基于B/S架构的人机界面系统及工业控制器的制作方法

本发明属于应用于工业自动化领域的人机界面系统，具体涉及一种基于B/S架构的人机界面系统。

背景技术：

在工业自动化领域中，HMI(human machine interface)是一种常用设备，常常与工业控制器PLC、工业电脑以及相关工业专用设备等配合使用，作为用户获取设备信息、参数，并进行相关控制操作的接口单元。

传统的HMI设备，主要有以下几部分内容组成：1)显示屏，包含触摸和非触摸；2)专用嵌入式控制板卡，在嵌入式板卡上运行专用图形化用户界面软件和相关通讯协议；3)通讯接口。此外，传统的HMI设备还需要提供二次开发工具，供客户进行应用定制。在实际应用过程中，用户首先使用二次开发工具开发配置自己的应用程序，如需要控制哪些参数，需要查看哪些参数，并编辑界面，完成之后生成相应格式的文件，并导入HMI设备之中，HMI上电之后，即读取应用程序运行、显示用户编辑的界面，并通过通讯接口从主站设备获取数据。带有触摸屏的HMI可以实现相应的控制操作。

传统的HMI设备的缺点主要有：1)通讯速率较慢，已经不适合高速工业产线；大量使用RS232\485接口作为通讯接口，使用的通讯协议也较为传统，虽然保证了兼容性，但是牺牲了效率。目前已有部分厂家推出兼容工业以太网的HMI，但是价格极高，且支持工业以太网的设备较少，兼容性存在问题。2)HMI上的专用图形化界面，使用专用嵌入式图形平台开发，仅提供有限的图形元素，如按钮，显示框等，可定制程度低，界面美观度不佳；而且HMI设备因为功能单一，出于成本的考虑选用的控制芯片性能较为有限，使得图形开发的效率受影响，也更加加剧了整个系统的流畅度。3)HMI系统具备二次开发功能，允许用户定制自己的界面及功能，但是，不同厂家使用不同的二次开发工具，开发模式相差甚远，所提供的界面元素也不尽相同，在设备更换、升级时存在巨大的编程工作量。

由于工业系统的特殊性，目前客户的人机界面需求只能通过HMI来实现，很多场合下因为一些特殊需求，只能去采购一台价格不菲的HMI设备，使得总体成本急剧上升。因此，随着智能化工业的发展，需要开发一款能解决上述问题的低成本人机界面解决方案。

技术实现要素：

本发明设计一种基于B/S架构的人机界面系统，在传统的HMI之外，提供多样化的、更灵活的解决方案，使得人机界面系统不再是一个单纯的本地设备，而是一个可以远程访问和控制的系统；同时使得应用的开发可以使用标准的Web开发工具而无需专门的开发工具；此外，本发明还提出一种具有该功能的人机界面系统的工业控制器，可支持传统工业用通讯接口及协议，以支持老旧的工业设备。

一种基于B/S架构的人机界面系统，包括本地设备及与之交互的外部设备，其特征在于：本地端设备的控制器具有显示模块、网络端口、通讯端口、以及作为服务端的WebServer单元和内嵌浏览器；显示模块用于实现本地端的界面显示，网络端口采用标准化的网络接口以连接终端设备或网络设备，通讯端口用于连接工业设备，WebServer单元用于数据的接收、转换和发送，内嵌浏览器通过本地IP地址访问WebServer单元；外部设备通过网络端口连接至webserver单元，通过自带的浏览器进行人机界面显示。

进一步的，网络端口内置用于实现标准以太网的接入的网卡驱动，直接连接本地终端设备或通过支持标准以太网的网络设备连接远程终端或移动终端设备。

进一步的，远程终端或移动终端设备通过标准的以太网网络设备连接至网络端口后对标准以太网网络设备进行配置，使终端设备和控制器处于相同的网段，以通过其自带浏览器访问本地设备。

