課題授課教案一、教案頭序號：本次課題項目四任務(wù)5：恒壓供水系統(tǒng)控制授課教師審閱授課時間課時授課班級知識目標1.學(xué)會轉(zhuǎn)換指令的功能和使用方法；2.學(xué)會S7-1200模擬量的計算及應(yīng)用；能力目標1.能夠根據(jù)任務(wù)要求制定任務(wù)計劃、合理高效的實施任務(wù)；2.能夠借助網(wǎng)絡(luò)媒體查閱資料，理解新知，獨立解決任務(wù)中的問題；3.能夠運用PLC模擬量知識完成恒壓供水控制系統(tǒng)的安裝、編程與調(diào)試。情感目標1.培養(yǎng)善于獨立思考、交流溝通的協(xié)作能力；2.培養(yǎng)學(xué)習(xí)興趣，樹立積極樂觀的學(xué)習(xí)態(tài)度；3.樹立自信心，增強克服困難的意志，養(yǎng)成和諧和健康向上的品格。教學(xué)重點、難點重點1.轉(zhuǎn)換指令的功能和使用方法難點1.S7-1200模擬量的計算及應(yīng)用教學(xué)準備1、西門子S7-1200可編程控制器實訓(xùn)裝置，主機模塊2、電腦一臺（具有PROTALV13軟件平臺）3、24V直流電源、交流220V電源各一處4、實訓(xùn)連接導(dǎo)線若干5、Profilnet通訊電纜一根二、教學(xué)設(shè)計步驟教學(xué)內(nèi)容教師活動學(xué)生活動課前檢查1、檢查學(xué)生的勞保服裝。2、檢查學(xué)生的出勤情況并做好記錄。3、強調(diào)實習(xí)安全。督導(dǎo)檢查做好記錄學(xué)生自檢互檢情景引入供水系統(tǒng)是人們生產(chǎn)生活中不可缺少的重要一環(huán)，傳統(tǒng)供水方式占地面積大，水質(zhì)易污染，基建投資多，而最主要的缺點是水壓不能保持恒定，導(dǎo)致部分設(shè)備不能正常工作。恒壓供水系統(tǒng)是采用壓力傳感器、PLC和變頻器作為中心控制裝置確保在供水管網(wǎng)中用水量發(fā)生變化時，出口壓力保持恒定的供水方式。本節(jié)課通過學(xué)習(xí)PLC的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換類指令，模擬量的采集及計算等知識來制作一個簡易恒壓供水系統(tǒng)。引導(dǎo)學(xué)生掃碼學(xué)習(xí)掃碼看視頻任務(wù)資訊知識1：數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換指令PLC的轉(zhuǎn)換指令有四種類型，分別是轉(zhuǎn)換指令，取整指令和截取指令，上取整和下取整指令，標定指令和標準化指令。圖4-5-1數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換指令1.轉(zhuǎn)換指令CONVERTCONV指令功能是將IN端口輸入的數(shù)據(jù)從一種類型轉(zhuǎn)換成另一種指定類型的數(shù)據(jù)并在OUT端輸出。該指令一般應(yīng)用于算數(shù)運算、模擬量輸入信號轉(zhuǎn)換、數(shù)碼管顯示等情況。如圖4-5-2所示程序當(dāng)I0.0輸入信號狀態(tài)為1時，則會以三位BCD碼數(shù)字的形式讀取MW10的數(shù)據(jù)并將其轉(zhuǎn)換為整數(shù)（16位），結(jié)果存儲在MW12中，如果I0.0信號狀態(tài)為0，則不會執(zhí)行轉(zhuǎn)換，此時EN=EN0=0,Q0.4輸出為1。圖4-5-2轉(zhuǎn)換指令CONV轉(zhuǎn)換指令支持的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換類型如圖4-5-3所示：圖4-5-3CONV指令輸入支持的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換類型轉(zhuǎn)換輸出支持的數(shù)據(jù)類型：圖4-5-4CONV指令輸出支持的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換類型CONV指令各端口定義：CONV具有四個端口，EN為使能輸入，ENO為使能輸出，IN為要轉(zhuǎn)換的值，OUT為轉(zhuǎn)換后輸出的值。