快速電阻燒結(jié)溫度曲線實(shí)時(shí)采集記錄系統(tǒng)

余順園

（安康學(xué)院電子與信息工程系,陜西 安康 725000）

1.引言

電阻燒結(jié)作為一種材料制備的傳統(tǒng)燒結(jié)工藝，在先進(jìn)材料的制備研發(fā)中具有很大潛力。例如，可借助于該工藝來制備金屬基復(fù)合材料[1,2]，特別是當(dāng)采用硬規(guī)范時(shí)可制備出許多常規(guī)燒結(jié)方法難以制備出的先進(jìn)材料，如梯度功能材料[3]等，文獻(xiàn)[4]中提到用機(jī)械熔合粉末電阻燒結(jié)法的方法制備Al-Sic復(fù)合材料。另一方面，若采用電阻燒結(jié)設(shè)備，并采用粉末態(tài)中間層時(shí)，可實(shí)現(xiàn)固態(tài)燒結(jié)擴(kuò)散焊、過渡液相燒結(jié)擴(kuò)散焊等工藝。此外，還具有在表面工程中獲得應(yīng)用的潛力。

在上述電阻燒結(jié)制備新材料工藝中，溫度是影響粉體原子擴(kuò)散、粉末中間層原子擴(kuò)散、粉體或塊體塑性變形的至關(guān)重要的參數(shù)，準(zhǔn)確地測(cè)量和有效地控制溫度是優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、低耗和安全的重要條件。常用的溫度記錄手段有：人工記錄、紙質(zhì)記錄儀表（如XY記錄儀及專用的記錄儀表）、電子記錄儀表。人工記錄不可避免地浪費(fèi)人力、存在人為誤差，而且應(yīng)用的范圍也會(huì)受到現(xiàn)場(chǎng)條件、響應(yīng)速度等因素的限制；同時(shí)，因手工記錄數(shù)據(jù)信息反饋不及時(shí)、不系統(tǒng)而難以分析，從而給實(shí)驗(yàn)分析和優(yōu)化帶來很大的困難。紙質(zhì)記錄儀表因笨重而使用不便；電子記錄儀表造價(jià)昂貴，增加設(shè)備成本。

本文通過挖掘利用計(jì)算機(jī)與數(shù)顯調(diào)節(jié)儀表的串行通訊功能，充分利用組態(tài)軟件提供的便利，實(shí)現(xiàn)了電阻燒結(jié)溫度實(shí)時(shí)采集、溫升曲線的實(shí)時(shí)顯示、溫升曲線的無紙化記錄。較之其它功能類似的系統(tǒng)，本系統(tǒng)具有成本低、硬件簡單、軟件易實(shí)現(xiàn)的特點(diǎn)。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)的概述

本系統(tǒng)以熱電偶作為溫度傳感器，燒結(jié)現(xiàn)場(chǎng)安裝廈門宇電公司的溫度數(shù)顯調(diào)節(jié)儀表AI_518采集熱電偶測(cè)得的溫度信號(hào)，通過一個(gè)RS232數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器從串行口進(jìn)入計(jì)算機(jī)終端。在計(jì)算機(jī)上安裝已組態(tài)好的AIFCS（Artificial Intelligence Fieldbus Control System）監(jiān)控軟件，并采用簡潔可靠的自有的通訊協(xié)議在計(jì)算機(jī)上對(duì)現(xiàn)場(chǎng)溫控儀表實(shí)現(xiàn)100%的功能操作：實(shí)時(shí)讀取測(cè)量值，隨時(shí)修改控制參數(shù)。用系統(tǒng)軟件采集出溫度數(shù)據(jù)，以數(shù)據(jù)庫的形式對(duì)數(shù)據(jù)表和溫度曲線加以保存，同時(shí)也可通過計(jì)算機(jī)的窗口同步顯示溫度變化的曲線。

圖1 系統(tǒng)的原理框圖

1.2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)共需計(jì)算機(jī)一臺(tái)，RS232轉(zhuǎn)換器一個(gè)，廈門宇電AI_518溫控儀表一臺(tái)，并配置光電隔離的RS485通訊模塊，屏蔽超五類四對(duì)雙絞網(wǎng)絡(luò)線，溫度傳感器一個(gè)，系統(tǒng)的原理框圖如圖1所示。

溫度傳感器可根據(jù)實(shí)際的測(cè)量范圍和測(cè)量精度選擇不同的類型熱電偶或者熱電阻，本文以K型熱電偶作為實(shí)例來進(jìn)行系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。AI儀表可測(cè)量儀表后部接線端附近溫度，對(duì)熱電偶冷端進(jìn)行自動(dòng)補(bǔ)償，所以當(dāng)選擇熱電偶作為儀表的輸入時(shí)，直接將補(bǔ)償導(dǎo)線

