《可编程控制器应用技术》电子教案 项目四 任务一 设计自动售货机模拟系统

项目四功能指令的应用项目导读在S7-1200PLC中，除基本逻辑指令外，还可以使用比较、数学运算、移位和循环移位等指令，这些指令统称为功能指令。本项目将重点介绍功能指令的使用方法和技巧，并带领读者学习如何用PLC设计自动售货机模拟系统、天塔之光系统和十字路口交通灯控制系统。课时8学时授课班级授课类型理论、一体化教学目标知识目标掌握比较指令和算术指令的用法；掌握移位指令、循环移位指令和移动操作指令的用法；掌握函数、数据块和函数块的用法。技能目标能够读懂梯形图程序；能够设计简单的梯形图程序。职业目标通过学习PLC的编程，树立正确的技能观，努力提高自己的职业技能；通过了解PLC的实际应用，提高综合职业素养，树立社会主义职业精神。重点比较指令、算数指令、循环移位指令、函数、数据块、函数块的使用难点函数、数据块、函数块的使用教学方法问答法、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自动售货机模拟系统（2学时）：第1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2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）任务二设计天塔之光系统（2学时）：第3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4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）任务三设计十字路口交通灯控制系统（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）：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7、8学时）：设计液体混合装置项目四功能指令的应用一、教学基本情况（一）课程概况授课题目任务一设计自动售货机模拟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.掌握比较指令的用法；2.掌握基本运算指令的用法；1.能够运用比较指令、基本运算指令简单设计程序；2.能够独立完成自动售货机模拟系统。1.与时俱进，接受多种方法、新知识的探索精神。2.有精益求精、追求卓越的工作态度。（六）教学重难点【重点】1.比较指令、基本运算指令的用法；2.自动售货机模拟系统的PLC外部接线、梯形图程序编写；【难点】自动售货机模拟系统的PLC外部接线、梯形图程序编写以及调试。（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1学时项目内容时间问题导入【教师】提出问题1前面学习的编程指令都是基本逻辑指令，PLC程序编写语言指令有多种，分别是什么？【教师】提出问题2功能指令都包含哪些指令？与基本逻辑指令的区别是什么？【教师】提出问题3功能指令的应用场合？5min新课1.比较指令的概念、分类、用法；2.基本运算指令的概念、分类、用法；20min3.小组活动，知识竞答；10min4.展示小组竞答情况，评选优秀完成小组；5.教师总结。5min课后作业文旌课堂APP知识拓展5min第2学时项目内容时间复习+问题导入【教师】提出问题1比较指令的概念、分类、用法？【教师】提出问题2基本运算指令的概念、分类、用法？【教师】提出问题3自动售货机模拟系统具体如何实施？5min新课任务分析；任务实施；5min3.分组实操；4.教师总结；25min5.展示小组完成情况，评选优秀完成小组；6.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1前面学习的编程指令都是基本逻辑指令，PLC程序编写语言指令有多种，分别是什么？【教师】提出问题2功能指令都包含哪些指令？