基于S7-300 PLC的Simulink在线带进水纯滞后单容水箱液位控制——控制程序设计
1 引言
1.1 本课题所述涉及的问题在国内（外）的研究现状
从50年代以来出现的方法有Smith预估补偿控制、最优控制、自适应控制、动态矩阵预报控制、预测控制、滑模变结构控制、鲁棒控制、有模糊Smith控制、模糊自适应控制、模糊PID控制、神经网络控制、专家控制等[1]。其控制方法也已经由传统控制转向智能控制，或者是二者的结合。PID控制是迄今为止应用最广泛的一种控制方法。目前针对纯滞后系统所采用的Smith控制、模糊控制、Fuzzy+Smith控制，以及预测函数控制等多种先进控制技术。分析表明，这些控制策略都能实现对时滞系统的有效控制为了提高此类液位控制系统的控制品质。而且，对于具有时间滞后特征的工业过程的控制问题，多年来一直是控制理论界和控制工程界广泛关注的热点之一。
1.2 对课题任务书提出的任务要求及实现预期目标的可行性分析
任务要求：
(1) 理解各硬件功能模块工作原理及作用。
(2) 掌握SIEMENS S7-300 PLC的原理及以单容水箱控制程序设计。
(3) 制作1.2?15米纯滞后盘管，为单容水箱供水。测试纯滞后盘管的滞后时间，用史密斯预估补偿算法对液位PID控制实现纯滞后补偿。 (4)设计控制程序和力控监控程序。 实现预期目标的可行性分析：
以WinCC作为OPC Server,以MATLAB/Simulink作为OPC Client,设置它们之间的OPC 通讯。通过OPC技术实现控制参数传递，先在Simulink平台下对系统进行控制，而后再在PLC中实现最终的控制。由于在本课题的设计过程中要涉及大量的运算，而在S7-300 PLC中有加减乘除、标度变换、定时中断等指令和功能模块，这就为控制算法的设计和实现奠定了基础。
力控监控程序设计将完成控制过程曲线监控和参数显示，这些将为滞后时间测试、控制算法设计提供原始数据。
1.3 本课题需要重点研究的、关键的问题及解决的思路
重点研究的、关键的问题：
(1)本课题需要重点研究的是设计制作1.2?15米纯滞后盘管，为单容水箱供水。测试纯滞后盘管的滞后时间。
(2)用史密斯预估补偿算法对液位PID控制实现纯滞后补偿，并设计控制程序和力
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控监控程序。
(3)PC侧与S7-300侧程序设计及控制参数的调试。 解决的思路：
PC侧用监控软件力控接收PLC侧信号，实现程序控制的目的。 思路如下：
(1)设计制作1.2?15米纯滞后盘管，为单容水箱供水。
(2)S7-300 PLC的组态和编程，程序使用模块化结构，周期性工作放在定时中断中执行。
(3) 根据监控结果来验证补偿效果，调整补偿参数直至达到控制要求。
1.4 纯滞后的产生
所谓纯滞后是在一种时间上的延迟，这种延迟是从引起动态要素变化的时刻到输出开始变化的时刻的这一段时间。存在时间延迟的对象就称为具有纯滞后的对象，简称为纯滞后对象或滞后对象，实际被控对象大多数都有纯滞后特性[2]。
在流程工业生产过程中，时滞现象普遍存在，亦表明其输出的趋势不仅依赖当前的状态，而且还依赖于过去的历史。其产生的原因在于被控对象的物理性质，以及实际系统变量的测量、传递和处理等方面的因素均可导致输出响应相对于输入的时间滞后现象。
比如在流体控制过程中，流体须通过管道的传输才能达到工艺设备，从而引起设备的操作发生改变，显然流体在管道传输的这段时间就是纯滞后时间。
1.5 史密斯补偿控制基本原理
史密斯(0．J．M．Smith)在1957年提出了一种预估补偿控制方案。它针对纯时滞系统中闭环特征方程含有纯滞后项，在PID反馈控制基础上，引入了一个预估补偿环节，从而使闭环特征方程不含纯时滞项，提高了控制质量。
纯滞后补偿控制的基本思路：在控制系统中某处采取措施（如增加环节，或增加控制支路等），使改变后系统的控制通道以及系统传递函数的分母不含有纯滞后环节，从而改善控制系统的控制性能及稳定性[3]。
2 课题设计中具体实验器材的选型
2.1 PLC及其模块的选型
考虑到西门子S7-300对模拟量处理能力非常强大，运算速度快。所以而最终选择了西门子S7-300。
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S7 系列PLC都采用了模块化硬件结构，S7-300主要由电源模块（PS）、中央处理单元（CPU）、信号模块（SM）、通信处理器（CP）、功能模块（FM）、接口模块（IM）组成。而在工程实际中对其的应用，最重要的是模块的选择。根据本次设计任务要求，我们用S7—300作制器来控制模拟量下水箱液位，所以主要涉及到模拟量模块的选型[4]。
