國外“黑盒”控制系統(tǒng)的升級方法

柳德志

（南京華得瑞科技有限責任公司，江蘇 南京 210015）

某廠國外進口控制系統(tǒng)采用軟硬件純進口的方式，控制設備和控制應用軟件均為國外原產。由于技術的保密和壟斷，國外設備廠家不提供原有控制應用系統(tǒng)的安裝盤，只提供隨機鏡像文件，當系統(tǒng)故障后，廠家只能將鏡像文件直接恢復至新的工控機來恢復系統(tǒng)，而無法用一臺新的工控機經過安裝系統(tǒng)和控制應用軟件等這種常規(guī)方式恢復系統(tǒng)，沒有控制軟件的原始安裝文件，這種系統(tǒng)稱為“黑盒”系統(tǒng)。

隨著運行時間的增長，裝載控制應用軟件的工控機老化嚴重，老的工控機備件采購困難，新的工控機無法安裝原有控制軟件系統(tǒng)。國外廠家給出的方案是如果要升級控制應用系統(tǒng)軟件需要將原有控制系統(tǒng)整體升級，將需要升級底層的硬件系統(tǒng)，涉及的費用很高，周期很長。

1 原系統(tǒng)結構

原控制系統(tǒng)為軟件、工控機加硬件的結構，控制應用系統(tǒng)軟件為專用軟件安裝與一臺搭載Windows NT操作系統(tǒng)的工控機，控制應用系統(tǒng)軟件采用專用協(xié)議與硬件進行通信，具體結構如圖1。

圖1 系統(tǒng)結構圖

由于技術保密性的原因，目前國內還沒有完全掌握此控制系統(tǒng)的技術，隨著時間的推移，原工控機型號停產，新的工控機已經無法運行原廠家給出的鏡像文件，主要是Windows NT系統(tǒng)無法在新的工控機上運行，但是底層的硬件系統(tǒng)仍然在正常生產供貨，國外廠家給出的解決方案是把硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)一起升級，但是沒有備件的只是裝載軟件系統(tǒng)的工控機，一起升級造價太高，嚴重資源浪費。

2 技術分析

通過測試發(fā)現(xiàn)原Windows NT系統(tǒng)的兼容性較強，對硬件要求很低，原控制軟件的體量較小，只是因為近年計算機硬件更新?lián)Q代太快，造成Windows NT系統(tǒng)不支持新的計算機硬件。原系統(tǒng)只是通過以太網(wǎng)與外界進行通信，硬件系統(tǒng)只依賴于以太網(wǎng)卡。

國外廠家給的鏡像文件包含控制應用系統(tǒng)軟件、軟件的授權、網(wǎng)卡的驅動、專用通信軟件等一系列已經配置好的文件。測試發(fā)現(xiàn)，將此鏡像文件恢復到年代相同的工控機，只要將網(wǎng)卡驅動重新安裝，軟件就可以正常運行，也就是只要工控機的硬件能夠運行Windows NT系統(tǒng)，鏡像文件就能夠使用。

可以將原有“黑盒”系統(tǒng)不做分析，將其作為一個整體來使用，不分析內部軟件的構成，不需要內部軟件的原始安裝文件。

基于這一系列的技術測試，總結出兩種升級方案。

3 虛擬機方案

虛擬機指通過軟件模擬的出具有完整硬件系統(tǒng)功能的、運行在一個完全隔離環(huán)境中的完整計算機系統(tǒng)。在實體計算機中能夠完成的工作在虛擬機中都能夠實現(xiàn)。在計算機中創(chuàng)建虛擬機時，需要將實體機的部分硬盤和內存容量作為虛擬機的硬盤和內存容量。每個虛擬機都有獨立的CMOS、硬盤和操作系統(tǒng)，可以像使用實體機一樣對虛擬機進行操作[1]。

現(xiàn)有的虛擬機的虛擬化操作界面很友好，可以像操作實體機一樣來操作虛擬機，虛擬機內部的操作系統(tǒng)與實體機可以一致，也可以不一致，在同一個實體機上可以創(chuàng)建和運行多臺虛擬機。

