本發(fā)明涉及工業(yè)自動(dòng)化控制，尤其涉及一種物聯(lián)網(wǎng)功能的可編程邏輯控制器編程系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、現(xiàn)有plc系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中面臨多重挑戰(zhàn)：通信協(xié)議單一性導(dǎo)致其僅兼容modbus、profibus等傳統(tǒng)工業(yè)協(xié)議，難以適配物聯(lián)網(wǎng)場(chǎng)景下的mqtt、coap、http通用協(xié)議，顯著增加了與云平臺(tái)及邊緣設(shè)備的對(duì)接成本與兼容性障礙；多核資源利用率低下問題突出，僵化的輪詢或靜態(tài)任務(wù)分配策略造成核心間負(fù)載失衡，實(shí)測(cè)多核利用率不足50％，計(jì)算資源浪費(fèi)嚴(yán)重；停機(jī)維護(hù)成本高昂，程序更新需產(chǎn)線停機(jī)燒寫，以汽車制造為例，單次1小時(shí)停機(jī)導(dǎo)致數(shù)百萬經(jīng)濟(jì)損失；故障恢復(fù)速度滯后，依賴硬件設(shè)備的傳統(tǒng)冗余方案切換時(shí)間≥200ms，且缺乏虛擬化重構(gòu)能力，關(guān)鍵控制邏輯恢復(fù)效率低下；安全機(jī)制薄弱，用戶程序缺乏數(shù)字簽名驗(yàn)證；實(shí)時(shí)性不足則體現(xiàn)在協(xié)議轉(zhuǎn)換與任務(wù)調(diào)度的時(shí)延波動(dòng)，難以滿足工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)對(duì)毫秒級(jí)響應(yīng)的嚴(yán)苛需求(如機(jī)器人協(xié)同控制需10ms級(jí)同步精度)；這些問題共同制約了plc在智能制造、智慧能源等新興場(chǎng)景中的深度應(yīng)用；

2、當(dāng)前的plc系統(tǒng)由于其協(xié)議的封閉性，僅支持傳統(tǒng)的工業(yè)協(xié)議，難以適應(yīng)物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的通用協(xié)議，這導(dǎo)致了跨平臺(tái)對(duì)接的成本高昂；由于僵化的輪詢或靜態(tài)任務(wù)分配策略，多核處理器的計(jì)算能力被嚴(yán)重浪費(fèi)；生產(chǎn)線在進(jìn)行程序更新時(shí)必須停機(jī)維護(hù)，這導(dǎo)致故障恢復(fù)時(shí)間延長(zhǎng)，并且缺乏虛擬化技術(shù)以實(shí)現(xiàn)快速重構(gòu)；此外，現(xiàn)有的plc系統(tǒng)容易受到惡意篡改的攻擊；在協(xié)議轉(zhuǎn)換和任務(wù)調(diào)度過程中，時(shí)延的波動(dòng)使得難以滿足工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)對(duì)同步精度的嚴(yán)格要求，亦提出一種物聯(lián)網(wǎng)功能的可編程邏輯控制器編程系統(tǒng)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于：為應(yīng)對(duì)當(dāng)前的plc系統(tǒng)協(xié)議的封閉性，多核處理器的計(jì)算能力被嚴(yán)重浪費(fèi)；生產(chǎn)線在進(jìn)行程序更新時(shí)必須停機(jī)維護(hù)，現(xiàn)有的plc系統(tǒng)容易受到惡意篡改的攻擊，時(shí)延的波動(dòng)使得難以滿足工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)對(duì)同步精度的嚴(yán)格要求，而提出了一種物聯(lián)網(wǎng)功能的可編程邏輯控制器編程系統(tǒng)及其系統(tǒng)。

2、為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用了如下技術(shù)一種物聯(lián)網(wǎng)功能的可編程邏輯控制器編程系統(tǒng)，包括：

