运动控制技术与应用 教案 任务3.1 S7-1200 PLC PN通信控制G120变频器

任务3.1S7-1200PLCPN通信控制G120变频器一、基本信息任务名称S7-1200PLCPN通信控制G120变频器授课学时4学时授课班级授课人数授课地点运动控制技术实训室课型理实一体化课参考标准国家标准GB/T12668.2-2002《调速电气传动系统》；西门子G120变频器技术手册；XX学院《运动控制技术与应用》课程标准；全国职业院校技能大赛“现代电气控制系统安装与调试”赛项评分标准参考教材《运动控制技术与应用》机械工业出版社2026.6二、教学分析（一）教学内容内容位置项目3通信控制变频器运动控制系统→任务3.1S7-1200PLCPN通信控制G120变频器教学内容1.G120变频器现场总线接口及PROFIdrive通信协议

2.通信报文结构（报文1、20、350、352等）及控制字/状态字定义（表3-1~3-4）

3.PN通信参数设置（添加驱动、分配IP地址和设备名称、调试向导、控制面板、参数下载）

4.1200PLC与G120的通信连接及硬件组态

5.两种编程方法：SinaSpeed功能块控制；直接控制PZD区控制字

6.HMI组态（按钮、指示灯、IO域）及状态字位信号关联

7.系统联调与故障排查内容分析本次课是通信控制变频器的核心任务，学生从端子/模拟量控制过渡到工业以太网通信控制。需要理解PROFIdrive协议、报文结构、控制字/状态字含义，掌握G120变频器的PN通信参数设置，并能在TIAPortal中完成PLC编程和HMI组态。通过4学时的理实一体化教学，使学生具备独立完成PN通信控制变频器的能力（二）学情分析知识和技能基础学生已完成项目2的任务（端子控制、模拟量调速、PID控制），掌握了G120C变频器的基本调试及PLC/HMI集成；对PN通信了解不多，缺乏报文配置和通信编程经验。诉求和素养储备学生对工业以太网通信控制变频器有较高兴趣，因为这是现代自动化的发展方向；部分学生对报文、控制字等抽象概念理解困难，需结合实例讲解。学习特点喜欢通过软件操作实现远程控制，对通信配置感到新奇；对参数设置和通信故障排查有畏难情绪，需要分步演示和反复练习；乐于小组协作。（三）目标分析知识目标1.理解G120变频器PN通信相关参数的功能及PROFIdrive通信协议。

2.掌握通信报文的结构（PZD）及控制字STW1、状态字ZSW1的各位定义。

3.理解SinaSpeed功能块及直接控制PZD区的编程方法。能力目标1.能设计G120变频器PN通信控制的电气接线原理图和网络拓扑图。

2.能完成PN通信的硬件组态（添加驱动、分配IP地址和设备名称、调试向导）。

3.能用TIAPortal编写两种方式的PLC程序（SinaSpeed或直接控制PZD），实现正反转、调速和故障应答。

4.能组态HMI画面（按钮、指示灯、IO域），实现通信监控。素质目标1.通过实现PN通信控制变频器，增强科技报国信心。

2.养成规则意识、标准意识和5S管理的职业素养，培养开拓创新的科学精神。（四）教学重难点类型重难点内容确立依据解决方法教学重点1.变频器PN通信参数设置（分配IP地址、设备名称、调试向导中的宏7选择）

2.控制字STW1的各位含义（特别是位0ON/OFF1、位1OFF2、位2OFF3、位3使能、位10PLC控制）

3.两种编程方法：SinaSpeed功能块；直接传送16#047F等控制字PN通信是自动化集成的核心技能1.分步演示在线分配IP和设备名称（注意断电重分配）

2.对照表3-3讲解控制字，用二进制/十六进制转换理解

3.对比两种编程方法的优缺点，提供程序模板教学难点1.控制字STW1的位组合（如16#047F=0010001111111）的含义及实际应用

2.状态字ZSW1的位解析（运行、故障、方向等）与HMI指示灯关联

3.通信故障排查（设备名称不匹配、IP冲突、硬件ID错误）报文位定义抽象，故障排查需要经验1.拆解控制字二进制位，分别解释每位作用

2.通过监控表观察状态字变化，反向验证故障原因

3.总结常见错误及解决方法（如“设备名称未分配”需重新断电分配）（五）教学策略教学流程第1课时：PN通信基础与硬件组态（45min）→第2课时：变频器PN参数设置与调试（45min）→第3课时：PLC编程（SinaSpeed与直接控制）（45min）→第4课时：HMI组态与系统联调（45min）教学方法讲授法、任务驱动法、演示法、小组协作法、实训操作法信息化手段1.智慧树在线课平台：发布预习资料（PROFINET通信原理）