因此，虛擬機成為解決硬件與軟件不匹配類問題的一個比較好的方法，這種方案已經被國內眾多廠家的使用。

3.1 創(chuàng)建實體機環(huán)境

虛擬機需要依存于一臺實體機內，因此使用虛擬機首先需要安裝一臺實體機。在一臺新的工控機內安裝Windows操作系統(tǒng)，安裝設備的驅動，使實體機能夠正常的工作。

3.2 創(chuàng)建虛擬機

在實體機內安裝虛擬機軟件，用虛擬機軟件創(chuàng)建一個Windows NT的虛擬機，用于Windows NT系統(tǒng)對硬件的開銷比較小，分配10 GB硬盤，256 MB內存就足夠了。

3.3 恢復鏡像文件

將國外廠家給的鏡像文件用鏡像軟件恢復到虛擬機內，啟動系統(tǒng)，安裝虛擬機的增強工具，使系統(tǒng)可以使用虛擬接自帶的虛擬硬件，包括網(wǎng)卡等，重新安裝網(wǎng)卡驅動，設置IP地址，新的控制系統(tǒng)就能夠正常運行。

處于對項目的嚴謹，綜合比較了幾款常用虛擬機軟件的長時間運行狀態(tài)。

表1 常用虛擬機軟件運行狀態(tài)對比表

表2 常用虛擬機軟件運行問題匯總表

由于Windows NT系統(tǒng)較為古老，在虛擬機內將Windows NT用系統(tǒng)升級安裝的方式升級到Windows 2000重新測試，測試結果如下。

表3 Windows NT升級到Windows 2000問題匯總表

綜合以上測試結果選擇Virtual Box虛擬機進行現(xiàn)場測試，經過現(xiàn)場長時間的運行，Virtual Box的虛擬機運行穩(wěn)定，可以有效地在新的工控機上運行老控制應用系統(tǒng)，與宿主系統(tǒng)無縫結合，由于系統(tǒng)硬件更強，使系統(tǒng)運行更加順暢。但是仍然存在宿主機內存增長的情況，需要幾個月后重新將工控機關機重新啟動一次，釋放內存。

4 借助虛擬機升級操作系統(tǒng)

下面著重介紹另外一種方法，借助虛擬機進行操作系統(tǒng)的升級。

新的工控機能夠安裝新的操作系統(tǒng)是因為新的操作系統(tǒng)能夠支持新的硬件，如果能將“黑盒”系統(tǒng)的操作系統(tǒng)升級到較新的操作系統(tǒng)，那么這個“黑盒”系統(tǒng)就可以在新的工控機上運行[2]。

在虛擬機方案中已經測試過將“黑盒”系統(tǒng)的Windows NT操作系統(tǒng)升級到Windows 2000操作系統(tǒng)應用軟件仍然能夠正常運行，這是因為在Windows操作系統(tǒng)的升級安裝過程中會保留個人的文檔、原有系統(tǒng)安裝的軟件以及注冊表中的軟件注冊等內容。

由于老的工控機性能較差，在老工控機上可以運行Windows NT操作系統(tǒng)，但是升級操作系統(tǒng)運行困難；新的工控機性能較好，能夠完成升級操作系統(tǒng)的工作又無法運行老的Windows NT鏡像文件，因此陷入一個矛盾的境地。這種情況下，如果使用虛擬機的方式可以破解此困境。具體升級過程如圖2所示。過程比較清晰，但是具體實施過程中會出現(xiàn)一些意料之外的情況，根據(jù)實施經驗總結如下。

圖2 操作過程示意圖

4.1 產生鏡像文件

從原老工控機中用軟件產生鏡像文件，由于原工控機較為古老，將硬盤拆到一臺新的計算機上用鏡像軟件進行操作會方便得多。

4.2 將鏡像文件還原到虛擬機

在一臺性能較好的工控機中正常安裝Windows操作系統(tǒng)，安裝驅動程序，安裝虛擬機軟件，并建立一個虛擬機。

通過前期的經驗總結，由于各種虛擬機內虛擬的硬件各不相同，因此在系統(tǒng)升級的過程中也會出現(xiàn)不同的問題，Virtual Box的硬件兼容性比較好，后面的操作均在Virtual Box虛擬機內進行，VMware Workstation在升級操作中會出現(xiàn)升級后重新啟動藍屏的現(xiàn)象。

