應用型本科高校工業(yè)控制實訓教學平臺的建設

劉雪峰 李聚才 孫前來 柏艷紅 王春妍

（山西師范大學現(xiàn)代文理學院轉設籌備處，山西 臨汾 041000）

0 引言

1 自動化類專業(yè)實訓平臺設計

單片機原理與應用作為自動化類專業(yè)課程的重要組成，所涉及的實訓實驗比例較大。實訓教學平臺主要以STM32單片機為主，能夠為學生提供豐富的接口電路和外部模塊，滿足本科教學中的實驗需求[3]。

1.1 實驗平臺搭建

如圖1所示，采用Simulink、CUBEMX和Keil軟件搭建單片機虛擬實驗平臺，結合單片機實驗箱針對性完成典型實驗，不僅為學生提供了基礎的仿真學習環(huán)境，還能利用Simulink仿真中的自動代碼生成技術[4]，讓學生能夠在可視化仿真后更加直觀地掌握代碼程序，激發(fā)學生興趣。

圖1 自動化類專業(yè)實訓平臺

1.2 實驗平臺特點

該實驗平臺具有以下特點：

（1）Simulink軟件能夠為學生提供可視化的仿真環(huán)境，通過對虛擬儀器儀表、交直流元器件等大量元件庫中的模型進行自由組合實現(xiàn)預期功能，打破傳統(tǒng)實驗箱固定器件搭配的限制，增強平臺的通用性。

（2）教學前期使用的虛擬實驗平臺只需計算機即可完成各項操作，學生能夠自主開展相關實驗，不再受到實驗室的空間限制，在課余時間即可對知識進行實踐；同時學生在掌握運行原理后進行實踐，能夠有效減少元器件損耗，降低實驗室運行成本。

（3）教學后期通過硬件實驗能夠對仿真實驗中存在的誤差和一些處理較差的實驗進行修正，同時還能讓學生根據(jù)自身興趣將仿真實驗轉化為實際，克服虛擬仿真環(huán)境同實際操作中的差距，讓學生充分積累軟硬件協(xié)同開發(fā)經(jīng)驗。

2 電氣類專業(yè)實訓平臺設計

可編程邏輯控制器（ProgrammableLogicController，簡稱PLC）是電氣類專業(yè)課程中的重要組成，以電力電子、自動控制理論、計算機等技術作為學科基礎，且PLC技術在工業(yè)控制領域的應用范圍較廣[5]。因此，PLC實驗教學就成為學生理論學習和實踐相結合的重要環(huán)節(jié)。

二、影響一國需求結構的最主要因素是平均收入水平。高收入國家對技術水平高、加工程度深、價值較大的高檔商品的需求較大，而低收入國家則以低檔商品的消費為主，以滿足基本生活需求。所以，收入水平可以作為衡量兩國需求結構或偏好相似程度的指標。例如高爾夫球在歐美是普及運動，但在發(fā)展中國家卻不是代表性需求。

2.1 實驗平臺搭建

該實驗平臺由可編程控制器S7-1500和S7-1200+觸摸屏+V90伺服驅動模塊+組態(tài)模塊等組成，同時配備有開關量和模擬量的輸入、輸出以及PN網(wǎng)絡等擴展模塊（圖2）[6]，能夠為學生提供模擬的工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境，完成實物模型的模擬控制過程，從認知、設計、部署調試等方面提高學生的技能素養(yǎng)。

圖2 電氣類專業(yè)實訓平臺

2.2 實驗平臺特點

該實驗平臺具有以下特點：

（1）PLC實驗操作簡單，安全性、可靠性高，基礎實驗僅需要通過簡單的接線操作即可讓學生直觀看到實驗結果，能夠提高學生的學習興趣和動力。

（2）不同實驗間存在關聯(lián)性，相對于原有的獨立實驗來說，在綜合性、整體性方面有著明顯提升，即使實驗結果一致，學生也可通過不同方式完成，能夠有效激發(fā)學生創(chuàng)造性。

（3）實驗課程雖然側重于實踐操作，但會充分涉及課堂上所學的理論知識和其他基礎課程知識，并且實驗任務是模擬實際情景，通過問題驅動學生調用所學知識，更好地將理論同實踐相結合。

