CN114090181A - 一种基于虚拟化技术的控制器诊断方法与系统 - Google Patents

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黄玲
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Abstract

本申请实施例公开了一种基于虚拟化技术的控制器诊断方法与系统。所述方法包括：在控制器的操作系统的软件层，利用虚拟化软件创建相互隔离的两个运行环境，其中所述两个运行环境分别运行控制器的诊断模块和控制模块；建立控制模块和诊断模块之间的通信接口；控制诊断模块通过通信接口读取控制模块的数据并进行诊断操作。

Description

一种基于虚拟化技术的控制器诊断方法与系统
技术领域
本申请实施例涉及工业自动化控制领域，尤指一种基于虚拟化技术的控制器诊断方法与系统。
背景技术
工业控制器的自诊断功能是保证系统安全运转的重要功能。当控制器发生故障时，如何及时、准确的发现故障，进而将控制系统导向安全状态，是控制诊断技术研究难点。
图1为相关技术中控制器的自诊断系统的示意图。如图1所示，控制模块实现控制器的全部功能，诊断模块用于对控制模块的数据进行诊断。诊断模块和控制模块均设置在操作系统的应用软件层，通过在操作系统的应用软件层上启动诊断模块，完成对控制器内的控制模块进行诊断，实现任务运行状态、CPU状态、网络状态等基础诊断项进行诊断。
在实际应用中，在操作系统出现异常时，监测任务的正常运行受到影响，无法及时准确地完成数据的诊断操作。
发明内容
为了解决上述任一技术问题，本申请实施例提供了一种基于虚拟化技术的控制器诊断方法与系统。
为了达到本申请实施例目的，本申请实施例提供了一种基于虚拟化技术的控制器诊断方法，包括：
在控制器的操作系统的软件层，利用虚拟化软件创建相互隔离的两个运行环境，其中所述两个运行环境分别运行控制器的诊断模块和控制模块；
建立控制模块和诊断模块之间的通信接口；
控制诊断模块通过通信接口读取控制模块的数据并进行诊断操作。
一种存储介质，所述存储介质中存储有计算机程序，其中，所述计算机程序被设置为运行时执行上文所述的方法。
一种电子装置，包括存储器和处理器，所述存储器中存储有计算机程序，所述处理器被设置为运行所述计算机程序以执行上文所述的方法。
一种基于虚拟化技术的控制器诊断系统，包括：
控制器，包括上文所述的电子装置；
服务器，用于向控制器发送控制模块进行数据诊断所需的诊断配置文件。
上述技术方案中的一个技术方案具有如下优点或有益效果：
利用相互隔离的两个运行环境分别完成诊断模块和控制模块的运行，实现控制模块所在的运行环境和诊断模块的运行环境相互独立，避免现控制模块所在的运行环境发生异常影响诊断模块的正常运行，提高诊断模块的运行稳定性。
本申请实施例的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本申请实施例而了解。本申请实施例的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
附图用来提供对本申请实施例技术方案的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本申请实施例的实施例一起用于解释本申请实施例的技术方案，并不构成对本申请实施例技术方案的限制。
图1为相关技术中控制器的自诊断系统的示意图；
图2为本申请实施例提供的一种基于虚拟化技术的控制器诊断方法的流程图；
图3为本申请实施例提供的控制器的自诊断系统的示意图；
图4为本申请实施例提供的服务器的结构示意图；
图5为本申请实施例提供的诊断项的示意图；
图6为本申请实施例提供的诊断模块的数据诊断的示意图；
图7为本申请实施例提供的控制器外设连接的示意图。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下文中将结合附图对本申请实施例的实施例进行详细说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请实施例中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。
在实现本申请过程中，对相关技术进行了技术分析，发现相关技术至少存在如下问题，包括：
1、诊断功能受限
因为诊断监测任务与被监测任务均运行于同一操作系统之上，属于用户空间任务，不具备操作系统底层空间的访问能力。当操作系统存在故障问题时，可能会导致所有任务功能失效，其中也包括诊断任务的功能，因此诊断监测任务对自身运行的操作系统运行诊断功能受限。
2、存在误诊断的情况
