每周一个编程小例子：速率限制器

By jzgkchina

July 25, 2026

引言

在工业自动化中，数据的稳定性和可靠性至关重要。快速变化的数据可能会导致系统的不稳定性或故障。为了解决这个问题，我们引入了速率限制器，它可以限制输入信号的变化速率，从而使输出更平稳。本文将详细介绍 PLC 功能块FB_RateLimiter，它能够根据设定的上升和下降速率限制输入值的变化，并保持输出的平滑性。

程序代码及介绍

下面是完整的 PLC 程序代码(代码基于 CodeSys 平台的 ST 语言)：


FUNCTION_BLOCK FB_RateLimiter
VAR_INPUT
    Input : REAL;          // 输入值
    RiseRate : REAL;       // 上升速率（单位/秒）
    FallRate : REAL;       // 下降速率（单位/秒）
    Reset : BOOL;          // 复位（输出=输入）
END_VAR
VAR_OUTPUT
    Output : REAL;         // 输出值
END_VAR
VAR
    LastTime : ULINT;         // 上次时间
    LastOutput : REAL;     // 上次输出
    CurrentTimeMs : ULINT; // 当前时间（毫秒）
    TimeDiff : REAL;        // 时间差（秒）
    MaxChange : REAL;       // 最大变化量
    Change : REAL;          // 实际变化量
END_VAR
// 复位
IF Reset THEN
    Output := Input;
    LastOutput := Input;
    GetSystemTime(udiTimeMs => CurrentTimeMs, uliTimeUs => , uliTimeNs => );
    LastTime := CurrentTimeMs;
    RETURN;
END_IF
// 计算时间差
GetSystemTime(udiTimeMs => CurrentTimeMs, uliTimeUs => , uliTimeNs => );
TimeDiff := ULINT_TO_REAL(CurrentTimeMs - LastTime) / 1000;
IF TimeDiff > 0 THEN
    // 计算允许的变化量
    IF Input > LastOutput THEN
        MaxChange := RiseRate * TimeDiff; // 计算上升变化量
    ELSE
        MaxChange := FallRate * TimeDiff; // 计算下降变化量
    END_IF
    // 限制变化
    Change := LIMIT(-MaxChange, Input - LastOutput, MaxChange);
    Output := LastOutput + Change; // 更新输出值
    LastOutput := Output;          // 更新上次输出
    LastTime := CurrentTimeMs;     // 更新上次时间
END_IF

功能解析

输入变量：

Input：需要进行速率限制的输入值，类型为实数（REAL）。
RiseRate：允许的上升速率，单位为每秒变化量（单位/秒）。
FallRate：允许的下降速率，单位为每秒变化量（单位/秒）。
Reset：复位信号，当接收到该信号时，输出值将立即设置为输入值。

输出变量：

Output：经过速率限制后的输出值，类型为实数（REAL）。

内部变量：

LastTime：记录上一次执行时的系统时间，以毫秒为单位。
LastOutput：记录上一次有效的输出值。
CurrentTimeMs：当前的系统时间，用于计算时间差。
TimeDiff：上一次与当前时间的差值，以秒为单位。
MaxChange：允许的最大变化量，根据上升或下降速率计算。
Change：实际应用到输出值上的变化量。

代码逻辑详解

复位操作：当接收到复位信号时，功能块将输出值和上次输出值设置为输入值，并记录当前时间。这确保了在新的数据处理周期开始时，状态是干净的。
时间差计算：获取当前系统时间，计算自上次更新以来的时间差，以便根据设定的速率来限制值的变化。
变化量计算：如果输入值大于上次输出值，计算允许的最大上升变化量；反之，计算最大下降变化量。
限制变化：使用LIMIT函数限制实际变化量，确保输出值不会超过允许的变化范围。
输出更新：根据计算的变化量更新输出值，并记录当前输出和时间，准备下一次的计算。

应用场景

FB_RateLimiter功能块可以广泛应用于以下场景：

电机控制：在控制电机速度时，使用速率限制器可以防止电机突然加速或减速，从而减少机械磨损和提高安全性。

液位控制：在液位控制系统中，可以通过限制泵的启动和关闭速率，避免液位剧烈波动，提高系统稳定性。

温度调节：在空调或加热系统中，通过限制温度的变化速率，可以实现更平稳的环境控制，提高舒适度。

信号处理：在数据采集和监控系统中，可以平滑传感器数据，消除瞬时噪声，提高数据质量。

拓展思考

随着智能制造和物联网的发展，速率限制器的需求将越来越广泛。未来，我们可以考虑将FB_RateLimiter与更复杂的算法结合，例如 PID 控制或模糊控制，以实现动态调整速率限制的能力。此外，针对不同的应用场景，可以实现自适应速率限制器，根据实时数据变化情况自动调整上升和下降速率，从而优化系统性能。

总结

我们对 PLC 功能块FB_RateLimiter进行了全面解析，包括其代码结构、功能实现、应用场景以及未来的拓展方向。通过限制输入信号的变化速率，该功能块有效提高了系统的稳定性和可靠性。随着自动化技术的不断发展，速率限制器将在更多领域发挥重要作用，成为实现高效和安全控制的重要工具。

你来出题我来答

欢迎大家在评论区提一些标准功能块的需求，如果合适，我们会在以后的文章中与大家分享。

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