Visualization of PLC Programs using XML

M. Bani Younis and G. Frey

Juniorprofessorship Agentenbased Automation

University of Kaiserslautem

P. 0. Box 3049, D-67653 Kaiserslautem, Germany

Abstract - Due to the growing complexity of PLC programs there is an increasing interest in the application of formal methods in this area. Formal methods allow rigid proving of system properties in verification and validation. One way to apply formal methods is to utilize a formal design approach in PLC programming. However, for existing software that has to be optimized, changed, or ported to new systems .There is the need for an approach that can start from a given PLC program. Therefore, formalization of PLC programs is a topic of current research. The paper outlines a re-engineering approach based on the formalization of PLC programs. The transformation into a vendor independent format and the visualization of the structure of PLC programs is identified as an important intermediate step in this process. It is shown how XML and corresponding technologies can be used for the formalization and visualization of an existing PLC program.

I. INTRODUCTION

Programmable Logic Controllers (PLCs) are a special type of computers that are used in industrial and safety critical applications. The purpose of a PLC is to control a particular process, or a collection of processes, by producing electrical control signals in response to electrical process- related inputs signals. The systems controlled by PLCs vary tremendously, with applications in manufacturing, chemical process control, machining, transportation, power distribution, and many other fields. Automation applications can range in complexity from a simple panel to operate the lights and motorized window shades in a conference room to completely automated manufacturing lines.

With the widening of their application horizon， PLC programs are being subject to increased complexity and high quality demands especially for safety-critical applications. The growing complexity of the applications within the compliance of limited development time as well as the reusability of existing software or PLC modules requires a formal approach to be developed [I]. Ensuring the high quality demands requires verification and validation procedures as well as analysis and simulation of existing systems to be carried out [2]. One of the important fields for the formalization of PLC programs that have been growing up in recent time is Reverse-engineering [3]. Reverse Engineering is a process of evaluating something to understand how it works in order to duplicate or enhance it. While the reuse of PLC codes is being established as a tool for combating the complexity of PLC programs, Reverse Engineering is supposed to receive increased importance in the coming years especially if exiting hardware has to be replaced by new hardware with different programming environments

Visualization of existing PLC programs is an important intermediate step of Reverse Engineering. The paper provides an approach towards the visualization of PLC programs using XML which is an important approach for the orientation and better understanding for engineers working with PLC programs.

The paper is structured as follows. First, a short introduction to PLCs and the corresponding programming techniques according to the IEC 61131-3 standard is given. In Section Ⅲ an approach for Re-engineering based on formalization of PLC programs is introduced. The transformation of the PLC code into a vendor independent format is identified as an important first step in this process. XML and corresponding technologies such as XSL and XSLT that can be used in this transformation are presented in Section IV. Section V presents the application of XML for the visualization of PLC programs and illustrates the approach with an example. The final Section summarizes the results and gives an outlook on future work in this ongoing project.

Ⅱ PLC AND IEC 61131

Since its inception in the early lsquo;70s the PLC received increasing attention due to its success in fulfilling the objective of replacing hard-wired control equipments at machines. Eventually it grew up as a distinct field of application, research and development, mainly for Control Engineering.

IEC 61 131 is the first real endeavour to standardize PLC programming languages for industrial automation. In I993 the International Electrotechnical Commission [4] published the IEC 61131 Intemational Standard for Programmable Controllers. Before the standardization PLC programming languages were being developed as proprietary programming languages usable to PLCs of a special vendor. But in order to enhance compatibility, openness and interoperability among different products as well as to promote the development of tools and methodologies with respect to a fixed set of notations the IEC 61131 standard evolved. The third part of this standard defines a suit of five programming languages:

Instruction List (IL) is a low-level textual language with a structure similar to assembler. Originated in Europe IL is considered to be the PLC language in which all other IEC61 131-3 languages can be translated.

Ladder Diagram (LO) is a graphical language that has its roots in the USA. LDs conform to a programming style borrowed from electronic and electrical circuits for implementing control logics.

