重庆大学·2021教学设计中职中职专业课电气自动化类66 装备制造大类

上课时间上课时间重庆大学·2021教学设计中职中职专业课电气自动化类66装备制造大类2025年12月任课老师任课老师魏老师课程基本信息课程基本信息一、课程基本信息1.课程名称：PLC控制技术与应用（电气控制与PLC章节）。2.教学年级和班级：中职电气自动化专业高一（1）班。3.授课时间：2024年3月15日第3节课（09:00-09:45）。4.教学时数：1课时（45分钟）。核心素养目标分析核心素养目标分析二、核心素养目标分析通过PLC控制技术学习，培养学生工程思维，理解控制系统逻辑；提升技术应用能力，掌握编程与调试方法；强化规范操作意识，养成安全用电习惯；发展问题解决能力，能分析并排除简单故障；增强团队协作精神，在小组项目中分工合作，树立严谨的职业态度。教学难点与重点教学难点与重点1.教学重点

（1）PLC基本结构及工作原理：重点讲解CPU、输入/输出模块作用，举例说明传感器信号如何通过输入模块传递至CPU处理。

（2）梯形图编程规则：强调"左重右轻、上重下轻"原则，以电机启停控制电路为例，解释常开/常闭触点与线圈的逻辑关系。

（3）基本指令应用：重点讲解LD、AND、OUT等指令功能，结合教材案例演示如何用指令实现简单顺序控制。

2.教学难点

（1）梯形图逻辑转换：学生易混淆继电器电路与梯形图的对应关系，例如将"自锁电路"转换为梯形图时，常忘记并联常开触点。

（2）定时器/计数器参数设置：如教材中T0定时器指令，学生难以理解K值（预设值）与实际延时时间的换算关系，易设置错误导致动作失效。

（3）故障诊断流程：当设备不动作时，学生难以按"电源→输入→程序→输出"顺序排查，例如忽略输入点指示灯状态检查，误判程序错误。教学方法与策略教学方法与策略四、教学方法与策略采用讲授法讲解PLC基本原理，结合案例研究分析课本中的电机控制案例；设计PLC实验操作、小组讨论编程逻辑、角色扮演故障排查活动；使用PLC模拟软件和实物教具辅助教学。教学流程教学流程五、教学流程1.导入新课（5分钟）展示生活中PLC控制的实例视频（如自动门开关、电梯楼层控制），提问：“这些设备如何实现自动控制？”引导学生回忆继电器控制电路的局限性（接线复杂、功能修改难），引出PLC作为可编程控制器的优势。结合课本P25“PLC概述”部分，明确本节课主题：PLC基本指令应用——以电机启停控制为例，学习如何用梯形图实现逻辑控制，强调本节课重点（梯形图编程规则、基本指令应用）和难点（梯形图逻辑转换）。2.新课讲授（24分钟，每条8分钟）（1）PLC基本结构及工作原理结合课本P28图2-3PLC硬件结构图，讲解CPU（相当于“大脑”，处理程序）、输入模块（接收传感器信号，如光电开关检测到物体，信号从X0输入）、输出模块（驱动执行元件，如Y0控制接触器线圈）。举例：当传送带上的物料到达检测位置，光电传感器闭合，X0得电，CPU执行程序后Y0输出，接触器吸合，电机启动。强调输入/输出信号与程序逻辑的关系，突破“信号传递过程”这一潜在难点。（2）梯形图编程规则与继电器电路对比课本P32图2-7，讲解梯形图“左重右轻、上重下轻”原则：左侧为触点（常开X0、常闭X1），右侧为线圈（Y0）；触点串联表示“与”（AND），并联表示“或”（OR）。以课本P34例2-1电机启停控制为例，分析：启动按钮SB1（常开X0）并联自锁触点Y0，停止按钮SB2（常闭X1）串联在电路中。举例：学生易将自锁电路写成“X0与Y0串联”，需纠正为“X0并联Y0常开触点”，突破“继电器电路转梯形图”的难点。（3）基本指令应用（LD、AND、OUT）结合课本P36表2-3基本指令功能表，逐条讲解：LD（取指令，常开触点逻辑开始）、AND（与指令，串联常开触点）、OUT（输出指令，驱动线圈）。