虚拟机技术在DCS工作中的应用

摘 要：由于技术发展，DCS厂家都开始使用PC级作为DCS控制系统的上位机，使得PC机上的虚拟机技术得以在DCS工作中得到应用。本文主要介绍虚拟机技术在DCS工作中的几项能够大幅提升工作效率的应用。如：用虚拟机创建便携的DCS编程平台；用虚拟机简化DCS代码调试的过程；用虚拟机解决同一台电脑维护多个DCS项目的问题。这些虚拟机在DCS中的应用可以大幅提高工作效率，且过程并不算复杂，十分适合具有类似DCS维护工作的企业借鉴。

关键词：虚拟机；DCS XP；操作系统；应用维护

1 引言

早期的DCS是一套完全独立的系统，无论是下位的控制站还是上位的操作站以及在其上运行的软件，都是DCS厂家完全独立开发，与PC机 [个人计算机]并无交集。但近年来，随着PC机技术的突飞猛进，功能越来越强大的PC机完全可以胜任DCS上位操作站的需要，DCS厂家逐步使用PC机作为DCS控制系统的上位机。目前，各家DCS的操作站已完全使用PC机了。这样一来，在PC机平台上早就已经发展成熟的虚拟机技术便在DCS工作中有了用武之地。本文主要介绍虚拟机技术在DCS工作中的应用。

2 虚拟机技术简介

我们所说的虚拟机是由Virtual Machine直译过来的。计算机的存在就是为了运行程序，假如我们把一台正在运行的物理计算机系统，包括操作系统及其在上面安装和运行的程序，看做是一个程序运行环境；那么虚拟机技术就是：通过计算机模拟，在一个软件内再现这个程序运行环境的技术。

通过虚拟机软件，你可以在一台物理计算机上模拟出另一台或多台虚拟的计算机，这些虚拟机完全就像真正的计算机那样进行工作。对于你而言，它只是运行在你物理计算机上的一个应用程序，但是对于在虚拟机中运行的应用程序而言，它就是一台真正计算机。

在虚拟机环境内能够安装操作系统、运行应用程序，同样可以运行DCS的上位机运行、组态环境以及控制器仿真。

3 虚拟机与操作系统支持的问题

近年来计算机技术的发展日新月异，计算机软硬件的更新换代也越来越快。一套新开发的DCS系统的大致服役年限至少是十年，但是这个时间足够PC机的操作系统升级好几次了，很多问题应运而生。

3.1 操作站现存的更替问题

我目前所维护的大多数DCS控制系统上位机软件都是运行在Windows XP甚至更老的操作系统下的。Windows XP操作系统虽然是微软生命周期最长的操作系统，但是微软也已經在2014年停止对其的更新。而各硬件制造厂商也从2015开始逐步放弃了对XP操作系统的硬件支持，所以现在新购买的PC机是无法安装Windows XP以及更老的操作系统的。

这些控制系统的下位控制站都是可以正常运行的，仅因上位操作站的维护的问题而整体进行改造无疑是不明智的。作为DCS维护人员，应该尽可能的延长这些DCS控制系统的生命周期。

3.2 目前使用的稳妥的解决办法

一般常见的办法当然是以修代买：大部分的工业操作站都是使用的品牌电脑，所以一部分不算太旧的型号虽然停产，不过售后部门还是有部件存货可以进行修理。

问题严重的是10年以上的电脑型号，因为厂家几乎已经没有部件存货，很难找到备件进行修理。而且这部分电脑，都是达到使用年限的就算你修理了出问题的部件，那么其它部件也会相继出问题，所以整机几乎没有修理价值，只能设法寻找可以安装Windows XP操作系统的办公电脑或者其他用途的电脑来更换操作站。

3.3 虚拟机的作用被工业控制系统的安全性所限制

因为虚拟机的“虚拟性”，所以虚拟机可以无视硬件区别，只要可以运行虚拟机软件，那么都可以在虚拟机内部环境安装Windows XP操作系统。

毫无疑问，虚拟机环境是可以运行DCS上位机软件的，无论是运行状态还是组态状态都可以。但DCS上位软件可能会使用一些未公开的硬件或使用一些虚拟机不支持的指令，未经过安全性、稳定性、兼容性的测试，在现场使用虚拟机环境的操作站还是具有一定风险的。化工厂的安全要求非常高，除非情况迫不得已，不能将虚拟机环境下安装的操作站接入具有真实物理控制器的网路。

但是，如果要在不能安装Windows XP的PC机上进行DCS软件调试、组态数据查询、DCS组态教学等，虚拟机就能排上用场了。

由于篇幅问题，在此不详细介绍在虚拟机上安装、配置Windows XP操作系统并且安装组态软件的过程。相关教程可以在互联网上查询到。

4 DCS编程环境的特性

进行过DCS维护的人都应该明白，DCS的组态编程、参数查询、模拟测试都需要在特定的环境中进行才可以。这个环境也就是我们常用的DCS编程环境。为了将虚拟机技术更好的应用于DCS维护，我们先对DCS维护必不可少的DCS编程环境作一些分析。

