摘 要：由于技術(shù)發(fā)展，DCS廠家都開始使用PC級作為DCS控制系統(tǒng)的上位機(jī)，使得PC機(jī)上的虛擬機(jī)技術(shù)得以在DCS工作中得到應(yīng)用。本文主要介紹虛擬機(jī)技術(shù)在DCS工作中的幾項能夠大幅提升工作效率的應(yīng)用。如：用虛擬機(jī)創(chuàng)建便攜的DCS編程平臺；用虛擬機(jī)簡化DCS代碼調(diào)試的過程；用虛擬機(jī)解決同一臺電腦維護(hù)多個DCS項目的問題。這些虛擬機(jī)在DCS中的應(yīng)用可以大幅提高工作效率，且過程并不算復(fù)雜，十分適合具有類似DCS維護(hù)工作的企業(yè)借鑒。

關(guān)鍵詞：虛擬機(jī)；DCS XP；操作系統(tǒng)；應(yīng)用維護(hù)

1 引言

早期的DCS是一套完全獨(dú)立的系統(tǒng)，無論是下位的控制站還是上位的操作站以及在其上運(yùn)行的軟件，都是DCS廠家完全獨(dú)立開發(fā)，與PC機(jī) [個人計算機(jī)]并無交集。但近年來，隨著PC機(jī)技術(shù)的突飛猛進(jìn)，功能越來越強(qiáng)大的PC機(jī)完全可以勝任DCS上位操作站的需要，DCS廠家逐步使用PC機(jī)作為DCS控制系統(tǒng)的上位機(jī)。目前，各家DCS的操作站已完全使用PC機(jī)了。這樣一來，在PC機(jī)平臺上早就已經(jīng)發(fā)展成熟的虛擬機(jī)技術(shù)便在DCS工作中有了用武之地。本文主要介紹虛擬機(jī)技術(shù)在DCS工作中的應(yīng)用。

2 虛擬機(jī)技術(shù)簡介

我們所說的虛擬機(jī)是由Virtual Machine直譯過來的。計算機(jī)的存在就是為了運(yùn)行程序，假如我們把一臺正在運(yùn)行的物理計算機(jī)系統(tǒng)，包括操作系統(tǒng)及其在上面安裝和運(yùn)行的程序，看做是一個程序運(yùn)行環(huán)境；那么虛擬機(jī)技術(shù)就是：通過計算機(jī)模擬，在一個軟件內(nèi)再現(xiàn)這個程序運(yùn)行環(huán)境的技術(shù)。

通過虛擬機(jī)軟件，你可以在一臺物理計算機(jī)上模擬出另一臺或多臺虛擬的計算機(jī)，這些虛擬機(jī)完全就像真正的計算機(jī)那樣進(jìn)行工作。對于你而言，它只是運(yùn)行在你物理計算機(jī)上的一個應(yīng)用程序，但是對于在虛擬機(jī)中運(yùn)行的應(yīng)用程序而言，它就是一臺真正計算機(jī)。

在虛擬機(jī)環(huán)境內(nèi)能夠安裝操作系統(tǒng)、運(yùn)行應(yīng)用程序，同樣可以運(yùn)行DCS的上位機(jī)運(yùn)行、組態(tài)環(huán)境以及控制器仿真。

3 虛擬機(jī)與操作系統(tǒng)支持的問題

近年來計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展日新月異，計算機(jī)軟硬件的更新?lián)Q代也越來越快。一套新開發(fā)的DCS系統(tǒng)的大致服役年限至少是十年，但是這個時間足夠PC機(jī)的操作系統(tǒng)升級好幾次了，很多問題應(yīng)運(yùn)而生。

3.1 操作站現(xiàn)存的更替問題

我目前所維護(hù)的大多數(shù)DCS控制系統(tǒng)上位機(jī)軟件都是運(yùn)行在Windows XP甚至更老的操作系統(tǒng)下的。Windows XP操作系統(tǒng)雖然是微軟生命周期最長的操作系統(tǒng)，但是微軟也已經(jīng)在2014年停止對其的更新。而各硬件制造廠商也從2015開始逐步放棄了對XP操作系統(tǒng)的硬件支持，所以現(xiàn)在新購買的PC機(jī)是無法安裝Windows XP以及更老的操作系統(tǒng)的。