以例2-1为例，演示程序编写：LDX0（启动按钮），ANDY0（自锁触点），OUTY0（电机）；LDX1（停止按钮），ANIY0（自锁触点，常闭），OUTY0（此处需用栈指令，简化为讲解逻辑）。举例：若忘记写ANIY0，停止按钮无法断开自锁，强调指令的逻辑对应关系，突破“指令应用”的重点。3.实践活动（6分钟，每条2分钟）（1）模拟软件搭建电路使用PLC编程模拟软件（如GXWorks2），按照课本P34例2-1要求，搭建电机启停控制电路：拖拽X0（启动）、X1（停止）常开/常闭触点，Y0线圈，连接并联自锁电路。教师巡视，纠正学生“触点方向错误”（如将停止按钮用常开）等问题，巩固梯形图编程规则。（2）定时器参数设置练习课本P38例2-2“延时接通电路”，设置定时器T0（K=50，100ms定时），要求输出Y0在X0闭合5秒后得电。学生练习中，教师提示“K值=定时时间/定时单位”，举例：若需延时3秒（3000ms），定时单位100ms，则K=3000/100=30，解决“K值换算”难点。（3）故障模拟排查教师设置模拟故障：①X0输入点指示灯不亮（传感器未接线）；②程序中Y0线圈未并联自锁触点；③输出模块电源未通。学生分组按“电源→输入→程序→输出”顺序排查，记录故障点并说明原因，如“X0指示灯不亮→输入信号未进入PLC”，突破“故障诊断流程”难点。4.学生小组讨论（4.5分钟，每方面1.5分钟）（1）继电器电路转梯形图举例：课本P33图2-6“三相异步电机正反转控制”电路，讨论“正转接触器KM1线圈回路如何转换为梯形图？”学生回答：“正转启动按钮SB1（常开X0）并联KM1自锁触点（Y0），互锁触点KM2（常闭Y1）串联在KM1回路中。”教师点评：需注意互锁触点用常闭，避免正反转同时接通。（2）定时器K值设定举例：若需实现“按下启动按钮后，电机运行10秒自动停止”，使用T0定时器（定时单位100ms），讨论“K值应设多少？”学生回答：“10秒=10000ms，K=10000/100=100。”教师强调：K值为十进制整数，超出范围（如K=32767）会导致定时错误。（3）故障排查顺序举例：设备启动后电机不动作，讨论“第一步应检查什么？”学生回答：“先看PLC电源指示灯是否亮，确认供电正常；再检查输入点X0指示灯是否亮，确认按钮信号是否进入PLC。”教师总结：按“电源→输入→程序→输出”顺序，避免盲目修改程序。5.总结回顾（5.5分钟）梳理本节课重点：①PLC基本结构（CPU、I/O模块）及工作原理（信号输入→程序处理→输出驱动）；②梯形图编程规则（左重右轻、触点逻辑）；③基本指令（LD、AND、OUT）应用。强调难点：①继电器电路转梯形图时，自锁电路需并联常开触点；②定时器K值=定时时间/定时单位，需换算准确；③故障诊断按“电源→输入→程序→输出”流程，避免遗漏环节。举例回顾：电机启停控制中，自锁电路的正确写法是“启动按钮并联输出线圈常开触点”，定时器T0延时5秒需设K=50。布置作业：完成课本P39习题2-1（梯形图改错）、2-2（定时器控制程序设计），为下节课“顺序控制设计”铺垫。知识点梳理知识点梳理六、知识点梳理1.PLC基本结构与组成（1）中央处理器（CPU）：PLC的核心部件，负责程序执行、逻辑运算、数据处理及通信协调。常见型号如FX3U-32MT的CPU采用ARM架构，处理速度达0.08μs/基本指令，实现高速响应。（2）存储器系统：包括系统程序存储器（固化PLC操作系统，如FX系列监控程序）和用户程序存储器（存储用户编写的梯形图、指令表，支持RAM、EPROM、EEPROM三种类型，其中RAM需电池备份防止程序丢失）。（3）输入/输出模块：输入模块（如FX2N-16EX）接收现场信号，通过光电耦合器隔离干扰，将24DC开关量信号转换为CPU可处理的电平；输出模块（如FX2N-16EYT）采用继电器型（AC/DC负载通用）或晶体管型（DC高速输出），驱动接触器、电磁阀等执行元件。