《可编程控制器应用技术》电子教案 项目五 任务一 设计水塔水位控制系统

项目五数字量控制系统的设计项目导读数字量控制是S7-1200PLC的主要功能之一，由此可搭建基于PLC的数字量控制系统，设计方法主要有经验设计法和顺序设计法两种。本项目将重点介绍经验设计法及其常用的典型电路，顺序设计法及顺序功能图的绘制方法，还将介绍运动控制的概念及设计方法。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数字量控制系统的基本设计方法；掌握经验设计法的典型电路；技能目标掌握顺序功能图的绘制方法；掌握运动控制系统的设计方法；能够用经验设计法和顺序设计法搭建数字量控制系统。职业目标通过学习经验设计法和完善程序，锻炼不怕困难、勇于创新的精神；通过学习顺序设计法，增强遵循事物发展规律，多角度思考问题的意识。重点顺序控制设计法、顺序功能图难点函数、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水塔水位控制系统（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）任务二设计自动配料模拟系统（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）任务三设计搬运机械手模拟系统（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）：设计点动和连续双重控制的运料小车自动往返运动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一设计水塔水位控制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.掌握典型工作电路的工作原理；2.掌握经验设计法的思想；1.能够运用典型电路完成简单设计；2.能够独立完成水塔水位控制系统。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.典型工作电路的运用；2.水塔水位控制系统的PLC外部接线、梯形图程序编写；【难点】水塔水位控制系统的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前面学习的编程方法有几种？哪一种适合你？有没有一种更简洁的编程方法？【教师】提出问题2如何用PLC实现高层供水控制实现？5min新课1.典型工作电路；2.经验设计法；3.任务分析；25min4.分组练习，讨论互动；5.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2学时项目内容时间复习+问题导入【教师】提出问题1典型工作电路有几种？【教师】提出问题2经验设计法的优缺点？【教师】提出问题3任务具体如何实施？5min新课1.任务实施；5min2.分组实操；3.教师总结；25min4.展示小组完成情况，评选优秀完成小组；5.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前面学习的编程方法有几种？哪一种适合你？有没有一种更简洁的编程方法？【教师】提出问题2如何用PLC实现高层供水控制实现？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、典型电路在数字量控制系统设计中，常常需要将各种典型电路组合起来，共同完成某些系统的控制。1.起保停电路启保停电路是启动、保持、停止电路的简称，其梯形图程序如图5-2所示。图5-2启保停电路在启保停电路中，有一个启动按钮I0.0、一个停止按钮I0.1和一个线圈输出Q0.0。按下启动按钮I0.0，线圈输出Q0.0的状态变为“1，这个过程称为启动；随后启动按钮I0.0弹起，由于Q0.0的状态为“1，电路仍然接通，故Q0.0的状态仍为“1，这个过程称为保持；按下停止按钮I0.1，电路断开，Q0.0的状态变为“0，这个过程称为停止。启保停电路是数字量控制系统中应用最广泛的电路，可用于电机的连续控制、PLC工作状态显示等。2.闪烁电路在S7-1200PLC中，若要得到某些特定频率（如10Hz、5Hz、2.5Hz、2Hz、1.25Hz、1Hz、0.625Hz和0.5Hz）且占空比为50%的脉冲输出，可以采用时钟存储器字节。但要得到任意周期或任意占空比的脉冲输出，通常采用闪烁电路。占空比是指电路被接通的时间占整个电路工作周期的百分比。例如，某电路在一个工作周期中有一半时间被接通了，那么它的占空比就是50%。【例1】设某设备的启动按钮和停止按钮分别为I0.0和I0.1。按下启动按钮，设备开始工作；工作时，为防止设备过热，要求设备每工作4h停止1h；按下停止按钮时，设备立即停止工作。请设计该设备的梯形图程序。分析：由题意可知，该设备的工作过程如下。按下启动按钮I0.0，设备开始工作，Q0.0状态为“1”，并开始定时（定时时长（2）定时结束后，Q0.0输出状态为“0”，并开始定时（定时时长为1h）。（3）定时结束后，设备重新开始工作。（4）按下停止按钮，设备立即停止。由此可绘制设备的工作时序图，如图5-3所示。图5-3设备的工作时序图该设备的梯形图程序设计思想如下。（1）用TON指令定时该设备的工作时长（T0）和停止工作时长（T1）。（2）将“T0”.Q作为T1的输入，得到周期为5h（T0+T1），占空比为20%（）的闪烁电路。根据以上分析设计设备的梯形图程序，如图5-4所示。