西门子PCS7系统虚拟化

陈璇

摘 要：计算机的快速更新换代，各厂商新推出计算机纷纷放弃兼容低版本操作系统。工业控制上位机面临硬件损坏后备机买不到的问题。本论文基于虚拟化方案解决了公司PCS7 操作站损坏期间的替代运行问题，为解决其他老旧系统维护提供了一种思路。

关键词：vmware；PCS7；虛拟化；ISO协议；以太网

1课题背景

Wintel联盟依靠英特尔的摩尔定律和微软Windows系统的升级换代，带動了PC机的迅猛发展。而在工业过程控制领域，要求硬件高可靠性和环境适应性，尽量避免零备件停产所造成不便和损失。电脑硬件的更新换代，给工业控制计算机故障时面临无可用备机替换的难题。

公司的TSA装置为CO压缩机上游单元，共同为后续醋酸装置提供高纯度CO气。该装置采用西门子的PCS7控制系统，操作站为西门子业已停产的IPCRackPC547B，操作系统为windowsXPSP2。操作站主板损坏后，联系厂家无法买到兼容型号IPC，且软件升级改造所需停车时间较长。时间刻不容缓，装置停车损失巨大。在此背景下，本次实践通过将PCS7操作站虚拟化，替代运行故障的操作站，避免了停车危险。

2可行性分析

2.1虚拟化介绍

2.1.1虚拟化

虚拟化技术最早可以追溯到上个世纪60年代的IBM大型机。企业往往通过虚拟机方式充分利用大型机计算资源。当前则着眼于虚拟化中全部硬件资源，统一调配优化使用，提高利用效率。其中VMware（NYSE：VMW）连续7年荣获Gartner年度x86服务器虚拟化基础架构魔力象限领导者称号。本次实践基于VMware的桌面虚拟化软件VMwareworkstation10。

虚拟化分主机虚拟化和裸金属虚拟化两种结构，前者主要为桌面应用，后者多面向服务器应用。虚拟化使得操作系统和电脑硬件解耦，且虚拟机文件化，方便可拷贝、克隆。本次实践为单站虚拟化，采用主机虚拟化结构简单方便，易于实现。

2.1.2 P2V

P2V即Physical to virtual ，它是指将操作系统、应用程序或者数据从计算机的物理硬盘中迁移到一个虚拟环境中或是磁盘分区中。迁移方式有冷迁移、热迁移两种。

冷迁移可以更加有效地保证克隆过程成功。但需要关机操作，临时中断服务器的对外服务。此次实践，由于PCS7原操作站主机已不能启动，故采用冷迁移虚拟化。

2.1.3 桥接模式

VMware虚拟机网卡有三种网络模式：桥接、NAT、Host-only。其中桥接模式是将虚拟机的虚拟网卡通过主机Vmnet0网桥接到主机的一个物理网卡上面。实际上是将主机的物理网卡设置为混杂模式，从而达到侦听多个IP的能力。虚拟机的网卡直接与主机的物理网卡所在的网络相连。虚拟机和主机处于对等的地位，在网络关系上是平等的。

桥接虚拟机与局域网其他节点通讯时，需要关闭主机系统防火墙以及杀毒软件，防止通讯数据被拦截丢弃。

2.2 Windows XP系统

基于NT5.1内核的Windows XP系统为有史以来最成功个人桌面系统，最高时全球市场占有率超过76% 。其广泛的适用性源于一个关键的设计思路：加入硬件抽象层HAL，将系统与硬件接口标准化。Windows XP系统正常启动的前提： MBR中的引导代码正确、主分区被设置为活动、引导程序正确。

2.2.1 硬件抽象层与设备驱动

HAL硬件抽象层是一个可以加载的、内核模式的模块。它提供了针对Windows当前运行所在的硬件平台的底层接口。该文件位于 C：＼Windows＼system32＼ 目录下。

设备驱动程序是可加载的内核模式模块，通常以.sys作为文件扩展名。驱动文件位于C：＼Windows＼System32＼drivers目录下。

Windows XP系统I/O管理器通过调用HAL函数与硬件交互。

考察装机行业长期实践中得出的结论：用于封装的源计算机和进行部署的目标计算机必须具有相同硬件抽象层（HAL）。没有相同的HAL，会造成电源管理模式不能正确判断。故HAL与驱动的兼容匹配是虚拟化冷迁移成功的关键。

2.2.2 windows XP启动过程

Windows XP系统的引导过程可分为预引导、引导、载入内核、初始化内核、登录、即插即用设备检测这六个阶段。最后阶段，Windows XP会对新设备进行检测，为它们分配系统资源，并在尽量不要用户提供选择的情况下，为新设备安装一个合适版本的驱动程序。故Windows XP移植到不同的硬件平台后，第一次开机会有一个自动识别安装驱动的过程。再次重启后即可正常使用。