接到儀表對(duì)應(yīng)的接線端上即可。

在整個(gè)硬件組成中，核心是AI_518型儀表。熱電偶將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，直接作為AI_518溫控儀表的輸入。該儀表輸入采用數(shù)字校正系統(tǒng)，內(nèi)置常用熱電偶和熱電阻非線性校正表格，測(cè)量精度高達(dá)0.2級(jí)；采用先進(jìn)的AI人工智能調(diào)節(jié)算法，無超調(diào)，具備自整定（AT）功能；采用先進(jìn)的模塊化結(jié)構(gòu)，提供豐富的輸出規(guī)格，能廣泛滿足各種應(yīng)用場(chǎng)合的需要；人性化設(shè)計(jì)的操作方法，易學(xué)易用；全球通用的100～240VAC輸入范圍開關(guān)電源或24VDC電源供電；抗干擾性能符合在嚴(yán)酷工業(yè)條件下電磁兼容（EMC）的要求。

在燒結(jié)現(xiàn)場(chǎng)，儀表上窗口顯示實(shí)測(cè)溫度值，下窗口顯示給定值。儀表內(nèi)部安裝有RS485通訊接口模塊S或S4，為了數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性可靠性及使系統(tǒng)傳輸速度得以提高，可選擇采用屏蔽超五類四對(duì)雙絞網(wǎng)絡(luò)線作為信號(hào)傳輸線，利用RS232/RS485轉(zhuǎn)換器作為AI儀表與計(jì)算機(jī)連接現(xiàn)場(chǎng)通訊總線，實(shí)現(xiàn)儀表與計(jì)算機(jī)的串行通信。

圖1中，計(jì)算機(jī)的主要功能是數(shù)據(jù)采集處理和系統(tǒng)控制，是人機(jī)交互的平臺(tái)。為了保證記錄的實(shí)時(shí)性和操作系統(tǒng)反應(yīng)速度，建議使采用全新品牌機(jī)或工控機(jī)，如17寸純平彩顯，P4級(jí) CPU、80G以上硬盤 DDR256M內(nèi)存，光驅(qū)、軟驅(qū)、網(wǎng)卡、聲卡，不間斷電源。

1.3 軟件配置與參數(shù)顯示

軟件部分采用的是由宇電工控組態(tài)軟件AIFCS V9.0.0經(jīng)過二次開發(fā)而成的軟件產(chǎn)品，無需系統(tǒng)組態(tài)可直接安裝使用。該軟件與AI儀表配套共同構(gòu)成了計(jì)算機(jī)溫度檢測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)。

所謂的組態(tài)軟件，是指一些數(shù)據(jù)采集與過程控制的專用軟件，它們是在自動(dòng)控制系統(tǒng)監(jiān)控層一級(jí)的軟件平臺(tái)和開發(fā)環(huán)境，能以靈活多樣的組態(tài)方式（而不是編程方式）提供良好的用戶開發(fā)界面和簡捷的使用方法，其預(yù)設(shè)置的各種軟件模塊可以非常容易地實(shí)現(xiàn)和完成監(jiān)控層的各項(xiàng)功能，并能同時(shí)支持各種硬件廠家的計(jì)算機(jī)和 I/O設(shè)備，與高可靠的工控計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)合，可向控制層和管理層提供軟、硬件的全部接口，進(jìn)行系統(tǒng)集成[5]。近年來，工控組態(tài)軟件在中小型工業(yè)控制過程、工業(yè)自動(dòng)化工程中越來越受到歡迎。 本系統(tǒng)借助于宇電工控組態(tài)軟件AIDCS實(shí)現(xiàn)了溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

連接好系統(tǒng)硬件，裝好軟件，配置儀表的通信地址（為了便于通訊接口的擴(kuò)展，即在一個(gè)通訊接口上連接多臺(tái)AI儀表，需要給每臺(tái)AI儀表編一個(gè)互不相同的代號(hào)，AI有效的地址為0-100，儀表的地址代號(hào)由參數(shù)Addr決定），則構(gòu)建好了計(jì)算機(jī)和儀表通信的鏈路，在計(jì)算機(jī)上通過鍵盤控制即可進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，并實(shí)時(shí)顯示記錄溫度曲線。

在軟件參數(shù)設(shè)置界面中可對(duì)參數(shù)進(jìn)行編輯。參數(shù)設(shè)置部分有上載和下載功能，分別可將通過界面窗口鍵盤輸入的參數(shù)上載到儀表中，或者直接將預(yù)先人工設(shè)置好的儀表的參數(shù)下載到參數(shù)設(shè)置的窗口中，這些參數(shù)主要包括儀表的輸入類型（諸如熱電偶或者熱電阻等及其類型），顯示數(shù)字的小數(shù)位，量程的上下限，報(bào)警輸出設(shè)置，控制、輸出方式等的設(shè)置；另外還可以設(shè)置數(shù)據(jù)采集的方式，即根據(jù)需要來設(shè)置數(shù)據(jù)采樣的間隔，選擇采樣間隔為 5s、10s、15s、20s、30s 等。這些功能均實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)對(duì)儀表的在線操控，方便快捷，準(zhǔn)確及時(shí)。

在實(shí)時(shí)監(jiān)控及曲線記錄界面中，左邊部分顯示當(dāng)前儀表的型號(hào)，當(dāng)前儀表地址設(shè)定，上下量程等參數(shù)，同時(shí)同步的以數(shù)字的形式顯示儀表上下窗口的實(shí)測(cè)溫度和設(shè)定溫度值，點(diǎn)擊修改按鈕能實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)定溫度的修改；右邊的曲線框圖橫坐標(biāo)表示時(shí)間，縱坐標(biāo)表示溫度，曲線能的反映出溫度的實(shí)時(shí)趨勢(shì)。

