定时器与计数器指令：工业控制的时间与计数艺术

2026/01/14企业新闻新闻中心行业新闻 90

1. 定时器与计数器在工业控制中的核心地位

在现代工业自动化系统中，时间控制和数量统计是两大基础需求。定时器与计数器作为满足这些需求的核心指令，几乎出现在每一个PLC控制程序中。从简单的延时启动到复杂的多段速控制，从基本的产品计数到先进的生产批次管理，这些功能都离不开定时器和计数器的精确应用。

理解定时器和计数器的工作原理，掌握其编程技巧，是衡量PLC程序员专业水平的重要指标。本章将通过实际案例，深入解析这两类指令的高级应用。

2. PLC定时器指令深度解析

2.1 定时器的基本类型与工作原理

根据IEC 61131-3标准和各PLC厂商的实现，定时器主要分为以下几种类型：

接通延时定时器（TON – Timer ON Delay）

功能：输入条件成立后，定时器开始计时，达到预设时间后输出导通
特点：计时过程中输入断开则定时器复位
应用：设备启动延时、过程保持时间控制

断开延时定时器（TOF – Timer OFF Delay）

功能：输入条件从通到断时开始计时，达到预设时间后输出断开
特点：计时过程中输入重新接通则定时器立即复位
应用：设备停机延时、安全保持时间控制

保持型定时器（TP – Pulse Timer）

功能：输入条件接通瞬间产生一个固定宽度的脉冲输出
特点：输出脉冲宽度固定，不受输入条件变化影响
应用：信号脉冲生成、设备点动控制

累计定时器（TONR – Retentive Timer ON）

功能：累计输入条件成立的时间，即使中间断开也不清零
特点：需要专用复位指令才能清零
应用：设备累计运行时间、维护周期管理

2.2 定时器的数据结构与参数设置

以西门子S7-1200/1500系列为例，定时器的典型数据结构：

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TON_Instance : TON;
// 输入参数
TON_Instance.IN : BOOL;      // 使能输入
TON_Instance.PT : TIME;      // 预设时间值
// 输出参数
TON_Instance.Q : BOOL;       // 定时器输出
TON_Instance.ET : TIME;      // 当前计时值

时间值的表示方法：

T#500ms // 500毫秒
T#2s // 2秒
T#1m30s // 1分30秒
T#1h15m // 1小时15分钟
S5T#2s // 兼容S5系列的2秒表示

2.3 定时器应用案例精解

案例1：电机星三角启动的时序控制

星三角启动是三相异步电动机的常用降压启动方式，需要精确的时间控制完成星形到三角形的转换。

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// 网络1：启动命令与总控制
|   I0.0   |   I0.1   |   M0.0   |
|----| |----|/|---------(S)-----|
|              启动按钮  停止按钮  运行标志 |
|                                           |
|   I0.1   |           M0.0   |
|----| |---------(R)-----|
    停止按钮     复位运行标志

// 网络2：星形启动阶段
|   M0.0   |   T0.Q   |   Q0.0   |   Q0.1   |
|----| |----|/|----|/|---------( )-----|
|                                                      |
|   M0.0   |                    T0      |
|----| |-------------------(TON)-----|
    运行标志              T#5S
             星形运行定时器

// 网络3：三角形运行阶段
|   M0.0   |   T0.Q   |   Q0.0   |   Q0.2   |
|----| |----| |----|/|---------( )-----|
运行标志  星形时间到  星形输出  三角形输出

// 网络4：互锁保护
|   Q0.1   |   Q0.2   |
|----|/|----|/|---------( )-----|
星形输出  三角输出  主接触器

工作过程：

按下启动按钮I0.0，运行标志M0.0置位
主接触器Q0.2和星形接触器Q0.1得电，电机星形启动
同时定时器T0开始5秒计时
5秒后T0输出导通，星形接触器Q0.1断开，三角形接触器Q0.0得电
电机转入三角形运行模式
停止按钮I0.1可随时中断运行

