《可编程序控制器原理及应用》教学大纲

《可编程序控制器原理及应用》教学大纲课程名称：可编程序控制器原理及应用（PrincipleandApplicationsofProgrammableLogicController）课程编码：1502ZY017 课程类别：专业课程-选修学 分：3.0总学时：48，其中理论学时36，实验学时12适用专业：自动化专业先修课程：模拟电子技术、数字电子技术、自动控制原理、电机学或电机与拖动。一、课程性质《可编程序控制器原理及应用》课程是自动化、电气工程及其自动化等专业的专业选修课。可编程序控制器即PLC，是工业控制的主力军和常青树，即使是正在兴起的智能制造或工业4.0时代，随着其软硬件技术的转型和升级，仍能胜任各种控制要求和通信任务。通过本课程的学习，学生初步了解电气控制柜中常见低压电器的基本结构和工作原理，掌握PLC的硬件、软件系统及PLC控制系统的基本设计方法，具备设计、维护与管理中小型控制系统的基本能力，为今后从事工业控制技术的集成应用与开发打下良好的基础。二、课程目标（一）育人目标从培养学生的系统理论素养、辩证思维方式，爱党爱国爱民的理想信念、民族自强自信等方面入手，将育人要素和PLC专业知识嵌入到课堂中教学，培养学生精益求精的大国工匠精神，激发学生科技报国的家国情怀和使命担当，凝聚学生对社会主义核心价值观的共识。通过PLC品牌故事学习科学精神，通过课程概念原理学习系统论、工程论、科学思维，利用PLC实际应用研究树立科技自信及爱国主义情怀，师生互动进行“三观”教育和学习方法指导，培养学生的专业素质、学术和职业道德，全面提高学生缘事析理、明辨是非的能力，培养学生成为德才兼备、全面发展的人才。（二）知识和能力目标1、指导学生了解低压电器的基本结构和工作原理，掌握PLC的软硬件系统，能针对中小型设备和简单工艺段的控制等工程问题进行软硬件分析与设计2、培养学生掌握工业控制的专业知识，能够设计自动化领域复杂工程问题的解决方案，并体现创新意识3、培养学生开发、选择与使用适当的技术、资源和现代工程工具，并用于复杂工程问题的方案设计、仿真与解决课程目标与毕业要求指标点对应关系课程目标毕业要求指标点课程目标1指标点1.2：掌握本专业所需的电路、电子和计算机软硬件相关知识课程目标2指标点3.3：设计满足自动化测控需求的系统、单元或工艺流程。课程目标3指标点3.3：设计满足自动化测控需求的系统、单元或工艺流程。三、基本要求学生了解常用低压控制电器工作原理和主要技术参数，懂得如何恰当选型和使用；了解常用的继电器控制线路，并能结合PLC等的知识加以改造；掌握PLC的硬件体系、指令系统，熟悉其编程软件及其仿真软件的使用；了解工业通信与网络的基本知识，对现场总线控制系统有初步认识。学生掌握工业控制系统的组成，能够综合利用电子技术、低压电器与常用控制线路、电机与PLC、HMI软件技术等的知识，开展小型自动化系统分析、设计与软件编程、调试。四、教学内容分章节说明教学内容，课时安排，并说明教学重点与难点、主要教学模式（包括授课、自学、实验等）以及对应的知识、能力要求。章节教学内容授课学时教学模式对应课程目标1课程导论2课堂授课，课后网络材料课程目标2/32常用低压电气设备2课堂授课，课后网络材料课程目标13常用电气控制线路2课堂授课，实验课程目标14S7-1200的硬件与硬件组态2课堂授课与演示、实验课程目标15S7-1200程序设计基础2课堂授课与演示课程目标16S7-1200PLC的指令4课堂授课与演示、实验课程目标17PLC编程与仿真2课堂授课与演示、实验课程目标1/38S7-1200的用户程序结构4课堂授课与演示课程目标2/39数字量控制程序设计方法4课堂授课、实验课程目标1/210S7-1200通信基础4课堂授课与演示、实验课程目标211数字PID基础2课堂授课课程目标212S7-1200PID指令解析2课堂授课、实验课程目标1/213人机界面HMI开发基础2课堂授课与演示、实验课程目标2/314S7-1200运动控制基础2课堂授课、实验课程目标1/2第一章课程导论1、课程的内容2、PLC的市场与人才培养，侧重品牌价值阐述与师夷长技的责任与担当3、学习资源与途径4、PLC控制系统的基本组成重点：控制系统的基本组成基本要求：理解控制器、传感器与变送器、执行器在PLC控制系统中的应用第二章常用低压电器1、低压电气定义、分类；2、电磁式电器的组成与工作原理；3、接触器；4、继电器；5、主令电器；6、开关电器；7、断路器；8、熔断器重点：电磁式电器的组成