控制基础系统及调试 2

教案（2023级）课程PLC运动控制技术授课班级23电气自动化2班授课教师学期2024-2025第二学期

义乌工商职业技术学院教案（2023级）2024/2025学年第二学期课程名称PLC运动控制技术授课教师授课内容步进电机控制授课班级23电气授课教室实训211授课课时8课时学情分析知识基础：学生未掌握步进电动机的组成结构及工作原理的基础知识，包括编码器的组成结构及工作原理。学生未具备于步科步进驱动器的接线方式的相关知识，实践知识相对缺乏。技能基础：未具备步科步进驱动器的电流及细分设置方法。学习特点：23电气2班在步进电机与步科驱动器相关知识及技能方面的学习特点可以概括为：该班学生普遍存在对步进电动机核心构造（如定子、转子、线圈、磁极相互作用机制）及其精确步进原理认知不清的问题，同时对于编码器作为关键位置/速度反馈装置的基本类型（增量式、绝对式）和内部工作原理（如光栅/磁栅信号生成）也较为陌生；在实践层面，学生尤为欠缺对步科品牌驱动器的具体认识，表现为对其功能模块（信号处理、电流放大、细分控制）理解不足，完全不清楚正确的接线逻辑、规范操作流程以及安全注意事项，动手能力薄弱且实践经验几近空白。这种理论与实践的严重脱节导致学生在面对实际的步科驱动器接线任务（包括连接电机、上位控制器、编码器及限位开关等）时产生强烈的陌生感和畏难情绪，操作时信心不足、依赖性强、效率低下且容易出错，尤其对关键概念如“细分”设置的影响、“电流设定”与性能。教学目标知识目标：1.了解步进电动机的组成结构及工作原理；2.了解编码器的组成结构及工作原理。3.熟悉步科步进驱动器的接线方式；4.掌握步科步进驱动器的电流及细分设置方法；5.掌握S7-1200PLC脉冲指令及高速计数器指令的应用。能力目标：1.能根据工艺要求设计智能抓棉分拣机转塔步进电动机控制系统的硬件电路；2.能根据工艺要求联接智能抓棉分拣机转塔步进电动机控制系统的硬件电路；3.能根据工艺要求绘制智能抓棉分拣机转塔步进电动机控制系统的工艺流程图；4.能根据工艺要求编写智能抓棉分拣机转塔步进电动机控制系统的PLC和触摸屏程序；5.能根据工艺要求完成智能抓棉分拣机转塔步进电动机控制系统的调试和优化。素质目标：1.养成相互帮助，团结合作的团队精神。2.认真细致的学习态度。3.培养爱国之情、砥砺强国之志、实践技能报国之行。4.培养学生不断探索和求索的科学精神。教学重难点重点：了解步进电动机的组成结构及工作原理；2.了解编码器的组成结构及工作原理。3.熟悉步科步进驱动器的接线方式；难点：掌握步科步进驱动器的电流及细分设置方法；2.掌握S7-1200PLC脉冲指令及高速计数器指令的应用；3.能根据工艺要求编写智能抓棉分拣机转塔步进电动机控制系统的PLC和触摸屏程序；教学策略采用的教学模式，具体的教学方法教学模式：采用“项目阶梯驱动、角色协作实战”模式。精选“传送带精确定位”等真实工业场景作为载体，拆解为三级任务链：基础层强攻步科驱动器接线规范（电源、电机绕组、控制信号）与参数设置（电流、细分），实现基本点动定位；综合层融入编码器闭环调试，解决位置校准与轨迹控制；创新层探索多轴协同或HMI交互。学生分组（4-5人），在“硬件接线调试”、“PLC编程”、“项目协调”三大角色间轮换，通过“方案设计-实操实施-交叉互评”循环，深度掌握全流程技能。教学方法：信息化融合：课前推送步科接口动画与安全微课；课中教师高清演示关键接线与参数设置，学生分组在真实设备上阶梯实训（从“驱动器上电”到“精确定位”），利用移动终端实时记录评价；2.