案例2：自动包装线的定时灌装控制

在液体灌装生产线上，需要根据灌装时间控制灌装量，保证每瓶产品重量一致。

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// 网络1：灌装启动控制
|   I0.2   |   T1.Q   |   M0.1   |
|----| |----|/|---------(S)-----|
灌装位置  灌装完成  灌装进行中

// 网络2：灌装时间控制
|   M0.1   |           T1      |
|----| |-------------------(TON)-----|
             预设时间根据产品设置
             PT := "Product_Time".Value

// 网络3：大流量灌装阶段（前80%时间）
|   M0.1   |   T2.Q   |   Q0.3   |
|----| |----|/|---------( )-----|
|                                            |
|   M0.1   |           T2      |
|----| |-------------------(TON)-----|
             PT := T1.PT * 80%

// 网络4：小流量灌装阶段（后20%时间）
|   M0.1   |   T2.Q   |   Q0.4   |
|----| |----| |---------( )-----|
灌装进行中  大流量时间到  小流量阀

// 网络5：灌装完成处理
|   T1.Q   |   M0.1   |   M0.2   |
|----| |---------(R)---------(S)-----|
灌装时间到  复位灌装中  设置完成标志

// 网络6：完成信号输出
|   M0.2   |           T3      |   Q0.5   |
|----| |-------------------(TP)---------( )-----|
完成标志      T#500ms       灌装完成信号
              脉冲定时器

关键技术点：

使用两级灌装（先大流量后小流量）提高精度
预设时间存储在数据块中，可根据产品类型调整
灌装完成输出脉冲信号，通知传送带移动

案例3：设备周期性维护提醒

基于累计运行时间，在需要维护时提醒操作人员。

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// 网络1：设备运行时间累计
|   Q0.0   |         TONR_Instance      |
|----| |-------------------[TONR]-----|
电机运行           PT := T#500h    // 维护间隔
                   IN   Q   ET

// 网络2：维护提醒触发
| TONR_Instance.Q |   I0.3   |   M1.0   |
|---------| |---------|/|---------(S)-----|
累计时间到     确认按钮   维护提醒标志

// 网络3：声光报警输出
|   M1.0   |   M1.1   |   Q1.0   |
|----| |----|/|---------( )-----|
|                                            |
|   M1.0   |           T4      |   Q1.1   |
|----| |-------------------(TP)---------( )-----|
维护提醒      T#1s     闪烁周期   维护指示灯
              脉冲定时器

// 网络4：报警确认与复位
|   I0.3   |   M1.0   | TONR_Instance |
|----| |----| |---------[   ]-----|
确认按钮   维护提醒      RESET
                    复位累计定时器

3. PLC计数器指令深度解析

3.1 计数器的基本类型与工作原理

加计数器（CTU – Count Up）

功能：每个上升沿使计数值加1
复位：R输入为1时，计数值清零
应用：产品计数、生产批次统计

减计数器（CTD – Count Down）

功能：每个上升沿使计数值减1
装载：LD输入为1时，计数值设为预设值
应用：物料消耗计数、剩余数量显示

加减计数器（CTUD – Count Up/Down）

功能：根据CU和CD输入进行加减计数
特点：可同时实现加法和减法计数
应用：仓库库存管理、工位物料平衡

3.2 计数器的数据结构与参数设置

典型加减计数器的数据结构：

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CTUD_Instance : CTUD;
// 输入参数
CTUD_Instance.CU : BOOL;     // 加计数输入
CTUD_Instance.CD : BOOL;     // 减计数输入
CTUD_Instance.R : BOOL;      // 复位输入
CTUD_Instance.LD : BOOL;     // 装载输入
CTUD_Instance.PV : INT;      // 预设值
// 输出参数
CTUD_Instance.Q : BOOL;      // 计数达到输出
CTUD_Instance.CV : INT;      // 当前计数值

3.3 计数器应用案例精解

案例1：自动装配线的产品计数与包装

在装配线末端，需要对成品进行计数，每满一定数量自动包装。

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// 数据块定义
TYPE Product_Data :
STRUCT
    Total_Count : DINT;      // 总产量
    Batch_Size : INT := 12;  // 每箱数量
    Batch_Count : INT;       // 当前箱计数
    Box_Number : INT;        // 箱号
END_STRUCT
END_TYPE