3、主控模塊，基于異構(gòu)多核處理器架構(gòu)，用于執(zhí)行用戶程序邏輯并協(xié)調(diào)通信模塊、任務(wù)分配模塊、動(dòng)態(tài)加載模塊及安全校驗(yàn)單元的運(yùn)行；

4、通信模塊，集成mqtt、coap、http多協(xié)議通信接口，配置協(xié)議轉(zhuǎn)換引擎以同步云平臺(tái)、邊緣計(jì)算設(shè)備及物聯(lián)網(wǎng)終端的數(shù)據(jù)交互；

5、任務(wù)分配模塊，根據(jù)多核處理器的實(shí)時(shí)負(fù)載狀態(tài)，計(jì)算得到物理核的任務(wù)權(quán)重，根據(jù)物理核的任務(wù)權(quán)重將任務(wù)分配至不同物理核，優(yōu)化資源利用率；

6、動(dòng)態(tài)加載模塊，包括軟守護(hù)器，支持用戶程序的熱部署與重構(gòu)，實(shí)現(xiàn)在不停機(jī)狀態(tài)下更新plc控制邏輯；

7、安全校驗(yàn)單元，采用數(shù)字簽名與加密算法對(duì)用戶程序包進(jìn)行完整性驗(yàn)證及篡改防護(hù)，并配置自動(dòng)回滾機(jī)制，在驗(yàn)證失敗時(shí)按預(yù)設(shè)時(shí)間閾值恢復(fù)至歷史安全版本。

8、所述動(dòng)態(tài)加載模塊包括：

9、分段式編譯單元，用于將用戶程序按邏輯功能模塊劃分為多個(gè)程序塊，每個(gè)程序塊包含首部、代碼段及尾部校驗(yàn)碼；

10、燒寫信息生成單元，根據(jù)多核處理器架構(gòu)特性動(dòng)態(tài)分配目標(biāo)核心編號(hào)，并生成包含部署優(yōu)先級(jí)、crc32校驗(yàn)碼的燒寫信息包；

11、冗余傳輸單元，通過主信道與冗余信道雙路分發(fā)程序包，當(dāng)目標(biāo)核未返回ack時(shí)，按預(yù)設(shè)重試次數(shù)重新執(zhí)行燒寫流程；

12、斷點(diǎn)續(xù)傳單元，記錄已成功燒寫的程序塊編號(hào)，在網(wǎng)絡(luò)中斷后自動(dòng)從斷點(diǎn)恢復(fù)傳輸。

13、所述冗余傳輸單元執(zhí)行以下操作：

14、若目標(biāo)核在超時(shí)窗口內(nèi)未返回確認(rèn)指令，切換至備用物理核重新發(fā)起燒寫請(qǐng)求；

15、所述備用物理核的負(fù)載等級(jí)需滿足：

16、lbackup≤0.5×ltarget

17、式中，ltarget為目標(biāo)核負(fù)載等級(jí)，lbackup為備用物理核負(fù)載等級(jí)。

18、所述軟守護(hù)器包括：

19、狀態(tài)監(jiān)控子單元，實(shí)時(shí)采集虛擬plc實(shí)例的運(yùn)行狀態(tài)及資源占用數(shù)據(jù)；

20、故障決策子單元，當(dāng)檢測(cè)到虛擬plc心跳丟失或資源超限時(shí)，觸發(fā)微內(nèi)核重構(gòu)流程；

21、資源預(yù)留子單元，按歷史峰值資源的1.2倍為目標(biāo)微內(nèi)核預(yù)分配cpu及內(nèi)存資源。

22、所述軟守護(hù)器部署于獨(dú)立微內(nèi)核中，通過虛擬化實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的隔離機(jī)制與虛擬plc所在微內(nèi)核進(jìn)行物理資源隔離，確保重構(gòu)操作不影響其他plc功能模塊的運(yùn)行。

