MATLAB^® 和 Simulink^®：成熟的编程标准

MATLAB^® 编程环境在科学和工业领域得到了广泛应用。MATLAB^® 是一种脚本语言，非常适合用于开发算法和数学模型。它在数据采集、处理和分析以及数据可视化方面特别高效，优势明显。应用包括预测性维护、图像和信号处理以及机器学习和优化方法。

Simulink^® 主要为用于开发、测试和验证虚拟系统模型的基于模型设计（MBD）持续提供支持，它可以基于物理模型进行虚拟调试，因此能够实现软件功能的早期验证，在项目前期阶段通过精确的数据分析确定软件是否有问题，无需使用硬件原型，并避免在真实条件下使用它们。自动代码生成工具可以在生产过程中使用经过测试的代码。Simulink^® 可以为构建多重物理场仿真和生成控制算法、调节算法和人工智能算法提供所有所需的资源。因此，只有经过模型测试的高质量代码才能用于实现控制任务。

通过 TwinCAT 3 Target for MATLAB^® 可以在 TwinCAT 3 中 使用 MATLAB^® 功能。这些功能会自动迁移到 TwinCAT 对象中，并可在 TwinCAT 3 开发环境中无缝使用。自动生成的模块既可以作为 TcCOM 对象，也可以作为 PLC 功能块集成到 TwinCAT 解决方案中。用户不需要关心这些经过封装并集成到 TwinCAT 项目中的模型的底层代码，它们会像在 TwinCAT 3 Runtime 中运行的所有其它对象一样在实时环境中被执行。

预测性维护、机器学习或测试测量技术，这些 MATLAB^® 的主要功能可以通过 TwinCAT 3 Target for MATLAB^® 无缝集成到控制系统中。

预测性维护是提高设备综合效率（OEE）最重要的因素之一。Mathworks^® 公司推出的 Predictive Maintenance Toolbox^TM 非常适合用于开发状态指示器和进行预测。将预测性维护工具箱中的算法整合到 PLC 中使得同步访问所有相关的设备数据成为可能。设计的状态指示器并不是一个单独的黑盒子，而是透明地集成在控制系统中，便于其他功能模块的访问或作其他功能的扩展。

MATLAB^® 中的机器学习功能与 TwinCAT 3 相结合，呈现出巨大的优势：分类器在控制系统中直接同步进行产品测试或检测系统故障。回归算法执行虚拟传感器，根据情况设置系统参数，或直接嵌入到控制环路中进行模型预测控制。这些算法的训练无需 TwinCAT 实时环境，并且可以在设备运行期间即时修改，设备无需停机。

将测试测量技术集成在设备控制系统中可以降低测试系统的复杂性和成本，简化开发设计工作，同时能够加快测试过程。倍福的 I/O 产品系列为实现控制提供原始数据。这些数据既可以直接保存在数据库中用于进行文档记录，也可以在实时环境中进行（预）处理。大量的 MATLAB^® 信号处理算法，以及用于硬件在环测试的集成式仿真模型，为实现性能强大的、现代化的、集成式测试系统奠定了坚实的基础。

有了 TwinCAT 3 Target for Simulink^®，就可以在 TwinCAT 3 中使用在 Simulink^® 中开发的模型。诸如 Simscape™ 或 Stateflow™ 或 DSP System Toolbox™ 等各种工具箱都可以集成在 Simulink^® 中。它也可以支持嵌入式 MATLAB^® 功能模块。这些模型使用 Simulink^® Coder™ 自动转换为 C/C++ 代码，并通过 TwinCAT 3 Target for Simulink® 转换为 TwinCAT 对象。由 Simulink^® 创建的 TwinCAT 对象具有与其它 TwinCAT 对象相同的接口和属性。它们可以在 TwinCAT 3 开发环境中得到充分应用，例如，可以将这些对象添加到工程项目中连同 PLC 代码以及现场总线模块组成一个可以调试的完整项目。在 TwinCAT 开发环境中可以看到完整的 Simulink^® 框图。除了支持 Simulink^® 外部模式外，嵌入在开发环境中的模型框图也可以用作参数调整、调试、信号和状态监测的控件。自动生成的模块既可以作为 TcCOM 对象，也可以作为 PLC 功能块集成到 TwinCAT 解决方案中。集成式模块的作用通过 TwinCAT 3 Runtime 中完整的 TwinCAT 项目被淡化，并且可以在实时环境中像所有其它对象一样被执行。