（4）电源模块：提供PLC内部工作电源（如5VDC、24VDC），具备宽电压输入（AC100-240V）和短路保护功能，部分型号支持电源冗余配置。（5）通信模块：如FX2N-485BD适配器，支持RS-485通信协议，实现PLC与HMI、变频器、其他PLC之间的数据交换，构建工业控制网络。2.PLC工作原理（1）扫描周期工作方式：PLC采用循环扫描机制，分为输入采样、程序执行、输出刷新三个阶段。输入采样阶段，CPU按顺序读取所有输入端子状态并存入输入映像寄存器；程序执行阶段，从首指令开始逐条扫描用户程序，运算结果存入输出映像寄存器；输出刷新阶段，将输出映像寄存器状态传送到输出端子，驱动外部负载。典型扫描周期约10-100ms，与程序长度和指令类型相关。（2）输入/输出滞后现象：由于扫描周期存在，输入信号变化到输出响应存在延迟，最大滞后时间不超过一个扫描周期+输入滤波时间（如FX系列默认10ms可通过参数调整）。在高速控制场合（如脉冲计数需响应<50ms），需选用晶体管输出型PLC并优化程序结构。（3）继电器电路与PLC工作差异：继电器电路为并行工作方式，触点状态变化即时影响输出；PLC为串行扫描工作方式，程序执行顺序决定逻辑结果，需合理设计梯形图避免扫描周期导致的逻辑冲突。3.梯形图编程规则与技巧（1）基本符号与图形表示：常开触点（—||—）表示未动作时断开，受激励时闭合；常闭触点（—|/|—）表示未动作时闭合，受激励时断开；线圈（—()—）表示输出元件，驱动时得电动作；连接导线（—）表示信号传递路径。（2）编程基本原则：①左重右轻：触点画在左侧，线圈画在右侧，如“启动按钮X0并联自锁触点Y0”正确，“线圈Y0串联启动按钮X0”错误；②上重下轻：多个并联支路，上层支路包含更多触点，如“正转启动X2并联互锁触点Y1常闭”在上层，“反转启动X3并联互锁触点Y0常闭”在下层；③线圈不能串联：一个输出线圈只能出现一次，且不能与触点串联，避免多个线圈同时控制同一负载导致冲突；④双线圈输出禁止：同一编程元件（如Y0）在程序中出现两次以上输出，PLC仅执行最后一次扫描结果，易引发逻辑错误。（3）继电器电路转梯形图方法：①分析继电器电路控制逻辑，列出输入/输出元件对应关系（如SB1→X0，KM1→Y0）；②将继电器电路的触点、线圈转换为梯形图符号，注意常闭触点（如停止按钮SB2→X1常闭）；③优化梯形图结构，去除冗余触点，添加互锁保护（如正反转控制中Y0常闭串入Y1回路，Y1常闭串入Y0回路）。4.基本指令系统（1）触点指令：①LD（Load）：常开触点逻辑开始，如“LDX0”表示启动按钮X0作为逻辑起点；②LDI（LoadInverse）：常闭触点逻辑开始，如“LDIX1”表示停止按钮X1常闭触点；③AND：串联常开触点，如“ANDY0”表示自锁触点Y0与X0串联；④ANI（ANDInverse）：串联常闭触点，如“ANIY1”表示互锁触点Y1常闭与X2串联；⑤OR：并联常开触点，如“ORY0”表示自锁触点Y0与X0并联；⑥ORI：并联常闭触点，如“ORIX3”表示停止按钮X3常闭与Y0并联。（2）输出指令：①OUT：驱动线圈，如“OUTY0”表示输出Y0驱动接触器KM1；②SET（置位）：使线圈保持得电状态，如“SETY0”后即使X0断开，Y0仍得电，需RST指令复位；③RST（复位）：使线圈失电或复位计数器/定时器，如“RSTY0”使Y0失电，“RSTC0”复位计数器C0。（3）其他基本指令：①END（End）：程序结束指令，PLC扫描至END后停止执行，缩短扫描周期；②NOP（NoOperation）：空操作指令，用于程序调试或预留触点，不影响逻辑执行。5.