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MATLAB® und Simulink®

effizientes Engineering mit TwinCAT 3

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MATLAB® und Simulink®: etablierte Programmierstandards

MATLAB® und Simulink® haben sich, auch bei angehenden Ingenieurinnen und Ingenieuren, global zu etablierten Programmier-Umgebungen für verschiedenste Anwendungen entwickelt. Die Gründe dafür sind vielfältig. MATLAB® und Simulink® liefern Lösungen, in denen man sich ganz auf die Engineering-Aufgabe konzentrieren kann. Das ist ideal für didaktische Konzepte in der Lehre und effizient in industriellen Anwendungen.

Die Programmierumgebung MATLAB® ist sowohl in der Wissenschaft als auch in der Industrie weit verbreitet. MATLAB® ist eine Skriptsprache, welche sich hervorragend für die Entwicklung von Algorithmen und mathematischen Modellen eignet. Sie bietet dabei insbesondere effizienten Nutzen bei Datenerfassung und -aufbereitung, Datenanalyse und deren Visualisierung. Anwendungsfelder reichen von prädiktiver Wartung, Bild- und Signalverarbeitung bis hin zu Maschinellem Lernen und Optimierungsverfahren.

Simulink® ist fokussiert auf die durchgängige Unterstützung von Model-Based Design (MBD). Hierbei wird anhand eines virtuellen Systemmodells entwickelt, getestet und verifiziert. Durch die virtuelle Inbetriebnahme auf Basis von physikalischen Modellen und die daraus resultierende frühzeitige Verifikation der Software-Funktionalität können bereits in einer frühen Projektphase, ohne den Einsatz von Hardware-Prototypen und durch eine exakte Analyse, die Risiken von fehlerhafter Software und deren Einsatz unter realen Bedingungen vermieden werden. Die anschließende, automatische Codegenerierung stellt eine ideale Lösung dar, um den getesteten Code in der Produktion anzuwenden. Simulink® stellt alle Mittel zur Modellierung von Multi-Physik-Simulationen und Erstellung von Steuerungs-, Regelungs- und KI-Algorithmen bereit. Somit kommt auf Steuerungen nur qualitativ hochwertiger und an Modellen getesteter Code zum Einsatz.

Effizientes Engineering mit MATLAB® und Simulink®
Effizientes Engineering mit MATLAB® und Simulink®

Vorteile von MATLAB® und Simulink®

  • frühzeitige Absicherung der Softwarefunktionalität durch Simulation
  • virtuelle Inbetriebnahme auf Basis physikalischer Modelle
  • direkter Import von CAD-Modellen
  • Entwicklung und Test von Regelungssoftware und Ablauflogik
  • Analyse von Mess- und Prozessdaten
  • Interaktive Apps zur Algorithmenentwicklung
  • Trainieren und Optimieren von KI-Algorithmen
  • Parallel Computing


Von MATLAB® und Simulink® zu TwinCAT 3

Mit den Produkten TE1401 TwinCAT 3 Target for MATLAB® und TE1400 TwinCAT 3 Target for Simulink® ist es möglich, die in den global verbreiteten Programmiersprachen MATLAB® und Simulink® entwickelten Analysen und Simulationen direkt in die TwinCAT-Welt zu transferieren. Die Programmierungen, die zuvor validiert und in die realverknüpfte TwinCAT-Systemlandschaft übernommen wurden, können so unverzüglich als Produktiv-Code die Steuerungs- und Monitoringaufgaben in den Kundenapplikationen übernehmen, ganz ohne das Risiko von nicht kalkulierbaren Fehlern in der Entwicklungsphase.

Transfer von MATLAB®-Functions in die TwinCAT 3 Runtime (Video in Englisch)
Transfer von MATLAB®-Functions in die TwinCAT 3 Runtime (Video in Englisch)

Target for MATLAB®: Data Science in der Steuerung

Mit TwinCAT 3 Target for MATLAB® können MATLAB®-Funktionen in TwinCAT 3 genutzt werden. Die Funktionen werden automatisch in TwinCAT-Objekte überführt und fließend im TwinCAT 3 Engineering verwendet. Die automatisch generierten Module können einerseits als TcCOM-Objekt und andererseits als SPS-Funktionsbaustein in die TwinCAT-Solution eingebunden werden. Die eingefügten Module werden mit dem gesamten TwinCAT-Projekt in die TwinCAT-3-Laufzeit heruntergespielt und dort, wie alle anderen Objekte, innerhalb der Echtzeitumgebung ausgeführt.

