西門(mén)子PCS7系統(tǒng)虛擬化

陳璇

摘 要：計(jì)算機(jī)的快速更新?lián)Q代，各廠商新推出計(jì)算機(jī)紛紛放棄兼容低版本操作系統(tǒng)。工業(yè)控制上位機(jī)面臨硬件損壞后備機(jī)買(mǎi)不到的問(wèn)題。本論文基于虛擬化方案解決了公司PCS7 操作站損壞期間的替代運(yùn)行問(wèn)題，為解決其他老舊系統(tǒng)維護(hù)提供了一種思路。

關(guān)鍵詞：vmware；PCS7；虛擬化；ISO協(xié)議；以太網(wǎng)

1課題背景

Wintel聯(lián)盟依靠英特爾的摩爾定律和微軟Windows系統(tǒng)的升級(jí)換代，帶動(dòng)了PC機(jī)的迅猛發(fā)展。而在工業(yè)過(guò)程控制領(lǐng)域，要求硬件高可靠性和環(huán)境適應(yīng)性，盡量避免零備件停產(chǎn)所造成不便和損失。電腦硬件的更新?lián)Q代，給工業(yè)控制計(jì)算機(jī)故障時(shí)面臨無(wú)可用備機(jī)替換的難題。

公司的TSA裝置為CO壓縮機(jī)上游單元，共同為后續(xù)醋酸裝置提供高純度CO氣。該裝置采用西門(mén)子的PCS7控制系統(tǒng)，操作站為西門(mén)子業(yè)已停產(chǎn)的IPCRackPC547B，操作系統(tǒng)為windowsXPSP2。操作站主板損壞后，聯(lián)系廠家無(wú)法買(mǎi)到兼容型號(hào)IPC，且軟件升級(jí)改造所需停車時(shí)間較長(zhǎng)。時(shí)間刻不容緩，裝置停車損失巨大。在此背景下，本次實(shí)踐通過(guò)將PCS7操作站虛擬化，替代運(yùn)行故障的操作站，避免了停車危險(xiǎn)。

2可行性分析

2.1虛擬化介紹

2.1.1虛擬化

虛擬化技術(shù)最早可以追溯到上個(gè)世紀(jì)60年代的IBM大型機(jī)。企業(yè)往往通過(guò)虛擬機(jī)方式充分利用大型機(jī)計(jì)算資源。當(dāng)前則著眼于虛擬化中全部硬件資源，統(tǒng)一調(diào)配優(yōu)化使用，提高利用效率。其中VMware（NYSE：VMW）連續(xù)7年榮獲Gartner年度x86服務(wù)器虛擬化基礎(chǔ)架構(gòu)魔力象限領(lǐng)導(dǎo)者稱號(hào)。本次實(shí)踐基于VMware的桌面虛擬化軟件VMwareworkstation10。

虛擬化分主機(jī)虛擬化和裸金屬虛擬化兩種結(jié)構(gòu)，前者主要為桌面應(yīng)用，后者多面向服務(wù)器應(yīng)用。虛擬化使得操作系統(tǒng)和電腦硬件解耦，且虛擬機(jī)文件化，方便可拷貝、克隆。本次實(shí)踐為單站虛擬化，采用主機(jī)虛擬化結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單方便，易于實(shí)現(xiàn)。

2.1.2 P2V

P2V即Physical to virtual ，它是指將操作系統(tǒng)、應(yīng)用程序或者數(shù)據(jù)從計(jì)算機(jī)的物理硬盤(pán)中遷移到一個(gè)虛擬環(huán)境中或是磁盤(pán)分區(qū)中。遷移方式有冷遷移、熱遷移兩種。

冷遷移可以更加有效地保證克隆過(guò)程成功。但需要關(guān)機(jī)操作，臨時(shí)中斷服務(wù)器的對(duì)外服務(wù)。此次實(shí)踐，由于PCS7原操作站主機(jī)已不能啟動(dòng)，故采用冷遷移虛擬化。