指令中的“???”為數(shù)據(jù)初始用戶設(shè)置的轉(zhuǎn)換格式2.取整指令ROUND和截位取整指令TRUNC取整指令ROUND的功能是以實數(shù)（浮點數(shù)）類型讀取IN端輸入的數(shù)據(jù)并按照四舍五入的原則處理小數(shù)部分只保留整數(shù)部分，其結(jié)果在OUT端輸出。例如IN端輸入數(shù)值為5.71則輸出端OUT的值為6；IN端輸入數(shù)值為14.4則輸出端OUT的值為14，如表4-5-1。表4-5-1取整指令ROUNDIN:MW10OUT:MD160.501.823.132.528.08需要特別注意的是當(dāng)IN端輸入的數(shù)值為相鄰兩個整數(shù)的平均值時，指令將結(jié)果保存為最接近的整數(shù)。例如IN端輸入數(shù)值為2.5，是整數(shù)2和3的平均值，此時不再對浮點數(shù)采用四舍五入而是直接選擇偶數(shù)值2。取整指令ROUND支持的數(shù)據(jù)類型如圖4-5-5所示：圖4-5-5取整指令ROUND支持的數(shù)據(jù)類型截位取整指令TRUNC的功能是以實數(shù)（浮點數(shù)）類型讀取IN端輸入的數(shù)據(jù)并按直接丟掉小數(shù)部分只保留整數(shù)部分，其結(jié)果在OUT端輸出。例如IN端輸入數(shù)值為5.71則輸出端OUT的值為5；IN端輸入數(shù)值為14.4則輸出端OUT的值為14，如表4-5-2。TRUNC指令支持的數(shù)據(jù)類型與ROUND指令完全相同這里不再列舉。表4-5-2TRUNC指令I(lǐng)N:MW10OUT:MD160.501.813.132.528.08小提示：ROUND指令與TRUNC指令的區(qū)別：取整指令ROUND：將浮點數(shù)四舍五入保留整數(shù)，平均值取偶數(shù)截位取整指令TRUNC：將浮點數(shù)舍掉小數(shù)保留整數(shù)。3.上取整指令CEIL和下取整指令FLOOR如圖4-5-6所示，上取整指令CEIL的功能是以浮點數(shù)的數(shù)據(jù)類型對IN中的參數(shù)進行讀取并轉(zhuǎn)換為大于或等于它的雙整數(shù)（向上取整），運算結(jié)果在OUT端輸出。圖4-5-6上取整指令CEIL如圖4-5-6所示，下取整指令FLOOR的功能是以浮點數(shù)的數(shù)據(jù)類型對IN中的參數(shù)進行讀取并轉(zhuǎn)換為小于或等于它的雙整數(shù)（向下取整），運算結(jié)果在OUT端輸出。圖4-5-6下取整指令FLOOR該指令支持的數(shù)據(jù)類型如圖4-5-7所示：圖4-5-7FIOOR指令支持的數(shù)據(jù)類型標定指令SCALE_X和標準化指令NORM_X標定指令SCALE_X可以理解為“放大”指令，通過將輸入VALUE的值映射到指定的值范圍來對其進行縮放。當(dāng)執(zhí)行“縮放”指令時，輸入VALUE的浮點值會縮放到由參數(shù)MIN和MAX定義的值范圍。縮放結(jié)果為整數(shù)，存儲在OUT輸出中。圖4-5-8標定指令SCALE_X下圖舉例說明如何縮放值：圖4-5-9SCALE_X縮放值“縮放”指令將按以下公式進行計算：OUT=[VALUE?(MAX–MIN)]+MIN當(dāng)0＜VALUE＜1.0時縮放值在MAX和MIN范圍內(nèi)當(dāng)VALUE＜0或VALUE＞0時縮放值在范圍外標定指令SCALE_X支持的數(shù)據(jù)類型圖4-5-10SCALE_X支持的數(shù)據(jù)類型標準化指令NORM_X標準化指令NORM_X可以理解為“縮小”指令，通過將輸入VALUE中變量的值映射到線性標尺對其進行標準化。可以使用參數(shù)MIN和MAX定義（應(yīng)用于該標尺的）值范圍的限值。輸出OUT中的結(jié)果經(jīng)過計算并存儲為浮點數(shù)，這取決于要標準化的值在該值范圍中的位置。如果要標準化的值等于輸入MIN中的值，則輸出OUT將返回值“0.0”。如果要標準化的值等于輸入MAX的值，則輸出OUT需返回值“1.0”。