电气仪表基础知识

的仪表基础知识

目录

目录..................................................................................1

1.SIS与ESD、DCS、PLC的区别.........................................................2

1.1.SIS与DCS之间的区别..........................................................2

1.2.SIS与ESD之间的区别..........................................................2

1.3.DCS与PLC之间的区别.........................................................3

1.3.1.从发展的方面来说：.....................................................3

1.3.2.从系统的可扩展性和兼容性的方面来说：...................................3

1.3.3.从数据库来说：.........................................................3

1.3.4.从时间调度上来说：.....................................................3

1.3.5.从网络结构发面来说：...................................................4

1.3.6.从应用对象的规模上来说：...............................................4

2.PLC与DCS的作用..................................................................4

2.1.从功能来说...................................................................4

2.2.从系统结构来说...............................................................4

2.3.PLC和DCS的发展方向.........................................................5

3.仪表的“线制”学问有多深？.......................................................5

3.1.四线制转二线制原理...........................................................5

4.4-20mA信号究竟能够传输多远？.....................................................6

5.学仪表不懂工艺PID,硬伤得治！....................................................7

6.自动化仪表“沟通”的十一种“语言”！.............................................8

7.无需洪荒之力，九个步骤轻松判断DCS故障！........................................10

7.1.DCS系统故障诊断步骤：......................................................10

8.仪表常用计算公式，你会几个？....................................................10

8.1.测量开口容器液位计算公式....................................................10

8.2.测量密封容器液位计算公式....................................................11

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1.SIS与ESD\DCS、PLC的区别

SIS与ESD、DCS、PLC四者，在化工生产过程中，常常被误解，本文从四者最基本的概念，到四

者之间具体的关系进行逐一讲解，帮助仪表人了解并掌握。

1.1.SIS与DCS之间的区别

SIS与DCS在石油、石化生产过程中分别起着不同的作用，如下图所示：生产装置从安全角度来

讲，可分为3个层次：第一层为生产过程层，第二层为过程控制层，第三层为安全仪表系统停车保护

层。

1.2.SIS与ESD之间的区别

SIS是系统化的概念，更关注整体性的概念，从命名就可以看出来，SIS关注回路，关注系统整体。

安全型的现场检测器件（变送器，仪表，传感器）->安全型A-》安全型控制器-安全型的DO-》安

全型的现场执行器件（安全关断阀，泄压阀，保护器等）。

而ESD通常是指，安全控制系统厂家生产的，安全型控制器，（CPU）,I0,等纯控制系统的概

念。

从本质上来讲,SIS的硬件系统不光包括,SIS控制器及I。（例如Triconex,HIMA,西门子400FH）。

还应包括所有跟控制器接口的其他输入部件，例如获得TUVSIL认证的传感器，变送器，检测装

置；

还应该包括所有输出部件，如获得TUVSIL认证的执行器（液压安全执行器，气动安全执行器，

电动型安全执行器），

还应该有获得认证的现场设备。要求严格的现场，阀门本体也必须是有TUV证书的。

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例如核电厂的安全阀不光是锅炉与压力容器质检合格，还应该有核检证书，还应该有TUV的安