进一步的，通讯端口内置通讯外设接口驱动和通讯网关，通讯外设接口驱动用于本地终端设备与外部工业设备的互联，通讯网关用于解析和转换收发的数据。

进一步的，显示模块内置显示器驱动模块和触摸显示屏，触摸显示屏显示内嵌浏览器的内容，并将触摸显示屏的触摸信号作为输入信号反馈给浏览器。

进一步的，控制器还包括Web界面应用程序单元，用于提供下载、存储和更新基于标准Web开发的界面应用程序的接口。

进一步的，web界面应用程序连接网络端口后通过WebServer单元保存至Web界面应用程序单元。

进一步的，web界面应用程序通过标准RJ45接口连接至网络端口。

进一步的，WebServer单元内嵌加密模块，用于访问WebServer单元时对连接通道加密。

本发明还公开一种工业控制器，采用具有上述特征的人机界面系统进行人机交互。

本发明所公开的基于B/S架构的人机界面系统及工业控制器可解决传统HMI设备使用所带来的问题，所具有的有益效果具体如下：

1)采用标准的B/S架构，实现本地或远程的访问，即本地访问无需联网，通过本地访问即可，远程设备联入同一个局域网或广域网后可通过浏览器访问。

2)基于B/S架构，工业控制器即可以在本地显示人机界面，也提供其它联网设备终端(平板电脑、PC、手机等)通过网络访问控制器并获得人机界面功能，本地人机界面和通过网络方式的人机界面完全一致，可以在windows操作系统下使用，也可以在linux、android、macos系统中使用，只要用标准的web浏览器即可实现人机界面的真正跨平台，，而不再像大部分工业应用软件一样必须在windows操作系统下使用。

3)基于B/S架构，界面的内容本质上是标准Web开发，可以实现界面的标准化开发，不需要使用专用的二次开发工具，开发难度更低，开发更快速；可以自由的通过开发工具进行定制化的界面设计，没有图形元素的限制，任意设计，美观性实用性俱增；用户还可以自行使用高级语言(C++，Java、Python等)对人机界面系统进行编程，丰富其功能，使得人机界面系统更灵活，应用范围更深入。

4)通过通讯端口和内嵌通讯网关，可以兼容通用工业设备，并将其数据转换成以太网数据进行传输；其中，基于以太网的通讯方式，数据传输速率更高，提升设备整体运行效率，给用户以较好的体验，还可以方便企业信息化系统如ERP、MES、PLM等从人机界面系统中获取设备数据，降低人工干预需求。

5)基于B/S架构的人机界面系统可利用现有设备的常用硬件，实现多样化的人机界面功能，如内嵌显示屏、本地终端设备、可联网的手机、Pad、电脑等。在某些需求较少但是非常必要的情况下，无需专用HMI设备即可多种交互方式，大大降低成本。

附图说明

图1是基于B/S架构的人机界面系统架构图

图2是基于B/S架构的人机界面系统框图

图3是基于B/S架构的工业控制器工作流程图

具体实施方式

结合图1和图2所示，基于B/S架构的人机界面系统，包括本地设备及与之交互的外部设备，本地设备的控制器包括显示模块、网络端口、通讯端口，及WebServer单元和内嵌浏览器；外部设备如工业设备、本地终端、网络设备、远程终端等。

其中，显示模块内置显示器驱动模块和触摸显示屏，将内嵌浏览器的内容显示在触摸显示屏上，实现本地端的人机界面显示功能；并能将触摸显示屏的触摸信号作为输入信号反馈给浏览器，实现人机界面的交互功能。

网络端口采用标准化的网络接口，通过内置的网卡驱动(如MAC接口驱动)实现标准以太网接入功能，即可直接连接外部终端设备实现本地显示，也可连接支持标准以太网的网络设备并通过网络设备连接远程终端或移动智能设备，实现远程人机界面显示，同时还可作为Web界面应用程序单元的下载接口。移动终端或远程终端设备通过标准的以太网网络设备连接至网络端口，并通过对标准以太网网络设备(路由器、交换机)进行配置，使终端设备和控制器处于相同的网段，即可通过其自带浏览器访问本地设备，从而实现远程人机界面交互。其中，本地的终端设备，一般和机器在一块，作为一个整体；本地终端和远程终端设备主要包括有线连接的PC设备，也可以是web方式的HMI屏幕。在实际应用中，还可在控制器内设置加密模块，对通道进行加密，使外部终端设备经加密模块才能对WebServer单元进行访问或控制。随着移动互联的发展，此处的终端设备可以是有线连接的PC机，也可以是采用无线连接的移动智能终端设备，如智能手机、平板电脑，对本地设备进行远程控制，实现工业智能化管理。

通讯端口用于连接工业设备，内置通讯外设接口驱动和通讯网关，以实现控制器对工业设备的数据采集及控制。通讯外设接口驱动用于与外部工业设备互联，如变频器、伺服驱动器、工业相机、数字传感器、读码器等，获取外部设备的相关数据，并传送相应的控制指令；工业设备往往遵循相关的工业通讯协议，常用的有ModBus、ProfiBus、CAN等，通讯网关一方面把外部设备的相关数据转换成WebServer单元能够处理的格式，另一方面要把WebServer单元的相关指令和数据转换成外部设备可以接收的格式。