這些控制系統(tǒng)的下位控制站都是可以正常運(yùn)行的，僅因上位操作站的維護(hù)的問題而整體進(jìn)行改造無疑是不明智的。作為DCS維護(hù)人員，應(yīng)該盡可能的延長這些DCS控制系統(tǒng)的生命周期。

3.2 目前使用的穩(wěn)妥的解決辦法

一般常見的辦法當(dāng)然是以修代買：大部分的工業(yè)操作站都是使用的品牌電腦，所以一部分不算太舊的型號雖然停產(chǎn)，不過售后部門還是有部件存貨可以進(jìn)行修理。

問題嚴(yán)重的是10年以上的電腦型號，因為廠家?guī)缀跻呀?jīng)沒有部件存貨，很難找到備件進(jìn)行修理。而且這部分電腦，都是達(dá)到使用年限的就算你修理了出問題的部件，那么其它部件也會相繼出問題，所以整機(jī)幾乎沒有修理價值，只能設(shè)法尋找可以安裝Windows XP操作系統(tǒng)的辦公電腦或者其他用途的電腦來更換操作站。

3.3 虛擬機(jī)的作用被工業(yè)控制系統(tǒng)的安全性所限制

因為虛擬機(jī)的“虛擬性”，所以虛擬機(jī)可以無視硬件區(qū)別，只要可以運(yùn)行虛擬機(jī)軟件，那么都可以在虛擬機(jī)內(nèi)部環(huán)境安裝Windows XP操作系統(tǒng)。

毫無疑問，虛擬機(jī)環(huán)境是可以運(yùn)行DCS上位機(jī)軟件的，無論是運(yùn)行狀態(tài)還是組態(tài)狀態(tài)都可以。但DCS上位軟件可能會使用一些未公開的硬件或使用一些虛擬機(jī)不支持的指令，未經(jīng)過安全性、穩(wěn)定性、兼容性的測試，在現(xiàn)場使用虛擬機(jī)環(huán)境的操作站還是具有一定風(fēng)險的?；S的安全要求非常高，除非情況迫不得已，不能將虛擬機(jī)環(huán)境下安裝的操作站接入具有真實物理控制器的網(wǎng)路。

但是，如果要在不能安裝Windows XP的PC機(jī)上進(jìn)行DCS軟件調(diào)試、組態(tài)數(shù)據(jù)查詢、DCS組態(tài)教學(xué)等，虛擬機(jī)就能排上用場了。

由于篇幅問題，在此不詳細(xì)介紹在虛擬機(jī)上安裝、配置Windows XP操作系統(tǒng)并且安裝組態(tài)軟件的過程。相關(guān)教程可以在互聯(lián)網(wǎng)上查詢到。

4 DCS編程環(huán)境的特性

進(jìn)行過DCS維護(hù)的人都應(yīng)該明白，DCS的組態(tài)編程、參數(shù)查詢、模擬測試都需要在特定的環(huán)境中進(jìn)行才可以。這個環(huán)境也就是我們常用的DCS編程環(huán)境。為了將虛擬機(jī)技術(shù)更好的應(yīng)用于DCS維護(hù)，我們先對DCS維護(hù)必不可少的DCS編程環(huán)境作一些分析。

4.1 編程環(huán)境搭建的復(fù)雜性

DCS維護(hù)人員的大部分工作都是在這個組態(tài)環(huán)境中進(jìn)行的。而這個組態(tài)環(huán)境的搭建需要以下這些步驟：

需要安裝特定的組態(tài)軟件，一般由DCS廠家以光盤的形式提供，無法從互聯(lián)網(wǎng)獲取；大部分組態(tài)軟件都需要授權(quán)才能使用，授權(quán)的激活一般都比較麻煩；經(jīng)過授權(quán)的組態(tài)軟件，還需要一些操作系統(tǒng)和組態(tài)軟件本身的參數(shù)配置，否則無法正常運(yùn)行；配置好的組態(tài)環(huán)境需要導(dǎo)入工程文件才能進(jìn)行組態(tài)編程。

搭建組態(tài)環(huán)境的這些步驟，不同DCS廠家的難易度不同。就算相對比較簡單的CS3000控制系統(tǒng)，讓經(jīng)驗豐富的人員從安裝操作系統(tǒng)到完全配置完畢也至少需要2～3個小時的時間。對于熟悉的維護(hù)人員來說也許不難，但是對于新手來說還是非常復(fù)雜的。