2.1.3 橋接模式

VMware虛擬機(jī)網(wǎng)卡有三種網(wǎng)絡(luò)模式：橋接、NAT、Host-only。其中橋接模式是將虛擬機(jī)的虛擬網(wǎng)卡通過(guò)主機(jī)Vmnet0網(wǎng)橋接到主機(jī)的一個(gè)物理網(wǎng)卡上面。實(shí)際上是將主機(jī)的物理網(wǎng)卡設(shè)置為混雜模式，從而達(dá)到偵聽(tīng)多個(gè)IP的能力。虛擬機(jī)的網(wǎng)卡直接與主機(jī)的物理網(wǎng)卡所在的網(wǎng)絡(luò)相連。虛擬機(jī)和主機(jī)處于對(duì)等的地位，在網(wǎng)絡(luò)關(guān)系上是平等的。

橋接虛擬機(jī)與局域網(wǎng)其他節(jié)點(diǎn)通訊時(shí)，需要關(guān)閉主機(jī)系統(tǒng)防火墻以及殺毒軟件，防止通訊數(shù)據(jù)被攔截丟棄。

2.2 Windows XP系統(tǒng)

基于NT5.1內(nèi)核的Windows XP系統(tǒng)為有史以來(lái)最成功個(gè)人桌面系統(tǒng)，最高時(shí)全球市場(chǎng)占有率超過(guò)76% 。其廣泛的適用性源于一個(gè)關(guān)鍵的設(shè)計(jì)思路：加入硬件抽象層HAL，將系統(tǒng)與硬件接口標(biāo)準(zhǔn)化。Windows XP系統(tǒng)正常啟動(dòng)的前提： MBR中的引導(dǎo)代碼正確、主分區(qū)被設(shè)置為活動(dòng)、引導(dǎo)程序正確。

2.2.1 硬件抽象層與設(shè)備驅(qū)動(dòng)

HAL硬件抽象層是一個(gè)可以加載的、內(nèi)核模式的模塊。它提供了針對(duì)Windows當(dāng)前運(yùn)行所在的硬件平臺(tái)的底層接口。該文件位于 C：＼Windows＼system32＼ 目錄下。

設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序是可加載的內(nèi)核模式模塊，通常以.sys作為文件擴(kuò)展名。驅(qū)動(dòng)文件位于C：＼Windows＼System32＼drivers目錄下。

Windows XP系統(tǒng)I/O管理器通過(guò)調(diào)用HAL函數(shù)與硬件交互。

考察裝機(jī)行業(yè)長(zhǎng)期實(shí)踐中得出的結(jié)論：用于封裝的源計(jì)算機(jī)和進(jìn)行部署的目標(biāo)計(jì)算機(jī)必須具有相同硬件抽象層（HAL）。沒(méi)有相同的HAL，會(huì)造成電源管理模式不能正確判斷。故HAL與驅(qū)動(dòng)的兼容匹配是虛擬化冷遷移成功的關(guān)鍵。

2.2.2 windows XP啟動(dòng)過(guò)程

Windows XP系統(tǒng)的引導(dǎo)過(guò)程可分為預(yù)引導(dǎo)、引導(dǎo)、載入內(nèi)核、初始化內(nèi)核、登錄、即插即用設(shè)備檢測(cè)這六個(gè)階段。最后階段，Windows XP會(huì)對(duì)新設(shè)備進(jìn)行檢測(cè)，為它們分配系統(tǒng)資源，并在盡量不要用戶提供選擇的情況下，為新設(shè)備安裝一個(gè)合適版本的驅(qū)動(dòng)程序。故Windows XP移植到不同的硬件平臺(tái)后，第一次開(kāi)機(jī)會(huì)有一個(gè)自動(dòng)識(shí)別安裝驅(qū)動(dòng)的過(guò)程。再次重啟后即可正常使用。

2.3 硬盤(pán)數(shù)據(jù)與Ghost工具

2.3.1 硬盤(pán)數(shù)據(jù)組織結(jié)構(gòu)

