《可编程控制器应用技术》电子教案 项目二 1任务一 设计三相异步电机的正反转控制电路

项目二位逻辑指令的应用项目导读西门子S7-1200PLC通过指令控制继电器、接触器、电机等低压电器，在工业生产中有着广泛的应用。从本项目开始，将重点介绍PLC的编程指令。在介绍PLC编程前，需首先介绍PLC的存储器和编址寻址方式，在此基础上，再介绍位逻辑指令的应用。课时14学时授课班级授课类型理论、一体化教学目标知识目标了解西门子S7-1200PLC的存储器；了解西门子S7-1200PLC的数据类型和地址格式；掌握梯形图编制规则；掌握西门子S7-1200PLC的位逻辑指令。技能目标掌握PLC控制电动机顺序启停的设计方法；能够运用位逻辑指令设计简单的PLC控制程序。职业目标通过了解PLC的编程规则，树立正确的技能观，努力提升自己的职业技能。通过学习继电器控制和逻辑表达式向梯形图的转换，理解事物之间的联系是普遍存在的，学会用类比的方法进行知识的迁移。重点梯形图编制规则、位逻辑指令、置位复位指令难点数据类型、寻址方式教学方法问答法、案例法、示范法、讲授法教学用具多媒体、计算机、PLC、导线若干教学设计任务一设计三相异步电动机的正反转控制电路（4学时）：第1学时（知识链接）：课前任务—问题导入（5min）—传授新知（22min）—讨论互动（10min）—总结（5min）—作业布置（3min）第2学时（知识链接）：问题导入（5min）—传授新知（20min）—讨论互动（10min）—总结（5min）—作业布置（5min）第3、4学时（任务分析、任务实施）：任务分析（20min）—分组练习（60min）—总结（5min）—作业布置（5min）任务二设计电机的顺序启动逆序停止控制系统（2学时）：第5学时（知识链接）：课前导读—新课导入（5min）—传授新知（20min）—讨论互动（10min）—总结（5min）—作业布置（5min）第6学时（任务实施）：任务分析（20min）—分组练习（60min）—总结（5min）—作业布置（5min）任务三设计故障报警指示灯信号控制系统（3学时）：第7学时（知识链接）：课前导读—新课导入（5min）—传授新知（20min）—讨论互动（10min）—总结（5min）—作业布置（5min）第8、9学时（任务实施）：任务分析（20min）—分组练习（60min）—总结（5min）—作业布置（5min）任务四设计四组抢答器（2学时）：第10学时（知识链接）：课前导读—新课导入（5min）—传授新知（20min）—讨论互动（10min）—总结（5min）—作业布置（5min）第11学时（任务实施）：新课导入（5min）—任务分析（5min）—分组练习（25min）—总结（5min）—作业布置（5min）项目总结实训（第12、13、14学时）：设计三相异步电动机两地控制系统项目二位逻辑指令的应用一、教学基本情况（一）课程概况授课题目任务一设计三相异步电机的正反转控制电路授课班级授课时数2课时授课地点授课形式理论讲授参考教材《可编程控制器应用技术》（二）教材分析随着“中国制造”到“中国智造”的转变，我国围绕重点制造领域的关键环节，开展了新一代信息技术与制造装备融合的集成创新和工程应用，很多企业引入了自动化设备及自动化生产线。PLC作为自动化设备中重要的控制装置，其相关领域的人才缺口巨大，培养高级技能型人才迫在眉睫。本教材通过调研企业充分了解相关行业对本课程的知识和技能要求，做到了课政融合、项目导向，任务驱动、实训考核，强化技能、等方面，本书还紧跟时代步伐，融入“互联网+”，采用微课辅助教学。（三）教学环境与资源教师通过文旌课堂APP发布学习资料，学生借助文旌课堂APP的数字化学习资料进行课外学习；文旌课堂的活动、通知、讨论等模块为师生的交流互动提供了便利；文旌课堂的统计、作业、考试等模块保障了学生成绩的评定。