VAR_GLOBAL
    Line1_Data : Product_Data;
END_VAR

// 网络1：产品检测与总计数
|   I0.4   |   C1     |
|----| |----[CTU]-----|
产品传感器      PV := 999999
                CU   CV   Q

// 网络2：总产量记录
|   C1.CU  |         ADD       |
|----| |-----[   ]-----|
加计数脉冲     IN1: Line1_Data.Total_Count
               IN2: 1
              OUT: Line1_Data.Total_Count

// 网络3：箱内计数
|   I0.4   |   C2     |
|----| |----[CTU]-----|
产品传感器      PV := Line1_Data.Batch_Size
                CU   CV   Q

// 网络4：满箱检测与包装启动
|   C2.Q   |   M2.0   |
|----| |---------(S)-----|
箱满标志     包装启动标志

// 网络5：包装机控制
|   M2.0   |           T5      |   Q2.0   |
|----| |-------------------(TON)---------( )-----|
包装启动      T#3S         包装机运行
               包装时间

// 网络6：包装完成处理
|   T5.Q   |   C2     |   M2.0   |
|----| |-----[R]---------(R)-----|
包装时间到     复位箱计数器  复位包装标志

// 网络7：箱号更新
|   T5.Q   |         ADD       |
|----| |-----[   ]-----|
包装完成     IN1: Line1_Data.Box_Number
             IN2: 1
            OUT: Line1_Data.Box_Number

案例2：立体仓库货位管理

使用加减计数器管理仓库中每个货位的库存数量。

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// 货位数据结构
TYPE Storage_Cell :
STRUCT
    Cell_ID : INT;           // 货位编号
    Max_Capacity : INT := 50;// 最大容量
    Current_Stock : INT;     // 当前库存
    In_Count : CTUD;         // 入库计数器
    Out_Count : CTUD;        // 出库计数器
    Status : WORD;           // 状态字
END_STRUCT
END_TYPE

// 网络1：1号货位入库计数
|   I1.0   |   Cell1.In_Count |
|----| |-------[CTUD]-----|
入库传感器     CU   CV   Q
              PV := Cell1.Max_Capacity

// 网络2：1号货位出库计数
|   I1.1   |   Cell1.Out_Count |
|----| |-------[CTUD]-----|
出库传感器     CD   CV   Q

// 网络3：实时库存计算
|  Always_ON  |   Cell1.Current_Stock  |
|------| |---------:= Cell1.In_Count.CV - 
                           Cell1.Out_Count.CV;

// 网络4：库存状态判断
// 库存充足（>最低库存）
|   Cell1.Current_Stock |   Compare1 |
|---------|>|-------------[   ]-----|
             IN1: Cell1.Current_Stock
             IN2: 10    // 最低库存
             OUT -> Cell1.Status.0

// 库存高位（>90%容量）
|   Cell1.Current_Stock |   Compare2 |
|---------|>|-------------[   ]-----|
             IN1: Cell1.Current_Stock
             IN2: Cell1.Max_Capacity * 0.9
             OUT -> Cell1.Status.1

// 库存空（=0）
|   Cell1.Current_Stock |   Compare3 |
|---------|=|-------------[   ]-----|
             IN1: Cell1.Current_Stock
             IN2: 0
             OUT -> Cell1.Status.2

案例3：生产线工位节拍控制与效率统计

通过计数器实现生产节拍监控和效率分析。

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// 网络1：生产节拍定时
|   I2.0   |           T10     |
|----| |-------------------(TON)-----|
生产开始      PT := T#30S    // 标准节拍
               节拍定时器

// 网络2：节拍超时检测
|   T10.Q  |   M3.0   |
|----| |---------(S)-----|
节拍超时     超时标志

// 网络3：正常完成计数
|   I2.1   |   T10.Q   |   C10    |
|----| |----|/|----[CTU]-----|
完成信号   未超时     正常完成计数
                   CU   CV   Q
                   PV := 99999