难点攻坚：（重点标注信号类型如PUL/DIR及共阳/共阴差异），反复强化；将“细分”、“电流设定”等抽象概念转化为电机运行现象对比实验；安全双检制贯穿电源操作全程。3.多元评价：过程（规范、安全、协作）、作品（接线工艺、定位精度）、能力（概念理解、排障）三维评价，关注阶梯任务中的个体成长。目标：通过真实项目进阶训练与精细化指导，破解学生“理论模糊、实操畏难”困境，扎实掌握步科驱动器为核心的系统搭建、调试与维护能力，同步提升工程实践信心与安全意识。教学资源教材及多媒体视频、慕课、凤鸣学堂、职教云平台等其他教学网站等信息化手段提供的多样化课程以及富有新意的教学方法去更好的提升课堂的趣味性更好的创造出能够适合学生的精彩的课堂。教学实施任务一（第1、2课时）教学环节（时间）教学内容师生活动设计意图课程思政一、任务导入（5分钟）【教师】使用OA进行签到【学生】班干部报请假人员及原因【教师】提出问题问题一：上节课的我们学习了变频器模拟量知识，请同学们回忆一下变频器模拟量的相关知识以及需要注意的点？问题二：同学们思考一下上节课变频器模拟量的相关知识和这节课步进电机控制的学习有什么联系？【学生】思考、举手回答问题在24机电3班步进电机控制的实训中，以智能抓棉分拣机为教学案例。教师演示系统功能成功激发学生兴趣。学生分组设计人机交互界面，在实操中掌握基础应用。当首组实现核心功能时，课堂气氛热烈。这种真实工业场景的融入显著提升了学习热情，课后不少学生主动优化作品，尝试实际应用。这一设计的核心意图在于通过真实工业场景的沉浸式驱动，打通步进电机控制教学中“认知-实践-赋能”的闭环。以智能抓棉分拣机为具象载体，教师演示率先破除抽象理论隔阂，点燃学生探索欲；分组设计界面促使学生在真实设备操作中重构知识体系，将按钮控件、参数设置等碎片技能转化为工程思维；当首组实现核心功能时，技术突破的集体成就感形成强烈正向反馈，催生主动优化作品的自主学习行为。最终锚定于职业能力跃迁——学生尝试将课堂成果对接实际项目，标志着从技能训练到解决工业4.0典型场景（如智能分拣）问题的质变，真正实现“学以致用”的教学价值闭环。上述步进电机控制实训的课程思政内核，在于将工业报国情怀、工匠精神淬炼、集体协作担当与科技向善理念有机融入技术实践全过程。通过国产智能抓棉分拣机的教学载体，让学生在操作国产设备、攻克技术难关的过程中，自然生发产业报国的使命感；在参数调试与功能实现的毫米精度追求里，深刻体悟精益求精的工匠哲学；分组协作突破系统难题时，切身理解现代制造业“孤举者难起，众行者易趋”的团队真谛；而自动化技术对人力解放、效能提升的实践，更潜移默化引导学生树立“技术为民”的职业初心。最终实现专业技能与职业人格的同频锻造——让冰冷的控制代码承载起服务社会的温度，使钢铁机械的运转传递出时代担当的力量。二：了解步进电动机的组成结构及工作原理；步进电动机是一种将电脉冲信号转换成相应角位移或线位移的电动机。每输入一个脉冲信号，转子就转动一个角度或前进一步，其输出的角位移或线位移与输入的脉冲数成正比，转速与脉冲频率成正比，因此，步进电动机又称脉冲电动机。在步进电动机教学中，我们采用"演示-体验-应用"三步法开展互动教学。教师首先以动画制作为喻，生动讲解组态环境与运行环境的关系，随后现场演示驱动器控制电机动作，引导学生观察设计参数对运行效果的影响。学生通过角色扮演分组模拟组态配置与系统运行过程，在故障排查中深化理解。