《机器人工业总线技术》教学大纲

《机器人工业总线技术》教学大纲适用范围：202X版本科人才培养方案课程代码：22140151课程性质：专业必修课学分：2学分学时：32学时（理论24学时，实验8学时）先修课程：电气控制与PLC（A）、机器人检测技术与传感器等后续课程：机器人编程与系统集成适用专业：机器人工程专业开课单位：智能工程学院一、课程说明《机器人工业总线技术》是机器人工程专业必修的一门专业必修课。本课程主要传授典型现场总线基本原理与方法，为学习其他有关课程及以后从事技术工作打下必要的基础。本课程注重数字通信及网络技术基础知识的深入学习，强调培养运用典型现场总线基本方法解决生产实际中问题的能力，兼顾特定领域专用总线技术的介绍，培养“厚基础、宽口径、高素质、强能力”的人才。二、课程目标通过本课程的学习，使学生达到如下目标：课程目标1：掌握数字通信及网络技术基础，能够正确理解数字编码技术、通信接口、传输介质、网络协议模型、现场总线等知识，能够合理选择现场总线用于设备控制信息集成。课程目标2：能正确运用Modbus网络技术原理、工业以太网及OPC技术原理等知识分析工程需求，了解影响现场总线通讯的因素，能够选择合适的现场总线类型，并能够设计或改进现场总线网络拓扑结构，培养学生科学、严谨的创造性思维和研究性思维。课程目标3：理解现场总线协议/规范/标准，构建安全、稳定、高效的信息通讯网络，理解国家信息安全的重要性，能够在工程实践中理解并遵守工程职业道德和行为规范，履行责任，培养学生积极思考、严谨创新的科学态度和解决实际问题的能力，塑造学生刻苦钻研的使命感和爱国情怀，培养科学探索的工程素养。三、课程目标与毕业要求《机器人工业总线技术》课程教学目标对机器人工程专业毕业要求的支撑见表1。表1课程教学目标与毕业要求关系毕业要求指标点课程目标支撑强度1.工程知识：具有从事机器人工程领域所需的数学、自然科学、工程基础和专业知识，并能够综合应用这些知识解决机器人工程领域复杂工程问题。1.2掌握机器人工程领域所需的电路分析、电子技术、计算机、机械等原理和思想，能将其知识方法用于复杂机器人工程问题的分析和表述。课程目标1：掌握数字通信及网络技术基础，能够正确理解数字编码技术、通信接口、传输介质、网络协议模型、现场总线等知识，能够合理选择现场总线用于设备控制信息集成。M3.设计/开发解决方案：能够针对机器人工程领域复杂工程问题设计解决方案，设计满足特定需求的硬件部件、智能算法、系统集成应用，并能够在设计环节中体现创新意识，并考虑社会、环境、健康、安全、法律、文化等因素。3.1能够针对机器人工程领域的复杂工程问题提出网络化、智能解决方案。课程目标2：能正确运用Modbus网络技术原理、工业以太网及OPC技术原理等知识分析工程需求，了解影响现场总线通讯的因素，能够选择合适的现场总线类型，并能够设计或改进现场总线网络拓扑结构。H5.使用现代工具：能够针对复杂机械工程问题，开发、选择与使用恰当的技术、资源、现代工程工具和信息技术工具，包括对复杂机械工程问题的预测与模拟，并能够理解其局限性。5.2能够开发、选择与使用现代工程工具和信息技术工具对复杂机械工程问题进行辅助设计、预测和模拟，并理解其局限性。课程目标2：能正确运用Modbus网络技术原理、工业以太网及OPC技术原理等知识分析工程需求，了解影响现场总线通讯的因素，能够选择合适的现场总线类型，并能够设计或改进现场总线网络拓扑结构，培养学生科学、严谨的创造性思维和研究性思维。课程目标3：理解现场总线协议/规范/标准，构建安全、稳定、高效的信息通讯网络，理解国家信息安全的重要性，能够在工程实践中理解并遵守工程职业道德和行为规范，履行责任，培养学生积极思考、严谨创新的科学态度和解决实际问题的能力，塑造学生刻苦钻研的使命感和爱国情怀，培养科学探索的工程素养。M注：表中“H（高）、M（中）”表示课程与相关毕业要求的关联度。四、教学内容、基本要求与学时分配1.理论部分理论部分的教学内容、基本要求与学时分配见表2。表2教学内容、基本要求与学时分配教学内容教学要求，教学重点难点理论学时实验学时对应的课程目标1.