MATLAB,Simulinkコード生成ツールとC言語コントローラーの連携事例

                MATLAB/Simulinkコード生成ツールとC言語コントローラーの連携事例
                １．まえがき
                近年、自動車業界の開発手法として定着しているモデルベース開発は、化学プラントや鉄鋼圧延制御の分野にも展開が進んできており、代表ソフトウェアとしてMATLAB/Simulink（注1）が用いられている。MATLAB/Simulinkでは、設計したモデルを実機レス環境で検証し、C言語コードを生成することができる。コーディングする必要がなくなるため、開発工数削減と品質向上を図る手段として注目されている。制御システムにおいても、MATLAB/Simulinkより自動生成したC言語やST言語（Structured Text）（注2）をパソコンやPLC（ProgrammableLogic Controller）に実装する事例が増えてきており、特にPLCへの適用においては、C言語プログラムを実行できるMELSEC（注3）C言語コントローラー（注4（） 以下C言語コントローラー）を用いた構成が主流となってきている。しかし、MATLAB/Simulinkから自動生成したC言語プログラムをC言語コントローラー上で実行させるには、C言語プログラムを修正する必要があることから、その作業を排除するための改善が必要であった。当課では、MATLAB/SimulinkのC言語コード生成技術をC言語コントローラーに効率よく展開するためのライブラリーを開発するとともに、化学工場の試験プラントで実証試験に適用し、効果を確認した。本稿では、そのライブラリー開発について紹介する。
                ２．制御システムにおけるMATLAB活用例2.1　シミュレーションによるシステム検証鉄鋼プラントにおける熱間圧延工程では、圧延材の材質や温度による鋼片の伸び・形状張力の計算、電動機の振動、ネットワークの伝送揺らぎなど様々な外乱が発生し、工場内試験で予測できない事象が発生する。特集論文MATLAB/Simulinkコード生成ツールとC言語コントローラーの連携事例トータルソリューション事業所　技術第1部　開発課藤原 永年、久保 英治郎図１．モデルベース開発プロセス１．まえがき近年、自動車業界の開発手法として定着しているモデルベース開発は、化学プラントや鉄鋼圧延制御の分野にも展開が進んできており、代表ソフトウェアとしてMATLAB/Simulink(注1)が用いられている。MATLAB/Simulinkでは、設計したモデルを実機レス環境で検しコードを生成することができる。コーディングする必要がなくなるため、開発工数削減と品質向上を図る手段として注目されている。制御システムにおいても、MATLAB/Simulinkより自動生成したC言語やST言語( 注2)をパソコンやPLC （ Programmable LogicController）に実装する事例が増えてきており、特にPLCへの適用においては、C言語プログラムを実行できるMELSEC(注3) Ｃ言語コントローラー(注4)（以下C言語コントローラー）を用いた構成が主流となってきている。しかし、MATLAB/Simulinkから自動生成したC言語プログラムをＣ言語コントローラー上で実行させるには、C言語プログラムを修正する必要があることから、その作業を排除するための改善が必要であった。当課では、MATLAB/SimulinkのC言語コード生成技術をC言語コントローラーに効率よく展開するためのライブラリーを開発するとともに、化学工場の試験プラントで実証試験に適用し、効果を確認した。本稿では、そのライブラリー開発について紹介する。２．制御システムにおけるMATLAB活用例２．１ シミュレーションによるシステム検証鉄鋼プラントにおける熱間圧延工程では、圧延材の材質や温度による鋼片の伸び・形状張力の計算、電動機の振動、ネットワークの伝送揺らぎなど様々な外乱が発生し、工場内試験で予測できない事象が発生する。(注1)MATHWORKS社が開発した、行列・ベクトル計算、グラフ化など様々なライブラリーを有したコンピューティング言語及び開発・シミュレーション環境である。