運動控制技術與應用 教案 任務3.1 S7-1200 PLC PN通信控制G120變頻器

任務3.1S7-1200PLCPN通信控制G120變頻器一、基本信息任務名稱S7-1200PLCPN通信控制G120變頻器授課學時4學時授課班級授課人數授課地點運動控制技術實訓室課型理實一體化課參考標準國家標準GB/T12668.2-2002《調速電氣傳動系統》；西門子G120變頻器技術手冊；XX學院《運動控制技術與應用》課程標準；全國職業院校技能大賽“現代電氣控制系統安裝與調試”賽項評分標準參考教材《運動控制技術與應用》機械工業出版社2026.6二、教學分析（一）教學內容內容位置項目3通信控制變頻器運動控制系統→任務3.1S7-1200PLCPN通信控制G120變頻器教學內容1.G120變頻器現場總線接口及PROFIdrive通信協議

2.通信報文結構（報文1、20、350、352等）及控制字/狀態字定義（表3-1~3-4）

3.PN通信參數設置（添加驅動、分配IP地址和設備名稱、調試向導、控制面板、參數下載）

4.1200PLC與G120的通信連接及硬件組態

5.兩種編程方法：SinaSpeed功能塊控制；直接控制PZD區控制字

6.HMI組態（按鈕、指示燈、IO域）及狀態字位信號關聯

7.系統聯調與故障排查內容分析本次課是通信控制變頻器的核心任務，學生從端子/模擬量控制過渡到工業以太網通信控制。需要理解PROFIdrive協議、報文結構、控制字/狀態字含義，掌握G120變頻器的PN通信參數設置，并能在TIAPortal中完成PLC編程和HMI組態。通過4學時的理實一體化教學，使學生具備獨立完成PN通信控制變頻器的能力（二）學情分析知識和技能基礎學生已完成項目2的任務（端子控制、模擬量調速、PID控制），掌握了G120C變頻器的基本調試及PLC/HMI集成；對PN通信了解不多，缺乏報文配置和通信編程經驗。訴求和素養儲備學生對工業以太網通信控制變頻器有較高興趣，因為這是現代自動化的發展方向；部分學生對報文、控制字等抽象概念理解困難，需結合實例講解。學習特點喜歡通過軟件操作實現遠程控制，對通信配置感到新奇；對參數設置和通信故障排查有畏難情緒，需要分步演示和反復練習；樂于小組協作。（三）目標分析知識目標1.理解G120變頻器PN通信相關參數的功能及PROFIdrive通信協議。

2.掌握通信報文的結構（PZD）及控制字STW1、狀態字ZSW1的各位定義。

3.理解SinaSpeed功能塊及直接控制PZD區的編程方法。能力目標1.能設計G120變頻器PN通信控制的電氣接線原理圖和網絡拓撲圖。

2.能完成PN通信的硬件組態（添加驅動、分配IP地址和設備名稱、調試向導）。

3.能用TIAPortal編寫兩種方式的PLC程序（SinaSpeed或直接控制PZD），實現正反轉、調速和故障應答。

4.能組態HMI畫面（按鈕、指示燈、IO域），實現通信監控。素質目標1.通過實現PN通信控制變頻器，增強科技報國信心。

2.養成規則意識、標準意識和5S管理的職業素養，培養開拓創新的科學精神。（四）教學重難點類型重難點內容確立依據解決方法教學重點1.變頻器PN通信參數設置（分配IP地址、設備名稱、調試向導中的宏7選擇）

2.控制字STW1的各位含義（特別是位0ON/OFF1、位1OFF2、位2OFF3、位3使能、位10PLC控制）

3.兩種編程方法：SinaSpeed功能塊；直接傳送16#047F等控制字PN通信是自動化集成的核心技能1.分步演示在線分配IP和設備名稱（注意斷電重分配）

2.對照表3-3講解控制字，用二進制/十六進制轉換理解

3.對比兩種編程方法的優缺點，提供程序模板教學難點1.控制字STW1的位組合（如16#047F=0010001111111）的含義及實際應用

2.狀態字ZSW1的位解析（運行、故障、方向等）與HMI指示燈關聯

3.通信故障排查（設備名稱不匹配、IP沖突、硬件ID錯誤）報文位定義抽象，故障排查需要經驗1.拆解控制字二進制位，分別解釋每位作用

2.通過監控表觀察狀態字變化，反向驗證故障原因

3.總結常見錯誤及解決方法（如“設備名稱未分配”需重新斷電分配）（五）教學策略教學流程第1課時：PN通信基礎與硬件組態（45min）→第2課時：變頻器PN參數設置與調試（45min）→第3課時：PLC編程（SinaSpeed與直接控制）（45min）→第4課時：HMI組態與系統聯調（45min）教學方法講授法、任務驅動法、演示法、小組協作法、實訓操作法信息化手段1.智慧樹在線課平臺：發布預習資料（PROFINET通信原理）

