Echtzeit- und Regelungstechnische Aspekte bei der automatischen Transformation von Matlab/Simulink in SPS-basierten Steuerungscode

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1 PEARL Workshop Echtzeit- und Regelungstechnische Aspekte bei der automatischen Transformation von Matlab/Simulink in SPS-basierten Steuerungscode, Dipl.-Ing. Andreas Wannagat, Prof. Dr.-Ing. Vogel-Heuser 1

2 Inhalt Motivation Stand der Technik Codegenerator Schnittstellen Prinzip der Codegenerierung Evaluation Zusammenfassung und Ausblick 2

3 Inhalt Motivation Stand der Technik Codegenerator Schnittstellen Prinzip der Codegenerierung Evaluation Zusammenfassung und Ausblick 3

4 Motivation: Matlab/Simulink - Typische Anwendungsgebiete Automobiltechnik Medizintechnik Windenergieanlagen Spritzgusstechnik Luft- und Raumfahrt Anwendungsgebiete: Messtechnik, Steuerungs- und Regelungstechnik, Bildverarbeitung, Signalverarbeitung und Kommunikation 4

5 Motivation: Matlab/Simulink - Automatisierungstechnik Automobiltechnik Medizintechnik Windenergieanlagen Spritzgusstechnik Luft- und Raumfahrt Abfüllanlagen Automatisierungstechnik IEC

6 Motivation Unterschiedliche Werkzeuge je nach Projektphase und Personengruppe In der Entwicklung regelungstechnischer Modelle werden spezialisierte Werkzeuge wie Matlab/Simulink eingesetzt Manueller Übergang zwischen den Projektphasen Mehraufwand Gefahr von Übertragungsfehlern Phasen einer Reglerentwicklung Analyse Gestaltung des Modells Parametrierung Reglerdesign Simulation manuelle Implementierung Standard-Lösung Vorgehensweise ohne Codegenerierung Test t 6 6

7 Motivation Unterschiedliche Werkzeuge je nach Projektphase und Personengruppe In der Entwicklung regelungstechnischer Modelle werden spezialisierte Werkzeuge wie Matlab/Simulink eingesetzt Manueller Übergang zwischen den Projektphasen Mehraufwand Gefahr von Übertragungsfehlern Phasen einer Reglerentwicklung Analyse Gestaltung des Modells Parametrierung Reglerdesign Simulation manuelle Implementierung Standard-Lösung Vorgehensweise ohne Codegenerierung Test t 7 7

8 Motivation Unterschiedliche Werkzeuge je nach Projektphase und Personengruppe In der Entwicklung regelungstechnischer Modelle werden spezialisierte Werkzeuge wie Matlab/Simulink eingesetzt Manueller Übergang zwischen den Projektphasen Mehraufwand Gefahr von Übertragungsfehlern Phasen einer Reglerentwicklung Analyse Gestaltung des Modells Parametrierung Reglerdesign Simulation Codegenerierung manuelle Implementierung Test t 8 8

9 Motivation Generierung von Steuerungscode die gewohnte Entwicklungsumgebung mit ihren Vorteilen bleibt erhalten der manuelle fehleranfällige Transfer in die Zielsprache fällt weg Phasen einer Reglerentwicklung Analyse Gestaltung des Modells Parametrierung Reglerdesign Simulation & Implem. Codegenerierung Test manuelle Implementierung Zeitgewinn t 9 9

10 Inhalt Motivation Stand der Technik Codegenerator Schnittstellen Prinzip der Codegenerierung Evaluation Zusammenfassung und Ausblick 10

11 Stand der Technik Vorteil Nachteil dspace Modellierung in Matlab/Simulink C-Code nur für Mikrokontroller Zusätzliche Kosten (RTW) Rückverfolgung schwierig Bachmann Modellierung in Matlab/Simulink C- Code nur für ihre eigene M1- Steuerung Zusätzliche Kosten (RTW) Rückverfolgung schwierig HybridTech Modellierung in Matlab/Simulink Übersetzung in die DIN EN IEC Strukturierter Text Übersetzung nur in die Sprache des strukturierten Texts Rückverfolgung schwierig 11

12 Uni Kassel: Codegenerator Vorteil Nachteil dspace Modellierung in Matlab/Simulink C-Code nur für Mikrokontroller Zusätzliche Kosten (RTW) Rückverfolgung schwierig Bachmann Modellierung in Matlab/Simulink C-Code nur für ihre eigene M1- Steuerung Zusätzliche Kosten (RTW) Rückverfolgung schwierig HybridTech Modellierung in Matlab/Simulink Übersetzung in die DIN EN IEC Strukturierter Text Übersetzung nur in die Sprache des strukturierten Textes Rückverfolgung schwierig Codegenerator Modellierung in Matlab/Simulink Übersetzung in die grafische Programmiersprache (FBD/CFC) Vergleichbarkeit der Modelle Vereinfachung der Rückverfolgung bzw. der Fehlersuche 12

