Beitrag zum 8. Neu-Ulmer Test-Engineering-Day On-Target Rapid Control Prototyping mit MATLAB/Simulink. Frank Imre

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1 Beitrag zum 8. Neu-Ulmer Test-Engineering-Day 2013 On-Target Rapid Control Prototyping mit MATLAB/Simulink Frank Imre

2 Agenda Vorstellung manroland web systems Motivation Verwendete Hardware Softwarekomponenten Entwicklungsprozess Beispielapplikationen Technologischer Ausblick Return on Investment 2

3 manroland web systems GmbH Weltmarktführer im Rollenoffsetdruck Weltweites Netz mit Niederlassungen und Vertriebs- und Servicepartnern Produktionsstandort in Augsburg Lösungen für Zeitungs-, Illustrationsund Digitaldruck Druckmaschinenbau seit 1845 Strategische Digitaldruck-Allianz mit Océ Printing Systems GmbH 3

4 Die Geschäftsleitung Eckhard Hörner-Maraß Geschäftsführer manroland web systems GmbH Sprecher der Geschäftsleitung Uwe Lüders Geschäftsführer manroland web systems GmbH und Vorstandsvorsitzender der L. Possehl & Co. mbh 4

5 Motivation Stand Stetig steigender Automatisierungsanteil in Druckmaschinen Komplexität der Funktionen steigt, Entwicklungszyklen werden kürzer Maschine nur noch partiell oder gar nicht mehr zum Testen vorhanden Ziele Frühzeitige Integration von vorhandener Hardware- und Software- Infrastruktur in den Entwicklungsprozess Verwendung problemorientierter Werkzeuge und Methoden (modellbasierte Softwareentwicklung bzw. Testen) Schnelles Time-to-Market Nachhaltige Sicherung des Know-How 5

6 Begriffsklärungen MATLAB/Simulink Entwicklungs- und Simulationsumgebung graphisches Programmiersystem (Blöcke, Stateflow-FSM) themenspezifische Funktionserweiterungen Rapid Control Prototyping Erzeugung von Quellcode aus SW-Modellen (UML, Simulink) Erzeugung von Binärcode mittels Compiler/Linker (Cross Toolchain) Test und Parametrierung auf Zielhardware Embedded Systeme ressourceneffizient oft ohne Anzeige- und Eingabeeinheit, lüfterlos optimiert für den jeweiligen Einsatzzweck Linux/Xenomai Linux: quelloffenes Betriebssystem Xenomai: Echtzeiterweiterung mit verschiedenen APIs Open Source 6

7 Verwendete Hardware manroland Modularer Unit Controller (MUC) Embedded System MPC5200 Plattform 400MHz, FPU, MMU 128/256MB RAM 100MBit Ethernet CompactPCI Feldbus-Schnittstellen INTERBUS PROFIBUS CANOpen I/O-System Analog/Digital, Counter u.v.m 7

8 Softwarekomponenten Entwicklungssystem (Host) x86 Linux (Debian 6) MATLAB/Simulink (aktuell R2013a) MATLAB- und Simulink-Coder Embedded-Coder (Optimierung) Toolboxen, Blocksets Embedded Linux Development Kit (ELDK 4) gcc, ld, ar, libtool, make u.a. Xenomai (aktuell 2.5.x) UC Target (manroland Eigenentwicklung) Zielsystemanpassung (STF) Simulink Blockset Online-Help / Manuals 8

9 Softwarekomponenten Laufzeitsystem (Target) Linux Kernel 2.6 (PowerPC Mainline) Xenomai (aktuell 2.5.x) Co-Kernel Real-Time Framework für Standard-Linux (preemptive scheduling) Diverse Skins: psos, POSIX, RTAI, VxWorks Real-Time Driver Model (RTDM) Root Filesystem mit Treibern und Bibliotheken Shell Utilities Datei Utilities Kommunikation (tcpdump) Systemdienste (cron, ssh usw.) Optimiert für Einsatz auf Embedded Systemen Verteilung der Software-Pakete als Images auf Compact-Flash Karte 9

10 Entwicklungsprozess On-Target Rapid Control Prototyping Entwicklungshardware ist identisch mit Produktivsystem Seriencode-Generierung Minimierung Entwicklungsrisiko und Portierungsaufwände (Rechenleistung, Speicherausstattung) Hohe Anforderung bezüglich Laufzeit und Effizienz Online-Kommunikation über Ethernet (External Mode Protokoll) für: Funktionstest / Debugging Datenlogging Parametertuning Applikation Daten 10

11 Entwicklungsprozess On-Target Rapid Control Prototyping Unterschiedliche HIL-Umgebungen für verschiedene Anforderungen Mobile Teststation: Einsatz entwicklungsbegleitend, Unit-Tests, Fehlerbehebungen, Funktionserweiterungen Testlabor: (Simulation der Maschinenumgebung): Einsatz zur Meilensteinabnahme, Kommunikationstests, Funktionstests Versuchsmaschine: Einsatz zur Gesamtabnahme, Test in realer/produktiver Umgebung, Optimierung Kundenmaschine: Einsatz zu Servicezwecken MUC Maschinennetzwerk Druckmaschine Entwicklung/Service 11