2.TIAPortal軟件（V18）、Startdrive組件

3.數字化資源：控制字速查表、通信故障排查表教學資源實物：G120變頻器（帶PN接口）、S7-1200PLC（CPU1212C）、KTP700HMI、三相異步電動機、網線（至少2根）、斷路器、開關電源、導線、萬用表、電工工具；資料：電氣原理圖、網絡拓撲圖、參數表（表3-8）、實訓工單三、教學安排課前教學環節教學內容教師活動學生活動教學方法與手段知識探索1.觀看微課“PROFINET通信與PROFIdrive協議”

2.預習教材中“G120現場總線接口”、“通信報文”和“控制字定義”部分

3.瀏覽TIAPortal通信組態視頻1.智慧樹在線課平臺發布預習視頻和任務單

2.發布討論題：“PN通信相比模擬量控制有何優點？”

3.上傳G120PN通信手冊節選1.觀看視頻，了解PN通信基本概念

2.閱讀教材，記錄疑問

3.初步認識報文和控制字線上平臺+微課視頻，提前熟悉PN通信課中（第1課時：PN通信基礎與硬件組態）教學環節教學內容教師活動學生活動教學方法與手段任務導入（5min）回顧項目2的模擬量控制，引出PN通信控制的優勢：減少接線、遠程監控、智能控制1.提問：“如何用一根網線實現啟停、調速和狀態反饋？”

2.展示網絡拓撲圖（圖3-15），明確本課任務

3.強調安全注意事項1.思考并回答

2.明確學習目標案例教學法新知講解（15min）1.G120現場總線接口（圖3-1）及PROFIdrive協議

2.通信報文結構（表3-1、3-2）：PZD（過程數據）含義

3.控制字STW1各位定義（表3-3）及運行準備/正轉/反轉/故障應答的控制字值（16#047E、16#047F、16#0C7F、16#04FE）

4.狀態字ZSW1各位定義（表3-4）1.對照實物講解PN接口位置

2.用“收發快遞”比喻報文：PZD1是命令包裹，PZD2是速度包裹

3.拆解16#047F二進制：0010001111111，逐位說明作用

4.展示狀態字位與HMI指示燈對應關系1.觀察接口，記錄報文類型

2.理解PZD的作用

3.記錄常用控制字值

4.理解狀態字中運行、故障等位講授法+比喻教學硬件組態實訓（20min）1.添加新設備：選擇G120變頻器（圖3-2）

2.設置IP地址和設備名稱（圖3-3）

3.在線分配設備名稱和IP地址（圖3-4~3-6）

4.建立PLC與變頻器的PROFINET連接（圖3-11）1.分步演示添加驅動、設置IP（同網段，如192.168.0.2）和設備名稱（如G120_1）

2.演示在線分配：設置PG/PC接口，更新列表，分配名稱，分配IP地址

3.強調：設備名稱必須英文/數字，分配后需斷電重啟生效

4.演示網絡視圖中拖拽連接PLC與變頻器1.小組合作，跟隨操作添加驅動

2.設置IP和設備名稱

3.在線分配名稱和IP，驗證成功

4.完成PROFINET連接實訓操作法+演示法小結與布置（5min）總結PN組態步驟，布置課后預習1.點評常見錯誤（IP不在同網段、未分配設備名稱）

2.預告下節課變頻器調試1.記錄要點

2.保存項目歸納總結法課中（第2課時：變頻器PN參數設置與調試）教學環節教學內容教師活動學生活動教學方法與手段復習導入（5min）復習硬件組態，引入變頻器參數調試1.提問：“如何通過Startdrive設置變頻器參數？”