与基本逻辑指令的区别是什么？【教师】提出问题3功能指令的应用场合？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，对于问题有一定的认识，提问两个课前预习任务完成较好的学生讲授新课一、比较指令在自动售货机模拟系统中，需要将MW2的当前值与汽水和咖啡的价格做比较，当前值大于或等于这两种饮料的价格时，其相应指示灯点亮，故可采用比较指令。S7-1200PLC采用IEC标准的比较指令，包括基本比较指令、值在范围内指令和值在范围外指令等。1.基本比较指令基本比较指令是用来比较两个操作数大小关系的指令，包括等于（==）、不等于（<>）、大于（>）、大于等于（>=）、小于（<）和小于等于（<=），如表4-1所示。表4-1基本比较指令指令名称等于不等于大于大于等于小于小于等于指令格式使用基本比较指令判断第一个比较值（<IN1>）与第二个比较值（<IN2>）的大小关系时，若满足比较条件，指令逻辑结果输出为“1”，否则输出为“0”，如图4-1所示。图4-1基本比较指令的梯形图程序图4-1中，操作数IW0和MW0的数据类型为整型，若满足IW0MW0，则Q0.0接通，否则Q0.0断开。如果启用了IEC检查，则两个操作数的数据类型必须一致。如果未启用IEC检查，则操作数的宽度必须相同。设置IEC检查的步骤如下：在程序块Main[OB1]的属性窗口区中，选择“常规”→“属性”选项，勾选“IEC检查”复选框，如图4-2所示。图4-2设置IEC检查【例1】用比较指令实现指示灯循环点亮（控制要求见项目三任务一）。分析：设该定时器为T0，由控制要求可知，I0.0输入一个脉冲信号或“T0”.ET10s时，第一个指示灯Q0.0的状态为“1”；10s<“T0”.ET20s时，第二个指示灯Q0.1的状态为“1”；20s<“T0”.ET30s时，第三个指示灯Q0.2的状态为“1”；按下停止按钮（I0.1），Q0.0～Q0.2的状态为“0”，故梯形图如图4-3所示。图4-3比较指令实现指示灯循环点亮2.值在范围内指令值在范围内指令（IN_RANGE）主要用来查询输入数据是否在指定的取值范围内。其中，MIN和MAX引脚用于设定取值范围的限值，VAL引脚用于输入待比较值，其指令格式如图4-4所示。图4-4IN_RANGE指令执行指令时，如果满足“MININMAX”的比较条件，则输出信号的状态为“1”，否则输出信号的状态为“0”。只有待比较值与限值的数据类型相同，才能执行该比较功能。【例2】某停车场共有100个车位，试设计该停车场报警系统。控制要求如下：空车位数10时，绿灯亮；3空车位数10时，黄灯亮；空车位数2时，红灯亮。分析：设车辆入场检测和出场检测信号分别为I0.0和I0.1，绿灯输出为Q0.0，黄灯输出为Q0.1，红灯输出为Q0.2，则设计思路如下。（1）检测空车位，用加减计数器指令统计空车位。此时车辆出场检测信号I0.1每接收一个脉冲信号，CTUD加1；车辆入场检测信号I0.0每接收一个脉冲信号，CTUD减1；在PLC的首次扫描时，将预设值装载到CTUD中。（2）用基本比较指令和值在范围内指令控制指示灯的亮灭。故梯形图程序如图4-5所示。图4-5某停车场报警系统的梯形图程序3.值在范围外指令使用值在范围外指令（OUT_RANGE）可以查询输入VAL的值是否超出了指定的取值范围，其引脚功能与值在范围内的引脚功能相同，指令格式如图4-6所示。图4-6OUT_RANGE指令如果满足IN<MIN或IN>MAX的比较条件，则输出信号的状态为“1”，否则输出信号的状态为“0”。【例3】某温度传感器的输入端连接到S7-1200PLC的AIW0口，设定该温度传感器检测到的正常温度范围为30～150℃，若超出此范围，报警信号灯闪烁3s，闪烁频率为2Hz。试设计该温度检测系统的梯形图程序。分析：该温度检测系统的重点是将温度传感器检测到的值与设定范围进行比较，超出该设定范围时，报警信号灯输出状态为“1”，故应选用OUT_RANGE指令。