閆亞賓，白 揚(yáng)，李 磊

（1.江蘇師范大學(xué)科文學(xué)院 智能制造系，徐州 221000；2.徐州重型機(jī)械有限公司，徐州 221000）

近年來，基于模型的設(shè)計(jì)（MBD）方法得到了研究人員的廣泛關(guān)注[1-3]，該方法主要以MATLAB/Simulink 為平臺(tái)建立模型，經(jīng)仿真驗(yàn)證后生成代碼，最后實(shí)現(xiàn)代碼集成和應(yīng)用。其中，PLC 代碼轉(zhuǎn)換工具Simulink PLC Coder 可將Simulink 模型轉(zhuǎn)換為符合IEC 61131-3 標(biāo)準(zhǔn)的結(jié)構(gòu)化文本，生成的結(jié)構(gòu)化文本既可以是PLCopen 規(guī)范的XML 格式，也可根據(jù)集成開發(fā)環(huán)境定制文件格式。該工具使復(fù)雜算法在PLC 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)上的應(yīng)用成為可能，MBD模式在PLC 控制系統(tǒng)上的應(yīng)用得到了研究人員的重視[4-5]。然而，已有研究多關(guān)注于轉(zhuǎn)換代碼在PLC上的硬件仿真[6-7]，或運(yùn)行結(jié)果與模型仿真結(jié)果的一致性[8-9]，缺少充分工程應(yīng)用，參數(shù)定義和數(shù)據(jù)類型等直接關(guān)系到代碼集成有效性的因素也未得到有效分析。

本文以起重機(jī)回轉(zhuǎn)控制為實(shí)例研究MBD 模式在PLC 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)上的應(yīng)用，詳細(xì)描述代碼集成和工程應(yīng)用方法，通過實(shí)車測試驗(yàn)證了有效性和可行性。

1 模型建立與配置

1.1 控制模型建立

為使描述具體化，選取起重機(jī)回轉(zhuǎn)控制作為PLC運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的典型實(shí)例。起重機(jī)回轉(zhuǎn)控制系統(tǒng)主要根據(jù)用戶指令，實(shí)現(xiàn)起重機(jī)的左右回轉(zhuǎn)及自由滑轉(zhuǎn)等動(dòng)作，使起升機(jī)構(gòu)到達(dá)指定作業(yè)區(qū)域。回轉(zhuǎn)控制系統(tǒng)輸入信號(hào)通常為先導(dǎo)按鈕、回轉(zhuǎn)制動(dòng)解除開關(guān)、操作手柄以及發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、伸臂長度等與回轉(zhuǎn)性能有關(guān)的起重機(jī)狀態(tài)信號(hào)，輸出信號(hào)為回轉(zhuǎn)制動(dòng)閥電流、回轉(zhuǎn)換向閥電流和溢流閥電流等。

為實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)控制的平穩(wěn)性和工況適應(yīng)性，建立回轉(zhuǎn)換向閥、溢流閥與手柄、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、伸臂長度等信號(hào)的動(dòng)態(tài)關(guān)系，原理如圖1 所示。根據(jù)原理，可建立如圖2 所示回轉(zhuǎn)控制模型。

圖1 回轉(zhuǎn)控制原理Fig.1 Slew control principle

圖2 回轉(zhuǎn)控制模型Fig.2 Slew control model

1.2 參數(shù)定義

圖1“換向閥信號(hào)處理單元”內(nèi)置換向閥死區(qū)電流、最大電流及變化率等參數(shù)；“溢流閥信號(hào)處理單元”有溢流閥死區(qū)電流、最大電流及變化率等參數(shù)，統(tǒng)計(jì)見表1。表1 參數(shù)與工程控制效果直接相關(guān)，通常需根據(jù)用戶感受和經(jīng)驗(yàn)在線調(diào)整。

表1 回轉(zhuǎn)控制模型參數(shù)Tab.1 Slew control model parameter

為實(shí)現(xiàn)在線調(diào)參，在模型中可將上述參數(shù)定義為Simulink.Parameter，以使其成為生成代碼的全局變量。關(guān)于Simulink.Parameter 的介紹詳見文獻(xiàn)[10]，以“溢流閥電流變化率”為例，使用如下腳本完成設(shè)置：

SlwOverflow_Slope=Simulink.Parameter；

SlwOverflow_Slope.Value=50；

SlwOverflow_Slope.DataType='single'；

SlwOverflow_Slope.CoderInfo.StorageClass='ExportedGlobal'；

SlwOverflow_Slope.Description=' 溢流閥電流變化率'。

1.3 數(shù)據(jù)類型

Simulink 數(shù)據(jù)類型與PLC Coder 生成代碼的數(shù)據(jù)類型對(duì)應(yīng)關(guān)系見表2。

表2 數(shù)據(jù)類型對(duì)應(yīng)關(guān)系Tab.2 Datatype correspondence

數(shù)據(jù)類型選擇與控制器硬件配置直接相關(guān)。若控制器采用32 位處理器，則控制模型中的各模塊等均不能使用double 數(shù)據(jù)類型，否則生成代碼中的lreal 數(shù)據(jù)與控制器不匹配，導(dǎo)致生成代碼無法正常運(yùn)行。

