工业机器人应用基础 教案（教学设计）模块三　PLC机器人控制

子任务一PLC的结构与工作特点教学设计（首页）专业及班级：课次授课时间年月日教学课题PLC的结构与工作特点学时2目的要求1、了解PLC的概念及分类。2、掌握PLC的结构组成及其各部分的作用3、了解PLC工作特点重点难点：重点：PLC的结构组成难点：PLC的基本结构图教学方法理实一体化教学，讲授、演示、实训教学内容及教学方法的运用时间分配模块三PLC基础任务一PLC控制基础子任务一PLC的结构与工作特点具体教学设计见续页巩固课堂知识

内容与方法借助三菱FX2NPLC与西门子S7-200PLC熟悉PLC的基本结构作业后附课堂小结续页PLC的概念可编程序控制器PC（ProgrammableController）又称可编程序逻辑控制器(ProgrammableLogicController)，是在继电器控制和计算机控制的基础上，逐步发展成以微处理器为核心，把自动化技术、计算机技术、通信技术融为一体的新型工业自动控制装置。PLC的分类按I/O点数容量分类小型机（PLC的I/O点数在256点以下）、中型机（PLC的I/O点数在256-2048之间）、大型机（PLC的I/O点数在2048点以上）。2、按结构形式分整体式结构、组合式结构。PLC的基本结构中央处理单元(CPU)PLC的核心，主要任务：从存储器中读取指令，执行指令，准备下一条指令，处理中断。存储器分为系统程序存储器ROM（系统自带，不可更改）和用户程序存储器RAM（可修改）。3、输入/输出单元（I/O接口电路）主要功能是连接输入输出设备。电源单元PLC的供电电源一般为AC220V和DC24V。编程器用于将用户程序送入PLC的存储器，是PLC最重要的外部设备。认识三菱FX2NPLC※认识三菱FX2NPLC※认识西门子S7-200PLCPLC的工作特点1、可靠性高、抗干扰能力强2、编程方便，易于使用3、具有各种接口、与外部设备连接方便，适应范围广4、功能完善习题：1、简述PLC的概念；2、简述PLC的基本结构组成及各部分的作用。子任务二PLC的工作流程教学设计（首页）专业及班级：课次授课时间年月日教学课题PLC的工作流程学时2目的要求1、理解PLC的工作原理；2、掌握PLC的工作模式、扫描周期；3、了解PLC主要性能指标。重点难点：重点：PLC的工作原理难点：PLC的工作模式教学方法理实一体化教学，讲授、演示、实训教学内容及教学方法的运用时间分配模块三PLC基础任务一PLC控制基础子任务二PLC的工作流程具体教学设计见续页巩固课堂知识

内容与方法依据工作模式流程图，理解PLC在两种运行模式下具体工作任务。作业后附课堂小结续页PLC的工作原理PLC采用循环扫描工作方式，它周而复始的依一定的顺序来完成PLC所承担的系统管理工作和应用程序的执行。循环扫描工作是一种分时串行处理方式，与继电控制系统的并行处理方式是完全不同的。（1）继电器控制装置采用硬逻辑并行运行的方式，即如果这个继电器的线圈通电或断电，该继电器所有的触点（包括其常开或常闭触点）在继电器控制线路的哪个位置上都会立即同时动作。（2）PLC的CPU则采用顺序逻辑扫描用户程序的运行方式，即如果一个输出线圈或逻辑线圈被接通或断开，该线圈的所有触点(包括其常开或常闭触点)不会立即动作，必须等扫描到该触点时才会动作。二、PLC的工作模式PLC有运行（RUN）与停止（STOP）两种基本工作模式(工作状态)，有内部处理等五种工作处理阶段顺序进行。STOP模式主要执行操作：1、内部处理：检查CPU内部硬件，定时器复位及有关内部工作。2、通信服务：与编程器进行信息交流。RUN模式执行操作：3、输入处理（将外部输入电路状态集中读入输入映像寄存器）4、程序执行（对用户程序（梯形图）按先左后右，先上后下逐步执行程序指令。并根据执行结果不断刷新映像寄存器。）5、输出处理（将内部输出元件状态集中转存到输出锁存寄存器，并通过外部电路驱动实际负载。）PLC主要在RUN模式，只有在改变程序时在STOP模式。PLC的扫描作用方式及特点PLC的这种按照工作阶段，周而复始的依一定的顺序完成工作的方式，称做循环工作扫描方式。不同于计算机和继电控制。计算机：等待方式、中断处理PLC：循环扫描、周而复始继电控制：硬件通断，并行工作循环扫描工作方式特点是避免了继电器控制系统中触点竞争和时序失陪的问题。可靠性高、抗干扰能力强；但存在着相应滞后，反应不及时的问题。PLC在RUN工作模式时，执行一次从内部处理到输出处理五个阶段扫描操作所需的时间叫扫描周期。扫描周期越短越好，主要与用户程序执行有关和PLC中CPU的主频有关。从8位到16位到32位扫描周期一般在100ms以内，大于200ms就不能用，需优化程序。PLC的主要性能指标习题：PLC有哪两种运行模式，各有何特点？PLC主要性能指标有哪些？子任务三PLC的编程语言教学设计（首页）专业及班级：课次授课时间年月日教学课题PLC的编程语言学时2目的要求1、了解PLC的编程语言的种类。2、掌握梯形图语言编程重点难点：重点：PLC的编程语言指令表与梯形图语言难点：梯形图语言与指令语句间的相互转化教学方法理实一体化教学，讲授、演示、实训教学内容及教学方法的运用时间分配模块三PLC基础任务一PLC控制基础子任务三PLC的编程语言具体教学设计见续页巩固课堂知识

