用XML实现PLC程序的可视化

1、用XML实现PLC程序的可视化摘要：由于PLC程序越来越复杂，人们对形式化方法在PLC程序这个领域的应用越来越感 兴趣了。形式化方法可以有效地确认和验证系统的性能。使用形式化方法的途径之一是 在PLC程序中应用形式设计方法。然而，在已存在的软件中还必须经过优化，改变，或 者移植到新的系统等，通过这种方式的需要才可以启动使用特定的PLC程序。因此，形式化的PLC程序正是目前研究的一个主题。该论文以形式化的PLC程序为基础列出了逆 向工程的方法。在这一过程中，转化为独立的处理结构和可视化结构的PLC程序被定义为非常重要的一个步骤。结果表明，XML和相应的技术怎样可以应用在现有的形式化和 可视化的PLC程序中。I引言PLCs是 一个专门应用于工业和安全保护等方面类型的计算机。PLC的目的是通过产生电气控制信号响应与电气信号有关的输入信号，从而达到控制某一特定的程序，或者 是某些特定的程序。由PCLs控制的程序的用途很广泛，包括应用在制造业，化工过程 控制，机械加工，交通，电力分布等其他许多领域。自动化应用可以从一个简单的控制 面板活动，如控制会议室里的灯光和遮光帘等，引申到复杂的自动化工业的

2、制造生产流 水线中。随着PLC程序应用范围的不断扩大，人们对PLC程序的复杂度和准确度的要求也越 来也高，应用在安全防护方面的要求尤其是如此。日益复杂的应用软件不仅包括对程序 时间调试的限定， 还包括找到一个对现有软件或 plc 都可以可重复使用的形式方法 【1】。 为了确保 plc 程序的高质量，要求在核查和证实各个程序步骤的同时，还要注意分析和 模仿现在已在使用的系统【 2】。逆向工程是形式化 plc 程序中一个非常重要的领域，并 且在当今得到不断的发展【 3】。逆向工程是为了复制现有程序或提高现有水平而去了解 程序的工作原理的一个过程，是用于评测工程的。重复使用的 plc 编码是被确定的，把 它当作一个用来与 plc 程序复杂化对抗的工具， 然而逆向工程是用来应付即将到来的重 大事项，如果现有的硬件被新的、不同的程序环境下的硬件所取代的情况下。现有pic程序的可视化是逆向工程的一个重要的中间步骤。 该论文提出使用XML使 pic程序可视化这一方法。使用 XML这一方法意义很大，尤其是对于正在使用 pic程序 工作的工程师来说，可以更好地了解和熟悉这一程序。论文的结构如下。首先，简

3、单介绍一下 PLCs并且参照IEC 61131-3的标准，相似 的程序技术也被提及。在第 川部分，提出了以使用形式化pic程序为基准而进行的逆向 工程的方法。 在这一过程中，把 pic 编码转化为独立的处理结构是不可缺少的一个步骤。 在第W部分列出了可以完成这一转换的技术 XML还有其他相关的技术，如XSL和XSLT 在第V部分介绍了 XMLS可视化pic程序中的应用，同时举例证明。论文在最后一个部 分进行总结，并且对这一领域的后续研究工作提出见解。II PLC和 IEC61131自70年代初期它开始出现以来，由于它能够成功地满足于取代由硬线控制设备的 机器这一目标，pic受到越来越多人的关注。最后它自成为在应用领域、研究领域和发 展领域的一个明确的领域，主要用于工程的控制。为了工业自动化生产，IEC 61 131第一个竭尽全力去使pic编程语言标准化。1993 年，国际电工委员会【4】发表了用于编程管理会计师的 61131国际标准。在国际电工 委员会61131国际标准发表之前，pic编程程序语言是私有的，PLCs程序语言的使用通 过买卖关系达成。为了加强不同产品的兼容性，宽度和互用性