2.3 硬盘数据与Ghost工具

2.3.1 硬盘数据组织结构

Windows XP系统硬盘，采用MBR分区表，NTFS格式的分区保存文件数据。硬盘主要分为三部分：MBR、分区以及未使用区域。MBR先于所有的操作系统而被调入内存，并发挥作用，然后才将控制权交给主分区（活动分区）内的操作系统，并用主分区信息表来管理硬盘。

由于系统安装在硬盘上，而软件应用则安装在操作系统之上。所以全部数据其实都组织保存在硬盘存储空间内。故将整盘数据迁移即可保证完整的系统移植。

2.3.2 Ghost工具

Ghost（General Hardware Oriented Software Transfer）软件是美国赛门铁克公司的硬盘备份还原工具。对硬盘以扇区为单位进行操作，可完整复制硬盘的物理信息。

当采用Disk To Image方式备份硬盘数据时，可将硬盘的数据完整保存（包括MBR扇区信息）。还原到其他硬件平台时，满足系统正常启动的前提条件：引导代码、活动分区。

2.4 控制系统架构

该TSA装置采用西门子PCS7 V6.1系统控制，为OS单站结构。AS处理器为CPU416-2，ES（工程师站）站兼做OS（操作站）站，使用西门子Rack PC 547B工控机。AS與OS之间通讯为基于Industrial Ethernet（工业以太网） ISO协议的S7通讯，此协议通过把上位电脑组态成PLC 的-个组态站，通过上位电脑网卡的MAC 地址迸行通讯。通讯采用的硬件为CP443-1与3Com Etherlink卡。

通讯拓扑图如下：

3Com Etherlink卡为普通以太网卡，非西门子专用CP通讯卡，虚拟化时不需要考虑PCI设备直通，故可采用桥接主机以太网卡的方式通讯。

综上分析，可知对原PCS7站硬盘进行ghost备份，运用PE工具冷迁移到虚拟机，处理HAL层并更新驱动，再通过桥接网络与AS处理器通讯是可行的。

3具体实施步骤

总体思路：由于PCS7上位机突然故障，不能正常运行，故不能执行热迁移。没有兼容Windows XP的库存备用机。通过使用Ghost工具对PCS7上位机硬盘制作镜像备份文件，冷迁移至工程师维护用的笔记本虚拟机中，并将其桥接到TSA装置的交换机网络。更新驱动后检查通讯配置，激活上位监控软件WinCC，过程值正常更新显示。在备用计算机采购来之前，临时替代损坏的OS站运行使用。

3.1 制作Ghost镜像

将PCS7 上位机硬盘挂载到维护用的台式机电脑中，启动Ghost光盘。使用Disk to Image方式，将该硬盘数据备份为一个gho文件，选择备份路径为移动硬盘。

3.2 创建虚拟机并恢复镜像

3.2.1 创建虚拟机

工程师维护专用笔记本电脑中打开VMware Workstaion软件，使用“新建虚拟机向导”创建一个Windows XP Professional 虚拟机，选择“稍后安装操作系统”。网络连接选择“桥接模式”。虚拟机磁盘类型选择“IDE”。

虚拟磁盘选择IDE 磁盘控制器模式可以避免SATA驱动引起的0X0000007B蓝屏故障。

3.2.2还原硬盘镜像

虚拟机光驱选择IT天空的PE镜像USBZL v2.0，把移动硬盘连接到主机USB口。开启虚拟机进入PE系统，运行Ghost软件，执行Disk From Image把所做的gho镜像还原到虚拟机磁盘中，完成冷迁移。

3.3 驱动处理

Vmware Workstation v10 版本已经提供ACPI支持，兼容大部分主板电源管理芯片。故还原系统后并不会因此导致系统不能正常开机。

VMware Tools是VMware提供的增强虚拟显卡和硬盘性能、以及同步虚拟机与主机时钟的驱动程序。

进入虚拟机系统后，系统自动识别硬件改动，并提示安装新硬件驱动。手动安装完毕后，安装VMware Tools以提高虚拟机显卡与硬盘发挥的性能。重启系统后，虚拟机正常工作。至此完成PCS7 ES站的驱动配置。

3.4 检查PCS7通讯设置并建立OS-AS通讯

主机系统为Windows 7 Professional ，修改本地连接IPv4地址为140.80.0.2，子网掩码255.255.254.0，使之与原PCS7工业以太网位于同一网段。检查虚拟机IP地址为140.80.0.6与原ES站地址相同。由此建立AS-OS的物理通路。

检查Station Configuration Edidor， WinCC Application 正常运行。S7通讯业正常工作。启动WinCC Explorer ，加载上位程序。加载完毕后，稍等片刻过程值正常更新。

4结语

使用虚拟机替代运行的这段时期内，现场装置正常运行，阀门操控顺利，过程值实时更新。大大降低了失控造成的停车风险。并且虚拟机方便拷贝迁移，不再担心计算机硬件损坏，拷贝的新的计算机即可简单配置运行。

通过虚拟化技术可以较好地解决已淘汰系统的兼容性问题，为处理其他老旧系统提供了思路。

参考文献：

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[5] PCS7深入浅出[DB/OL].西门子（中国）有限公司，2011.