（四）教学思想本课程坚持以价值塑造、知识传授、能力培养“三位一体”的培养目标实现“三全育人”授课过程中注重发挥学生的主观能动性，培养学生专业技能的同时，培养学生的社会能力和方法能力，培养学生正确的世界观、人生观、价值观。一方面将技术知识和实践导向相融合，采用学与练结合的教学方法，以项目为主体，紧紧围绕以培养学生能力为重点，通过实践驱动教学，实现知识学习与技能训练目标。另一方面，将技术知识与课程思政价值引领相融合，将思政教育元素如盐浸水的贯穿到整个教学过程中。（五）教学目标坚持立德树人，把培育和践行新时代中国特色社会主义核心价值观融入细化到每节课的教学过程中，让学生感受到沉浸式的思政教育，润物细无声。确定本学时的知识、能力、思政育人目标。知识目标能力目标思政育人目标1.了解西门子S7-1200PLC的存储器；2.掌握输入、输出映像寄存器；3掌握S7-1200PLC的数据类型及寻址方式。1.能够分清西门子PLC的各种存储器的作用；2.能够识别西门子PLC的数据类型。1.具有实事求是的科学态度，乐于通过亲历实践，检验判断各种技术问题。2.有服务于社会的意识，有理想，有抱负，热爱祖国，有振兴中华的使命感和责任感。（六）教学重难点【重点】梯形图编制规则；基本触点指令【难点】数据寻址方式（七）教学方法与工具采用线上线下混合式教学法。启发式线上布置学习任务、引导学生自主学习。导入法实物场景导入、激发学生学习兴趣。讲授法基础知识讲授，学生互动掌握。二、教学流程时间分配表第1学时项目内容时间问题导入【教师】提出问题PLC的全称是可编程序控制器，是可以进行数据存储、逻辑运算的，这些数据必然需要读入、存储和输出，那么S7-1200PLC有没有存储器呢？它识别的数据类型是什么？5min新课1.装载存储器；2.工作存储器；3.系统存储器；4.数据类型；5.地址格式。22min6.分组练习，讨论互动；7.小组活动，知识竞答；10min8.展示小组竞答情况，评选优秀完成小组；9.教师总结。5min课后作业文旌课堂APP知识拓展3min第2学时项目内容时间复习+问题导入【教师】提出问题1装载存储器与工作存储器的区别？【教师】提出问题2位地址格式？【教师】提出问题3字节地址格式？【教师】提出问题4字地址格式？【教师】提出问题5PLC是可编程控制器，那么PLC的编程语言是怎样的呢？5min新课1.梯形图的编制规则；2.基本触点指令；3.基本输出指令。20min4.小组活动，知识竞答；5.教师总结；10min6.展示小组竞答情况，评选优秀完成小组；7.教师总结；5min预习任务预习下节课内容5min课后作业文旌课堂APP自我检测三、教学实施过程第1学时（一）课前预习教学环节教学内容双边活动设计意图教师学生课前教师利用文旌课堂APP发布预习任务，并上传任务资料。学生认领任务后，进行课前预习。上传PPT、视频、自我测验题等资料至教学平台，并发布话题讨论。登录文旌课堂APP观看视频、认领任务卡，自主学习进行话题讨论。让学生在课前去学习相关资料，找出重难点.（二）课中学习教学环节教学内容双边活动设计意图教师学生导入新课问题导入【教师】提出问题PLC的全称是可编程序控制器，是可以进行数据存储、逻辑运算的，这些数据必然需要读入、存储和输出，那么S7-1200PLC有没有存储器呢？它识别的数据类型是什么？注意观察学生表情，判断学生的掌握情况认真听同学的回答学生课前已预习并且已完成课前任务，提问两个课前预习任务完成较好的学生讲授新课一、西门子S7-1200PLC的存储器S7-1200PLC提供了3个基本存储区域，即装载存储器、工作存储器和系统存储器。装载存储器a特点：非易失性存储器，断电保持性b作用：存储用户程序、数据和组态。项目下载后，首先会存储在装载存储器中。工作存储器a特点：易失性存储器，断电丢失数据b作用：在执行用户程序时CPU会将一些项目内容（如组织块、函数块、数据块等）从装载存储器复制到工作存储器。系统存储器a作用：CPU为用程序提供的存储器组件。