運動控制技術與應用 教案 任務3.2 S7-1200 PLC Modbus通信控制G120變頻器

任務3.2S7-1200PLCModbus通信控制G120變頻器一、基本信息任務名稱S7-1200PLCModbus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3.2S7-1200PLCModbus通信控制G120變頻器教學內容1.ModbusRTU通信協議概述（主從結構、數據單元、功能碼FC3/FC6/FC16）

2.硬件配置與連接（CB1241/CM1241通信板/模塊、接線圖）

3.G120變頻器Modbus通信相關參數（宏21、P2030、P2020、P2021、P2040）

4.Modbus通信常用寄存器（40100控制字、40101主設定值、40110狀態字、40111速度實際值等）

5.S7-1200Modbus通信指令：MB_COMM_LOAD（端口組態）、MB_MASTER（讀寫請求）

6.輪詢編程方法（多任務讀寫）

7.HMI組態與系統聯調內容分析本次課是通信控制變頻器的第二個任務，從PROFINET通信過渡到ModbusRTU串行通信。學生需要理解Modbus協議的基本原理，掌握G120變頻器的Modbus參數設置，學會使用S7-1200的Modbus指令進行編程，并通過HMI實現遠程監控。通過4學時的理實一體化教學，使學生具備在不同通信協議下控制變頻器的能力。（二）學情分析知識和技能基礎學生已完成任務3.1（PN通信），掌握了PROFINET組態及通信編程；對串行通信有一定了解，但缺乏Modbus協議及S7-1200Modbus指令的實際應用經驗。訴求和素養儲備學生對通用Modbus協議有較高興趣，因為該協議在工業設備互聯中廣泛應用；部分學生對寄存器地址、功能碼等概念感到抽象，需借助實例理解。學習特點喜歡通過實際通信觀察數據交互；對輪詢編程的邏輯容易混淆，需要分步講解和反復練習；樂于小組協作完成通信調試。（三）目標分析知識目標1.理解ModbusRTU通信協議的基本原理（主從結構、數據幀格式、功能碼）。

2.掌握G120變頻器Modbus通信相關參數（宏21、P2030、P2020、P2021）的功能。

3.理解S7-1200PLC的Modbus通信指令（MB_COMM_LOAD、MB_MASTER）的參數及使用方法。

4.掌握Modbus寄存器地址（40100、40101、40110、40111等）與控制字/狀態字的對應關系。能力目標1.能設計Modbus通信控制G120變頻器的電氣接線原理圖和網絡拓撲圖。

2.能完成CB1241通信板與G120變頻器的RS485接線（T/RA接2號，T/RB接3號）。

3.能設置變頻器Modbus參數（宏21、波特率、地址等），并用Startdrive調試。

4.能用TIAPortal編寫輪詢程序，實現讀寫控制字、設定值、狀態字、實際速度，并通過HMI控制。素質目標1.通過實現Modbus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.Modbus通信硬件接線（CB1241與變頻器RS485端子）

2.G120變頻器Modbus參數設置（宏21、P2030=2、P2020=6、P2021=3等）

3.MB_COMM_LOAD和MB_MASTER指令的配置與輪詢編程Modbus是通用串行通信協議，實際應用廣泛1.對照實物圖分步演示接線，強調極性對應

2.提供參數速查表，分組設置并驗證

3.演示單次讀寫，再講解輪詢狀態機教學難點1.Modbus數據幀結構（地址、功能碼、數據、CRC）的理解

2.輪詢編程的實現（多個MB_MASTER依次觸發，避免同時激活）

3.寄存器地址與控制字/狀態字位的映射（如16#047F的含義）協議抽象，輪詢邏輯容易出錯1.用“信封”比喻數據幀，逐字節講解

2.使用“順控”實現輪訓8調用，提供程序模板

3.對照任務3.1的控制字值，強化理解（五）教學策略教學流程第1課時：Modbus基礎與硬件連接（45min）→第2課時：變頻器Modbus參數設置與調試（45min）→第3課時：PLCModbus通信編程（輪詢）（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（Modbus協議原理）

2.TIAPortal軟件、Modbus調試助手

3.數字化資源：Modbus指令速查卡、輪詢程序模板教學資源實物：G120變頻器（帶RS485接口）、S7-1200PLC（帶CB1241通信板）、KTP700HMI、三相異步電動機、斷路器、網線、RS485雙絞線、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3-18）、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《ModbusRTU通信協議》

2.預習教材中“Modbus通信概述”、“硬件配置與連接”部分

3.瀏覽G120Modbus通信手冊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：“Modbus與PROFINET通信有何不同？”

3.上傳G120Modbus參數表1.觀看視頻，了解主從結構和幀格式

2.閱讀教材，記錄疑問

3.初步認識Modbus寄存器地址線上平臺+微課視頻，提前理解Modbus概念課中（第1課時：Modbus基礎與硬件連接）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PN通信，引出Modbus通信的特點：開放、簡單、適用于串行總線1.提問：“若PLC與變頻器不同品牌，用什么通信？”

2.展示Modbus網絡拓撲，明確本課任務

3.強調RS485接線注意事項1.思考并回答

2.明確學習目標案例教學法新知講解（15min）1.ModbusRTU協議：主從結構、數據幀（地址、功能碼、數據、CRC）

2.支持的功能碼：FC3讀寄存器、FC6寫單寄存器、FC16寫多寄存器

3.S7-1200Modbus硬件：CB1241通信板（圖3-19、3-20）

4.接線：CB1241的T/RA接變頻器RS485+（2號端子），T/RB接RS485-（3號端子）（圖3-21）1.用“信封”比喻講解數據幀結構（圖3-18表3-11~3-12）

