应用型本科高校工业控制实训教学平台的建设

刘雪峰 李聚才 孙前来 柏艳红 王春妍

（山西师范大学现代文理学院转设筹备处，山西 临汾 041000）

0 引言

1 自动化类专业实训平台设计

单片机原理与应用作为自动化类专业课程的重要组成，所涉及的实训实验比例较大。实训教学平台主要以STM32单片机为主，能够为学生提供丰富的接口电路和外部模块，满足本科教学中的实验需求[3]。

1.1 实验平台搭建

如图1所示，采用Simulink、CUBEMX和Keil软件搭建单片机虚拟实验平台，结合单片机实验箱针对性完成典型实验，不仅为学生提供了基础的仿真学习环境，还能利用Simulink仿真中的自动代码生成技术[4]，让学生能够在可视化仿真后更加直观地掌握代码程序，激发学生兴趣。

图1 自动化类专业实训平台

1.2 实验平台特点

该实验平台具有以下特点：

（1）Simulink软件能够为学生提供可视化的仿真环境，通过对虚拟仪器仪表、交直流元器件等大量元件库中的模型进行自由组合实现预期功能，打破传统实验箱固定器件搭配的限制，增强平台的通用性。

（2）教学前期使用的虚拟实验平台只需计算机即可完成各项操作，学生能够自主开展相关实验，不再受到实验室的空间限制，在课余时间即可对知识进行实践；同时学生在掌握运行原理后进行实践，能够有效减少元器件损耗，降低实验室运行成本。

（3）教学后期通过硬件实验能够对仿真实验中存在的误差和一些处理较差的实验进行修正，同时还能让学生根据自身兴趣将仿真实验转化为实际，克服虚拟仿真环境同实际操作中的差距，让学生充分积累软硬件协同开发经验。

2 电气类专业实训平台设计

可编程逻辑控制器（ProgrammableLogicController，简称PLC）是电气类专业课程中的重要组成，以电力电子、自动控制理论、计算机等技术作为学科基础，且PLC技术在工业控制领域的应用范围较广[5]。因此，PLC实验教学就成为学生理论学习和实践相结合的重要环节。

二、影响一国需求结构的最主要因素是平均收入水平。高收入国家对技术水平高、加工程度深、价值较大的高档商品的需求较大，而低收入国家则以低档商品的消费为主，以满足基本生活需求。所以，收入水平可以作为衡量两国需求结构或偏好相似程度的指标。例如高尔夫球在欧美是普及运动，但在发展中国家却不是代表性需求。

2.1 实验平台搭建

该实验平台由可编程控制器S7-1500和S7-1200+触摸屏+V90伺服驱动模块+组态模块等组成，同时配备有开关量和模拟量的输入、输出以及PN网络等扩展模块（图2）[6]，能够为学生提供模拟的工业生产环境，完成实物模型的模拟控制过程，从认知、设计、部署调试等方面提高学生的技能素养。

图2 电气类专业实训平台

2.2 实验平台特点

该实验平台具有以下特点：

（1）PLC实验操作简单，安全性、可靠性高，基础实验仅需要通过简单的接线操作即可让学生直观看到实验结果，能够提高学生的学习兴趣和动力。

（2）不同实验间存在关联性，相对于原有的独立实验来说，在综合性、整体性方面有着明显提升，即使实验结果一致，学生也可通过不同方式完成，能够有效激发学生创造性。

（3）实验课程虽然侧重于实践操作，但会充分涉及课堂上所学的理论知识和其他基础课程知识，并且实验任务是模拟实际情景，通过问题驱动学生调用所学知识，更好地将理论同实践相结合。

3 实验项目设计

3.1 自动化类实训实验设计

以传统的LED跑马灯实验为例，在原有实验基础上，改进实验操作流程，通过Simulink仿真、自动代码生成、单片机控制等完成实验[7]。

（1）利用STM32 CUBEMX软件生成所需的单片机配置文件，在CUBEMX单片机型号库中选择相应芯片，如图3所示。

图3 单片机型号库

（2）选好芯片型号后，即可进行初始化配置，设置芯片的时钟引脚、下载器和输出接口。由于实验平台中的LED等由PA8引脚控制，所以将其设置为GPIO_Output，配置好的芯片如图4所示。

图4 芯片配置

（3）将项目保存在指定目录后即可找到相应的配置文件，然后将其导入到Simulink中，配置完成后即可在图形化界面调用该模块进行仿真，如图5所示。将所需模块连接完成，通过BuildModel可以在目标路径中生成Keil文件。

图5 图形化仿真界面

（4）将生成的Keil文件通过下载器输入到STM32单片机中，即可完成跑马灯实验。

通过图形化仿真和自动代码生成优化了实验操作流程，使学生能够在实验学习中更加直观简捷地掌握运行原理和操作流程，为后续综合性实验奠定了坚实基础。

3.2 电气类实训实验设计

本次设计的实训实验平台搭建有A～D四级递进式实验项目[8]。

（1）A级实验项目：以可编程控制器和触摸屏为主，能够完成基础的抢答器模拟、交通灯控制、音乐喷泉等实验，让学生能够熟悉实验设备、仪器，同时掌握组态软件的使用。

（2）B级实验项目：以可编程控制器、触摸屏、变频器、交流电机为主，能够完成电机启停、多段速控、变频调速等实验。

（3）C级实验项目：以可编程控制器、触摸屏、伺服电机、驱动器为主，能够完成多轴同步、插补运动等复杂实验。

（4）D级实验项目：物料分拣半实物模块控制实验。为学生提供物料分拣所需的设备模块，通过搭建物料分拣系统并设计PLC控制程序完成实物控制。

通过多级实验项目设置，能够让学生从基础到综合性应用逐步过渡，充分锻炼工程实践思维和动手操作能力，提升专业技能素养，真正做到学校同工程实践有效衔接[9]。

3.3 主要特色

本次设计的实训平台对原有的自动化类实验和电气类实验课程进行了优化，能够更好地覆盖所学理论知识，在循序渐进的过程中将理论同实践相结合，进一步完善了学生的知识架构，提高了学生的创新创业能力。通过顶层设计能够让实验更好地适配课程体系，不仅为学生提供了课内实验场所，还能为学生提供毕业设计、创新设计等实践环境。同时，搭建的两大实验平台均有良好的可扩展性，可以让学生进行课外项目、科技竞赛等二次开发实验[10]。此外，针对性的实验设计有利于学生将不同的学科知识进行融合，建立起完整的知识体系。

4 结束语

根据工业控制实训教学目标，本文对实验室结构和实验设计进行了优化，以实验教学为基础，通过图形化仿真和代码生成让学生能够充分将理论知识同实践相结合，为学生提供了课程设计和工业实践环境。并且阶梯式的实验设计能够让有兴趣的学生完成课外学习，有效提高学生学习兴趣和工程实践能力，为高质量就业打下坚实基础。此外，实验指导书和讲义的专业化编写，充分结合了实训平台情况，能让学生在循序渐进的过程中逐步将所学知识和实践相结合，由浅入深，真正掌握工控实验运行的底层逻辑。

随着实训环境的优化，实训课程和学时所占比重逐步升高，学生可开展的实践项目显著增加。将专业课程知识和工程实践有机结合，突破了传统实训模式限制，收到了良好的教学效果，能够切实提高学生综合素养，践行实践育人理念。