规证书，明确标明是SIL几等级。

ESD是生产厂家的安全性控制器用在不同的场合，根据不同的用途，有着这些不同的叫法，从理

论上说，只有ESD,“未必”会是个完整的SIS控制系统。ESD仅仅是SIS中的一环，而且是在实

体硬件中，是最重要的一环。

1.3.DCS与PLC之间的区别

1.3.1.从发展的方面来说：

DCS从传统的仪表盘监控系统发展而来。因此，DCS从先天性来说较为侧重仪表的控制，比如我

们使用的YOKOGAWACS3000DCS系统甚至没有PID数量的限制（PID,比例微分积分算法，是调节阀、

变频器闭环控制的标准算法，通常PID的数量决定了可以使用的调节阀数量）。

PLC从传统的继电器回路发展而来，最初的PLC甚至没有模拟量的处理能力，因此，PLC从开始

就强调的是逻辑运算能力。

1.3.2.从系统的可扩展性和兼容性的方面来说：

市场上控制类产品繁多，无论DCS还是PLC,均有很多厂商在生产和销售。对于PLC系统来说,

一般没有或很少有扩展的需求，因为PLC系统一般针对于设备来使用。一般来讲，PLC也很少有兼容

性的要求，比如两个或以上的系统要求资源共享，对PLC来讲也是很困难的事。而且PLC一般都采用

专用的网络结构，比如西门子的MPI总线性网络，甚至增加一台操作员站都不容易或成本很高。

DCS在发展的过程中也是各厂家自成体系，但大部分的DCS系统，比如横河YOKOGAWA、霍尼

维尔、ABB等等，虽说系统内部（过程级）的通讯协议不尽相同，但操作级的网络平台不约而同的选

择了以太网络，采用标准或变形的TCP/IP协议。这样就提供了很方便的可扩展能力。在这种网络中，

控制器、计算机均作为一个节点存在，只要网络到达的地方，就可以随意增减节点数量和布置节点位

置。另外，基于windows系统的OPC、DDE等开放协议，各系统也可很方便的通讯，以实现资源共享。

1.3.3.从数据库来说：

DCS一般都提供统一的数据库。换句话说，在DCS系统中一旦一个数据存在于数据库中，就可在

任何情况下引用，比如在组态软件中，在监控软件中，在趋势图中，在报表中……而PLC系统的数据

库通常都不是统一的，组态软件和监控软件甚至归档软件都有自己的数据库。为什么常说西门子的

S7400要到了414以上才称为DCS?因为西门子的PCS7系统才使用统一的数据库，而PCS7要求控制

器起码到S7414-3以上的型号。

1.3.4.从时间调度上来说：

PLC的程序一般不能按事先设定的循环周期运行。PLC程序是从头到尾执行一次后又从头开始执

行。（现在一些新型PLC有所改进，不过对任务周期的数量还是有限制）而DCS可以设定任务周期。

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比如，快速任务等。同样是传感器的采样，压力传感器的变化时间很短，我们可以用200ms的任务

周期采样，而温度传感器的滞后时间很大，我们可以用2s的任务周期采样。这样，DCS可以合理的

调度控制器的资源。

L35从网络结构发面来说：

一般来讲，DCS惯常使用两层网络结构，一层为过程级网络，大部分DCS使用自己的总线协议,

比如横河的Modbus、西门子和ABB的Profibus、ABB的CANbus等，这些协议均建立在标准串口传

输协议RS232或RS485协议的基础上。现场10模块，特别是模拟量的采样数据（机器代码，213/扫

描周期）十分庞大，同时现场干扰因素较多，因此应该采用数据吞吐量大、抗干扰能力强的网络标准。

基于RS485串口异步通讯方式的总线结构，符合现场通讯的要求。

10的采样数据经CPU转换后变为整形数据或实形数据，在操作级网络（第二层网络）上传输。

因此操作级网络可以采用数据吞吐量适中、传输速度快、连接方便的网络标准，同时因操作级网络一

般布置在控制室内，对抗干扰的要求相对较低。因此采用标准以太网是最佳选择。TCP/IP协议是一种

标准以太网协议，一般我们采用100Mbit/s的通讯速度。

PLC系统的工作任务相对简单，因此需要传输的数据量一般不会太大，所以常见的PLC系统为一

层网络结构。过程级网络和操作级网络要么合并在一起，要不过程级网络简化成模件之间的内部连接。

PLC不会或很少使用以太网。

1.3.6.从应用对象的规模上来说：

PLC一般应用在小型自控场所，比如设备的控制或少量的模拟量的控制及联锁，而大型的应用一

般都是DCS。当然，这个概念不太准确，但很直观，习惯上我们把大于600点的系统称为DCS,小于

这个规模叫做PLC。我们的热泵及QCS、横向产品配套的控制系统一般就是称为PLC。

2.PLC与DCS的作用

说了这么多PLC与DCS的区别，但我们应该认识到，PLC与DCS发展到今天，事实上都在向彼此

靠拢，严格的说，现在的PLC与DCS已经不能一刀切开，很多时候之间的概念已经模糊了。

现在，我们来讨论一下彼此的相同（似）之处。

2.1.从功能来说

PLC已经具备了模拟量的控制功能，有的PLC系统模拟量处理能力甚至还相当强大，比如横河

FA-MA3、西门子的S7400、ABB的ControlLogix和施耐德的Quantum系统。而DCS也具备相当强劲

的逻辑处理能力，比如我们在CS3000上实现了一切我们可能使用的工艺联锁和设备的联动启停。

2.2.从系统结构来说

PLC与DCS的基本结构是一样的。PLC发展到今天，已经全面移植到计算机系统控制上了，传统

的编程器早就被淘汰。小型应用的PLC一般使用触摸屏，大规模应用的PLC全面使用计算机系统。和

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DCS一样，控制器与10站使用现场总线（一般都是基于RS485或RS232异步串口通讯协议的总线方

