Echtzeit- und Regelungstechnische Aspekte bei der ... · PDF fileEmbedded Systems Universität Kassel ... dSpace •Modellierung in Matlab/Simulink •C-Code nur für Mikrokontroller

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M. Sc. Gülden BayrakEmbedded SystemsUniversität Kasselwww.es.eecs.uni-kassel.de

PEARL Workshop 200706.12.2007

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

M. Sc. Gülden Bayrak, Dipl.-Ing. Andreas Wannagat, Prof. Dr.-Ing. Vogel-Heuser

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Inhalt

• Motivation• Stand der Technik• Codegenerator

– Schnittstellen– Prinzip der Codegenerierung

• Evaluation• Zusammenfassung und Ausblick

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Inhalt




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Motivation: Matlab/Simulink - Typische Anwendungsgebiete

Automobiltechnik

Spritzgusstechnik

Windenergieanlagen

Medizintechnik

Luft- und Raumfahrt

Anwendungsgebiete:Messtechnik, Steuerungs- und

Regelungstechnik, Bildverarbeitung, Signalverarbeitung undKommunikation

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Motivation: Matlab/Simulink - Automatisierungstechnik

Automobiltechnik

Spritzgusstechnik

Windenergieanlagen

Medizintechnik

Luft- und Raumfahrt

AbfüllanlagenAutomatisierungstechnik

IEC 61131-3

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Motivation

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Standard-LösungVorgehensweise ohne Codegenerierung

• 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

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Ana

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Sim

ulat

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manuelleImplementierung Te

st

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Motivation

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Standard-LösungVorgehensweise ohne Codegenerierung





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Sim

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Motivation

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Codegenerierung





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Sim

ulat

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Motivation

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Codegenerierung

• Generierung von Steuerungscode– die gewohnte Entwicklungsumgebung mit ihren Vorteilen bleibt erhalten – der manuelle fehleranfällige Transfer in die Zielsprache fällt weg


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Ana

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Reg

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Sim

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&Im

plem

.

manuelleImplementierungTe

st

Zeitgewinn

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Inhalt




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Stand der Technik

Vorteil NachteildSpace • 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


HybridTech • Modellierung in Matlab/Simulink• Übersetzung in die DIN EN IEC

61131-3 Strukturierter Text

• Übersetzung nur in die Sprache des strukturierten Texts

• Rückverfolgung schwierig

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Uni Kassel: Codegenerator

Vorteil NachteildSpace • Modellierung in Matlab/Simulink • C-Code nur für Mikrokontroller


Bachmann • Modellierung in Matlab/Simulink • C-Code nur für ihre eigene M1-Steuerung


HybridTech • Modellierung in Matlab/Simulink• Übersetzung in die DIN EN IEC

61131-3 Strukturierter Text

• Übersetzung nur in die Sprache des strukturierten Textes

• Rückverfolgung schwierig

Code-generator

• Modellierung in Matlab/Simulink• Übersetzung in die grafische

Programmiersprache (FBD/CFC)Vergleichbarkeit der ModelleVereinfachung der Rückver-folgung bzw. der Fehlersuche

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Inhalt




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Inhalt




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Schnittstellen: Simulink

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Speicherformat von Simulink

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Schnittstellen: MDL- Datei

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Inhalt




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CFC

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Inhalt




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Zusammenhang der Modelle

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Blockdiagramm

-BlockType-Name-Parameter

Block

Connection

CFC_Funktionsblock

Abarbeitungsnummer

1*

1

1

1*

*

* -TypeElement

Connection

*

*

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Transformation

Values

Zuordnungstabelle

… …

Simulink BibliothekBlockType ParameterTransferFcnSaturationPID

numeratormin, maxP, I, D

numeratormin,maxKp, Tn, Tv

FB_CTRL_TRANSFB_CTRL_LIMITER FB_CTRL_PID

ParameterControllerTypeTwinCAT Controller Bibliothek

FB_CTRL_TRANSFB_CTRL_LIMITERFB_CTRL_PID

TransferFcnSaturationPID

ControllerTypeBlockType

… … … …

Values

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SIMULIN

KTW

INCA

T CFC

Simulink-Blöcke Parameterübergabe/ Umformungen

Baustein aus der CLC Bibliothek


Baustein aus der CLC Bibliothek

TransferFcn(string[]

NumDemStr, string nd)

Strukturähnliche Abbildung1. Möglichkeit: direkte Abbildung auf die Bausteine der CLC Bibliothek

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Strukturähnliche Abbildung2. Möglichkeit: Anpassung der Struktur

SIMULIN

KTW

INCA

T CFC


InstanzSimulink-Blöcke Parameterübergabe/ Umformungen

Instanz



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Strukturähnliche Abbildung2. Möglichkeit: Anpassung der Struktur

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Instanz des Controllerbausteines FB_CTRL_TRANSFER

Parameterwerte werde im Funktionsbaustein initialisiert


InstanzSimulink-Blöcke Parameterübergabe/ Umformungen

Instanz



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Inhalt




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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

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ModultestI WITH DRIFTKOMPENSATION

27Zeit t in sec

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Zeitvergleich zwischen manueller Übersetzung (ohne Berücksichtigung der SPS-Eigenschaften) und Simulink

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-5

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1

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3

0

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Simulink

TwinCAT Datenfluss

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IntegrationstestMit Rückkopplung

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Zeit t in sec

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Simulink

Codegenerator

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Inhalt




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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

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Ausblick

• Realisierung der Rücktransformation, um die verschiedenen Modelle auch nach Änderungen synchronisieren zu können

• Transformation des Zustandsdiagramms (aus Simulink) in die Ablaufsprache der IEC 61131-3

• Online-Verbindung zwischen Simulink und der Steuerungssoftware, um die Fehlersuche im Sinne eines „Debuggings“ zu ermöglichen

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Fragen?

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!

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