技術(shù)中心
Technology conter工控機磁盤工作故障的防護與排除辦法
2015-05-25 10:26:02
一、 引言
隨著工業(yè)與計算機的快速發(fā)展，在自動化程度越來越高的今天,計算機也應(yīng)用到自動化控制系統(tǒng)的方方面面。工業(yè)控制計算機（以下簡稱工控機）的安全也顯得尤為重要。工控機與普通計算機的技術(shù)原理相同，組成結(jié)構(gòu)也差不多，只是在工控機強調(diào)的是其工作穩(wěn)定性。工控機一般工作在相對惡劣的環(huán)境下工作的，對環(huán)境溫度、濕度、供及電壓、平穩(wěn)性、通風(fēng)性能等要求比較高，但工作環(huán)境往往達不到要求，工控機也容易發(fā)生故障，部分硬件出現(xiàn)問題還能及時更換，一旦磁盤發(fā)生損壞，會造成大量記錄數(shù)據(jù)丟失，控制軟件破壞，短時間無法修復(fù)，造成被控參數(shù)控制不穩(wěn)，往往帶來巨大的經(jīng)濟損失。
二、 故障現(xiàn)象描述
工控機長時間運行后，（長時間指：包括連續(xù)工作一個標(biāo)準(zhǔn)月30天24小時工作制及以上的時間），機箱內(nèi)積集大量灰塵，機箱溫度較高。通常在不關(guān)機的情況下一切工作正常，一旦因電力供應(yīng)不足或需要緊急停機時，控制系統(tǒng)容易出現(xiàn)磁盤無法啟動、系統(tǒng)無法加載、長時間處于登陸畫面等故障。以山東玻璃集團廊坊高新玻璃生產(chǎn)線的10臺操作員站和4臺工程師站為例：
系統(tǒng)配置
工 控 機：研華工控機、DELL GX270
操作系統(tǒng)：Windows 2000 Professional Windows 98(一臺)（正版）
控制軟件：Citect、Freelance 2000、WCC5.0、SETP7 5.2等正版軟件
輔助軟件：WINRAR 3.0、Windows 2000 Professional SP4補丁等
工作時間：全年全日制工作（365天24小時）
工作環(huán)境：環(huán)境溫度利用空調(diào)控制在10攝氏度到30攝氏度之間、地面有輕微機械震感、空氣有可吸入顆粒物。
空氣濕度：5%～50%RH
自2003年12月運行以來，共有三臺計算機累計五次出現(xiàn)磁盤錯誤導(dǎo)致無法啟動的故障。筆者與微軟操作系統(tǒng)服務(wù)部聯(lián)系至今也沒有得到可靠回復(fù)。
三、 故障分析及排除方法
引起磁盤故障的原因非常多，我們在這里大概的分為磁盤本身的質(zhì)量問題和工作環(huán)境引起的故障問題。
磁盤本身的質(zhì)量問題，我們無法深入考究，只有在開始做控制系統(tǒng)時，選擇購買質(zhì)量、品牌較好硬盤，也可以利用Scandisk、Norton Disk Doctor等軟件進行磁盤表面缺陷檢測。假如我們能夠預(yù)知硬盤的質(zhì)量和健康狀態(tài)，這將為我們選擇硬盤和備份重要數(shù)據(jù)贏得時間。筆者在網(wǎng)上發(fā)現(xiàn)一款名為Drive Health軟件，可以檢測硬盤的使用壽命，可以幫助大家提前得知硬盤健康狀態(tài)。
工作環(huán)境引起的故障問題，常見的有下面幾個方面：
1、 工控機工作時間長。
由于正常生產(chǎn)的需要，部分工廠的工業(yè)控制系統(tǒng)需要長時間工作，給工控機操作系統(tǒng)帶來巨大考驗。據(jù)微軟的操作系統(tǒng)運行時間報告中表明，微軟聲稱其Windows 2000后的操作系統(tǒng)可以支持長時間工作，但從實際運行看，運行時間超過一周后，磁盤在龐大數(shù)據(jù)交換過程中，會積累大量的數(shù)據(jù)碎片，容易造成磁盤邏輯壞道、讀寫錯誤及系統(tǒng)運行和啟動變慢。所以工控機在生產(chǎn)允許的情況下，可定時進行重啟工控機和磁盤碎片整理，以減少因長時間工作導(dǎo)致的磁盤錯誤。重啟時間可按工控機處理數(shù)據(jù)量的大小和生產(chǎn)情況而定，它不是硬性的，需要讀者慢慢摸索。從筆者的實際經(jīng)驗來看，一個標(biāo)準(zhǔn)月（30天）重啟和整理一次工控機可以減少磁盤錯誤的機率。
2、 工控機內(nèi)部溫度過高。
