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1、杭州电子科技大学 硕士学位论文 基于组态与PLC控制的实时操作系统研究 姓名：陈杰 申请学位级别：硕士 专业：计算机应用技术 指导教师：包健 20091201 杭州电子科技大学硕士学位论文 I 摘要 PLC（可编程控制器）与 DCS（集散控制系统）是工业控制的两大重要支柱。随着计 算机技术的不断发展和工业控制要求的不断提高， 纯粹的 PLC 控制和 DCS 控制渐渐满足不 了工业现代化的要求，于是涌现出新型的 PLC 控制系统和新型的 DCS 控制系统。新型的 PLC 控制系统具有简单的 DCS 控制功能，同样，新型的 DCS 控制系统也具有简单的 PLC 控制功能， 两者呈现出交叉的发展趋势
2、。 因此， 研究一种具有高性能、 高质量的 PLC 与 DCS 协同控制工业现场的嵌入式计算机产品， 对 PLC 技术与 DCS 技术的发展具有重要的意义和 使用价值。 本文通过对组态（组态属于 DCS 的一部分）与 PLC 控制系统进行深入分析与研究，针 对组态任务和 PLC 控制任务的特点，为此量身定制了一款嵌入式实时专用操作系统（简称 CASS-RTOS） 。通过 CASS-RTOS 对组态任务与 PLC 控制任务进行调度管理，能很好地处 理组态任务与 PLC 任务的协同工作，并将研究成果应用于实际项目。论文的主要工作及研 究成果可概括如下： （1）在深入分析和研究 DCS 与 PLC
3、控制的特点及其发展的基础上，提出一种基于操 作系统的内嵌组态控制算法的 PLC 控制系统的实现方法。 （2）分析和研究了嵌入式操作系统的现状及其发展，讨论了几款流行嵌入式操作系统 的优缺点，提出了一款支持组态与 PLC 控制的嵌入式实时专用操作系统。 （3）针对组态与 PLC 控制系统应用对象的特征，讨论了 CASS-RTOS 的内核结构，提 出了 CASS-RTOS 的体系结构和设计目标。 （4）在分析和研究内存管理策略及其模型的基础上，提出了 CASS-RTOS 的内存管理 方案。 （5） 分析了进程、 线程与任务的概念及其特征， 讨论了中断处理过程和中断处理方法， 研究了任务同步与互斥的
4、常用处理方法，提出了 CASS-RTOS 任务同步处理方案。 （6）深入分析与讨论了 CASS-RTOS 的任务调度策略。首先分析了几种常用的任务调 度策略，然后根据应用对象的特点，引出了 CASS-RTOS 的任务调度策略，即通过建立任务 模型，基于双层裁剪技术，将系统任务裁剪分类，并开辟相应优先级线程进行调度管理， 提出一种利用小线程实现微内核任务调度的方法。 （7）基于 CASS-RTOS 的设计思想，实现了一款基于组态与 PLC 控制的嵌入式实时专 用操作系统，并讨论了其应用领域和移植方法。 为了对 CASS-RTOS 的功能和性能进行测试， 作者在 Cortex M3 处理器上设计和
5、实现了 一款 PLC 内嵌组态算法生成平台，并设计了一个实验。实验利用 PLC 的快速逻辑任务和慢 速逻辑任务， 以及组态控制任务对四路同步电机进行控制， 考察 CASS-RTOS 的功能实现情 杭州电子科技大学硕士学位论文 II 况。实验结果表明，CASS-RTOS 内核具有较强的可移植性、体积小、稳定性高、实时性强。 目前许多嵌入式操作系统已经非常完善，与它们相比，CASS-RTOS 仅实现了操作系统 的基本功能，在完善各项功能方面都还需要进一步的分析、研究和调试。如何进一步结合 工业控制的要求，开发一个更为成熟的产品，则需要做更多、更深入的研究。本文的工作 为特定领域的小型嵌入式实时专用
6、操作系统进行了深入的研究，并对高性能 PLC 控制系统 的研究进行了有益的探索和尝试。 关键字：可编程控制器，集散控制系统，组态算法，嵌入式实时专用操作系统，内核，任 务调度 杭州电子科技大学硕士学位论文 III ABSTRACT PLC (Programmable Logic Controller) and DCS (Distributed Control System) are the two major pillars of industrial control. With the constant development of computer technology and the c
7、ontinuous improvement of industrial control requires, pure PLC control and DCS control are gradually unable to meet the requirements of industrial modernization, and so a new type of PLC control system or new DCS control system is emerged. The new PLC control system has simple DCS control functions,
8、 while the new DCS control system also has simple PLC control functions, both show a cross-cutting trend. Therefore, the study of a high performance and high-quality embedded computer products by collaborating on controlling industrial field with PLC and DCS is of great significance and value for te
9、chnology development of PLC and DCS. This paper analyzes and researches configuration (configuration is part of DCS) and PLC control system, and develops an embedded real-time specific operating system (CASS-RTOS) based on characteristics of the configuration tasks and the PLC control tasks. CASS-RT
10、OS can schedule and manage configuration tasks and PLC control tasks and coordinate them to control industrial field. The research result is applied to actual projects. The primary work and research of this paper can be summarized as follows: (1)Analyze and study the characteristics and development
11、of DCS and PLC control system, propose an idea of a new PLC control system with configuration control algorithm based on operating system. (2)Analyze and study status and development of embedded operating systems, discuss advantages and disadvantages of several popular embedded operating systems, an
12、d pose an embedded real-time proprietary operating system for supporting configuration and PLC control. (3)According to the object characteristics of configuration and PLC control system, analyze CASS-RTOS kernel structure and put forward CASS-RTOS architecture and design goals. (4)Pose CASS-RTOS me
13、mory management program with analyzing and studying memory management strategy and model. (5)Analyze concept and characteristics of processes, threads and tasks, discuss process of interrupt handling and interrupt handling method, study common approaches of tasks synchronization and mutual exclusion
14、, and pose processing solutions of CASS-RTOS tasks synchronization. (6)Focus on analysis and discussion of CASS-RTOS tasks scheduling strategy. At first, study 杭州电子科技大学硕士学位论文 IV several tasks scheduling strategies, and then put out CASS-RTOS tasks scheduling algorithm design on the basis of the appl
15、ication object characteristics. Establish task model, classify and cut out system tasks based on double-cut technology, and manage them by opening corresponding priority dispatching threads, the research gives an approach for using small threads to realize micro-kernel tasks scheduling. (7)Realize t
16、he embedded real-time proprietary operating systems based on configuration and PLC control with the design ideas of CASS-RTOS, and discuss its applications and transplantation. In order to test CASS-RTOS functionality and performance, the author designs and realizes a generation platform of PLC control systems embedded configuration algorithm on the Cortex M3 processor, and designs an experiment. The experiment controls the four synchronous motor control with PLC fast logic task, PLC slow lo
