《機器人工業(yè)總線技術》教學大綱

《機器人工業(yè)總線技術》教學大綱適用范圍：202X版本科人才培養(yǎng)方案課程代碼：22140151課程性質：專業(yè)必修課學分：2學分學時：32學時（理論24學時，實驗8學時）先修課程：電氣控制與PLC（A）、機器人檢測技術與傳感器等后續(xù)課程：機器人編程與系統(tǒng)集成適用專業(yè)：機器人工程專業(yè)開課單位：智能工程學院一、課程說明《機器人工業(yè)總線技術》是機器人工程專業(yè)必修的一門專業(yè)必修課。本課程主要傳授典型現(xiàn)場總線基本原理與方法，為學習其他有關課程及以后從事技術工作打下必要的基礎。本課程注重數(shù)字通信及網絡技術基礎知識的深入學習，強調培養(yǎng)運用典型現(xiàn)場總線基本方法解決生產實際中問題的能力，兼顧特定領域專用總線技術的介紹，培養(yǎng)“厚基礎、寬口徑、高素質、強能力”的人才。二、課程目標通過本課程的學習，使學生達到如下目標：課程目標1：掌握數(shù)字通信及網絡技術基礎，能夠正確理解數(shù)字編碼技術、通信接口、傳輸介質、網絡協(xié)議模型、現(xiàn)場總線等知識，能夠合理選擇現(xiàn)場總線用于設備控制信息集成。課程目標2：能正確運用Modbus網絡技術原理、工業(yè)以太網及OPC技術原理等知識分析工程需求，了解影響現(xiàn)場總線通訊的因素，能夠選擇合適的現(xiàn)場總線類型，并能夠設計或改進現(xiàn)場總線網絡拓撲結構，培養(yǎng)學生科學、嚴謹?shù)膭?chuàng)造性思維和研究性思維。課程目標3：理解現(xiàn)場總線協(xié)議/規(guī)范/標準，構建安全、穩(wěn)定、高效的信息通訊網絡，理解國家信息安全的重要性，能夠在工程實踐中理解并遵守工程職業(yè)道德和行為規(guī)范，履行責任，培養(yǎng)學生積極思考、嚴謹創(chuàng)新的科學態(tài)度和解決實際問題的能力，塑造學生刻苦鉆研的使命感和愛國情懷，培養(yǎng)科學探索的工程素養(yǎng)。三、課程目標與畢業(yè)要求《機器人工業(yè)總線技術》課程教學目標對機器人工程專業(yè)畢業(yè)要求的支撐見表1。表1課程教學目標與畢業(yè)要求關系畢業(yè)要求指標點課程目標支撐強度1.工程知識：具有從事機器人工程領域所需的數(shù)學、自然科學、工程基礎和專業(yè)知識，并能夠綜合應用這些知識解決機器人工程領域復雜工程問題。1.2掌握機器人工程領域所需的電路分析、電子技術、計算機、機械等原理和思想，能將其知識方法用于復雜機器人工程問題的分析和表述。課程目標1：掌握數(shù)字通信及網絡技術基礎，能夠正確理解數(shù)字編碼技術、通信接口、傳輸介質、網絡協(xié)議模型、現(xiàn)場總線等知識，能夠合理選擇現(xiàn)場總線用于設備控制信息集成。M3.設計/開發(fā)解決方案：能夠針對機器人工程領域復雜工程問題設計解決方案，設計滿足特定需求的硬件部件、智能算法、系統(tǒng)集成應用，并能夠在設計環(huán)節(jié)中體現(xiàn)創(chuàng)新意識，并考慮社會、環(huán)境、健康、安全、法律、文化等因素。3.1能夠針對機器人工程領域的復雜工程問題提出網絡化、智能解決方案。課程目標2：能正確運用Modbus網絡技術原理、工業(yè)以太網及OPC技術原理等知識分析工程需求，了解影響現(xiàn)場總線通訊的因素，能夠選擇合適的現(xiàn)場總線類型，并能夠設計或改進現(xiàn)場總線網絡拓撲結構。H5.使用現(xiàn)代工具：能夠針對復雜機械工程問題，開發(fā)、選擇與使用恰當?shù)募夹g、資源、現(xiàn)代工程工具和信息技術工具，包括對復雜機械工程問題的預測與模擬，并能夠理解其局限性。