(注2) 数値演算や論理式の記述が容易な高級言語(注3) 三菱電機(株)製のシーケンサー(注4) C 言語を実行できるMELSEC のユニット図１ モデルベース開発プロセス既にMATLAB/Simulink 上で検証済みのソフトウェアを実装するため手戻りゼロ設計段階で動かして仕様を確認(シミュレーションによるシステム検証)モデルベース開発プロセス外部設計 S/W 設計・アルゴリズム検証 総合テストコーディング検証アルゴリズム再検討一般的な開発プロセス（ウォーターフォール）外部設計 S/W 設計・アルゴリズム検討 S/W 開発・検証 単体テスト結合テスト 総合テスト手戻りMATLAB/Simulink コード生成ツールとC 言語コントローラーの連携事例トータルソリューション事業所 技術第１部 開発課藤原永年 久保英治郎（注１）MATHWORKS社が開発した、行列・ベクトル計算、グラフ化など様々なライブラリーを有したコンピューティング言語及び開発・シミュレーション環境である。（注２）数値演算や論理式の記述が容易な高級言語（注３）三菱電機（株）製のシーケンサー（注４）C言語を実行できるMELSECのユニット10MATLAB/Simulinkコード生成ツールとC言語コントローラーの連携事例MATLAB/Simulinkでは、複雑な計算が必要な物理現象について、予め用意された回転・並進モデルや流体モデルのコンポーネントを用いて、システム検証をシミュレーションすることが可能である。2.2　モデルベース開発による生産性向上自動車業界では、ECU（Electronic Control Unit）の開発において、MATLAB/SimulinkのC言語コード生成機能を利用してモデルベース開発を行っている。モデルベース開発は、一般的なウォーターフォール型の開発プロセスとは異なり、図1のように設計段階でシミュレーション検証ができる利点があることから、後工程での手戻りが削減でき、生産性を向上することができる。2.3　制御システムでの導入状況制御システムを持つ企業では、自社固有の制御理論を活用して製造製品の品質向上を図っており、それらの制御理論はC言語で実装されているケースが多い。しかし、制御システムでは制御機器にPLCが多用されることから、自社固有のC言語による制御ソフトウェアを汎用パソコン上で実行し、PLCと連携させている構成が多い。そこでPLCと汎用パソコンの組み合わせを意識しないソフトウェア開発と、自社固有の制御ソフトウェアの活用を両立させる手段として、MATLAB/Simulinkが注目されている。また、MELSECでは、C言語コントローラーを実装できることから、MATLAB/SimulinkとC言語コントローラーを組み合わせたシステムを検討する企業が増えている。３．MATLAB-C言語コントローラーの連携機能3.1　C言語コントローラー連携の検討（1）C言語コントローラーへの実装課題MATLAB/SimulinkとC言語コントローラーの連携における一番の課題は、MELSEC上の入出力デバイスへのアクセス処理の実装である。MATLAB/SimulinkにはC言語コントローラーの入出力デバイスにアクセスするライブラリー部品がないため、C言語ソースコードに対し手作業で入出力デバイスのアクセス処理を付け加える必要がある。また、MATLAB/Simulinkより生成されたC言語ソースコードは機械的なソースコードであるため解読が難しく、入出力処理の追加や単体試験に時間を要することが多い。さらに、MATLAB/Simulink上で検証を終えているプログラムに変更が加わるため、再試験する必要があるなどの課題がある。（2）C言語コントローラー連携の問題解決策MATLAB/Simulink-C言語コントローラーの連携におけるこれらの課題を解決するため、MATLAB/Simulink上でアルゴリズムを開発する際に入出力処理を埋め込むことができないかを、次の3種類の方法で検討した。（a）Simulinkからライブラリーを呼び出す。（b）Simulink上のブロックにC言語コードを埋め込む。（c）作成したC言語よりMATLABを呼び出す。これら3種類について検討した結果、（a）では、一部ブラックボックス化されるためC言語コントローラー上でデバッグができない、また（c）ではC言語コントローラー上にMATLABのエンジンを実装できないことから、（b）での実現を検討した。（b）を実現するにあたり、C言語コード生成後に修正が不要であるS-Function（注5）を採用し、C言語コントローラー入出力AP（I Application Programming Interface）をS-Functionライブラリーに埋め込んで部品化した。