Structured Text (STJ is a very powerful high-level language. ST borrows its syntax from Pascal, augmenting it with some features from Ada. ST contains all the essential elements of a modem programming languag

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使用XML的PLC可视化程序

米巴尼尤尼斯和G. 弗雷

摘要-由于日益复杂的PLC程序的形式化方法在这方面的应用有越来越大的兴趣。形式化方法允许在验证和验证系统属性的刚性证明。应用形式化方法的一种方法是利用PLC编程的形式化设计方法。然而，对于现有的软件，必须进行优化，改变，或移植到新的系统有必要的方法，可以从一个给定的PLC程序。因此，PLC程序的形式化是当前研究的一个课题。本文概述了一种再造方法基于形式化的PLC程序。转化为供应商独立的格式和可视化的PLC程序的结构被确定为在此过程中的一个重要的中间步骤。XML和相应的技术可以用于现有的PLC程序的形式化和可视化。

一、引言

可编程逻辑控制器（PLC）是一种特殊类型，应用于工业和安全的关键计算机。PLC的目的是通过响应电气过程相关输入信号来产生电气控制信号来控制某一特定过程或过程的集合。由PLC控制的系统差异巨大，应用在制造业、化工过程控制、机械加工、交通运输、电力分配，以及其他许多领域。自动化应用可以在复杂的范围从一个简单的面板操作的灯光和电动窗帘在会议室完全自动化生产线。

随着其应用范围的扩大，PLC程序正在受到越来越多的复杂性和高质量的要求，特别是对安全关键应用。在有限的开发时间，以及现有软件或PLC模块的可重用性的应用程序日益复杂的应用需要一个正式的方法来开发[我]。确保高质量的需求，需要验证和验证程序，以及现有系统进行分析和模拟[ 2 ]。在最近的时间里一直在增长的PLC程序的形式化的重要领域之一是逆向工程[ 3 ]。逆向工程是一个评估事物的过程，以了解它是如何工作的，以便复制或增强它。虽然PLC代码的重用正在建立作为一个工具，打击复杂的PLC程序，逆向工程应该得到越来越多的重视，特别是在未来几年，如果现有的硬件被适用于各种不同程序环境的新硬件所取代的情况下。

现有PLC程序可视化是逆向工程的重要中间环节。本文提供了一种方法，可视化的PLC程序使用XML，这是一个重要的方法的方向和更好地了解工程师与PLC程序。

本文结构如下。首先，一个简短的介绍PLC（根据国际电工委员会 61131-3标准）和相应的编程技术。第三节介绍了基于PLC程序形式化的再工程方法。将PLC代码转换成与供应商无关的格式是这个过程中一个重要的第一步。XML和相应的技术，如XML和XSLT可以使用的这种转变是在第四、第五节提出了XML的PLC程序的可视化的应用和举例说明的方法。最后一节总结的结果，并给出了未来的工作在这个正在进行的项目的展望。

二、PLC和IEC 61131

自70年代初成立以来，PLC受到越来越多的关注，因为它成功地实现了取代硬连线控制设备在机器上的目标。最终成长为一个独特的应用领域，研究和开发，主要用于控制工程。

IEC 61 131是第一个真正致力于标准化PLC编程语言工业自动化。上国际电工委员会[ 4 ]公布了IEC 61131标准的可编程控制器。在标准化PLC的编程语言正在开发专有的编程语言使用的一种特殊的厂商的PLC。但为了提高兼容性，不同产品之间的开放性和互操作性以及推广工具和方法的发展相对于固定的一套符号的IEC 61131标准的演变。本标准的第三部分定义了一套五种编程语言：

指令列表（IL）是一种低级文本语言，其结构类似于汇编语言。起源于欧洲的IL是所有其他iec61 131-3语言可译的PLC编程语言。

梯形图（LO）是一个已经在美国LDS根符合编程风格借用电子电气电路实施控制逻辑的图形语言。

结构化文本（STJ是一个非常强大的高级语言。ST从Pascal借用其语法，充实它的从艾达的一些特点。包含调制解调器编程语言的所有基本元素。

功能块图（FBD）是一种图形语言，这是很常见的工业过程。在这种语言控制器建模为信号和数据流通过功能块。FBD变换文本编程连接功能块，从而提高了模块化和软件重用。

顺序功能图（SFC）是一种图形语言。SFC元素被定义为构造可编程控制器程序的组织。

在IEC 61 131-3中出现的一个问题就是在PLC的编程工具的项目的信息，没有标准化的格式。目前只有特定厂商的格式。这也是限制形式化方法的单一程序或算法的原因之一。然而，最近的PLC用户组织的PLCopen开始根据IEC 61131-3定义了一个基于XML的格式为项目技术委员会。这种新的格式将缓解形式化的工具，使之成为PLC项目的所有相关信息。

