基于虛擬機技術(shù)的DCS仿真系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

隨著工業(yè)的發(fā)展，DCS(Distributed Control System)的應(yīng)用越來越廣，但是由于DCS本身的分散控制集中管理的特點必然導(dǎo)致其存在一定的復(fù)雜性，不會像普通系統(tǒng)那樣容易使用，所以在DCS產(chǎn)生的同時，相應(yīng)的仿真系統(tǒng)也應(yīng)運而生。

1 現(xiàn)有DCS仿真系統(tǒng)

DCS仿真系統(tǒng)是將真實DCS在非DCS的計算機系統(tǒng)中重現(xiàn)(純軟件)，不會涉及到底層硬件，完全可以運行在普通的PC環(huán)境中?；谶@種與硬件無關(guān)的特性，仿真系統(tǒng)可應(yīng)用于操作人員的培訓(xùn)和前期的工程調(diào)試。所以，DCS仿真系統(tǒng)的仿真程度直接影響到后期的實際操作。

目前主要存在兩種方式：(1)保留原有的集散控制系統(tǒng)軟件和硬件，接入一個只限于實現(xiàn)過程仿真的仿真計算機，即激勵(Stimulation)方式；(2)全范圍各個部分的仿真，用軟件模擬硬件的方式仿真其人機界面，而不必復(fù)制其所有功能，即仿真(Simulation)方式[1]。

上述兩種方式中，激勵方式的軟硬件仿真程度較高，但實現(xiàn)復(fù)雜，與模型連接也很困難。相對來說仿真方式比較容易實現(xiàn)，軟件實現(xiàn)整個過程靈活性較強，可以運用于不同的環(huán)境，同時便于系統(tǒng)升級。

2 基于虛擬機技術(shù)的DCS仿真系統(tǒng)

在各個環(huán)節(jié)使用軟件實現(xiàn)對DCS的仿真，然而DCS中很多軟件已經(jīng)運行在PC機上，尤其是操作人員使用的上位機軟件，這部分完全可以直接使用，不必額外仿真，具體操作在實際DCS中與DCS仿真系統(tǒng)中都完全一樣，并使得硬件及其相關(guān)硬件也能得到完全模擬?；谔摂M機技術(shù)的DCS系統(tǒng)實現(xiàn)的是硬件以及與硬件相關(guān)部分的仿真，即可以在PC環(huán)境中再現(xiàn)DCS。圖1所示為DCS結(jié)構(gòu)圖。



圖1中Level 2的工程師站、操作員站均運行在PC環(huán)境中，Level 1及Level 0是硬件相關(guān)的部分。控制器是整個DCS中最為重要的環(huán)節(jié)，對上起著接受操作命令和反饋現(xiàn)場數(shù)據(jù)的作用；對下起著傳遞命令和采集現(xiàn)場數(shù)據(jù)的作用。目前最簡單的控制器仿真是將控制器程序移植到PC環(huán)境中，這樣不僅改變了控制器程序，也丟失了一部分硬件特性，同時會隨著控制器程序的不斷升級而頻繁升級，并需要時刻保持與控制器程序?qū)R。

而基于虛擬機技術(shù)的DCS仿真系統(tǒng)則是把仿真目標(biāo)放在了控制器本身，而不是控制器程序。在PC中實現(xiàn)一個虛擬的主控制器，控制器程序可以直接運行在虛擬控制器中，使得控制器程序的升級只需要簡單的替換鏡像文件。只有當(dāng)硬件出現(xiàn)升級的時候，才需要對虛擬控制器進行升級。硬件穩(wěn)定性相對較高，不會出現(xiàn)頻繁地升級。

Level 0的硬件模塊內(nèi)部邏輯比較簡單，可以使用LabVIEW實現(xiàn)虛擬設(shè)備。虛擬控制器將輸出值傳送給虛擬設(shè)備，最終虛擬設(shè)備根據(jù)輸出值在顯示面板中作相應(yīng)的顯示，同時虛擬設(shè)備也可以將自身的某些值傳給虛擬控制器。

綜上所述，整個基于虛擬機技術(shù)的DCS仿真系統(tǒng)，是由Level 2的實際軟件、Level 1虛擬控制器以及實際的控制器軟件和Level 0虛擬設(shè)備模塊組成。由此可以看出，難點是虛擬控制器的實現(xiàn)。

3 虛擬控制器的實現(xiàn)

