Schwerpunkte

Modellbasierte Entwicklung

Schneller und effizienter zur Steuerung

01. März 2021, 11:00 Uhr   |  Konstantin Just, Phoenix Contact

Schneller und effizienter zur Steuerung
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Ein Simulink-Modell lässt sich einfach und schnell einbinden, indem man es als Bibliothek in der Engineering-Umgebung PLCnext Engineer einfügt.

Moderne Komponenten und Systeme im Maschinenbau unterstützen immer vielfältigere Funktionen und werden stetig komplexer. Durch eine modellbasierte Entwicklung etwa auf Basis von Matlab/Simulink sinken nicht nur Entwicklungszeit und -aufwand, auch konzeptionelle Fehler lassen sich schneller beheben.

Mit dem umfangreichen Funktionsangebot ändern sich auch die Anforderungen an den Maschinen- und Anlagenbau. Dessen Kunden verlangen nun ebenfalls flexiblere, effizientere und leistungsfähigere Maschinen und Anlagen. Mit diese Ansprüchen steigt auch die Komplexität des Entwicklungsprozesses, d. h. er wird aufwendiger und fehleranfälliger. Vor diesem Hintergrund wird es immer wichtiger, schon in der Frühphase von Neuentwicklungen Engineering-Tools einzusetzen. Der Schlüssel zur Optimierung liegt dabei in der modellbasierten Entwicklung, bei der das Steuerungsprogramm und das Maschinenmodell in einem Simulationswerkzeug modelliert werden.

Durch den Ansatz der modellbasierten Entwicklung (Model-Based Design) lassen sich konzeptionelle Fehler im Entwicklungsprozess frühzeitig erkennen, sodass die Entwickler diese bereits vor der Implementierung abstellen können. So sparen sie Zeit und Aufwand, was sich positiv auf die Kosten auswirkt. Der Erfolg einer modellbasierten Entwicklung liegt darin, das gewünschte Systemverhalten auf mathematischer Ebene grafisch zu modellieren. Da das Modell nicht nur als grafische Repräsentation fungiert, sondern auch simuliert werden kann, lässt sich das Gesamtmodell durch Simulation gegen die Systemanforderungen schon frühzeitig verifizieren. Durch das kontinuierliche prozessbegleitende Testen sind die Iterationszyklen sehr kurz und stellen dadurch sicher, dass die Systemanforderungen während des kompletten Entwicklungsprozesses vollständig erfüllt und korrekt abgebildet werden.

Komplexe Systeme grafisch visualisieren

Um modellbasiert zu entwickeln, empfiehlt sich die Software Matlab/Simulink von The MathWorks. Bei diesem Tool handelt es sich um ein Programmpaket für die numerische sowie regelungstechnische Berechnung im Ingenieurbereich. Matlab/Simulink hat sich weltweit als Standard zur Modellierung und Simulation komplexer, dynamischer Systeme etabliert. Das auf Matlab basierende Erweiterungsmodul Simulink kann nicht nur erstellte Programme simulieren, sondern verwendet auch grafische Blöcke zur Modellierung komplexer Systeme. Auf diese Weise lassen sich die Systeme übersichtlich grafisch visualisieren, wodurch sich der Entwicklungsprozess linearer und nichtlinearer Regelkreise vereinfacht.

Für umfangreiche numerische sowie komplexe regelungstechnische Anwendungen stehen dem Nutzer zahlreiche Toolboxen zur Verfügung, die den Einsatz vorgefertigter Funktionsmodule und damit einen wichtigen Schritt in Richtung modellbasierte Entwicklung erlauben. Mit einem softwarebasierten grafischen Modell kann der Nutzer das numerische Verhalten realistisch erfassen und interaktiv verbessern, bis das gewünschte Verhalten vorliegt. Der Simulink-Codegenerator kann aus einem Simulink-Modell anschließend einen C- oder C++-Code generieren, der die Grundlage für die Ausführung der erstellten Modelle in Echtzeit bildet.

Branchen wie die Wind- oder Automobilindustrie wenden die modellbasierte Entwicklung seit vielen Jahren an, die mittlerweile auch im Umfeld des Maschinen- und Anlagenbaus immer mehr an Bedeutung gewinnt. Deshalb bieten alle gängigen Industriesteuerungen der Produktfamilien Remote Field Controller und Axioline von Phoenix Contact entsprechende Schnittstellen zu Matlab/Simulink. Maßgeblich dafür ist die PLCnext Technology.

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Bild 1: Ein Simulink-Modell lässt sich einfach und schnell einbinden, indem man es als Bibliothek in der Engineering-Umgebung PLCnext Engineer einfügt.