定时器与计数器应用（1）定时器分类与参数设置：①通用定时器（T0-T199）：100ms定时器，设定值K范围1-32767，实际定时时间=K×100ms，如T0K=50表示定时5秒；积算定时器（T200-T245）：10ms定时器，断电后保持当前值，需RST指令复位，如T200K=100表示定时1秒；②定时器工作原理：输入条件满足时开始计时，当前值递增至设定值时，常开触点闭合、常闭触点断开；输入条件断开时，通用定时器复位，积算定时器保持当前值。（2）计数器功能与类型：①16位加计数器（C0-C199）：设定值K1-32767，每接收一个计数脉冲（上升沿），当前值加1，当前值=设定值时触点动作，如C0K=10，X0每通断一次计数一次，计到10次后C0常开触点闭合；②32位双向计数器（C200-C234）：可加/减计数，通过特殊辅助继电器M8200-M8234控制计数方向（M8200=ON时减计数），设定值范围-2147483648-2147483647。（3）定时器/计数器组合应用：实现长延时控制，如定时器T0（K=50，5秒）和计数器C0（K=10）组合，T0计时结束后驱动C0计数，总延时时间=5秒×10=50秒，梯形图设计：X0闭合→T0计时→T0常开触点闭合→C0计数→C0常开触点闭合→Y0输出。6.PLC控制系统设计流程（1）控制需求分析：明确设备工艺要求，如电机正反转控制需满足“正转-停止-反转”互锁顺序，避免电源短路；自动送料小车需实现“启动-前进-到位停止-延时-后退-到位停止”循环动作。（2）I/O分配表设计：根据输入/输出元件数量确定PLC型号，列出I/O地址分配，如：输入点：X0（启动按钮）、X1（停止按钮）、X2（前进限位开关SQ1）、X3（后退限位开关SQ2）；输出点：Y0（正转接触器KM1）、Y1（反转接触器KM2）、Y2（报警指示灯HL）。（3）梯形图编程：①根据控制逻辑绘制梯形图，如电机正反转控制：启动X2→Y0得电（正转），互锁Y1常闭串联；启动X3→Y1得电（反转），互锁Y0常闭串联；②添加保护环节：过载保护FR→X4常闭触点串联在Y0、Y1回路；③模拟调试：使用GXWorks2软件输入程序，强制输入信号（如X0=ON），观察输出状态是否符合预期，修改逻辑错误。（4）现场调试与优化：①连接PLC与实际设备，检查接线正确性（如输入模块24VDC电源极性、输出模块负载电压匹配）；②空载试运行：不带负载测试控制逻辑，验证互锁、延时等功能；③负载试运行：带负载测试，监测PLC输出电流（如继电器输出模块每点电流≤2A），调整程序参数（如定时器K值）优化设备动作时序。7.故障诊断与维护（1）常见故障类型及原因：①输入故障：传感器损坏（如光电开关发射管失效导致X0无信号）、接线松动（输入模块端子螺丝未拧紧）、干扰信号（强电线缆与信号线并行敷设导致误动作）；②输出故障：接触器线圈烧毁（Y0输出后接触器不吸合）、负载短路（输出模块过流保护动作）、输出触点粘连（继电器触点熔断导致常输出）；③程序故障：逻辑错误（如自锁电路未并联常开触点导致无法保持）、指令遗漏（忘记写END指令导致程序扫描异常）、参数设置错误（定时器K值超出范围导致定时失效）；④电源故障：输入电压异常（AC电压低于90V导致PLC无法启动）、电源模块损坏（无5VDC输出导致CPU停止工作）。（2）故障诊断流程：①直观检查：观察PLC电源指示灯（POWER灯亮表示电源正常）、运行指示灯（RUN灯亮表示程序运行）、报警指示灯（ALARM灯亮表示故障）；②断电检查：断开PLC电源，测量输入/输出模块电压（如输入模块24VDC电压是否正常）、检查接线端子是否松动、测量负载电阻（如接触器线圈电阻是否在正常范围）；③通电检查：使用PLC编程软件监控功能，强制输入信号（如X0=ON），观察输入映像寄存器状态（如X0是否为ON）、程序执行过程（如梯形图触点通断状态）、输出映像寄存器状态（如Y0是否为ON），定位故障点。