5.2能夠開發(fā)、選擇與使用現(xiàn)代工程工具和信息技術工具對復雜機械工程問題進行輔助設計、預測和模擬，并理解其局限性。課程目標2：能正確運用Modbus網絡技術原理、工業(yè)以太網及OPC技術原理等知識分析工程需求，了解影響現(xiàn)場總線通訊的因素，能夠選擇合適的現(xiàn)場總線類型，并能夠設計或改進現(xiàn)場總線網絡拓撲結構，培養(yǎng)學生科學、嚴謹?shù)膭?chuàng)造性思維和研究性思維。課程目標3：理解現(xiàn)場總線協(xié)議/規(guī)范/標準，構建安全、穩(wěn)定、高效的信息通訊網絡，理解國家信息安全的重要性，能夠在工程實踐中理解并遵守工程職業(yè)道德和行為規(guī)范，履行責任，培養(yǎng)學生積極思考、嚴謹創(chuàng)新的科學態(tài)度和解決實際問題的能力，塑造學生刻苦鉆研的使命感和愛國情懷，培養(yǎng)科學探索的工程素養(yǎng)。M注：表中“H（高）、M（中）”表示課程與相關畢業(yè)要求的關聯(lián)度。四、教學內容、基本要求與學時分配1.理論部分理論部分的教學內容、基本要求與學時分配見表2。表2教學內容、基本要求與學時分配教學內容教學要求，教學重點難點理論學時實驗學時對應的課程目標1.數(shù)字通信及網絡技術基礎1.1數(shù)字通信基本原理1.2介質訪問控制MAC1.3網絡協(xié)議模型1.4現(xiàn)場總線與信息化集成技術思政1：大漠孤煙直-詩詞中的古代通信思政2：視聯(lián)動力-國產通信協(xié)議先驅教學要求：使學生在了解數(shù)字通信的基本概念基礎上，掌握數(shù)字通信基本原理，掌握數(shù)字通信的技術指標，了解常用傳輸介質特性，掌握傳輸介質選擇和使用方法；培養(yǎng)學生積極思考、嚴謹創(chuàng)新的科學態(tài)度和解決實際問題的能力，塑造學生刻苦鉆研的使命感和愛國情懷，培養(yǎng)科學探索的工程素養(yǎng)。重點：通信系統(tǒng)基本概念、數(shù)字編碼技術和網絡協(xié)議模型，了解現(xiàn)場總線技術特點，掌握數(shù)字通訊的基本原理。難點：通訊系統(tǒng)數(shù)字編碼技術。41、22.Modbus網絡及應用2.1Modbus規(guī)范2.2Modbus串口調試工具2.3ModbusPlus網絡2.4Modbus網絡應用實例思政3：學習Modbus規(guī)范，培養(yǎng)學生科學、嚴謹?shù)膭?chuàng)造性思維和研究性思維思政4：通過實踐培養(yǎng)學生解決實際問題的能力教學要求：使學生了解Modbus規(guī)范，掌握Modbus通信報文格式，掌握使用串口調試工具測試Modbus通信的方法，掌握Modbus網絡結構設計和工程實現(xiàn)方法；能夠在工程實踐中理解并遵守工程職業(yè)道德和行為規(guī)范，履行責任，培養(yǎng)學生積極思考、嚴謹創(chuàng)新的科學態(tài)度和解決實際問題的能力。重點：Modbus協(xié)議規(guī)范的理解，Modbus協(xié)議編程方法。難點：Modbus協(xié)議應用編程。841、23.PROFIBUS-DP總線應用3.1PROFIBUS-DP協(xié)議概念3.2DP總線數(shù)據(jù)鏈路3.3DP總線控制3.4PROFIBUS-DP應用思政5：學習PROFIBUS-DP規(guī)范，遵守工程職業(yè)道德和行為規(guī)范，履行責任教學要求：使學生了解PROFIBUS-DP總線協(xié)議；了解DP的傳輸技術、DP總線存取控制、DP數(shù)據(jù)鏈路層；掌握總線段結構設計和分析方法；了解PROFIBUS-DP故障診斷方法；培養(yǎng)學生積極思考、嚴謹創(chuàng)新的科學態(tài)度和解決實際問題的能力。