CN117742693A - 一种基于plc程序自动生成工业设备hmi界面的系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于PLC程序自动生成工业设备HMI界面的系统，其特征在于，包括：源代码获取单元，用于获取PLC设备运行程序的源代码；运行数据采集单元，用于获取PLC设备运行过程中的变量数据；数据处理单元，用于对获取的静态源代码和动态的变量数据进行数据处理得到变量基本信息并确定最佳匹配的控件类型；HMI代码生成单元，用于根据变量基本信息和控件类型信息，生成HMI代码进而生成HMI界面。采用本发明的技术方案，能够自动解析PLC程序，并根据程序中的变量历史值和代码逻辑生成对应的HMI界面，大大提高了界面开发的效率和自动化水平。

Description

一种基于PLC程序自动生成工业设备HMI界面的系统和方法

技术领域

本发明涉及到工业自动化领域，尤其涉及到一种基于PLC程序自动生成工业设备HMI界面的系统和方法。

背景技术

在工业自动化领域，PLC(Programmable Logic Controller)是一种用于实现自动控制的数字计算机设备，通常用于控制机器或工厂生产线。为了更好地控制和监视PLC所控制设备的内部状况，通常需要为PLC程序配置相应的HMI(Human Machine Interface)界面。

传统的HMI界面开发方法是工程师手动为PLC程序编写对应的界面。详细地，为PLC编写HMI界面需要手工按照以下流程进行：拖拉(组态)创建控件、将控件绑定到PLC程序的指定变量上、编写页面读写数据脚本；手动编写HMI程序是一个复杂且耗时的过程，尤其当变量、页面增多时，开发者需要重复地去拖动控件排列控件布局，并进行变量绑定操作。开发过程中存在着大量的重复劳作，绑定变量时容易出现误操作，且当PLC程序变量地址变动时，HMI程序也需要进行相应地变动。总的来说，手动编写HMI程序是一个繁琐的过程，这个过程耗时耗力且不易维护，不利于工业生产的高效和自动化。

故，针对现有技术存在的技术缺陷，实有必要提出一种解决方案以解决现有技术存在的技术问题。

发明内容

为解决上述问题，本发明提出了一种基于PLC程序自动生成工业设备HMI界面的系统和方法，能够自动解析PLC程序，并根据程序中的变量历史值和代码逻辑生成对应的HMI界面，大大提高了界面开发的效率和自动化水平。

为了解决现有技术存在的问题，本发明的技术方案如下：

一种基于PLC程序自动生成工业设备HMI界面的系统，包括：

源代码获取单元，用于获取PLC设备运行程序的源代码；

运行数据采集单元，用于获取PLC设备运行过程中的变量数据；

数据处理单元，用于对获取的静态源代码和动态的变量数据进行数据处理得到变量基本信息并确定最佳匹配的控件类型；

HMI代码生成单元，用于根据变量基本信息和控件类型信息，生成HMI代码进而生成HMI界面。

作为进一步的改进方案，运行数据采集单元为外部监控脚本，该脚本周期性采集PLC程序运行期间的变量值，并将其存储在数据库或文件中。

作为进一步的改进方案，数据处理单元根据采集的变量历史值和PLC程序源码，分析并确定变量对应的控件类型；其中，数据处理单元中执行聚类算法，根据静态PLC程序源代码及动态变量历史值得到变量特征以及进行聚类，输出变量控件类型和控件初始化参数。

作为进一步的改进方案，HMI代码生成单元中，根据变量特征到控件类型的映射以及预定义的控件模板库，生成控件并填充控件属性，将其数据源绑定到PLC变量地址上，同时自动生成页面逻辑处理和控件布局XML文件。

作为进一步的改进方案，数据处理单元中执行聚类算法，将具有相似特征的变量划分为同一类别，并分配统一的控件类型；分类特征包括变量类型、变量历史值情况、语法结构、语句逻辑上下文和程序注释，各特征权重能够根据实际应用和需求进行调整，以确保最佳的控件类型匹配。

