隨著工業(yè)和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，DCS的應(yīng)用越來越廣，DCS是分布式控制系統(tǒng)（Distributed Control System），在國內(nèi)自控行業(yè)又稱之為集散控制系統(tǒng)。即所謂的分布式控制系統(tǒng)，或在有些資料中稱之為集散系統(tǒng)，是相對于集中式控制系統(tǒng)而言的一種新型計算機(jī)控制系統(tǒng)，它是在集中式控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上發(fā)展、演變而來的。它是一個由過程控制級和過程監(jiān)控級組成的以通信網(wǎng)絡(luò)為紐帶的多級計算機(jī)系統(tǒng)，綜合了計算機(jī)，通信、顯示和控制等4C技術(shù)，其基本思想是分散控制、集中操作、分級管理、配置靈活以及組態(tài)方便。

　　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(yùn)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(qiáng)，可以運(yùn)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(yùn)行在PC機(jī)上，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。

　　DCS的骨架—系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，它是DCS的基礎(chǔ)和。由于網(wǎng)絡(luò)對于DCS整個系統(tǒng)的實時性、可靠性和擴(kuò)充性，起著決定性的作用，因此各廠家都在這方面進(jìn)行了精心的設(shè)計。對于DCS的系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)來說，它必須滿足實時性的要求，即在確定的時間限度內(nèi)完成信息的傳送。這里所說的“確定”的時間限度，是指在無論何種情況下，信息傳送都能在這個時間限度內(nèi)完成，而這個時間限度則是根據(jù)被控制過程的實時性要求確定的。因此，衡量系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)性能的指標(biāo)并不是網(wǎng)絡(luò)的速率  DCS，即通常所說的每秒比特數(shù)（bps），而是系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的實時性，即能在多長的時間內(nèi)確保所需信息的傳輸完成。系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)還必須非?？煽浚瑹o論在任何情況下，網(wǎng)絡(luò)通信都不能中斷，因此多數(shù)廠家的DCS均采用雙總線、環(huán)形或雙重星形的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。為了滿足系統(tǒng)擴(kuò)充性的要求，系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)上可接入的節(jié)點數(shù)量應(yīng)比實際使用的節(jié)點數(shù)量大若干倍。

　　圖1中Level 2的工程師站、操作員站均運(yùn)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。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(yùn)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。虛擬控制器將輸出值傳送給虛擬設(shè)備，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。

　　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。

　　圖2中各個模塊完全按照現(xiàn)實控制器進(jìn)行劃分和設(shè)計。

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

　?。?）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(yùn)行期間不能改變。

　?。?）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)。

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

　?。?）SRAM模塊實現(xiàn)控制器用于掉電保護(hù)的SRAM，并用于虛擬機(jī)的數(shù)據(jù)掉電保護(hù)。

　　（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。

　?。?）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(jī)狀態(tài)、LED燈狀態(tài)和其他狀態(tài)。

　?。?）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(jìn)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(jī)操作。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。

　　隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，虛擬機(jī)應(yīng)用廣泛，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(yùn)行控制器上的嵌入式操作系統(tǒng)中，分析操作系統(tǒng)性能，基于虛擬機(jī)操作方便，利于實現(xiàn)。