WebServer单元作为服务端，采用BS架构，负责将用户二次开发的Web界面应用程序及控制器的相关数据(如控制器内部的状态、运行过程中的寄存器数据、配置参数、从其它工业设备采集来的数据等)转换成标准Web数据，以供内嵌浏览器访问；同时，也将内嵌浏览器端传递的相关控制信号及应用程序，转换成对应的格式，传送给相关模块。

内嵌浏览器是运行在控制器内部的标准浏览器程序，通过本地IP地址连接访问WebServer，获取Web界面内容。

控制器还包括本地的Web界面应用程序单元，以提供下载、存储和更新基于标准Web开发的Web界面应用程序的接口。Web界面应用程序是由客户利用标准Web开发工具开发，经过编译后下载到控制器上进行存储，包括具体的图形界面、数据内容、控制内容及排版信息。运行时，WebServer单元会将Web界面应用程序完全读入，并将相应的数据更新在相关区域，以供浏览器访问。用户二次开发的Web界面应用程序通过标准RJ45口，连接至MAC接口驱动，并通过WebServer单元保存至本地Web界面应用程序单元。

对于Web界面应用程序，用户可以使用配置工具进行二次开发，也可以采取配置工具+高级语言(js java python等)或者完全采用高级语言自行独立开发，无限制实现实际需求，集成各类高阶功能。

在实际应用中，WebServer单元还可包括内嵌的加密模块，用于访问WebServer单元时对连接通道加密，尤其是通过B/S访问WebServer单元时，WebServer单元可以对每一个连接通道进行加密，以保证传输数据和设备的保密性、安全性。加密模块的研究已比较成熟，故可直接采用现有技术来实现，一般为SSH或VPN通道。

本实施例中，本地显示方案既可以通过本地设备内嵌浏览器通过本地IP地址访问WebServer单元，并通过自带的触摸显示屏实现人机界面显示；也可以通过连接网络端口的终端设备实现。

此外，本发明还提出一种包括具有上述特点的人机界面系统的工业控制器。

结合图3，基于上述结构的特点的工业控制器，其工作流程如下：

系统上电启动运行操作系统，操作系统启动浏览器线程和WebServer线程，两路线程分别运行如下：

(1)浏览器线程：

step1-1:浏览器线程载入用户编写或配置的Web界面应用程序，其中包括了用户交互界面等信息，之后等待网络连接；

step1-2:浏览器程序连接工业控制器内部WebServer服务，同时分别运行Step1-3.1和Step1-3.2：

Step1-3.1:浏览器程序利用WebServer检测外部输入(外部输入可以是触摸屏操作也可以是外部按键输入)，若有命令输入，相应硬件开始执行，若无命令输入，则继续扫描输入信号；

Step1-3.2:浏览器程序从WebServer中获取数据，并将获取到的数据和Web应用程序在浏览器界面进行显示如果有结束命令，则结束程序；如果无结束命令则返回继续获取数据。

(2)WebServer线程：

Step2-1:WebServer初始化数据等待网络连接；

Step2-2；网络连接后分别运行Step2-3.1和Step2-3.2；

Step2-3.1数据更新，并判断是否有结束命令，若有，运行结束，若无，则返回继续连接更新；

Step2-3.2判断是否有外部终端设备连接，若有，则进行数据交互，若无，则返回继续进行连接判断；并在数据交互后根据结束命令的指示选择继续交互或结束。

通过此方法，工业控制器即可以在本地显示人机界面，也提供其它联网设备终端(平板电脑、PC、手机等)通过网络访问控制器并获得人机界面功能，本地人机界面和通过网络方式的人机界面完全一致，仅仅是访问设备不同，通过网络访问不需要增加额外的设备和编程开发，仅连接至本地的WebServer即可，实现人机界面的真正跨平台；人机界面系统集成在控制器内部，形成一体化方案，可以大大节约成本，并且针对人机界面系统有不同需求的应用场景，提供多样化解决途径，方便用户使用，提升用户体验；用户为工业控制器开发的人机界面的应用程序-Web界面应用程序符合标准web规范，可以轻易的移植至别的设备及系统中；相应的，具备BS架构人机界面系统的工业控制器，因为其交互基于标准web变成，可以轻易的开放数据接口给信息化系统，灵活方便的进行数据交互。

以上所述实施例仅表达了本发明的部分实施方式，其描述并不能理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干改进，这些均应落入本发明的保护范围。