13 Inhalt Motivation Stand der Technik Codegenerator Schnittstellen Prinzip der Codegenerierung Evaluation Zusammenfassung und Ausblick 13

14 Inhalt Motivation Stand der Technik Codegenerator Schnittstellen Prinzip der Codegenerierung Evaluation Zusammenfassung und Ausblick 14

15 Schnittstellen: Simulink Speicherformat von Simulink 15

16 Schnittstellen: MDL- Datei 16

17 Inhalt Motivation Stand der Technik Codegenerator Schnittstellen Prinzip der Codegenerierung Evaluation Zusammenfassung und Ausblick 17

18 CFC 18

19 Inhalt Motivation Stand der Technik Codegenerator Schnittstellen Prinzip der Codegenerierung Evaluation Zusammenfassung und Ausblick 19

20 Zusammenhang der Modelle Blockdiagramm CFC_Funktionsblock 1 * 1 * Block -BlockType -Name -Parameter * Element -Type * 1 * * 1 Connection Abarbeitungsnummer Connection 20

21 Transformation Simulink Bibliothek BlockType Parameter TransferFcn numerator Saturation min, max PID P, I, D TwinCAT Controller Bibliothek ControllerType Parameter FB_CTRL_TRANS numerator FB_CTRL_LIMITER min,max FB_CTRL_PID Kp, Tn, Tv Zuordnungstabelle Values BlockType TransferFcn Saturation PID ControllerType FB_CTRL_TRANS FB_CTRL_LIMITER FB_CTRL_PID Values 21

22 Strukturähnliche Abbildung 1. Möglichkeit: direkte Abbildung auf die Bausteine der CLC Bibliothek SIMULINK Simulink-Blöcke Parameterübergabe / Umformungen Baustein aus der CLC Bibliothek TransferFcn (string[] NumDemStr, string nd) TWINCAT CFC 22

23 Strukturähnliche Abbildung 2. Möglichkeit: Anpassung der Struktur SIMULINK Simulink-Blöcke Parameterübergabe / Umformungen Instanz TransferFcn (string[] NumDemStr, string nd) TWINCAT CFC 23

24 Instanz des Controllerbausteines FB_CTRL_TRANSFER Strukturähnliche Abbildung 2. Möglichkeit: Anpassung der Struktur Simulink-Blöcke Parameterübergabe / Umformungen Instanz TransferFcn (string[] NumDemStr, string nd) Parameterwerte werde im Funktionsbaustein initialisiert 24

25 Inhalt Motivation Stand der Technik Codegenerator Schnittstellen Prinzip der Codegenerierung Evaluation Zusammenfassung und Ausblick 25

26 Evaluationl: Pitchregler Die Blattwinkelregelung hat als Eingangsgrößen: die Drehzahl am Generator, die Windgeschwindigkeit, die Blattwinkel der drei Rotorblätter und die Gondelbeschleunigung in Richtung der Rotorachse. Ausgangsgrößen: Blattwinkel aller drei Rotorblätter Anzahl der Blöcke: 51 Anzahl der Verbindungen: 62 Anzahl der Subsysteme: 3 26

27 Modultest I WITH DRIFTKOMPENSATION Zeit t in sec 27

28 Zeitvergleich zwischen manueller Übersetzung (ohne Berücksichtigung der SPS-Eigenschaften) und Simulink ,02 0,04 0,06 0,08 0,1 0,12 0,14 0,16 0,18 0,2 0,22 0,24 0,26 0,28 0,3 0,32 0,34 0,36 0, Simulink TwinCAT Datenfluss

29 Integrationstest Mit Rückkopplung Zeit t in sec 0 0,02 0,04 0,06 0,08 0,1 0,12 0,14 0,16 0,18 0,2 0,22 0,24 0,26 0,28 0,3 0,32 0,34 0,36 0,38 Simulink Codegenerator

30 Inhalt Motivation Stand der Technik Codegenerator Schnittstellen Prinzip der Codegenerierung Evaluation Zusammenfassung und Ausblick 30

31 Zusammenfassung Strukturähnliche Übersetzung Übersetzung in Sekunden Übersetzung des Beispielmodells (Blattwinkelregelung) 1 Sekunde Keine zusätzlichen Kosten (durch die Anschaffung von RTW) Korrekte Funktionsweise wurde evaluiert (Blattwinkelregler) Berücksichtigung der SPS Eigenschaften Zeitverhalten nahezu identisch wie in Simulink 31

32 Ausblick Realisierung der Rücktransformation, um die verschiedenen Modelle auch nach Änderungen synchronisieren zu können Transformation des Zustandsdiagramms (aus Simulink) in die Ablaufsprache der IEC Online-Verbindung zwischen Simulink und der Steuerungssoftware, um die Fehlersuche im Sinne eines Debuggings zu ermöglichen 32

33 Fragen? Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! 33

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