运动控制技术与应用 教案 任务3.2 S7-1200 PLC Modbus通信控制G120变频器

任务3.2S7-1200PLCModbus通信控制G120变频器一、基本信息任务名称S7-1200PLCModbus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3.2S7-1200PLCModbus通信控制G120变频器教学内容1.ModbusRTU通信协议概述（主从结构、数据单元、功能码FC3/FC6/FC16）

2.硬件配置与连接（CB1241/CM1241通信板/模块、接线图）

3.G120变频器Modbus通信相关参数（宏21、P2030、P2020、P2021、P2040）

4.Modbus通信常用寄存器（40100控制字、40101主设定值、40110状态字、40111速度实际值等）

5.S7-1200Modbus通信指令：MB_COMM_LOAD（端口组态）、MB_MASTER（读写请求）

6.轮询编程方法（多任务读写）

7.HMI组态与系统联调内容分析本次课是通信控制变频器的第二个任务，从PROFINET通信过渡到ModbusRTU串行通信。学生需要理解Modbus协议的基本原理，掌握G120变频器的Modbus参数设置，学会使用S7-1200的Modbus指令进行编程，并通过HMI实现远程监控。通过4学时的理实一体化教学，使学生具备在不同通信协议下控制变频器的能力。（二）学情分析知识和技能基础学生已完成任务3.1（PN通信），掌握了PROFINET组态及通信编程；对串行通信有一定了解，但缺乏Modbus协议及S7-1200Modbus指令的实际应用经验。诉求和素养储备学生对通用Modbus协议有较高兴趣，因为该协议在工业设备互联中广泛应用；部分学生对寄存器地址、功能码等概念感到抽象，需借助实例理解。学习特点喜欢通过实际通信观察数据交互；对轮询编程的逻辑容易混淆，需要分步讲解和反复练习；乐于小组协作完成通信调试。（三）目标分析知识目标1.理解ModbusRTU通信协议的基本原理（主从结构、数据帧格式、功能码）。

2.掌握G120变频器Modbus通信相关参数（宏21、P2030、P2020、P2021）的功能。

3.理解S7-1200PLC的Modbus通信指令（MB_COMM_LOAD、MB_MASTER）的参数及使用方法。

4.掌握Modbus寄存器地址（40100、40101、40110、40111等）与控制字/状态字的对应关系。能力目标1.能设计Modbus通信控制G120变频器的电气接线原理图和网络拓扑图。

2.能完成CB1241通信板与G120变频器的RS485接线（T/RA接2号，T/RB接3号）。

3.能设置变频器Modbus参数（宏21、波特率、地址等），并用Startdrive调试。

4.能用TIAPortal编写轮询程序，实现读写控制字、设定值、状态字、实际速度，并通过HMI控制。素质目标1.通过实现Modbus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.Modbus通信硬件接线（CB1241与变频器RS485端子）

2.G120变频器Modbus参数设置（宏21、P2030=2、P2020=6、P2021=3等）

3.MB_COMM_LOAD和MB_MASTER指令的配置与轮询编程Modbus是通用串行通信协议，实际应用广泛1.对照实物图分步演示接线，强调极性对应

2.提供参数速查表，分组设置并验证

3.演示单次读写，再讲解轮询状态机教学难点1.Modbus数据帧结构（地址、功能码、数据、CRC）的理解

2.轮询编程的实现（多个MB_MASTER依次触发，避免同时激活）

3.寄存器地址与控制字/状态字位的映射（如16#047F的含义）协议抽象，轮询逻辑容易出错1.用“信封”比喻数据帧，逐字节讲解

2.使用“顺控”实现轮训8调用，提供程序模板

3.对照任务3.1的控制字值，强化理解（五）教学策略教学流程第1课时：Modbus基础与硬件连接（45min）→第2课时：变频器Modbus参数设置与调试（45min）→第3课时：PLCModbus通信编程（轮询）（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（Modbus协议原理）

2.TIAPortal软件、Modbus调试助手

3.数字化资源：Modbus指令速查卡、轮询程序模板教学资源实物：G120变频器（带RS485接口）、S7-1200PLC（带CB1241通信板）、KTP700HMI、三相异步电动机、断路器、网线、RS485双绞线、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3-18）、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《ModbusRTU通信协议》

2.预习教材中“Modbus通信概述”、“硬件配置与连接”部分

3.浏览G120Modbus通信手册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：“Modbus与PROFINET通信有何不同？”

3.上传G120Modbus参数表1.观看视频，了解主从结构和帧格式

2.阅读教材，记录疑问

3.初步认识Modbus寄存器地址线上平台+微课视频，提前理解Modbus概念课中（第1课时：Modbus基础与硬件连接）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PN通信，引出Modbus通信的特点：开放、简单、适用于串行总线1.提问：“若PLC与变频器不同品牌，用什么通信？”

2.展示Modbus网络拓扑，明确本课任务

3.强调RS485接线注意事项1.思考并回答

2.明确学习目标案例教学法新知讲解（15min）1.ModbusRTU协议：主从结构、数据帧（地址、功能码、数据、CRC）

2.支持的功能码：FC3读寄存器、FC6写单寄存器、FC16写多寄存器

3.S7-1200Modbus硬件：CB1241通信板（图3-19、3-20）

4.接线：CB1241的T/RA接变频器RS485+（2号端子），T/RB接RS485-（3号端子）（图3-21）1.用“信封”比喻讲解数据帧结构（图3-18表3-11~3-12）