三、重新设计的方法

该方法对重组（参见图1）是基于认为XML可以作为一个媒体中PLC的代码将被改造的概念。

这种转变提供了取得avendor独立规范代码优势。（即使PLCopen成功地确定了一个标准化的格式为PLC的应用，仍将有很多现有的程序不符合这个标准。）

在此代码的基础上，一步一步的正式模型（自动机）的改造在计划中。然后，该模型可以被用于分析，仿真，正式验证和验证，最后对相同或另一个PLC重新实施优化算法。

由于重新设计完整的程序，在大多数情况下，只能是一个半自动的过程，中间的代码可视化是一个重要的点。在不同的阶段的过程中的代码和或形式模型的不同方面的都必须是可视化的方式，只有这样的一个设计师菜可以指导进一步的工作。XML凭借其强大的可视化和转换工具是解决这一任务的理想工具。

四、XML作为可视化工具

XML（可扩展标记语言）是一种简单而灵活的元语言，即描述其他语言的语言。由万维网联盟（W3C）裁定（W3C）适合作为SGML的[的]一种方言，XML的删除两个约束阻碍网络发展[ 6 ]。依赖于一个单一的，一成不变的文件类型（HTML），这种文件大部分被滥用的任务，这是从来没有设计为对一方有利；充满了SGML的复杂性，其语法让许多强大的并且努力到计划方案到了另一个地方。

当HTML描述数据如何被提出的同时，XML描述了数据本身。许多行业和科学学科的医疗记录和报纸出版其中已经使用XML来交换信息跨平台和应用程序。它是专门设计用于支持从根本上使用不同形式的数据系统之间的信息交流，例如CAD和调度应用程序之间。

使用XML以其强大的解析器和固有的简单性方面的句法和语义语法比使用词法分析器和验证解析器的传统方法更具优势。（参见图2，[ 7 ]）

程序代码分析的常规方法需要一个扫描仪（词法分析器），生成一组终端符号（令牌），然后由一个解析器检查代码的语法结构并生成对象网络。在对象网络中，程序的内部结构由被识别的对象和它们之间的关系表示。该方法中使用的扫描仪和分析器都是面向文档的，这意味着对不同类型文档的分析需要重写扫描器和解析器的生成代码。这种方法的应用的一个例子可以在[ 8 ]发现。

使用XML的最有前途的方面是，XML及其互补的应用程序的转换是标准化，以提供最大的灵活性，其用户。

使用XML的方法是有前途的的，因为词汇的规范是XML的一种不变的组成部分；因此，XML良好的形式从各自的个别申请是独立的。

因此，XML解析器也可以把XML文件件在一个抽象的代表性换成以所谓的文档对象模型（DOM），不需要使用语法。DOM是一个应用程序编程接口（apii）有效的HTML和XML文档。它定义了文档的逻辑结构和文档访问和操作的方式。在DOM规范，术语“文档”采用的是被越来越多广泛的使用的意识。XML是用来表示各种不同类型的信息，可以存储在不同的系统中，其中许多传统上被看作是数据，而不是作为文件。然而，XML介绍了此数据文件，和DOM可以用来管理这些数据［5］。

XSLT、XML转换语言能够不仅转换XML到另一个XML或HTML，还能转换到其他许多其他用户友好的格式。在XSLT的到来之前，通过在一个程序语言如C 开发定制的XML应用程序的任何其他格式的转换是可能的，要使用Visual Basic或java。此过程缺乏关于XML文档结构变化的一般性。利用这一概念的转换的自定义应用程序都非常相似，XSLT是一个高层次的声明语言[ 9 ]。