3.2　S-Functionライブラリーの開発C言語コントローラーが提供しているデバイス入出力APIには、図2のように“C言語コントローラーと外部入出力デバイスのインターフェース”と、“C言語コントローラーとシーケンサーCPU（注6）内部デバイスのインターフェース”の2種類が存在する。これらのAPIをMATLAB/Simulink上で利用するために、外部入出力デバイスにアクセスするS-Functionライブラリーとして、“①デジタル・アナログユニットインターフェースライブラリー”と、“②MELSEC間インターフェースライブラリー”を開発した（図2、表1）。MATLAB/Simulinkでは、複雑な計算が必要な物理現象について、予め用意された回転・並進モデルや流体モデルのコンポーネントを用いて、システム検証をシミュレーションすることが可能である。２．２ モデルベース開発による生産性向上自動車業界では、ECU(Electronic Control Unit)の開発において、MATLAB/SimulinkのC言語コード生成機能を利用してモデルベース開発を行っている。モデルベース開発は、一般的なウォーターフォール型の開発プロセスとは異なり、図1のように設計段階でシミュレーション検証ができる利点があることから、後工程での手戻りが削減でき、生産性を向上することができる。２．３ 制御システムでの導入状況制御システムを持つ企業では、自社固有の制御理論を活用して製造製品の品質向上を図っており、それらの制御理論はC言語で実装されているケースが多い。しかし、制御システムでは制御機器にPLCが多用されることから、自社固有のC言語による制御ソフトウェアを汎用パソコン上で実行し、PLCと連携させている構成が多い。そこでPLCと汎用パソコンの組み合わせを意識しないソフトウェア開発と、自社固有の制御ソフトウェアの活用を両立させる手段として、MATLAB/Simulinkが注目されている。また、MELSECでは、C言語コントローラーを実装できることから、MATLAB/SimulinkとC言語コントローラーを組み合わせたシステムを検討する企業が増えている。３．MATLAB - C言語コントローラーの連携機能３．１ C言語コントローラー連携の検討(1) C言語コントローラーへの実装課題MATLAB/SimulinkとC言語コントローラーの連携における一番の課題は、MELSEC上の入出力デバイスへのアクセス処理の実装である。MATLAB/SimulinkにはC言語コントローラーの入出力デバイスにアクセスするライブラリー部品がないため、C言語ソースコードに対し手作業で入出力デバイスのアクセス処理を付け加える必要がある。MATLAB/Simulinkより生成されたC言語ソースコードは、機械的なソースコードであるため解読が難しく、入出力処理の追加や単体試験に時間を要することが多い。さらに、MATLAB/Simulink上で検証を終えているプログラムに変更が加わるため、再試験する必要があるなどの課題がある。(2) C言語コントローラー連携の問題解決策MATLAB/Simulink－C言語コントローラーの連携におけるこれらの課題を解決するため、MATLAB/Simulink上でアルゴリズムを開発する時点で入出力処理を埋め込むことができないかを、次の3種類の方法で検討した。(a)Simulinkからライブラリーを呼び出す。(b)Simulink上のブロックにC言語コードを埋め込む。(c)作成したC言語よりMATLABを呼び出す。これら3種類について検討した結果、 (a)では、一部ブラックボックス化されるためC言語コントローラー上でデバッグができない、また(c)ではC言語コントローラー上にMATLABのエンジンを実装できないことから、(b)での実現を検討した。(b)を実現するにあたり、C言語コード生成後に修正が不要であるS-Function(注5)を採用し、C言語コントローラー入出力API(Application Programming Interface) をS-Functionライブラリーに埋め込んで部品化した。３．２ S-Functionライブラリーの開発C 言語コントローラーが提供しているデバイス入出力API には、図2 のように“C 言語コントローラーと外部入出力デバイスのインターフェース”と、“C 言語コントローラーとシーケンサーCPU(注6)内部デバイスのインターフェース” の2 種類が存在する。これらのAPI をMATLAB/Simulink 上で利用するために、外部入出力デバイスにアクセスするS-Function ライブラリーとして、“①デジタル・アナログユニットインターフェースライブラリー”と、“②MELSEC 間インターフェースライブラリー”を開発した(図2、表1)。