張健，王雨，任洪兵

（1.四川化工職業(yè)技術(shù)學(xué)院自動化工程系，四川 瀘州 646003；2.四川瀘州大新科技有限公司，四川 瀘州 646003）

基于模型的PLC設(shè)計方法研究

張健1，王雨1，任洪兵2

（1.四川化工職業(yè)技術(shù)學(xué)院自動化工程系，四川 瀘州 646003；2.四川瀘州大新科技有限公司，四川 瀘州 646003）

以MATLAB/simulink為軟件平臺，圍繞基于模型設(shè)計這個核心思想，通過對房間溫度控制的PLC設(shè)計介紹了完整的基于模型的PLC開發(fā)流程和工具使用。設(shè)計方法首先利用Simulink/Stateflow建立房間溫度控制的模型，然后用MATLAB自帶的代碼自動轉(zhuǎn)換工具Simulink PLC Coder將模型轉(zhuǎn)換為符合PLC編程標(biāo)準(zhǔn)IEC61131-3的結(jié)構(gòu)化文本語言（ST）代碼，然后將代碼導(dǎo)入到PLC編程軟件SIMIENS STEP7中，得到溫度控制模型的功能塊，并以此為基礎(chǔ)編寫房間溫度的控制程序。實驗結(jié)果證明了這種PLC控制系統(tǒng)設(shè)計方法的可行性及高效性。

基于模型；MATLAB；溫度控制

0 引言

MathWorks公司發(fā)布了新產(chǎn)品Simulink PLC Coder（PLC編碼器），這是一種軟件產(chǎn)品，可以為可編程邏輯控制器（PLC）和可編程自動化控制器（PAC）生成符合IEC61131-3標(biāo)準(zhǔn)的結(jié)構(gòu)化文本程序。這種技術(shù)可以把基于模型設(shè)計的生成程序，用于生產(chǎn)制造和能源發(fā)電設(shè)備中的PLC和PAC控制。特別是最近幾年，基于模型的設(shè)計（Model Based Design）在單片機(jī)、DSP、FPGA等嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)中得到了越來越廣泛的應(yīng)用，較之傳統(tǒng)的開發(fā)方式，展現(xiàn)出了強(qiáng)大的優(yōu)勢。

一般流程是先用Simulink/Stateflow建立可執(zhí)行的模型，并進(jìn)行仿真調(diào)試，再使用代碼轉(zhuǎn)換工具自動生成代碼，最后將代碼下載到目標(biāo)PLC中進(jìn)行測試和驗證。

基于模型的設(shè)計方法分為4個階段：可執(zhí)行的原理模型，定點，代碼生成，仿真驗證。從開發(fā)的結(jié)果看，基于模型的設(shè)計可以大大縮短PLC開發(fā)周期，同時保證了軟件系統(tǒng)的質(zhì)量和安全性。

1 可執(zhí)行的原理模型的建立

Mathworks公司的Matlab軟件提供了Simulink/ Stateflow工具來實現(xiàn)基于模型的設(shè)計思想，為PLC控制算法的實現(xiàn)提供了一個高效易用安全的圖形化編程環(huán)境。以房間溫度控制的PLC建模為例，如圖1所示。

該模型左邊是期望溫度值設(shè)定模塊，中間是溫度控制算法模塊，右邊是當(dāng)前溫度和熱量消耗的示波器輸出。該模型可以完全仿真房間溫度控制系統(tǒng)的全過程。

該模型會實時檢測房間當(dāng)前溫度，并把檢測值與設(shè)定溫度進(jìn)行比較，然后根據(jù)差值判斷是否加熱、制冷或不動作。

建模完成后就可以開始進(jìn)行仿真，通過仿真檢測模型算法是否正確。即通常的軟件仿真。

2 生成定點模型

定點模型就是將實際的PLC環(huán)境參數(shù)加入原理模型中。生成定點模型的原因有兩個：一個是因為PLC 的CPU都是單片機(jī)或者嵌入式CPU，該類CPU的機(jī)器指令都是定長指令，只能進(jìn)行整數(shù)運(yùn)算。另外一個原因是模型中的模塊并不是能全部轉(zhuǎn)換成結(jié)構(gòu)文本程序。將Termos tat、House、Heater、比較器模塊組合成unit模塊，然后將該unit模塊轉(zhuǎn)換成定點模型。

圖1 房間溫度控制模型

3 自動生成代碼

Matlab軟件中的PLC Coder工具可以將定點模型轉(zhuǎn)換成特定PLC可以識別的結(jié)構(gòu)文本程序。在轉(zhuǎn)換之前必須做模型一致性檢測。

如果沒有錯誤，則Matlab會自動調(diào)用PLC Coder轉(zhuǎn)換。

4 連續(xù)的測試和驗證

基于模型的設(shè)計方法從建立可執(zhí)行的原理模型開始，就可以不斷地進(jìn)行測試和驗證。檢測設(shè)計的系統(tǒng)是否滿足需求，在需求修改的情況下可以快速跟蹤變更和測試系統(tǒng)結(jié)果。

在代碼自動生成之后可以通過Matlab的軟在線仿真和硬在線仿真測試代碼是否正確。

5 結(jié)束語

基于模型的設(shè)計方法提供了一種高效安全的開發(fā)方法。使用該方法可以在PLC控制系統(tǒng)開發(fā)過程中將需求、設(shè)計、測試一體化，從而加快控制系統(tǒng)的開發(fā)速度，而且可以大大降低開發(fā)成本。

［1］ 俞張輝，張自強(qiáng). 基于模型的設(shè)計思想加速電梯控制算法開發(fā)［J］.電子科技，2011，24（8）：28～30.

［2］ Mathwors公司. Simulink用戶手冊，2015，3.

［3］ 華镕. 基于模型設(shè)計的控制程序自動生成［J］. 國內(nèi)外機(jī)電一體化技術(shù)，2010，13（6）：22～23

［4］ 劉杰. 基于模型的設(shè)計-MCU篇［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2011.

［5］ 張威. Stateflow邏輯系統(tǒng)建模［M］.西安：西安電子科技大學(xué)大學(xué)出版社，2007.

Model based PLC design method

TP273

1009-797X （2015） 20-0147-02

A DOI：10.13520/j.cnki.rpte.2015.20.048

張健（1976-），男，碩研，助教，畢業(yè)于中國電子科技大學(xué)，主要研究方向為模式識別、PLC控制技術(shù)等。

2015-09-01