在需長時間高溫運行的環(huán)境中，計算機各元件極易發(fā)生老化、硬盤故障的頻率也較之升高。這就需要工廠的自動化系統(tǒng)維護人員在日常巡檢中，密切關(guān)注機箱溫度，盡量使工控機的溫度保持在10--30攝氏度之間，過高、過低的溫度都不適宜硬盤的保護，如果機箱溫度達到30攝氏度，內(nèi)部硬盤的溫度會達到40度或更高。我們可以簡單DIR一下自己的工控機，以達到降低環(huán)境溫度的作用。一、更換大功率CPU、硬盤風(fēng)扇（硬盤風(fēng)扇要注意固定，不宜安裝在硬盤固件架上，以防因風(fēng)扇轉(zhuǎn)動帶來硬盤震動）加快散熱；二、在機箱內(nèi)部加裝向機箱外抽風(fēng)的風(fēng)扇，增加空氣對流；三、在放置工控機的機柜上，安裝小型軸流風(fēng)機；四、在控制室加裝空調(diào)，以降低空間溫度。
3、 環(huán)境濕度不適宜。
工控機主要是由眾多電子元件的集成電路構(gòu)成，其絕緣性能跟環(huán)境濕度有很大關(guān)系。濕度過大，容易造成電路板短路而燒毀；濕度過小，容易產(chǎn)生靜電，也會擊穿部分電子元件。因此，濕度過大、過小，都會給工控機帶來潛在的威脅。靜電防護問題上要求我們工控機上必須要有良好的儀表接地。值得說明的是，工控機接地極不同與土建上的防雷接地，接地極選址應(yīng)距控制室處三米遠，在室外的地坪下1700mm處用∮20鍍鋅角鋼作垂直接地極，接地數(shù)量滿足接地電阻小于1歐姆（回填時應(yīng)用搖表測試），再采用40404鍍鋅扁鋼與接地體可靠焊接（每個焊接點還要做仔細的防銹處理），分至建筑物內(nèi)換接25mm銅電纜至系統(tǒng)地端子和工控機接地點。這樣可以有效的減少靜電帶來的危害。
4、 地面震感大。
很多工廠生產(chǎn)中需要電機產(chǎn)生拖動、震動等物理性位移動作，不僅帶來巨大的噪音，機器工作時帶來的震動會給工控機磁盤、光驅(qū)、軟驅(qū)帶來巨大的損害。磁盤生產(chǎn)的工藝越來越高，現(xiàn)行轉(zhuǎn)速已達到7200轉(zhuǎn)每秒乃至更高。在自動化控制系統(tǒng)中的大量數(shù)據(jù)交換中，長時間、高速度運轉(zhuǎn)的磁盤，容易因磁盤震動，導(dǎo)致磁盤讀寫能力下降，磁頭定位緩慢，甚至造成磁盤損壞；因此減少工控機環(huán)境震感，有利于保護磁盤。我們可以在工程設(shè)計時，盡可能的讓工控機遠離震源大的工作現(xiàn)場；如果工作地點無法更改，我們還可以在工控機柜、箱體下墊置海綿、可緩沖性物體以減小震動帶來的危害。
5、 空氣中的可吸入顆粒物多。
很多工廠的原料大多需要粉料進行加工，加上外界空氣流動大、沙塵多，工控機內(nèi)容易集積大量粘糊狀積塵，造成工控機內(nèi)局部溫度過高，帶來硬件損壞。這種情況多發(fā)于CPU、電源、硬盤、顯卡等散熱風(fēng)扇周圍。積塵較輕的地方，在正常生產(chǎn)允許的情況下，可以采用定時吹塵。積塵較嚴(yán)重的地方，可以工控機箱透風(fēng)處安置濾塵紗布，定期清理。
6、 供電電壓波動大、易停電。
工業(yè)和生活快速的發(fā)展，對電的需求量也日益增大，很多地區(qū)有電力供應(yīng)不足、電壓不穩(wěn)、易停電的情況發(fā)生。電壓不穩(wěn)和突然停電，造成系統(tǒng)頻繁重啟，系統(tǒng)文件也容易因此發(fā)生丟失而無法正常啟動；正在執(zhí)行讀寫動作的磁頭，有時會因為停電造成磁頭回位不準(zhǔn)帶來工控機磁盤故障。因此工控機工作環(huán)境電源的穩(wěn)定關(guān)系到工控機工作正常與否。我們可以采用穩(wěn)壓電源和UPS不間斷電源進行保護，具體設(shè)備選型，要依負(fù)載功率大小、需保持工作時間多少來定。
四、 故障救急策略
很多時候，我們的工控人員做了很多保護工作，仍然有工控機磁盤發(fā)生故障的情況，下面我們就與讀者探討一下如何在發(fā)生故障前采取補救措施。建議讀者先學(xué)會使用GHOST（著名的磁盤克隆軟件）軟件，對象版本盡可能最新，這將有助于下列方案的實施。
無需資金投入方案：GHOST克隆鏡像
方案前提：僅僅系統(tǒng)盤出現(xiàn)故障，系統(tǒng)盤可以被FORMAT軟件正常格式化。（筆者曾遇到兩次無法正常用FORMAT軟件格式化系統(tǒng)盤，主從盤方式下，訪問壞磁盤的系統(tǒng)盤時，提示參數(shù)錯誤，采用低格后恢復(fù)）
