基于虛擬機技術的DCS仿真系統設計與實現

王 平

(華北計算機系統工程研究所，北京 100083)

隨著工業的發展，DCS(Distributed Control System)的應用越來越廣，但是由于DCS本身的分散控制集中管理的特點必然導致其存在一定的復雜性，不會像普通系統那樣容易使用，所以在DCS產生的同時，相應的仿真系統也應運而生。

1 現有DCS仿真系統

DCS仿真系統是將真實DCS在非DCS的計算機系統中重現(純軟件)，不會涉及到底層硬件，完全可以運行在普通的PC環境中。基于這種與硬件無關的特性，仿真系統可應用于操作人員的培訓和前期的工程調試。所以，DCS仿真系統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軟件和硬件，接入一個只限于實現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，但實現復雜，與模型連接也很困難。相對來說仿真方式比較容易實現，軟件實現整個過程靈活性較強，可以運用于不同的環境，同時便于系統升級。

2 基于虛擬機技術的DCS仿真系統

在各個環節使用軟件實現對DCS的仿真，然而DCS中很多軟件已經運行在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仿真系統中都完全一樣，并使得硬件及其相關硬件也能得到完全模擬。基于虛擬機技術的DCS系統實現的是硬件以及與硬件相關部分的仿真，即可以在PC環境中再現DCS。圖1所示為DCS結構圖。

圖1 DCS結構圖

圖1中Level 2的工程師站、操作員站均運行在PC環境中，Level 1及Level 0是硬件相關的部分。控制器是整個DCS中最為重要的環節，對上起著接受操作命令和反饋現場數據的作用；對下起著傳遞命令和采集現場數據的作用。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對齊。

而基于虛擬機技術的DCS仿真系統則是把仿真目標放在了控制器本身，而不是控制器程序。在PC中實現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。只有當硬件出現升級的時候，才需要對虛擬控制器進行升級。硬件穩定性相對較高，不會出現頻繁地升級。

Level 0的硬件模塊內部邏輯比較簡單，可以使用LabVIEW實現虛擬設備。虛擬控制器將輸出值傳送給虛擬設備，最終虛擬設備根據輸出值在顯示面板中作相應的顯示，同時虛擬設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的DCS仿真系統，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虛擬設備模塊組成。由此可以看出，難點是虛擬控制器的實現。

3 虛擬控制器的實現

虛擬機的實現主要有兩種方式：(1)主要由軟件完全模擬目標平臺的每一條指令，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環境，利用VMM(Virtual Machine Monitor)程序為用戶提供一個高效的虛擬執行環境，其主要特點就是執行效率高。由于使用了宿主操作系統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[2-3]。

目前控制器的結構主要包括了CPU、內存、網卡、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設計虛擬控制器。圖2所示為虛擬控制器的結構圖。

圖2 虛擬控制器結構圖

圖2中各個模塊完全按照現實控制器進行劃分和設計。

(1)CPU模塊包括實現指令的模擬和各個寄存器的實現。

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

(3)網卡模塊主要實現虛擬控制器的網卡，使得虛擬控制器可以通過網絡發送和接收數據。

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

(5)SRAM模塊實現控制器用于掉電保護的SRAM，并用于虛擬機的數據掉電保護。

(6)雙口RAM模塊主要模擬控制器與DP主卡交互數據的雙口RAM。

(7)端口模塊實現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、LED燈狀態和其他狀態。

(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調作用，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，如內存大小、硬盤大小、網卡數目及其配置信息。根據配置情況分配資源、初始化各個設備、讀取鏡像文件，然后進入指令執行階段。此階段為循環執行，直到虛擬控制器被執行關機操作。當有關機動作時，中斷捕獲后交由相應的中斷處理模塊。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。

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

圖3 虛擬控制器運行流程圖

[1]王旭東.工業過程仿真系統的DCS仿真交互平臺設計研究[D].哈爾濱:哈爾濱工程大學，2005.

[2]喻強.x86體系結構的虛擬機研究[D].南京:南京工業大學，2006.

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

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