从站控制器是工业自动化控制系统中实现总线通信、现场传感器采集、电机等执行器控制功能的基础部件。为满足各类工业现场执行器与传感器的使用需求，解决从站控制器硬软件设计繁琐、开发效率低、升级移植困难的问题，通过对典型从站控制器的硬软件构成分析，提出了一种从站控制器的模型化开发方法。建立了从站控制器共性的实时以太网通信处理模型以及实际应用中常见的数字量I/O、模拟量I/O、运动控制、通信接口转换从站的设备控制模型，采用模型代码自动生成与移植方法，在国产硬件平台上实现了从站控制器软件的标准化快速开发。实验结果验证了本文所提模型化开发方法的有效性，为实现国产化从站控制器软件的快速开发和升级移植提供了的有效手段。

为了避免装备制造过程中机械部件发生不期望的运动而导致的安全事故，根据IEC61800-5-2标准对伺服驱动模块功能安全集成设计方法进行研究。通过分析伺服驱动数学模型、硬件构成、功能架构，明确了伺服驱动模块原理。根据其原理讨论了伺服驱动模块的失效机理、失效方式以及失效对系统的影响，并建立了基于参数约束的安全运行区间，可对伺服驱动模块危险失效进行主动监测。然后，通过对IEC61800-5-2建议的17项安全功能的特性分析，设计了安全相关系统架构，提出了基于对象字典的安全功能集成方法，可根据具体的安全要求实现安全功能的配置。最后，搭建实验平台并设计典型安全逻辑，对安全集成方法进行验证。实验结果表明，所提出的功能安全集成方法能够通过配置有效地实现IEC61800-5-2建议的安全功能，满足伺服驱动模块对安全功能的通用化需求。

在总线式控制系统中，现场总线的传输速率和同步精度是影响多轴协同加工任务完成速度和精度的关键因素。为满足高速、高精制造装备对控制系统现场总线传输速率、同步精度的性能要求，解决工业通信总线信息安全问题，以国产FPGA芯片为平台，设计符合IEEE802.3规范的通用以太网接口电路，构建线型级联网络拓扑架构。通过研究工业控制过程数据与服务数据的通道传输原理，提出了一种通道映射的数据传输方法，使总线数据的传输效率得到提升。采用分布式时钟同步机制，利用时间戳计算网络传输延时和时间偏移，通过对总线控制器进行补偿达到同步控制的目的。实验结果表明，所设计的高精度同步实时以太网总线控制器，在100 Mb/s以太网链路中最小通信周期可达250 μs，网络各节点的同步精度小于50 ns，达到国际先进水平。

运动控制功能库是集成在可编程集成环境中的标准功能块集合，对于快速开发可重构PAC系统具有重要意义。为解决功能块的快速开发和控制系统的标准化开发问题，对功能块开发方法和关键技术进行研究，提出了一种基于PLCopen规范的运动控制功能库架构及其快速开发方法。对经典机电设备的伺服控制原理进行研究和分析，在国产编程开发工具上开发了一系列运动控制功能库。然后，基于“软件定义机器”思想，利用图形化的编程方式构建机电装备的运动控制系统，并在高精度旋转双棱镜等平台上进行验证。实验结果表明，所开发的功能块及系统能够完成目标运动，且自主可控系统的插补精度达到0.3 mm。因此，本文所提出的功能块的开发方法和功能库架构能够满足大部分机电设备的控制需要。

主站编程工具是可编程控制系统整体逻辑功能、运动控制功能程序可视化设计、下载、运行的重要功能组成部分。为打破国外对工业控制软件平台的垄断，形成服务于自主可控可编程控制系统的安全可信的主站编程工具，研究了软件功能架构、系统功能插件、主站运行时、安全功能库的设计方法。根据开源的集成开发环境工作原理，提出了一种基于IEC61131-3的主站编程工具软件架构。从生成代码完整性的角度对集成开发环境中总线组态、数据访问系统插件进行设计，并对主站代码执行的运行时间的功能架构以及各功能组件进行设计，形成了功能完善的编程工具链。最后以两个基本安全功能为例，分析了IEC61800-5-2功能安全基础库的集成开发方法。实验结果表明，本文设计的主站编程工具具有可视化编程、下载、运行等功能，基本满足自主可控可编程控制系统的程序开发需求。

为了打破国外对制造装备核心基础控制部件-可编程控制系统的技术封锁，突破涵盖机械、电子、计算机、总线通信等多学科融合的复杂技术体系，响应“中国制造2025”和“工业强基工程”的自主可控发展目标。通过对可编程控制系统发展历程和技术体系的分析，提出了一种基于实时以太网现场总线的可编程控制系统的构成方案，说明了构成方案中现场总线、主从站硬件、软件集成开发环境、人机组态软件等组件的工作原理和关键技术，以实现自主可控，从建立研发技术生态角度提出了各关键技术的解决思路和方法，为我国装备制造业的安全和稳定发展提供了参考。