本发明还公开了一种基于PLC程序自动生成工业设备HMI界面的方法，包括以下步骤：

步骤S1：获取PLC设备运行程序的源代码以及获取PLC设备运行过程中的变量数据；

步骤S2：根据步骤S1中采集的变量历史值和PLC程序源码，对数据进行处理并确定变量对应的控件类型；

步骤S3：基于步骤S2的结果，结合预设模板进行自动代码生成，得到HMI控件和页面布局代码，并编译生成HMI可执行操作程序。

作为进一步的改进方案，步骤S1中，启动监控脚本对PLC设备中运行的PLC程序进行周期采集变量数据形成数据集D：

D＝{d₁，d₂，…，d_i}

其中，d_i为第i次采集周期内的所有变量值的集合；并将数据格式化为JSON或XML文本格式以方便处理和分析。

作为进一步的改进方案，步骤S2中，基于PLC程序源代码执行静态代码分析，提取各变量基本信息，其中，定义静态分析函数A_s＝S_c→A，对于每个变量v∈S_c，静态分析提取其属性a_v，包括数据类型、作用域范围和程序中的上下文信息：

a_v＝(type_v，scope_v，context_v)

数据类型type_v为变量的数据类型；

作用域范围scope_v为变量的作用域范围，分为块级、函数级和全局级；

上下文信息context_v为变量在程序中的上下文，包括模块位置、嵌套层级和逻辑功能；

执行动态分析，利用从PLC程序运行时采集的变量数据D，经过处理得到动态聚类特征，该特征描述了变量的行为模式，包括：

D_v＝(frequency_v，trend_v，range_v，center_v，spread_v)

其中，频率特征frequency_v为：变量值变化的频率；

趋势特征trend_v为：变量随时间的变化趋势；

趋势值集合range_v为：变量的变化范围；

聚类中心center_v为：在聚类分析中，变量数据分布的中心点；

分布范围spread_v为：变量数据在聚类中的分布范围或方差。

作为进一步的改进方案，步骤S2中，结合静态和动态特征D_v和a_v，使用聚类算法C对变量进行分类，以确定变量合适的控件类型；

合并静态属性a_v和动态特征D_v构造特征向量f_v，其中，表示特征向量的链接操作：

f_v＝(type_v，scope_v，context_v，frequency_v，trend_v，range_v，center_v，spread_v)

聚类算法C依据特征向量f_v提供对每个变量v进行聚类，以确定变量最合适的控件类型t_i：

C_v＝Cluster(f_v)

聚类结果C_v为一系列描述变量历史值分布的统计量，每个聚类中心或簇代表一组具有相似特征的变量，这些特征最适合于特定类型的控件，聚类中心或簇对应不同类型的控件。

作为进一步的改进方案，采用K均值聚类算法，获得变量控件类型的过程表示为迭代过程：

其中k是聚类的数量，S_i是第i个聚类，μ_i是S_i的中心点；经过无监督学习的聚类算法处理，通过静态特征和动态特征划分得到多个类别t_i，相同的类别将会被分配映射为同样的控件类型。

作为进一步的改进方案，步骤S1中，所述监控脚本可采用Python或Lua编写，运行于外部设备(如工控机)，通过网络协议(如Modbus、UDP、OPC等)与PLC通信，周期性获取程序中所有变量实时值，以JSON、XML等文本格式存储到数据库中或文件中以便于后续分析使用。

作为进一步的改进方案，步骤S1中，所述变量实时值，即PLC程序的运行过程中变量值结果，由监控脚本以预设的周期(远大于PLC运行周期)与PLC通信，通过PLC所支持的通信协议采集。

作为进一步的改进方案，步骤S1中，PLC程序是符合IEC61131-3的文本语言(指令表、结构化文本)或者图形表格(梯形图、功能块、顺序功能流程图)，PLC程序是基于IEC61131-3标准的五种编程语言(FBD(Function Block Diagram)，LD(Ladder Diagram)，ST(Structured Text)，SFC(Sequential Function Chart)，IL(Instruction List))。图形表格经过解析和标记处理，以转换为等价的XML文本表示。

作为进一步的改进方案，步骤S2中，所述变量分析模型，输入是静态PLC程序源代码及动态的变量历史值，输出是变量控件类型和控件初始化参数，模型算法主要包括但不限于K均值、层次聚类、均值漂移等聚类算法。

作为进一步的改进方案，步骤S2中，所述模型算法根据变量特征进行聚类，将具有相似特征的变量划分为同一类别，并分配统一的控件类型；分类特征包括但不限于变量类型、变量历史值情况、语法结构、语句逻辑上下文和程序注释，各特征权重可根据实际应用和需求进行调整，以确保最佳的控件类型匹配。

作为进一步的改进方案，步骤S3中，所述自动代码生成涉及到：系统根据预定义控件模板库生成HMI程序源代码；主要包括控件参数、数据同步逻辑和UI组件布局，填充控件属性并与绑定到变量地址。