数字通信及网络技术基础1.1数字通信基本原理1.2介质访问控制MAC1.3网络协议模型1.4现场总线与信息化集成技术思政1：大漠孤烟直-诗词中的古代通信思政2：视联动力-国产通信协议先驱教学要求：使学生在了解数字通信的基本概念基础上，掌握数字通信基本原理，掌握数字通信的技术指标，了解常用传输介质特性，掌握传输介质选择和使用方法；培养学生积极思考、严谨创新的科学态度和解决实际问题的能力，塑造学生刻苦钻研的使命感和爱国情怀，培养科学探索的工程素养。重点：通信系统基本概念、数字编码技术和网络协议模型，了解现场总线技术特点，掌握数字通讯的基本原理。难点：通讯系统数字编码技术。41、22.Modbus网络及应用2.1Modbus规范2.2Modbus串口调试工具2.3ModbusPlus网络2.4Modbus网络应用实例思政3：学习Modbus规范，培养学生科学、严谨的创造性思维和研究性思维思政4：通过实践培养学生解决实际问题的能力教学要求：使学生了解Modbus规范，掌握Modbus通信报文格式，掌握使用串口调试工具测试Modbus通信的方法，掌握Modbus网络结构设计和工程实现方法；能够在工程实践中理解并遵守工程职业道德和行为规范，履行责任，培养学生积极思考、严谨创新的科学态度和解决实际问题的能力。重点：Modbus协议规范的理解，Modbus协议编程方法。难点：Modbus协议应用编程。841、23.PROFIBUS-DP总线应用3.1PROFIBUS-DP协议概念3.2DP总线数据链路3.3DP总线控制3.4PROFIBUS-DP应用思政5：学习PROFIBUS-DP规范，遵守工程职业道德和行为规范，履行责任教学要求：使学生了解PROFIBUS-DP总线协议；了解DP的传输技术、DP总线存取控制、DP数据链路层；掌握总线段结构设计和分析方法；了解PROFIBUS-DP故障诊断方法；培养学生积极思考、严谨创新的科学态度和解决实际问题的能力。重点：总线段结构设计和分析方法。难点：总线段结构分析方法。41、2、34.工业以太网及OPC技术4.1CIP协议4.2常用工业以太网4.3OPC技术4.4OPC技术应用实例思政6：组态王OPC，塑造学生刻苦钻研的使命感和爱国情怀教学要求：使学生了解CIP协议、以太网帧格式；了解常用工业以太网；掌握ModbusTCP/IP应用编程方法；了解OPC技术规范，掌握常用OPC通讯服务器和客户端的配置和使用方法；能够在工程实践中理解并遵守工程职业道德和行为规范，塑造学生刻苦钻研的使命感和爱国情怀，培养科学探索的工程素养。重点：ModbusTCP/IP应用和OPC应用。难点：ModbusTCP/IP应用和OPC应用。841、2、3合计2482.实验部分实验部分的教学内容、基本要求与学时分配见表3。表3实验项目、实验内容与学时实验项目实验内容和要求实验学时对应的课程目标1.Modbus原理与应用实验实验内容：选作以下两项内容使用虚拟串口配置工具和串口调试工具进行Modbus-RTU通讯原理实验。PLC串口Modbus-RTU通讯实验。变频器Modbus-RTU通讯实验。实验要求：掌握Modbus-RTU通信报文结构、掌握PLC、变频器、测控仪表等现场设备Modbus-RTU编程和使用方法。422.工业以太网及OPC应用实验实验内容：工业以太网服务器和客户端的配置和应用，OPC服务器和客户端的配置和应用。实验要求：配置ModSim服务器，使用电脑本地回送地址，实现ModbusTCP/IP通讯实验。配置特定OPC服务器或通用OPC服务器，使用客户端进行通讯测试和通讯应用。42合计8五、教学方法及手段本课程以课堂讲授为主，结合讨论、案例、视频资源共享、实验等教学手段完成课程教学任务和相关能力的培养。学生比较全面地理解工业现场总线技术的基本原理，掌握典型工业现场总线设计、调试和应用编程方法，培养解决现场设备信息通讯的初步能力。在实验教学环节中，通过启发式教学、讨论式教学培养学生数字通讯的基本理论、基本知识和基本技能。培养学生自主学习能力、实际动手能力，激发学生的创新思维。实验教学设计2个综合性实验项目，每个实验项目均采用“虚实”结合的实验内容，“虚拟实验项目”内容侧重原理和方法学习，“实物实验项目”内容侧重应用编程方法训练。实验项目使用的通讯测试软件和工具软件有：八方汇PLC调试神器（配置多个虚拟串口等功能）、串口调试工具（通讯数据收发）、ModSim（Modbus服务器）等，可用于实际工程项目通讯测试。