重點：總線段結構設計和分析方法。難點：總線段結構分析方法。41、2、34.工業(yè)以太網及OPC技術4.1CIP協(xié)議4.2常用工業(yè)以太網4.3OPC技術4.4OPC技術應用實例思政6：組態(tài)王OPC，塑造學生刻苦鉆研的使命感和愛國情懷教學要求：使學生了解CIP協(xié)議、以太網幀格式；了解常用工業(yè)以太網；掌握ModbusTCP/IP應用編程方法；了解OPC技術規(guī)范，掌握常用OPC通訊服務器和客戶端的配置和使用方法；能夠在工程實踐中理解并遵守工程職業(yè)道德和行為規(guī)范，塑造學生刻苦鉆研的使命感和愛國情懷，培養(yǎng)科學探索的工程素養(yǎng)。重點：ModbusTCP/IP應用和OPC應用。難點：ModbusTCP/IP應用和OPC應用。841、2、3合計2482.實驗部分實驗部分的教學內容、基本要求與學時分配見表3。表3實驗項目、實驗內容與學時實驗項目實驗內容和要求實驗學時對應的課程目標1.Modbus原理與應用實驗實驗內容：選作以下兩項內容使用虛擬串口配置工具和串口調試工具進行Modbus-RTU通訊原理實驗。PLC串口Modbus-RTU通訊實驗。變頻器Modbus-RTU通訊實驗。實驗要求：掌握Modbus-RTU通信報文結構、掌握PLC、變頻器、測控儀表等現(xiàn)場設備Modbus-RTU編程和使用方法。422.工業(yè)以太網及OPC應用實驗實驗內容：工業(yè)以太網服務器和客戶端的配置和應用，OPC服務器和客戶端的配置和應用。實驗要求：配置ModSim服務器，使用電腦本地回送地址，實現(xiàn)ModbusTCP/IP通訊實驗。配置特定OPC服務器或通用OPC服務器，使用客戶端進行通訊測試和通訊應用。42合計8五、教學方法及手段本課程以課堂講授為主，結合討論、案例、視頻資源共享、實驗等教學手段完成課程教學任務和相關能力的培養(yǎng)。學生比較全面地理解工業(yè)現(xiàn)場總線技術的基本原理，掌握典型工業(yè)現(xiàn)場總線設計、調試和應用編程方法，培養(yǎng)解決現(xiàn)場設備信息通訊的初步能力。在實驗教學環(huán)節(jié)中，通過啟發(fā)式教學、討論式教學培養(yǎng)學生數(shù)字通訊的基本理論、基本知識和基本技能。培養(yǎng)學生自主學習能力、實際動手能力，激發(fā)學生的創(chuàng)新思維。實驗教學設計2個綜合性實驗項目，每個實驗項目均采用“虛實”結合的實驗內容，“虛擬實驗項目”內容側重原理和方法學習，“實物實驗項目”內容側重應用編程方法訓練。實驗項目使用的通訊測試軟件和工具軟件有：八方匯PLC調試神器（配置多個虛擬串口等功能）、串口調試工具（通訊數(shù)據(jù)收發(fā)）、ModSim（Modbus服務器）等，可用于實際工程項目通訊測試。在實驗前學生應復習和掌握與本實驗有關的教學內容、認真閱讀實驗指導書，了解實驗原理；在實驗中要嚴格遵守實驗紀律，按操作規(guī)程使用儀器，需要學生記錄實驗數(shù)據(jù)和截圖測試運行畫面；實驗結束后，按規(guī)定對儀器進行維護保養(yǎng)；每完成一項實驗，分析處理實驗數(shù)據(jù)，解讀收發(fā)數(shù)據(jù)的信息，回答思考題內容，認真完成一份實驗報告。六、課程資源1.推薦教材：（1）王海.工業(yè)控制網絡[M].北京：化學工業(yè)出版社,2020年.2.參考書：（1）黃風.工業(yè)機器人與現(xiàn)場總線網絡技術[M].北京：化學工業(yè)出版社,2020年.（2）郭瓊.現(xiàn)場總線技術及其應用（第3版）[M].北京：機械工業(yè)出版社,2021年.（3）張帆.工業(yè)控制網絡技術[M].