《可编程控制器应用技术》电子教案 项目七 任务二 设计恒压供水系统

项目七PLC的组态一、教学基本情况（一）课程概况授课题目任务二设计恒压供水系统授课班级授课时数2课时授课地点授课形式一体化参考教材《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PLC处理模拟量的方式；2.掌握PID控制指令；3.掌握PLC模拟量控制步骤。1.能够实现PLC模拟量控制；2.能够独立完成用恒压供水系统。1.具有踏实肯干、实事求是的态度，有创新精神。2.有精益求精、追求卓越的工匠精神。（六）教学重难点【重点】：1.PID控制指令；2.PLC模拟量控制的步骤；3.恒压供水系统的外部接线、梯形图程序。【难点】：恒压供水系统的外部接线、梯形图程序、调试（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。示范法示范讲解，便于学生掌握操作技能。二、教学流程时间分配表第3、4学时项目内容时间任务导入【教师】提出问题PLC的数字量控制，能解决一部分工业问题，那么另一部分不能够用数字量的表达的量，比如速度、流量等，在PLC控制中如何处理呢？5min新课1.知识链接2.任务分析；示范操作；35min4.分组实操，讨论互动；40min4.展示小组完成情况；5.教师总结。5min课后作业文旌课堂APP知识拓展5min三、教学实施过程（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PLC的数字量控制，能解决一部分工业问题，那么另一部分不能够用数字量的表达的量，比如速度、流量等，在PLC控制中如何处理呢？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、PLC处理模拟量S7-1200PLC处理模拟量时，需要先将模拟量输入值规范化为由0.0到1.0的实数（浮点）值，再按比例放到测量范围中，转为具有工程单位的量。S7-1200中提供了两条指令，可以用于完成模拟量的转换过程，具体如下。1.NORM_X指令NORM_X指令（标准化指令）的功能是将模拟量输入值转换为0.0～1.0的实数值，指令格式如图7-31所示。图7-31NORM_X指令在NORM_X指令中，使用参数MIN和MAX定义VALUE的范围值，将VALUE的值通过计算按一定的比例缩放，使得输出OUT中的值为[0.0，1.0]，计算公式如下。用坐标示意图表示如图7-32所示。图7-32ORM_X指令坐标示意图2．SCALE_X指令SCALE_X指令（缩放指令）通过将输入VALUE的值（0.0～1.0）映射到指定的值范围对其进行缩放，它是NORM_X指令的逆操作，其指令格式如图7-33所示。图7-33SCALE_X指令当执行SCALE_X指令时，输入VALUE的浮点值会缩放到由参数MIN和MAX定义的值范围。缩放结果为整数，存储在输出OUT中。二、PID控制指令S7-1200PLC支持的PID控制指令集包括PID_Compact（集成了调节功能的通用PID控制器）、PID_3Step（集成了阀门调节功能的PID控制器）和PID_Temp（温度PID控制器）3个指令块。其中，PID_Compact指令用于通过模拟信号的输入和输出来控制工艺过程；PID_3Step指令用于控制电机驱动的设备，如需要通过离散信号实现打开和关闭动作的阀门；PID_Temp指令是专为温度控制而设计的，提供了具有集成调节功能的连续PID控制。三、变频器变频器（variable-frequencydrive，VFD），也称为变频驱动器或驱动控制器，是可调速驱动系统中的一种主要器件。变频器应用变频驱动技术改变交流电机工作电压的频率和幅度，用于控制交流电机的速度及转矩。在工业控制中，常采用PLC与变频器对异步电机进行控制，变频器控制原理的示例框图如图7-34所示。图7-34变频器控制原理的示例框图常见的西门子变频器有MicroMasterMM4系列和SINAMICSG120系列。其中，G120系列变频器因其简洁的操作面板、良好的控制性能、优化的集成保护和强大的通信功能而得到了广泛应用。四、任务分析1.控制要求请设计恒压供水系统，系统用PLC控制变频器的运行频率，从而使水压恒定，其逻辑框图如图7-30所示。图7-30恒压供水系统的逻辑框图恒压供水系统的控制要求如下。（1）当系统开始工作时，如果水压低于设定值，PLC启动一台水泵，并控制变频器的运行频率，使其逐渐上升，从而使水压上升。（2）当管网压力升至设定值时，水泵保持当前运行状态，保持水压恒定在设定值。（3）如果当前水泵运行频率上升到电网工频时，水压还未达到设定值时，系统自动将此水泵切换至工频运行，同时解除变频器运行信号。然后另一台水泵变频启动。2.任务分析（1）在恒压供水系统中，通过比较实际水压与设定水压的值，控制两台水泵的工作状态，实际水压通常用压力传感器检测，该检测量通常为模拟量。设启动按钮为SB1，停止按钮为SB2，一号泵的工频和变频分别为KM1和KM2，二号泵的工频和变频分别为KM3和KM4，则恒压供水系统的工作过程如下。=1\*GB3①按下启动按钮SB1，一号泵KM2接通，泵的转速随变频器输出频率的上升而逐渐加快。=2\*GB3②当变频器的频率达到50Hz（电网工频）且检测到压力传感器的值未达到设定值时，启动定时器T0（定时时长为30s）。