虛擬機的實現(xiàn)主要有兩種方式：(1)主要由軟件完全模擬目標(biāo)平臺的每一條指令，所以稱為指令集虛擬機ISA(Instruction Set Architecture)，又因為是完全模擬所以又稱模擬器；(2)借助于特定平臺和OS環(huán)境，利用VMM(Virtual Machine Monitor)程序為用戶提供一個高效的虛擬執(zhí)行環(huán)境，其主要特點就是執(zhí)行效率高。由于使用了宿主操作系統(tǒng)的特性對功能進行了虛擬，所以稱為功能級或者抽象級虛擬機，也屬于一種仿真技術(shù)[2-3]。

目前控制器的結(jié)構(gòu)主要包括了CPU、內(nèi)存、網(wǎng)卡、Flash、DOC、雙口RAM、SRAM以及各種端口。其中許多特定的硬件需要模擬，所以選擇指令集虛擬機技術(shù)設(shè)計虛擬控制器。圖2所示為虛擬控制器的結(jié)構(gòu)圖。



圖2中各個模塊完全按照現(xiàn)實控制器進行劃分和設(shè)計。

(1)CPU模塊包括實現(xiàn)指令的模擬和各個寄存器的實現(xiàn)。

(2)內(nèi)存模塊主要實現(xiàn)內(nèi)存的模擬，其大小在虛擬控制器啟動時確定，運行期間不能改變。

(3)網(wǎng)卡模塊主要實現(xiàn)虛擬控制器的網(wǎng)卡，使得虛擬控制器可以通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。

(4)存儲模塊相當(dāng)于實現(xiàn)了虛擬機的存儲介質(zhì)，例如Flash、DOC、電子盤等。

(5)SRAM模塊實現(xiàn)控制器用于掉電保護的SRAM，并用于虛擬機的數(shù)據(jù)掉電保護。

(6)雙口RAM模塊主要模擬控制器與DP主卡交互數(shù)據(jù)的雙口RAM。

(7)端口模塊實現(xiàn)控制器上的各個端口，虛擬控制器需要從端口讀取站號，單雙機狀態(tài)、LED燈狀態(tài)和其他狀態(tài)。

(8)顯示模塊主要模擬類似顯示器的作用。

(9)主板模塊在整個虛擬控制器起著協(xié)調(diào)作用，具有配置整個虛擬控制器的硬件特性，其中還包括定時器。

虛擬控制器在啟動時，先讀取硬件配置信息，如內(nèi)存大小、硬盤大小、網(wǎng)卡數(shù)目及其配置信息。根據(jù)配置情況分配資源、初始化各個設(shè)備、讀取鏡像文件，然后進入指令執(zhí)行階段。此階段為循環(huán)執(zhí)行，直到虛擬控制器被執(zhí)行關(guān)機操作。當(dāng)有關(guān)機動作時，中斷捕獲后交由相應(yīng)的中斷處理模塊。首先需要釋放啟動時申請的資源，然后才能退出。同時還存在其他中斷，如屏幕輸出、鍵盤輸入等，具體流程如圖3所示。



虛擬控制器不僅應(yīng)用于DCS仿真系統(tǒng)中，也可以用于調(diào)試運行控制器上的嵌入式操作系統(tǒng)中，分析操作系統(tǒng)性能。只需在虛擬控制器各個模塊加入統(tǒng)計信息，就可計算控制器程序及其嵌入式操作系統(tǒng)的運行情況，例如在指令集中加入統(tǒng)計信息，并運行操作一段時間后，即可以統(tǒng)計出操作系統(tǒng)主要指令的集中部分。這種虛擬機技術(shù)還有其他用途，比如可以做病毒分析，基于這種技術(shù)的應(yīng)用(也稱虛擬機技術(shù))是一種啟發(fā)式探測未知病毒的反病毒技術(shù)，能夠有效地檢測出未知病毒及危險代碼[4]。

參考文獻

[1] 王旭東.工業(yè)過程仿真系統(tǒng)的DCS仿真交互平臺設(shè)計研究[D].哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué)，2005.

[2] 喻強.x86體系結(jié)構(gòu)的虛擬機研究[D].南京:南京工業(yè)大學(xué)，2006.

[3] 劉黎明，王昭順.64位虛擬機SPANVM的設(shè)計與實現(xiàn)[J].計算機工程與科學(xué)，2007，29(2):139-141.

[4] 曾憲偉，張智軍，張志.基于虛擬機的啟發(fā)式掃描反病毒技術(shù)[J].計算機應(yīng)用與軟件，2005，22(9):125-126.