基于嵌入式软PLC的集散控制系统设计与实现

摘要

近年来，欧美发达国家纷纷推出以制造业为主的发展规划，旨在提高本国的制造业竞争力并引领工业发展趋势，其中以德国的“工业4.0”最具代表性。工业4.0以智能制造为主导，而智能工厂将是未来工业体系的关键，那么身处工厂车间的控制系统及控制设备也必须适应智能工厂的发展需要。当前工业领域主要的控制系统有集散控制系统（DCS，Distributed Control System）、可编程逻辑控制器（PLC，Programmable Logic Controller）和现场总线控制系统（FCS，Fieldbus Control System），前两者的应用尤其广泛，因此设计和改进现有的基于DCS和PLC的设备和控制系统以适应智能控制的需求有着重要意义。
　　根据对工业控制系统技术的研究，本文研究和设计了嵌入式软PLC系统并拓展其联网能力，使其能够作为底层控制器，通过CAN总线实现PLC互联，通过以太网实现集散控制系统。嵌入式软PLC系统包括开发系统和运行系统，本文详细描述了运行系统的设计与实现，主要工作如下：
　　首先分析了传统PLC的系统结构和工作原理，以及以PLC为基础的控制系统，以此为基础研究了嵌入式软PLC的在集散控制系统中的实现方案。
　　然后结合具体的硬件平台和系统流程，对嵌入式软PLC的运行系统进行了总体设计，描述了运行系统硬件平台的设备接口，以及软件平台的结构层次和各功能模块。
　　接着实现了软件平台的具体模块，包括以下几点：实时操作系统、通信接口、设备驱动、应用程序任务、系统初始化。应用程序任务是嵌入式软PLC运行系统的重点，其中的循环扫描任务负责根据用户控制程序实现控制功能。另外，详细介绍了嵌入式软PLC的指令系统的实现，设计和实现了PLC的软元件，并举例说明了27条基本逻辑指令的处理过程。
　　最后设计了一个简易的集散控制系统，通过对嵌入式软PLC运行系统的功能测试和集成测试，验证了系统的控制功能和接口正确性。

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第一章 绪 论

1.1 研究工作的背景与意义

1.2 国内外研究历史与现状

1.3 本课题研究内容与意义

1.4 本论文的结构安排

第二章 相关技术研究

2.1 传统PLC的结构、原理和应用

2.2 嵌入式软PLC技术的研究

2.3 相关支持技术

2.4 本章小结

第三章 嵌入式软PLC运行系统总体设计

3.1 系统功能需求

3.2 系统流程设计

3.3 硬件平台设计

3.4 软件平台设计

3.5 本章小结

第四章 嵌入式软PLC软件平台的设计与实现

4.1 FreeRTOS系统移植

4.2 通信接口的实现

4.3 设备驱动的实现

4.4 应用程序任务的实现

4.5 系统初始化与配置

4.6 本章小结

第五章 嵌入式软PLC指令系统的设计与实现

5.1 指令格式及处理过程

5.2 软元件的实现

5.3 基本逻辑指令的实现

5.4 功能指令的实现

5.5 本章小结

第六章 嵌入式软PLC系统测试

6.1 测试系统的建立

6.2 用户控制程序设计

6.3 发送数据访问命令

6.4 测试过程与结果分析

6.5 本章小结

第七章 总结与展望

7.1 全文总结

7.2 后续工作展望

致谢

参考文献