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，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)用的范圍也會受到現(xiàn)場條件、響應(yīng)速度等因素的限制；同時，因手工記錄數(shù)據(jù)信息反饋不及時、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；電子記錄儀表造價昂貴，增加設(shè)備成本。

本文通過挖掘利用計算機(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)時采集、溫升曲線的實(shí)時顯示、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

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采集熱電偶測得的溫度信號，通過一個RS232數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器從串行口進(jìn)入計算機(jī)終端。在計算機(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)議在計算機(jī)上對現(xiàn)場溫控儀表實(shí)現(xiàn)100%的功能操作：實(shí)時讀取測量值，隨時修改控制參數(shù)。用系統(tǒng)軟件采集出溫度數(shù)據(jù)，以數(shù)據(jù)庫的形式對數(shù)據(jù)表和溫度曲線加以保存，同時也可通過計算機(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

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

溫度傳感器可根據(jù)實(shí)際的測量范圍和測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。AI儀表可測量儀表后部接線端附近溫度，對熱電偶冷端進(jìn)行自動補(bǔ)償，所以當(dāng)選擇熱電偶作為儀表的輸入時，直接將補(bǔ)償導(dǎo)線

接到儀表對應(yīng)的接線端上即可。

在整個硬件組成中，核心是AI_518型儀表。熱電偶將溫度信號轉(zhuǎn)換成電壓信號，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，測量精度高達(dá)0.2級；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)用場合的需要；人性化設(shè)計的操作方法，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，儀表上窗口顯示實(shí)測溫度值，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雙絞網(wǎng)絡(luò)線作為信號傳輸線，利用RS232/RS485轉(zhuǎn)換器作為AI儀表與計算機(jī)連接現(xiàn)場通訊總線，實(shí)現(xiàn)儀表與計算機(jī)的串行通信。

圖1中，計算機(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。為了保證記錄的實(shí)時性和操作系統(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 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)成了計算機(jī)溫度檢測監(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，它們是在自動控制系統(tǒng)監(jiān)控層一級的軟件平臺和開發(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，并能同時支持各種硬件廠家的計算機(jī)和 I/O設(shè)備，與高可靠的工控計算機(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，即在一個通訊接口上連接多臺AI儀表，需要給每臺AI儀表編一個互不相同的代號，AI有效的地址為0-100，儀表的地址代號由參數(shù)Addr決定），則構(gòu)建好了計算機(jī)和儀表通信的鏈路，在計算機(jī)上通過鍵盤控制即可進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，并實(shí)時顯示記錄溫度曲線。

在軟件參數(shù)設(shè)置界面中可對參數(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)了計算機(jī)對儀表的在線操控，方便快捷，準(zhǔn)確及時。

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

監(jiān)控軟件界面友好，簡單易操作，功能強(qiáng)大，可支持8路溫度檢測曲線同時顯示。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)限管理三個部分。

（1）數(shù)據(jù)采集及控制：軟件系統(tǒng)從現(xiàn)場溫度控制器采集測量值，呈現(xiàn)儀表外型圖顯示實(shí)時數(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，報表，報警，各類數(shù)據(jù)報表可導(dǎo)出到軟件外以Microsoft Excel文檔或?yàn)g覽器的形式保存?？梢杂?條不同顏色的實(shí)時曲線/歷史曲線，可根據(jù)需要選擇不同時間的采樣報表，數(shù)據(jù)庫里有每5秒曲線數(shù)據(jù)表，可隨時打印實(shí)時8個數(shù)據(jù)曲線圖表、8個歷史數(shù)據(jù)曲線顯示圖表及數(shù)據(jù)報表和報警報表。

（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。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)時監(jiān)控記錄曲線、輸出歷史曲線、以及報警輸出等功能。圖4、圖5分別是燒結(jié)的過程中采集的兩組溫度測量記錄曲線。

通過對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)、時間、溫度值一并自動顯示，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，則可通過軟件參數(shù)設(shè)置來控制保溫時間，否則只能借助于曲線時間的記錄人為控制保溫時間。

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)成的溫度測量與溫度曲線自動生成系統(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地實(shí)現(xiàn)溫度數(shù)據(jù)的記錄，同步自動地生成溫度曲線，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)場的溫度數(shù)據(jù)采集及控制。

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[2]Maki, Seijiro; Harada, Yasunori; Mori,Ken-Ichiro,Resistance sintering of coppergraphite powder mixture under pressure,Materials Science Forum[J],v 449-452,2004，n 1，p 281-284.

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[5]歐金成，歐世樂，林德杰，彭備戰(zhàn).組態(tài)軟件的現(xiàn)狀與發(fā)展[J].自動化博覽，2002（02）.