工业自动化计算：PLC定时器的精确计时计算

一、引言

在工业自动化领域，可编程逻辑控制器（PLC）起着至关重要的作用。PLC中的定时器是实现各种定时操作的关键组件，例如控制设备的启动时间、停止时间、循环周期等。然而，要实现精确的定时操作并非易事，这需要对PLC定时器的计时计算有深入的理解。本文将详细介绍PLC定时器的精确计时计算方法，并通过实际案例展示如何解决相关问题。

二、PLC定时器的基本原理

（一）定时器类型

PLC中常见的定时器类型有接通延时定时器（TON）、断开延时定时器（TOF）和保持型接通延时定时器（TONR）等。

  1. 接通延时定时器（TON）
    • 当定时器的输入信号从低电平变为高电平时，定时器开始计时。
    • 当计时达到预设值时，定时器的输出信号变为高电平。
  2. 断开延时定时器（TOF）
    • 当定时器的输入信号从高电平变为低电平时，定时器开始计时。
    • 当计时达到预设值时，定时器的输出信号变为低电平。
  3. 保持型接通延时定时器（TONR）
    • 这种定时器在输入信号为高电平时持续计时，即使输入信号在计时过程中短暂断开，定时器也会保持已计时的值，当输入信号再次为高电平时继续计时，直到达到预设值。

（二）定时器的计时单位

不同的PLC型号，其定时器的计时单位可能不同。常见的计时单位有毫秒（ms）、秒（s）、分（min）等。例如，西门子S7 - 200系列PLC的定时器T32和T96的计时单位为1ms，而T33 - T36、T97 - T100的计时单位为10ms等。

三、PLC定时器精确计时计算

（一）影响计时精度的因素

  1. 程序扫描周期
    • PLC采用循环扫描的工作方式，程序的执行是按照一定的顺序周期性进行的。程序扫描周期会影响定时器的计时精度。如果在定时器计时过程中，程序扫描周期发生变化，可能会导致计时误差。
    • 例如，假设一个定时器的预设值为100ms，计时单位为10ms，理论上应该在10个计时单位后定时器输出信号改变。但是如果程序扫描周期较长，可能会导致定时器的计时被延迟，从而影响计时精度。
  2. 外部干扰
    • 工业环境中存在各种电磁干扰等外部因素。这些外部干扰可能会影响定时器的输入信号或者PLC内部的计时电路，从而导致计时误差。
    • 比如，附近的大型电机启动时产生的电磁干扰可能会使定时器的输入信号产生抖动，或者干扰PLC内部的时钟信号，使计时不准确。

（二）精确计时计算方法

  1. 考虑程序扫描周期的计时计算
    • 假设程序扫描周期为T_scan，定时器的预设值为T_preset，计时单位为T_unit。
    • 为了补偿程序扫描周期对计时的影响，实际的预设值T_actual_preset应该满足以下公式：
    • T_actual_preset=(T_preset/T_unit)+(T_scan/T_unit)（向上取整）
    • 例如，某PLC的程序扫描周期T_scan = 5ms，定时器的预设值T_preset = 50ms，计时单位T_unit = 10ms。
    • 根据公式，T_actual_preset=(50/10)+(5/10)=5.5（向上取整），T_actual_preset = 6。
    • 即实际设置的定时器预设值应该为6个计时单位，也就是60ms。
  2. 考虑外部干扰的计时调整
    • 当存在外部干扰时，需要对定时器的计时进行适当的调整。一种方法是通过多次测量取平均值的方式来确定干扰对计时的影响程度。
    • 例如，在没有干扰的情况下，测量定时器从开始计时到输出信号改变的时间为T1，在存在干扰的情况下，多次测量得到的时间分别为T21、T22、T23等。
    • 计算平均干扰时间ΔT=(T21 + T22+T23 - n*T1)/n（n为测量次数）。
    • 然后在设置定时器预设值时，将预设值调整为T_preset_adjusted=T_preset+ΔT。

四、实际案例分析

（一）案例背景

在一个自动化流水生产线上，有一个设备需要在特定的时间间隔内进行物料推送操作。该设备由PLC控制，使用定时器来确定物料推送的时间间隔。要求物料推送的时间间隔精确控制在150ms，计时单位为10ms。

（二）问题分析

  1. 在初步测试中发现，物料推送的时间间隔存在较大的波动，有时会提前，有时会延迟，不能满足精确控制在150ms的要求。
  2. 经过分析，发现主要原因是程序扫描周期的影响以及附近电机启动时产生的电磁干扰。

（三）解决方案

  1. 计算程序扫描周期的影响
    • 测量得到程序扫描周期T_scan = 8ms。
    • 根据前面提到的公式，T_actual_preset=(150/10)+(8/10)=15.8（向上取整），T_actual_preset = 16。
    • 即实际设置定时器的预设值为16个计时单位，也就是160ms。
  2. 考虑外部干扰的调整
    • 通过多次测量（n = 10次），在电机启动时的干扰情况下，得到的时间分别为165ms、170ms、162ms等。
    • 在没有干扰时，测量得到的时间T1 = 160ms。
    • 根据公式计算平均干扰时间ΔT=(165 + 170+162 - 10*160)/10 = 3ms。
    • 最终调整后的定时器预设值T_preset_adjusted=160 + 3=163ms。

（四）结果验证

经过上述调整后，再次进行物料推送操作测试。测试结果显示，物料推送的时间间隔稳定在163ms左右，满足了生产线上对物料推送时间间隔精确控制的要求。

五、结论

在工业自动化计算中，PLC定时器的精确计时计算对于实现精确的控制操作至关重要。通过深入理解影响计时精度的因素，如程序扫描周期和外部干扰等，并采用相应的精确计时计算方法，可以有效地提高PLC定时器的计时精度。在实际应用中，需要根据具体的情况，如PLC型号、工业环境等，灵活运用这些计算方法来解决实际问题，从而保证工业自动化系统的稳定运行。

在未来的工业自动化发展中，随着技术的不断进步，对于PLC定时器的计时精度要求可能会更高。例如，在一些高速生产线上或者对时间要求极为苛刻的工艺过程中，可能需要更加精确的计时计算方法和更先进的抗干扰技术。因此，持续研究和改进PLC定时器的精确计时计算仍然是工业自动化领域的一个重要课题。