綜觀科學上的重大發現,往往是由于新的觀測手段的發明而開展起來的。以物理學諾貝爾獎金獲得者為例,百分之五十的工作是得益于新的儀器或測試手段的發明創造。儀器儀表也是實現信息的獲取、轉換、存貯、處理和揭示物質運動的必備工具,儀器儀表裝備水平在很大程度上反映出一個國家的生產力發展和現代化水平。
一、 儀器儀表發展概況
50年代初期,儀器儀表取得了重大突破,數字技術的出現使各種數字儀器得以問世,把模擬儀器的精度、分辨力與測量速度提高了幾個量級,為實現測試自動化打下了良好的基礎。
60年代中期,測量技術又一次取得了進展,計算機的引入,使儀器的功能發生了質的變化,從個別電量的測量轉變成測量整個系統的特征參數,從單純的接收、顯示轉變為控制、分析、處理、計算與顯示輸出,從用單個儀器進行測量轉變成用測量系統進行測量。
70年代,計算機技術在儀器儀表中的進一步滲透,使電子儀器在傳統的時域與頻域之外,又出現了數據域(Data domain)測試。
80年代,由于微處理器被用到儀器中,儀器前面板開始朝鍵盤化方向發展,過去直觀的用于調節時基或幅度的旋轉度盤,選擇電壓電流等量程或功能的滑動開關,通、斷開關鍵已經消失。測量系統的主要模式,是采用機柜形式,全部通過IEEE-488總線送到一個控制器上。測試時,可用豐富的BASIC語言程序來高速測試。不同于傳統獨立儀器模式的個人儀器(Personal instrument)已經得到了發展。
90年代,儀器儀表與測量科學進一步取得重大的突破性進展。這個進展的主要標志是儀器儀表智能化程度的提高。突出表現在以下幾個方面。
1. 微電子技術的進步將更深刻地影響儀器儀表的設計;
2. DSP芯片的大量問世,使儀器儀表數字信號處理功能大大加強;
3. 微型機的發展,使儀器儀表具有更強的數據處理能力;
4. 圖像處理功能的增加十分普遍;
5. VXI總線得到廣泛的應用。
二、 國外儀器儀表發展特點
1. 新技術的應用
目前普遍采用EDA(電子設計自動化)、CAM(計算機輔助制造)、CAT(計算機輔助測試)、DSP(數字信號處理)、ASIC(專用集成電路)及SMT(表面貼裝技術)等。
2. 產品結構變化
注重性能價格比。在重視高檔儀器開發的同時,注重高新技術和量大面廣產品的開發與生產。
注重系統集成,不僅著眼于單機,更注重系統、產品軟化,隨著各類儀器裝上了CPU,實現了數字化后,軟件上投入了巨大的人力、財力。今后的儀器歸納成一個簡單的公式:儀器=AD/DA+CPU+軟件,AD芯片將模擬信號變成數字信號,再經過軟件處理變換后用DA輸出。
3. 產品開發準則發生了變化
從技術驅動轉為市場驅動,從一味追求高精尖轉為"恰到好處"。開發一項成功產品的準則是,用戶有明確的需求;能用最短的開發時間投放市場;功能與性能要恰到好處;產品開發準則的另一變化是收縮方向,集中優勢。
4. 生產技術注重專業生產,不搞大而全
生產過程采用自動測試系統。目前多以GP-IB儀器組建自動測試系統。生產線上盡是一個個大的測試柜,快速地進行自動測試、統計、分析、打印出結果。
三、 國外儀器儀表發展趨勢
1. 自動化儀表的發展趨勢
工業自動化控制儀表主要包括變送器、調節器、調節閥等設備,,控制儀表從基地式調節器(變送、指示、調節一體化的儀表)開始,經歷了氣動、電動單元組合儀表到計算機控制系統(DDC),直至今日的分散控制系統DCS。DCS已經走過了20多年的里程,DCS以其高度的可靠性、強大而易于擴充的功能、漂亮的圖形界面、方便的組態軟件、豐富的控制算法、開放的聯網能力等優點,得到迅速的發展,成為計算機工業控制系統的主流。PLC以其結構緊湊、功能簡單、速度快、可靠性高、價格低等優點,迅速獲得廣泛應用,已成為與DCS并駕齊驅的另一種主流工業控制系統。目前以PLC為基礎的DCS發展很快,PLC與DCS相互滲透、相互融合、相互競爭,已成為當前工業控制系統的發展趨勢。
(1) 開放化
開放化及小型化(Down Sizing)、顧客服務系統等新的、關鍵技術已進入自動化行業,與以往DCS相對應的PC機控制系統也已經出現。近幾年PC機及其相關技術的迅速發展,將對今后產生重大影響。開放化潮流的背景,有下述兩方面:
a. 大量生產的PC機,已在企業和家庭中廣泛作為信息設備。
b. 控制系統的范圍逐漸擴大,用戶希望自選設備,并能簡單方便地把它們相互連接起來,進行統一管理。
(2) 提供新的服務
a. 系統集成SI(System Integrator)
開放化通過多賣方技術設備的綜合,建立系統,這就需要高效運行的控制系統集成業務,根據用戶對象,熟悉系統中各種自動化儀表,選擇最佳設備。今后的趨勢是由專門的SI部門來代替用戶組成系統。
b. 系統維修
用通用信息處理設備組成的控制系統,當故障出現時,判別哪臺設備出故障是非常困難的,儀表制造廠不僅要對自己的產品,還必須對在系統中的通用信息處理設備提供一定程度的綜合維修服務。
DCS經歷了初創(1975-1980)、成熟(1980-1985)、擴展(1985以后)幾個發展時期,在控制功能完善、信息處理能力、速度及組態軟件等方面取得了令人矚目的成就,已經成為計算機控制系統的主流。當今幾乎每個發達國家都生產自己的DCS,生產廠家一百多家,已銷售幾萬臺套。主要生產廠家集中在美國、日本、德國等多家公司,如美國的霍尼韋爾(Honeywell),TDC300、TDC3000X、S9000;Foxboro,I/AS;Westing House,WDPF;ABB,MOD300; 日本橫河(Yokoyawa),CENUM,Μxl; 日立HIACS3000、5000;德國的西門子(Siemens),TelenermM、SIPAOS200;加拿大貝萊(BAILEY),N90。
目前世界上約有200家PLC生產廠家,目前占控制市場份額30%。主要生產廠家有美國的AB公司,莫迪康公司、GE公司、德國的西門子公司、法國的Teleme Cangue公司、日本的歐姆龍公司、三菱電機公司。PLC將與IPC、DCS集成,PLC逐漸成為占自動化裝置及過程控制系統最大市場份額的產品。據美國專家預測,到2000年PLC占控制市場份額將超過50%。
現場總線技術是九十年代迅速發展起來的一種用于各種現場自動化設備與其控制系