2.TIAPortal软件（V18）、Startdrive组件

3.数字化资源：控制字速查表、通信故障排查表教学资源实物：G120变频器（带PN接口）、S7-1200PLC（CPU1212C）、KTP700HMI、三相异步电动机、网线（至少2根）、断路器、开关电源、导线、万用表、电工工具；资料：电气原理图、网络拓扑图、参数表（表3-8）、实训工单三、教学安排课前教学环节教学内容教师活动学生活动教学方法与手段知识探索1.观看微课“PROFINET通信与PROFIdrive协议”

2.预习教材中“G120现场总线接口”、“通信报文”和“控制字定义”部分

3.浏览TIAPortal通信组态视频1.智慧树在线课平台发布预习视频和任务单

2.发布讨论题：“PN通信相比模拟量控制有何优点？”

3.上传G120PN通信手册节选1.观看视频，了解PN通信基本概念

2.阅读教材，记录疑问

3.初步认识报文和控制字线上平台+微课视频，提前熟悉PN通信课中（第1课时：PN通信基础与硬件组态）教学环节教学内容教师活动学生活动教学方法与手段任务导入（5min）回顾项目2的模拟量控制，引出PN通信控制的优势：减少接线、远程监控、智能控制1.提问：“如何用一根网线实现启停、调速和状态反馈？”

2.展示网络拓扑图（图3-15），明确本课任务

3.强调安全注意事项1.思考并回答

2.明确学习目标案例教学法新知讲解（15min）1.G120现场总线接口（图3-1）及PROFIdrive协议

2.通信报文结构（表3-1、3-2）：PZD（过程数据）含义

3.控制字STW1各位定义（表3-3）及运行准备/正转/反转/故障应答的控制字值（16#047E、16#047F、16#0C7F、16#04FE）

4.状态字ZSW1各位定义（表3-4）1.对照实物讲解PN接口位置

2.用“收发快递”比喻报文：PZD1是命令包裹，PZD2是速度包裹

3.拆解16#047F二进制：0010001111111，逐位说明作用

4.展示状态字位与HMI指示灯对应关系1.观察接口，记录报文类型

2.理解PZD的作用

3.记录常用控制字值

4.理解状态字中运行、故障等位讲授法+比喻教学硬件组态实训（20min）1.添加新设备：选择G120变频器（图3-2）

2.设置IP地址和设备名称（图3-3）

3.在线分配设备名称和IP地址（图3-4~3-6）

4.建立PLC与变频器的PROFINET连接（图3-11）1.分步演示添加驱动、设置IP（同网段，如192.168.0.2）和设备名称（如G120_1）

2.演示在线分配：设置PG/PC接口，更新列表，分配名称，分配IP地址

3.强调：设备名称必须英文/数字，分配后需断电重启生效

4.演示网络视图中拖拽连接PLC与变频器1.小组合作，跟随操作添加驱动

2.设置IP和设备名称

3.在线分配名称和IP，验证成功

4.完成PROFINET连接实训操作法+演示法小结与布置（5min）总结PN组态步骤，布置课后预习1.点评常见错误（IP不在同网段、未分配设备名称）

2.预告下节课变频器调试1.记录要点

2.保存项目归纳总结法课中（第2课时：变频器PN参数设置与调试）教学环节教学内容教师活动学生活动教学方法与手段复习导入（5min）复习硬件组态，引入变频器参数调试1.提问：“如何通过Startdrive设置变频器参数？”