XSLT的功能分为两步。在第一步骤中，它执行结构转换，以便将xml转换为反映所需输出的结构。第二阶段是格式化的新结构成所需要的格式，如HTML或PDF（参见图3）。这种转换的最重要的优点是，它允许一个简单的和容易想象的表示的文件或数据结构内嵌入结构良好，以了解XML来生产。当HTML作为转化的产生的时候可以使用HTML的广泛能力来产生一个可想象的和有吸引力的可视化程序格式。

每个XML文档都有自己的语法和词汇。因此，除了格式良好之外，xml文档还需要遵从一组规则。根据W3C建议，这套规则必须通过一个文档类型定义（DTD或XML Schema）。在DTD或XML Schema的国家层次和结构制约的XML文件定义的规则。

最近一些另类的语言已经被提出，DTD使用以界定文件文法。W3C XML Schema语言重复了DTDs的基本功能，并增加了一些特点：XML实例的语法使用，是一个特设的符号、图式和命名空间之间的明确关系，一个系统的区分元素的类型和数据类型和派生类型单一继承。在其他的话架构提供了更丰富和更强大的方式描述的信息，比什么是可能与DTDs。图4显示了上面讨论的XML技术以及它们之间的连接。

五、诉方法的可视化OFPLC程序

A.概述

由于指令列表（IL）是在欧洲最常用的PLC语言，现在所提出的方法是基于这种的语言。西门子第五步和标准版根据IEC 61131-3正在被考虑。

XML文件显示了不同方面的PLC程序的生成是在以下三个步骤实现（参见图5）：

1、PLC程序向XML文档的转换。

2、xml的可行性和确定了语法的XML的XML架构。

3、根据源代码的指令集识别转换后的XML的指令元素。

这三个步骤分别在B段到D段讨论。小组E节解释了在前面的步骤中得到不同的XML可视化。

在本节中的一个例子是用来说明所提出的概念。图6显示了在西门子公司名单中S5Z中PLC的代码的书面指示。临立会的代码是写在形式的地方，每列的元素，是一种地址，标签，指示，操作和说明或评构成的分隔清单。

Kommentar :

Autor

Erstellt :15.07.2003 Geaendert am: B1B:O

NETZWERK 1 EMPFANGEN SLAVE 3 VON MASTER

NAME :EMPEMAST

0005 :U M98.7 ABFRAGE OB EMPFANG MOEGLICH

0006

0007 :SPB= MOOl

0008

0009 :A DB140 EMPFANGSFACH IST DB 140

OOOA :L KF 20 LAENGE DES DATENPAKETS

oooc :T DLO

OOOD :L KF O ZIELNUMMER O=MASTER

OOOF :T DRO

0010

0011 :UNM98.7 FANGEN WIEDER ERLAUBEN

0012 :S M98.7

0013 MOOl :NOP 0

0014

0015 :BE BAUSTEIN ENDE

Fig. 6 A PLC program written in Siemens S5 Instruction List

B. PLC程序转换为格式良好的XML

由于ASCII格式PLC程序加上一个结构与单列地址，标签，指示运算和说明划定的表格，XSLT可以将它转换成一个结构良好的XML文档。通过这种转换获得的XML文档是一个层次结构的文档。

图7显示了通过转换PLC代码图获得的XML文档6。XML文档结构在层次结构中，根元素是表示整个PLC代码的IL代码块。每一行的PLC代码是包含在相应的ilrow元素，这是米呃子元素。

注：为IL代码的XML表示的选择结构是面向在PLCopen工作方案。

C.XML验证和XML架构

作为一个结果的前一个处理得到的XML可以验证使用验证解析器，确认XML文档良好的形成了一套符合语法规则定义的PLC编程语言。

D.介绍的认可说明

这一步在PLC程序使用XML可视化过程确保XML文件将用于可视化只包含有效的可视化，可以用来变换以及形成有效的另一个XML，这是由于对鉴定指示拥有一个额外的属性附加到指示标记。此属性通知是一个有效的指示指示是否是有关的指令集。这个转换的程序也能够指示附加属性的标记，宣布一项分类的指示到预定类。

转换后的XML的指令标识根据PL

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