最后以食堂人流监控系统为案例，分组完成从界面设计到功能实现的完整项目流程，实现知识迁移应用。这种教学设计将抽象理论转化为实践认知，有效培养了学生的工程思维能力。在步进电动机教学的师生活动设计中，核心意图是通过结构化实践路径实现控制原理向工程能力的转化。教师首先通过驱动器实时调控电机运动参数（脉冲频率、细分设置、使能信号），定量演示参数变化对转速、定位精度及动态响应的因果关系、修正PLC程序逻辑，完成从现象观测到根因修复的闭环训练。该设计通过“原理验证-故障解析-系统集成”三阶递进，使学生在量化分析、工程决策和跨域协同中形成可迁移的机电控制系统设计能力。在步进电动机教学的全流程中，课程思政通过技术实践实现深度浸润：引导千分表反复测量、细分参数逐级优化的毫米级精度追求，将"分毫即尊严"的工匠准则熔铸为职业基因；完成从技能训练到"工业报国、精益匠心、科技向善"三位一体职业人格的塑造。三、了解编码器的组成结构及工作原理编码器（Encoder）是将信号（如比特流）或数据进行编制、转换为可用以通讯、传输和存储的信号形式的设备。编码器是传感器（Sensor）的一种，主要用于测量机械运动的角位移，通过角位移可计算出机械运动的位置，速度等教师根据增量式编码器每旋转360°提供的通或案刻线（即脉冲数）的数量称为分辨率，也称为线数，一般分辨率为5～10000PPR。YL-158GA1所使用的为具有A、B两相90º相位差的增量型光电编码器，工作电源为DC12～24V，分辨率为1000PPR（一个脉冲代表360°/1000）。增量式编码器每旋转一定角度会发出一个脉冲，即输出脉冲随角位移的增加而累加，该编码器可直接联接到丝杆上，将滑块在丝杆上的位移转化为角位移。增量式编码器一般与PLC的高速计数器配合使用。这一教学设计上述编码器教学活动的设计意图，在于通过“结构动态可视化-信号操作解码-误差实证反思”的阶梯实践，将抽象的光电转换原理转化为可触摸的工程认知。教师以动态图揭示码盘与光栅生成相位差90°的正弦波机制，破除原理认知屏障；理论脉冲位移与千分表实测数据的差值（如±0.1mm），无情揭露机械摩擦对精度的吞噬，迫使学生直面“理想模型≠工程现实”的深刻矛盾，进而激发对柔性传动优化与编码器选型的系统思辨。全程采用国产高精度编码器完成实验，在毫米级误差验证中，用冷峻数据铸就“国产器件可担重任”的技术信仰——让每一次脉冲计数不仅是位移的记录，更成为丈量中国制造精度的标尺。在增量型光电编码器教学中，课程思政通过技术实践深度融合：以国产高精度编码器为实验载体，引导学生通过系统误差实测（如±0.1mm重复定位精度）建立国产设备可靠性认知，强化技术自主信念；课堂小结根据输出信号的不同，编码器可以分为增量式编码器和绝对式编码器。增量式编码器提供与位置变化相关的脉冲序列，而绝对式编码器则能直接给出当前位置的具体数值。还讨论了根据工作原理分类的光电编码器、磁性编码器以及电感式编码器等不同类型的特点和应用场景。对于增量式编码器，其工作原理基于光栅或磁栅效应，随着码盘旋转，光栅或磁栅的变化会导致探测器输出相应的脉冲序列。通过计算这些脉冲的数量即可得知移动的距离；若要确定方向，则需采用两组相位差90度的信号。绝对式编码器则是利用独特的编码图案，每个位置对应一个唯一的编码值，即使在断电情况下也能保持位置信息，适用于需要精确定位的应用场景。任务二（第3、4课时）教学环节（时间）教学内容师生活动设计意图课程思政一：S7-1200PLC轴组态流程；第一步：新增“轴”对象。