4.1 编程环境搭建的复杂性

DCS维护人员的大部分工作都是在这个组态环境中进行的。而这个组态环境的搭建需要以下这些步骤：

需要安装特定的组态软件，一般由DCS厂家以光盘的形式提供，无法从互联网获取；大部分组态软件都需要授权才能使用，授权的激活一般都比较麻烦；经过授权的组态软件，还需要一些操作系统和组态软件本身的参数配置，否则无法正常运行；配置好的组态环境需要导入工程文件才能进行组态编程。

搭建组态环境的这些步骤，不同DCS厂家的难易度不同。就算相对比较简单的CS3000控制系统，让经验丰富的人员从安装操作系统到完全配置完毕也至少需要2～3个小时的时间。对于熟悉的维护人员来说也许不难，但是对于新手来说还是非常复杂的。

4.2 编程环境的用途

搭建编程环境的目的可以大致分配以下几种：在控制室对正在运行的物理控制器进行的相关操作；在办公室查询已有项目的相关参数，或者代码改写；对新建设的项目进行代码编写与调试；在教学中用于DCS编程环境的相关教学。

除第一种情况需要使用编程环境直接连接真实的物理控制器，安全级别的要求比较高；其他的几种情况下都可以使用虚拟机内搭建的编程环境。

4.3 组态软件授权简介

组态软件的授权从功能上，可以分为以下两种：运行版-可以运行操作站上位软件的环境叫做运行环境；开发版-可以编程、组态的上位软件环境叫做编程环境。

不同DCS厂家的编程、运行环境各不相同。有的厂家开发版包含运行版；有的厂家开发版与运行版需要分别购买。

组态软件的授权从授权安装过程来分，有以下三种：不需要激活的软授权-仅需要输入序列号或者拷贝授权文件就可以使用。如：CS3000系统；需要激活的软授权-输入序列号后获得机器码，然后通过厂家获取激活码才能使用。转移授权需要使用机器码，用授权码将授权转移至新电脑，同时老电脑解授权。如：Cimplicity HMI上位软件；硬授权-使用物理媒介作为授权。如：InTouch上位软件的USB硬狗。

5 虚拟机技术的应用

如上文所说，在脱离物理控制器硬件，且安全性要求不高的几种情况下，我们就可以放开手脚使用虚拟机搭建编程环境了。

首先，安装虚拟机软件VMware Workstation，创建新的虚拟机镜像。配置虚拟机属性，设置内存硬盘等数值，由于Windows XP的所需配置比较低，全部使用默认值即可。然后安装Windows XP，以及DCS组态软件。以上这些步骤的相关教程可以在百度百科内查询到，这里不再赘述。

虚拟机在DCS维护的使用中有这么多的限制，那么它有哪些优点呢？

5.1 让组态环境使用简单便于携带

往常我们安装DCS组态环境，都是一件重复的工作。但是配置虚拟机环境下的DCS组态环境，几乎可以一劳永逸。在第一次相对比较麻烦的安装配置之后，我们每次使用都不再需要重复安装以及环境配置的复杂过程，只需要拷贝已经配置好的虚拟机，打开运行即可。

如果由于出差或者其他原因，要在一台新电脑上进行DCS维护工作。以往我们要携带非常多的东西，比如：安装包、授权、环境配置信息、工程备份等等；还需要花费很长时间将它们整合在一起才能开始工作。而使用虚拟机环境，你仅需要两样东西：虚拟机安装包，虚拟机镜像；而且使用它们完全不需要配置，安装完虚拟机软件打开镜像即可。

5.2 让代码调试更加简单方便

其一，在进行代码调试的时候，我们经常需要测试某一特定状态下，代码对不同输入条件的响应。比如，重置跳车联锁，对跳车条件逐个测试。而这个特定条件，往往需要重复很多步骤花费不少时间来构建。

这种情况下我们可以使用虚拟机的镜像功能，对重置好的联锁状态用虚拟机镜像来保存。测试完一个联锁条件，使用快捷键恢复镜像就可以还原到联锁未触发的状态，不用手动去重置很多条件来建立初始测试状态。

其二，现在大部分的DCS组态软件，都自带了代码测试环境，也就是仿真。可以使用PC机模拟物理控制器进行代码测试。不过打开仿真后要将仿真环境配置到可以调试代码的状态比较麻烦，需要调整很多工艺参数，联锁条件以及各种设定值。不可避免的，意外关机或者其他原因需要转移调试用的电脑，则搭建好的测试环境就必须关闭，再次搭建测试环境又要重复很多工作。而使用虚拟机环境进行代码调试则可以轻松的的保存测试环境，并且可以复制到任何你想要工作的电脑上。