圖4-5-11標準化指令NORM_X下圖舉例說明如何標準化值：圖4-5-12NORM_X標準化指令NORM_X標準化指令支持的數(shù)據(jù)類型圖4-5-13NORM_X支持的數(shù)據(jù)類型知識點2：S7-1200PLC模擬量的應(yīng)用1.模擬量轉(zhuǎn)換概述實際應(yīng)用中由傳感器采集壓力、溫度、速度等非電信號并將這些非電量轉(zhuǎn)換為電壓或電流信號再傳輸給PLC、單片機等控制系統(tǒng)，此時這些信號均為模擬量。模擬量經(jīng)過PLC內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換后被轉(zhuǎn)換成了數(shù)字量存儲在特定地址的寄存器中。S7-1200(1214C)內(nèi)部集成了2路模擬量信號輸入通道，分別為通道0和通道1，對應(yīng)的地址為IW64和IW66，如圖4-5-14、4-5-15。圖4-5-14模擬量信號輸入通道圖4-5-15模擬量輸入的輸入地址如何將模擬量輸入轉(zhuǎn)換的數(shù)字值還原成對應(yīng)的物理量？小任務(wù)：溫度傳感器的量程為0～100℃轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的電壓信號為0～10V,設(shè)轉(zhuǎn)換后地址IW64的數(shù)值為N，是求以℃為單位的溫度值。任務(wù)分析：0～100℃的溫度值轉(zhuǎn)換成數(shù)字量后對應(yīng)的數(shù)值是0～27648，由此可推導(dǎo)出轉(zhuǎn)換公式：T/100=N/27648T=N/27648*100知識點3：模擬量常見問題匯總1.S7-1200模擬量模塊的輸入/輸出信號傳輸距離？模擬量模塊的輸入/輸出信號傳輸距離，從接線方面考慮，使用雙絞屏蔽電纜最大可以連接100m的長度，還要考慮現(xiàn)場電磁干擾等現(xiàn)實狀況。一般電壓信號易受現(xiàn)場干擾且長距離傳輸也會造成信號的衰減，建議盡量近距離傳輸；電流信號相比電壓信號抗干擾能力好些，相對電壓信號傳輸距離可適當(dāng)加長。2.AI端口連接傳感器的接線方式（1）2線制傳感器的接線圖4-5-162線制傳感器的接線（2）3線制傳感器的接線圖4-5-173線制傳感器的接線（3）4線制傳感器的接線圖4-5-184線制傳感器的接線

講解講解引導(dǎo)學(xué)生與輸入繼電器作比較講解講解聆聽對比理解記憶聆聽觀察聆聽理解

任務(wù)實施任務(wù)布置如圖4-5-19所示為恒壓供水系統(tǒng)實驗?zāi)K，用可調(diào)電位器來模擬安裝于水塔底部的測量水壓力傳感器(電壓輸出范圍0～5V)，由發(fā)光二極管L1、L2、L3模擬三臺水泵用來給水塔供水，三臺水泵即可單獨工作也可以聯(lián)合工作并由撥動開關(guān)S1、S2、S3進行控制。該系統(tǒng)可根據(jù)實際的水壓力值隨時調(diào)節(jié)供水量，保證系統(tǒng)恒壓運轉(zhuǎn)并具有手動和自動兩種工作模式。（1）手動模式：閉合開關(guān)S1指示燈L1亮、閉合開關(guān)S2指示燈L2亮、閉合開關(guān)S3指示燈L3亮；旋轉(zhuǎn)壓力反饋電位器到4.8V來模擬水壓力達到96KPa，此時L1、L2、L3燈閃爍。（2）自動模式：旋轉(zhuǎn)壓力反饋電位器，當(dāng)電壓小于2V時，指示燈L1、L2、L3均被點亮；當(dāng)電壓大于2V小于3.5V時，指示燈L1、L2點亮；當(dāng)電壓大于3.5V小于4.8V時，指示燈L1點亮；當(dāng)電壓大于4.8V時，指示燈全部熄滅。任務(wù)實施（1）任務(wù)分析1)在實際應(yīng)用中壓力傳感器是將水的壓力值轉(zhuǎn)換成電壓信號輸入給PLC、單片機等控制系統(tǒng)，這個輸入信號是模擬量。在模塊中用可調(diào)電位器來模擬了壓力傳感器，電位器輸出的電壓范圍是0～5V,對應(yīng)的壓力量程為0～0.1MPa。S7-1200PLC集成了兩路模擬信號輸入，傳感器將電壓信號輸入PLC后會經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換成范圍0～27648的數(shù)字量保存在IW64中。所以在本任務(wù)中要設(shè)法將地址IW64中采集的數(shù)字信號值還原成以Pa為單位的壓力值。