4.2 編程環(huán)境的用途

搭建編程環(huán)境的目的可以大致分配以下幾種：在控制室對正在運(yùn)行的物理控制器進(jìn)行的相關(guān)操作；在辦公室查詢已有項目的相關(guān)參數(shù)，或者代碼改寫；對新建設(shè)的項目進(jìn)行代碼編寫與調(diào)試；在教學(xué)中用于DCS編程環(huán)境的相關(guān)教學(xué)。

除第一種情況需要使用編程環(huán)境直接連接真實的物理控制器，安全級別的要求比較高；其他的幾種情況下都可以使用虛擬機(jī)內(nèi)搭建的編程環(huán)境。

4.3 組態(tài)軟件授權(quán)簡介

組態(tài)軟件的授權(quán)從功能上，可以分為以下兩種：運(yùn)行版-可以運(yùn)行操作站上位軟件的環(huán)境叫做運(yùn)行環(huán)境；開發(fā)版-可以編程、組態(tài)的上位軟件環(huán)境叫做編程環(huán)境。

不同DCS廠家的編程、運(yùn)行環(huán)境各不相同。有的廠家開發(fā)版包含運(yùn)行版；有的廠家開發(fā)版與運(yùn)行版需要分別購買。

組態(tài)軟件的授權(quán)從授權(quán)安裝過程來分，有以下三種：不需要激活的軟授權(quán)-僅需要輸入序列號或者拷貝授權(quán)文件就可以使用。如：CS3000系統(tǒng)；需要激活的軟授權(quán)-輸入序列號后獲得機(jī)器碼，然后通過廠家獲取激活碼才能使用。轉(zhuǎn)移授權(quán)需要使用機(jī)器碼，用授權(quán)碼將授權(quán)轉(zhuǎn)移至新電腦，同時老電腦解授權(quán)。如：Cimplicity HMI上位軟件；硬授權(quán)-使用物理媒介作為授權(quán)。如：InTouch上位軟件的USB硬狗。

5 虛擬機(jī)技術(shù)的應(yīng)用

如上文所說，在脫離物理控制器硬件，且安全性要求不高的幾種情況下，我們就可以放開手腳使用虛擬機(jī)搭建編程環(huán)境了。

首先，安裝虛擬機(jī)軟件VMware Workstation，創(chuàng)建新的虛擬機(jī)鏡像。配置虛擬機(jī)屬性，設(shè)置內(nèi)存硬盤等數(shù)值，由于Windows XP的所需配置比較低，全部使用默認(rèn)值即可。然后安裝Windows XP，以及DCS組態(tài)軟件。以上這些步驟的相關(guān)教程可以在百度百科內(nèi)查詢到，這里不再贅述。

虛擬機(jī)在DCS維護(hù)的使用中有這么多的限制，那么它有哪些優(yōu)點(diǎn)呢？

5.1 讓組態(tài)環(huán)境使用簡單便于攜帶

往常我們安裝DCS組態(tài)環(huán)境，都是一件重復(fù)的工作。但是配置虛擬機(jī)環(huán)境下的DCS組態(tài)環(huán)境，幾乎可以一勞永逸。在第一次相對比較麻煩的安裝配置之后，我們每次使用都不再需要重復(fù)安裝以及環(huán)境配置的復(fù)雜過程，只需要拷貝已經(jīng)配置好的虛擬機(jī)，打開運(yùn)行即可。

如果由于出差或者其他原因，要在一臺新電腦上進(jìn)行DCS維護(hù)工作。以往我們要攜帶非常多的東西，比如：安裝包、授權(quán)、環(huán)境配置信息、工程備份等等；還需要花費(fèi)很長時間將它們整合在一起才能開始工作。而使用虛擬機(jī)環(huán)境，你僅需要兩樣?xùn)|西：虛擬機(jī)安裝包，虛擬機(jī)鏡像；而且使用它們完全不需要配置，安裝完虛擬機(jī)軟件打開鏡像即可。

5.2 讓代碼調(diào)試更加簡單方便

其一，在進(jìn)行代碼調(diào)試的時候，我們經(jīng)常需要測試某一特定狀態(tài)下，代碼對不同輸入條件的響應(yīng)。比如，重置跳車聯(lián)鎖，對跳車條件逐個測試。而這個特定條件，往往需要重復(fù)很多步驟花費(fèi)不少時間來構(gòu)建。