其三，一些工程调试，需要不止一台电脑共同进行代码调试，则需要对多台电脑配置测试环境，并且使用交换机物理联网才能进行工作。无论是硬件设置还是每台电脑的配置都非常麻烦。而且无法轻易的移动配置好的测试环境。使用虚拟机则可以在一台电脑上完成这些工作，因为虚拟机可以在一台电脑上模拟出多台虚拟计算机环境，并且通过设置将这些虚拟计算机联网。同时，由于虚拟机的便携性。这个测试环境可以轻松的转移到你调试代码的地方。比如，回家后加班调试代码，或者将调试环境带到现场进行比对。

5.3 解决DCS组态软件授权的保存与导入

上文提到了，DCS组态软件的授权方式分为三种；其中第一种和第三种的授权保存都比较简单。但是，第二种需要厂家激活的授权方式，其授权的保存很难。因为授权是保存在正在使用的操作站硬盘内的，如果现场操作站损坏，授权就无法导出，但是导出后现场操作站就无授权没法使用。

即便对已经授权的操作站作了硬盘Ghost镜像，但是Ghost镜像只能还原到硬件相同的电脑内才能使用。但是如果现场的电脑损坏，是很难找到相同配置的电脑来还原镜像的。必须重新联系软件厂家进行新电脑的授权激活，而这个过程也很麻烦。

这种比较麻烦的情况，也可以通过虚拟机来解决。首先，将正常使用操作站授权导入至安装好软件的虚拟机内，正常使用的操作站会解授权。其次，对已经授权好的虚拟机进行镜像操作，保存当前虚拟机状态。再次，将虚拟机的授权转移至现场操作站，虚拟機内的软件解授权。最后，还原虚拟机镜像至激活状态。这样，我们就得到了一个正常使用的操作站以及一台可以授权别的电脑的虚拟机镜像。而且，最重要的是：这个虚拟机镜像可以在任何一台电脑上运行，不会因为PC机的硬件更新导致授权无法导出。

5.4 用一台电脑维护多个DCS项目

由于DCS工程项目及相关资料的重要性，会使用性能不错，安全性比较高配置有RAID 1磁盘阵列的PC机来保存多个工程的工程备份、软件安装包及其相关技术资料。如果能够使用其同时进行项目维护工作，参数查询再好不过。但是由于技术原因，以往无法在同一台电脑上同时展开多个工程文件；需要多台计算机才能展开工程文件对工程内部参数进行查询等操作。

因为不同DCS厂家的软件全部安装在同一台电脑上进行维护工作很难。且不说安装了多个工程软（下转第102页）（上接第99页）件的操作系统本身就会因为运行过多的后台进程而缓慢无比，单是多个工程软件相互影响之下系统是否能正常工作都是大问题，更无法进行正常的计算机操作。这时就完全可以利用虚拟机技术，来解决这个问题。

对每个DCS项目分别建立一个虚拟机安装相应的组态软件，用于DCS项目文件的展开。由于安装在虚拟机内部的DCS组态软件不会影响到虚拟机外部物理计算机，所以真实计算机的速度不会被冗长的组态软件拖慢；而且各个虚拟机之间完全隔离，不会相互影响，不会因为兼容问题无法正常运行。

这样一来，就可以让保证物理计算机流畅运行的情况下，在不同的虚拟机环境下运行不同的DCS工程，可以随时查询工程内部代码和参数。从而达到同时进行多个DCS项目的工作，而不相互影响的目的。

5.5 便于维护的教学环境

前文已经提到，DCS组态环境的搭建比较复杂。如果用于教学的DCS组态环境的搭建，无疑更是复杂的重复劳动。而使用虚拟机，则可以快速搭建拥有很多台电脑的教学环境。

而因为学习人员技术水平层次不齐，且比较爱折腾，教学用的电脑系统非常容易损坏。如果使用常规模式进行维护，工作量巨大。但使用虚拟机搭建的教学用DCS组态环境，由于虚拟机的镜像性，所以恢复起来也非常简单。

6 后记

随着DCS控制系统与PC机、虚拟机同步发展，虚拟机在DCS维护中可以应用到的地方会越来越多。本文仅浅显介绍了虚拟机在DCS维护过程中的几种简单应用。通过在实际中的对这几种虚拟机的应用，大幅提高了DCS系统的维护效率以及降低了维护难度。具有类似DCS维护工作的企业，完全可以采用这些方法大幅提升DCS 的维护效率。

参考文献：

[1]吕新荣，纽俊.利用VMware构建计算机系统维护实验平台[J].浙江工商技术学院学报，2006，7：45-47.

作者简介：

毕啸琛（1982- ），男，本科学历，工程师，2005年毕业于西安电子科技大学计算机科学与技术专业，现任陕西渭河煤化工集团有限责任公司计控电仪部副主任工程师，主要负责DCS系统的管理与维护。