西门子PCS7系统虚拟化

1、西门子PCS7系统虚拟化课题背景Win tel联盟依靠英特尔的摩尔定律和微软Win dows系统的升级换代，带动了 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，

2、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。可行性分析虚拟化介绍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 VM)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

3、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。P2VP2V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。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Vmn et

4、O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。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。Win dows XP系统正常启动的前提：MBR中的引导代码

5、正确、主分区被设置为活动、引导程序正确。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 : WindowSsystem32 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： WindowsSystem32 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

6、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。windows XP 启动过程Win dows 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。硬盘数据与 Ghost 工具硬盘数据组织结构Win dows XP系统硬盘，采用MBF分区表，NTFS格式的分区 保存文件数据。硬盘

7、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。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

8、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?cOS之间通讯为基于 In dustrial 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3ComEtherlink 卡。通讯拓扑图如下：3Com

9、 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。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 Win dows 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W

10、inCC，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。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。创建虚拟机并恢复镜像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 WindowsXPProfessional 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

11、可以避免 SATA驱区动引起的0X0000007B蓝屏故障。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。驱动处理VmwareWorkstation 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

12、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