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提出了基于虛擬機技術(shù)的DCS仿真系統的實(shí)現方式，描述了虛擬控制器的具體實(shí)現方法及虛擬機技術(shù)的其他應用。 隨著(zhù)工業(yè)的發(fā)展，DCS(Distributed Control System)的應用越來(lái)越廣，但是由于DCS本身的分散控制集中管理的特點(diǎn)必然導致其存在一定的復雜性，不會(huì )像普通系統那樣容易使用，所以在DCS產(chǎn)生的同時(shí)，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(shí)DCS在非DCS的計算機系統中重現(純軟件)，不會(huì )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(wú)關(guān)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(shí)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(gè)只限于實(shí)現過(guò)程仿真的仿真計算機，即激勵(Stimulation)方式；(2)全范圍各個(gè)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。 上述兩種方式中，激勵方式的軟硬件仿真程度較高，但實(shí)現復雜，與模型連接也很困難。相對來(lái)說(shuō)仿真方式比較容易實(shí)現，軟件實(shí)現整個(gè)過(guò)程靈活性較強，可以運用于不同的環(huán)境，同時(shí)便于系統升級。 2 基于虛擬機技術(shù)的DCS仿真系統 在各個(gè)環(huán)節使用軟件實(shí)現對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(shí)際DCS中與DCS仿真系統中都完全一樣，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系統實(shí)現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DCS。圖1所示為DCS結構圖。 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�？刂破魇钦麄�(gè)DCS中最為重要的環(huán)節，對上起著(zhù)接受操作命令和反饋現場(chǎng)數據的作用；對下起著(zhù)傳遞命令和采集現場(chǎng)數據的作用。目前最簡(jiǎn)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(shí)會(huì )隨著(zhù)控制器程序的不斷升級而頻繁升級，并需要時(shí)刻保持與控制器程序對齊。 而基于虛擬機技術(shù)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(shí)現一個(gè)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(jiǎn)單的替換鏡像文件。只有當硬件出現升級的時(shí)候，才需要對虛擬控制器進(jìn)行升級。硬件穩定性相對較高，不會(huì )出現頻繁地升級。 Level 0的硬件模塊內部邏輯比較簡(jiǎn)單，可以使用LabVIEW實(shí)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(shí)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(gè)基于虛擬機技術(shù)的DCS仿真系統，是由Level 2的實(shí)際軟件、Level 1虛擬控制器以及實(shí)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(diǎn)是虛擬控制器的實(shí)現。 3 虛擬控制器的實(shí)現 虛擬機的實(shí)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(chēng)為指令集虛擬機ISA(Instruction Set Architecture)，又因為是完全模擬所以又稱(chēng)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(hù)提供一個(gè)高效的虛擬執行環(huán)境，其主要特點(diǎn)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(jìn)行了虛擬，所以稱(chēng)為功能級或者抽象級虛擬機，也屬于一種仿真技術(shù)[2-3]。 目前控制器的結構主要包括了CPU、內存、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)設計虛擬控制器。圖2所示為虛擬控制器的結構圖。 圖2中各個(gè)模塊完全按照現實(shí)控制器進(jìn)行劃分和設計。 (1)CPU模塊包括實(shí)現指令的模擬和各個(gè)寄存器的實(shí)現。 (2)內存模塊主要實(shí)現內存的模擬，其大小在虛擬控制器啟動(dòng)時(shí)確定，運行期間不能改變。 (3)網(wǎng)卡模塊主要實(shí)現虛擬控制器的網(wǎng)卡，使得虛擬控制器可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò )發(fā)送和接收數據。 (4)存儲模塊相當于實(shí)現了虛擬機的存儲介質(zhì)，例如Flash、DOC、電子盤(pán)等。 (5)SRAM模塊實(shí)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(shí)現控制器上的各個(gè)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(lèi)似顯示器的作用。 (9)主板模塊在整個(gè)虛擬控制器起著(zhù)協(xié)調作用，具有配置整個(gè)虛擬控制器的硬件特性，其中還包括定時(shí)器。 虛擬控制器在啟動(dòng)時(shí)，先讀取硬件配置信息，如內存大小、硬盤(pán)大小、網(wǎng)卡數目及其配置信息。根據配置情況分配資源、初始化各個(gè)設備、讀取鏡像文件，然后進(jìn)入指令執行階段。此階段為循環(huán)執行，直到虛擬控制器被執行關(guān)機操作。當有關(guān)機動(dòng)作時(shí)，中斷捕獲后交由相應的中斷處理模塊。首先需要釋放啟動(dòng)時(shí)申請的資源，然后才能退出。同時(shí)還存在其他中斷，如屏幕輸出、鍵盤(pán)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(gè)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(shí)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(shù)還有其他用途，比如可以做病毒分析，基于這種技術(shù)的應用(也稱(chēng)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。 |
