基于虚拟机技术的DCS仿真系统设计与实现 - 全文

随着工业的发展，DCS(Distributed Control System)的应用越来越广，但是由于DCS本身的分散控制集中管理的特点必然导致其存在一定的复杂性，不会像普通系统那样容易使用，所以在DCS产生的同时，相应的仿真系统也应运而生。

1 现有DCS仿真系统

DCS仿真系统是将真实DCS在非DCS的计算机系统中重现(纯软件)，不会涉及到底层硬件，完全可以运行在普通的PC环境中。基于这种与硬件无关的特性，仿真系统可应用于操作人员的培训和前期的工程调试。所以，DCS仿真系统的仿真程度直接影响到后期的实际操作。

目前主要存在两种方式：(1)保留原有的集散控制系统软件和硬件，接入一个只限于实现过程仿真的仿真计算机，即激励(Stimulation)方式；(2)全范围各个部分的仿真，用软件模拟硬件的方式仿真其人机界面，而不必复制其所有功能，即仿真(Simulation)方式[1]。

上述两种方式中，激励方式的软硬件仿真程度较高，但实现复杂，与模型连接也很困难。相对来说仿真方式比较容易实现，软件实现整个过程灵活性较强，可以运用于不同的环境，同时便于系统升级。

2 基于虚拟机技术的DCS仿真系统

在各个环节使用软件实现对DCS的仿真，然而DCS中很多软件已经运行在PC机上，尤其是操作人员使用的上位机软件，这部分完全可以直接使用，不必额外仿真，具体操作在实际DCS中与DCS仿真系统中都完全一样，并使得硬件及其相关硬件也能得到完全模拟。基于虚拟机技术的DCS系统实现的是硬件以及与硬件相关部分的仿真，即可以在PC环境中再现DCS。图1所示为DCS结构图。



图1中Level 2的工程师站、操作员站均运行在PC环境中，Level 1及Level 0是硬件相关的部分。控制器是整个DCS中最为重要的环节，对上起着接受操作命令和反馈现场数据的作用；对下起着传递命令和采集现场数据的作用。目前最简单的控制器仿真是将控制器程序移植到PC环境中，这样不仅改变了控制器程序，也丢失了一部分硬件特性，同时会随着控制器程序的不断升级而频繁升级，并需要时刻保持与控制器程序对齐。

而基于虚拟机技术的DCS仿真系统则是把仿真目标放在了控制器本身，而不是控制器程序。在PC中实现一个虚拟的主控制器，控制器程序可以直接运行在虚拟控制器中，使得控制器程序的升级只需要简单的替换镜像文件。只有当硬件出现升级的时候，才需要对虚拟控制器进行升级。硬件稳定性相对较高，不会出现频繁地升级。

Level 0的硬件模块内部逻辑比较简单，可以使用LabVIEW实现虚拟设备。虚拟控制器将输出值传送给虚拟设备，最终虚拟设备根据输出值在显示面板中作相应的显示，同时虚拟设备也可以将自身的某些值传给虚拟控制器。

综上所述，整个基于虚拟机技术的DCS仿真系统，是由Level 2的实际软件、Level 1虚拟控制器以及实际的控制器软件和Level 0虚拟设备模块组成。由此可以看出，难点是虚拟控制器的实现。

3 虚拟控制器的实现

虚拟机的实现主要有两种方式：(1)主要由软件完全模拟目标平台的每一条指令，所以称为指令集虚拟机ISA(Instruction Set Architecture)，又因为是完全模拟所以又称模拟器；(2)借助于特定平台和OS环境，利用VMM(Virtual Machine Monitor)程序为用户提供一个高效的虚拟执行环境，其主要特点就是执行效率高。由于使用了宿主操作系统的特性对功能进行了虚拟，所以称为功能级或者抽象级虚拟机，也属于一种仿真技术[2-3]。

目前控制器的结构主要包括了CPU、内存、网卡、Flash、DOC、双口RAM、SRAM以及各种端口。其中许多特定的硬件需要模拟，所以选择指令集虚拟机技术设计虚拟控制器。图2所示为虚拟控制器的结构图。



图2中各个模块完全按照现实控制器进行划分和设计。

(1)CPU模块包括实现指令的模拟和各个寄存器的实现。

(2)内存模块主要实现内存的模拟，其大小在虚拟控制器启动时确定，运行期间不能改变。

(3)网卡模块主要实现虚拟控制器的网卡，使得虚拟控制器可以通过网络发送和接收数据。

(4)存储模块相当于实现了虚拟机的存储介质，例如Flash、DOC、电子盘等。

(5)SRAM模块实现控制器用于掉电保护的SRAM，并用于虚拟机的数据掉电保护。

(6)双口RAM模块主要模拟控制器与DP主卡交互数据的双口RAM。

(7)端口模块实现控制器上的各个端口，虚拟控制器需要从端口读取站号，单双机状态、LED灯状态和其他状态。

(8)显示模块主要模拟类似显示器的作用。

(9)主板模块在整个虚拟控制器起着协调作用，具有配置整个虚拟控制器的硬件特性，其中还包括定时器。

虚拟控制器在启动时，先读取硬件配置信息，如内存大小、硬盘大小、网卡数目及其配置信息。根据配置情况分配资源、初始化各个设备、读取镜像文件，然后进入指令执行阶段。此阶段为循环执行，直到虚拟控制器被执行关机操作。当有关机动作时，中断捕获后交由相应的中断处理模块。首先需要释放启动时申请的资源，然后才能退出。同时还存在其他中断，如屏幕输出、键盘输入等，具体流程如图3所示。



虚拟控制器不仅应用于DCS仿真系统中，也可以用于调试运行控制器上的嵌入式操作系统中，分析操作系统性能。只需在虚拟控制器各个模块加入统计信息，就可计算控制器程序及其嵌入式操作系统的运行情况，例如在指令集中加入统计信息，并运行操作一段时间后，即可以统计出操作系统主要指令的集中部分。这种虚拟机技术还有其他用途，比如可以做病毒分析，基于这种技术的应用(也称虚拟机技术)是一种启发式探测未知病毒的反病毒技术，能够有效地检测出未知病毒及危险代码[4]。