在实验前学生应复习和掌握与本实验有关的教学内容、认真阅读实验指导书，了解实验原理；在实验中要严格遵守实验纪律，按操作规程使用仪器，需要学生记录实验数据和截图测试运行画面；实验结束后，按规定对仪器进行维护保养；每完成一项实验，分析处理实验数据，解读收发数据的信息，回答思考题内容，认真完成一份实验报告。六、课程资源1.推荐教材：（1）王海.工业控制网络[M].北京：化学工业出版社,2020年.2.参考书：（1）黄风.工业机器人与现场总线网络技术[M].北京：化学工业出版社,2020年.（2）郭琼.现场总线技术及其应用（第3版）[M].北京：机械工业出版社,2021年.（3）张帆.工业控制网络技术[M].北京：机械工业出版社,2022年.（4）赵新秋.工业控制网络技术[M].北京：机械工业出版社,2022年.（5）倪伟.工业控制网络技术及应用[M].北京：机械工业出版社,2022年.3.期刊：（1）李勃良.基于PLC技术和工业现场总线技术的船舶电力监控系统设计[J].舰船科学技术,2020,(16),118-120.（2）KummoolS,SuwanmaneeI,WeerathaweemasS,etal.AVAILABILITYTHROUGHFIELDDEVICEDIAGNOSISINFEEDFORWARDCONTROL:ACASESTUDYOFFOUNDATIONFIELDBUS-BASEDTEMPERATURECONTROL[J].Internationaljournalofinnovativecomputing,informationandcontrol,2022,(1):18-25.4.网络资源：（1）施耐德官网，/zh/search/modbus（2）西门子自动化与驱动官网，/download/（3）OPC基金会中国官网，/七、课程考核对课程目标的支撑课程成绩由过程性考核成绩和期末考核（大作业）成绩两部分构成，具体考核/评价细则及对课程目标的支撑关系见表4。表4课程考核对课程目标的支撑考核环节占比考核/评价细则课程目标123过程性考核课堂表现10（1）根据课堂出勤情况和课堂回答问题情况进行考核，满分100分。（2）以平时考核成绩乘以其在总评成绩中所占的比例计入课程总评成绩。√√√442实验15（1）根据每个实验的实验操作完成情况和实验报告质量单独评分，满分100分；（2）每次实验单独评分，取各次实验成绩的平均值作为此环节的最终成绩。（3）以实验成绩乘以其在总评成绩中所占的比例计入课程总评成绩。√15作业15（1）主要考核学生对各章节知识点的复习、理解和掌握程度，满分100分；（2）每次作业单独评分，取各次成绩的平均值作为此环节的最终成绩。（3）以作业成绩乘以其在总评成绩中所占的比例计入课程总评成绩。√√√663期末考核60（1）期末考核（大作业）成绩100分，以期末考核（大作业）成绩乘以其在总评成绩中所占的比例计入课程总评成绩。（2）主要考掌握数字通信及网络技术基础、PROFIBUS-DP总线协议、Modbus规范、工业以太网及OPC技术，基本概念和基本原理及应用。√√√252510合计：100分355015八、考核与成绩评定1.考核方式及成绩评定考核方式：本课程主要以作业评价、课堂讨论、课内实验、期末考核（大作业）等方式对学生进行考核评价。考核基本要求：考核总成绩由期末考核（大作业）成绩和过程性评价成绩组成。其中：期末考核（大作业）成绩为100分（权重60%）；作业评价、课堂讨论、课内实验等过程性评价成绩为100分（权重40%）。2.过程性考核成绩的标准过程性考核方式重点考核内容、评价标准、所占比重见表5。表5过程性考核方式评价标准考核方式所占比重(%)100>x≥9090>x≥8080>x≥7070>x≥60x<60课堂表现25积极参与教学活动，踊跃回答问题，准确率大于90%。认真参与教学活动，回答问题准确率大于80%。偶尔参与教学活动，回答问题准确率大于70%。上课不认真，偶尔参与教学活动。上课不认真，不参与教学活动。作业37.5作业完整，思路清晰，准确率大于90%，字迹工整。作业完整，准确率大于80%，字迹工整。不交作业2次以内