式），控制器与计算机之间如果没有扩展的要求，也就是说只使用一台计算机的情况下，也会使用这

个总线通讯。但如果有不止一台的计算机使用，系统结构就会和DCS一样，上位机平台使用以太网结

构。这是PLC大型化后和DCS概念模糊的原因之一。

2.3.PLC和DCS的发展方向

小型化的PLC将向更专业化的使用角度发展，比如功能更加有针对性、对应用的环境更有针对性

等等。大型的PLC与DCS的界线逐步淡化，直至完全融和。

DCS将向FCS的方向继续发展。FCS的核心除了控制系统更加分散化以外，特别重要的是仪表。

FCS在国外的应用已经发展到仪表级。控制系统需要处理的只是信号采集和提供人机界面以及逻辑控

制，整个模拟量的控制分散到现场仪表，仪表与控制系统之间无需传统电缆连接，使用现场总线连接

整个仪表系统。（目前国内有横河在中海壳牌石化项目中用到了FCS,仪表级采用的是智能化仪表例

如:EJX等，具备世界最先进的控制水准）。

3.仪表的“线制”学问有多深？

既然有二线制、三线制和四线制之分，那么这些接线之间，可以互相更换接线方式吗？下面一起

看看，如何二线改四线，四线改二线？

从上述可知各种线制变送器都能存在，那总是有存在的理由，否则就不会有那么多的线制了，由

用户来改动线制是很困难的，再者实际意义也不大。

如果要把传输信号为0-10mA.DC的四线制变送器改为二线制，首先遇到的问题，就是其起始电流

为零，在电流为零状态下，变送器的电子放大器是无法建立工作点的，因此将难于正常工作。如果用

直流电源，并保证仪表原来的恒流特性，当变送器在负载电阻为0-1.5KQ时，与其串联的反馈动圈电

阻2KQ左右，当输出为10mA时，这两部分的电压降将大于24V,也就是说用24V.DC供电，负载为0-1.5K

。时，要保证恒流特性是不可能的，也就谈不上用两线制传输了。

3.1.四线制转二线制原理

一、正向输出（1、3短接，2接6,4接5,输出5、6端）

1-•

24VDC

2+00+6

发送端接收端4-20mA

4+••-5

4-20mA

3-O

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二、反向输出（2、6短接，1接3,4接5,输出3、4端）

1-•O-3

24VDC

2+O

发送端接收端4-20mA

6+•

4-20mA

5-O•+4

4.4-20mA信号究竟能够传输多远？

我国电气自动化仪表从技术发展角度分类，主要分为DDZ-I型、DDZ-H型、DDZ-III型和DDZ-S

型等几个类型，目前基本上都是电3型和电4型仪表，分别是指DDZ-III型和DDZ-S型。4-20mA电流

信号究竟能够传输多远？

4-20mA电流信号的传输距离主要与以下几个因素有关：

1.信号的激励电压Ue；

2.仪表的最低工作电压Umin；

3.接收设备的负载（采样）电阻RL；

4.导线电阻r。

图1二线制变送器电流信号传输回路

其中，U。是变送器的供电电压，必须在满载时（电流l=20mA）保证Uo2Umin。

即：。根据这个公式，可以计算出在变送器处于最低工作电压时，最大的

导线电阻。假设：

已知：Ue=24V,I=20mA,RL=250Q,Umin=12V»求出r的最大值为175Q：

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再根据导线电阻的计算公式：I—,其中：

P-----电阻率（铜电阻率=0.017,铝电阻率=0.029）

L——线的长度（单位：米）

S一一线的截面（单位：平方毫米）

注：电阻值与长度成正比，与截面积成反比。导线越长，电阻越大，导线越粗，电阻越小。

以铜线为例，P=0,017。•mm2/m,即：横截面积lmm2,长度1m的铜线电阻为0.017。。那

么175c对应lmm2的导线长度为175/0.017=10294（米）。

因此，理论上4-20mA信号传输可达上万米（根据不同激励电压和变送器的最低工作电压等因素

而定）。

5.学仪表不懂工艺PID,硬伤得治！

对工艺车间的任一工艺流程都离不开仪表系统的检测、记录及其控制。因为工艺车间的每一道工

艺，每一个参数都是在仪表的控制下工作，只有在适当的工艺流程中安装仪表，才能窥视整个工序的

运行是否正常。因为仪表在工艺车间具有“人眼”的功能，因此可以说，工艺生产的实现，要靠先进

的设备和仪表来完成。本文重点讲解工艺人员和仪表人员共同完成的工艺管道流程图，来帮助工艺和

仪表人员互相学习，促进工作。

PID图中设备画法：

编号，比方E-1由三台换热器并联操作，其编号分别为E-1A,E-1B,E-1C（或E-1A/B/C）；如P-1

为两台泵（一台操作，一台备用），其编号为P-1A,P-1B（或P-1A/B）。

用细实线画出装置全部操作和备用的设备，在设备的邻近位置（上下左右均可）注明编号（下画

一粗实线）、名称及主体尺寸或重要特性编号及名称应与工艺流程图相一致，编号要领与"工艺流程

图"划定相同但同一作用的设备由多台构成（或备用）时，可在编号数字后加A,B,C»