Prädiktive Wartung, Machine Learning oder Prüf- und Messtechnik – diese MATLAB®-Schlüsselfunktionen können mit dem TwinCAT 3 Target for MATLAB® reibungslos in die Steuerung integriert werden.

Prädiktive Wartung gehört zu den wichtigsten Stellgrößen zur Erhöhung des OEE. Die Predictive Maintenance ToolboxTM von Mathworks eignet sich hervorragend dazu, Zustandsindikatoren zu erarbeiten und Prädiktionen durchzuführen. Die Integration der Algorithmen in die SPS ermöglicht einen synchronen Zugriff auf alle relevanten Maschinendaten. Das Monitoringsystem wird transparent in die Steuerung integriert und ist keine separate Blackbox-Lösung.

Machine Learning-Funktionen von MATLAB® bieten in Kombination mit TwinCAT 3 enorme Vorteile: Klassifikatoren realisieren prozesssynchron und direkt in der Steuerung Produkttests oder erkennen Störungsfälle einer Anlage. Regressionsalgorithmen realisieren virtuelle Sensoren, parametrieren situationsangepasst eine Anlage oder werden direkt in einen Regelkreis zur modellprädiktiven Regelung eingebettet. Die Algorithmen werden außerhalb der TwinCAT-Echtzeit trainiert und können während der Maschinenlaufzeit ohne Maschinenstopp on-the-fly ausgetauscht werden.

Die Integration von Prüf- und Messtechnik in die Maschinensteuerung reduziert die Komplexität und Kosten von Prüfanlagen, erleichtert das Engineering und führt zu schnelleren Prüfprozessen. Das Beckhoff I/O-Portfolio liefert die Rohdaten an die Steuerung. Dort können diese zur Dokumentation zum einen direkt in Datenbanken gespeichert werden und zum anderen in der Echtzeitumgebung (vor-)verarbeitet werden. Die weitreichenden Signalverarbeitungsalgorithmen von MATLAB®, auch in Kombination mit integrierten Simulationsmodellen für HiL-Testing, bilden eine herausragende Grundlage zur Realisierung integrierter, moderner und leistungsfähiger Prüfanlagen.

Transfer von Simulink®-Modellen in die TwinCAT 3 Runtime (Video in Englisch)
Transfer von Simulink®-Modellen in die TwinCAT 3 Runtime (Video in Englisch)

Target for Simulink®: nahtloses Model-Based Design

Mit dem TwinCAT 3 Target for Simulink® ist es möglich, in Simulink® entwickelte Modelle in TwinCAT 3 nutzbar zu machen. Dabei können in Simulink® diverse Toolboxen, z. B. SimScape™ oder Stateflow™ oder DSP System Toolbox™ eingebunden werden. Auch eingebettete MATLAB®-Funktionsbausteine werden unterstützt. Die Modelle werden automatisch mithilfe des Simulink Coder™ in C/C++-Code übersetzt und mit dem TwinCAT 3 Target for Simulink® in TwinCAT-Objekte überführt. Aus Simulink® erstellte TwinCAT-Objekte tragen dieselben Interfaces und Eigenschaften wie alle anderen TwinCAT-Objekte. Sie lassen sich vollständig im TwinCAT 3 Engineering verwenden, z. B. mit SPS-Quellcode zu einem Gesamtprojekt erweitern, debuggen und mit Feldbusteilnehmern verknüpfen. Die Blockdiagramm-Visualisierung aus Simulink® wird im TwinCAT Engineering übernommen. Das im Engineering eingebettete Blockdiagramm kann – neben dem Simulink® External Mode – als Control zur Parameteranpassung, zum Debugging, Signal und State-Monitoring genutzt werden. Einerseits können die automatisch generierten Module als TcCOM-Objekt und andererseits als SPS-Funktionsbaustein in die TwinCAT-Solution eingebunden werden. Die eingefügten Module werden mit dem gesamten TwinCAT-Projekt in die TwinCAT-3-Laufzeit heruntergespielt und dort, wie alle anderen Objekte, innerhalb der Echtzeitumgebung ausgeführt.