选中所需进行轴控制的PLC模块，先点击“工艺对象”再双击“新增对象”选项，再依次点击“运动控制”→“TO_PositioningAxis”→“确认”，完成在该PLC上的“轴”添加。第二步：组态“常规参数”。在“轴名称：”的输入框中定义轴名称为“步进”。设置驱动器控制模式，本任务PLC采用“脉冲+方向”方式控制轴，因此选择“PTO”控制模式。根据轴对象所安装的丝杆的螺距设置测量单位，任务所采用的实训设备的螺距为4mm，即轴旋转一圈，轴所带负载位移4mm，因此将单位设置为mm。在PLC运动控制教学的新增“轴”对象环节，采用“屏控示范-同步跟练-镜像校验”的师生活动流程：教师通过屏幕广播控制全体学生操作端，精准演示选中真实PLC模块→高亮点击“工艺对象”→逐级展开“运动控制”分支→双击添加TO_PositioningAxis→确认生成轴的全过程，重点警示“虚拟模块创建失效”的陷阱。学生随即独立复现操作：第一关严格遵循教师路径建立Axis_1（绿色图标亮起为成功），第二关将轴规范命名为“分拣机械手Y轴”（植入功能化命名准则）。教师巡场中实时抓取典型错误界面（如误选HMI模块）投屏剖析，最终随机切换学生屏幕至公共界面，由该生演示新增第二轴流程，全班监督路径准确性及命名合规性——当所有屏幕亮起绿色轴图标时，运动控制的工业基因已在同步操作中完成植入。让“新增轴”这一机械操作升维为标准化工程实践范本——当学生未来在工业现场创建第100个轴对象时，仍将条件反射般精准点击“工艺对象→运动控制→这一教学设计蕴含的课程思政元素如盐入水般渗透在技术实践的每个环节：当学生设置轴参数时，那精益求精的执着正是工匠精神的生动诠释；在预算与功能的艰难取舍中，他们体会到工程设计不仅是技术选择，更是一种价值判断和责任担当；而团队协作解决预设故障的过程，则潜移默化地培养了团结互助的职业品格。特别当对比企业实际案例时，学生能直观感受到标准化设计背后"制造强国"的战略要求，从而将个人技能提升与国家产业发展紧密相连。这种思政教育不是简单的政治说教，而是让学生在解决真实工程问题时，自然体悟到技术人员的时代使命——用严谨创新的专业能力服务产业升级，这正是当代中国工程师应有的精神气质。课堂小结首先介绍了S7-1200PLC及其在工业自动化中的广泛应用，特别是在运动控制方面的优势。接着，详细讲解了轴组态的重要性以及如何通过TIAPortal软件实现精确的电机控制。通过演示，老师展示了如何在TIAPortal软件中创建一个新的项目，并添加S7-1200PLC设备。讲解了如何进入“工艺对象”设置界面，选择并配置轴组态所需的参数，包括电机类型、编码器类型、速度范围、加减速时间等。任务二（第5、6课时）教学环节（时间）教学内容师生活动设计意图课程思政一：S7-1200PLC运动控制指令；“MC_Power”指令“MC_Power”运动控制指令可启用或禁用轴，指令如图6-21所示所示。注意：“MC_Power”指令必须在程序里一直被调用，如在运行其他控制指令之前未启动该指令，该轴无法动作。“MC_Home”指令的功能是使轴归位，设置参考点后指令可将轴坐标与实际物理驱动器位置匹配，赋予一个新的值，指令如图6-22，注意：例如设置“归位开关数字量输入、回原点方向、归位开关一侧”参数后，启动“MC_Home”指令，轴会根据组态设置的回原点方向自动寻找到设置的原点位置，并计入，当轴运行完成需要返回原点时，再次执行“MC_Home”指令，轴会自动回到指定原点位置的一侧。