Programmiersprachen flexibel kombinieren

Bei der PLCnext Technology handelt es sich um ein offenes Ökosystem für aktuelle und zukünftige Automatisierungsanforderungen. Mit der Technologie lassen sich Automatisierungsaufgaben und IoT-Anforderungen in einer Steuerung kombinieren. Abgesehen von der Steuerungshardware umfasst das Ökosystem die modulare Softwareplattform PLCnext Engineer (Bild 1), den digitalen Marktplatz PLCnext Store, die PLCnext Community sowie die Option einer systemischen Cloud-Integration.

Die Firmware-Architektur basiert auf einer Linux-Plattform, sodass der Anwender sowohl IEC-61131-Code als auch zahlreiche Hochsprachen – beispielsweise C, C++, C# oder Python – und Regelalgorithmus-Modelle in Matlab/Simulink verwenden kann. Ein Steuerungsprogramm kann aus lediglich einer oder einem beliebigen Zusammenspiel der aufgeführten Programmiersprachen bestehen. Die Anwender können also in der von ihnen präferierten Umgebung arbeiten, was die Code-Erstellung deutlich beschleunigen kann. Das Erweiterungsmoduls PC Worx Target for Simulink erzeugt für das zu implementierende Modell automatisch Code und ein passendes Framework, das die Schnittstelle zum Engineering-Tool PLCnext Engineer darstellt.

Phoenix Contact, PLCnext, Matlab/Simulink
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Bild 2: Die Auswahl des Phoenix Contact-spezifischen System Target Files eröffnet weitere Konfigurationsmöglichkeiten.

Änderung einfach einpflegen

Voraussetzung für die Code-Generierung eines Modells aus Simulink sind der Simulink-Coder von The MathWorks und das HLLI Target (Bild 2) von Phoenix Contact als Schnittstelle, die durch die Installation des Add-ons auf dem Computer zum Einsatz kommt. Wurden beide Programme auf dem System installiert, kann der Anwender über das Einstellungsfenster von Simulink-Modellen spezielle Änderungen am Code oder anderen Konfigurationsoptionen vornehmen, beispielsweise die Aktivierung des External Modes, der die Kommunikation zwischen Simulink und der Applikation erlaubt. Der aus Simulink erzeugte gerätespezifische Code lässt sich dann als Programm in das Projekt einbinden und als Task mit einer beliebigen Task-Zeit auf einer PLCnext-fähigen Steuerung ausgeführen. Anwender haben nun die Option, die erstellten Modelle in der Engineering-Oberfläche PLCnext Engineer zu öffnen und online während der Laufzeit zu beobachten, was zu einer umfassenden Transparenz führt.

Der Nutzer erhält somit eine Vielzahl von Alternativen, die in einer Engineering-Umgebung für Steuerungssysteme in der Regel nicht zur Verfügung stehen. Darüber hinaus umfasst das Ökosystem weitere Bestandteile wie den PLCnext Store. In diesem offenen Marktplatz sind unterschiedliche Apps für jeden Anwendungsfall erhältlich. Im Store findet der Anwender zum Beispiel Funktionsbibliotheken, die in IEC 61131 generiert worden sind. Auch Drittanbieter bekommen hier eine Plattform, um die von ihnen entwickelten komplexen Regler oder Apps einer stetig wachsenden Community bereitzustellen – sei es kostenfrei oder gegen eine Lizenzgebühr.

Ausführbaren Code automatisch generieren

Die Software PC Worx Target for Simulink konvertiert automatisch Simulink-Modelle in gerätespezifischen Code für die Steuerungen von Phoenix Contact. Der ausführbare Code ist kompatibel zu den Remote Field Controllern (RFC) und Axioline-Steuerungen (AXC). PC Worx Target for Simulink steht als Add-on für die Entwicklungsumgebungen PLCnext Engineer und PC Worx zur Verfügung. Darüber hinaus wird das Ökosystem PLCnext Technology unterstützt, um die Vorteile der offenen Plattform für eine grenzenlose Automatisierung zu nutzen.

Bei Verwendung von modellbasierter Entwicklung und den Simulationsmöglichkeiten von Simulink sorgt das Add-on PC Worx Target for Simulink für eine strukturierte Implementierung des Modells. Ausführbarer Code generiert es automatisch. Aufgrund der Importfunktion und der Konfigurationsoptionen lässt sich das Modell mit Standard-SPS-Code abarbeiten. Setzen Anwender PC Worx Target for Simulink zur Integration komplexer Modelle in Steuerungen von Phoenix Contact ein, profitieren ihre Anwendungen von einem breiten Spektrum von Automatisierungslösungen.

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