图5-4设备的梯形图程序二、经验设计法这种方法没有普遍的规律可以遵循。采用经验设计法时，往往需要反复地调试和修改梯形图程序，才能得到一个较为满意的结果。因此，经验设计法仅【例2】如图5-5所示为运料小车的PLC硬件接线图，请设计运料小车的梯形图程序。在图5-5中，SB1、SB2分别为运料小车的启动按钮和停止按钮，SQ1、SQ2为运料小车左右终点的行程开关。控制要求如下。（1）按下启动按钮SB1后，运料小车在SQ1处装料，20s后装料结束，开始右行。（2）当碰到SQ2后停下来卸料，20s后左行，碰到SQ1后又停下来装料。（3）这样不停地循环工作，直到按下停止按钮SB2。图5-5运料小车的PLC硬件接线图分析：该运料小车梯形图程序的设计思路如下。（1）用M0.0存储运料小车的工作状态，用启保停电路控制M0.0的状态。（2）用TON指令设置装料和卸料的时间。（3）用启保停电路控制运料小车的左行和右行。则该运料小车的梯形图程序如图5-6所示。图5-6运料小车自动控制的梯形图程序三、任务分析1.控制要求请设计一个水塔水位控制系统，如图5-1所示。其控制要求如下。（1）当水池的实际水位低于低水位界S4时，进水阀门Y打开，开始往水池里注水，并启动定时器。（2）定时结束后，若实际水位仍然低于低水位界S4，表示进水阀门Y出现故障，此时阀门状态指示灯闪烁。（3）注水过程中，实际水位到达高水位界S3时，进水阀门Y关闭。（4）当水池的实际水位高于低水位界S4，且水塔水位低于低水位界S2时，电机M开始工作，向水塔供水。（5）当水塔的水位高于高水位界S1时，电机M停止工作。图5-1水塔水位控制系统2.任务分析（1）分析在水塔水位控制系统中，水位通常由液位传感器来检测。当水位超过液位传感器所在高度（即水位界）时，传感器通电；当水位低于液位传感器时所在高度时，传感器断电。若用常开开关QS1、QS2、QS3和QS4分别模拟S1、S2、S3和S4对应的4个液位传感器，则可设定实际水位低于传感器所在高度时，QS1～QS4的状态为“0”；实际水位高于传感器所在高度时，QS1～QS4的状态为“1”。水塔水位控制系统的工作过程如下。①当QS4的状态为“0”时，进水阀门Y的状态变为“1”，并启动定时器T0（设定时时长为5s）。②T0定时结束后，若检测到QS4的状态仍为“0”，阀门故障指示灯HL闪烁（设闪烁频率为2Hz）。③若检测到QS4和QS3的状态均为“1”，进水阀门Y的状态变为“0”。④若检测到QS2的状态为“0”且QS4的状态为“1”，电机M的状态变为“1”。⑤若检测到QS1的状态为“1”，电机M的状态变为“0”。（2）根据水塔水位控制系统的工作过程，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）根据水塔水位控制系统的工作过程和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，按照水塔水位的工作过程，改变QS1～QS4的状态，查看进水阀门Y和电机M的状态，分析程序执行结果是否符合控制要求。三、互动讨论，分组竞答画出“T0”.Q和“T1”.Q的波形图，并与图5-3中的设备输出Q0.0比较，分析它们之间的关系。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】【教师】【教师】任务分析【教师】提问同学B，为大家讲解PLC控制的几个步骤。【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，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】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电力拖动是前面学过的课程，从熟悉的知识点作为切入点，学生更容易理解案例法和示范法相结合运用，更容易表达清晰，学生更容易接受互动讲解，活跃课堂气氛，提高学生学习兴趣示范法教学经验设计法经验设计法与学生互动，提高学生学习积极性，教师能够及时掌握学生的理解程度仿真演示示范法教学，更直观，学生更容易接受有利于学生理解控制要求，为任务实施做好准备PLC控制的步骤是固定不变得，需要学生掌握巩固知识点，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典型工作电路有几种？【教师】提出问题2经验设计法的优缺点？【教师】提出问题3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、任务实施1.I/O地址分配表5-1水塔水位系统的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S0I0.0总开关YQ0.0进水阀门QS1I0.1水塔上水位传感器（S1）MQ0.1供水电机QS2I0.2水塔下水位传感器（S2）HLQ0.2阀门故障指示灯QS3I0.3水池上水位传感器（S3）QS4I0.4水池下水位传感器（S4）2.硬件连接根据表5-1绘制PLC的硬件接线图（见图5-7），并根据接线图完成接线。图5-7PLC的硬件接线图3.程序设计与调试水塔水位控制系统的程序设计思路如下。（1）用TON指令定义进水阀门的开启时间。（2）用系统时钟存储器字节控制阀门故障指示灯HL的闪烁频率。（3）用启保停电路控制进水阀门和电机的状态。据此设计水塔水位控制系统的梯形图程序如图5-8所示。图5-8水塔水位控制系统的梯形图程序4.水塔水位程序设计与调试步骤如下。步骤1完成项目创建和