摘要:从古代的司南到17～18世纪的简单检流计再到如今的智能化仪表,仪表的发展实现了从质到质的飞跃。经济、科学技术的不断发展必然催生和带动仪表的不断发展变化。

关键词:自动化仪表 智能化 网络化

仪器仪表发展已有悠久的历史。据《韩非子·有度》记载,中国在战国时期已有了利用天然磁铁制成的指南仪器,称为司南。古代的仪器在很长的历史时期中多属用以定向、计时或供度量衡用的简单仪器。17～18世纪,欧洲的一些物理学家开始利用电流与磁场作用力的原理制成简单的检流计;利用光学透镜制成的望远镜,奠定了电学和光学仪器的基础;其它一些用于测量和观察的各种仪器也逐渐得到了发展。19世纪到20世纪,工业革命和现代化大规模生产促进了新学科和新技术的发展,后来又出现了电子计算机和空间技术等,仪器仪表因而也得到迅速的发展。现代仪器仪表已成为测量、控制和实现自动化必不可少的技术工具。

传统的测量仪器主要由3个功能块组成:信号的采集与控制单元、信号的分析与处理单元、结果的表达与输出单元。由于这些功能块基本上是以硬件或固化的软件形式存在,因此传统仪器的设计复杂,灵活性差,给它的发展带来了很大的局限性。90年代以来,在高准确度、高性能、多功能的测量仪器中基本上都采用了微处理器技术。随着以知识经济为特征的信息时代的到来,人们认识仪器仪表的观念又进一步更新。自动化技术不断朝着系统化、柔性化、集成化和智能化方向发展。自动化技术不断提高光电子、自动化控制系统、传统制造等行业的技术水平和市场竞争力,它与光电子、计算机、信息技术的融合和创新,不断创造和形成新的行业经济增长点,同时不断提供新的行业发展的管理战略哲学。自动化技术的不断推进不可避免地推动、引领自动化仪器仪表的发展。从当前的发展形势来看,自动化仪器仪表发展趋势呈以下样态。

第一,控制目标由实现过程工艺参数的稳定运行发展为以最优质量为指标的最优控制。现代仪表的智能化是实现指标最优控制的根本途径。所谓自动化仪表的智能化是指采用大规模集成电路技术、微处理器技术、接口通信技术,利用嵌入式软件协调内部操作,使仪表具有智能化处理的功能,在完成输入信号的非线性处理,零点的漂移与修正,温度与压力的补偿,量程刻度标尺的变换,故障诊断等基础上,还可完成对工业过程的控制,使控制系统的危险进一步分散,并使其功能进一步增强。现场仪表主要有变送器,执行器,在线分析仪表及其它检测仪表等。自动化仪表的智能化首先从控制器开始,可编程单回路调节器是这类智能仪表的代表,如横河公司YS-80系列(也有YS170)的SLPC等。可编程单回路调节器是以微处理器作为运算控制器的核心,主要接收和输出标准的、连续的电模拟量信号,可由用户编制程序,组成各种数字式过程调节装置。它将回路控制、数字运算、逻辑运算及通信等多种功能集于一体,通过编制组态程序,可以实现不同的功能。

第二,控制方法由模拟的反馈控制发展为数字式的开环预测控制;由传统的手动定值调节器、PID调节器以及各种顺序控制装置,发展为以微型机构成的数字调节器和自适应调节器。随着工业信息网络技术的发展,仪器仪表必将出现以网络结构体系为主要特征的新型自动化仪表,即IP智能现场仪表,其特点是,首先internet贯穿于网络的各个层次,它使网络成为透明的,覆盖整个企业范围的应用实体,一定程度上实现了办公自动化与工业自动化的无缝结合,被称之为扁平化的工业控制网络。其良好的互连性和可扩展性将会使之成为一种真正意义上的全开放的网络体系结构。因此,基于嵌入式Internet的控制网络代表了新一代控制网络发展的必然趋势,新一代智能仪表IP智能现场仪表的应用将越来越广泛。网络技术的不断发展使得了自动化仪器仪表越来越呈现开放性发展特点。现在的测控仪器越来越多采用以Windows/CE等嵌入式操作系统为系统软件核心和高性能微处理器为硬件系统核心的嵌入式系统技术,未来的仪器仪表和计算机的联系也将会日趋紧密,仪器仪表设备上应当具备计算机的所有接口,如打印机接口、USB接口、局域网网络接口等,测量的数据也将可以通过USB接口存储在可移动存储设备中。齐备的接口可连接多种现场测控仪表或执行器设备,在过程控制系统主机的支持下,通过网络形成具有特定功能的测控系统,实现多种智能化现场测控设备的开放式互连系统。为实现开放系统互联,1980年初,国际标准化组织ISO发展了OSI参考模型,OSI参考模型共有7层,物理层、数据链路层、网络层、传送层、会话层、表示层、应用层。发展至今,已形成开放的、由众多网络互连而成的全球性的计算机互联网Internet,基于Internet的管理系统也成为一个发展的方向,在信息收集等方面也会有广泛的应用。

总之,科学技术的进步不断对仪器仪表提出更高更新的要求。仪器仪表的发展趋势是不断利用新的工作原理和采用新材料及新的元器件,例如利用超声波、微波、射线、红外线、核磁共振、超导、激光等原理和采用各种新型半导体敏感元件、集成电路、集成光路、光导纤维等元器件。其目的是实现仪器仪表的小型化,减轻重量、降低生产成本和更便于使用与维修等。另一重要的趋势是通过微型计算机的使用来提高仪器仪表的性能,提高仪器仪表本身自动化、智能化程度和数据处理能力。仪器仪表不仅供单项使用,而且可通过标准接口和数据通道与电子计算机结合起来,组成各种测试控制管理综合系统,从而能够满足更高的要求。