2.展示CB1241實物，講解其引腳定義

3.對照圖3-21演示接線（注意屏蔽、雙絞線）

4.強調距離較近可不接終端電阻1.記錄數據幀格式

2.觀察CB1241實物

3.理解接線極性

4.小組完成接線講授法+實物演示硬件組態實訓（20min）1.在TIAPortal中添加S7-1200PLC，插入CB1241通信板

2.查看CB1241的硬件標識符（圖3-23）

3.設置通信參數：波特率9600、8數據位、無奇偶校驗、1停止位（默認，與變頻器一致）1.分步演示添加CB1241（從硬件目錄拖拽）

2.講解如何查看“系統常數”中的硬件標識符（如269）

3.演示通信參數設置（圖3-23）

4.強調必須與變頻器參數一致1.小組合作，添加CB1241

2.記錄硬件標識符

3.核對通信參數實訓操作法小結與布置（5min）總結硬件連接與組態要點1.點評接線常見錯誤（極性接反、未接地）

2.預告下節課變頻器參數設置1.記錄要點

2.保存項目歸納總結法課中（第2課時：變頻器Modbus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）復習硬件連接，引入變頻器Modbus參數設置1.提問：“變頻器需要設置哪些參數才能響應Modbus通信？”

2.展示表3-141.回答

2.打開Startdrive復習提問法新知講解與實訓（35min）1.設置宏21（p0015=21），自動配置Modbus參數

2.手動設置：P2030=2（ModbusRTU）、P2020=6（9600bps）、P2021=3（從站地址）、P2040=4000（監控時間）

3.電動機參數設置（p0304等）

4.控制面板調試，保存參數

5.寄存器地址對照（表3-14）：40100控制字、40101主設定值、40110狀態字、40111速度實際值1.分步演示Startdrive中設置宏21（參考任務3.1調試向導）

2.在參數視圖修改P2030等參數

3.強調從站地址不得與總線上其他設備沖突

4.演示使用控制面板測試電機轉向

5.講解寄存器地址與PLCModbus指令的對應關系1.小組合作設置變頻器參數

2.填寫表3-18

3.保存參數到EEPROM

4.記錄常用寄存器地址實訓操作法+演示法表3-14G120變頻器Modbus通信控制參數設置小結與布置（5min）總結Modbus參數設置步驟1.點評常見錯誤（宏21未選、波特率不一致）

2.預告下節課PLC編程1.記錄要點

2.保存項目歸納總結法課中（第3課時：PLCModbus通信編程（輪詢））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Modbus寄存器，引入PLC編程1.提問：“PLC如何通過Modbus寫入控制字？”

2.展示MB_COMM_LOAD和MB_MASTER指令1.回答

2.打開TIAPortal編程界面復習提問法新知講解與實訓（35min）1.添加DB塊（去掉“優化的塊訪問”），創建數組用于輪詢狀態（圖3-24、3-25）

2.編寫MB_COMM_LOAD指令：PORT選擇CB1241的硬件ID，BAUD=9600，PARITY=0，MB_DB關聯MB_MASTER的背景DB

3.編寫MB_MASTER輪詢程序：

-任務1：寫控制字（40100）—正轉16#047F、反轉16#0C7F、停止16#047E、故障復位16#04FE

-任務2：寫主設定值（40101）—轉速給定（0~16384對應0~P2000）

-任務3：讀狀態字（40110）

-任務4：讀速度實際值（40111）

-使用“步”計數器順序觸發各任務，DONE后步進

4.監控變量，驗證通信1.演示添加DB并去掉“優化的塊訪問”（重要！否則無法被指令訪問）

2.演示MB_COMM_LOAD的配置（PORT選硬件ID，MB_DB選MB_MASTER_DB）

3.講解輪詢邏輯：用一個INT變量作為狀態機，每個MB_MASTER執行完成后DONE觸發步進

4.提供輪詢程序模板，指導學生編寫

5.演示監控表，強制控制字觀察變頻器響應1.小組合作創建DB和輪詢程序

2.輸入控制字值（16#047F等）

3.下載程序，通過監控表測試各任務

4.觀察變頻器啟停和轉速變化實訓操作法+任務驅動，[插入圖片：圖3-23、3-24]小結與布置（5min）總結輪詢編程要點1.點評常見錯誤（DB未取消優化、硬件ID錯誤、輪詢步未自復位）

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：“如何用觸摸屏顯示變頻器狀態？”

2.展示最終運行畫面1.回答

2.打開HMI組態復習提問法新知講解與實訓（35min）1.添加KTP700HMI，連接PLC

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

3.變量關聯：

-按鈕關聯PLC的M點（如正轉→M2.1，反轉→M2.2等）

-指示燈關聯狀態字位（如運行→狀態字位2，故障→位3，正轉→位14=1，反轉→位14=0）

-IO域設定轉速關聯DB中的設定值變量，實際轉速關聯DB中的讀回值

4.下載HMI程序，系統聯調：通過HMI控制變頻器，觀察電機運行及轉速顯示1.演示添加HMI、連接PLC

2.演示組態按鈕、指示燈、IO域（參考項目2圖2-9）

3.講解狀態字位的提取：使用“字與位”轉換，例如故障位可通過“狀態字.3”直接關聯

4.演示變量關聯，強調地址對應

5.指導聯調，解決通信故障1.小組合作組態HMI畫面

2.關聯變量，編譯下載

3.聯調測試：通過HMI正轉、反轉、停止、復位，設定轉速，觀察電機響應和實際轉速反饋

4.記錄問題及解決方法實訓操作法+演示法評價總結（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3-20、3-21）1.聽取小組匯報，簡要點評

2.總結本任務核心技能點：Modbus接線、參數設置、輪詢編程、HMI組態

3.強調安全規范與5S管理

4.發布課后拓展任務1.小組代表演示HMI控制變頻器

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