這種情況下我們可以使用虛擬機(jī)的鏡像功能，對重置好的聯(lián)鎖狀態(tài)用虛擬機(jī)鏡像來保存。測試完一個聯(lián)鎖條件，使用快捷鍵恢復(fù)鏡像就可以還原到聯(lián)鎖未觸發(fā)的狀態(tài)，不用手動去重置很多條件來建立初始測試狀態(tài)。

其二，現(xiàn)在大部分的DCS組態(tài)軟件，都自帶了代碼測試環(huán)境，也就是仿真?？梢允褂肞C機(jī)模擬物理控制器進(jìn)行代碼測試。不過打開仿真后要將仿真環(huán)境配置到可以調(diào)試代碼的狀態(tài)比較麻煩，需要調(diào)整很多工藝參數(shù)，聯(lián)鎖條件以及各種設(shè)定值。不可避免的，意外關(guān)機(jī)或者其他原因需要轉(zhuǎn)移調(diào)試用的電腦，則搭建好的測試環(huán)境就必須關(guān)閉，再次搭建測試環(huán)境又要重復(fù)很多工作。而使用虛擬機(jī)環(huán)境進(jìn)行代碼調(diào)試則可以輕松的的保存測試環(huán)境，并且可以復(fù)制到任何你想要工作的電腦上。

其三，一些工程調(diào)試，需要不止一臺電腦共同進(jìn)行代碼調(diào)試，則需要對多臺電腦配置測試環(huán)境，并且使用交換機(jī)物理聯(lián)網(wǎng)才能進(jìn)行工作。無論是硬件設(shè)置還是每臺電腦的配置都非常麻煩。而且無法輕易的移動配置好的測試環(huán)境。使用虛擬機(jī)則可以在一臺電腦上完成這些工作，因為虛擬機(jī)可以在一臺電腦上模擬出多臺虛擬計算機(jī)環(huán)境，并且通過設(shè)置將這些虛擬計算機(jī)聯(lián)網(wǎng)。同時，由于虛擬機(jī)的便攜性。這個測試環(huán)境可以輕松的轉(zhuǎn)移到你調(diào)試代碼的地方。比如，回家后加班調(diào)試代碼，或者將調(diào)試環(huán)境帶到現(xiàn)場進(jìn)行比對。

5.3 解決DCS組態(tài)軟件授權(quán)的保存與導(dǎo)入

上文提到了，DCS組態(tài)軟件的授權(quán)方式分為三種；其中第一種和第三種的授權(quán)保存都比較簡單。但是，第二種需要廠家激活的授權(quán)方式，其授權(quán)的保存很難。因為授權(quán)是保存在正在使用的操作站硬盤內(nèi)的，如果現(xiàn)場操作站損壞，授權(quán)就無法導(dǎo)出，但是導(dǎo)出后現(xiàn)場操作站就無授權(quán)沒法使用。

即便對已經(jīng)授權(quán)的操作站作了硬盤Ghost鏡像，但是Ghost鏡像只能還原到硬件相同的電腦內(nèi)才能使用。但是如果現(xiàn)場的電腦損壞，是很難找到相同配置的電腦來還原鏡像的。必須重新聯(lián)系軟件廠家進(jìn)行新電腦的授權(quán)激活，而這個過程也很麻煩。

這種比較麻煩的情況，也可以通過虛擬機(jī)來解決。首先，將正常使用操作站授權(quán)導(dǎo)入至安裝好軟件的虛擬機(jī)內(nèi)，正常使用的操作站會解授權(quán)。其次，對已經(jīng)授權(quán)好的虛擬機(jī)進(jìn)行鏡像操作，保存當(dāng)前虛擬機(jī)狀態(tài)。再次，將虛擬機(jī)的授權(quán)轉(zhuǎn)移至現(xiàn)場操作站，虛擬機(jī)內(nèi)的軟件解授權(quán)。最后，還原虛擬機(jī)鏡像至激活狀態(tài)。這樣，我們就得到了一個正常使用的操作站以及一臺可以授權(quán)別的電腦的虛擬機(jī)鏡像。而且，最重要的是：這個虛擬機(jī)鏡像可以在任何一臺電腦上運(yùn)行，不會因為PC機(jī)的硬件更新導(dǎo)致授權(quán)無法導(dǎo)出。