内容与方法作业后附课堂小结续页指令表(IL)指令语句表也叫助记符或列表，是基于字母符号的一种语言，类似于计算机的汇编语言。指令语句表编程语言具有容易记忆、便于操作的特点，可直接用简易编程器进行编程，无需任何编程软件。通过编译程序转化成二进制执行。与其它语言多有一一对应的关系。指令语句表是最基本的编程语言，其缺点是可连续性较差。触点装载指令与线圈输出指令指令说明如下。①每个逻辑运算开始都需要装载指令LD或取非装载指令LDN。②=是对Q、V、M、SM、S、定时器T、计数器C的线圈进行驱动的指令，不能用于驱动输入过程映像寄存器I。=指令可以连续使用多次，相当于电路中多个线圈的并联形式。③在梯形图中，同一地址的线圈不能出现多次。LD、LDN、=指令举例触点串联指令指令说明如下。①A指令完成逻辑“与”运算，AN指令完成逻辑“与非”运算。②单个串联指令可以连续使用。③在=之后，通过串联触点对其他线圈指令使用=指令，称为连续输出。④若两个以上触点并联后与其他支路串联，则需要用到后面介绍的ALD指令。AN指令举例触点并联指令指令说明如下。①O指令完成逻辑或运算，ON指令完成逻辑或非运算。②O、ON指令可以连续使用。③若两个以上触点串联后与其他支路并联，则需要用到后面介绍的OLD指令。OR、ORI指令举例梯形图(LD)梯形图的编程格式：（1）梯形图执行从上至下编写，每一行从左往右顺序编写。PLC程序执行顺序与梯形图的编写顺序一致。（2）图左边为起始母线，右边为终止母线。每一逻辑行必须从起始母线开始画起，终止于继电器线圈或终止母线(有些PLC终止母线可以省略)。（3）梯形图的起始母线与线圈之间一定要有触点，而线圈与终止母线之间则不能有任何触点。（4）程序结束时要有结束符——END.三、顺序功能图(SFC)顺序功能图是一种位于其他编程语言之上的图形语言。主要用来编制顺序控制程序。其特点是程序控制直观，条理清楚，比梯形图更方便于程序人员之间理解和沟通。在PLC中，顺序功能图仅是一种辅助编程工具，必须将它转换成梯形图才能送入PLC中执行。四、功能块图功能块图是一种对应于逻辑电路的图形语言，它是用图形化的方法，以功能模块为单位，描述控制功能。其表达简练，逻辑关系清晰。使控制方案的分析和理解变得容易。广泛地应用于规模较大，控制关系复杂的过程控制中。功能块图仅在部分PLC中使用,西门子S7-300，S7-400。五、结构文本结构文本语言是一种与Basic、pasical或C语言等高级语言相类似的语言。可以说，是一种较简易的高级语言。结构文本语言对程序设计人员要求较高，所以目前还不大普及，仅个别PLC提供这类语言。习题:PLC常用的编程语言有哪几种？子任务S7-200SMART模块构成教学设计（首页）专业及班级：课次授课时间年月日教学课题S7-200SMART模块构成学时2目的要求1、了解S7-200SMART模块构成；2、掌握模块各部分的作用。重点难点：重点：S7-200SMART模块构成难点：模块各部分的作用教学方法理实一体化教学，讲授、演示、实训教学内容及教学方法的运用时间分配模块三PLC基础任务二S7-200SMART基础子任务一S7-200SMART模块构成具体教学设计见续页巩固课堂知识