时钟存储器字节（MB100）为系统提供频率为2Hz的脉冲信号，故温度检测系统的梯形图程序如图4-7所示。图4-7某温度检测系统的梯形图程序二、算数运算指令算术运算指令包括四则运算、求余、平方、求模（绝对值）等指令1.四则运算指令四则运算指令包括加（ADD）、减（SUB）、乘（MUL）、除（DIV）指令，操作数可选整数和实数数据类型，其指令格式和功能如表4-2所示。表4-2四则运算指令指令名称指令格式指令说明加当EN引脚为高电平时，ADD指令实现功能，并将计算结果送至OUT指定的地址中。可以通过单击IN2右侧的按钮来增加输入操作数的数量（IN3、IN4、IN5……）。

IN2和OUT可以共用一个存储器，此时可实现OUT（当前扫描周期）=IN1+OUT（前一个扫描周期）减当EN引脚为高电平时，SUB指令实现功能，并将计算结果送至OUT指定的地址中乘当EN引脚为高电平时，MUL指令实现功能，并将计算结果送至OUT指定的地址中。同加指令相同，可以通过单击IN2右侧的按钮来增加输入操作数的数量除当EN引脚为高电平时，DIV指令实现功能，并将计算结果送至OUT指定的地址中，整数除法采用截尾取整的方法处理商的值运算完成后，指令会将ENO的状态设置为“1”并输出计算结果，故ENO又叫使能输出端。【例4】地铁自动售票机中，货币识别传感器识别到投入的金额并送至S7-1200PLC中,用户选择车站（票价）和张数后，按下购买按钮，自动售票机自动完成售票并实现找零功能，试设计地铁自动售票机的梯形图程序。分析：设每次投入的货币金额送至输入映像寄存器IW0中，投入的总金额存储在MW0中，单张票价存储在MW2中，购票张数存储在MW4中，应找零存储在MW6中，总票价存储在MW8中，存储器及I/O地址分配表如表4-3所示。表4-3存储器及I/O地址分配表存储器输入地址功能地址功能MW0投入总金额I0.0货币位置开关MW2单张票价I0.1车票选择按钮MW4购票张数I0.2购买按钮MW6应找零I0.3操作结束按钮MW8总票价IW1投入金额应找零数=投入总金额−地铁票价×购买张数，故输入与输出之间包含算术运算关系，则设计思路如下。（1）用ADD指令计算出投币总金额。（2）用MUL指令计算出地铁总票价。（3）用SUB指令计算出应找零数。（4）用MOVE指令将存储器清零。故地铁自动售票机的梯形图程序如图4-8所示。图4-8地铁自动售票机的梯形图程序12．其他常用数学函数指令其他常用数学函数指令主要有计算、求余、取反、递增、递减、计算绝对值、获取最大值、获取最小值、设置限值、平方、平方根指令等，其格式和功能说明见教材P113—P114，表4-4。【例5】在例4的题干中，增加控制要求：3元单张票价7元。试用计算指令和设置限值指令改写例4的梯形图程序。分析：用设置限值指令控制单张票价，用计算指令计算应找零数，其余设计同例4，故梯形图程序如图4-9所示。图4-9地铁自动售票机的梯形图程序2【例6】用递增和递减指令实现加减计数器指令功能。分析：加减计数器指令的工作原理参考项目三任务二。递增指令实现加1功能，即可实现加计数器功能；递减指令实现减计数器功能，故程序如图4-10所示。图4-10模拟加减计数器指令梯形图程序三、互动讨论，分组竞答分组互动讨论四、知识总结，成绩评定哪一组是今天的学习之星呢？【教师】【教师】【教师】【教师】【教师】【教师】图文、对比接通延时定时器指令讲解，重点强调蓝色字部分【教师】选A同学为大家进行分析。【教师】做好总结与点评。【教师】TIA博途软件示范【教师】选B同学为大家进行讲述。【教师】对照表格，讲解四则运算指令，多采取与学生互动方式完成【教师】提问同学B，为大家进行任务分析【教师】TIA博途软件示范讲解【教师】TIA博途软件示范讲解【教师】提问学生，做好引导，总结【教师】根据教学目标，结合本节课所讲知识点，设置几道题目，设分组竞答。【教师】根据学生回答情况，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】认真听讲【学生】【学生】【学生】【学生】【学生】【学生】3—4人分为1组，参与竞答小游戏。