OpenPLC Runtime v4 架构-编程实验室

OpenPLC Runtime v4 架构

概述

OpenPLC Runtime v4 是一个双进程系统，通过一个用于 OpenPLC Editor 通信的 REST API 服务器和一个实时 PLC 执行引擎来提供工业自动化能力。

系统组件

1. REST API 服务器进程 (Python/Flask)

REST API 服务器是一个基于 Flask 的 HTTPS 应用程序，提供以下功能：

用于 PLC 控制和管理的REST API
用于实时调试的WebSocket 接口
程序编译编排
用户认证和安全
运行时进程管理

关键细节：

端口：8443 (HTTPS)
位置：webserver/app.py
TLS：自签名证书（自动生成）
认证：基于 JWT

2. PLC 运行时核心 (C/C++)

PLC 运行时是一个实时执行引擎，具备以下功能：

以确定性的时序执行已编译的 PLC 程序
通过插件驱动程序管理 I/O 操作
为变量检查提供调试接口
通过看门狗监控系统健康状态
维护生命周期状态(INIT, RUNNING, STOPPED, ERROR, EMPTY)

关键细节：

可执行文件：build/plc_main
位置：core/src/plc_app/
调度：SCHED_FIFO（实时优先级）
要求：root 权限或 CAP_SYS_NICE 能力

进程间通信

两个进程通过 Unix 域套接字进行通信：

PLC 运行时套接字

路径：/run/runtime/plc_runtime.socket
目的：命令与控制（启动、停止、状态查询）
协议：基于文本的命令，附带同步响应
实现：core/src/plc_app/unix_socket.c(服务器端),webserver/unixclient.py(客户端)

日志套接字

路径：/run/runtime/log_runtime.socket
目的：将日志从 PLC 运行时实时流式传输到 REST API 服务器
实现：core/src/plc_app/utils/log.c

PLC 生命周期状态

PLC 运行时维护以下状态：

EMPTY → INIT → RUNNING ⟷ STOPPED → ERROR

状态描述

EMPTY: 未加载 PLC 程序
INIT: 程序已加载，正在初始化
RUNNING: 正在主动执行扫描周期
STOPPED: 程序已加载但未执行
ERROR: 可恢复的错误状态

状态管理器：core/src/plc_app/plc_state_manager.c

线程模型

REST API 服务器线程

主 Flask 线程：处理来自 OpenPLC Editor 的 HTTP/HTTPS 请求
WebSocket 线程：管理来自 OpenPLC Editor 的调试连接
编译线程：异步运行构建过程
运行时管理器线程：监控 PLC 运行时进程

PLC 运行时线程

主线程：初始化和信号处理
Unix 套接字线程：接收和处理命令
PLC 周期线程：以实时优先级执行扫描周期
统计线程：记录性能指标
看门狗线程：监控心跳，并在挂起时终止进程
日志线程：管理日志套接字连接

实时执行

PLC 周期线程以 SCHED_FIFO 优先级运行，以确保确定性的时序：

读取输入：插件驱动程序从硬件读取
执行逻辑：运行已编译的 PLC 程序 (ext_config_run__())
写入输出：插件驱动程序写入硬件
休眠至下一周期：使用clock_nanosleep()实现精确时序

时序配置：

扫描周期持续时间：由ext_common_ticktime__定义（通常为 50ms）
跟踪的时序统计：最小/最大/平均扫描时间、周期时间、延迟、超时

插件系统

运行时支持动态加载的插件以实现硬件 I/O：

插件类型：Python 和 C/C++
配置：plugins.conf文件
虚拟环境：每个插件具有独立的 Python 依赖环境
缓冲区保护：在扫描周期内通过互斥锁保护的 I/O 缓冲区

文档：参见docs/PLUGIN_VENV_GUIDE.md和core/src/drivers/README.md

安全架构

TLS/HTTPS

首次运行时生成自签名证书
证书文件：webserver/certOPENPLC.pem,webserver/keyOPENPLC.pem
主机名验证以防止注入攻击