在被监测任务所在的操作系统环境启动诊断监测任务，来诊断本操作系统上运行的其它功能，这种设计方式属于单系统自诊断方式，会存在当自身故障发生时误诊断的情况。
3、诊断功能适配性不强
通用的控制器诊断功能仅是对系统的基础功能进行诊断，而没有对与各个控制现场特定的关键数据以及控制逻辑进行诊断，针对于不同的控制现场，控制组态逻辑与关键数据是不同的，所以传统的固化不变的诊断项仅能够做到基础诊断项，无法深度适配各个现场的应用场景。
针对于相关技术中存在的技术缺点，本申请提供如下解决方案，包括：
图2为本申请实施例提供的一种基于虚拟化技术的控制器诊断方法的流程图。如图2所示，所述方法包括：
步骤201、在控制器的操作系统的软件层，利用虚拟化软件创建相互隔离的两个运行环境，其中所述两个运行环境分别运行控制器的诊断模块和控制模块；
与相关技术中基于单操作系统实现控制器自诊断不同，本申请实施例提供的方案将诊断模块和控制模块设置在相互隔离的两个运行环境中，从而避免控制模块所在的运行环境发生的异常影响诊断模块的正常运行。
步骤202、建立控制模块和诊断模块之间的通信接口；
由于控制模块和诊断模块设置在不同的运行环境，需要为其设置对应的通信接口实现数据的传输，其中，该通信接口按照预设的诊断配置文件进行数据的传输，其中可以由服务器完成对控制器的诊断配置文件的设置。
步骤203、控制诊断模块通过通信接口读取控制模块的数据并进行诊断操作。
本申请实施例提供的方法，利用相互隔离的两个运行环境分别完成诊断模块和控制模块的运行，实现控制模块所在的运行环境和诊断模块的运行环境相互独立，避免现控制模块所在的运行环境发生异常影响诊断模块的正常运行，提高诊断模块的运行稳定性。
下面对本申请实施例提供的方法进行说明：
可以通过如下方式创建相互隔离的运行环境，包括：
创建诊断虚拟机和控制虚拟机，其中，所述诊断虚拟机的操作系统运行所述诊断模块，所述控制虚拟机的操作系统运行所述控制模块，其中所述第一虚拟机具有管理第二虚拟机的权限；
图3为本申请实施例提供的控制器的自诊断系统的示意图。如图3所示，在操作系统的运行虚拟化软件XEN，基于XEN软件构建了双操作系统运行环境，其中一个操作系统为XEN匹配的管理权限操作系统OS1，另一个操作系统Dom0为一般权限的GuestOS。其中第一操作系统运行诊断模块功能，完成对控制器系统的诊断功能，称之为诊断虚机。另一个操作系统运行控制模块功能，完成控制器系统的现场控制功能，称之为控制虚机。在XEN软件，Dom0为XEN的虚机管理功能操作系统，具备管理监控其它虚机运行状态的权限，其它虚机操作系统级别故障不会影响Dom0运行。因此，更加适合将诊断模块部署在Dom0上，诊断监控另一个控制虚机的整体运行情况。
通过XEN虚拟化软件构建出了诊断模块独立运行工作的基础操作系统环境，从而降低了诊断模块与其它模块的耦合度。因为增加一个虚机操作系统，必然会带来硬件负载升高。为了提高性能，可以采用如下方案创建相互隔离的运行环境，包括：
在控制器中的操作系统中运行所述控制模块，并创建容器，其中该容器内运行所述诊断模块。
通过docker容器构建出一个独立容器环境，将诊断模块部署在独立的容器环境下。相对于虚拟机中的操作系统，该实现方式能够更好的提升性能，但可靠性也会相对减弱。
具体方案实施过程中，可以根据具体控制器硬件资源以及诊断可靠度需求来决定采用哪种方案。
在一个示例性实施例中，可以通过如下方式完成通信接口的建立，包括：
从控制模块的数据中选择被监测的数据作为诊断数据；
记录所述诊断数据的数据地址和数据长度，作为诊断数据的标识信息；
建立诊断数据的诊断配置文件作为通信接口的接口文件，其中所述诊断配置文件包括一个或多个诊断项配置表，每个诊断项配置表包括诊断数据的标识信息和诊断策略；
其中，所述诊断模块根据所述诊断配置文件对诊断数据进行处理。
图4为本申请实施例提供的服务器的结构示意图。如图4所示，服务器提供管理界面方便用于根据现场实际情况定义诊断项配置、并下发至控制器。控制器上运行的诊断模块软件接收诊断项配置，并加载生效。
服务器根据用户输入的诊断配置，进行基准值计算以及信息组织，最终生成诊断配置文件。具体包括如下模块：
人机交互模块41，包括：
文件配置单元411，完成对用户输入的诊断配置的接收；
数据输出单元412，能够对当前控制器诊断的异常报警项显示，提供用户报警展示界面。
配置文件生成模块42，用于根据收到的用户输入信息，完成对诊断配置文件的生成，包括：
诊断基准值计算单元421，具体指对诊断数据的基准数据，采用用户所指定的基准值校验算法，生成诊断数据的基准值；
诊断配置文件生成单元422，该模块完成对诊断数据地址、诊断数据长度、基准值校验算法、诊断基准值、判断算法、异常处理方法生成文件格式，且该文件作为控制器诊断管理软件与控制器诊断模块之间的接口文件。
