ST定时器应用：TON、TOF、TP在ST中的指令调用与参数设置

在结构化文本（Structured Text，ST）编程中，定时器是实现时间逻辑控制的核心元件。无论是在输送线启停延时、电机冷却等待，还是安全回路确认延时等场景中，TON（接通延时）、TOF（断开延时）、TP（脉冲定时器）这三类基本定时器都承担着不可替代的角色。它们不是“黑箱函数”，而是具备明确定义的输入、输出、内部状态和触发行为的标准化功能块。本文将完全基于IEC 61131-3标准，以纯文字方式手把手说明：如何在ST中声明、调用、配置参数并验证行为这三类定时器，所有操作均可在任意支持ST的PLC平台（如Codesys、TIA Portal ST编辑器、Unity Pro ST环境）中直接复现。

一、定时器本质：不是“计时工具”，而是“带时间属性的状态机”

在ST中，TON、TOF、TP不是指令（instruction），而是预定义的功能块（Function Block, FB）。这意味着：

每次使用都必须先声明实例（不能像+或AND那样直接嵌入表达式）；
每个实例拥有独立的内部数据（如当前时间值、完成标志）；
所有输入/输出引脚均为BOOL或TIME类型，无隐式类型转换；
它们的行为由IEC 61131-3标准严格定义，与厂商无关。

务必记住：声明实例名 ≠ 调用功能块。声明只是分配内存，真正触发执行必须在程序主体中通过()显式调用。

二、TON：接通延时定时器——“输入变真后，等够时间才输出变真”

TON在输入IN从FALSE变为TRUE时开始计时，当累计时间≥设定值PT时，输出Q置为TRUE，且ET（已过时间）持续更新。一旦IN变回FALSE，Q立即变FALSE，ET清零。

2.1 声明TON实例

在变量声明区（VAR或VAR_GLOBAL）中写：

myTon1 : TON;   // 最简声明：使用默认数据类型
// 或显式声明（推荐，避免隐式类型歧义）
ton_conveyor_start : TON;
ton_door_lock_delay : TON;

✅ 正确：TON是标准功能块名，首字母大写，无括号。
❌ 错误：TON()（语法错误）、ton()（小写，非标准）、TON(PT:=T#5S)（声明区不允许赋初值）。

2.2 在ST程序体中调用并设置参数

在PROGRAM或FUNCTION_BLOCK的主体代码中：

ton_conveyor_start(IN := start_button AND not conveyor_running, 
                   PT := T#3.5S);

IN：布尔型触发条件。必须为纯布尔表达式，不可为整数或字符串。
PT：TIME类型设定时间。必须使用标准时间常量格式：
- T#5S（5秒）、T#100MS（100毫秒）、T#2M（2分钟）、T#1H（1小时）；
- ❌ 禁止：5000（无单位）、"5S"（字符串）、TIME#5000（非法格式）。

Q和ET是只读输出，不可在调用语句中赋值，只能在后续语句中读取：

IF ton_conveyor_start.Q THEN
    conveyor_running := TRUE;
END_IF;
// ET值可读取用于诊断（如超时报警）
IF ton_conveyor_start.ET > T#4S THEN
    timeout_alarm := TRUE;
END_IF;

2.3 关键行为验证点

若IN在计时期间变为FALSE：Q立即FALSE，ET归零；
若IN保持TRUE但PT被动态修改（如PT := T#10S）：计时器重置并按新PT重新开始计时；
ET值始终反映本次有效触发后的实际流逝时间，单位为TIME，可参与比较运算（如ET >= T#2S）。

三、TOF：断开延时定时器——“输入变假后，再维持输出真一段时间”

TOF在输入IN从TRUE变为FALSE时启动计时，Q保持TRUE直至ET ≥ PT；若IN在计时期间重新变TRUE，则Q立即变TRUE且ET清零。

3.1 声明与调用

// 声明
fan_cooling_timer : TOF;

// 调用（放在主程序循环中）
fan_cooling_timer(IN := fan_running, PT := T#60S);

⚠️ 注意：IN应接设备“运行中”信号（高电平有效），而非“停止按钮”。因为TOF的逻辑是：“运行信号消失后，继续冷却N秒”。

3.2 典型应用逻辑链

// 主逻辑：按下停止按钮 → 切断风扇供电 → 启动TOF
IF stop_button THEN
    fan_power := FALSE;
END_IF;

// TOF输入接风扇实际运行状态（反馈信号更可靠）
fan_cooling_timer(IN := fan_feedback, PT := T#60S);

// 输出控制冷却风机
cooling_fan := fan_cooling_timer.Q; // 60秒内保持真

// 安全兜底：TOF超时后强制关冷却
IF fan_cooling_timer.ET >= T#60S THEN
    cooling_fan := FALSE;
END_IF;

3.3 行为边界测试

初始IN=FALSE：Q=FALSE，ET=0；
IN由FALSE→TRUE：Q立即TRUE，ET保持0；
IN由TRUE→FALSE：Q保持TRUE，ET从0开始累加；
计时期间IN再次TRUE：Q立即TRUE，ET归零，重新等待下次断开。

四、TP：脉冲定时器——“输入上升沿触发，固定宽度输出脉冲”

TP在IN的上升沿（FALSE→TRUE）瞬间，立即将Q置TRUE，并开始计时；当ET ≥ PT时，Q自动变FALSE。IN后续状态不影响已触发的脉冲。

4.1 声明与调用

// 声明
pulse_light_200ms : TP;

// 调用（关键：必须确保IN是边沿敏感信号）
pulse_light_200ms(IN := rising_edge_sensor, PT := T#200MS);