1.4 模型配置

模型配置包含原子單元設(shè)置、求解器設(shè)置及路徑設(shè)置等。通過模型的“Block Parameters（Subsystem）”，選擇“Treat as atomic unit”將回轉(zhuǎn)控制模型配置為原子單元。求解器的設(shè)置可通過模型PLC Code>>Options 的“Slover”選項(xiàng)配置。求解器類型選擇固定步長解算器，算法選擇離散方法。同樣，代碼編譯和生成路徑可在PLC Code>>Options>>PLC Code Generation 中設(shè)置，其中“Target IDE”選擇代碼導(dǎo)入的編譯環(huán)境（如“3S CoDeSys 2.3”），“Target IDE Path”用于設(shè)置目標(biāo)編譯環(huán)境在用戶計(jì)算機(jī)中的安裝路徑。通過“Code Output Directory”可自定義代碼生成后輸出文件夾名稱，用于存放代碼、代碼報(bào)告等文件。

配置完成后，即可使用Simulink PLC Coder 將模型轉(zhuǎn)換為代碼功能塊（FB），供應(yīng)用程序調(diào)用。

2 PLC 代碼生成

2.1 兼容性檢查

由于Simulink PLC Coder 不支持個(gè)別Simulink模塊和函數(shù)，例如Lookup Table Dynamic、Merge block，因此在代碼生成前需通過PLC Code>>Check Subsystem Compatibility 檢測模型兼容性。檢測到不兼容模塊時(shí)可根據(jù)提示使用等效模塊組合替代，例如可組合使用Prelookup 模塊和Interpolation Using Prelookup blocks 模塊代替Lookup Table Dynamic。

2.2 代碼生成與測試

使 用PLC Code>>Generate，Import and Verify Code for Subsystem 可生成代碼，并導(dǎo)入CoDeSys，同時(shí)在CoDeSys 中自動(dòng)建立主程序PLC_PRG 和測試用例TestBench，如圖3 所示。其中，“SlewControlModel（FB）”、“IfActionSubsystem1（FB）”和“rt_floorf（FUN）”為回轉(zhuǎn)控制模型對(duì)應(yīng)代碼。

圖3 回轉(zhuǎn)控制模型代碼Fig.3 Slew control model code

若生成代碼的計(jì)算結(jié)果和Simulink 模型計(jì)算結(jié)果的差值在允許范圍內(nèi)，則自動(dòng)測試通過，并顯示自動(dòng)測試循環(huán)次數(shù)和“PLC_PRG.tbInstance.testVerify：=TRUE”。測試循環(huán)次數(shù)可表示為

式中：Stop_time 和Fixed_step 分別表示仿真終止時(shí)間和和固定步長。

3 PLC 代碼集成與應(yīng)用

3.1 代碼集成

將生成的回轉(zhuǎn)控制模型代碼和全局變量導(dǎo)入到CoDeSys 應(yīng)用程序完成代碼集成。需要注意的是，對(duì)于含有內(nèi)部狀態(tài)的模型，Simulink PLC Coder生成代碼時(shí)會(huì)自動(dòng)增加輸入?yún)?shù)“ssMethodType”，其取值及相應(yīng)含義見表3。

表3 ssMethodType 定義Tab.3 Define of ssMethodType

由于回轉(zhuǎn)控制模型存在延時(shí)模塊，使得生成代碼包含內(nèi)部狀態(tài)，即“SlewControlModel（FB）”的輸入?yún)?shù)包含變量“ssMethodType”。應(yīng)用程序在調(diào)用“SlewControlModel（FB）”實(shí)例時(shí)，應(yīng)根據(jù)功能塊“SlewControlModel（FB）”中ssMethodType 的取值范圍對(duì)參數(shù)ssMethodType 正確賦值，并執(zhí)行初始化。

3.2 工程應(yīng)用

將集成后的代碼編譯、下載至某型起重機(jī)車載PLC 控制器。經(jīng)測試，回轉(zhuǎn)換向閥、溢流閥電流與操作手柄位移（千分比）的對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖4 所示。

圖4 手柄位移與換向閥、溢流閥電流變化曲線Fig.4 Curve of handle displacement，current change of reversing valve and relief valve

由圖4 可知，系統(tǒng)根據(jù)操作輸入正確計(jì)算和輸出回轉(zhuǎn)換向閥、溢流閥控制信號(hào)，起重機(jī)回轉(zhuǎn)動(dòng)作正常并達(dá)到預(yù)期效果，回轉(zhuǎn)控制模型代碼實(shí)現(xiàn)工程應(yīng)用。

4 結(jié)語

本文基于MBD 方法建立系統(tǒng)控制模型，使用Simulink PLC Coder 將模型轉(zhuǎn)換為結(jié)構(gòu)化文本代碼，并以功能塊的形式集成到CoDeSys 開發(fā)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜算法在PLC 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中的集成和應(yīng)用。工程應(yīng)用證明了轉(zhuǎn)換代碼與集成方法是有效性且可行的，文中模型參數(shù)到CoDeSys 全局變量的定義方法和數(shù)據(jù)類型匹配方法具有參考價(jià)值。