Es gibt eine Vielzahl von Applikationen im Prozesstechnik-Umfeld, deren Realisierung sich schwierig gestaltet: kaskadierte Regelungen, schnelle Momentregelungen oder auch die Umsetzung einer komplexen mathematischen Formel in einer steuerungstechnischen Anwendung. Zwar lassen  sich derartige Applikationen in der Regel in IEC-61131-Code für eine SPS programmieren; allerdings ist dies nicht unbedingt komfortabel. Hat der Programmierer etwa eine schwierige Formel gemäß IEC 61131 in strukturiertem Text erstellt, ist diese oft nicht wiederzuerkennen. Dementsprechend fallen die Optimierung oder Fehlersuche ebenfalls nicht leicht. Im nächsten Schritt gilt es, die komplexe Funktion zu erproben. Hier tun sich ebenso Hürden auf, wenn der klare Überblick fehlt. Denn die Verbesserung einer Regelung erweist sich bereits bei weniger schwierigen Aufgaben als zeitaufwendig.

Die genannten Herausforderungen stellen sozusagen Klassiker dar, welche die Programmierer schon lange beschäftigen. Allerdings kommen neue Themenbereiche hinzu. In der Prozessindustrie wird immer häufiger auf Basis modularer Ansätze automatisiert, insbesondere seitdem mit MTP (Module Type Package) gemäß VDI/VDE/NAMUR 2658 eine einheitliche Softwareschnittstelle Einzug in die Branche gehalten hat. Jetzt verfügen die einzelnen Module über einen eigenen Controller, der die Regelungen übernimmt. Auf diese Weise wird das zentrale Leitsystem entlastet. Die Programmierumgebung, in der der Anwender die als Beispiel angeführte Regelung realisiert, ändert sich jedoch: vormals Leitsystemumfeld, nun allgemeine Steuerungstechnik.

Um solche komplexen Aufgaben einfacher und eleganter in der Steuerungstechnik umzusetzen, bietet sich die Software Matlab Simulink an. Bei dem Tool handelt es sich um ein hochentwickeltes Werkzeug, mit dem sich sowohl mathematische als auch regelungstechnische Lösungen entwickeln, testen und in Code überführen lassen. Die Idee zu Matlab wurde bereits in den 1970er-Jahren in den USA von Cleve Moler an der Universität New Mexico geboren. Mitte der 1980er-Jahre wurde die Software dann in ein kommerzielles Produkt überführt. Ab den 2000er-Jahren hat die Verbreitung von Matlab zugenommen, unter anderem weil das Tool in die Lehrpläne der Universitäten aufgenommen worden war.

Durch die anschließende Erweiterung von Matlab um das Modul Simulink können die erstellten Programme jetzt simuliert und Blöcke davon zur Modellierung von Systemen genutzt werden. So lassen sich die Systeme übersichtlich grafisch visualisieren. Für die Software stehen zahlreiche sogenannte Toolboxen zur Verfügung, welche die Verwendung vorgefertigter Funktionsmodule wie etwa der ‚Signal Processing Toolbox‘ oder der ‚Fuzzy Logic Toolbox‘ erlauben.

Wie schon erwähnt, gibt es entsprechende Lösungen seit den 1980er-Jahren. Neu ist jetzt, dass der Anwender das System auf einfache Weise mit einer industrietauglichen Steuerung kombinieren kann. Wo bislang reine Mikrocontroller als Laufzeitumgebung erhältlich waren oder C-Code erzeugt werden konnte, wurde nun die SPS als ‚Target‘ für den Code hinzugefügt. Somit lässt sich nun ein kom-plexer Regler in Simulink entwerfen, im gesamten Frequenzbereich unter dem Einfluss von Störgrößen testen, mit Hilfe der Simulink-Tools optimieren sowie abschließend als Programm für den SPS-Controller exportieren.

Export auf das SPS-System

Bild 2: Auswahl des PLCnext-Controllers AXC F 2152 als Target. Ein Target ist der ‚Ziel‘-Controller, auf dem die Applikation laufen soll.

© Phoenix Contact

Dem Anwender eröffnen sich auf diese Weise  vielfältige Möglichkeiten, die in einer Engineering-Umgebung für Steuerungen in der Regel nicht verfügbar sind. Besonders das Erproben und Verbessern der Regler erweist sich als ein langwieriger Prozess, bei dem der Ingenieur für jede Erleichterung dankbar ist. Matlab Simulink umfasst alle klassischen Methoden der Regelungstechnik, wie das Bode-Diagramm, Wurzelortskurven oder die Ortskurve des Frequenzgangs, was die Code-Entwicklung vereinfacht. Ein weiterer Vorteil der Software ergibt sich aus dem Einsatz von grafischen Blöcken für den Entwurf des Reglers. Eine Verstärkung lässt sich beispielsweise einfach per Drag & Drop hinzufügen, wobei der Entwurf anders als in einer SPS-Umgebung in einer für die Regelungstechnik geeigneteren Ebene stattfindet (Bild 1).

Hat der Programmierer den Regler in einer konventionellen SPS-Umgebung geplant, wird er mit dem Problem des Testens konfrontiert. In einer solchen Umgebung sind zwar Eingangssignale simulierbar, was sich allerdings im gesamten Frequenzbereich als schwierig zeigt, da ein konventionelles SPS-System keine Funktion dafür bereithält. Mit den umfangreichen Möglichkeiten von Simulink lässt sich die Inbetriebnahme im Feld erheblich verkürzen, wenn der Programmierer das Verhalten des Reglers bereits im Vorfeld prüfen konnte. Ist der Regler schließlich final modelliert und getestet, kommt die Neuerung im System zum Tragen: Der konzipierte Regler ist passend für das jeweilige SPS-System exportierbar. Targets – das heißt sogenannte PLC-Coder – gibt es für das TIA-Portal von Siemens, B&R, Codesys, Phoenix Contact und einige weitere Hersteller. Die Anbindung an harte Echtzeit-Systeme mit dem jeweils kompletten I/O-Portfolio und den Feldbus-Systemen gestaltet sich jetzt ebenfalls einfacher. Aus dem Blickwinkel der Modellierung betrachtet, hat sich Matlab Simulink damit zu einem greifbaren und sinnvollen Tool für die Automatisierungstechnik entwickelt (Bild 2). 

Mit der PLCnext Technology hat Phoenix Contact eine neue, offene Steuerungsgeneration auf Basis des Linux-Betriebssystems auf den Markt gebracht, die ver­schiedene Vorteile eröffnet. Der Controller AXC F 2152 zum Beispiel bietet mit zwei unabhängigen 800-MHz-Prozessoren eine gute Plattform, um ein Simulink-Modell auf einem Core ablaufen zu lassen und auf dem anderen Core zum ­Beispiel Standardaufgaben auszuführen.