3 實驗項目設計

3.1 自動化類實訓實驗設計

以傳統(tǒng)的LED跑馬燈實驗為例，在原有實驗基礎上，改進實驗操作流程，通過Simulink仿真、自動代碼生成、單片機控制等完成實驗[7]。

（1）利用STM32 CUBEMX軟件生成所需的單片機配置文件，在CUBEMX單片機型號庫中選擇相應芯片，如圖3所示。

圖3 單片機型號庫

（2）選好芯片型號后，即可進行初始化配置，設置芯片的時鐘引腳、下載器和輸出接口。由于實驗平臺中的LED等由PA8引腳控制，所以將其設置為GPIO_Output，配置好的芯片如圖4所示。

圖4 芯片配置

（3）將項目保存在指定目錄后即可找到相應的配置文件，然后將其導入到Simulink中，配置完成后即可在圖形化界面調用該模塊進行仿真，如圖5所示。將所需模塊連接完成，通過BuildModel可以在目標路徑中生成Keil文件。

圖5 圖形化仿真界面

（4）將生成的Keil文件通過下載器輸入到STM32單片機中，即可完成跑馬燈實驗。

通過圖形化仿真和自動代碼生成優(yōu)化了實驗操作流程，使學生能夠在實驗學習中更加直觀簡捷地掌握運行原理和操作流程，為后續(xù)綜合性實驗奠定了堅實基礎。

3.2 電氣類實訓實驗設計

本次設計的實訓實驗平臺搭建有A～D四級遞進式實驗項目[8]。

（1）A級實驗項目：以可編程控制器和觸摸屏為主，能夠完成基礎的搶答器模擬、交通燈控制、音樂噴泉等實驗，讓學生能夠熟悉實驗設備、儀器，同時掌握組態(tài)軟件的使用。

（2）B級實驗項目：以可編程控制器、觸摸屏、變頻器、交流電機為主，能夠完成電機啟停、多段速控、變頻調速等實驗。

（3）C級實驗項目：以可編程控制器、觸摸屏、伺服電機、驅動器為主，能夠完成多軸同步、插補運動等復雜實驗。

（4）D級實驗項目：物料分揀半實物模塊控制實驗。為學生提供物料分揀所需的設備模塊，通過搭建物料分揀系統(tǒng)并設計PLC控制程序完成實物控制。

通過多級實驗項目設置，能夠讓學生從基礎到綜合性應用逐步過渡，充分鍛煉工程實踐思維和動手操作能力，提升專業(yè)技能素養(yǎng)，真正做到學校同工程實踐有效銜接[9]。

3.3 主要特色

本次設計的實訓平臺對原有的自動化類實驗和電氣類實驗課程進行了優(yōu)化，能夠更好地覆蓋所學理論知識，在循序漸進的過程中將理論同實踐相結合，進一步完善了學生的知識架構，提高了學生的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力。通過頂層設計能夠讓實驗更好地適配課程體系，不僅為學生提供了課內實驗場所，還能為學生提供畢業(yè)設計、創(chuàng)新設計等實踐環(huán)境。同時，搭建的兩大實驗平臺均有良好的可擴展性，可以讓學生進行課外項目、科技競賽等二次開發(fā)實驗[10]。此外，針對性的實驗設計有利于學生將不同的學科知識進行融合，建立起完整的知識體系。

4 結束語

根據(jù)工業(yè)控制實訓教學目標，本文對實驗室結構和實驗設計進行了優(yōu)化，以實驗教學為基礎，通過圖形化仿真和代碼生成讓學生能夠充分將理論知識同實踐相結合，為學生提供了課程設計和工業(yè)實踐環(huán)境。并且階梯式的實驗設計能夠讓有興趣的學生完成課外學習，有效提高學生學習興趣和工程實踐能力，為高質量就業(yè)打下堅實基礎。此外，實驗指導書和講義的專業(yè)化編寫，充分結合了實訓平臺情況，能讓學生在循序漸進的過程中逐步將所學知識和實踐相結合，由淺入深，真正掌握工控實驗運行的底層邏輯。

隨著實訓環(huán)境的優(yōu)化，實訓課程和學時所占比重逐步升高，學生可開展的實踐項目顯著增加。將專業(yè)課程知識和工程實踐有機結合，突破了傳統(tǒng)實訓模式限制，收到了良好的教學效果，能夠切實提高學生綜合素養(yǎng)，踐行實踐育人理念。