4.2 上升沿检测的ST实现（必备前置）

TP本身不检测边沿，需外部提供单周期脉冲作为IN：

// 边沿检测变量声明（VAR）
last_sensor_state : BOOL;
sensor_rising : BOOL;

// 主程序中
sensor_rising := sensor_input AND NOT last_sensor_state;
last_sensor_state := sensor_input;

// 再将sensor_rising接入TP
pulse_light_200ms(IN := sensor_rising, PT := T#200MS);

4.3 应用示例：按键防抖与指示灯闪烁

// 防抖后按键信号驱动TP，生成精确200ms指示灯脉冲
led_pulse := pulse_light_200ms.Q;

// 复位TP（可选）：当需要手动终止脉冲时，可将IN置FALSE
// 但注意：TP一旦触发，无法中途取消，只能等自然结束或重启

✅ TP唯一强制要求：IN必须是宽度≤1个扫描周期的脉冲，否则可能重复触发。

五、三类定时器核心参数对比表

特性	TON（接通延时）	TOF（断开延时）	TP（脉冲定时器）
触发条件	`IN`由`FALSE→TRUE`	`IN`由`TRUE→FALSE`	`IN`的上升沿
Q初始状态	`FALSE`	`TRUE`（当`IN=TRUE`时）	`FALSE`
Q动作时机	`ET ≥ PT`时变`TRUE`	`ET ≥ PT`时变`FALSE`	上升沿即变`TRUE`，`ET≥PT`时变`FALSE`
ET清零时机	`IN=FALSE`时	`IN=TRUE`时	每次上升沿触发时
PT修改影响	立即重置，按新值重计时	立即重置，按新值重计时	立即重置，按新值重计时
典型用途	启动延时、预热等待	停机冷却、安全延时释放	指示灯脉冲、通信握手信号

六、常见错误与规避方法

错误：在声明区给PT赋值
```
bad_ton : TON := (PT := T#5S); // ❌ ST语法错误：声明区不可初始化FB
```
✅ 正确：在调用语句中传参，或在首次扫描时用IF NOT first_scan THEN ... END_IF赋初值。
错误：混淆TON与TOF的IN信号源
- 用启动按钮直接接TON IN ✅；
- 用启动按钮直接接TOF IN ❌（会导致一按就启动，松开即延时关，逻辑错乱）。

错误：对TP的IN使用长信号

pulse_tp(IN := motor_running, ...); // ❌ motor_running可能持续数分钟，TP会每周期触发一次

✅ 必须前置边沿检测，确保IN是单周期脉冲。

错误：未声明实例直接调用
```
TON(IN := x, PT := T#1S); // ❌ 缺少实例名，编译失败
```
✅ 必须先声明（如my_ton : TON;），再调用（my_ton(IN := x, ...);）。
错误：ET参与布尔运算不加比较
```
IF my_ton.ET THEN ... END_IF; // ❌ ET是TIME类型，非BOOL，语法错误
```
✅ 必须显式比较：IF my_ton.ET >= T#2S THEN ... END_IF。

七、高级技巧：定时器级联与复位控制

7.1 级联实现长延时（突破单定时器最大PT限制）

PLC定时器PT上限通常为T#2H46M30S（取决于平台），若需T#10H：

// 第一级：2小时定时
ton_2h(IN := start_long_delay, PT := T#2H);
// 第二级：触发条件为第一级Q的上升沿
ton_10h(IN := ton_2h.Q AND NOT ton_2h_last_q, 
        PT := T#8H);
ton_2h_last_q := ton_2h.Q;

7.2 强制复位定时器（非标准但实用）

IEC标准未定义复位引脚，但可通过赋值清零内部状态：

// 在需要硬复位时执行（如急停触发）
IF emergency_stop THEN
    ton_conveyor_start(IN := FALSE, PT := ton_conveyor_start.PT);
    // 或更彻底：重新声明实例（部分平台支持）
END_IF;

八、调试建议：用变量监控替代“看波形”

由于无图形界面，ST调试依赖变量观测：

将ton_xxx.Q、ton_xxx.ET、ton_xxx.IN全部加入在线监控表；
使用TIME_TO_DINT(ton_xxx.ET)转换为毫秒整数，便于数值比对；
对TP，监控IN信号宽度（用两个相邻扫描周期的布尔值判断是否单周期）；
在HMI上显示ET值（格式化为STRING）是最直观的现场验证方式。

九、总结性行为公式（仅当文字描述不足时引入）

TON的输出逻辑可形式化为：
$$Q_{\text{TON}}(t) = \begin{cases} \text{TRUE}, & \text{if } \exists\, t_0 < t \text{ such that } IN(t_0)=\text{FALSE} \land IN(t_0^+)=\text{TRUE} \\ & \text{and } \int_{t_0}^{t} IN(\tau)\,d\tau \geq PT \\ \text{FALSE}, & \text{otherwise} \end{cases}$$

TOF的输出逻辑：
$$Q_{\text{TOF}}(t) = \begin{cases} \text{TRUE}, & \text{if } IN(t)=\text{TRUE} \\ & \text{or } \left[ IN(t)=\text{FALSE} \land \int_{t}^{t_{\text{off}}} \neg IN(\tau)\,d\tau < PT \right] \\ \text{FALSE}, & \text{otherwise} \end{cases}$$

TP的输出逻辑（设上升沿发生在$t_0$）：
$$Q_{\text{TP}}(t) = \begin{cases} \text{TRUE}, & t_0 \leq t < t_0 + PT \\ \text{FALSE}, & \text{otherwise} \end{cases}$$

这些公式不是编程必需，但能帮你穿透表面语法，直击IEC标准定义的本质。