b分类：输入映像寄存器、输出映像寄存器、位存储器、数据块、局部变量存储器、定时器、计数器等。输入映像寄存器（I）输入映像寄存器的每个位对应一个数字量输入点，在输入采样阶段，CPU对输入点进行采样，并将采样值存放在输入映像寄存器中，在本扫描周期结束之前都不再改变输入映像寄存器的值，直到下一个扫描周期进行更新。输出映像寄存器（Q）输出映像寄存器的每个位对应一个数字量输出点，在输出刷新阶段，CPU将输出映像寄存器的数据传送至输出模块，再由输出模块驱动外部负载。位存储器（M）。也称内部线圈，用来存放中间操作状态或其他相关的数据。位存储器一般以位为单位存取，也可以以字节、字、双字为单位存取。数据块（DB）。作用：在程序执行过程中存放中间结果，或用来保存与工序或任务有关的其他数据。分类：全局数据块和背景数据块其中，全局数据块存储的数据可以被所有的程序访问；背景数据块存储的数据仅供指定的功能块（FB）使用，其结构取决于功能块的界面区参数。局部变量寄存器（L）局部变量寄存器与全局数据块相似，都是作为中间变量的存储空间。主要区别在于全局数据块是全局有效的，而局部变量只在本单元有效。在主程序执行过程中，分配给子程序或中断程序的局部存储器实际上是不存在的，当出现子程序或中断程序的调用时，由CPU随时给子程序和中断程序分配局部变量寄存器，故局部变量寄存器也称为临时存储器。定时器（T）。PLC的定时器是模拟继电器控制系统中的时间继电器，其定时值由程序赋予，用定时器地址来存取当前值和定时器的状态值。S7-1200系列PLC采用的是IEC标准的定时器指令，用户程序中可以使用定时器的个数受CPU存储器容量的限制，每个定时器均使用16个字节IEC_TIMER数据类型的DB结构，来存储功能块的定时器数据。时间继电器是指在感受外界信号后，经过一段时间才能执行某个动作的继电器。时间继电器按照延时方式不同，可分为通电延时继电器和断电延时继电器两类。通电延时继电器接收输入信号后，延迟一定的时间，输出信号才发生变化。当输入信号消失后，输出瞬间复原，其图形及文字符号如图2-2所示。（a）（b）（c）图2-2通电延时继电器的图形及文字符号（a）线圈（b）常开触点（c）常闭触点断电延时继电器接收输入信号时，瞬时产生相应的输出信号。当输入信号消失后，延迟一定的时间，输出才复原，其图形及文字符号如图2-3所示。（a）（b）（c）图2-3断电延时继电器的图形及文字符号（a）线圈（b）常开触点（c）常闭触点（7）计数器（C）。PLC的计数器是用来累计其输入端脉冲由低到高（上升沿）的次数，当计数值达到由程序设置的数值时，执行特定功能。二、PLC的数据类型和地址格式1．数据类型作用：描述数据的长度和属性分类：基本数据类型、复杂数据类型和PLC数据类型，其中最常用的是基本数据类型。表2-1基本数据类型复杂数据类型是基本数据类型的组合，S7-1200PLC支持的复杂数据类型有字符串、日期时间型、结构型和数据型等。PLC数据类型是一种由多个不同数据类型元素组成的数据结构，元素既可以是基本数据类型，也可以是复杂数据类型或其他PLC数据类型等。2．地址格式S7-1200PLC通过访问存储器地址来存取数据。（1）位地址格式：位数据的值为“0”或“1”，其存储地址称为位地址。位地址由区域标识符、字节地址和位地址组成，格式为Ax.y。例如，如图2-4所示，位地址I4.5中，I（输入映像寄存器）为存储器的区域标识符，4为字节地址，5为位地址，字节地址4与位地址5之间用点号“.”隔开，MSB和LSB分别指字节中的最高位和最低位。图2-4位地址格式（2）字节地址格式：字节数据是由8位二进制数组成的，其存储地址称为字节地址。字节地址由区域标识符、字节标识B和字节地址组成，格式为ABy。例如，如图2-5（a）所示，字节地址MB0中，M（位存储器）为区域标识符，B为字节标识，0为字节地址。MB0中存放的数据长度为8，即M0.0～M0.7。