（3）日常维护措施：①定期清洁：每季度清理PLC内部灰尘，使用压缩空气吹拂散热风扇，避免积尘导致过热；②检查接线：每月检查输入/输出模块接线端子是否松动，重新拧紧螺丝；③程序备份：每月备份用户程序至存储卡或U盘，防止程序丢失；④元件更换：定期更换易损元件（如继电器输出模块触点寿命约10万次，动作次数超限后及时更换）。8.典型应用案例分析（1）三相异步电机Y-Δ降压启动控制：①控制要求：按下启动按钮SB1（X0），电机星形连接启动（Y0、Y1得电），5秒后自动切换为三角形运行（Y0、Y2得电），按下停止按钮SB2（X1）电机停止；②I/O分配：X0（启动SB1）、X1（停止SB2）、Y0（主接触器KM1）、Y1（星形接触器KM2）、Y2（三角形接触器KM3）；③梯形图设计：启动X0→Y0、Y1得电（星形启动），T0计时5秒→T0常闭断开Y1，T0常开闭合Y2（三角形运行），互锁保护：Y1常闭串入Y2回路，Y2常闭串入Y1回路，避免KM2、KM3同时吸合短路。（2）交通信号灯控制：①控制要求：启动后，东西绿灯亮20秒（Y0），黄灯闪3秒（Y1闪），红灯亮25秒（Y2）；南北红灯亮20秒（Y3），绿灯亮25秒（Y4），黄灯闪3秒（Y5闪）；②I/O分配：X0（启动）、X1（停止）、Y0（东西绿灯）、Y1（东西黄灯）、Y2（东西红灯）、Y3（南北红灯）、Y4（南北绿灯）、Y5（南北黄灯）；③梯形图设计：使用定时器T0（K=200，20秒）、T1（K=30，3秒）、T2（K=250，25秒）实现时序控制，如东西绿灯Y0由T0控制，T0计时结束后Y0失电，Y1由T0常开和T1常闭串联实现闪烁（周期0.6秒），T1计时结束后Y1失电，Y2由T1常开控制，同时启动南北绿灯Y4。（3）自动上料系统控制：①控制要求：按下启动按钮（X0），传送带电机（Y0）运行，光电传感器（X1）检测到物料后，气缸伸出（Y1）推物料到料仓，物料到位后限位开关（X2）动作，气缸缩回（Y2），完成一次上料；②I/O分配：X0（启动）、X1（物料检测）、X2（到位限位）、Y0（传送带）、Y1（气缸伸出）、Y2（气缸缩回）；③梯形图设计：启动X0→Y0得电（传送带运行），X1闭合→Y1得电（气缸伸出），X2闭合→Y1失电、Y2得电（气缸缩回），T0计时1秒（气缸缩回时间）→Y2失电，完成单次循环，若X0保持闭合则继续循环。课后拓展课后拓展七、课后拓展1.拓展内容：阅读课本P41-P43“技能拓展”部分，重点学习“PLC在机械手控制中的应用”案例，分析其梯形图中互锁电路的设计逻辑；观看教材配套视频“PLC定时器与计数器组合实现长延时控制”，理解T0与C0串联实现多级延时的编程方法；完成课本P45习题2-5（三相异步电机正反转控制梯形图优化设计）和2-6（交通信号灯时序控制程序编写）。2.拓展要求：自主完成上述阅读与习题，尝试将课本P33图2-6“继电器电路正反转控制”转换为梯形图，并添加过载保护功能；记录编程过程中遇到的问题（如互锁触点逻辑错误），利用课后答疑时间向教师请教；鼓励3-5人小组合作，设计一个“自动送料小车”的简单控制方案，列出I/O分配表并绘制梯形图框架，下节课前提交小组讨论结果。教师将针对共性问题进行集中讲解，并对优秀方案给予展示点评。教学评价教学评价1.课堂评价：通过提问梯形图编程规则（如“自锁电路中常开触点应并联还是串联？”）观察学生能否正确回答“并联”；在PLC模拟实验中，观察学生能否正确设置定时器K值（如延时3秒需设K=30）并排查输入点故障（如X0指示灯不亮→检查传感器接线）；当堂测试采用简答题（如“写出实现电机正反转互锁的梯形图片段”），评估学生对基本指令和互锁逻辑的掌握程度。

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