2.展示CB1241实物，讲解其引脚定义

3.对照图3-21演示接线（注意屏蔽、双绞线）

4.强调距离较近可不接终端电阻1.记录数据帧格式

2.观察CB1241实物

3.理解接线极性

4.小组完成接线讲授法+实物演示硬件组态实训（20min）1.在TIAPortal中添加S7-1200PLC，插入CB1241通信板

2.查看CB1241的硬件标识符（图3-23）

3.设置通信参数：波特率9600、8数据位、无奇偶校验、1停止位（默认，与变频器一致）1.分步演示添加CB1241（从硬件目录拖拽）

2.讲解如何查看“系统常数”中的硬件标识符（如269）

3.演示通信参数设置（图3-23）

4.强调必须与变频器参数一致1.小组合作，添加CB1241

2.记录硬件标识符

3.核对通信参数实训操作法小结与布置（5min）总结硬件连接与组态要点1.点评接线常见错误（极性接反、未接地）

2.预告下节课变频器参数设置1.记录要点

2.保存项目归纳总结法课中（第2课时：变频器Modbus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）复习硬件连接，引入变频器Modbus参数设置1.提问：“变频器需要设置哪些参数才能响应Modbus通信？”

2.展示表3-141.回答

2.打开Startdrive复习提问法新知讲解与实训（35min）1.设置宏21（p0015=21），自动配置Modbus参数

2.手动设置：P2030=2（ModbusRTU）、P2020=6（9600bps）、P2021=3（从站地址）、P2040=4000（监控时间）

3.电动机参数设置（p0304等）

4.控制面板调试，保存参数

5.寄存器地址对照（表3-14）：40100控制字、40101主设定值、40110状态字、40111速度实际值1.分步演示Startdrive中设置宏21（参考任务3.1调试向导）

2.在参数视图修改P2030等参数

3.强调从站地址不得与总线上其他设备冲突

4.演示使用控制面板测试电机转向

5.讲解寄存器地址与PLCModbus指令的对应关系1.小组合作设置变频器参数

2.填写表3-18

3.保存参数到EEPROM

4.记录常用寄存器地址实训操作法+演示法表3-14G120变频器Modbus通信控制参数设置小结与布置（5min）总结Modbus参数设置步骤1.点评常见错误（宏21未选、波特率不一致）

2.预告下节课PLC编程1.记录要点

2.保存项目归纳总结法课中（第3课时：PLCModbus通信编程（轮询））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Modbus寄存器，引入PLC编程1.提问：“PLC如何通过Modbus写入控制字？”

2.展示MB_COMM_LOAD和MB_MASTER指令1.回答

2.打开TIAPortal编程界面复习提问法新知讲解与实训（35min）1.添加DB块（去掉“优化的块访问”），创建数组用于轮询状态（图3-24、3-25）

2.编写MB_COMM_LOAD指令：PORT选择CB1241的硬件ID，BAUD=9600，PARITY=0，MB_DB关联MB_MASTER的背景DB

3.编写MB_MASTER轮询程序：

-任务1：写控制字（40100）—正转16#047F、反转16#0C7F、停止16#047E、故障复位16#04FE

-任务2：写主设定值（40101）—转速给定（0~16384对应0~P2000）

-任务3：读状态字（40110）

-任务4：读速度实际值（40111）

-使用“步”计数器顺序触发各任务，DONE后步进

4.监控变量，验证通信1.演示添加DB并去掉“优化的块访问”（重要！否则无法被指令访问）

2.演示MB_COMM_LOAD的配置（PORT选硬件ID，MB_DB选MB_MASTER_DB）

3.讲解轮询逻辑：用一个INT变量作为状态机，每个MB_MASTER执行完成后DONE触发步进

4.提供轮询程序模板，指导学生编写

5.演示监控表，强制控制字观察变频器响应1.小组合作创建DB和轮询程序

2.输入控制字值（16#047F等）

3.下载程序，通过监控表测试各任务

4.观察变频器启停和转速变化实训操作法+任务驱动，[插入图片：图3-23、3-24]小结与布置（5min）总结轮询编程要点1.点评常见错误（DB未取消优化、硬件ID错误、轮询步未自复位）

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：“如何用触摸屏显示变频器状态？”

2.展示最终运行画面1.回答

2.打开HMI组态复习提问法新知讲解与实训（35min）1.添加KTP700HMI，连接PLC

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

3.变量关联：

-按钮关联PLC的M点（如正转→M2.1，反转→M2.2等）

-指示灯关联状态字位（如运行→状态字位2，故障→位3，正转→位14=1，反转→位14=0）

-IO域设定转速关联DB中的设定值变量，实际转速关联DB中的读回值

4.下载HMI程序，系统联调：通过HMI控制变频器，观察电机运行及转速显示1.演示添加HMI、连接PLC

2.演示组态按钮、指示灯、IO域（参考项目2图2-9）

3.讲解状态字位的提取：使用“字与位”转换，例如故障位可通过“状态字.3”直接关联

4.演示变量关联，强调地址对应

5.指导联调，解决通信故障1.小组合作组态HMI画面

2.关联变量，编译下载

3.联调测试：通过HMI正转、反转、停止、复位，设定转速，观察电机响应和实际转速反馈

4.记录问题及解决方法实训操作法+演示法评价总结（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3-20、3-21）1.听取小组汇报，简要点评

2.总结本任务核心技能点：Modbus接线、参数设置、轮询编程、HMI组态

3.强调安全规范与5S管理

4.发布课后拓展任务1.小组代表演示HMI控制变频器

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