作为进一步的改进方案，步骤S3中，所述人工核查涉及写操作，即人工评审数据同步代码中与写操作相关的控件变量地址、变量类型，确保对PLC的写操作逻辑符合预期。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

1.实现了PLC程序的解析和理解，自动分析得到变量对应的控件类型。从五种PLC程序的静态源代码层面和动态运行时变量的真实值出发，通过聚类算法进行变量进行分析，从而得到变量对应合适的控件；

2.自动生成和控件绑定的变量，避免了地址绑定错误的情况，能有效地减少人工干预，提高HMI程序开发的准确性；

3.引入了自动代码生成，针对控件代码自动生成HMI程序，能作为半自动HMI程序开发方法，结合手工校正快速完成HMI程序的开发，极大地提高了开发效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的附图：

图1为本发明一种基于PLC程序自动生成工业设备HMI界面的系统的原理示意图；

图2为本发明一种基于PLC程序自动生成工业设备HMI界面的方法流程图；

图3为一种基于PLC程序自动生成工业设备HMI界面的方法执行结构图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案作详细说明。

参加图1，所示为本发明一种基于PLC程序自动生成工业设备HMI界面的系统的原理示意图，包括：

源代码获取单元，用于获取PLC设备运行程序的源代码；

运行数据采集单元，用于获取PLC设备运行过程中的变量数据；

数据处理单元，用于对获取的静态源代码和动态的变量数据进行数据处理得到变量基本信息并确定最佳匹配的控件类型；

HMI代码生成单元，用于根据变量基本信息和控件类型信息，生成HMI代码进而生成HMI界面。

上述技术方案中，运行数据采集单元为外部监控脚本，该脚本周期性采集PLC程序运行期间的变量值，并将其存储在数据库或文件中。

数据处理单元根据采集的变量历史值和PLC程序源码，分析并确定变量对应的控件类型；其中，数据处理单元中执行聚类算法，根据静态PLC程序源代码及动态变量历史值得到变量特征以及进行聚类，输出变量控件类型和控件初始化参数。

HMI代码生成单元中，根据变量特征到控件类型的映射以及预定义的模板，生成控件和页面布局代码，并填充控件属性，将控件绑定到对应的变量地址，自动生成HMI的页面布局和控件代码、组件布局和逻辑处理部分的XML布局文件。

数据处理单元中执行聚类算法，将具有相似特征的变量划分为同一类别，并分配统一的控件类型；分类特征包括变量类型、变量历史值情况、语法结构、语句逻辑上下文和程序注释，各特征权重能够根据实际应用和需求进行调整，以确保最佳的控件类型匹配。

参照图2和图3，本实施例提供了一种基于PLC程序自动生成工业设备HMI界面的方法，具体步骤如下：

步骤S1：获取PLC设备运行程序的源代码以及获取PLC设备运行过程中的变量数据；

步骤S2：根据步骤S1中采集的变量历史值和PLC程序源码，对数据进行处理并确定变量对应的控件类型；

步骤S3：基于步骤S2的结果，结合预设模板进行自动代码生成，得到HMI控件和页面布局代码，并编译生成HMI可执行操作程序。

具体步骤执行如下：

S1：PLC数据采集与存储

运行PLC程序，启动监控脚本。设定监控脚本每隔100毫秒(Δt＝1000ms)为周期采集数据。该脚本使用Python编写，并通过以太网UDP协议获取PLC变量数据，配置该脚本每隔1000ms获取一次PLC中的变量数据，并连续采集3600s，形成数据集D：

D＝{d₁，d₂，…，d_i}

其中，d_i为第i次采集周期内的所有变量值的集合。这些数据随后被格式化为JSON或XML文本格式，方便处理和分析。

S2：PLC变量分析与聚类

变量分析与聚类需要同时考虑静态代码分析和动态变量历史值。

静态代码分析基于PLC程序源代码的分析，提取各变量基本信息。对于文本类工程(指令表、结构化文本)直接提取各变量属性，对于图形语言工程(功能块、梯形图)通过等相应标准转换为等价XML文本表达后直接提取。定义静态分析函数A_s＝S_c→A，对于每个变量v∈S_c，静态分析可以提取其属性a_v，包括数据类型、作用域范围、程序中的上下文信息等：

a_v＝(type_v，scope_v，context_v)

