《可编程控制器应用技术》电子教案 项目五 任务三 设计搬运机械手模拟系统

项目五数字量控制系统的设计一、教学基本情况（一）课程概况授课题目任务三设计搬运机械手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.掌握高速计数器的使用；2.掌握高速脉冲输出；3.掌握运动控制参数设置。1.能够运用高速计数器进行简单程序设计；2.能够独立完成搬运机械手模拟控制系统。1.不怕困难，有创新意识。2.有精益求精、追求卓越的工作态度。（六）教学重难点【重点】1.高速计数器；2.运动控制参数；3.搬运机械手模拟系统的PLC外部接线、梯形图程序编写；【难点】搬运机械手模拟系统的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5学时项目内容时间问题导入【教师】提出问题1计数器的工作原理，应用场合？【教师】提出问题2遇到高频率计数的情况，通用计数器能否实现控制？怎么解决？5min新课1.高速计数器；2.高速脉冲输出；3.运动控制参数设置；4.运动控制指令；25min5.小组活动，知识竞答；10min6.展示小组竞答情况，评选优秀完成小组；7.教师总结。5min课后作业文旌课堂APP知识拓展第6学时项目内容时间复习+问题导入【教师】提出问题1高速计数器的应用？【教师】提出问题2运动控制参数设置？【教师】提出问题3运用所学知识，任务具体如何实施？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5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计数器的工作原理，应用场合？【教师】提出问题2遇到高频率计数的情况，通用计数器能否实现控制？怎么解决？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、高速计数器S7-1200PLC集成了最多6个高速计数器（HSC1～HSC6）。1.高速计数器的组态使用高速计数器前，首先要对高速计数器进行组态，即启用高速计数功能。组态步骤如下。步骤1在“CPU属性”窗口区中，选择“常规”→“高速计数器”→“HSC1”选项，在“常规”组中，勾选“启用该高速计数器”复选框，在“名称”编辑框中输入“HSC_1”，如图5-27所示。图5-27启用高速计数器步骤2在“功能”组中，分别在“计数类型”、“工作模式”、“计数方向取决于”和“初始计数方向”4个列表框中选择“计数”、“单相”、“用户程序（内部方向控制）”和“加计数”选项，如图5-28所示。图5-28设置高速计数器的功能步骤3在“初始值”组中，分别在“初始计数器值”、“初始参考值”、“初始参考值2”、“初始值上限”和“初始值下限”的编辑框中输入所对应的数值，如图5-29所示。步骤4在“同时输入”组中，勾选“使用外部同步输入”复选框，并在“同步输入的信号电平”列表框中选择“高电平有效”选项，如图5-30所示。图5-29设置初始值图5-30设置同步输入步骤5按照步骤4的方法，设置“捕捉输入”、“门输入”和“比较输出”，如图5-31所示。图5-31设置捕捉输入、门输入和比较输出步骤6在“事件组态”栏中，勾选“为计数器值等于参考值这一事件生成中断”和“为同步事件生成中断”两个复选框，如图5-32所示。图5-32设置事件组态步骤7在“I/O地址”组中，在“起始地址”和“结束地址”编辑框中输入起始位地址和结束位地址，在“组织块”和“过程映像”列表框中选择“自动更新”选项，如图5-33所示。图5-33设置I/O地址2.高速计数器指令高速计数器组态完成后，便可在程序中使用高速计数器指令，如图5-34所示。高速计数器指令的参数功能如表5-3所示。图5-34高速计数器指令表5-3高速计数器指令的参数功能参数参数类型数据类型说明HSCINHW_HSC高速计数器的硬件标识符DIRINBool请求新方向使能，高电平有效CVINBool请求新计数器值使能，高电平有效RVINBool请求新参考值使能，高电平有效PERIODINBool请求新频率测量周期值使能（仅限频率测量模式），高电平有效NEW_DIRINInt新方向，1为正方向，-1为负方向NEW_CVINDInt新计数器值NEW_RVINDInt新参考值NEW_PERIODINInt新频率测量周期值，1s、0.1s和0.01s（仅限频率测量模式）BUSYOUTBool功能忙STATUSOUTWord执行条件代码二、高速脉冲输出S7-1200PLC的高速脉冲输出包括脉冲串输出PTO和脉冲调制输出PWM两种模式。