模拟量模块选型时主要考虑的问题是通道数和模块分辨率。
本次设计所选用的是S7—300的模拟量输入模块SM334一组中四个输入，分辨率8位，屏蔽：最长200m。一组中两个输出，与负载电压隔离。
接线：如图1所示。用于电流测量和电压输出的4线制传感器
图1 SM334线制接线图
2.2 液位传感器选型
要将水箱液位信号反馈给调节器，就需要用到信号测量装置，也就是传感器。所以就会涉及到液位传感器的选型问题。在工程实际中液位传感器的选型最总要的也是考虑其精度是否满足控制要求。本次设计所用的实验台水箱高度为400mm。液位设定在250—350mm可调，稳态误差2%。
本次设计选用了HDB—E投入式压力传感器来测量液位。其量程是１m水柱，精度为1/1000。完全可以满足控制要求[5]。
2.3 调节阀的选型
调节阀是控制系统的执行机构，它接受控制器的命令执行控制任务。调节阀选择得合适与否，将直接关系都是否很好地起到控制作用。
最后根据控制要求和实验室自身资源，我们选择的是由上海万迅仪表有限公司生产
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的QSTP-16K型新型智能电动调节阀[6]。即可满足控制要求。
型号：QSTP-16K 公称通径：DN20mm 公称压力：1.6MPa 信号：4-20Madc 行程：16mm
2.4 智能仪表的选型
本次仪表选用AI808型号智能仪表，由于本次课程中用到的只是其水泵压力控制，数显功能，在此不做详细介绍。
3 单容水箱供水回路设计
3.1 单回路系统的结构组成
单回路反馈控制系统是应用最为广泛的一种控制系统，生产过程中70%-80%的控制系统都是单回路反馈控制系统。单回路反馈控制系统由四个基本环节组成，即被控对象,测量变送装置，控制器和控制阀。为了使单回路控制系统分析更具一般性，常常用下面的方块图来表示单回路反馈控制系统，且用字母表示图中的变量，如图2所示：
+ —控制器 控制阀 对象 液位传感器 图2 单回路反馈控制系统方框图
由单回路控制系统方块图可以看出，该系统中存在着一条从系统的输出端引向输入端的反馈通道，也就是说该系统中的控制器是根据被控变量的测量值与给定值的偏差来进行控制的。简单控制系统是实现生产过程自动化的基本单元、其结构简单、投资少、易于调整
和投运，能满足一般工业生产过程的控制要求、因此在工业生产小应用十分广泛，尤其适用于被控过程的纯滞后和惯性小、负荷和扰动变化比较平缓，或者控制质量要求不太高的场合。
[7]
单回路控制系统结构简单，所需自动控制装置少，投资比较低，操作维护比较方便，而且一般情况下都能满足控制质量的要求。因此，这种控制系统在生产过程控制中得到了广泛的应用。
根据其被控变量的类型不同，单回路控制系统可分为温度控制系统，压力控制系统，流量控制系统，液位控制系统，成分控制系统等。本章主要设计液位控制系统。
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3.2 液位单回路控制系统的硬件设计
此设计是以西门子S7—300PLC作控制器，液位传感器为检测装置，电动调节阀为执行器，下水箱为控制对象，而构成的液位单回路系统。液位单回路管道仪表流程图如图3所示：
图3 液位单回路管道仪表流程图
4 编程、监控软件简介及相关应用
4.1 PLC简介
PLC = Programmable Logic Controller，可编程逻辑控制器，一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算，顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。是工业控制的核心部分。PLC S7-300的CPU模块（简称为CPU）集成了过程控制功能，用于执行用户程序。每个CPU都有一个编程用的RS-485 接口，有的还带有集成的现场PROFIBUS-DP 接口或PtP（点对点）串行通讯接口，S7-300不需要附加任何硬件、软件和编程，就可以建立一个MPI(多点接口)网络，如果有PROFIBUS-DP接口，可以建立一个DP 网络。它由以下的几部分组成：电源模块（PS），中央处理单元（CPU），信号模块（SM），功能模块（FM），接口模块（IM）[8]。
PLC组态如图4所示：
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