図2 2 種類のインターフェースシーケンサーCPU C 言語コントローラーC 言語コントローラーと外部入出力デバイスのインターフェースC 言語コントローラーとシーケンサーCPU 内部デバイスのインターフェースS-Function①デジタル・アナログユニットインターフェースライブラリーS-Function②MELSEC 間インターフェースライブラリー(注5) C 言語を記述できるSimulink ライブラリー(注6) 機器のシーケンスを制御するCPU。ラダープログラムやFBD 言語を実行する。図２．2種類のインターフェース（注５）C言語を記述できるSimulinkライブラリー（注６）機器のシーケンスを制御するCPU。ラダープログラムやFBD言語を実行する。11MATLAB/Simulinkコード生成ツールとC言語コントローラーの連携事例表１．S-FunctionライブラリーS-Function 説明①デジタル・アナログユニットインターフェースライブラリーLibBusReadB デジタル入出力デバイスを読出す。LibBusReadW インテリジェント機能ユニットを読出す。LibBusWriteB デジタル出力デバイスに出力する。LibBusWriteW インテリジェント機能ユニットに出力する。②MELSEC間インターフェースライブラリーLibMdReadB MELSECのBitを読出す。LibMdReadW MELSECのWordデバイスを読出す。LibMdWriteB MELSECのBitデバイスに書込む。LibMdWriteW MELSECのWordデバイスに書込む。3.3　S-Functionを用いたC言語コード生成の効率化MATLAB/Simulinkで作成したプログラムからC言語コードを生成する際、通常は、MATLAB/SimulinkのEmbedded Coder（注7）でC言語コードを出力し、そのコードに対してMELSECとのI/F処理を手修正でコーディングしていた（図3①）。しかし、今回開発したS-Functionライブラリーの採用により、C言語のソースコードを修正することなくC言語コントローラー上に実装することができた。また、この作業プロセスでは、コーディング作業の大幅削減、ソースコード変更による再試験を削減することができた（図3②）。４．適用の効果4.1　生産性や品質からみた効果開発したS-Functionライブラリーを、化学工場の試験プラントに実証試験として適用した（図5）。客先で作成されたPID制御のSimulinkモデルにC言語コントローラー入出力用のS-Functionライブラリーを追加し、試験プラントで実証実験を行った。結果、MATLAB/Simulink上と同じ出力ができることを確認した。今回の実証試験では、開発したS-Functionに起因した障害は発生しなかった。また、C言語コード生成後にコード修正などの手戻り作業もなかったことから、生産効率の改善だけでなく、品質面でも効果を確認できた。今後は、数箇所の試験プラントで検証後、実プラントに展開していく予定である。4.2　メテナンス性からみた効果2種類のS-FunctionをMATLAB/Simulink上で利用し、生成されたC言語プログラムから外部入出力デバイスおよび、シーケンサーCPU内部デバイスの2種類のデバイスに入出力できるようになり、C言語コントローラー、シーケンサーCPU、外部デバイス間の通信が容易となった。これにより、複雑な計算をC言語コントローラーに実装し、機器動作に関わるインターロック回路をシーケンサーCPUに実装するといったマルチCPU構成（注8）が構築できた。また、メS-Function 説 明① デジタル・アナログユニットインターフェースライブラリーLibBusReadB デジタル入出力デバイスを読出す。LibBusReadW インテリジェント機能ユニットを読出す。LibBusWriteB デジタル出力デバイスに出力する。LibBusWriteW インテリジェント機能ユニットに出力する。② MELSEC 間インターフェースライブラリーLibMdReadB MELSEC のBit を読出す。LibMdReadW MELSEC のWord デバイスを読出す。LibMdWriteB MELSEC のBit デバイスに書込む。LibMdWriteW MELSEC のWord デバイスに書込む。３．