PTO可以输出一串脉冲（占空比为50%），用户可以设置脉冲的周期和个数；PWM可以输出连续的、占空比可以调制的脉冲串，用户可以设置脉冲的周期和脉宽（脉冲宽度）。设置脉冲输出的方法如下。步骤1→“PTO1/PWM1”→“常规”选项，在右侧的“启用”选项中勾选“启用该脉冲发生器”复选框，在“名称”编辑框中输入“脉冲输出”，如图5-35所示。图5-35设置脉冲发生器的名称步骤2在“脉冲选项”中，在“信号类型”列表框中选择“PTO（脉冲A和方向B）”选项，如图5-36所示。图5-36选择脉冲输出的信号类型步骤3和“方向输出”列表框中选择硬件输出地址，如图5-37所示。图5-37选择硬件输出的地址脉冲串输出有PTO（脉冲A和方向B）、PTO（正数A和倒数B）、PTO（A/B相移）和PTO（A/B相移-四倍频）4种类型。PTO（脉冲A和方向B）：比较常见的“脉冲+方向”方式，其中A点用来产生高速脉冲串，B点用来控制轴运动的方向。PTO（正数A和倒数B）：在这种方式下，如果A点产生脉冲串、B点为低电平，则电机正转；相反，如果A为低电平、B产生脉冲串，则电机反转。PTO（A/B相移）：A、B为正交信号，当A相超前B相1/4周期时，电机正转；相反，当B相超前A相1/4周期时，电机反转。PTO（A/B相移-四倍频）：检测正交信号A、B两个输出脉冲的上升沿和下降沿。一个脉冲周期有四沿两相（A和B），因此输出的脉冲频率会减小到四分之一。三、运动控制参数设置S7-1200PLC在运动控制中使用了轴（模拟电机中的轴）的概念，通过对轴的组态（包括设置硬件接口、位置定义、动态特性、机械特性等），实现绝对位置控制、相对位置控制、点动控制、速度控制、转速控制和自动寻找参考点等功能。设置运动控制参数即轴组态的步骤如下。步骤1在左侧的项目树窗格中，选择“PLC_1[CPU1214CDC/DC/DC]”“工艺对象”“新增对象”选项，双击打开“新增对象”窗格，选择“TO_PositioningAxis”，勾选“新增并打开”复选框，最后单击“确定”按钮，如图5-38所示。步骤2进入“工艺对象设置”界面，选择“常规”选项后，在“轴名称”编辑框中将轴名称修改为“机械手”，选中“PTO（PulseTrainOutput）”单选钮，在“位置单位”列表框中选择“mm”选项，如图5-39所示。图5-38新增工艺对象图5-39设置轴的参数步骤3如图5-40所示，选择“基本参数”中的“驱动器”选项，在“脉冲发生器”列表框中选择“脉冲输出”选项，在“信号类型”列表框中选择“PTO（脉冲A和方向B）”选项，在“脉冲输出”列表框中选择“机械手_脉冲”选项，勾选“激活方向输出”复选框，在“方向输出”列表框中选择“机械手_方向”选项。图5-40设置驱动器步骤4选择“扩展参数”→“机械”选项，在“电机每转的脉冲数”和“电机每转的负载位移”编辑框中输入每转的脉冲数和每转的负载位移（根据驱动器的参数和实际机械位移来设置），如图5-41所示。图5-41设置机械参数步骤5选择“位置限制”选项，勾选“启动硬限位开关”复选框，根据传感器信号类型，在“硬件下限位开关输入”和“硬件上限开关输入”列表框中选择相应选项，并在“选择电平”列表框中分别选择“高电平”和“低电平”，如图5-42所示。步骤6选择“动态”→“常规”选项，在“速度限值的单位”列表框中选择“mm/s”选项，并根据电机转速和驱动器参数在“最大转速”和“启动/停止速度”编辑框中设置最大转速和启动/停止速度，如图5-43所示。图5-42设置硬件限位开关图5-43设置速度限值四、运动控制指令在程序界面的右侧，打开“指令”→“工艺”→“MotionControl”文件夹，可以看到所有的S7-1200运动控制指令，如图5-44所示。图5-44运动控制指令将光标放在指令上，会弹出该指令的说明文档链接，单击该链接便可查看指令说明，如图5-45所示。