（3）字地址格式：相邻两个字节组成一个字数据，其存储地址称为字地址。字地址由区域标识符、字标识W和起始字节地址组成，格式为AWy。例如，如图2-5（b）所示，字地址MW0中，M为区域标识符，W为字标识，0为起始字节地址。其中，低字节（低8位）数放在MB1中，高字节（高8位）数放在MB0中。字地址的起始字节一般为偶数，如MB0、MB2等。（4）双字地址格式：相邻两个字节组成一个双字，其存储地址称为双字地址。双字地址由区域标识符、双字标识D和起始字节地址组成，格式为ADy。例如，如图2-5（c）所示，双字地址MD0中，M为区域标识符，D为双字标识，0为起始字节地址。MD0包括MB0～MB3，共32位，其中最低字节数放在MB3中，最高字节存数放在MB0中。（a）（b）（c）图2-5PLC的地址格式（a）字节地址（b）字地址（c）双字地址（5）其他地址格式：除位地址、字节地址、字地址和双字地址格式外，在S7-1200PLC中还包括定时器存储器（T）、计数器存储器（C）、数据块（DB）等特殊地址格式。这些地址由区域标识符A和元件号y组成，其格式为Ay。例如，定时器T24中，T（定时器）为区域标识符，24为定时器号。三、互动讨论，知识竞答分组互动讨论，知识竞答。四、知识总结，成绩评定哪一组是今天的学习之星呢？【教师】【教师】图文讲解，重点强调蓝色字部分【教师】选A同学上讲台，为大家叙述输出映像寄存器。【教师】举例讲解位存储器M的用处。【教师】讲授数据块【教师】提问同学B，讲解局部变量寄存器【教师】引入时间继电器，对比讲授定时器【教师】要求学生回顾时间继电器【教师】讲授【教师】举例，认真讲解基本数据类型，注意观察学生面部表情，确定学生是否理解【教师】举例，重点讲解标蓝文字。【教师】举例，重点讲解标蓝文字。【教师】根据教学目标，结合本节课所讲知识点，设置8—10道题目，设置知识竞答小游戏。【教师】根据学生回答情况，进行知识点总结，对于易错知识点重点强调。评出学习之星。【学生】【学生】【学生】【学生】【学生】【学生】【学生】【学生】【学生】【学生】【学生】【学生】【学生】3—4人分为1组，参与知识竞答小游戏。【学生】分组汇报所答题目情况促使学生保持学习积极性【教师】每个事物都有自己存在的意义，发挥自己的特长，服务社会。增加课堂基础知识的趣味性培养学生养成善于总结的好习惯，课堂互动，营造轻松愉快的课堂氛围增加学习动力PLC的数据类型和地址格式PLC的数据类型和地址格式巩固知识点，培养团队精神，提高课堂氛围，全员参与，快乐学习。培养学生良好竞争意识，提高学生学习积极性第2学时教学环节教学内容双边活动设计意图教师学生导入新课复习导入【教师】提出问题1装载存储器与工作存储器的区别？【教师】提出问题2位地址格式？【教师】提出问题3字节地址格式？【教师】提出问题4字地址格式？问题导入PLC是可编程控制器，那么PLC的编程语言是怎样的呢？问题1随机找同学回答问题2学生竞答问题3学生主动起立回答问题4共同回答认真听同学的回答温故而知新激发学生学习兴趣讲授新课一、梯形图的编制规则梯形图是S7-1200PLC编程中使用最多的语言，它与传统控制系统（继电器-接触器控制系统）的电路图相似，具有直观易懂的优点。在梯形图中，程序由一个或多个程序段构成，每个程序段由左、右两条垂直线之间的触点、线圈和功能块有序组合而成。如图2-6所示，在梯形图程序中，左、右垂直线称为左、右母线，触点表示逻辑输入条件，如开关、按钮和寄存器等；线圈通常表示逻辑输出结果，用来控制外部的指示灯、接触器、电磁阀和寄存器输出等；功能块包括定时器、计数器及数学运算等。图2-6S7-1200PLC的梯形图程序用梯形图编写程序时，应遵循以下规则。（1）梯形图常采用程序段结构。清晰的程序段结构有利于程序的调试，编译时能够明确指出错误语句所在的程序段，且不增加程序的长度。（2）梯形图必须遵循顺序执行的原则，即从左到右、从上到下执行，每行都是从左母线开始，到右母线结束。