監(jiān)控軟件界面友好，簡單易操作，功能強(qiáng)大，可支持8路溫度檢測(cè)曲線同時(shí)顯示。該軟件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)可分為數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、權(quán)限管理三個(gè)部分。

（1）數(shù)據(jù)采集及控制：軟件系統(tǒng)從現(xiàn)場(chǎng)溫度控制器采集測(cè)量值，呈現(xiàn)儀表外型圖顯示實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，并存入系統(tǒng)內(nèi)數(shù)據(jù)庫，以便日后數(shù)據(jù)查詢等使用。

（2）數(shù)據(jù)處理：系統(tǒng)根據(jù)開發(fā)要求從歷史數(shù)據(jù)庫中提取數(shù)據(jù)并完成指定的處理功能。包括歷史數(shù)據(jù)顯示，歷史曲線繪制，報(bào)表，報(bào)警，各類數(shù)據(jù)報(bào)表可導(dǎo)出到軟件外以Microsoft Excel文檔或?yàn)g覽器的形式保存。可以有8條不同顏色的實(shí)時(shí)曲線/歷史曲線，可根據(jù)需要選擇不同時(shí)間的采樣報(bào)表，數(shù)據(jù)庫里有每5秒曲線數(shù)據(jù)表，可隨時(shí)打印實(shí)時(shí)8個(gè)數(shù)據(jù)曲線圖表、8個(gè)歷史數(shù)據(jù)曲線顯示圖表及數(shù)據(jù)報(bào)表和報(bào)警報(bào)表。

（3）權(quán)限管理：用戶自行定義系統(tǒng)的權(quán)限以及操作密碼，適于各管理層擁有不同的操作權(quán)限。系統(tǒng)組態(tài)配置：用戶具有項(xiàng)目配置權(quán)限，可以通過系統(tǒng)配置程序修改項(xiàng)目內(nèi)容。修改儀表參數(shù)：用戶在運(yùn)行系統(tǒng)中擁有修改儀表參數(shù)的權(quán)限。打印曲線報(bào)表：用戶在運(yùn)行系統(tǒng)中擁有打印保存歷史曲線、數(shù)據(jù)表的權(quán)限。退出系統(tǒng)：用戶擁有退出運(yùn)行系統(tǒng)的權(quán)限。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

目前本系統(tǒng)已成功地應(yīng)用于本實(shí)驗(yàn)室的電阻燒結(jié)裝置的溫度監(jiān)測(cè)。在電阻燒結(jié)的實(shí)驗(yàn)過程中，我們借助本系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了在線修改儀表參數(shù)、實(shí)時(shí)監(jiān)控記錄曲線、輸出歷史曲線、以及報(bào)警輸出等功能。圖4、圖5分別是燒結(jié)的過程中采集的兩組溫度測(cè)量記錄曲線。

通過對(duì)這些記錄的溫度曲線的分析，可以很直觀地得到燒結(jié)當(dāng)時(shí)的溫度狀況，極大的提高了試驗(yàn)分析的效率，節(jié)省了人力物力，便于工藝管理與技術(shù)人員進(jìn)行質(zhì)量分析與管理。

圖2 升溫曲線a

圖3 升溫曲線b

圖2所示溫度曲線a是最終燒結(jié)溫度950℃，保溫時(shí)間15分鐘，系統(tǒng)生成的溫度記錄曲線；圖3所示的溫度曲線b指示的是從室溫升到775℃，保溫5分鐘，然后再升溫到最終燒結(jié)溫度850℃，保溫5分鐘系統(tǒng)生成的溫度記錄曲線。從圖中我們不難看出，這些曲線清晰，圓滑，圖標(biāo)、時(shí)間、溫度值一并自動(dòng)顯示，直觀易懂。值得注意的是，若使用AI可編程系列儀表如AI_518P時(shí)，則可通過軟件參數(shù)設(shè)置來控制保溫時(shí)間，否則只能借助于曲線時(shí)間的記錄人為控制保溫時(shí)間。

3 結(jié)論

本文介紹了一種借助于宇電AI_518智能儀表及工控組態(tài)軟件AIFCS V9.0.0共同構(gòu)成的溫度測(cè)量與溫度曲線自動(dòng)生成系統(tǒng)，并將其運(yùn)用到電阻燒結(jié)過程中，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)操作方便，能夠?qū)崟r(shí)地實(shí)現(xiàn)溫度數(shù)據(jù)的記錄，同步自動(dòng)地生成溫度曲線，并加以保存。與具有相同功能的溫度采集系統(tǒng)相比，本系統(tǒng)具有簡單方便可靠的特點(diǎn)，沒有復(fù)雜的外圍電路，也無需復(fù)雜的軟件編程以操作，且在采集的過程中抗干擾的能力強(qiáng)，可適用于某些工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的溫度數(shù)據(jù)采集及控制。

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