３ S-Functionを用いたC言語コード生成の効率化MATLAB/Simulinkで作成したプログラムからC言語コードを生成する際、通常は、MATLAB/Simulink のEmbedded Coder(注7)でC言語コードを出力し、そのコードに対してMELSECとのI/F処理を手修正でコーディングしていた（図3①）。今回開発したS-Functionライブラリーの採用により、C言語のソースコードを修正することなくC言語コントローラー上に実装することができた。また、この作業プロセスでは、コーディング作業の大幅削減、ソースコード変更による再試験を削減することができた（図3②）。４．適用の効果４．１ 生産性や品質からみた効果開発したS-Functionライブラリーを、化学工場の試験プラントに実証試験として適用した(図5)。客先で作成されたPID制御のSimulinkモデルにC言語コントローラー入出力用のS-Functionライブラリーを追加し、試験プラントで実証実験を行った。結果、MATLAB/Simulink上と同じ出力ができることを確認した。今回の実証試験では、開発したS-Functionに起因した障害は発生しなかった。また、C言語コード生成後にコード修正などの手戻り作業もなかったことから、生産効率の改善だけでなく、品質面でも効果を確認できた。今後は、数箇所の試験プラントで検証後、実プラントに展開していく予定である。４．２ メンテナンス性からみた効果2 種類のS-Function をMATLAB/Simulink 上で利用し、生成されたC 言語プログラムから外部入出力デバイスおよび、シーケンサーCPU 内部デバイスの2 種類のデバイスに入出力できるようになり、C 言語コントローラー、シーケンサーCPU、外部デバイス間の通信が容易となった。これにより、複雑な計算をC 言語コントローラーに実装し、機器動作に関わるインターロック回路をシーケンサーCPU に実装するといったマルチCPU 構成(注8)が構築できた。また、メンテナンス頻度が高いインターロック回路の改修や改造は、シーケンサーCPU のみで対応可能となり、メンテナンス性の向上にも貢献できた。表1 S-Function ライブラリーMATLAB/SimulinkC 言語コード生成C 言語コントローラーに実装①S-Function 適用前MATLAB/Simulink でアルゴリズム開発を実施入出力部分を手作業でコーディング（作業ボリューム大）MATLAB/SimulinkMATLAB/Simulink でアルゴリズム開発を実施C 言語コード生成（編集不要）C 言語コントローラーに実装MATLAB/Simulink 上で入出力処理を貼り付ける②S-Function 適用後図 3 S-Function によるプロセス改善MATLAB/SimulinkCWWorkbench 冷却バルブ温度センサー試験炉シーケンサーCPUC 言語コントローラー■C 言語コントローラー・温度制御sRetQBF_Open(iNo,lBusPath)//温度デバイスReadsRet=QBF_FromBuf(lPath,lDev,I,if(sRet != NORMAL){■シーケンサーCPU・シーケンス制御・機械インターロック・表示器制御図5 温度制御プラントへの適用事例MATLAB/SimulinkS-Function 説 明① デジタル・アナログユニットインターフェースライブラリーLibBusReadB デジタル入出力デバイスを読出す。LibBusReadW インテリジェント機能ユニットを読出す。LibBusWriteB デジタル出力デバイスに出力する。LibBusWriteW インテリジェント機能ユニットに出力する。② MELSEC 間インターフェースライブラリーLibMdReadB MELSEC のBit を読出す。LibMdReadW MELSEC のWord デバイスを読出す。LibMdWriteB MELSEC のBit デバイスに書込む。LibMdWriteW MELSEC のWord デバイスに書込む。３．３ S-Functionを用いたC言語コード生成の効率化MATLAB/Simulinkで作成したプログラムからC言語コードを生成する際、通常は、MATLAB/Simulink のEmbedded Coder(注7)でC言語コードを出力し、そのコードに対してMELSECとのI/F処理を手修正でコーディングしていた（図3①）。今回開発したS-Functionライブラリーの採用により、C言語のソースコードを修正することなくC言語コントローラー上に実装することができた。