基于模型的PLC设计方法研究

张健，王雨，任洪兵

（1.四川化工职业技术学院自动化工程系，四川 泸州 646003；2.四川泸州大新科技有限公司，四川 泸州 646003）

基于模型的PLC设计方法研究

张健1，王雨1，任洪兵2

（1.四川化工职业技术学院自动化工程系，四川 泸州 646003；2.四川泸州大新科技有限公司，四川 泸州 646003）

以MATLAB/simulink为软件平台，围绕基于模型设计这个核心思想，通过对房间温度控制的PLC设计介绍了完整的基于模型的PLC开发流程和工具使用。设计方法首先利用Simulink/Stateflow建立房间温度控制的模型，然后用MATLAB自带的代码自动转换工具Simulink PLC Coder将模型转换为符合PLC编程标准IEC61131-3的结构化文本语言（ST）代码，然后将代码导入到PLC编程软件SIMIENS STEP7中，得到温度控制模型的功能块，并以此为基础编写房间温度的控制程序。实验结果证明了这种PLC控制系统设计方法的可行性及高效性。

基于模型；MATLAB；温度控制

0 引言

MathWorks公司发布了新产品Simulink PLC Coder（PLC编码器），这是一种软件产品，可以为可编程逻辑控制器（PLC）和可编程自动化控制器（PAC）生成符合IEC61131-3标准的结构化文本程序。这种技术可以把基于模型设计的生成程序，用于生产制造和能源发电设备中的PLC和PAC控制。特别是最近几年，基于模型的设计（Model Based Design）在单片机、DSP、FPGA等嵌入式系统的开发中得到了越来越广泛的应用，较之传统的开发方式，展现出了强大的优势。

一般流程是先用Simulink/Stateflow建立可执行的模型，并进行仿真调试，再使用代码转换工具自动生成代码，最后将代码下载到目标PLC中进行测试和验证。

基于模型的设计方法分为4个阶段：可执行的原理模型，定点，代码生成，仿真验证。从开发的结果看，基于模型的设计可以大大缩短PLC开发周期，同时保证了软件系统的质量和安全性。

1 可执行的原理模型的建立

Mathworks公司的Matlab软件提供了Simulink/ Stateflow工具来实现基于模型的设计思想，为PLC控制算法的实现提供了一个高效易用安全的图形化编程环境。以房间温度控制的PLC建模为例，如图1所示。

该模型左边是期望温度值设定模块，中间是温度控制算法模块，右边是当前温度和热量消耗的示波器输出。该模型可以完全仿真房间温度控制系统的全过程。

该模型会实时检测房间当前温度，并把检测值与设定温度进行比较，然后根据差值判断是否加热、制冷或不动作。

建模完成后就可以开始进行仿真，通过仿真检测模型算法是否正确。即通常的软件仿真。

2 生成定点模型

定点模型就是将实际的PLC环境参数加入原理模型中。生成定点模型的原因有两个：一个是因为PLC 的CPU都是单片机或者嵌入式CPU，该类CPU的机器指令都是定长指令，只能进行整数运算。另外一个原因是模型中的模块并不是能全部转换成结构文本程序。将Termos tat、House、Heater、比较器模块组合成unit模块，然后将该unit模块转换成定点模型。

图1 房间温度控制模型

3 自动生成代码

Matlab软件中的PLC Coder工具可以将定点模型转换成特定PLC可以识别的结构文本程序。在转换之前必须做模型一致性检测。

如果没有错误，则Matlab会自动调用PLC Coder转换。

4 连续的测试和验证

基于模型的设计方法从建立可执行的原理模型开始，就可以不断地进行测试和验证。检测设计的系统是否满足需求，在需求修改的情况下可以快速跟踪变更和测试系统结果。

在代码自动生成之后可以通过Matlab的软在线仿真和硬在线仿真测试代码是否正确。

5 结束语

基于模型的设计方法提供了一种高效安全的开发方法。使用该方法可以在PLC控制系统开发过程中将需求、设计、测试一体化，从而加快控制系统的开发速度，而且可以大大降低开发成本。

［1］ 俞张辉，张自强. 基于模型的设计思想加速电梯控制算法开发［J］.电子科技，2011，24（8）：28～30.

［2］ Mathwors公司. Simulink用户手册，2015，3.

［3］ 华镕. 基于模型设计的控制程序自动生成［J］. 国内外机电一体化技术，2010，13（6）：22～23

［4］ 刘杰. 基于模型的设计-MCU篇［M］.北京：北京航空航天大学出版社，2011.

［5］ 张威. Stateflow逻辑系统建模［M］.西安：西安电子科技大学大学出版社，2007.

Model based PLC design method

TP273

1009-797X （2015） 20-0147-02

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

张健（1976-），男，硕研，助教，毕业于中国电子科技大学，主要研究方向为模式识别、PLC控制技术等。

2015-09-01