5.4 用一臺電腦維護(hù)多個DCS項目

由于DCS工程項目及相關(guān)資料的重要性，會使用性能不錯，安全性比較高配置有RAID 1磁盤陣列的PC機(jī)來保存多個工程的工程備份、軟件安裝包及其相關(guān)技術(shù)資料。如果能夠使用其同時進(jìn)行項目維護(hù)工作，參數(shù)查詢再好不過。但是由于技術(shù)原因，以往無法在同一臺電腦上同時展開多個工程文件；需要多臺計算機(jī)才能展開工程文件對工程內(nèi)部參數(shù)進(jìn)行查詢等操作。

因為不同DCS廠家的軟件全部安裝在同一臺電腦上進(jìn)行維護(hù)工作很難。且不說安裝了多個工程軟（下轉(zhuǎn)第102頁）（上接第99頁）件的操作系統(tǒng)本身就會因為運(yùn)行過多的后臺進(jìn)程而緩慢無比，單是多個工程軟件相互影響之下系統(tǒng)是否能正常工作都是大問題，更無法進(jìn)行正常的計算機(jī)操作。這時就完全可以利用虛擬機(jī)技術(shù)，來解決這個問題。

對每個DCS項目分別建立一個虛擬機(jī)安裝相應(yīng)的組態(tài)軟件，用于DCS項目文件的展開。由于安裝在虛擬機(jī)內(nèi)部的DCS組態(tài)軟件不會影響到虛擬機(jī)外部物理計算機(jī)，所以真實計算機(jī)的速度不會被冗長的組態(tài)軟件拖慢；而且各個虛擬機(jī)之間完全隔離，不會相互影響，不會因為兼容問題無法正常運(yùn)行。

這樣一來，就可以讓保證物理計算機(jī)流暢運(yùn)行的情況下，在不同的虛擬機(jī)環(huán)境下運(yùn)行不同的DCS工程，可以隨時查詢工程內(nèi)部代碼和參數(shù)。從而達(dá)到同時進(jìn)行多個DCS項目的工作，而不相互影響的目的。

5.5 便于維護(hù)的教學(xué)環(huán)境

前文已經(jīng)提到，DCS組態(tài)環(huán)境的搭建比較復(fù)雜。如果用于教學(xué)的DCS組態(tài)環(huán)境的搭建，無疑更是復(fù)雜的重復(fù)勞動。而使用虛擬機(jī)，則可以快速搭建擁有很多臺電腦的教學(xué)環(huán)境。

而因為學(xué)習(xí)人員技術(shù)水平層次不齊，且比較愛折騰，教學(xué)用的電腦系統(tǒng)非常容易損壞。如果使用常規(guī)模式進(jìn)行維護(hù)，工作量巨大。但使用虛擬機(jī)搭建的教學(xué)用DCS組態(tài)環(huán)境，由于虛擬機(jī)的鏡像性，所以恢復(fù)起來也非常簡單。

6 后記

隨著DCS控制系統(tǒng)與PC機(jī)、虛擬機(jī)同步發(fā)展，虛擬機(jī)在DCS維護(hù)中可以應(yīng)用到的地方會越來越多。本文僅淺顯介紹了虛擬機(jī)在DCS維護(hù)過程中的幾種簡單應(yīng)用。通過在實際中的對這幾種虛擬機(jī)的應(yīng)用，大幅提高了DCS系統(tǒng)的維護(hù)效率以及降低了維護(hù)難度。具有類似DCS維護(hù)工作的企業(yè)，完全可以采用這些方法大幅提升DCS 的維護(hù)效率。

參考文獻(xiàn)：

[1]呂新榮，紐俊.利用VMware構(gòu)建計算機(jī)系統(tǒng)維護(hù)實驗平臺[J].浙江工商技術(shù)學(xué)院學(xué)報，2006，7：45-47.

作者簡介：

畢嘯?。?982- ），男，本科學(xué)歷，工程師，2005年畢業(yè)于西安電子科技大學(xué)計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)，現(xiàn)任陜西渭河煤化工集團(tuán)有限責(zé)任公司計控電儀部副主任工程師，主要負(fù)責(zé)DCS系統(tǒng)的管理與維護(hù)。