工业自动化计算：PLC定时器的计算与优化

一、引言

在工业自动化领域，PLC（可编程逻辑控制器）起着至关重要的作用。PLC定时器是PLC编程中常用的功能之一，它能够精确地控制时间相关的操作，如延迟启动、定时循环等。正确地计算PLC定时器的参数以及对其进行优化，对于提高工业自动化系统的性能、降低成本、提高生产效率等有着不可忽视的意义。本文将深入探讨PLC定时器的计算原理、计算方法以及优化策略，并结合实际案例进行详细说明。

二、PLC定时器的基本原理

（一）PLC定时器的工作机制 PLC定时器本质上是一种基于内部时钟脉冲进行计数的功能模块。当定时器被启动时，它开始对内部时钟脉冲进行计数。这个内部时钟脉冲具有固定的周期，例如在某些PLC中，时钟脉冲周期可能为1ms、10ms或者100ms等。当计数达到预设的值时，定时器的输出状态就会发生改变，例如从断开变为闭合或者反之。

（二）定时器的类型

接通延时定时器（TON）这种定时器在输入信号变为高电平（接通）时开始计时，当计时达到预设值时，定时器的输出变为高电平。如果在计时过程中输入信号变为低电平（断开），定时器则停止计时并且复位。
断开延时定时器（TOF）与接通延时定时器相反，断开延时定时器在输入信号变为低电平（断开）时开始计时。当计时达到预设值时，定时器的输出变为低电平。在输入信号为高电平期间，定时器的输出保持为高电平。
保持型接通延时定时器（TONR）这种定时器在输入信号变为高电平（接通）时开始计时，即使在计时过程中输入信号变为低电平（断开），定时器也会保持当前的计时值。当输入信号再次变为高电平（接通）时，定时器会继续从上次的计时值开始计时，直到计时达到预设值，定时器的输出变为高电平。

三、PLC定时器的计算方法

（一）基于时间需求的计算

确定时间需求在计算PLC定时器之前，首先要明确实际应用中的时间需求。例如，在一个自动化流水线上，需要在某个设备启动后延迟5秒再启动下一个设备。这里的5秒就是我们的时间需求。
考虑时钟脉冲周期假设我们使用的PLC定时器的时钟脉冲周期为100ms。由于定时器是通过对时钟脉冲进行计数来实现计时功能的，所以我们需要将时间需求转换为时钟脉冲的个数。对于5秒（5000ms）的时间需求，时钟脉冲个数 = 5000 / 100 = 50个。
设置定时器的预设值根据计算得到的时钟脉冲个数，我们在PLC编程软件中设置定时器的预设值。例如，在西门子S7 - 200系列PLC中，对于TON定时器，我们将预设值设置为50（这里的预设值可能根据不同的PLC型号和编程方式有不同的表示形式，有些可能是直接设置时间值，而有些则是设置脉冲个数）。

（二）考虑定时器的精度和误差

精度影响因素 PLC定时器的精度受到时钟脉冲周期的影响。时钟脉冲周期越长，定时器的精度相对越低。例如，对于100ms时钟脉冲周期的定时器，其最小计时单位为100ms，无法实现更精确的计时。如果需要更高的计时精度，就需要选择时钟脉冲周期更短的定时器，如1ms时钟脉冲周期的定时器。
误差分析在实际应用中，由于PLC的扫描周期、程序执行顺序等因素，定时器可能会存在一定的误差。例如，当PLC的扫描周期较长时，定时器的计时可能会受到影响。假设PLC的扫描周期为20ms，在定时器计时过程中，如果刚好遇到PLC的扫描周期，可能会导致定时器的计时有一定的延迟。为了减少误差，可以采取优化PLC程序结构、缩短扫描周期等措施。

四、PLC定时器的优化策略

（一）合理选择定时器类型

根据实际应用场景选择在不同的工业自动化场景中，应根据具体的需求选择合适的定时器类型。例如，在一个需要对设备停止后进行延迟操作的场景中，如电机停止后延迟一段时间再关闭散热风扇，就应该选择断开延时定时器（TOF）。而在需要设备启动后延迟操作的场景中，如设备启动后延迟一段时间再进行自检，则应选择接通延时定时器（TON）。
考虑定时器的功能特点不同类型的定时器在功能上有各自的特点。例如，保持型接通延时定时器（TONR）适合用于需要累计计时的场景，如对设备的累计运行时间进行统计。在这种情况下，如果使用普通的接通延时定时器（TON），当设备在计时过程中出现短暂断电或者故障重启时，计时就会重新开始，无法实现累计计时的功能。