内容与方法作业后附课堂小结续页S7-200SMARTPLC的硬件系统由CPU模块、数字量扩展模块、模拟量扩展模块、热电偶与热电阻模块和相关设备组成。CPU模块、扩展模块及信号板如图所示。CPU模块S7-200SMARTPLC按照点数分为20点、30点、40点、60点4种；CPU模块配备标准型和经济型供用户选择，CPU型号：C表示经济型，S表示标准型。标准型作为可扩展CPU模块，可满足对I/O规模有较大需求，逻辑控制较为复杂的应用；而经济型CPU模块直接通过单机本体满足相对简单的控制需求。2.信号板SBAQ01：1点模拟量输出信号板。SBDT04：2点数字量直流输入/2点数字量场效应管输出。SBCM01：RS485/RS232信号板。SBBA01:电池信号板3．扩展模块S7-200SMART家族提供各种各样的扩展模块通过额外的I/O和通信接口，使得S7-200SMART可以很好地按照应用需求来配置。●数字量输入输出扩展模块（7种）EMDI08：8点数字量输入模块EMDT08：8点数字量输出模块（场效应管型）EMDR08：8点数字量输出模块（继电器型）EMDT16：8点数字量输入模块，8点数字量输出模块（场效应管型）EMDR16:8点数字量输入模块,8点数字量输出模块（继电器型）EMDT32：16点数字量输入模块16点数字量输出模块（场效应管型）EMDR32:16点数字量输入模块,16点数字量输出模块（继电器型）●模拟量输入输出模块（3种）EMAE04：4点模拟量输入EMAQ02：2点模拟量输出EMAM06：4点模拟量输入，2点模拟量输出●温度传感器接口模块（2种）EMAT04：4点热电偶输入接口模块（16位）EMAR02：2个热电阻输入接口模块（16位）4.通信设备S7-200SMART可实现CPU、编程设备和HMI之间的多种通信：●以太网：–编程设备到CPU的数据交换–HMI与CPU间的数据交换–S7与其它S7-200SMARTCPU的对等通信●RS485：–总共支持126个可寻址设备（每个程序段32个设备）–支持PPI（点对点接口）协议–HMI与CPU间的数据交换–使用自由端口在设备与CPU之间交换数据（XMT/RCV指令）●RS232：–支持与一台设备的点对点连接–支持PPI协议–HMI与CPU间的数据交换–使用自由端口在设备与CPU之间交换数据（XMT/RCV指令）习题：1、S7-200SMARTPLC的硬件系统有哪几个模块构成？子任务西门子PLC工作特点教学设计（首页）专业及班级：课次授课时间年月日教学课题西门子PLC工作特点学时2目的要求1、掌握PLC采用周期扫描工作方式；2、理解信号从输入端子到输出端子的传递过程。重点难点：重点：PLC采用周期扫描的工作方式难点：信号从输入端子到输出端子的传递过程教学方法理实一体化教学，讲授、演示、实训教学内容及教学方法的运用时间分配模块三PLC基础任务二S7-200SMART基础子任务二西门子PLC工作特点具体教学设计见续页巩固课堂知识

内容与方法作业后附课堂小结续页PLC采用周期扫描工作方式。一次扫描的过程，包括输入采样（读输入）、程序执行、处理通讯请求、执行CPU自诊断、输出刷新（写输出）共五个阶段，其所需时间称为一个工作周期（或扫描周期）。PLC的扫描周期与用户程序的长短和该PLC的扫描速度紧密相关。PLC的工作方式：循环扫描工作方式扫描周期：从开始到输出结果完成所需的时间。一般为几毫秒~几十毫秒。信号从输入端子到输出端子的传递过程：习题：1、PLC采用（）工作方式。一次扫描的过程，包括（）、（）、（）、（）、（）共五个阶段，其所需时间称为一个工作周期（或扫描周期）。子任务STEP7-Micro/winSMART软件的使用教学设计（首页）专业及班级：课次授课时间年月日教学课题STEP7-Micro/winSMART编程软件的使用学时2目的要求学会安装、卸载STEP7-Micro/winSMART编程软件；熟悉软件的窗口区域和元素；熟练使用STEP7-Micro/winSMART编程软件重点难点：重点：掌握程序的编译、下载、调试和运行全的过程难点：通信不成功时解决方案的选择教学方法理实一体化教学，讲授、演示、实训教学内容及教学方法的运用时间分配模块三PLC基础任务二S7-200SMART基础子任务三STEP7-Micro/winSMART编程软件的使用具体教学设计见续页巩固课堂知识