与工作原理基本要求：了解低压电器的分类、主要性能参数和应用场合，理解接触器、中间继电器的异同第三章常用电气控制线路1、电气控制线路基础2、常用电气控制线路重点：电气控制线路基本要求：理解并掌握电机正-反-停继电器控制线路第四章S7-1200的硬件与硬件组态1、S7-1200的硬件体系2、TIAPortalSTEP7与PLCSIM基础3、S7-1200硬件组态与软件使用入门重点：PLC的硬件体系基本要求：学会使用博途STEP7完成组态，了解S7-1200的硬件资源第五章S7-1200程序设计基础1、CPU的基本原理2、数据类型3、变量表与用户程序重点：PLC的CPU工作时序基本要求：理解PLC扫描周期的定义及其主要工作任务第六章S7-1200PLC的指令6.1位逻辑指令 6.2定时器指令6.3计数器指令 6.4移动指令6.5移位和循环指令6.6高速计数器6.7高速脉冲输出 6.8其它指令重点：指导学生使用软件帮助或PLC系统手册、技术参考等学习指令基本要求：掌握位指令、定时器、移动指令，为后续课程学习奠定基础第七章PLC编程与仿真1、TIA博途与PLC的连接2、项目的下载与上传3、PLCSIM4、监控与强制重点：西门子全集成自动化(TIA)博途（Portal）STEP7软件的使用基本要求：了解软件的菜单与基本操作，学会项目的上传和下载第八章S7-1200的用户程序结构1、函数 2、函数块3、背景数据块4、中断事件与中断指令重点：程序设计的基本架构、FB、FC、DB的基本内容和它们彼此间的联系基本要求：理解OB、FB、FC三者间的区别与联系第九章数字量控制程序设计方法1、经验设计方法2、顺序控制设计方法与顺序功能图3、使用置位复位指令的顺序控制设计4、实例重点：步的划分基本要求：根据时序图，能绘制顺序功能图，并据此编写简单程序第十章S7-1200通信基础S7-1200的通信资源S7-1200的以太网通信S7-1200的以太网通信、Profibus通信S7-1200的串口通信重点：了解PLC的通信资源基本要求：学会根据软件帮助即信息系统等的指引正确使用ModbusRTU、USS、S7、ModbusTCP等指令。第十一章数字PID基础1、计算机控制系统的组成2、PID算法的离散化与无量纲处理重点：PID算法的离散化与无量纲处理基本要求：理解连续系统PID控制在计算机上的实现第十二章S7-1200PID指令解析1、PID指令的调用2、PID_Compact/_3Step/_Temp指令重点：了解三种PID的应用场景基本要求：掌握PID_Compact指令第十三章人机界面HMI开发基础1、HMI两种开发途径与组态软件2、使用SIMATICPLC和PLCSIM对HMI项目进行测试与仿真重点：PLC与HMI通信的建立基本要求：学会使用按钮、I/O域等组态软件原件或元素第十四章S7-1200运动控制基础1、运动控制简述2、开环运动控制3、闭环运动控制重点：运动控制指令的使用基本要求：了解S7-1200的运动控制资源及运动控制指令五、实验与学时分配实验项目与类型序号实验项目学时实验性质支撑课程目标支撑毕业要求指标点备注演示验证综合设计1电机正反转继电器控制线路实验3√12舞台灯光的模拟控制3√1选一3基于PLC的交通灯模拟控制3√14两台S7-1200间的通信仿真3√2、3选一5PLC基于ModbusRTU协议实现电机变频调速3√2、36基于PLC的步进电机启停与调速控制3√2、37HMI、PLC、Driver三层网络通信与运行3√3选一8PID_CompactV2对仿真控制系统进行闭环控制3√3实验一：电机正反转继电器控制线路实验实验目的：1、掌握接触器的工作原理并理解其主要技术参数2、了解热继电器的工作原理和用法3、了解控制按钮的结构和使用4、了解电气原理图及其绘制原则5、掌握三相交流电机的起停及正反转控制线路实验条件：1、接触器x22、热继电器x13、控制按钮x34、可调三相电源x15、三相交流电机x1实验二：舞台灯光的模拟控制实验目的：1、掌握PLC输入、输出回路的接线2、学习使用博途STEP7软件，掌握PLC的硬件组态与软件编程3、学习使用符号表4、掌握顺序功能图的程序设计方法5、掌握PLC在线监控与调试实验条件：1、西门子S7-1200PLC：CPU1214CDC/DC/DC固件V4.32、PLC实验对象电路板1个，集成启动、停止按钮和LED指示灯构成的舞台灯光模型实验三：基于PLC的交通灯模拟控制实验目的：1、掌握PLC输入、输出回路的接线2、学习使用博途STEP7软件，掌握PLC的硬件组态与软件编程3、学习使用符号表4、掌握顺序功能图的程序设计方法5、学习使用PLCSIM仿真软件6、学习使用强制与监控表实验条件：1、西门子S7-1200PLC：CPU1214CDC/DC/DC固件V4.32、PLC实验对象电路板1个，集成启动、停止按钮和LED指示灯3、自备笔记本电脑，安装博途V16含STEP7Professional、WinCCAdvance、PLCSIM等软件。