认证

用于 API 和 WebSocket 访问的 JWT 令牌
密钥存储在/var/run/runtime/.env中
用于密码哈希的 256 位加密胡椒

文件上传安全

ZIP 文件验证（路径遍历、大小限制、压缩率）
禁止的扩展名：.exe, .dll, .sh, .bat, .js, .vbs, .scr
最大文件大小：单个文件 10 MB，总计 50 MB
解压过程中剥离 macOS 元数据

实现：webserver/plcapp_management.py,webserver/credentials.py

数据持久化

运行时数据目录

位置：/var/run/runtime/

包含：

.env- 环境变量（JWT 密钥、数据库 URI、胡椒）
restapi.db- 用于用户账户的 SQLite 数据库
套接字文件（运行时创建）

Docker 卷

在 Docker 中运行时，将/var/run/runtime挂载为命名卷以实现持久化：

dockerrun -v openplc-runtime-data:/var/run/runtime...

看门狗系统

看门狗通过跟踪plc_heartbeat原子变量来监控 PLC 健康状态：

更新频率：每个扫描周期
超时：2 秒内无更新
动作：如果 PLC 无响应，则终止进程
状态感知：仅在 RUNNING 状态下监控

实现：core/src/plc_app/utils/watchdog.c

性能监控

运行时跟踪详细的时序统计信息：

扫描计数：执行的总周期数
扫描时间：执行 PLC 逻辑花费的时间
周期时间：每个周期的总时间（包括休眠）
周期延迟：与目标时序的偏差
超时：超过目标持续时间的周期

统计信息通过统计线程每 5 秒记录一次。

错误处理

REST API 服务器

构建失败在BuildStatus枚举中跟踪
编译日志流式传输到 OpenPLC Editor
运行时断开连接时的优雅降级

PLC 运行时

对 SIGINT 进行信号处理（优雅关闭）
执行前验证状态转换
插件故障与核心运行时隔离
看门狗确保进程在挂起时终止

目录结构

openplc-runtime/ ├── webserver/ # Flask REST API 服务器 │ ├── app.py # 主应用程序入口 │ ├── restapi.py # REST API 蓝图 │ ├── debug_websocket.py # WebSocket 调试接口 │ ├── unixclient.py # Unix 套接字客户端 │ ├── plcapp_management.py # 构建编排 │ ├── runtimemanager.py # 运行时进程控制 │ ├── credentials.py # TLS 证书生成 │ └── config.py # 配置管理 ├── core/ │ ├── src/plc_app/ # PLC 运行时源代码 │ │ ├── plc_main.c # 主入口点 │ │ ├── plc_state_manager.c/h # 状态管理 │ │ ├── unix_socket.c/h # IPC 服务器 │ │ ├── debug_handler.c/h # 调试协议 │ │ └── utils/ # 实用工具（日志、看门狗、计时） │ ├── src/drivers/ # 插件驱动系统 │ └── generated/ # 生成的 PLC 代码（运行时） ├── scripts/ # 构建和管理脚本 │ ├── compile.sh # 编译 PLC 程序 │ ├── compile-clean.sh # 清理和重命名库 │ └── manage_plugin_venvs.sh # 插件虚拟环境管理 ├── build/ # 编译输出 │ ├── plc_main # 编译的运行时可执行文件 │ └── libplc_*.so # 编译的 PLC 程序库 └── venvs/ # Python 虚拟环境 ├── runtime/ # Web 服务器虚拟环境 └── {plugin_name}/ # 每个插件的虚拟环境

部署模式

原生 Linux

通过install.sh直接安装
通过包管理器安装系统依赖项
使用start_openplc.sh启动运行时

Docker 容器

官方镜像：ghcr.io/autonomy-logic/openplc-runtime:latest
多架构支持：amd64, arm64, armv7
需要为/var/run/runtime提供持久化卷
暴露端口 8443 用于 HTTPS 访问

开发

使用 CMake 进行本地构建
包含测试环境的开发容器
用于代码质量的预提交钩子

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