1.数据类型(type_v)：变量的数据类型，如整型、浮点型、布尔型、字符型；

2.范围(scope_v)：变量的作用域范围，如块级、函数级、全局级；

3.上下文信息(context_v)：变量在程序中的上下文，如在模块位置，嵌套层级，逻辑功能。

动态分析充分利用从PLC程序运行时采集的变量数据D，经过处理得到动态聚类特征，这些特征描述了变量的行为模式，包括：

D_v＝(frequency_v，trend_v，range_v，center_v，spread_v)

1.频率特征(frequency_v)：变量值变化的频率；

2.趋势特征(trend_v)：变量随时间的变化趋势，如逐渐增加、减少或周期性变化；

3.趋势值集合(range_v)：变量的变化范围，最大最小值，出现次数最多的值，均值；

4.聚类中心(center_v)：在聚类分析中，变量数据分布的中心点；

5.分布范围(spread_v)：变量数据在聚类中的分布范围或方差。

聚类算法结合静态和动态特征D_v和a_v，使用聚类算法C对变量进行分类，从而确定变量合适的控件类型。此过程通过各种聚类算法完成，例如K均值聚类、层次聚类或均值漂移聚类等，聚类算法的选择可以根据变量数据的分布特性和实际需求决定。

合并静态属性a_v和动态特征D_v构造特征向量f_v，其中，表示特征向量的链接操作：

f_v＝(type_v，scope_v，context_v，frequency_v，trend_v，range_v，center_v，spread_v)

聚类算法C依据特征向量f_v提供对每个变量v进行聚类，确定变量最合适的控件类型t_i：

C_v＝Cluster(f_v)

聚类结果C_v可以是一系列描述变量历史值分布的统计量，如聚类中心、距离度量或簇的数量等，每个簇代表一组具有相似特征的变量，这些特征最适合于特定类型的控件，聚类中心或簇可以对应不同类型的控件，例如滑块、开关按钮、文本输入框、数字表盘等通用控件。

详细地，K均值聚类算法获得变量控件类型的过程可以表示为迭代过程：

其中k是聚类的数量，S_i是第i个聚类，μ_i是S_i的中心点。经过无监督学习的聚类算法处理，可通过静态特征和动态特征划分得到多个类别t_i，相同的类别将会被分配映射为同样的控件类型。例如：频繁变化的数字模拟量映射到数字文本框，而布尔变量映射到开关控件，一个温度传感器的读数可能被映射到一个带有实时更新的仪表盘控件，同一个功能块中的一组多个温度输出值映射为曲线数据图。

总的来说，通过以上静态代码结构及变量的动态值情况，根据变量的历史变化频率、历史值均值、最值、类型和逻辑上下文，提取相似变量特征，得到和变量对应的HMI控件类型。

S3：HMI自动代码生成

得到变量基本信息和控件类型信息后，系统根据预设模板，将根据变量到控件类型的映射以及预定义的模板M，生成控件和页面布局代码。填充控件属性，并将控件绑定到对应的变量地址，自动生成HMI的页面布局和控件代码、组件布局和必要的逻辑处理部分的XML布局文件。

在生成代码后，还需要额外的安全检查步骤，由工程师对于可能影响设备安全的带有写操作控件进行核查，以防止不当的操作影响设备运行或安全，如设置温度的输入框，现场重要开关的通断开关量。完成核查和必要的调整后，代码编译成最终的HMI可执行操作界面，可以部署到触摸设备上，供操作人员使用。

通过这一方法，可以系统地、高效地创建与PLC程序同步的HMI界面，能极大程度方便开发者兼容早期版本的PLC项目，快速制作用于监控的HMI程序，且在提高开发效率的同时还确保了操作的安全性和数据的一致性。

以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明不限于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种基于PLC程序自动生成工业设备HMI界面的系统，其特征在于，包括：

源代码获取单元，用于获取PLC设备运行程序的源代码；

运行数据采集单元，用于获取PLC设备运行过程中的变量数据；

数据处理单元，用于对获取的静态源代码和动态的变量数据进行数据处理得到变量基本信息并确定最佳匹配的控件类型；

HMI代码生成单元，用于根据变量基本信息和控件类型信息，生成HMI代码进而生成HMI界面。

2.根据权利要求1所述的基于PLC程序自动生成工业设备HMI界面的系统，其特征在于，运行数据采集单元为外部监控脚本，该脚本周期性采集PLC程序运行期间的变量值，并将其存储在数据库或文件中。