4、，以及不断推动使用工具 的发展和固有标记方法的形成，IEC 61 131标准不断完善。这一标准的第三部分规定了 适合的五种程序设计语言。IL是一种等级较低的原版编辑语言，它的结构和汇编程序很像。IL是在欧洲最先开始使用的，被认为是其他所有IEC 61 131-3的编程语言都可以转化的pic编程语言。LD是来源于美国的图形语言。LDs遵守借用于执行虚构的电子电路控制逻辑的程序 设计样式。ST是一种强大的高等级编辑语言。ST借用了帕斯卡的规则，同时兼并艾达的一些 特性。ST包括了当今所有编程语言的必不可少的要素。FBD是 一种图像语言，它在工业工序中很常见。这种编辑语言控制被信号和数据流 通过功能模块所模仿。FBD把原始的文本编程转换成连续不断的功能模块，因此改善了 模块的性能和软件的重复使用性。SFC是 一种图像语言。SFC的原理是根据可编程程序控制器的程序结构化来设定的。 IEC 61 131-3的一个问题是，它没有一个标准的形式在 PLC编程工具上的工程信息。 如今也只有卖方手上具体的编排格式。这也是形式化方法转化为单一编程或运算法则制 被限制的原因之一。然而，近来PLC使用者组织P

5、LC委员会（见 http:/www.plcopen.org ），依据IEC 61 131-3 标准成立一个技术委员会，定义一个 以工程形式为基础的XML这一新格式将会使形式化工具在所有有关pic工程信息方面的发展变得容易。皿逆向工程法所提出的逆向工程法（如图1），是基于这样的概念：XML能被用于转换pic编码的 媒介。这一转换提供了获得独立规范编码卖主的优势。（即使在应用pic过程中，pic技术 委员会成功规定了一个标准的编辑格式，依然还会有很多其他现存的程序没有遵循这一 标准。）（图1逆向工程法）依据这一编码原则，阶段转化编码正在逐步向正规模型转化中。这一模型可用于分 析、模仿、形式化核实和检验，最后还可以用于在同一或其它PLC中实施运算优化。因为完整程序的逆向工程在大多数情况下，仅仅是半自动化的过程，所以中阶段产 物（编码）的可视性是重要的一点。在进程的不同阶段，可以从不同的方面看到编码或 者是形式模型，在这一方法下设计者能指导后面的工作。XML拥有这种强大的可视功能和转换工具，对解决这个任务来说，是一个理想的工具。IV XML作为一种可视化的工具XML是 种既简单又很灵活的兀语言

6、，例如，一种用来描述其它语言的语言。被W3C 认定为是SGM的种方言【5】，XML丢弃了两个阻止网络发展【6】的限制因素。一方 面，过分依赖于单一的、不可更改的文件类型（ HTM）,大部分都是滥用了它的功能， 因为并没有专门的设定程序；SGML程序很复杂，它可以解读许多其他程序，然而另一 方面，它又不能转换一些很难编程的程序。HTML分析的是怎么处理数据的，然而XML分析的是数据的本身。许多工业和科学学 科一一他们中的病史档案纪录和新闻出版业一一已经开始应用XMLS过转换平台和应用转换资料信息。XML可以根据具体需要对不同资料信息进行调整，信息接受者可以广泛 使用这一功能。它是专门为支持使用不同形式数据的系统而设定的，譬如在CAD和时间调度的应用之间。就句法及语义文法方面而言，使用有着强大的语法分析器和固有强大作用的XML会比使用以词法分析器和验证解析器来分析的常规方法更有利。分析程序代码的常规方法需要一台可以生成一组终结符（记号）的扫描仪（词法分 析器），而紧跟着这组终结符（记号）的应该是可以检测编码语法结构并生成一个目标 网的剖析器。在这个目标网里，程序的内部结构由特定的对象以及对