（3）触点不能放在线圈的右侧，且不能与右母线直接相连。（4）线圈不允许串联，且同一个编号的线圈不能多次使用。二、基本触点指令和线圈指令1．基本触点指令梯形图中的基本触点指令包括常开触点指令、常闭触点指令和取反指令3类，如表2-2所示。表2-2基本触点指令名称梯形图符号功能操作数常开触点操作数（指定位）的状态为“1”（ON）时闭合，状态为“0”（OFF）时断开I、Q、M、L、T、C常闭触点操作数的状态为“1”（ON）时断开，状态为“0”（OFF）时闭合取反对逻辑运算结果（RLO）的信号状态进行取反；输入端（左端）为“1”时，输出端（右端）为“0”；输入端（左端）为“0”时，输出端（右端）为“1”无取反指令没有操作数。2．基本输出指令基本输出指令包括线圈（赋值）指令和反向输出线圈（赋值取反）指令两类，如表2-3所示。名称梯形图符号功能操作数线圈线圈输入端接通时，操作数的状态为“1”；线圈输入端断开时，操作数的状态为“0”Q、M、L反向输出线圈线圈输入端接通时，操作数的状态为“0”；线圈输入端断开时，操作数的状态为“1”【例1】请分析图2-7所示梯形图中Q0.0～Q0.3的状态。图2-7基本触点指令和线圈指令梯形图分析：若输入I0.0的状态为“0”，程序段1中，Q0.0的输入端（即I0.0的输出端）断开，则Q0.0的状态为“0”；程序段2中，取反指令的输入端断开，输出端接通，Q0.1的状态为“1”；程序段3中，Q0.2的输入端接通，则Q0.2的状态为“1”；程序段4中，Q0.3的输入端断开，则Q0.3的输出状态为“1”。若输入I0.0的状态为“1”，程序段1中，Q0.0的输入端接通，Q0.0的状态为“1”；程序段2中，取反指令的输入端接通，输出端断开，Q0.1的状态为“0”；程序段3中，Q0.2的输入端断开，Q0.2的状态为“0”；程序段4中，Q0.3的输入端接通，其输出状态为“0”。故Q0.0～Q0.3的状态如表2-4所示。表2-4Q0.0～Q0.3状态表I0.0Q0.0Q0.1Q0.2Q0.30011111000【例2】现有一台水泵，请用梯形图设计该水泵的控制程序，控制要求如下：开关按下后，水泵工作，开关抬起后，水泵停止工作。分析：在传统控制电路中，水泵控制的方法很多，最简单的是在水泵与供电电源之间用一只断路器来连接，通过断路器的通断来控制电机的运行和停止。因此，本题在设计梯形图程序时，可采用断路器作为开关。设断路器与PLC的接口为I0.0，水泵的接触器与PLC的接口为Q0.0，将I0.0的输出送至输出线圈Q0.0，即可得到控制水泵的梯形图程序，如图2-8所示。图2-8控制水泵的梯形图程序3．与指令和或指令位逻辑指令按照控制要求进行逻辑组合，便可以构成基本的逻辑控制，即“与”“或”及其组合。位逻辑指令使用“0”和“1”两个布尔操作数对信号的状态进行逻辑操作，逻辑操作结果（RLO）送入存储器的状态位中。常用逻辑控制如表2-5所示。表2-5常用逻辑控制名称梯形图符号功能操作数与操作数1和操作数2同时接通时，输出端接通I、Q、M、L或操作数1或操作数2接通时，输出端接通【例3】将例2中的主控元件断路器改为按钮，设控制要求如下：按下启动按钮，电机开始运转，按钮弹起后，电机持续运转；按下停止按钮，电机停止运转，按钮弹起后，电机仍停止运转。分析：设启动按钮与PLC的接口为I0.0，停止按钮与PLC的接口为I0.1，电机接触器与PLC的接口为Q0.0。由控制要求可知，I0.0、I0.1和Q0.0的时序图如图2-9所示。（1）按下启动按钮后，常开触点I0.0的状态为“1”，线圈Q0.0的状态为“1”，电机开始启动，因此I0.0的输出最终送至Q0.0。（2）启动按钮弹起后，I0.0的状态变为“0”，Q0.0的状态仍为“1”，电机保持运转，因此需要将Q0.0的常开触点与I0.0并联，即Q0.0实现自锁功能，保证此时电机仍运转。（3）按下停止按钮I0.1，I0.1的