内容与方法借助STEP7-Micro/winSMART编程软件，熟悉软件窗口区域和元素，并正确使用该软件。作业后附课堂小结续页安装和卸载软件1．安装软件STEP7-Micro/WINSMART编程软件的安装步骤如下。（1）打开STEP7-Micro/WINSMART编程软件的安装包，双击软件安装包中名为“setup”的可执行文件，开始软件安装。（2）选择安装语言。（3）接受安装许可协议。（4）选择安装的目标路径。二、STEP7-Micro/WINSMART软件的窗口区域和元素1．快速访问工具栏通过快速访问文件按钮可简单快速地访问“文件”菜单的大部分功能以及最近文档。2．项目树项目树有两大功能：组织编辑项目和提供指令。3.导航栏导航栏位于项目树上方，可快速访问项目树上的对象，导航栏有符号表、状态图表、数据块、系统块、交叉引用和通信等按钮。4.菜单栏菜单栏包括文件、编辑、视图、PLC、调试、工具和帮助7个菜单项。5．程序编辑器6．符号信息表符号信息表位于每个程序段的下方，该表列出该程序段中所有符号的信息。查看符号信息表时，符号名、绝对地址、值、数据类型和注释按字母顺序显示在程序中每个程序段的下方。7．符号表符号表允许用户为存储器地址或常量指定符号名称，以此增加程序的可读性，方便编辑和调试。8．状态栏状态栏位于主窗口的底部，它提供用户在STEP7-Micro/WINSMART中执行操作的相关信息。9．输出窗口STEP7-Micro/WINSMART显示的输出窗口列出了最近编译的POU和在编译期间发生的所有错误，如图所示。10．状态图表状态图表用表格或趋势图来监视、修改和强制程序执行时指定变量的状态，状态图表并不下载到PLC。11．变量表通过变量表可定义对特定POU局部有效的变量。12．数据块数据块包含可向V存储器地址分配数据值的数据页。用下列方法之一访问数据块。三、应用举例任务引入：用STEP7-Micro/WINSMART编程软件编写图示的电动机启保停控制程序，并下载到PLC中，然后运行及监控程序。任务实施：【训练工具、材料和设备】1．硬件连接（编程设备直接与CPU连接）2、硬件组态（1）硬件配置（2）以太网通信端口的设置（3）安全（4）启动项组态3、编写并编译程序（1）插入触点（2）添加线圈4、项目下载（1）建立Micro/WINSMART编程软件与CPU的通信连接。（2）设置计算机网卡的IP地址（3）下载程序5、运行和监控程序习题：简述STEP7-Micro/WINSMART编程软件的安装步骤。在STEP7-Micro/WINSMART软件中，“局部编译”和“完全编译”的区别是什么？连接计算机的RS-232C接口和PLC编译接口之间的编程电缆时，为什么要关闭PLC的电源？子任务通信的基础知识教学设计（首页）专业及班级：课次授课时间年月日教学课题通信的基础知识学时2目的要求1、掌握通信的基本概念。2、掌握RS-485标准串行接口。3、了解OSI参考模型。重点难点：重点：通信常用的几种方式难点：不同通信方式间的区别教学方法理实一体化教学，讲授、演示、实训教学内容及教学方法的运用时间分配模块三PLC基础任务三PLC与工业机器人的通信子任务一通信的基础知识具体教学设计见续页巩固课堂知识

