陳璇

摘 要：計算機的快速更新?lián)Q代，各廠商新推出計算機紛紛放棄兼容低版本操作系統(tǒng)。工業(yè)控制上位機面臨硬件損壞后備機買不到的問題。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行問題，為解決其他老舊系統(tǒng)維護提供了一種思路。

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)的升級換代，帶動了PC機的迅猛發(fā)展。而在工業(yè)過程控制領(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)控制計算機故障時面臨無可用備機替換的難題。

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

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世紀60年代的IBM大型機。企業(yè)往往通過虛擬機方式充分利用大型機計算資源。當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。本次實踐基于VMware的桌面虛擬化軟件VMwareworkstation10。

虛擬化分主機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，且虛擬機文件化，方便可拷貝、克隆。本次實踐為單站虛擬化，采用主機虛擬化結(jié)構(gòu)簡單方便，易于實現(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)從計算機的物理硬盤中遷移到一個虛擬環(huán)境中或是磁盤分區(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程成功。但需要關(guān)機操作，臨時中斷服務(wù)器的對外服務(wù)。此次實踐，由于PCS7原操作站主機已不能啟動，故采用冷遷移虛擬化。

2.1.3 橋接模式

VMware虛擬機網(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的虛擬網(wǎng)卡通過主機Vmnet0網(wǎng)橋接到主機的一個物理網(wǎng)卡上面。實際上是將主機的物理網(wǎng)卡設(shè)置為混雜模式，從而達到偵聽多個IP的能力。虛擬機的網(wǎng)卡直接與主機的物理網(wǎng)卡所在的網(wǎng)絡(luò)相連。虛擬機和主機處于對等的地位，在網(wǎng)絡(luò)關(guān)系上是平等的。

橋接虛擬機與局域網(wǎng)其他節(jié)點通訊時，需要關(guān)閉主機系統(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)為有史以來最成功個人桌面系統(tǒng)，最高時全球市場占有率超過76% 。其廣泛的適用性源于一個關(guān)鍵的設(shè)計思路：加入硬件抽象層HAL，將系統(tǒng)與硬件接口標準化。Windows XP系統(tǒng)正常啟動的前提： MBR中的引導(dǎo)代碼正確、主分區(qū)被設(shè)置為活動、引導(dǎo)程序正確。

2.2.1 硬件抽象層與設(shè)備驅(qū)動

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

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

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

考察裝機行業(yè)長期實踐中得出的結(jié)論：用于封裝的源計算機和進行部署的目標計算機必須具有相同硬件抽象層（HAL）。沒有相同的HAL，會造成電源管理模式不能正確判斷。故HAL與驅(qū)動的兼容匹配是虛擬化冷遷移成功的關(guān)鍵。

2.2.2 windows XP啟動過程

Windows XP系統(tǒng)的引導(dǎo)過程可分為預(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)備檢測這六個階段。最后階段，Windows XP會對新設(shè)備進行檢測，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)備安裝一個合適版本的驅(qū)動程序。故Windows XP移植到不同的硬件平臺后，第一次開機會有一個自動識別安裝驅(qū)動的過程。再次重啟后即可正常使用。

2.3 硬盤數(shù)據(jù)與Ghost工具

2.3.1 硬盤數(shù)據(jù)組織結(jié)構(gòu)

Windows XP系統(tǒng)硬盤，采用MBR分區(qū)表，NTFS格式的分區(qū)保存文件數(shù)據(jù)。硬盤主要分為三部分：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)（活動分區(qū)）內(nèi)的操作系統(tǒng)，并用主分區(qū)信息表來管理硬盤。

由于系統(tǒng)安裝在硬盤上，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)其實都組織保存在硬盤存儲空間內(nèi)。故將整盤數(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）軟件是美國賽門鐵克公司的硬盤備份還原工具。對硬盤以扇區(qū)為單位進行操作，可完整復(fù)制硬盤的物理信息。

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

2.4 控制系統(tǒng)架構(gòu)

該TSA裝置采用西門子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，使用西門子Rack PC 547B工控機。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)議通過把上位電腦組態(tài)成PLC 的-個組態(tài)站，通過上位電腦網(wǎng)卡的MAC 地址迸行通訊。通訊采用的硬件為CP443-1與3Com Etherlink卡。

通訊拓撲圖如下：

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

綜上分析，可知對原PCS7站硬盤進行g(shù)host備份，運用PE工具冷遷移到虛擬機，處理HAL層并更新驅(qū)動，再通過橋接網(wǎng)絡(luò)與AS處理器通訊是可行的。

3具體實施步驟

總體思路：由于PCS7上位機突然故障，不能正常運行，故不能執(zhí)行熱遷移。沒有兼容Windows XP的庫存?zhèn)溆脵C。通過使用Ghost工具對PCS7上位機硬盤制作鏡像備份文件，冷遷移至工程師維護用的筆記本虛擬機中，并將其橋接到TSA裝置的交換機網(wǎng)絡(luò)。更新驅(qū)動后檢查通訊配置，激活上位監(jiān)控軟件WinCC，過程值正常更新顯示。在備用計算機采購來之前，臨時替代損壞的OS站運行使用。

3.1 制作Ghost鏡像

將PCS7 上位機硬盤掛載到維護用的臺式機電腦中，啟動Ghost光盤。使用Disk to Image方式，將該硬盤數(shù)據(jù)備份為一個gho文件，選擇備份路徑為移動硬盤。

3.2 創(chuàng)建虛擬機并恢復(fù)鏡像

3.2.1 創(chuàng)建虛擬機

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

虛擬磁盤選擇IDE 磁盤控制器模式可以避免SATA驅(qū)動引起的0X0000007B藍屏故障。

3.2.2還原硬盤鏡像

虛擬機光驅(qū)選擇IT天空的PE鏡像USBZL v2.0，把移動硬盤連接到主機USB口。開啟虛擬機進入PE系統(tǒng)，運行Ghost軟件，執(zhí)行Disk From Image把所做的gho鏡像還原到虛擬機磁盤中，完成冷遷移。

3.3 驅(qū)動處理

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)后并不會因此導(dǎo)致系統(tǒng)不能正常開機。

VMware Tools是VMware提供的增強虛擬顯卡和硬盤性能、以及同步虛擬機與主機時鐘的驅(qū)動程序。

進入虛擬機系統(tǒng)后，系統(tǒng)自動識別硬件改動，并提示安裝新硬件驅(qū)動。手動安裝完畢后，安裝VMware Tools以提高虛擬機顯卡與硬盤發(fā)揮的性能。重啟系統(tǒng)后，虛擬機正常工作。至此完成PCS7 ES站的驅(qū)動配置。

3.4 檢查PCS7通訊設(shè)置并建立OS-AS通訊

主機系統(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 正常運行。S7通訊業(yè)正常工作。啟動WinCC Explorer ，加載上位程序。加載完畢后，稍等片刻過程值正常更新。

4結(jié)語

使用虛擬機替代運行的這段時期內(nèi)，現(xiàn)場裝置正常運行，閥門操控順利，過程值實時更新。大大降低了失控造成的停車風險。并且虛擬機方便拷貝遷移，不再擔心計算機硬件損壞，拷貝的新的計算機即可簡單配置運行。

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

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