7、象之间的关系来表 现。在这种方法所应用到的扫描仪和剖析器都是由文件导向的，这意味着对不同类型的 文件进行分析，需要重写扫描仪和剖析器的生成编码。 这个方法应用的一个例子能在 【8】 中看到。使用XML最有发展前景的是XMLS其补充性转换应用程序的标准化，为使用者提供 极大的灵活性。以XML为基础的方法有很多优点，因此其语法格式是 XML固定的组成元素，所以其 结构的完整性可以独立存在于单个的应用软件程序中。因此，一个XML解读器不用语法也可以把一个完整的 XML文件转换为抽象描述的 DOMDOM种有效的HTML和格式良好的XML文件的API。它规定了文件的逻辑结构， 获取路径和文件操作。在DOMffl格中，“文件”一词的使用越来越广化。XML被用作一种 描述存储于不同系统中里信息的不同的方式，这种方式传统的被看成一种数据而非文 件。但是，XML把数据转换成文件，而 DOMS常用来管理这个数据【5】。XSLT XML的转换语言不但可以把一个 XML转换成另一个XML或 HTML还可以转换 成许多其他用户友容易掌握的文件格式。在XSLTW世之前，XML格式转换为其他格式只 可能通过在计算机

8、语言程序中发展起来的特定应用程序来实现，例如，C+, VisualBasic或者Java。这种程序在XML文件的结构变化上缺乏统一性。借助所有转换的特定 应用都非常相似的这一概念，XSLT演化成高等级的说明性语言【9】。XSLT分两步作用。第一步，通过结构上的转换，把XML专换成能反映所需输出信息 的结构。第二步把新的结构格式化为要求的文件格式，如，HTML或 PDF格式（例图3）。这种转换的最大的优点是它允许把简单易懂的文件或数据的结构描述嵌入即将形成的 结构良好但难理解的XML格式。当HTML格式被选择成为所转换产生的格式，就可以利 用HTML虽大的功能制作一个简单易懂、吸引人的程序界面。每个XML文件都有自己的句法和词汇。因此，除了要格式良好，XML文件还需要遵循一系列规则。根据 W3C隹荐， 这一规则必须由文件类型定义（DTD或XML模式来定义。在DTD或 XML模式中界定的 规则中陈述了 XML文件的分层结构系数规定参数。DTD是用来规定文件语法的，而最近许多可供选择的语言也已经被提及。W3C XML模式语言除包含DTDS基本的功能之外，还增加了一些特点；对 XML实例句法而

9、非特设 符号的使用，模式和命名空间关系的明晰，以及元素类型、数据类型和派生类型的单一 继承形式之间的系统性区别。换句话说，与 DTDS的功能相比，这些图解提供了一种更 丰富有力的描述信息的方式。详见图 4展示的以上讨论的XML技术和他们之间的联系。V 种可视化的PLC程序A 概述在欧洲，由于 IL 语言是在 plc 编辑语言中使用最普遍的一种语言，而目前这个方 法正是以IL语言为基准的。IL独有的方言西门子STEP5和依据IEC 61131-3标准设定 的样式都被考虑。以下三个步骤可实现生成可显示同一 pic程序的不同方面的XML文件（如图5）1. 把pic程序转换成一个XML文件2. 以XML规定的标准图解验证 XML3. 依据pic来源的指令系统鉴定得出转换XML的结构元素这三个步骤在下面B到D部分会分别讨论。E部分解释了在先前的步骤中获得不同 的XMLs可视化的原因。在本节中通过一个例子来说明这一观念。图6是一个使用IL西门子S5来书写的PLC 编码。PLC编码是以一个表格的形式书写的，每一排的元素或者是由地址组成限定，或 由标志符号限制，或由操作指令限制，或由操作数或种类等限制的。Kommentar :AutorErstellt :15.07.2003 Geaendert am: B1B:ONETZWERK 1 EMPFANGEN SLAVE 3 VON MASTERNAME :EMPEMAST0005 :U M98.7 ABFRAGE OB EMPFANG MOEGLICH00060007 :SPB= MOOl00080009 :A DB140 EMPFANGSFACH IST DB 140OOOA :L KF+20 LAENGE DES DATENPAKETSoooc :T DLOOOOD :L KF+O ZIELNUMMER O=MASTEROOOF :T DRO00100011 :UNM98.7 FANGEN WIEDER

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