方案材料：GHOST軟件、DOS系統(tǒng)引導(dǎo)盤（可光盤、軟件、U盤）
方案實施：磁盤故障大多發(fā)生在系統(tǒng)盤（C盤），在自動化系統(tǒng)正式投入運行后，首先利用GHOST軟件，對系統(tǒng)盤進行鏡像，將鏡像文件（.GHO）放至FAT32磁盤格式下進行備份（因為單磁盤情況下，對系統(tǒng)盤進行GHOST恢復(fù)，一般在DOS下進行，DOS只能運行在FAT32、FAT16等磁盤格式下，在NTFS的分盤格式下是不能被運行的。），一旦系統(tǒng)盤發(fā)生故障，最快的方法可將系統(tǒng)盤格式化掉，利用GHOST軟件可在5分鐘左右將原鏡像好的文件恢復(fù)到系統(tǒng)盤。
方案結(jié)論：無需設(shè)備投入，無需資金花銷；恢復(fù)速度快。此方案只能針對于操作系統(tǒng)破壞而非磁盤發(fā)生物理性損壞的情況下采用；一旦磁盤物理損壞，此方案將無法進行。這也可推廣至整個磁盤鏡像。
經(jīng)濟型方案：克隆雙硬盤備份+GHOST鏡像
方案前提：工控機磁盤故障（無論是系統(tǒng)故障還是磁盤物理性損壞）
方案材料：目標(biāo)工控機內(nèi)同型號磁盤一塊、GHOST軟件、DOS系統(tǒng)引導(dǎo)盤（可光盤、軟件、USB盤）
方案實施：在工控機系統(tǒng)投入運行之前，利用GHOST軟件先將存有控制系統(tǒng)磁盤的系統(tǒng)盤（C盤）鏡像至該磁盤的非系統(tǒng)盤FAT32磁盤格式分區(qū)下，再將其整個硬盤內(nèi)容完整克隆至同型號備用磁盤內(nèi)。一旦出現(xiàn)操作系統(tǒng)損壞，可將操作系統(tǒng)鏡像文件恢復(fù)；如果發(fā)生整個磁盤故障，可將壞磁盤拆除，換上先向備份好同樣內(nèi)容的備用硬盤即可。
方案結(jié)論：只需投入一塊磁盤的資金（約400-800元人民幣之間，視磁盤大小、廠商的不同）、更換容易、恢復(fù)速度快、可排除所有磁盤問題。
安全性投入方案（經(jīng)濟型）：采用Windows 2000雙硬盤RAID1或三硬盤RAID5方式的軟件磁盤陣列
方案前提：此方案的實施時間，最好在工控機投入運行之前
方案材料：Windows 2000系統(tǒng)盤或更高版本、磁盤兩塊（型號相同為宜）
方案實施：首先安裝Windows 2000系統(tǒng)或更高版本（因為微軟在Windows NT后對磁盤陣列比較好），啟動磁盤陣列功能支持。磁盤陣列方式能在工控機運行時的寫操作，同時向兩塊磁盤寫入相同的內(nèi)容，假如兩塊磁盤有一塊發(fā)生故障時，另一塊磁盤因為是同時寫入的相同內(nèi)容，能無擾的切換正常工作狀態(tài)。也就是說，磁盤陣列方式下的兩塊硬盤中只要有一塊磁盤沒有損壞，重要數(shù)據(jù)就不會丟失。事后可再更換或維修壞磁盤，最大好處就是不會影響到生產(chǎn)數(shù)據(jù)的丟失，更換速度也很快。
方案結(jié)論：投入較小，安全性高，穩(wěn)定性跟系統(tǒng)安裝設(shè)置好壞有關(guān)、但技術(shù)初學(xué)者不易掌握。
安全性投入方案（穩(wěn)定型）：采用低端服務(wù)器硬件磁盤陣列方式（面對技術(shù)要求低、穩(wěn)定生產(chǎn)高、數(shù)據(jù)相當(dāng)重要的地方使用）
方案材料：支持硬件磁盤陣列功能的低端服務(wù)器一臺約2萬5千元人民幣左右
方案實施：因為是采用硬件方式的磁盤陣列，所有外界對其干擾低，故障發(fā)生率低。在發(fā)生磁盤故障時，只需對壞硬盤進行拆除，補充相同型號新硬盤即可。具體實施辦法，詳情請咨詢低端服務(wù)器提供商。
方案結(jié)論：投入相對較大、安全性高、穩(wěn)定性好、技術(shù)要求低。
五、 結(jié)束語
工控機磁盤故障帶來的危害不言而喻，保證它的安全是我們工控人員應(yīng)該關(guān)注的問題，只有我們事先做好詳細的防護措施，工控機才能穩(wěn)定、高效的運行。筆者在實際工作采用上述辦法，有效避免了工控機磁盤故障，能將故障的修復(fù)時間由原來的幾個小時，縮短為幾分鐘，為正常生產(chǎn)提供保障。
