基于模型的PLC設計方法研究

張健，王雨，任洪兵

（1.四川化工職業技術學院自動化工程系，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設計方法研究

張健1，王雨1，任洪兵2

（1.四川化工職業技術學院自動化工程系，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，圍繞基于模型設計這個核心思想，通過對房間溫度控制的PLC設計介紹了完整的基于模型的PLC開發流程和工具使用。設計方法首先利用Simulink/Stateflow建立房間溫度控制的模型，然后用MATLAB自帶的代碼自動轉換工具Simulink PLC Coder將模型轉換為符合PLC編程標準IEC61131-3的結構化文本語言（ST）代碼，然后將代碼導入到PLC編程軟件SIMIENS STEP7中，得到溫度控制模型的功能塊，并以此為基礎編寫房間溫度的控制程序。實驗結果證明了這種PLC控制系統設計方法的可行性及高效性。

基于模型；MATLAB；溫度控制

0 引言

MathWorks公司發布了新產品Simulink PLC Coder（PLC編碼器），這是一種軟件產品，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標準的結構化文本程序。這種技術可以把基于模型設計的生成程序，用于生產制造和能源發電設備中的PLC和PAC控制。特別是最近幾年，基于模型的設計（Model Based Design）在單片機、DSP、FPGA等嵌入式系統的開發中得到了越來越廣泛的應用，較之傳統的開發方式，展現出了強大的優勢。

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

基于模型的設計方法分為4個階段：可執行的原理模型，定點，代碼生成，仿真驗證。從開發的結果看，基于模型的設計可以大大縮短PLC開發周期，同時保證了軟件系統的質量和安全性。

1 可執行的原理模型的建立

Mathworks公司的Matlab軟件提供了Simulink/ Stateflow工具來實現基于模型的設計思想，為PLC控制算法的實現提供了一個高效易用安全的圖形化編程環境。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定模塊，中間是溫度控制算法模塊，右邊是當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的全過程。

該模型會實時檢測房間當前溫度，并把檢測值與設定溫度進行比較，然后根據差值判斷是否加熱、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環境參數加入原理模型中。生成定點模型的原因有兩個：一個是因為PLC 的CPU都是單片機或者嵌入式CPU，該類CPU的機器指令都是定長指令，只能進行整數運算。另外一個原因是模型中的模塊并不是能全部轉換成結構文本程序。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換成特定PLC可以識別的結構文本程序。在轉換之前必須做模型一致性檢測。

如果沒有錯誤，則Matlab會自動調用PLC Coder轉換。

4 連續的測試和驗證

基于模型的設計方法從建立可執行的原理模型開始，就可以不斷地進行測試和驗證。檢測設計的系統是否滿足需求，在需求修改的情況下可以快速跟蹤變更和測試系統結果。

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 結束語

基于模型的設計方法提供了一種高效安全的開發方法。使用該方法可以在PLC控制系統開發過程中將需求、設計、測試一體化，從而加快控制系統的開發速度，而且可以大大降低開發成本。

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

［2］ Mathwors公司. Simulink用戶手冊，2015，3.

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

［4］ 劉杰. 基于模型的設計-MCU篇［M］.北京：北京航空航天大學出版社，2011.

［5］ 張威. Stateflow邏輯系統建模［M］.西安：西安電子科技大學大學出版社，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，畢業于中國電子科技大學，主要研究方向為模式識別、PLC控制技術等。

2015-09-01