將鏡像還原到用Virtual Box建立的虛擬機中，虛擬機的建立可以選擇較大的硬盤和內存方便后面系統(tǒng)的升級。

4.3 將Windows NT系統(tǒng)升級到Windows 2000

將Windows 2000的ISO文件加載到虛擬機的光驅中，進入Windows NT系統(tǒng)后，運行光盤文件，選擇升級到Windows 2000系統(tǒng)。

原Windows NT系統(tǒng)的鏡像文件的硬盤格式是FAT32的，因此在升級到Windows 2000的過程中需要將硬件格式轉換成NTFS。

4.4 依次進行其他系統(tǒng)升級

在虛擬機中加載新的操作系統(tǒng)進行操作系統(tǒng)的升級安裝，依次進行Wi ndows NT→Wi ndows 2000→Windows XP→Windows vista→Windows 7,

直到最后Windows 7操作系統(tǒng)升級完成。

在Windows XP升級到Windows vista系統(tǒng)過程中可能會提示更新失敗，是因為硬盤不夠大，需要用軟件將硬件調整到30 GB就可以正常升級。

在所有升級過程中都會進行兼容性檢查，一般出現(xiàn)的不兼容問題都是硬件驅動問題，可以不用理會繼續(xù)升級。

在升級過程中也會出現(xiàn)移動鼠標藍屏的現(xiàn)象，這個是因為虛擬機對硬件兼容性的問題，可以使用鍵盤完成升級安裝。

因為所有的中間態(tài)操作系統(tǒng)都是過渡，因此每次升級系統(tǒng)均不需要安裝驅動軟件，也不需要安裝虛擬機的增強工具。

4.5 將Windows 7鏡像文件恢復到工控機中

將已經升級到Windows 7系統(tǒng)的虛擬機用鏡像軟件產生鏡像文件，將鏡像文件恢復到新的工控機中。

在新的工控機重新安裝系統(tǒng)硬件的驅動程序，并調整顯示分辨率，網(wǎng)卡IP等，使原有控制軟件適應新的系統(tǒng)。

經測試新的控制軟件能夠正常運行，原有的設置均保持不變。經現(xiàn)場長時間運行，沒有發(fā)現(xiàn)異常情況。

5 借助虛擬機升級方式總結

Windows操作系統(tǒng)的運行需要硬件設備的支撐，由于操作系統(tǒng)更新較快，刪除了一些老舊的硬件設備的驅動程序，而且新的系統(tǒng)性能越來越好，但是對硬件資源的需求越來越高，所以出現(xiàn)了老的工控機上無法安裝新操作系統(tǒng)的問題。

老的操作系統(tǒng)由于缺少新的硬件的驅動程序，因此也無法安裝在新的工控機上。

由于虛擬機硬件調整方便，所以用它作為載體來運行不同的操作系統(tǒng)較為方便，最終是要在實體機上運行的，所以虛擬機只是一個外殼，這是一個“借尸還魂”的操作。充分利用了虛擬機調整方便和兼容性好的優(yōu)點來實現(xiàn)項目的目標。

6 結束語

兩種方式都能實現(xiàn)“黑盒”控制系統(tǒng)的升級，虛擬化的方式是一種常用手段，能夠滿足絕大部分應用的需求，但是存在運行過程中虛擬機軟件占用系統(tǒng)內存和運行人員會意外關閉虛擬機軟件的風險；從利用虛擬機升級到最新的系統(tǒng)，然后再鏡像回工控機的方式能夠真正地實現(xiàn)控制系統(tǒng)的升級，但是也有他的局限性，這種方式要求原應用軟件對系統(tǒng)依賴較低，而且原系統(tǒng)試32位的，新系統(tǒng)只能升級到32位，對原應用軟件的兼容性要求較高。

虛擬化的方式是常規(guī)方式，利用虛擬機升級的方式是一種參考，在原應用軟件允許的基礎上可以進行一些嘗試，能夠實現(xiàn)出比虛擬化更好的效果。

無論采用何種方式，均能節(jié)約資金，延長控制系統(tǒng)的壽命，并為很多系統(tǒng)的國產化爭取了時間，在升級過程中會對原有控制系統(tǒng)更加了解，為一些進口設備的國產化奠定技術基礎?！?/p>