内容与方法作业后附课堂小结续页一、通信的基本概念通信：计算机的CPU与外部设备之间，以及计算机和计算机之间的信息交换。1、串行通信与并行通信并行通信以字节（Byte）或字节的倍数为传输单位。一次传送一个或一个以上字节的数据，数据的各位同时进行传送。适合于外部设备与微机之间进行近距离、大量和快速的信息交换。计算机的各个总线传输数据时就是以并行方式进行的。并行通信的特点就是传输速度快，但当距离较远、位数较多时，通信线路复杂且成本高。串行通信通信双方使用一根或两根数据信号线相连，同一时刻，数据在一根数据信号线上一位一位地顺序传送，每一位数据都占据一个固定的时间长度。与并行通信相比，串行通信的优点是传输线少、成本低、适合远距离传送及易于扩展。缺点是速度慢、传输时间长等。如计算机上常用的COM设备、USB设备和网络通信等设备都采用串行通信。2、同步通信和异步通信异步通信在异步通信(AsynchronousCommunication)方式中，接收器和发送器使用各自的时钟，它们的工作是非同步的。在异步传送中，每一个字符要用起始位和停止位作为字符开始和结束的标志，以字符为单位一个个地发送和接收。同步通信同步通信(SynchronousCommunication）是一种连续串行传送数据的通信方式，一次通信只传送一帧信息。这里的信息帧和异步通信中的字符帧不同，通常含有若干个数据字符。根据控制规程，数据格式分为面向字符及面向比特两种。3、单工、半双工和全双工三种方式。按照数据传送方向，串行通信可分为单工、半双工和全双工三种方式。（1）单工通信图a为单工通信方式（Simplex）。A为发送站，B为接收站，数据只能能由A发至B，而不能由B传送到A。单工通信类似无线电广播，电台发送信号，收音机接收信号，收音机永远不能发送信号。（2）半双工通信图b为半双工通信方式（HalfDuplex）。数据可以从A发送到B，也可以由B发送到A。不过，由于使用一根线连接，发送和接收不可能同时进行，同一时间只能作一个方向的传送，其传送方向由收发控制开关K来控制。半双工通信方式类似对讲机，某时刻A发送B接收，另一时刻B发送A接收，双方不能同时进行发送和接收。（3）全双工通信图c为全双工通信方式（FullDuplex）。在这种方式中，分别用2根独立的传输线来连接发送方和接收方，A、B既可同时发送，又可同时接收。全双工通信工方式类似电话机，双方可以同时进行数据的发送和接收。二、RS-485标准串行接口1、RS-485接口RS-485接口采用“平衡差分驱动”方式。RS-485接口满足RS-422的全部技术规范，可以用于RS-422通信。RS-485接口通常采用9针连接器。RS-485接口的引脚功能见下表。3、OSI参考模型通信网络的核心是OSI参考模型。OSI参考模型的层次结构划分：习题：OSI模型分为哪几个层？各层的作用是什么？何谓串行通信和并行通信？何谓双工、单工和半双工？请举例说明。子任务S7-200PLC与工业机器人的通信教学设计（首页）专业及班级：课次授课时间年月日教学课题S7-200PLC与工业机器人的通信学时2目的要求1、了解S7-200PLC的常用通信方式；2、了解ABB机器人I/O通信种类及常用标准I/O板；3、掌握ABB机器人的I/O板配置。重点难点：重点：ABB机器人的I/O板配置。难点：熟练掌握定义输入输出信号、模拟信号、组输入输出信号。教学方法理实一体化教学，讲授、演示、实训教学内容及教学方法的运用时间分配模块三PLC基础任务三PLC与工业机器人的通信子任务二S7-200PLC与工业机器人的通信具体教学设计见续页巩固课堂知识

内容与方法借助仿真软件，完成I/O板配置。作业后附课堂小结续页S7-200PLC通信西门子S7-200系列PLC支持PPT通信、MPI通信、Modbus通信、USS通信、自由口协议通信、FROFIBUS-DP现场总线通信、AS-I通信和以太网通信等。PPI协议西门子内部协议，不公开，主/从协议，专门为S7-200开发的协议。S7-200系列中一些CPU如果在程序中允许PPI主站模式，则在RUN模式下可以作为主站，此时可以利用相关的通信指令来读写其他主机，同时它还可以作为从站来响应其他主站的申请或查询。实际应用的PPI网络MPI网络西门子内部协议，不公开。MPI适用于少数站点间通信，多用于连接上位机和少量PLC之间近距离通信。通过PROFIBUS电缆和接头，将控制器S7-300或S7-400的CPU自带的MPI编程口及S7-200CPU自带的PPI通信口相互连接，以及与上位机网卡的编程口(MPI/DP口)通过PROFIBUS或MPI电缆连接即可实现。网络中也可以不包括PC机而只包括PLC。MPI允许主－主通讯和主－从通讯。每个S7-200CPU通信口的连接数为4个。3、自由口通信用户可以通过PLC指令自己定义通讯协议，从而与任何公开通讯协议的RS-422或RS-232C接口设备进行通讯。PROFIBUS-DP现场总线通信标准协议，公开。可以使用不同厂家的PROFIBUS设备。PROFIBUS协议通常用于实现与分布式I/O（远程I/O