TwinCAT 3 - sumean päättelyn ohjelmointikirjasto

Abstract

Sumeaan logiikkaan perustuva sumea päättely mahdollistaa likiarvoisen tiedon käsittelyn. Vaikka sumean logiikan juuret ovat jo 1960-luvulla, sumean logiikan ohjelmointiin ei löydetty julkisin verkkohauin valmista ratkaisua mihinkään nykyaikaiseen ohjelmoitavaan logiikkaan. Siksi opinnäytetyön aiheeksi valittiin ohjelmointikirjaston luominen Beckhoff TwinCAT 3 -automaatioympäristölle, joka mahdollistaisi sumeiden päättelyjärjestelmien ohjelmoinnin. Ohjelmointikirjasto vastaisi toiminnallisuudeltaan MATLABin sumean logiikan suunnittelutyökalua.

Työn kirjallisuusosuudessa käsiteltiin sumean logiikan ja päättelyn teoriaa sekä Mamdani- ja Sugeno-päättelyjärjestelmien toimintaa. Lisäksi perehdyttiin ohjelmoitavien logiikoiden perusteisiin, olio-ohjelmoinnin periaatteisiin ja Beckhoff TwinCAT 3 -automaatioympäristöön. Ohjelmointityötä kuvaavassa osuudessa esiteltiin kaikkien ohjelmointikirjastoon kuuluvien datatyyppien ja toimilohkojen toiminta. Työn lopuksi ohjelmointikirjaston oikea toiminnallisuus varmistettiin simuloimalla ja vertailemalla päättelyjärjestelmien tuloksia MATLABin sumean logiikan suunnittelutyökalun kanssa. Lisäksi ohjelmointikirjastoa testattiin Beckhoff CP2619 -sarjan paneeli-PC:llä sen suorituskykyvaatimusten arvioimiseksi.

Työn tuloksena tuotettiin TwinCAT 3 -alustalle sumean päättelyn ohjelmointikirjasto, joka sisältää lähes kaikki samat ominaisuudet kuin MATLABin sumean logiikan suunnittelutyökalu. Kirjaston jatkuvan kehityksen edistämiseksi se on tarkoitus julkaista GitHub-palvelussa nimellä TcFuzzy, kun sen englanninkielinen dokumentaatio on valmis. Siten kirjasto on myös muiden käytettävissä, mikä mahdollisesti alentaa kynnystä soveltaa sumeaa päättelyä PLC-ohjelmoinnissa.

Fuzzy inference which is based on fuzzy logic allows the processing of approximate information. Despite fuzzy logic having its roots in 1960s no solution was found to implement fuzzy inference on modern programmable logic controllers. Therefore, the topic of this thesis was selected to develop a programming library for Beckhoff TwinCAT 3 that enables the use of fuzzy inference systems and would include similar functionalities as MATLAB’s Fuzzy Logic Designer.

The theoretical section of this thesis dealt with the theory of fuzzy logic and inference with detail in Mamdani and Sugeno fuzzy inference systems. Basics of programmable logic controllers, object-oriented programming and TwinCAT 3 were also examined. On the programming section of the thesis all program objects included in the programming library were presented in detail. On the testing section of the thesis, the correct functionality of the programming library was verified via simulation comparison with MATLAB’s Fuzzy Logic Designer. The tests were also conducted with the hardware using Beckhoff CP2619 panel PC to examine the performance requirements of the library.

As a result, a fuzzy inference programming library for TwinCAT 3 was developed which includes most of the functionality of MATLAB’s Fuzzy Logic Designer. To ensure continuous development of the programming library it is intended to be published on GitHub under the name TcFuzzy once its English documentation is ready. Then the programming library would be accessible to others as well as possibly lower the threshold of applying fuzzy inference in PLC programming.