=3\*GB3③定时结束后，KM1和KM4接通，KM2断开，一号泵的转速不变，二号泵的转速随变频器输出频率的上升而逐渐升高，直至压力传感器检测到的值达到设定值。（2）根据恒压供水系统的工作过程，填写I/O地址分配表。（3）根据I/O地址分配表，完成硬件电路接线图的设计，并完成硬件接线。（4）根据恒压供水的工作过程和I/O地址分配表，设计梯形图。（5）按下启动按钮后，比较压力传感器的输入值和设定值，观察变频器的工作状态和电机的转速。五、任务实施，示范操作1.I/O地址分配根据工作过程分析，恒压供水系统的I/O地址分配表如表7-2所示。表7-2恒压供水系统的I/O地址分配表输入输出元件I/O地址备注元件I/O地址备注SB1I0.0启动按钮KM1Q0.0一号泵变频SB2I0.1停止按钮KM2Q0.1一号泵工频压力传感器ID96模拟量输入KM3Q0.2二号泵变频KM4Q0.3二号泵工频PID输出QD96模拟量输出2.硬件接线根据表7-2绘制PLC的硬件接线（见图7-35），并按照接线图完成接线。图7-35PLC的硬件接线图3.程序设计与调试本任务中需要将模拟信号输入到PLC中，故需添加模拟信号模块。a．添加模拟信号模块创建新项目后，在项目视图右侧的“硬件目录”中，选择“AI/AQ”→“6ES7234-4HE32-0XB0”选项，并拖拽至CPU右侧位置，如图7-36所示。图7-36添加模拟信号模块b连接PLC与变频器PLC通过Profinet控制G120变频器，再由变频器实现对水泵的控制，PLC与变频器的连接步骤如下。步骤1在网络视图中，打开右侧的“硬件目录”，选择“其他现场设备”→“PROFINETIO”→“Drives”→“SIEMENSAG”→“SINAMICS”→“SINAMICSG120CU240E-2PN（-F）V4.6”添加变频器，并连接到PLC中，如图7-37所示。图7-37添加变频器步骤2单击“变频器”图标，在“属性”窗口区中，选择“常规”选项卡中的“PROFINET接口[X150]”→“以太网地址”选项，选中“在项目中设置IP地址”单选钮，在“IP地址”编辑框中输入“192.168.0.2”，如图7-38所示。图7-38设置变频器的IP地址c．添加PID工艺对象步骤1在左侧的项目树中单击“工艺对象”，选择“新增对象”选项，双击打开“新增对象”对话框，如图7-39所示。图7-39添加“新增对象”步骤2在“新增对象”对话框中，选择“PID”，在“PID”选择区左侧的“名称”选项卡中，选择“PID控制”→“CompactPID”→“PID_Compact”，此时在对话框的右侧会出现“类型”和“编号”默认选项。可以在此设置“类型”和“编号”。设置完成后，单击“确定”按钮，如图7-40所示。图7-40新增“PID工艺对象”步骤3在左侧的项目树中，选择“工艺对象”，此时会出现“组态”和“调试”两个选项。双击“组态”选项，则会出现图7-41所示的菜单，进行“基本设置”、“过程值设置”和“高级设置”，本任务选择默认值。图7-41组态PID_Compact工艺对象d．PID指令调用与编程PID指令要在定时循环中断块内调用，以确保PID的运算以固定的采样周期完成。其调用和编程步骤如下。步骤1图7-42添加组织块步骤2图7-43插入PID_Compact1指令表7-3PID_Compact指令参数参数名称数据类型说明默认值SetpointReal自动模式的控制器设定值0InputReal作为实际值（反馈值）来源的用户程序变量0Input_PERWord作为实际值来源的模拟量输入W#16#0OutputREALPID控制器的输出值（工程量）Output_PERINTPID控制器的输出值（模拟量）Output_PWMBOOLPID控制器的输出值（脉宽调制）StateINTPID控制器的当前操作模式。State=0：未激活State=1：预调节State=2：手动精确调节State=3：自动模式State=4：手动模式e．编写主程序根据恒压供水系统的工作过程和表7-2（系统存储器字节MB10），设计梯形图程序如图7-44所示。图7-44恒压供水系统的梯形图程序恒压供水系统的程序设计与调试步骤如下。步骤1完成项目创建和组态设备选择，将项目命名为“项目七任务二”。步骤2设置PLC的变量。图7-45设置PLC的变量步骤3图7-44所示的。步骤4编译并下载程序。步骤5六、分组实操，互动讨论分组实操，互动讨论，学生实现触摸屏控制电动机转动。七、小组展示，成绩评定哪一组是今天的学习之星呢？八、教师总结九、作业布置1.完成文旌课堂APP自我检测；2.预习下节课内容。【教师】TIA博途软件示范操作，强调注意事项【教师】示范操作，强调注意事项【教师】讲授【教师】案例法讲解变频器的工作过程【教师】介绍控制要求【教师】提问两位学生，分别总结控制过程，说出任务实施的步骤【教师】与学生互动，IO地址分配【教师】提问学生B进行硬件接线【教师】TIA博途软件示范操作，强调注意事项【教师】TIA博途软件示范操作，强调注意事项【教师】TIA博途软件示范操作，强调注意事项【教师】TIA博途软件示范操作，强调注意事项【教师】TIA博途软件示范操作，强调注意事项【教师】TIA博途软件示范操作，强调注意事项【教师】巡回指导【教师】根据学生完成情况，评出学习之星。【学生】认真听讲【学生】认真听讲【学生】认真听讲【学生】认真听讲【学生】认真听讲【学