2.展示調試向導界面1.回答

2.打開驅動調試界面復習提問法新知講解與實訓（35min）1.啟動調試向導，選擇應用等級（SDC）

2.設定值指定：選擇“連接PLC”，斜坡函數發生器在變頻器中生效

3.I/O配置：選擇宏7（現場總線PROFINET和點動切換）（圖3-8）

4.驅動設置：IEC標準，輸入電壓380V

5.電動機參數：根據銘牌輸入（p0304、p0305、p0307、p0310、p0311）

6.重要參數：最小/最大轉速、加減速時間

7.驅動功能：恒定負載，禁用電動機識別

8.控制面板調試：激活主控權，點動測試，修改轉速

9.參數保存/復位：將參數保存到EEPROM1.分步演示調試向導（圖3-7~3-9）

2.強調宏7的作用：PROFINET控制，DI可切換點動

3.演示電動機參數輸入（對照銘牌）

4.演示控制面板調試：激活主控權，點動正反轉，修改轉速，觀察電機運行

5.演示保存參數（RAM→EEPROM）

6.巡視指導，解決參數設置問題1.小組合作，跟隨操作調試向導

2.輸入電動機參數

3.使用控制面板調試電機

4.保存參數

5.記錄關鍵參數值實訓操作法+演示法小結與布置（5min）總結變頻器調試步驟1.點評常見錯誤（宏7未選、電動機數據不匹配、參數未保存）

2.預告下節課PLC編程1.記錄要點

2.提交參數表歸納總結法課中（第3課時：PLC編程——SinaSpeed與直接控制）教學環節教學內容教師活動學生活動教學方法與手段復習導入（5min）復習PN組態和變頻器調試，引入PLC編程1.提問：“PLC如何通過PN發送控制字和轉速給定？”

2.展示兩種編程方法1.回答

2.打開PLC編程界面復習提問法新知講解與實訓（35min）1.方法一：使用SinaSpeed功能塊（圖3-12）

-添加選件包，拖放功能塊，分配背景DB

-配置HWIDSTW/HWIDZSW（驅動硬件ID）

-EnableAxis=1啟動，SpeedSp轉速設定，RefSpeed參考轉速（p2000）

2.方法二：直接控制PZD區

-查看報文1的PZD地址：QW256（控制字），QW258（轉速設定值）

-用MOVE指令傳送16#047F（正轉）、16#0C7F（反轉）、16#047E（停止）、16#04FE（故障復位）到QW256

-用NORM_X和SCALE_X將設定轉速轉換為16384對應最大轉速（圖3-14）

3.程序下載與監控1.演示添加SinaSpeed功能塊（若軟件無選件包，可說明替代方法）

2.講解硬件ID的獲取（設備視圖→PROFINET接口→硬件標識符）

3.演示直接控制：建立變量表，編寫正反轉停止程序段（圖3-13、3-16）

4.講解轉速給定：16384對應p2000（如945rpm），則16384/945=17.34，用標準化指令或直接計算

5.演示下載程序，監控狀態字IW256觀察電機狀態1.小組合作，嘗試兩種編程方法

2.記錄控制字值及轉速轉換公式

3.下載程序，通過監控表強制變量測試

4.觀察電機響應實訓操作法+任務驅動小結與布置（5min）總結兩種編程方法及轉速轉換1.點評常見錯誤（硬件ID錯誤、轉速轉換系數不正確）

2.預告下節課HMI組態1.記錄要點

2.保存項目歸納總結法課中（第4課時：HMI組態與系統聯調）教學環節教學內容教師活動學生活動教學方法與手段復習導入（5min）復習PLC程序，引入HMI組態1.提問：“如何在觸摸屏上顯示電機運行狀態？”

2.展示圖3-17HMI畫面1.回答

2.打開HMI組態向導復習提問法新知講解與實訓（35min）1.添加HMI設備（KTP700），連接PLC

2.組態畫面：文本域、指示燈（故障、運行、正轉、反轉）、按鈕（正轉、反轉、停止、復位）、IO域（設定轉速、實際轉速）

3.變量關聯：

-指示燈：運行使能（Q0.0?實際用狀態字I256.2），正轉（I257.7=1），反轉（I257.7=0），故障（I256.3）

-按鈕：正轉置位M2.1，反轉置位M2.2，停止復位M2.1/M2.2，復位置位M2.3（脈沖）

-IO域：設定轉速關聯數據塊變量，實際轉速關聯狀態字轉換后的變量

4.下載HMI程序，系統聯調：操作HMI，觀察電機啟停、正反轉、調速及狀態顯示1.演示添加HMI、連接PLC

2.演示組態指示燈、按鈕、IO域（圖3-17）

3.講解狀態字位與指示燈關聯：I256.2（運行使能）、I257.7（方向：1正轉0反轉）、I256.3（故障）

4.演示變量關聯：按鈕關聯M變量，IO域關聯DB變量

5.指導聯調：通過HMI控制電機，觀察轉速顯示是否與實際一致1.小組合作組態HMI畫面

2.關聯變量，編譯下載

3.聯調測試：HMI控制正轉、反轉、停止、調速，觀察指示燈和轉速顯示

4.記錄問題及解決方法實訓操作法+演示法圖3-17評價總結（5min）1.小組展示系統運行成果

2.教師點評與總結

3.完成自評、互評（表3-9、3-10）1.聽取小組匯報，簡要點評

2.總結本任務核心技能點：PN組態、變頻器調試、兩種編程方法、HMI組態

3.強調安全規范與5S管理

4.