数据解析模43，从控制器读取诊断异常上报的数据，进行解析，并利用数据输出单元412进行输出。
用户可以在服务器上自定义符合现场实际需求的诊断项，从而实现一套软件诊断平台适配不同的现场。
在一个示例性实施例中，所述诊断策略包括诊断数据的校验方式、基准值和判断方式；
其中，所述诊断模块按照所述诊断标识采集得到诊断数据后，按照所述校验方式得到诊断数据的基础值，按照所述判断方式对基础值和基准值进行判断，得到诊断结果。
优选的，所述诊断策略包括诊断数据的异常处理方式；
其中，所述诊断模块在诊断结果为异常时，按照所述异常处理方式执行告警管理。
图5为本申请实施例提供的诊断项的示意图。如图5所示，每条诊断项均包括如下信息：
a)诊断数据地址，具体指该诊断数据所在控制器内存的物理地址。
b)诊断输出长度，具体指该诊断数据在控制器内存中占用多少个字节。
c)诊断基准数据，具体指待诊断的正确的原始数据内容。
d)基准值校验算法，因为诊断基准数据长度有可能较大，所以校验算法生成校验值基准值，从而减少控制器的存储空间。用户可以选择采用哪种算法，对诊断基准数据进行运算，产生基准值。可选择的基准值算法包括：CRC、MD5、AES等算法。用户可以根据诊断基准数据的长度、以及诊断的误差概率来决定选择哪种校验算法。如果诊断基准数据较短，也可以采用明文(原始数据)校验。
e)判断异常算法，具体指在什么判断标准下，判断该诊断项已经发生故障。当诊断模块监测到现场的实际值与基准值是什么关系(大于、等于、小于、不等于)时，判断为异常。
f)异常处理方法，用户可以选择当该诊断项出现问题时，该进行的自动处理方式。处理方式包括：将异常上报至诊断管理平台软件、是否需要控制系统停止运算与输出。
利用上述诊断配置文件中的诊断项，诊断模块对采集的控制模块的数据进行处理。
图6为本申请实施例提供的诊断模块的数据诊断的示意图。如图6所示，所述诊断模块包括通信单元61、诊断数据采集单元62、诊断数据计算单元63、诊断结果判断单元64、诊断异常处理单元65；其中：
通信单元61实现如下功能，包括：
与服务器通信，接收诊断配置文件，并将其保存至掉电非易失存储介质中；
解析诊断配置文件，将解析出的诊断诊断项配置线性表，并保存至掉电非易失存储介质中，其中，该诊断配置文件作为诊断操作的操作依据；
从诊断异常处理模块接收报警信息，并将告警信息上报至服务器。
诊断数据采集单元62，用于根据诊断项配置线性表中各个诊断项中数据地址信息、诊断数据长度信息，确定各个诊断项的诊断数据所在地址与长度，并从被诊断系统(即控制单元)获取待诊断数据，并传递给诊断数据计算单元。
诊断数据计算单元63，用于根据诊断数据采集单元所传递的各个诊断数据所在的地址与长度，并读取诊断项线性配置表中各个诊断项的校验算法。调用运算引擎硬件外设，通过硬件芯片完成数据的校验值的快速可靠计算，最终生成校验值。并将校验值传递给诊断结果判断单元。
诊断结果判断单元64，用于根据诊断数据计算单元计算出的校验值，并读取诊断项线性配置表中的各个诊断项的判断异常算法、基准值，进行逻辑判断，诊断结果是否异常。将诊断结果传递至诊断异常处理单元。
诊断异常处理单元65，用于根据诊断结果判断单元所产生的诊断结果，在配置表中查找对应诊断项的异常处理方法进行处理，其中，处理方式可以为上报至服务器、控制系统停止运算与输出。如果需要上报至服务器，则将报警信息传递给通信单元；如果需要控制系统停止运算与输出，则向控制模块发出停止命令。
在一个示例性实施例中，所述诊断配置文件与控制器相连的存储设备中。
为了增加诊断模块可靠硬件环境，在控制器硬件上外扩增加掉电非易失存储介质用于保存诊断数据基准值。避免软件诊断基准值在内存中被溢出篡改的风险。
在一个示例性实施例中，所述控制器还连接有处理模块，其中所述处理模块从诊断模块获取诊断数据，按照所述校验方式对所述诊断数据进行处理，得到基准值，并将基准值发送给诊断模块。
该处理模块可以为运算引擎，通过在控制器硬件上外扩增加运算引擎，该运算引擎能够在硬件级提高诊断过程中，校验算法计算速度，降低算法运算错误的概率。
图7为本申请实施例提供的控制器外设连接的示意图。如图7所示，在原有控制器硬件基础上通过SPI总线外扩8M掉电非易失存储介质Norflash，用于存储诊断数据基准校验值，防止内存溢出导致的内存基准值被篡改的情况。其次，在原有硬件基础上，通过SPI总线外扩增加运算引擎芯片，该芯片能够辅助完成常规的校验运算，包括AES、CRC、MD5算法，从而提高诊断模块在运行过程中计算校验值的执行速度以及可靠性。
本申请实施例提供一种存储介质，所述存储介质中存储有计算机程序，其中，所述计算机程序被设置为运行时执行上文任一项中所述的方法。
本申请实施例提供一种电子装置，包括存储器和处理器，所述存储器中存储有计算机程序，所述处理器被设置为运行所述计算机程序以执行上文任一项中所述的方法。
