本發明涉及工業自動化控制，尤其涉及一種物聯網功能的可編程邏輯控制器編程系統。

背景技術：

1、現有plc系統在實際應用中面臨多重挑戰：通信協議單一性導致其僅兼容modbus、profibus等傳統工業協議，難以適配物聯網場景下的mqtt、coap、http通用協議，顯著增加了與云平臺及邊緣設備的對接成本與兼容性障礙；多核資源利用率低下問題突出，僵化的輪詢或靜態任務分配策略造成核心間負載失衡，實測多核利用率不足50％，計算資源浪費嚴重；停機維護成本高昂，程序更新需產線停機燒寫，以汽車制造為例，單次1小時停機導致數百萬經濟損失；故障恢復速度滯后，依賴硬件設備的傳統冗余方案切換時間≥200ms，且缺乏虛擬化重構能力，關鍵控制邏輯恢復效率低下；安全機制薄弱，用戶程序缺乏數字簽名驗證；實時性不足則體現在協議轉換與任務調度的時延波動，難以滿足工業物聯網對毫秒級響應的嚴苛需求(如機器人協同控制需10ms級同步精度)；這些問題共同制約了plc在智能制造、智慧能源等新興場景中的深度應用；

2、當前的plc系統由于其協議的封閉性，僅支持傳統的工業協議，難以適應物聯網環境下的通用協議，這導致了跨平臺對接的成本高昂；由于僵化的輪詢或靜態任務分配策略，多核處理器的計算能力被嚴重浪費；生產線在進行程序更新時必須停機維護，這導致故障恢復時間延長，并且缺乏虛擬化技術以實現快速重構；此外，現有的plc系統容易受到惡意篡改的攻擊；在協議轉換和任務調度過程中，時延的波動使得難以滿足工業物聯網對同步精度的嚴格要求，亦提出一種物聯網功能的可編程邏輯控制器編程系統。

技術實現思路

1、本發明的目的在于：為應對當前的plc系統協議的封閉性，多核處理器的計算能力被嚴重浪費；生產線在進行程序更新時必須停機維護，現有的plc系統容易受到惡意篡改的攻擊，時延的波動使得難以滿足工業物聯網對同步精度的嚴格要求，而提出了一種物聯網功能的可編程邏輯控制器編程系統及其系統。

2、為了實現上述目的，本發明采用了如下技術一種物聯網功能的可編程邏輯控制器編程系統，包括：

3、主控模塊，基于異構多核處理器架構，用于執行用戶程序邏輯并協調通信模塊、任務分配模塊、動態加載模塊及安全校驗單元的運行；

4、通信模塊，集成mqtt、coap、http多協議通信接口，配置協議轉換引擎以同步云平臺、邊緣計算設備及物聯網終端的數據交互；

5、任務分配模塊，根據多核處理器的實時負載狀態，計算得到物理核的任務權重，根據物理核的任務權重將任務分配至不同物理核，優化資源利用率；

6、動態加載模塊，包括軟守護器，支持用戶程序的熱部署與重構，實現在不停機狀態下更新plc控制邏輯；

7、安全校驗單元，采用數字簽名與加密算法對用戶程序包進行完整性驗證及篡改防護，并配置自動回滾機制，在驗證失敗時按預設時間閾值恢復至歷史安全版本。

8、所述動態加載模塊包括：

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程序塊，每個程序塊包含首部、代碼段及尾部校驗碼；

10、燒寫信息生成單元，根據多核處理器架構特性動態分配目標核心編號，并生成包含部署優先級、crc32校驗碼的燒寫信息包；

11、冗余傳輸單元，通過主信道與冗余信道雙路分發程序包，當目標核未返回ack時，按預設重試次數重新執行燒寫流程；

12、斷點續傳單元，記錄已成功燒寫的程序塊編號，在網絡中斷后自動從斷點恢復傳輸。

13、所述冗余傳輸單元執行以下操作：

14、若目標核在超時窗口內未返回確認指令，切換至備用物理核重新發起燒寫請求；

15、所述備用物理核的負載等級需滿足：

16、lbackup≤0.5×ltarget

17、式中，ltarget為目標核負載等級，lbackup為備用物理核負載等級。

18、所述軟守護器包括：

19、狀態監控子單元，實時采集虛擬plc實例的運行狀態及資源占用數據；

20、故障決策子單元，當檢測到虛擬plc心跳丟失或資源超限時，觸發微內核重構流程；

21、資源預留子單元，按歷史峰值資源的1.2倍為目標微內核預分配cpu及內存資源。

22、所述軟守護器部署于獨立微內核中，通過虛擬化實時操作系統的隔離機制與虛擬plc所在微內核進行物理資源隔離，確保重構操作不影響其他plc功能模塊的運行。

23、所述任務分配模塊的動態權重算法為：

24、

25、式中，wi為第i個物理核的任務權重，和分別為第i個物理核的cpu和內存利用率，α和β為加權系數，(默認值α＝0.6，β＝0.4，α+β＝1)。

26、所述協議轉換引擎的時延約束為：

27、

28、式中，d為協議轉換總時延，sdata為數據包大小，bmin為最小通信帶寬，且bmin≥10，nhops為傳輸跳數，tproc為單跳處理時延。

29、所述目標微內核預分配cpu及內存資源滿足以下公式：

30、rreserved＝γ·rpeak

31、式中，rreserved為目標微內核預分配cpu及內存資源，rpeak為歷史峰值資源需求，γ為冗余系數。

32、所述安全校驗單元的回滾機制滿足以下公式：

33、trollback≤ttask-tverify

34、式中，trollback為回滾操作的最大允許耗時，ttask為任務周期(范圍：10ms～100ms)，tverify為校驗耗時(實測≤3ms)。

35、綜上所述，由于采用了上述技術一種物聯網功能的可編程邏輯控制器編程系統，本發明的有益效果是：

36、1.本發明的物聯網可編程邏輯控制器(plc)編程系統通過異構多核協同、動態資源調度及多協議兼容技術，顯著提升了工業控制系統的實時性與資源效率；基于arm與fpga的差異化分工，主核全局調度與從核高實時性控制結合，保障關鍵任務毫秒級響應，同時通過實時負載監控與智能任務分配優化多核利用率；集成mqtt、coap、http等多協議接口，打通云平臺、邊緣設備與工業終端的異構數據鏈路，結合自適應路徑優化技術，確保關鍵指令優先傳輸，增強復雜物聯網環境下的通信可靠性；系統支持熱插拔擴展與分段式熱部署，實現零停機升級與容錯傳輸，顯著降低產線維護成本與中斷風險；

37、2.通過主動安全防御與智能故障自愈機制，本系統構建了全鏈路安全防護能力，采用數字簽名與哈希校驗攔截惡意篡改，并通過軟守護器觸發的微內核級快速重構，保障異常模塊的毫秒級恢復與資源隔離；在智能制造、智慧能源等場景中，系統以動態資源調度、高可靠通信及柔性擴展特性，滿足高精度設備協同控制、產線快速切換及關鍵設施安全防護需求；相較于傳統plc，本發明突破協議封閉性、資源僵化分配及停機依賴等局限，為工業物聯網提供靈活、穩定、安全的智能化控制核心，推動工業自動化向高效化、網絡化與高可用方向演進。