TwinCAT 对象可以被分配给实时环境中不同的 CPU 核。这就意味着，即便是大型项目，也可以很容易地对其进行扩展，例如仿真整个风力发电场。如果个别对象对运算速度有要求，也可以将代码放在多个核上并行处理。这样，只需一个工具即可全面支持从简单的控制器到完整的设备控制和实时仿真等所有的应用。

TwinCAT 3 Interface for MATLAB^® and Simulink^® 能够实现 MATLAB^® 与 TwinCAT Runtime 之间以及 Simulink^® 与 TwinCAT Runtime 之间的数据交换。

Simulink^® 与 TwinCAT 之间的数据通信：对于 Simulink^® 而言，Simulink^® 库提供了可以在 Simulink^® 项目中简单集成和配置的 ADS 客户端模块。因此，在 Simulink^® 环境中工作时，可以将数据写入 TwinCAT Runtime，或从中读取数据。在 Simulink^® 中使用 ADS 模块的其中一个应用实例便是软件在环仿真，其中，在 TwinCAT Runtime 中执行的调试或控制算法与在 Simulink^® 中执行的模型相连。在这种应用场景中，TwinCAT Runtime 可以接受来自Simulink^® 的外部标记来计算下一个周期，从而让 Simulink^® 与 TwinCAT 能够同步工作。

MATLAB^® 与 TwinCAT 之间的数据通信：为 MATLAB^® 提供了一个可在脚本环境中使用的 ADS 端口对象。该对象为 MATLAB^® 和 TwinCAT Runtime 之间的数据交换提供了各种方法。除了 MATLAB^® 中的 ADS 客户端，即 MATLAB^® 环境启动数据交换之外，还可以使用 MATLAB^® 中的 ADS 服务器。后者提供了在 MATLAB^® 环境中编写 MATLAB^® 函数并通过 ADS 命令从 TwinCAT 调用这些函数的选项。在 MATLAB^® 中使用 ADS 客户端的其中一个应用实例是基于 MATLAB^® 应用程序创建图形化的用户和监控界面。例如，ADS 服务器可用于执行非实时任务，如预测性维护系统的组件或参数优化。MATLAB^® Compiler^TM 可用于在现场执行作为独立应用程序而创建的程序，例如，运行在边缘控制器上或直接运行在工业 PC 上。

设备和系统日复一日的运行，会产生越来越多的数据。设备和智能模块互联，构成（工业）物联网，它是实现智能制造的基础。智能制造旨在将这些海量数据转化为有价值的信息并构建强大的竞争优势和经济效率优势。只有当数据不仅被简化为基本信息并进行分析，而且以有意义、及时且安全的方式在不同的设备和系统之间传输时，才能成功实现智能制造。

MathWorks^® 公司提供的 ThingSpeak^TM 可以与 MATLAB^® 及其扩展工具箱强大的数据处理、分析和可视化功能相结合，提供安全的数据交换平台，推进数据增值服务。

TwinCAT 3 IoT Communication 提供通过消息队列遥测传输协议 (MQTT) 发送和接收数据的基本功能，这些功能以 PLC 库的形式存在。使用 PLC 库的功能块可在 TwinCAT 和 ThingSpeak^TM 物联网平台之间建立双向数据连接。将联网功能直接固定在设备控制器中，从而将其视为设备的一部分，在从传感器传输至云端的数据流应用中提供了极大的灵活性。