12 Entwicklungsprozess Code-Generierung C/C++ Code und Makefile werden zielsystemspezifisch erzeugt und dokumentiert Vollständige Abbildung aller Systemaufrufe auf Xenomai API Tasks, Alarme, Buffer, Events, Mutexe, Timer, Semaphoren Code-Generierung berücksichtigt Aufrufkontext aller API Funktionen (RT / Non-RT) Ausführbare Datei wird ebenfalls automatisiert erzeugt und auf das Zielsystem geladen Komplexität für Anwender unsichtbar nur Prioritäten können/müssen konfiguriert werden Benötigte Tasks werden in Abhängigkeit der verwendeten Funktionsblöcke generiert Einfach erweiterbar auch für Anwender (Funktionsblöcke, TLC) Quelle: Elektronik 3/2007, Sebastian Smolorz 12

13 Entwicklungsprozess External Mode Allgemein Ermöglicht die Kommunikation zwischen dem Ziel- und Entwicklungssystem Während der Laufzeit der Applikation werden Signale und Zustände des Modells visualisiert können Parameter einzelner Modellblöcke angepasst werden Bedienung Zeitliche Entkopplung der Applikation 13

14 Entwicklungsprozess External Mode Diagnosefunktion Kompatible Blöcke zur Echtzeitdiagnose: Logging auf Zielsystem zur Systemanalyse Signale, Zustände, Daten, Zeiten Anschließende Auswertung in MATLAB 14

15 Entwicklungsprozess External Mode Parameter Tuning Anpassung der Parameter einzelner Simulink-Blöcke zur Laufzeit Ausführung möglich über den Simulink-Block direkt Workspace-Variablen ein Skript 15

16 Entwicklungsprozess Simulink Integration Anwenderbibliothek Komplexe Funktionen werden als Funktionsblöcke mitgeliefert Konfigurierbar durch Anwender (Signale und Parameter) Zahlreiche Blöcke verfügbar für Feldbus I/O Datenlogging Konfiguration Datum/Uhrzeit Ethernet (UDP, TCP) Protokolldekoder Automatisches Einbinden der benötigten Header- und Sourcecode Dateien 16

17 Entwicklungsprozess Simulink Integration Online Hilfe Hilfetexte werden im XML- Format gepflegt Grundlage ist Einsatz von DocBook als präsentationsneutrales Format automatische Generierung der Hilfe für den MATLAB Helpbrowser automatische Generierung des User Manuals im PDF Format Links zu weiterführenden Ressourcen 17

18 Entwicklungsprozess Beispiel-Applikation Entwicklung/Service Netzwerk MUC / Mobile Teststation 18

19 Beispielapplikationen Schnittregelung Vollständig modellbasierte Entwicklung des Reglers Regelstrecke partiell als Modell für SiL-Tests verfügbar Code-Generierung für alle relevanten Systembestandteile (I/O, Kommunikation, Regelung, Diagnose) Multitasking-Applikation (7 Tasks) mit 2ms I/O-Refresh und 10ms Regelungstakt Generierte Code-Zeilen (Header+Sourcen) ca Größe des Executables ca. 1MB 19

20 Beispielapplikationen Condition Monitoring Rollenwechsler Präventive Diagnose zur vorbeugenden Wartung Vollständig modellbasierte Entwicklung der Datenerfassung und Vorverarbeitung Code-Generierung für alle relevanten Systembestandteile Multitasking-Applikation (6 Tasks) mit 4ms I/O- Refresh über Modbus/Profibus Generierte Code-Zeilen ca Größe des Executables ca. 250KB Ethernet-Traffic ca Pkt/s 20

21 Technologischer Ausblick Hardware neue CPU: Dual-Core, 1GHz, 1GB RAM Intelligente I/O-Module mit FPGAs für schnelle Signalvorverarbeitung PROFINET? Software IDE Integration (Eclipse) Applikationsbibliotheken Linux PREEMPT-RT? 21

22 Return on Investment Investment Einmalig: Basispaket ca. 18 Mannmonate Optimierung ca. 6 Mannmonate Lizenzkosten für MATLAB/Simulink Jährlich MATLAB/Simulink Release-Wechsel ca. 1 Mannwoche Weiterentwicklung und Fehlerbehebung durchschnittlich 1 Mannwoche Wartungskosten für MATLAB/Simulink 22

23 Return on Investment Return Model Based Design mit automatischer Code-Generierung Modellbildung/Simulation ermöglicht frühzeitige Aufdeckung von Designfehlern ohne Notwendigkeit von real existierenden Prototypen Einsatz von problemorientierte Werkzeugen (Simulink) Nachhaltige Know-How Sicherung standardisiertes Code-Layout reduzierte Fehlerrate im Vergleich zu manuell erzeugtem Code Optimierter Code in Bezug auf benötigte Ressourcen (RAM, CPU) Test und Diagnose auf Ziel-Hardware Frühzeitige Systemintegrationstests mit On-Target Rapid Prototyping Steigerung der Produktqualität, Verkürzung Time-to-Market 23

24 Return on Investment Challenges Organisatorisch Einsatz von OpenSource Software Verständnis und Akzeptanz im Unternehmen Technisch Integration/Implementierung Hardware-Treiber Legacy-Code Schnittstellen Generierung von effizientem Code Speicherbedarf Rechenzeitbedarf Nahtlose Integration in MATLAB/Simulink Optik, Online-Hilfe, Einstellungen u.v.m. 24

25 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!