Windows XP系統(tǒng)硬盤(pán)，采用MBR分區(qū)表，NTFS格式的分區(qū)保存文件數(shù)據(jù)。硬盤(pán)主要分為三部分：MBR、分區(qū)以及未使用區(qū)域。MBR先于所有的操作系統(tǒng)而被調(diào)入內(nèi)存，并發(fā)揮作用，然后才將控制權(quán)交給主分區(qū)（活動(dòng)分區(qū)）內(nèi)的操作系統(tǒng)，并用主分區(qū)信息表來(lái)管理硬盤(pán)。

由于系統(tǒng)安裝在硬盤(pán)上，而軟件應(yīng)用則安裝在操作系統(tǒng)之上。所以全部數(shù)據(jù)其實(shí)都組織保存在硬盤(pán)存儲(chǔ)空間內(nèi)。故將整盤(pán)數(shù)據(jù)遷移即可保證完整的系統(tǒng)移植。

2.3.2 Ghost工具

Ghost（General Hardware Oriented Software Transfer）軟件是美國(guó)賽門(mén)鐵克公司的硬盤(pán)備份還原工具。對(duì)硬盤(pán)以扇區(qū)為單位進(jìn)行操作，可完整復(fù)制硬盤(pán)的物理信息。

當(dāng)采用Disk To Image方式備份硬盤(pán)數(shù)據(jù)時(shí)，可將硬盤(pán)的數(shù)據(jù)完整保存（包括MBR扇區(qū)信息）。還原到其他硬件平臺(tái)時(shí)，滿足系統(tǒng)正常啟動(dòng)的前提條件：引導(dǎo)代碼、活動(dòng)分區(qū)。

2.4 控制系統(tǒng)架構(gòu)

該TSA裝置采用西門(mén)子PCS7 V6.1系統(tǒng)控制，為OS單站結(jié)構(gòu)。AS處理器為CPU416-2，ES（工程師站）站兼做OS（操作站）站，使用西門(mén)子Rack PC 547B工控機(jī)。AS與OS之間通訊為基于Industrial Ethernet（工業(yè)以太網(wǎng)） ISO協(xié)議的S7通訊，此協(xié)議通過(guò)把上位電腦組態(tài)成PLC 的-個(gè)組態(tài)站，通過(guò)上位電腦網(wǎng)卡的MAC 地址迸行通訊。通訊采用的硬件為CP443-1與3Com Etherlink卡。

通訊拓?fù)鋱D如下：

3Com Etherlink卡為普通以太網(wǎng)卡，非西門(mén)子專用CP通訊卡，虛擬化時(shí)不需要考慮PCI設(shè)備直通，故可采用橋接主機(jī)以太網(wǎng)卡的方式通訊。

綜上分析，可知對(duì)原PCS7站硬盤(pán)進(jìn)行g(shù)host備份，運(yùn)用PE工具冷遷移到虛擬機(jī)，處理HAL層并更新驅(qū)動(dòng)，再通過(guò)橋接網(wǎng)絡(luò)與AS處理器通訊是可行的。

3具體實(shí)施步驟

總體思路：由于PCS7上位機(jī)突然故障，不能正常運(yùn)行，故不能執(zhí)行熱遷移。沒(méi)有兼容Windows XP的庫(kù)存?zhèn)溆脵C(jī)。通過(guò)使用Ghost工具對(duì)PCS7上位機(jī)硬盤(pán)制作鏡像備份文件，冷遷移至工程師維護(hù)用的筆記本虛擬機(jī)中，并將其橋接到TSA裝置的交換機(jī)網(wǎng)絡(luò)。更新驅(qū)動(dòng)后檢查通訊配置，激活上位監(jiān)控軟件WinCC，過(guò)程值正常更新顯示。在備用計(jì)算機(jī)采購(gòu)來(lái)之前，臨時(shí)替代損壞的OS站運(yùn)行使用。