笔记本需有网卡或外置USB转以太网适配器（RJ45接口网线连接S7-1200PLC，编程、调试与监控）4、西门子触摸屏KTP700BasicPN项目程序1份，模拟交通灯对象。实验四：两台S7-1200间的通信仿真实验目的：1、了解S7-1200的通信资源2、学习S7-1200通信指令：S7、TCP/IP、ISOONTCP等3、进一步理解背景数据块4、深入理解以太网通信中的服务器、客户端的概念实验条件：自备电脑(安装博途V16含STEP7Professional、PLCSIM等软件)实验五：PLC基于ModbusRTU协议实现电机变频调速实验目的：1、了解S7-1200的通信资源2、了解现场总线，学习S7-1200串口通信：ModbusRTU3、进一步理解背景数据块4、初步了解变频器的使用实验条件：1、西门子S7-1200PLC：CPU1214CDC/DC/DC固件V4.32、嵌入式通信板：CB1241RS4853、罗克韦尔自动化AB品牌的PowerFlex525变频器4、自备笔记本电脑，安装博途V16含STEP7Professional等软件。笔记本需有网卡或外置USB转以太网适配器（RJ45接口网线连接S7-1200PLC，编程、调试与监控）实验六：基于PLC的步进电机启停与调速控制实验目的：1、了解S7-1200的运动控制工艺对象，学习其硬件组态过程2、了解步进电机工作原理，学习使用步进电机适配器3、学习使用运动控制在线调试功能4、学习使用运动控制指令实验条件：1、西门子S7-1200PLC：CPU1214CDC/DC/DC固件V4.32、两相步进电机及其适配器3、自备笔记本电脑，安装博途V16含STEP7Professional等软件。笔记本需有网卡或外置USB转以太网适配器（RJ45接口网线连接S7-1200PLC，编程、调试与监控）实验七：HMI、PLC、Driver三层网络通信与运行实验目的：1、了解工业组态软件，初步学习HMI软件的设计2、理解小型自动化项目中常见的三层网络架构3、学习使用WinCC软件4、理解组态软件中“驱动”的价值实验条件：1、西门子S7-1200PLC：CPU1214CDC/DC/DC固件V4.32、电机及其驱动装置（步进电机、交流电机及其驱动器可选其一）3、自备笔记本电脑，安装博途V16含STEP7Professional、WinCC等软件。笔记本需有网卡或外置USB转以太网适配器（RJ45接口网线连接S7-1200PLC，编程、调试与监控）实验八：PID_CompactV2对仿真控制系统进行闭环控制实验目的：1、掌握数字PID的基本算法，重点理解增量式PID2、了解S7-1200的PID指令PID_Compact、PID_3Step、PID_Temp3、进一步学习组织块的分类，学习在循环中断中调用PID_Compact4、仿真调试PID工艺功能、自整定PID参数实验条件：1、西门子S7-1200PLC：CPU1214CDC/DC/DC固件V4.32、自备电脑，安装博途V16含STEP7Professional、PLCSIM、WinCC等软件六、教学方法本课程是一门综合性、实践性很强的专业技能课程。为了提高教学质量，增强学生分析问题和解决问题的能力，切实提高学生的工程实践水平，本课程的教学采用课堂教学、课后自主学习、实验等相结合的教学方式方法，使学生了解常用低压电气设备和工业控制系统的组成，掌握PLC的硬件体系和软件使用，初步掌握PLC在工业控制领域的应用。主要教学环节包括课堂内理论讲授与软件实操、课后网络资源学习以及实验。课堂内理论讲授与软件实操课堂教学理论讲授主要让学生系统性、快速了解PLC是什么（与其它控制器的异同）、为什么（价值所在）、怎么用（基本指令、系统组成），学生以听课为主，建立映像，采用多媒体和板书相结合的教学手段。并在课堂上让学生在自己的笔记本电脑上进行软件实操加深理解，学会使用帮助系统，学会如何学习，以适应PLC功能越来越丰富带来的变化。