（二）优化定时器的参数设置

避免设置过大的预设值如果定时器的预设值设置过大，会导致定时器占用过多的PLC内存资源。例如，在一个不需要非常精确计时且时间需求较短的场景中，如果将定时器的预设值设置为一个非常大的值（如几个小时甚至几天的计时需求，而实际应用中只需要几秒或者几分钟），这不仅会浪费PLC的内存，还可能会影响PLC的整体运行效率。应该根据实际的时间需求尽可能精确地设置定时器的预设值。
根据实际情况调整时钟脉冲周期如前文所述，时钟脉冲周期会影响定时器的精度和效率。在一些对精度要求不是特别高但对效率要求较高的场景中，可以选择较长的时钟脉冲周期，以减少定时器的计数次数，提高PLC的运行速度。而在对精度要求较高的场景中，则应选择较短的时钟脉冲周期，同时要注意可能会带来的效率降低问题。

（三）采用定时器的组合应用

串联定时器的应用在某些复杂的工业自动化流程中，可以将多个定时器串联使用。例如，在一个自动化包装生产线中，首先需要对产品进行检测，检测合格后延迟2秒将产品送入下一个工序，在下一个工序中，设备需要预热10秒后才能开始工作。这里可以使用一个接通延时定时器（TON1）设置为2秒，当TON1计时结束后触发下一个工序的启动，同时在这个工序中使用另一个接通延时定时器（TON2）设置为10秒来实现设备预热。通过串联定时器，可以实现复杂的时间顺序控制。
并联定时器的应用并联定时器可以用于实现多个时间相关操作的并行控制。例如，在一个大型的工业控制系统中，有多个设备需要同时进行不同时间的延迟启动。设备A需要延迟3秒启动，设备B需要延迟5秒启动，设备C需要延迟8秒启动。可以使用三个接通延时定时器（TONA、TONB、TONC）分别设置为3秒、5秒和8秒，并且将它们的输入信号同时触发，这样就可以实现三个设备的并行延迟启动控制。

五、案例分析

（一）案例背景在一个汽车零部件生产车间，有一条自动化装配生产线。生产线中有一个工位是对零部件进行涂胶操作，涂胶设备在启动后需要等待胶水预热到合适的温度才能开始涂胶。胶水预热时间要求为1分钟，并且在涂胶过程中，如果出现故障停止涂胶，当故障排除后，需要重新等待10秒让胶水压力稳定后再继续涂胶。

（二）解决方案

对于胶水预热由于这是一个设备启动后的延迟操作，我们选择接通延时定时器（TON）。已知PLC的时钟脉冲周期为100ms，1分钟（60000ms）对应的时钟脉冲个数为60000 / 100 = 600个。在PLC编程中，将TON定时器的预设值设置为600。当涂胶设备启动信号触发时，定时器开始计时，当计时达到600个脉冲（即1分钟）时，定时器输出信号使胶水预热完成，可以开始涂胶操作。
对于故障排除后的胶水压力稳定这是一个设备重新启动后的延迟操作，同样选择接通延时定时器（TON）。10秒（10000ms）对应的时钟脉冲个数为10000 / 100 = 100个。设置一个新的TON定时器，预设值为100。当故障排除后设备重新启动信号触发时，这个定时器开始计时，计时达到100个脉冲（即10秒）时，定时器输出信号表示胶水压力稳定，可以继续涂胶操作。

（三）优化效果

通过合理选择定时器类型（接通延时定时器），准确地满足了胶水预热和故障排除后压力稳定的时间控制需求。
在计算定时器预设值时，根据时钟脉冲周期精确计算，避免了由于预设值设置不合理导致的时间控制不准确的问题。
采用两个独立的定时器分别控制胶水预热和故障排除后的压力稳定，使得整个涂胶操作的时间控制逻辑清晰，易于维护和调试。同时，如果在后续生产过程中需要调整胶水预热时间或者故障排除后的等待时间，只需要修改相应定时器的预设值即可，不需要对整个PLC程序进行大规模的修改。

六、结论

PLC定时器的计算与优化在工业自动化计算中是非常重要的环节。正确地计算定时器的参数能够确保工业自动化系统中时间相关操作的准确性，而对定时器的优化则可以提高系统的效率、降低成本、增强系统的稳定性和可维护性。通过深入了解PLC定时器的基本原理、计算方法和优化策略，并结合实际案例进行分析，工业自动化领域的工程师和技术人员可以更好地运用PLC定时器，从而提高整个工业自动化系统的性能，满足生产过程中的各种需求。在未来的工业自动化发展中，随着生产工艺的不断复杂和对生产效率要求的不断提高，PLC定时器的计算与优化技术也将不断发展和完善。