北京：機械工業(yè)出版社,2022年.（4）趙新秋.工業(yè)控制網絡技術[M].北京：機械工業(yè)出版社,2022年.（5）倪偉.工業(yè)控制網絡技術及應用[M].北京：機械工業(yè)出版社,2022年.3.期刊：（1）李勃良.基于PLC技術和工業(yè)現(xiàn)場總線技術的船舶電力監(jiān)控系統(tǒng)設計[J].艦船科學技術,2020,(16),118-120.（2）KummoolS,SuwanmaneeI,WeerathaweemasS,etal.AVAILABILITYTHROUGHFIELDDEVICEDIAGNOSISINFEEDFORWARDCONTROL:ACASESTUDYOFFOUNDATIONFIELDBUS-BASEDTEMPERATURECONTROL[J].Internationaljournalofinnovativecomputing,informationandcontrol,2022,(1):18-25.4.網絡資源：（1）施耐德官網，/zh/search/modbus（2）西門子自動化與驅動官網，/download/（3）OPC基金會中國官網，/七、課程考核對課程目標的支撐課程成績由過程性考核成績和期末考核（大作業(yè)）成績兩部分構成，具體考核/評價細則及對課程目標的支撐關系見表4。表4課程考核對課程目標的支撐考核環(huán)節(jié)占比考核/評價細則課程目標123過程性考核課堂表現(xiàn)10（1）根據(jù)課堂出勤情況和課堂回答問題情況進行考核，滿分100分。（2）以平時考核成績乘以其在總評成績中所占的比例計入課程總評成績?！獭獭?42實驗15（1）根據(jù)每個實驗的實驗操作完成情況和實驗報告質量單獨評分，滿分100分；（2）每次實驗單獨評分，取各次實驗成績的平均值作為此環(huán)節(jié)的最終成績。（3）以實驗成績乘以其在總評成績中所占的比例計入課程總評成績。√15作業(yè)15（1）主要考核學生對各章節(jié)知識點的復習、理解和掌握程度，滿分100分；（2）每次作業(yè)單獨評分，取各次成績的平均值作為此環(huán)節(jié)的最終成績。（3）以作業(yè)成績乘以其在總評成績中所占的比例計入課程總評成績。√√√663期末考核60（1）期末考核（大作業(yè)）成績100分，以期末考核（大作業(yè)）成績乘以其在總評成績中所占的比例計入課程總評成績。（2）主要考掌握數(shù)字通信及網絡技術基礎、PROFIBUS-DP總線協(xié)議、Modbus規(guī)范、工業(yè)以太網及OPC技術，基本概念和基本原理及應用。√√√252510合計：100分355015八、考核與成績評定1.考核方式及成績評定考核方式：本課程主要以作業(yè)評價、課堂討論、課內實驗、期末考核（大作業(yè)）等方式對學生進行考核評價。考核基本要求：考核總成績由期末考核（大作業(yè)）成績和過程性評價成績組成。其中：期末考核（大作業(yè)）成績?yōu)?00分（權重60%）；作業(yè)評價、課堂討論、課內實驗等過程性評價成績?yōu)?00分（權重40%）。2.過程性考核成績的標準過程性考核方式重點考核內容、評價標準、所占比重見表5。表5過程性考核方式評價標準考核方式所占比重(%)100>x≥9090>x≥8080>x≥7070>x≥60x<60課堂表現(xiàn)25積極參與教學活動，踴躍回答問題，準確率大于90%。認真參與教學活動，回答問題準確率大于80%。偶爾參與教學活動，回答問題準確率大于70%。上課不認真，偶爾參與教學活動。上課不認真，不參與教學活動。作業(yè)37.5作業(yè)完整，思路清晰，準確率大于90%，字跡工整。作業(yè)完整，準確率大于80%，字跡工整。不交作業(yè)2次以內