本申请实施例提供一种基于虚拟化技术的控制器诊断系统，包括：
控制器，包括上文所述的电子装置；
服务器，用于向控制器发送控制模块进行数据诊断所需的诊断配置文件。
本领域普通技术人员可以理解，上文中所公开方法中的全部或某些步骤、系统、装置中的功能模块/单元可以被实施为软件、固件、硬件及其适当的组合。在硬件实施方式中，在以上描述中提及的功能模块/单元之间的划分不一定对应于物理组件的划分；例如，一个物理组件可以具有多个功能，或者一个功能或步骤可以由若干物理组件合作执行。某些组件或所有组件可以被实施为由处理器，如数字信号处理器或微处理器执行的软件，或者被实施为硬件，或者被实施为集成电路，如专用集成电路。这样的软件可以分布在计算机可读介质上，计算机可读介质可以包括计算机存储介质(或非暂时性介质)和通信介质(或暂时性介质)。如本领域普通技术人员公知的，术语计算机存储介质包括在用于存储信息(诸如计算机可读指令、数据结构、程序模块或其他数据)的任何方法或技术中实施的易失性和非易失性、可移除和不可移除介质。计算机存储介质包括但不限于RAM、ROM、EEPROM、闪存或其他存储器技术、CD-ROM、数字多功能盘(DVD)或其他光盘存储、磁盒、磁带、磁盘存储或其他磁存储装置、或者可以用于存储期望的信息并且可以被计算机访问的任何其他的介质。此外，本领域普通技术人员公知的是，通信介质通常包含计算机可读指令、数据结构、程序模块或者诸如载波或其他传输机制之类的调制数据信号中的其他数据，并且可包括任何信息递送介质。

Claims (10)

1.一种基于虚拟化技术的控制器诊断方法，其特征在于，包括：
在控制器的操作系统的软件层，利用虚拟化软件创建相互隔离的两个运行环境，其中所述两个运行环境分别运行控制器的诊断模块和控制模块；
建立控制模块和诊断模块之间的通信接口；
控制诊断模块通过通信接口读取控制模块的数据并进行诊断操作。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过如下方式创建相互隔离的运行环境，包括：
创建诊断虚拟机和控制虚拟机，其中，所述诊断虚拟机的操作系统运行所述诊断模块，所述控制虚拟机的操作系统运行所述控制模块，其中所述第一虚拟机具有管理第二虚拟机的权限；
或者，
在控制器中的操作系统中运行所述控制模块，并创建容器，其中该容器内运行所述诊断模块。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述通信接口是通过如下方式建立的，包括：
从控制模块的数据中选择被监测的数据作为诊断数据；
记录所述诊断数据的数据地址和数据长度，作为诊断数据的标识信息；
建立诊断数据的诊断配置文件作为通信接口的接口文件，其中所述诊断配置文件包括一个或多个诊断项配置表，每个诊断项配置表包括诊断数据的标识信息和诊断策略；
其中，所述诊断模块根据所述诊断配置文件对诊断数据进行处理。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：
所述诊断策略包括诊断数据的校验方式、基准值和判断方式；
其中，所述诊断模块按照所述诊断标识采集得到诊断数据后，按照所述校验方式得到诊断数据的基础值，按照所述判断方式对基础值和基准值进行判断，得到诊断结果。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：
所述诊断策略包括诊断数据的异常处理方式；
其中，所述诊断模块在诊断结果为异常时，按照所述异常处理方式执行告警管理。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：
所述诊断配置文件与控制器相连的存储设备中。
7.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：
所述控制器还连接有处理模块；
其中，所述处理模块从诊断模块获取诊断数据，按照所述校验方式对所述诊断数据进行处理，得到基准值，并将基准值发送给诊断模块。
8.一种存储介质，其特征在于，所述存储介质中存储有计算机程序，其中，所述计算机程序被设置为运行时执行所述权利要求1至7任一项中所述的方法。
9.一种电子装置，包括存储器和处理器，其特征在于，所述存储器中存储有计算机程序，所述处理器被设置为运行所述计算机程序以执行所述权利要求1至7任一项中所述的方法。
10.一种基于虚拟化技术的控制器诊断系统，其特征在于，包括：
控制器，包括如权利要求9所述的电子装置；
服务器，用于向控制器发送控制模块进行数据诊断所需的诊断配置文件。
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