// 网络4：超时完成计数
|   I2.1   |   T10.Q   |   C11    |
|----| |----| |----[CTU]-----|
完成信号   已超时     超时完成计数

// 网络5：效率统计计算（每小时）
|   T11.Q  |   Calc_Efficiency |
|----| |-------[   ]-----|
小时脉冲     功能块调用

// 效率计算功能块
FUNCTION_BLOCK Calc_Efficiency
VAR_INPUT
    Total_OK : INT;      // 总合格数
    Total_NG : INT;      // 总不合格数
    Total_Timeout : INT; // 总超时数
END_VAR
VAR_OUTPUT
    Efficiency : REAL;   // 综合效率
    OEE : REAL;          // 设备综合效率
END_VAR
VAR
    Total_Output : INT;
END_VAR

// 计算逻辑
Total_Output := Total_OK + Total_NG;
IF Total_Output > 0 THEN
    Efficiency := (Total_OK / Total_Output) * 100.0;
    // OEE = 时间开动率 × 性能开动率 × 合格品率
    OEE := (Time_Running / Time_Total) * 
           (Ideal_Cycle_Time * Total_OK / Time_Running) *
           (Total_OK / Total_Output) * 100;
END_IF;

4. 定时器与计数器的复合应用

案例：自动混料系统的配方控制

在化工、食品等行业，需要按照配方精确控制多种物料的添加时间和数量。

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// 配方数据结构
TYPE Recipe_Step :
STRUCT
    Material_ID : INT;      // 物料编号
    Add_Time : TIME;        // 添加时间
    Quantity : INT;         // 添加数量
    Mix_Time : TIME;        // 混合时间
    Next_Step : INT;        // 下一步序号
END_STRUCT
END_TYPE

VAR_GLOBAL
    Current_Recipe : ARRAY[1..10] OF Recipe_Step;
    Current_Step : INT := 1;
    Step_Timer : TON;
    Material_Counter : CTU;
END_VAR

// 网络1：混料过程主控
|   I3.0   |   I3.1   |   M4.0   |
|----| |----|/|---------(S)-----|
启动按钮   急停按钮   混料进行中

// 网络2：步骤执行控制
|   M4.0   |   M4.1   |   Step_Timer |
|----| |----|/|-------[TON]-----|
混料进行中  步骤完成   IN   Q   ET
                    PT := Current_Recipe[Current_Step].Add_Time

// 网络3：物料添加控制
| Step_Timer.IN |   T12.Q   |   Q3.0   |
|-------| |---------|/|---------( )-----|
步骤进行中     加料脉冲   阀1控制
               |                       |
| Step_Timer.IN |           T12     |
|-------| |-------------------(TP)-----|
              PT := T#200ms  // 脉冲宽度
              脉冲发生器

// 网络4：物料计数
|   T12.Q   |   Material_Counter |
|----| |-------[CTU]-----|
加料脉冲      CU   CV   Q
              PV := Current_Recipe[Current_Step].Quantity

// 网络5：数量达到检测
| Material_Counter.Q |   M4.1   |
|----------| |---------(S)-----|
数量达到      步骤完成标志

// 网络6：步骤切换
|   M4.1   |         ADD         |   Current_Step  |
|----| |-----[   ]-------------------:= ----------|
步骤完成     IN1: Current_Step
             IN2: 1
            OUT: 临时变量

// 网络7：混合阶段控制
|   M4.1   |   M4.2   |   T13    |
|----| |----|/|-------[TON]-----|
步骤完成   混合完成  混合定时器
                    PT := Current_Recipe[Current_Step].Mix_Time

// 网络8：混合器控制
|   T13.IN |   Q3.1   |
|----| |---------( )-----|
混合进行中   混合电机

// 网络9：过程完成判断
|   Current_Step |   Compare_End |
|---------|>|-------------[   ]-----|
当前步骤号      IN1: Current_Step
               IN2: 10   // 总步骤数
              OUT -> M4.3  // 过程完成

