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摘 要： 提出了基于虛擬機(jī)技術(shù)的DCS仿真系統(tǒng)的實現(xiàn)方式，描述了虛擬控制器的具體實現(xiàn)方法及虛擬機(jī)技術(shù)的其他應(yīng)用。
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(jī)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(jī)，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(jī)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(jī)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(jī)上，尤其是操作人員使用的上位機(jī)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(jī)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�？刂破魇钦麄�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(jī)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(jìn)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(jī)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(jī)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(jī)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(jìn)行了虛擬，所以稱為功能級或者抽象級虛擬機(jī)，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(jī)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。