网络资源学习PLC是一门实践性很强技术类课程，随着计算机技术、软件技术的发展，PLC功能越来越丰富，配套软件也越来复杂，同时通信占工业控制系统软件设计和现场调试的任务越来越多，在十分有限的学时内，学生掌握PLC技术十分困难，课外的学习是必经之路。课堂教学和实验指导均会指定一些网络资源让学生学习实验教学为了加深学生对理论教学内容的理解、提高综合设计和动手实践能力，本课程有12学时的实验。实验要求学生在教师的指导下，能独立完成相关实验要求。七、考核与评价方式及标准考核标准与成绩评定课程考核包括平时成绩、期末考试两个部分。平时成绩（百分制），包括作业及实验等。平时成绩评价标准基本要求评价标准优秀（0.9-1）良好（0.7-0.89）合格（0.6-0.69）不合格（0-0.59）学生了解常用低压控制电器工作原理和主要技术参数，懂得如何恰当选型和使用；了解常用的继电器控制线路，并能结合PLC等的知识加以改造；掌握PLC的硬件体系、指令系统，熟悉其编程软件及其仿真软件的使用；了解工业通信与网络的基本知识，对现场总线掌握常用低压控制电器工作原理并能够正确选型，熟悉常用工业控制线路，并能正确应用于小型自动化系统的分析、设计。掌握PLC的工作原理、硬件体系、软件编程，能熟练应用相了解常用低压控制电器工作原理并能够正确选型，熟悉常用工业控制线路，并能正确应用于中小型自动化系统的分析、设计。了解PLC的工作原理、硬件体系、软件编程，能应用相关指了解常用低压控制电器工作原理，熟悉常用工业控制线路，并能识图对小型自动化系统展开分析。了解PLC的工作原理、硬件体系、软件编程，对常用低压控制电器工作原理部分理解，能识图认识部分常用工业控制线路，不具备小型自动化系统的分析、设计能力。部分理解PLC控制系统有初步认识。学生掌握工业控制系统的组成，能够综合利用电子技术、低压电器与常用控制线路、电机与PLC、HMI软件技术等的知识，开展小型自动化系统分析、设计与软件编程、调试。关指令实现中小型自动化系统的控制。熟悉通信和PLC的运动控制资源，具有复杂控制系统分析、设计的基本能力令实现中小型自动化系统的控制。了解通信和PLC的运动控制资源，具有复杂控制系统分析能力能应用相关指令实现小型自动化系统的控制。了解工业通信基础知识。的工作原理、硬件体系、软件编程，不能应用相关指令实现小型自动化系统的控制。期末考试（百分制）开卷，题型包括：判断题、不定项选择题、简答题、分析与设计题。课程期末考试考核内容与评价标准基本要求评价标准比例（%）优秀（0.9-1）良好（0.7-0.89）合格（0.6-0.69）不合格（0-0.59）目标1了解低压电器的基本结构和工作原理，掌握PLC的软硬低压控制电器、控制线路、PLC工业控制系统的相关理论知识清晰，具备非常好的分析、设计和实践的能力。低压控制电器、控制线路、PLC工业控制系统的相关理论知识较为清晰，具备较好的分析、设计和实践的能力。低压控制电器、控制线路、PLC工业控制系统的相关理论知识基本清晰，初步具备分析、设计和实践的能力。低压控制电器、控制线路、PLC工业控制系统的相关理论知识认知不清，不具备分析、设计和实践的能力。件系统，能针60对中小型设备和简单工艺段的控制等工程问题进行软硬件分析与设计目标2掌握工业控制的专业知识，能够设计电气控制领域或自动化领域复杂能够综合利用电子技术、低压电器与常用控制线路、电机与PLC、HMI软件技术等知识对电气设备与电力系统中的复杂工程问题进行分析、基本能够综合利用电子技术、低压电器与常用控制线路、电机与PLC、HMI软件技术等知识对电气设备与电力系统中的复杂工程问题进行分析、设初步能够能够利用电子技术、低压电器与常用控制线路、电机与PLC、HMI软件技术等知识对电气设备与电力系统中的复杂工程问题进行分析、设不能够能够综合利用电子技术、低压电器与常用控制线路、电机与PLC、HMI软件技术等知识对电气设备与电力系统中的复杂工程问题进行分析、设20工程问题的解决方案，并体现创新意识设计与实现计与实现计与实现计与实现目标3开发、选择与能正确开发、选择与使用适当的技术、资源和现代工程工具用于复杂工程问题的方案设计、仿真与解决能选择与使用适当的技术、资源和现代工程工具，并用于复杂工程问题的方案设计、仿真与解决对技术、资源和现代工程工具有一定了解，可尝试用于复杂工程问题的方案设计、仿真与解决不能选择与使用适当的技术、资源和现代工程工具，并用于复杂工程问题的方案设计、仿真与解决使用适当的技术、资源和现代工程工具，20并用于复杂工程问题的方案设计、仿真与解决注：该表格中的比例为期末考试试卷成绩比例。成绩评定为：