5. 高级应用与优化策略

5.1 多定时器协同工作

案例：交通信号灯控制
使用多个定时器实现复杂的时序控制，包括主灯时间、黄灯时间、全红时间等。

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// 交通灯时序控制
VAR
    Main_Green_Timer : TON;     // 主绿灯时间
    Main_Yellow_Timer : TON;    // 主黄灯时间
    Side_Green_Timer : TON;     // 支路绿灯时间
    Side_Yellow_Timer : TON;    // 支路黄灯时间
    All_Red_Timer : TON;        // 全红时间
    Phase : INT;                // 相位控制
END_VAR

// 相位1：主路绿灯，支路红灯
|   Phase=1  | Main_Green_Timer |
|----| |---------[TON]-----|
             PT := T#30S

// 相位2：主路黄灯，支路红灯
| Main_Green_Timer.Q | Main_Yellow_Timer |
|----------| |---------[TON]-----|
                PT := T#5S

// 相位3：全红过渡
| Main_Yellow_Timer.Q | All_Red_Timer |
|------------| |---------[TON]-----|
                   PT := T#2S

// 相位4：支路绿灯，主路红灯
| All_Red_Timer.Q | Side_Green_Timer |
|--------| |---------[TON]-----|
             PT := T#20S

// 相位5：支路黄灯，主路红灯
| Side_Green_Timer.Q | Side_Yellow_Timer |
|-----------| |---------[TON]-----|
                 PT := T#5S

// 相位6：全红过渡
| Side_Yellow_Timer.Q | All_Red_Timer |
|-------------| |---------[TON]-----|
                    PT := T#2S

// 相位切换逻辑
CASE Phase OF
1: IF Main_Green_Timer.Q THEN Phase := 2; END_IF;
2: IF Main_Yellow_Timer.Q THEN Phase := 3; END_IF;
3: IF All_Red_Timer.Q THEN Phase := 4; END_IF;
4: IF Side_Green_Timer.Q THEN Phase := 5; END_IF;
5: IF Side_Yellow_Timer.Q THEN Phase := 6; END_IF;
6: IF All_Red_Timer.Q THEN Phase := 1; END_IF;
END_CASE;

5.2 计数器的批量操作

案例：生产批次管理
使用计数器数组管理多条生产线的批次信息。

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// 生产线数据数组
VAR
    Line_Counter : ARRAY[1..5] OF CTU;  // 5条生产线计数器
    Batch_Size : ARRAY[1..5] OF INT := [100, 150, 200, 120, 180];
    Batch_Complete : ARRAY[1..5] OF BOOL;
    Total_Production : DINT := 0;
END_VAR

// 循环处理所有生产线
FOR i := 1 TO 5 DO
    // 设置各线批次大小
    Line_Counter[i].PV := Batch_Size[i];
    
    // 检测批次完成
    Batch_Complete[i] := Line_Counter[i].Q;
    
    // 累计总产量
    IF Line_Counter[i].CU THEN
        Total_Production := Total_Production + 1;
    END_IF;
    
    // 批次完成处理
    IF Batch_Complete[i] THEN
        // 触发包装
        Batch_Pack_Request[i] := TRUE;
        // 重置计数器
        Line_Counter[i].R := TRUE;
    ELSE
        Line_Counter[i].R := FALSE;
    END_IF;
END_FOR;

5.3 性能优化与注意事项

定时器资源管理
- 优先使用多实例定时器而非多个独立定时器
- 合理选择时间基值，避免不必要的精度损失
- 对于长定时（小时级以上），考虑使用时钟脉冲+计数器组合
计数器精度选择
- 根据计数范围选择适当的数据类型（INT/DINT）
- 对于高速计数，使用专用高速计数器模块
- 考虑计数器溢出处理机制
抗干扰设计
- 输入信号增加软件滤波，防止误计数
- 关键计数过程增加校验机制
- 定期备份计数值到非易失存储器
调试与监控
- 为重要定时器/计数器添加详细注释
- 建立状态监控界面，实时显示关键参数
- 实现历史数据记录和趋势分析功能