快速電阻燒結溫度曲線實時采集記錄系統

余順園

（安康學院電子與信息工程系,陜西 安康 725000）

1.引言

電阻燒結作為一種材料制備的傳統燒結工藝，在先進材料的制備研發中具有很大潛力。例如，可借助于該工藝來制備金屬基復合材料[1,2]，特別是當采用硬規范時可制備出許多常規燒結方法難以制備出的先進材料，如梯度功能材料[3]等，文獻[4]中提到用機械熔合粉末電阻燒結法的方法制備Al-Sic復合材料。另一方面，若采用電阻燒結設備，并采用粉末態中間層時，可實現固態燒結擴散焊、過渡液相燒結擴散焊等工藝。此外，還具有在表面工程中獲得應用的潛力。

在上述電阻燒結制備新材料工藝中，溫度是影響粉體原子擴散、粉末中間層原子擴散、粉體或塊體塑性變形的至關重要的參數，準確地測量和有效地控制溫度是優質、高產、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人力、存在人為誤差，而且應用的范圍也會受到現場條件、響應速度等因素的限制；同時，因手工記錄數據信息反饋不及時、不系統而難以分析，從而給實驗分析和優化帶來很大的困難。紙質記錄儀表因笨重而使用不便；電子記錄儀表造價昂貴，增加設備成本。

本文通過挖掘利用計算機與數顯調節儀表的串行通訊功能，充分利用組態軟件提供的便利，實現了電阻燒結溫度實時采集、溫升曲線的實時顯示、溫升曲線的無紙化記錄。較之其它功能類似的系統，本系統具有成本低、硬件簡單、軟件易實現的特點。

1 系統設計

1.1 系統的概述

本系統以熱電偶作為溫度傳感器，燒結現場安裝廈門宇電公司的溫度數顯調節儀表AI_518采集熱電偶測得的溫度信號，通過一個RS232數據轉換器從串行口進入計算機終端。在計算機上安裝已組態好的AIFCS（Artificial Intelligence Fieldbus Control System）監控軟件，并采用簡潔可靠的自有的通訊協議在計算機上對現場溫控儀表實現100%的功能操作：實時讀取測量值，隨時修改控制參數。用系統軟件采集出溫度數據，以數據庫的形式對數據表和溫度曲線加以保存，同時也可通過計算機的窗口同步顯示溫度變化的曲線。

圖1 系統的原理框圖

1.2 硬件系統設計

本系統共需計算機一臺，RS232轉換器一個，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絡線，溫度傳感器一個，系統的原理框圖如圖1所示。

溫度傳感器可根據實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型熱電偶作為實例來進行系統的設計。AI儀表可測量儀表后部接線端附近溫度，對熱電偶冷端進行自動補償，所以當選擇熱電偶作為儀表的輸入時，直接將補償導線

接到儀表對應的接線端上即可。

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。該儀表輸入采用數字校正系統，內置常用熱電偶和熱電阻非線性校正表格，測量精度高達0.2級；采用先進的AI人工智能調節算法，無超調，具備自整定（AT）功能；采用先進的模塊化結構，提供豐富的輸出規格，能廣泛滿足各種應用場合的需要；人性化設計的操作方法，易學易用；全球通用的100～240VAC輸入范圍開關電源或24VDC電源供電；抗干擾性能符合在嚴酷工業條件下電磁兼容（EMC）的要求。

在燒結現場，儀表上窗口顯示實測溫度值，下窗口顯示給定值。儀表內部安裝有RS485通訊接口模塊S或S4，為了數據傳輸的穩定性可靠性及使系統傳輸速度得以提高，可選擇采用屏蔽超五類四對雙絞網絡線作為信號傳輸線，利用RS232/RS485轉換器作為AI儀表與計算機連接現場通訊總線，實現儀表與計算機的串行通信。

圖1中，計算機的主要功能是數據采集處理和系統控制，是人機交互的平臺。為了保證記錄的實時性和操作系統反應速度，建議使采用全新品牌機或工控機，如17寸純平彩顯，P4級 CPU、80G以上硬盤 DDR256M內存，光驅、軟驅、網卡、聲卡，不間斷電源。

1.3 軟件配置與參數顯示

軟件部分采用的是由宇電工控組態軟件AIFCS V9.0.0經過二次開發而成的軟件產品，無需系統組態可直接安裝使用。該軟件與AI儀表配套共同構成了計算機溫度檢測監控系統。

所謂的組態軟件，是指一些數據采集與過程控制的專用軟件，它們是在自動控制系統監控層一級的軟件平臺和開發環境，能以靈活多樣的組態方式（而不是編程方式）提供良好的用戶開發界面和簡捷的使用方法，其預設置的各種軟件模塊可以非常容易地實現和完成監控層的各項功能，并能同時支持各種硬件廠家的計算機和 I/O設備，與高可靠的工控計算機和網絡系統結合，可向控制層和管理層提供軟、硬件的全部接口，進行系統集成[5]。近年來，工控組態軟件在中小型工業控制過程、工業自動化工程中越來越受到歡迎。 本系統借助于宇電工控組態軟件AIDCS實現了溫度的實時監控。