2)系統(tǒng)要求有手動和自動兩種工作模式，不同工作模式由點動按鍵ME進行切換，因此在梯形圖程序編寫時采用手動單步運行程序和自動連續(xù)運行程序兩個函數(shù)塊進行調(diào)用，具體轉(zhuǎn)換條件如下圖所示。（2）I/O地址分配表該系統(tǒng)共有5個輸入，3個輸出，資源分配如表4-5-3。表4-5-3I/O地址分配表輸入部分輸出部分器件名稱符號作用輸入地址器件名稱符號作用輸出地址旋轉(zhuǎn)開關(guān)SZ手動/自動轉(zhuǎn)換開關(guān)I0.0指示燈模擬泵L1L1泵指示燈Q0.0撥動開關(guān)S1控制L1泵I0.1指示燈模擬泵L2L2泵指示燈Q0.1撥動開關(guān)S2控制L2泵I0.2指示燈模擬泵L3L3泵指示燈Q0.2撥動開關(guān)S3控制L3泵I0.3壓力傳感器V0模擬量輸入AI0壓力傳感器M0模擬量輸入2M按照I/O分配表設(shè)置PLC變量，在PortalV13軟件中設(shè)置PLC變量表如下圖4-5-20所示:圖4-5-20PLC變量表（3）硬件接線圖

按照任務(wù)控制要求和I/O地址分配表畫出硬件接線圖并插接導(dǎo)線。圖4-5-21PLC外部接線圖（4）梯形圖程序重點難點詳解：該任務(wù)有自動連續(xù)運行和手動單步運行兩種工作模式，并由點動按鍵ME作為切換條件，設(shè)置以下4個函數(shù)功能塊：圖4-5-224個函數(shù)功能塊OB1中的程序在程序塊OB1中包含了三個函數(shù)功能塊：共用程序、自動模式程序、手動模式程序，各函數(shù)功能塊的功能如下：共用程序：完成數(shù)字信號到壓力值的轉(zhuǎn)換；自動模式程序：應(yīng)用比較指令實現(xiàn)恒壓供水動自動調(diào)節(jié)，當(dāng)水壓位于不同范圍時系統(tǒng)自動啟動對應(yīng)的水泵進行供水；手動模式程序：開關(guān)S1、S2、S3能夠分別控制三臺泵L1、L2、L3的運行和停止；電壓值大于4.8V時表示水塔已蓄滿水，指示燈閃爍。FC1共用程序S7-1200PLC默認的模擬信號輸入電壓范圍是0～10V,轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號的范圍是0～27648，因為此模塊上可調(diào)電位器輸出電壓范圍是0～5V，所以轉(zhuǎn)換的數(shù)字信號范圍是0～13824。假設(shè)壓力傳感器的測量壓力范圍是0～0.1MPa,由此可推導(dǎo)出公式1-2，將電壓值還原成以Pa為單位的壓力值并將結(jié)果存儲于MD30中。假設(shè)電壓轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號后存入IW64的數(shù)值為N。在編寫梯形圖程序時有以下兩點需要特別注意：因為PLC執(zhí)行除法指令時會丟掉余數(shù)而只保留商值，這樣會影響計算的精度，所以在編寫梯形圖程序計算壓力值時要注意先乘后除。IW64中的數(shù)據(jù)類型為整型（INT）,該值乘以100000后其結(jié)果會超出int的范圍，所以必須先應(yīng)用CONV指令將數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換為DInt。FC2手動模式程序FC3自動模式程序系統(tǒng)自動運行時要求實現(xiàn)以下功能：電壓小于2V時L1、L2、L3三臺泵同時運行；電壓在2V～3.5V范圍內(nèi)時L1、L2兩臺泵運行；電壓在3.5～4.8V范圍內(nèi)時僅有L1一臺泵運行；電壓大于4.8V時表示水塔即將蓄滿水，L1、L2、L3全部停止運行。因為在FC1共用程序函數(shù)塊中已經(jīng)將輸入電壓值轉(zhuǎn)換為以Pa為單位的壓力值，所以在此函數(shù)塊中使用比較指令的比較條件也應(yīng)該是壓力值。應(yīng)用公式求出各電壓范圍所對應(yīng)的壓力范圍，并用比較指令作為條件控制三臺泵的啟動與停止。轉(zhuǎn)換公式如下：P=根據(jù)公式計算得出電壓與水壓力值的對應(yīng)關(guān)系如下表4-5-4：表4-5-4電壓與水壓力值的對應(yīng)關(guān)系表輸入電壓值（V）對應(yīng)的壓力值（Pa）L1L2L3