3.根据权利要求2所述的基于PLC程序自动生成工业设备HMI界面的系统，其特征在于，数据处理单元根据采集的变量历史值和PLC程序源码，分析并确定变量对应的控件类型；其中，数据处理单元中执行聚类算法，根据静态PLC程序源代码及动态变量历史值得到变量特征以及进行聚类，输出变量控件类型和控件初始化参数。

4.根据权利要求3所述的基于PLC程序自动生成工业设备HMI界面的系统，其特征在于，HMI代码生成单元中，根据变量特征到控件类型的映射以及预定义的控件模板库，生成控件并填充控件属性，将其数据源绑定到PLC变量地址上，同时自动生成页面逻辑处理和控件布局XML文件。

5.根据权利要求3所述的基于PLC程序自动生成工业设备HMI界面的系统，其特征在于，数据处理单元中执行聚类算法，将具有相似特征的变量划分为同一类别，并分配统一的控件类型；分类特征包括变量类型、变量历史值情况、语法结构、语句逻辑上下文和程序注释，各特征权重能够根据实际应用和需求进行调整，以确保最佳的控件类型匹配。

6.一种基于PLC程序自动生成工业设备HMI界面的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1：获取PLC设备运行程序的源代码以及获取PLC设备运行过程中的变量数据；

步骤S2：根据步骤S1中采集的变量历史值和PLC程序源码，对数据进行处理并确定变量对应的控件类型；

步骤S3：基于步骤S2的结果，结合预设模板进行自动代码生成，得到HMI控件和页面布局代码，并编译生成HMI可执行操作程序。

7.根据权利要求6所述的基于PLC程序自动生成工业设备HMI界面的方法，其特征在于，步骤S1中，启动监控脚本对PLC设备中运行的PLC程序进行周期采集变量数据形成数据集D：

D＝{d₁,d₂,…,d_i}

其中，d_i为第i次采集周期内的所有变量值的集合；并将数据格式化为JSON或XML文本格式以方便处理和分析。

8.根据权利要求7所述的基于PLC程序自动生成工业设备HMI界面的方法，其特征在于，步骤S2中，基于PLC程序源代码执行静态代码分析，提取各变量基本信息，其中，定义静态分析函数A_s＝S_c→A，对于每个变量v∈S_c，静态分析提取其属性a_v，包括数据类型、作用域范围和程序中的上下文信息：

a_v＝(type_v,scope_v,context_v)

数据类型type_v为变量的数据类型；

作用域范围scope_v为变量的作用域范围，分为块级、函数级和全局级；

上下文信息context_v为变量在程序中的上下文，包括模块位置、嵌套层级和逻辑功能；

执行动态分析，利用从PLC程序运行时采集的变量数据D，经过处理得到动态聚类特征，该特征描述了变量的行为模式，包括：

D_v＝(frequency_v,trend_v,range_v,center_v,spread_v)

其中，频率特征fequency_v为：变量值变化的频率；

趋势特征trend_v为：变量随时间的变化趋势；

趋势值集合range_v为：变量的变化范围；

聚类中心center_v为：在聚类分析中，变量数据分布的中心点；

分布范围spread_v为：变量数据在聚类中的分布范围或方差。

9.根据权利要求8所述的基于PLC程序自动生成工业设备HMI界面的方法，其特征在于，步骤S2中，结合静态和动态特征D_v和a_v，使用聚类算法C对变量进行分类，以确定变量合适的控件类型；

合并静态属性a_v和动态特征D_v构造特征向量f_v，其中，表示特征向量的链接操作：

f_v＝(type_v,scope_v,context_v,frequency_v,trend_v,range_v,center_v,spread_v)

聚类算法C依据特征向量f_v提供对每个变量v进行聚类，以确定变量最合适的控件类型t_i：

C_v＝Cluster(f_v)

聚类结果C_v为一系列描述变量历史值分布的统计量，每个聚类中心或簇代表一组具有相似特征的变量，这些特征最适合于特定类型的控件，聚类中心或簇对应不同类型的控件。

10.根据权利要求9所述的基于PLC程序自动生成工业设备HMI界面的方法，其特征在于，采用K均值聚类算法，获得变量控件类型的过程表示为迭代过程：

其中k是聚类的数量，S_i是第i个聚类，μ_i是S_i的中心点；经过无监督学习的聚类算法处理，通过静态特征和动态特征划分得到多个类别t_i，相同的类别将会被分配映射为同样的控件类型。