（a）（b）图5-45指令说明文档（a）打开文档（b）指令说明五、互动讨论，分组竞答六、知识总结，成绩评定哪一组是今天的学习之星呢？【教师】【教师】TIA博途软件，按步骤演示，提示学生照做【教师】TIA博途软件，按步骤演示，提示学生照做【教师】【教师】TIA博途软件，按步骤演示，提示学生照做【教师】TIA博途软件，按步骤演示，提示学生照做【教师】TIA博途软件，按步骤演示，提示学生照做【教师】TIA博途软件，按步骤演示，提示学生照做【教师】教师根据教学内容，设置题目，设分组竞答。【教师】根据学生回答情况，做总结。评出学习之星。【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，参与竞答小游戏。【学生】分组汇报所答题目情况示范法讲解比较直观，学生容易接受示范演示，学生跟着做，有利于学生对组态要点的掌握示范演示，比较直观示范演示，直观易懂。互动能够提高学生学习积极性，及时掌握学生学习动态示范演示，比较直观示范演示，比较直观示范演示，比较直观示范演示，比较直观巩固知识点，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第6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高速计数器的应用？【教师】提出问题2运动控制参数设置？【教师】提出问题3运用所学知识，任务具体如何实施？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一、任务分析1.控制要求请设计一个将工件由A处传送到B处的搬运机械手模拟系统。要求机械手抓取物体后，手臂能够完成上下左右的运动，如图5-25所示。图5-25搬运机械手模拟系统2.任务分析（1）如图5-26所示，分析搬运机械手模拟系统的工作过程，具体如下。①初始状态下，机械手在初始位置（原位）。②按下启动按钮，机械手开始工作，驱动电机使机械手下降。③当碰到下限位开关SQ1时，机械手夹紧物体。④经过一段延时（设30s）后，机械手开始向上运动。⑤碰到上限位开关SQ2后，机械手开始向右运动。⑥碰到右限位开关SQ3后，开始向下运动。⑦碰到下限位开关SQ1后，机械手松开物体。⑧经过一段延时（设30s）后，先向上运动。⑨碰到上限位开关SQ2后，向左运动。⑩最后回到原位，开始下一个周期的运行。按下停止按钮后，机械手完成本周期动作后会到原位并停止工作。图5-26搬运机械手模拟系统的工作过程（2）根据搬运机械手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，并完成硬件接线。（4）根据搬运机械手模拟系统的控制要求和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，按照搬运机械手模拟系统的工作过程，改变输入信号的状态，分析程序执行结果是否符合控制要求。二、任务实施1.I/O地址分配表5-4搬运机械手模拟系统的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SB0I0.0启动按钮KM1Q0.0上下电机脉冲SQ1I0.1下限位开关KM2Q0.1上下电机方向SQ2I0.2上限位开关KM3Q0.2左右电机脉冲SQ3I0.3右限位开关KM4Q0.3左右电机方向SQ4I0.4左限位开关KYQ0.4电磁阀SB1I0.5停止按钮HLQ0.5原位指示灯2.硬件连接根据表5-4绘制PLC的硬件接线图（见图5-46），并根据接线图完成接线。图5-46PLC的硬件接线图3.程序设计与调试搬运机械手模拟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“项目五任务三”。步骤2设置PLC的变量，如图5-47所示。图5-47设置PLC的变量步骤3根据搬运机械手的工作过程，绘制顺序功能图，如图5-48所示。图5-48搬运机械手模拟系统的顺序功能图步骤4按照“预备知识”中的步骤设置运动控制参数，根据I/O地址分配表设置上下运行电机和左右运行电机的硬件接口参数，如图5-49、图5-50所示。图5-49设置上下运行电机的参数图5-50设置左右运行电机