連接好系統硬件，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Addr決定），則構建好了計算機和儀表通信的鏈路，在計算機上通過鍵盤控制即可進行參數設置，并實時顯示記錄溫度曲線。

在軟件參數設置界面中可對參數進行編輯。參數設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上載到儀表中，或者直接將預先人工設置好的儀表的參數下載到參數設置的窗口中，這些參數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），顯示數字的小數位，量程的上下限，報警輸出設置，控制、輸出方式等的設置；另外還可以設置數據采集的方式，即根據需要來設置數據采樣的間隔，選擇采樣間隔為 5s、10s、15s、20s、30s 等。這些功能均實現了計算機對儀表的在線操控，方便快捷，準確及時。

在實時監控及曲線記錄界面中，左邊部分顯示當前儀表的型號，當前儀表地址設定，上下量程等參數，同時同步的以數字的形式顯示儀表上下窗口的實測溫度和設定溫度值，點擊修改按鈕能實現對設定溫度的修改；右邊的曲線框圖橫坐標表示時間，縱坐標表示溫度，曲線能的反映出溫度的實時趨勢。

監控軟件界面友好，簡單易操作，功能強大，可支持8路溫度檢測曲線同時顯示。該軟件的內部結構可分為數據采集、數據處理、權限管理三個部分。

（1）數據采集及控制：軟件系統從現場溫度控制器采集測量值，呈現儀表外型圖顯示實時數據，并存入系統內數據庫，以便日后數據查詢等使用。

（2）數據處理：系統根據開發要求從歷史數據庫中提取數據并完成指定的處理功能。包括歷史數據顯示，歷史曲線繪制，報表，報警，各類數據報表可導出到軟件外以Microsoft Excel文檔或瀏覽器的形式保存。可以有8條不同顏色的實時曲線/歷史曲線，可根據需要選擇不同時間的采樣報表，數據庫里有每5秒曲線數據表，可隨時打印實時8個數據曲線圖表、8個歷史數據曲線顯示圖表及數據報表和報警報表。

（3）權限管理：用戶自行定義系統的權限以及操作密碼，適于各管理層擁有不同的操作權限。系統組態配置：用戶具有項目配置權限，可以通過系統配置程序修改項目內容。修改儀表參數：用戶在運行系統中擁有修改儀表參數的權限。打印曲線報表：用戶在運行系統中擁有打印保存歷史曲線、數據表的權限。退出系統：用戶擁有退出運行系統的權限。

2 實驗結果

目前本系統已成功地應用于本實驗室的電阻燒結裝置的溫度監測。在電阻燒結的實驗過程中，我們借助本系統，實現了在線修改儀表參數、實時監控記錄曲線、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當時的溫度狀況，極大的提高了試驗分析的效率，節省了人力物力，便于工藝管理與技術人員進行質量分析與管理。

圖2 升溫曲線a

圖3 升溫曲線b

圖2所示溫度曲線a是最終燒結溫度950℃，保溫時間15分鐘，系統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溫度850℃，保溫5分鐘系統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、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，則可通過軟件參數設置來控制保溫時間，否則只能借助于曲線時間的記錄人為控制保溫時間。

3 結論

本文介紹了一種借助于宇電AI_518智能儀表及工控組態軟件AIFCS V9.0.0共同構成的溫度測量與溫度曲線自動生成系統，并將其運用到電阻燒結過程中，實驗結果表明，該系統操作方便，能夠實時地實現溫度數據的記錄，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相比，本系統具有簡單方便可靠的特點，沒有復雜的外圍電路，也無需復雜的軟件編程以操作，且在采集的過程中抗干擾的能力強，可適用于某些工業現場的溫度數據采集及控制。

[1]Maki,S.;Harada,Y.;Mori,K.Application of resistance sintering technique to fabrication of metal matrix composite,Journal of Materials Processing Technology[J],v 119，n 1-3,Dec 20,2001,p 210-215.

[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.

[3]Zhang-Jian Zhou,Juan Du,Shu-Xiang Song,Zhi-Hong Zhong and Chang-Chun Ge,Microstructural characterization of W/Cu functionally graded materials produced by a one-step resistance sintering method,Journal of Alloys and Compounds[J],Volume 428,Issues 1-2,31 January 2007,Pages 146-150.

[4]肖亞航，趙迎祥.用機械熔合粉末（MA）電阻燒結法制備Al-Sic復合材料的顯微組織研究[J].國外金屬熱處理，1995，17（2）：16～21.

[5]歐金成，歐世樂，林德杰，彭備戰.組態軟件的現狀與發展[J].自動化博覽，2002（02）.