【学生】分组汇报所答题目情况理论知识讲授学生需要理解基本比较指令的工作条件，教师着重讲解示范法便于学生理解掌握示范演示比较直观示范法教学对比法讲解，有利于学生快速理解新知识培养学生养成独立分析问题的能力，检测学生对知识掌握的程度示范法教学以提问的方式，提高学生学习积极性，培养学生知识迁移能力四则运算指令四则运算指令互动讨论增加理论知识讲解的趣味性，同时提升学生学习兴趣培养学生分析问题的能力示范法授课，比较直观，学生容易吸收理解示范法授课，比较直观，学生容易吸收理解培养学生举一反三的学习能力巩固知识点，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比较指令的概念、分类、用法？【教师】提出问题2基本运算指令的概念、分类、用法？【教师】提出问题3自动售货机模拟系统具体如何实施？问题1随机找同学回答问题2学生竞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任务分析1.控制要求请设计一个PLC控制的自动售货机模拟系统。控制要求如下：自动售货机模拟系统中有汽水（3元/瓶）和咖啡（8元/瓶）两种饮料，投入1元、5元或10元钱币后，寄存器存储已投入钱数；当投入的钱数大于或等于饮料的价格时，相应的可购指示灯点亮，表示可以购买该饮料；按下汽水按钮或咖啡按钮，购买指示灯点亮，表示购买该饮料；30s后，取货指示灯点亮2s，表示饮料已从售货机取出；按下找零按钮，延时1s后找零指示灯点亮；3s后找零指示灯熄灭，表示零钱已被取出。2.任务分析（1）分析自动售货机模拟系统的工作过程。设按钮SB0、SB1和SB2分别表示投币1元、5元和10元，按钮SB3和SB4分别表示购买汽水和咖啡，按钮SB5表示找零，MW2存储自动售货机模拟系统的实时金额。每按一次SB0，MW2的值加1；每按一次SB1，MW2的值加5；每按一次SB2，MW2的值加10；每按一次SB3，MW2的值减3；每按一次SB4，MW2的值减8。当MW23时，汽水可购指示灯L0的状态变为“1”；当MW28时，咖啡可购指示灯L1的状态变为“1”。按下SB3或SB4，购买指示灯L2的状态变为“1”，定时器T0定时30s；T0定时结束后，取货指示灯L3的状态变为“1”，L2的状态变为“0”；定时器T1开始定时2s，定时结束后L3的状态变为“0”；按下找零按钮SB5时，找零指示灯L4的状态变为“1”，定时器T2定时3s；T2定时结束后，L4的状态变为“0”。（2）根据自动售货机模拟系统的工作过程，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，并完成接线。（4）根据自动售货机模拟系统的工作过程和I/O地址分配表，设计梯形图程序。（5）将梯形图程序下载到PLC中，按照自动售货机模拟系统的工作过程，模拟一次购买汽水或咖啡的过程，分析程序执行结果是否符合控制要求。本系统的重点是设置MW2，即如何实现每按一次I0.0～I0.4按钮，MW2改变不同的数值。二、任务实施1.I/O地址分配表4-5自动售货机模拟系统的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SB0I0.01元投币按钮L0Q0.0汽水可购指示灯SB1I0.15元投币按钮L1Q0.1咖啡可购指示灯SB2I0.210元投币按钮L2Q0.2购买指示灯SB3I0.3购买汽水按钮L3Q0.3取货指示灯SB4I0.4购买咖啡按钮L4Q0.4找零指示灯SB5I0.5找零按钮2.硬件连接根据表4-5绘制PLC的硬件接线图（见图3-8），并根据接线图完成接线。图4-11PLC的硬件接线图3.程序设计与调试根据表4-5和自动售货机模拟系统的工作过程，用SB0（I0.0）、SB1（I0.1）和SB2（I0.2）模拟1元、5元和10元货币，则设计思