2.展示调试向导界面1.回答

2.打开驱动调试界面复习提问法新知讲解与实训（35min）1.启动调试向导，选择应用等级（SDC）

2.设定值指定：选择“连接PLC”，斜坡函数发生器在变频器中生效

3.I/O配置：选择宏7（现场总线PROFINET和点动切换）（图3-8）

4.驱动设置：IEC标准，输入电压380V

5.电动机参数：根据铭牌输入（p0304、p0305、p0307、p0310、p0311）

6.重要参数：最小/最大转速、加减速时间

7.驱动功能：恒定负载，禁用电动机识别

8.控制面板调试：激活主控权，点动测试，修改转速

9.参数保存/复位：将参数保存到EEPROM1.分步演示调试向导（图3-7~3-9）

2.强调宏7的作用：PROFINET控制，DI可切换点动

3.演示电动机参数输入（对照铭牌）

4.演示控制面板调试：激活主控权，点动正反转，修改转速，观察电机运行

5.演示保存参数（RAM→EEPROM）

6.巡视指导，解决参数设置问题1.小组合作，跟随操作调试向导

2.输入电动机参数

3.使用控制面板调试电机

4.保存参数

5.记录关键参数值实训操作法+演示法小结与布置（5min）总结变频器调试步骤1.点评常见错误（宏7未选、电动机数据不匹配、参数未保存）

2.预告下节课PLC编程1.记录要点

2.提交参数表归纳总结法课中（第3课时：PLC编程——SinaSpeed与直接控制）教学环节教学内容教师活动学生活动教学方法与手段复习导入（5min）复习PN组态和变频器调试，引入PLC编程1.提问：“PLC如何通过PN发送控制字和转速给定？”

2.展示两种编程方法1.回答

2.打开PLC编程界面复习提问法新知讲解与实训（35min）1.方法一：使用SinaSpeed功能块（图3-12）

-添加选件包，拖放功能块，分配背景DB

-配置HWIDSTW/HWIDZSW（驱动硬件ID）

-EnableAxis=1启动，SpeedSp转速设定，RefSpeed参考转速（p2000）

2.方法二：直接控制PZD区

-查看报文1的PZD地址：QW256（控制字），QW258（转速设定值）

-用MOVE指令传送16#047F（正转）、16#0C7F（反转）、16#047E（停止）、16#04FE（故障复位）到QW256

-用NORM_X和SCALE_X将设定转速转换为16384对应最大转速（图3-14）

3.程序下载与监控1.演示添加SinaSpeed功能块（若软件无选件包，可说明替代方法）

2.讲解硬件ID的获取（设备视图→PROFINET接口→硬件标识符）

3.演示直接控制：建立变量表，编写正反转停止程序段（图3-13、3-16）

4.讲解转速给定：16384对应p2000（如945rpm），则16384/945=17.34，用标准化指令或直接计算

5.演示下载程序，监控状态字IW256观察电机状态1.小组合作，尝试两种编程方法

2.记录控制字值及转速转换公式

3.下载程序，通过监控表强制变量测试

4.观察电机响应实训操作法+任务驱动小结与布置（5min）总结两种编程方法及转速转换1.点评常见错误（硬件ID错误、转速转换系数不正确）

2.预告下节课HMI组态1.记录要点

2.保存项目归纳总结法课中（第4课时：HMI组态与系统联调）教学环节教学内容教师活动学生活动教学方法与手段复习导入（5min）复习PLC程序，引入HMI组态1.提问：“如何在触摸屏上显示电机运行状态？”

2.展示图3-17HMI画面1.回答

2.打开HMI组态向导复习提问法新知讲解与实训（35min）1.添加HMI设备（KTP700），连接PLC

2.组态画面：文本域、指示灯（故障、运行、正转、反转）、按钮（正转、反转、停止、复位）、IO域（设定转速、实际转速）

3.变量关联：

-指示灯：运行使能（Q0.0?实际用状态字I256.2），正转（I257.7=1），反转（I257.7=0），故障（I256.3）

-按钮：正转置位M2.1，反转置位M2.2，停止复位M2.1/M2.2，复位置位M2.3（脉冲）

-IO域：设定转速关联数据块变量，实际转速关联状态字转换后的变量

4.下载HMI程序，系统联调：操作HMI，观察电机启停、正反转、调速及状态显示1.演示添加HMI、连接PLC

2.演示组态指示灯、按钮、IO域（图3-17）

3.讲解状态字位与指示灯关联：I256.2（运行使能）、I257.7（方向：1正转0反转）、I256.3（故障）

4.演示变量关联：按钮关联M变量，IO域关联DB变量

5.指导联调：通过HMI控制电机，观察转速显示是否与实际一致1.小组合作组态HMI画面

2.关联变量，编译下载

3.联调测试：HMI控制正转、反转、停止、调速，观察指示灯和转速显示

4.记录问题及解决方法实训操作法+演示法图3-17评价总结（5min）1.小组展示系统运行成果

2.教师点评与总结

3.完成自评、互评（表3-9、3-10）1.听取小组汇报，简要点评

2.总结本任务核心技能点：PN组态、变频器调试、两种编程方法、HMI组态

3.强调安全规范与5S管理

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