23、所述任務(wù)分配模塊的動(dòng)態(tài)權(quán)重算法為：

24、

25、式中，wi為第i個(gè)物理核的任務(wù)權(quán)重，和分別為第i個(gè)物理核的cpu和內(nèi)存利用率，α和β為加權(quán)系數(shù)，(默認(rèn)值α＝0.6，β＝0.4，α+β＝1)。

26、所述協(xié)議轉(zhuǎn)換引擎的時(shí)延約束為：

27、

28、式中，d為協(xié)議轉(zhuǎn)換總時(shí)延，sdata為數(shù)據(jù)包大小，bmin為最小通信帶寬，且bmin≥10，nhops為傳輸跳數(shù)，tproc為單跳處理時(shí)延。

29、所述目標(biāo)微內(nèi)核預(yù)分配cpu及內(nèi)存資源滿足以下公式：

30、rreserved＝γ·rpeak

31、式中，rreserved為目標(biāo)微內(nèi)核預(yù)分配cpu及內(nèi)存資源，rpeak為歷史峰值資源需求，γ為冗余系數(shù)。

32、所述安全校驗(yàn)單元的回滾機(jī)制滿足以下公式：

33、trollback≤ttask-tverify

34、式中，trollback為回滾操作的最大允許耗時(shí)，ttask為任務(wù)周期(范圍：10ms～100ms)，tverify為校驗(yàn)耗時(shí)(實(shí)測(cè)≤3ms)。

35、綜上所述，由于采用了上述技術(shù)一種物聯(lián)網(wǎng)功能的可編程邏輯控制器編程系統(tǒng)，本發(fā)明的有益效果是：

36、1.本發(fā)明的物聯(lián)網(wǎng)可編程邏輯控制器(plc)編程系統(tǒng)通過異構(gòu)多核協(xié)同、動(dòng)態(tài)資源調(diào)度及多協(xié)議兼容技術(shù)，顯著提升了工業(yè)控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性與資源效率；基于arm與fpga的差異化分工，主核全局調(diào)度與從核高實(shí)時(shí)性控制結(jié)合，保障關(guān)鍵任務(wù)毫秒級(jí)響應(yīng)，同時(shí)通過實(shí)時(shí)負(fù)載監(jiān)控與智能任務(wù)分配優(yōu)化多核利用率；集成mqtt、coap、http等多協(xié)議接口，打通云平臺(tái)、邊緣設(shè)備與工業(yè)終端的異構(gòu)數(shù)據(jù)鏈路，結(jié)合自適應(yīng)路徑優(yōu)化技術(shù)，確保關(guān)鍵指令優(yōu)先傳輸，增強(qiáng)復(fù)雜物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的通信可靠性；系統(tǒng)支持熱插拔擴(kuò)展與分段式熱部署，實(shí)現(xiàn)零停機(jī)升級(jí)與容錯(cuò)傳輸，顯著降低產(chǎn)線維護(hù)成本與中斷風(fēng)險(xiǎn)；

37、2.通過主動(dòng)安全防御與智能故障自愈機(jī)制，本系統(tǒng)構(gòu)建了全鏈路安全防護(hù)能力，采用數(shù)字簽名與哈希校驗(yàn)攔截惡意篡改，并通過軟守護(hù)器觸發(fā)的微內(nèi)核級(jí)快速重構(gòu)，保障異常模塊的毫秒級(jí)恢復(fù)與資源隔離；在智能制造、智慧能源等場(chǎng)景中，系統(tǒng)以動(dòng)態(tài)資源調(diào)度、高可靠通信及柔性擴(kuò)展特性，滿足高精度設(shè)備協(xié)同控制、產(chǎn)線快速切換及關(guān)鍵設(shè)施安全防護(hù)需求；相較于傳統(tǒng)plc，本發(fā)明突破協(xié)議封閉性、資源僵化分配及停機(jī)依賴等局限，為工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)提供靈活、穩(wěn)定、安全的智能化控制核心，推動(dòng)工業(yè)自動(dòng)化向高效化、網(wǎng)絡(luò)化與高可用方向演進(jìn)。