TwinCAT-Objekte können in der Echtzeitumgebung unterschiedlichen CPU-Kernen zugewiesen werden. So lassen sich auch große Projekte einfach skalieren, z. B. bei der Simulation eines ganzen Windparks. Ist Schnelligkeit in einzelnen Objekten gefragt, ist es zudem möglich, Berechnungen auf mehreren Kernen zu parallelisieren. So werden Anwendungen vom einfachen Regler, über die gesamte Maschinensteuerung, bis hin zur Echtzeitsimulation mit einem Werkzeug durchgängig unterstützt.

MATLAB®- und Simulink®-Kundenanwendungen in TwinCAT 3

Video-Trailer: Kundenanwendungen MATLAB®/Simulink®
Großlagerprüfstand für Windkraftanlagen bei SKF Hauptlager
Großlagerprüfstand für Windkraftanlagen bei SKF Hauptlager

Prüfsystem eines Großlagerprüfstandes für Hauptlager von Windkraftanlagen

Mithilfe führender Automatisierungstechnologie werden auf dem weltweit leistungsfähigsten Großlagerprüfstand bei SKF Hauptlager Windkraftanlagen mit einem Durchmesser von bis zu 6 Metern geprüft. Das hochkomplexe Steuersystem wurde in MATLAB®/Simulink® entwickelt und getestet und sollte für den Controller nicht neu programmiert werden. Der Prüfstand ist eine Sonderanfertigung, d. h. die Steuerung kann nicht auf einem Prototyp getestet werden. Durch die automatische Codeerzeugung und Integration des in MATLAB®/Simulink® entwickelten Controllers in die Prüfstandsteuerung (Rapid Control Prototyping) sowie die virtuelle Inbetriebnahme des Controllers anhand eines Modells der Maschine wurde diese Herausforderung bewältigt.

So konnten Risiken aufgrund von Fehlfunktionen während der Inbetriebnahme, die Inbetriebnahmezeit und Kosten reduziert werden.

Success Story Zero Twist Feeder von IRO AB and Vintecc bv (Video in Englisch)
Success Story Zero Twist Feeder von IRO AB and Vintecc bv (Video in Englisch)

Garn- und Faserproduktion mit dem Zero Twist Feeder

Der Zero Twist Feeder liefert Garn an Webmaschinen ohne eine einzelne Drehung. Webmaschinen arbeiten mit hohen Geschwindigkeiten und ziehen in sehr unregelmäßigen Abständen an der Spule. Zum Ausgleich zwischen der Spule und dem Greifer wurde ein Pufferarm verwendet. Der Pufferarm liefert in der für den Schusseintrag optimalen Geschwindigkeit genau die erforderliche Menge Garn an die Webmaschinen. Bei der Produktion können Geschwindigkeiten von bis zu 850 Metern/Minute pro Eintrag erreicht werden. Das Problem, das beim Weben von Kohlenstofffasern, Glasfasern oder Kunststoffbändern entstehen kann, ist das Auftreten von Drehungen oder Schlingen bei diesen hohen Geschwindigkeiten.

Das Problem wurde gelöst, indem zunächst ein digitaler Zwilling der Maschine erstellt wurde. Die Programmierung der gesamten Software erfolgte in Simulink®. Das Modell wurde in mehrere Teilmodelle aufgeteilt, von denen jedes einen Aspekt des Maschinenbaus darstellt. Bevor IRO die Algorithmen in Schweden auf der eigentlichen Hardware testete, führte Vintecc in Belgien umfangreiche virtuelle Simulationen durch, um zu gewährleisten, dass die Maschine auslegungsgemäß arbeitet.

Die Kombination von Simulink® mit der Beckhoff TwinCAT-Technologie durch die TwinCAT 3-Targets hat bei dieser Anwendung den großen Vorteil, dass kein PLC-Code erforderlich ist. Das Modell konnte direkt im Detail in TwinCAT integriert werden. An den Parametern im Modell, in TwinCAT oder in der Hardware vorgenommene Änderungen lassen sich umgehend übertragen.

Success Story Magway (Video in Englisch)
Success Story Magway (Video in Englisch)

Magway Transportsystem – Verlagerung eines ausgeklügelten Algorithmus auf die niedrigstmögliche Ebene

Magway nutzt MATLAB® und Simulink® für die Umsetzung einer geberlosen Steuerung von Linearsynchronmotoren, die eine autonome, nachhaltige Paketzustellung durch unterirdische Röhren ermöglicht.