MC_Power与MC_Home指令教学中，设计“启能·归零”实战活动：教师首先演示MC_Power的基础性地位——故意省略该指令后运行MC_Move，触发轴静默失效，补全使能后轴瞬间响应并伴随启动嗡鸣声，直观验证“使能是运动基石”的铁律。随后配置MC_Home参数（正方向寻零、DI3接原点开关、左侧定位），启动指令展示轴低速寻零→触碰开关急停→坐标归零的全过程。该师生活动的设计意图在于：通过故障反推的工程实践，将运动控制指令的抽象规范转化为可量化的肌肉记忆，同步淬炼技术精准度与安全敬畏意识。教师故意制造“MC_Power缺失→轴静默失效”的认知冲突，使学生痛感指令序列的基础性地位；在MC_Home参数对抗赛中（A组负方向+右侧定位/B组正方向+左侧定位），暴露寻零方向与物理开关的强耦合关系，培养学生的工程实践能力。这一教学设计蕴含的课程思政元素如盐入水般渗透在技术实践的每个环节：当学生设置参数时，精益求精的执着正是工匠精神的生动诠释；在预算与功能的艰难取舍中，他们体会到工程设计不仅是技术选择，更是一种价值判断和责任担当；而团队协作解决预设故障的过程，则潜移默化地培养了团结互助的职业品格。课堂小结介绍了运动控制指令在自动化系统中的重要性，特别是在需要高精度位置控制和速度调节的应用场景中。接着，详细讲解了S7-1200PLC支持的主要运动控制指令及其具体用法。解释了什么是运动控制指令，即用于控制电机的各种命令，如启动、停止、定位、速度调节等。强调了运动控制指令对于实现复杂运动任务（如同步运行、精确定位等）的关键作用。教学环节（时间）教学内容师生活动设计意图课程思政一：复习之前课时的相关内容复习步进电动机的组成结构及工作原理复习编码器的组成结构及工作原理。复习S7-1200PLC轴组态流程；复习S7-1200PLC运动控制指令；在课堂上，老师首先带领学生们回顾了步进电动机的基本知识。通过互动提问的方式，引导学生思考步进电动机的组成结构，包括定子、转子、绕组等关键部件，并进一步讲解其工作原理，即如何通过电脉冲信号控制电机的旋转角度和方向。学生们积极参与讨论，加深了对步进电机“步进”特性的理解。接着，老师引入编码器的相关内容，结合实物模型，向学生展示了增量式和绝对式编码器的内部结构，如光栅盘、光电传感器等组成部分，并通过动画演示说明了编码器如何将机械位移转化为电信号输出，实现位置或速度的反馈控制。同学们也动手操作，观察编码器的输出波形，进一步理解其工作过程。随后，在PLC教学环节中，老师以西门子S7-1200PLC为例，组织学生进行轴组态流程的复习。通过一个简单的工程案例，逐步演示在TIAPortal软件中如何添加设备、配置驱动器参数、设置轴工艺对象，并进行基本的调试。学生分组操作，完成了一个基本的轴组态任务，提升了实际操作能力。最后，老师带领学生回顾了S7-1200PLC常用的运动控制指令，如MC_MoveAbsolute（绝对移动）、MC_MoveRelative（相对移动）、MC_Halt（停止）等，并通过编程练习让学生在模拟环境中编写控制程序，实现对电机的精准控制。课堂气氛活跃，师生之间频繁交流，学生在实践中不断发现问题并及时改进。整个教学过程中，理论与实践相结合，学生不仅巩固了相关知识，还提升了综合应用能力。。上述师生活动的设计意图在于通过多样化的教学方式，激发学生的学习兴趣，提升对专业知识的理解与应用能力。通过互动提问、实物展示、动画演示、动手操作、小组合作和编程练习等方式，帮助学