また、この作業プロセスでは、コーディング作業の大幅削減、ソースコード変更による再試験を削減することができた（図3②）。４．適用の効果４．１ 生産性や品質からみた効果開発したS-Functionライブラリーを、化学工場の試験プラントに実証試験として適用した(図5)。客先で作成されたPID制御のSimulinkモデルにC言語コントローラー入出力用のS-Functionライブラリーを追加し、試験プラントで実証実験を行った。結果、MATLAB/Simulink上と同じ出力ができることを確認した。今回の実証試験では、開発したS-Functionに起因した障害は発生しなかった。また、C言語コード生成後にコード修正などの手戻り作業もなかったことから、生産効率の改善だけでなく、品質面でも効果を確認できた。今後は、数箇所の試験プラントで検証後、実プラントに展開していく予定である。４．２ メンテナンス性からみた効果2 種類のS-Function をMATLAB/Simulink 上で利用し、生成されたC 言語プログラムから外部入出力デバイスおよび、シーケンサーCPU 内部デバイスの2 種類のデバイスに入出力できるようになり、C 言語コントローラー、シーケンサーCPU、外部デバイス間の通信が容易となった。これにより、複雑な計算をC 言語コントローラーに実装し、機器動作に関わるインターロック回路をシーケンサーCPU に実装するといったマルチCPU 構成(注8)が構築できた。また、メンテナンス頻度が高いインターロック回路の改修や改造は、シーケンサーCPU のみで対応可能となり、メンテナンス性の向上にも貢献できた。表1 S-Function ライブラリーMATLAB/SimulinkC 言語コード生成C 言語コントローラーに実装①S-Function 適用前MATLAB/Simulink でアルゴリズム開発を実施入出力部分を手作業でコーディング（作業ボリューム大）MATLAB/SimulinkMATLAB/Simulink でアルゴリズム開発を実施C 言語コード生成（編集不要）C 言語コントローラーに実装MATLAB/Simulink 上で入出力処理を貼り付ける②S-Function 適用後図 3 S-Function によるプロセス改善MATLAB/SimulinkCWWorkbench 冷却バルブ温度センサー試験炉シーケンサーCPUC 言語コントローラー■C 言語コントローラー・温度制御sRetQBF_Open(iNo,lBusPath)//温度デバイスReadsRet=QBF_FromBuf(lPath,lDev,I,if(sRet != NORMAL){■シーケンサーCPU・シーケンス制御・機械インターロック・表示器制御図5 温度制御プラントへの適用事例MATLAB/Simulink図３．S-Functionによるプロセス改善図５．温度制御プラントへの適用事例（注7）Simulink上のモデルをC言語に変換するツール（注8）複数のCPUユニットを用いた構成。シーケンサーCPUと加工機用CPUなど複数のCPUユニットを同じ筐体上に柔軟に構築することが可能。12MATLAB/Simulinkコード生成ツールとC言語コントローラーの連携事例ンテナンス頻度が高いインターロック回路の改修や改造は、シーケンサーCPUのみで対応可能となり、メンテナンス性の向上にも貢献できた。５．今後の展開化学工場の試験プラントにおいて、MATLAB/SimulinkのS-Functionライブラリーを用いてC言語コントローラーと連携させた事例を紹介した。鉄鋼メーカーやボイラーメーカーでも、本開発手法を用いたシステム開発の要望が増えていることから、今後も着実に適用分野を広げていきたい。６．むすび本開発では、MATLAB/SimulinkをC言語コントローラーに適用するためのS-Functionライブラリーを開発した。今後もモデルベース開発を推進するお客様の要望を取り込み、さらなる改善要望をフィードバックすることで、生産管理と連携するなどのシステム拡張につなげていきたい。最後に、MATLAB/Simulinkの開発で技術支援いただいた社内外の関係各位に深く感謝申し上げる。執筆者紹介藤原　永年 フジワラ　ナガトシ1998年入社。鉄鋼システムのソフトウェア開発、パッケージ製品開発に従事。現在、トータルソリューション事業所技術第1部　開発課課長久保　英治郎 クボ　エイジロウ1997年入社。主にMELSEC　C言語コントローラーを用いたシステム開発に従事。現在、トータルソリューション事業所技術第1部　開発課