Mithilfe des TwinCAT-Targets für Simulink® werden Steueralgorithmen direkt auf einer industrialisierten Plattform implementiert, und das mit weniger Komponenten, Dezentralisierung, höherer Systemverfügbarkeit und kürzeren Entwicklungszyklen. Dabei verkürzt das In-Loop-Debugging die Entwicklungszyklen. Die Kern-IP wurde in MATLAB® und Simulink® entwickelt. Durch die direkte Nutzung dieser Software anstelle eines umständlichen Ports verfügt Magway stets über das richtige Werkzeug für die richtige Aufgabe.

Windenergieanlage von Goldwind Science and Technology
Windenergieanlage von Goldwind Science and Technology

Steuersoftware für 6-MW-Offshore-Windenergieanlage

Offshore-Windenergieanlagen müssen eine hohe Verfügbarkeit, kombiniert mit einem geringen Wartungsaufwand, gewährleisten. Der Betrieb dieser Anlagen muss unabhängig von den Umgebungsbedingungen jederzeit vorhersehbar und sicher zu steuern sein. Ein Test der hochsensiblen Steuersoftware ist unter Realbedingungen kaum möglich.

Durch die Nutzung des Konzepts des modellbasierten Designs mit Simulink® und TwinCAT kann jede Funktion der Anlage entwickelt, getestet und verifiziert werden. Die sichere und zuverlässige Steuersoftware lässt sich zudem schneller und kostengünstiger entwickeln. Das ist möglich, weil die einfache Integration des Targets für Simulink® in den modellbasierten Designprozess effizientes Erzeugen und Testen von Produktivcode auf einer industriellen Plattform garantiert. Außerdem stellen die Kommunikationsfähigkeiten des Interface for MATLAB®/Simulink® alle Tools bereit, die für umfassendes Software-in-the-Loop-Testen nach der Implementierung des Codes auf dem Beckhoff-Controller benötigt werden.

Gleichzeitig entstand mithilfe der Funktionen des TE1400 und TE1410 nicht nur eine erfolgreiche Anwendung der in Simulink® entworfenen Hauptsteuerungssoftware für die 6-MW-Prototypanlage, sondern ebenfalls für jede Großserienanlage nach dem Prototyp.

Haben auch Sie ähnliche Anwendungsszenarien und Fragen zur Integration Ihrer MATLAB®- und Simulink®-Projekte in eine TwinCAT-Software-Umgebung, dann wenden Sie sich an Ihren Vertriebsmitarbeiter oder nutzen Sie das Kontaktformular.

Produkte

TE1400 | TwinCAT 3 Target for Simulink®

TE1400

TwinCAT 3 Target for Simulink® stellt eine Schnittstelle zwischen Simulink® und TwinCAT bereit. Die Software Simulink® wird vom Unternehmen MathWorks entwickelt und vertrieben. Die Programmierumgebung baut auf MATLAB® auf und ist sowohl in der Wissenschaft als auch in der Industrie weit verbreitet. Simulink® ist eine graphische Programmierumgebung, welche sich hervorragend für den modellbasierten Entwicklungsprozess eignet. Es können Simulationsmodelle von Systemen erstellt sowie z. B. Regel- und Steuerungsalgorithmen entworfen werden, um die erstellten Modelle zu testen.

TE1401 | TwinCAT 3 Target for MATLAB®

TE1401

TwinCAT 3 Target for MATLAB® stellt eine Schnittstelle zwischen MATLAB® und TwinCAT bereit. MATLAB®, “The language of technical computing”, wird vom Unternehmen MathWorks entwickelt und vertrieben. Die Programmierumgebung ist sowohl in der Wissenschaft als auch in der Industrie weit verbreitet. MATLAB® ist eine Skriptsprache, welche sich hervorragend für die Entwicklung von Algorithmen und mathematischen Modellen eignet.

TE1410 | TwinCAT 3 Interface for MATLAB®/Simulink®

TE1410

MATLAB® und Simulink® werden vom Unternehmen MathWorks entwickelt und vertrieben. Die beiden Programmierumgebungen sind sowohl in der Wissenschaft als auch in der Industrie weit verbreitet. Simulink® ist eine graphische Programmierumgebung, welche sich hervorragend für den modellbasierten Entwicklungsprozess eignet. MATLAB® ist eine Skriptsprache zur Entwicklung von Algorithmen und mathematischen Modellen.