物理硬件服务器上安装 VMware ESXi

在管理机上通过 ESXi 或 vSphere 的 Web 客户端远程创建和配置服务器上的虚拟机, 如：为虚拟机分配存储空间，新建或导入虚拟机，安装操作系统，安装 WinCC 软件，配置硬件直通等操作

在客户机上远程控制和操作服务器上的虚拟机。建议在工作站操作系统上使用 RDP ，在服务器操作系统上使用 VNC

在 ESXi 上部署虚拟机有多种方法，除了在 VMware Workstation Player/Pro 中新建虚拟机，还可以将现有的虚拟机直接上载或作为模板上载到 ESXi，也可以通过工具将现有的物理机转换为虚拟机上载到 ESXi，这样可以提高虚拟机的部署效率。

如果使用 WinCC 的自动安装模式，可以实现无人值守的批量安装操作，提高 WinCC 的部署效率，主要流程是：

记录安装过程，记录过程与实际安装过程相同，但并不真正执行安装，而只是将选择的安装数据包及用户配置记录保存到 ini 配置文件当中。

通过命令行方式执行安装，整个过程完全按照记录文件中记录的需求自动完成安装，在过程当中无需人为干预。

另外，如果有多个 ESXi 物理服务器，可用 vCenter Server 进行统一管理。



对于数量庞大或是部署在不同区域的 ESXi 主机，需要使用多个 vCenter Server 协作管理，实现划分 VLAN、设置 vMotion、定义 HA(High Availability) 和 FT(Fault Tolerance) 等高级功能。

5

总结

从 2011 年开始，WinCC V7.0 SP2 开始支持虚拟化，到如今已经走过了 10 个年头，作为一个阶段的纪念，我们对 WinCC 的虚拟化做了一些总结，分作四期在西门子 1847 学习平台上发布，包含以下的内容：

介绍虚拟化技术的概念和 WinCC 的虚拟化架构

以 VMware ESXi 为例，介绍虚拟化的具体配置过程

以 VMware ESXi 为例，介绍 WinCC 相关特殊硬件的配置和 vCenter Server 的部署

以 VMware 相关工具为例，介绍 WinCC 虚拟机部署的常规操作和总结

相关文章链接如下：

https://www.ad.siemens.com.cn/download/docMessage.aspx?Id=17095

https://www.ad.siemens.com.cn/download/docMessage.aspx?Id=17097

https://www.ad.siemens.com.cn/download/docMessage.aspx?Id=17104

https://www.ad.siemens.com.cn/download/docMessage.aspx?Id=17190

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