3.1 制作Ghost鏡像

將PCS7 上位機(jī)硬盤(pán)掛載到維護(hù)用的臺(tái)式機(jī)電腦中，啟動(dòng)Ghost光盤(pán)。使用Disk to Image方式，將該硬盤(pán)數(shù)據(jù)備份為一個(gè)gho文件，選擇備份路徑為移動(dòng)硬盤(pán)。

3.2 創(chuàng)建虛擬機(jī)并恢復(fù)鏡像

3.2.1 創(chuàng)建虛擬機(jī)

工程師維護(hù)專用筆記本電腦中打開(kāi)VMware Workstaion軟件，使用“新建虛擬機(jī)向?qū)А眲?chuàng)建一個(gè)Windows XP Professional 虛擬機(jī)，選擇“稍后安裝操作系統(tǒng)”。網(wǎng)絡(luò)連接選擇“橋接模式”。虛擬機(jī)磁盤(pán)類型選擇“IDE”。

虛擬磁盤(pán)選擇IDE 磁盤(pán)控制器模式可以避免SATA驅(qū)動(dòng)引起的0X0000007B藍(lán)屏故障。

3.2.2還原硬盤(pán)鏡像

虛擬機(jī)光驅(qū)選擇IT天空的PE鏡像USBZL v2.0，把移動(dòng)硬盤(pán)連接到主機(jī)USB口。開(kāi)啟虛擬機(jī)進(jìn)入PE系統(tǒng)，運(yùn)行Ghost軟件，執(zhí)行Disk From Image把所做的gho鏡像還原到虛擬機(jī)磁盤(pán)中，完成冷遷移。

3.3 驅(qū)動(dòng)處理

Vmware Workstation v10 版本已經(jīng)提供ACPI支持，兼容大部分主板電源管理芯片。故還原系統(tǒng)后并不會(huì)因此導(dǎo)致系統(tǒng)不能正常開(kāi)機(jī)。

VMware Tools是VMware提供的增強(qiáng)虛擬顯卡和硬盤(pán)性能、以及同步虛擬機(jī)與主機(jī)時(shí)鐘的驅(qū)動(dòng)程序。

進(jìn)入虛擬機(jī)系統(tǒng)后，系統(tǒng)自動(dòng)識(shí)別硬件改動(dòng)，并提示安裝新硬件驅(qū)動(dòng)。手動(dòng)安裝完畢后，安裝VMware Tools以提高虛擬機(jī)顯卡與硬盤(pán)發(fā)揮的性能。重啟系統(tǒng)后，虛擬機(jī)正常工作。至此完成PCS7 ES站的驅(qū)動(dòng)配置。

3.4 檢查PCS7通訊設(shè)置并建立OS-AS通訊

主機(jī)系統(tǒng)為Windows 7 Professional ，修改本地連接IPv4地址為140.80.0.2，子網(wǎng)掩碼255.255.254.0，使之與原PCS7工業(yè)以太網(wǎng)位于同一網(wǎng)段。檢查虛擬機(jī)IP地址為140.80.0.6與原ES站地址相同。由此建立AS-OS的物理通路。

檢查Station Configuration Edidor， WinCC Application 正常運(yùn)行。S7通訊業(yè)正常工作。啟動(dòng)WinCC Explorer ，加載上位程序。加載完畢后，稍等片刻過(guò)程值正常更新。

4結(jié)語(yǔ)

使用虛擬機(jī)替代運(yùn)行的這段時(shí)期內(nèi)，現(xiàn)場(chǎng)裝置正常運(yùn)行，閥門(mén)操控順利，過(guò)程值實(shí)時(shí)更新。大大降低了失控造成的停車風(fēng)險(xiǎn)。并且虛擬機(jī)方便拷貝遷移，不再擔(dān)心計(jì)算機(jī)硬件損壞，拷貝的新的計(jì)算機(jī)即可簡(jiǎn)單配置運(yùn)行。

通過(guò)虛擬化技術(shù)可以較好地解決已淘汰系統(tǒng)的兼容性問(wèn)題，為處理其他老舊系統(tǒng)提供了思路。

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