设备的主体尺寸或特性的标注要领按不同外型或特性划定如下：

a）立式圆筒型：内径IDX切线至切线高T/T,mm,

b）卧式圆筒型：内径IDX切线至切线长T/T,mm,

c）长方型：长X宽X高，mm,

d）加热及冷换设备：标注编号、名称及其特性（热负荷、及传热面积）

e）机泵，设备大小可不按比例画，但应有相对大小的观点，有位差要求的设备，应表现其相对

高度位置，

比如；热旁路控制流程中的冷凝器和回流罐；设备内部构件的画法与PFD图划定要求相同，相同

作用的多台设备应全部予以表现，并按生产历程的要求表现其并联或串联的操作方法。对某些必要满

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足泵的汽蚀余量或介质自流要求的设备应标注其距离地面的高度，一般塔类和某些容器均有此要求。

对付落地的立式容器，该尺寸要求也可直接表现在有关数据表设备简图中。

PID图中管道画法：

1、装置内所有操作、开停车及事故处置等管道及其阀门均应予表现，并用箭头表现管内物料的

流向。重要操作管道用粗实线表现，备用管道、开停工及事故处置管道、其他辅助管道均用细实线表

现。

2、装置内的吹扫管线、污油排放及放空管道只需画出其重要的管道及阀门，并表现其与设备或

工艺管道连接的位置

3、装置内公用工程（水、蒸汽、燃料、密封油、冲洗油、化学药剂等）可分不同系统按上述要

求绘制公用工程的“管道及仪表流程图”。各种物料一般在使用时所在图纸用短实线示意，并标注物

料的名称，但对其所采用的仪表和阀门不得重复表现（一般只表现在公用工程PID中）。

4、管道的编号及标注要领：应凭据装置的部门号和管内物料的属性分别按流程次序编号，即每

一种介质应分别次序编号，容许中心有预留号，如：工艺管道（代号P）中不同属性物料管道之间可

以留有空号同一物料流经多台不同功效的设备时，每经一台或一组设备后新编一个管号。

仪表的画法：

应画出装置全部控制、测量、记载、指示、联锁等仪表。

所有仪表均应分类编号，成套供应设备可与仪表专业协商确定编号原则

代号和图例。

应将设备、管道、仪表等的代号和图例同一画在一张图上，作为"管道及仪表流程图"的一张图编

档案号，一般均作为PID的第一张图。

6.自动化仪表“沟通”的十一种“语言”！

每个仪表都有自己独特的通讯协议，常见的有modbus通讯协议、RS-232通讯协议、RS-485通

讯协议、HART通讯协议等等，那么这些通讯协议究竟是怎么工作的，有哪些优缺点呢？本文将重点

介绍目前常见的几种通讯协议！帮助仪表人学习。

通讯协议分类

常用的仪表通讯协议有：

modbus通讯协议

RS-232通讯协议

RS-485通讯协议

HART通讯协议。

MPI通信

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串口通信

PROFIBUS通信

工业以太网

ASI通信

PPI通信

远程无线通信

TCP

UDP

S7

profibus

pofinet

MPI

PPI

Profibus-DP

Devicenet

Ethernet

06sls安全系统下，用户、设计院、厂家应该如何看待SIL认证！

自安监局116号文件后，SIS安全系统也成了仪表厂家与仪表用户的话题，对于仪表厂家来说，

SIS系统下仪表如何选型？是问题；对于仪表用户来说，什么情况下需要上SIS是问题？是问题！

SIS安全仪表系统在功能和规范上有诸多要求在安全认证上也是如此，如TUV和SIL认证，TUV

属于德国莱茵认证，产品取得TUV标志认证，表明该产品已经通过TUV南德或TUV莱茵独立的测试

和工厂审查，证明该产品满足相关欧洲或国际标准的安全要求。

TUV标志在欧洲乃至全球受到生产厂商和各国认证机构的广泛认可；

SIL英文全称：SafetyintegrityLevel一一安全完整性等级，是新引进的标准，SIL认证，国际上公

认的一种功能安全认证，是根据国际电工委员会IEC颁布的功能安全标准IEC61508（已转化为国标

GB/T20438归口标委会SAC/TC124/SC10）中对相关产品进行考核的认证的要求。需要做SIL认证的产

品，都是使用可能对人、环境或财产造成较高危害的场合，考核的主要目的也是，不能因为产品本身

的功能问题，引起人员的伤害、环境污染和财产损失。

现在国内化工企业对于SIL或者TUV基本上是知之甚少，导致了安监局让做安全系统的时候手忙

脚乱，根本不知在哪里入手。

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7.无需洪荒之力，九个步骤轻松判断DCS故障！

DCS系统在工业生产过程的广泛应用，使可靠性、稳定性问题更加突出，也使人们对整个系统要

求越来越高。人们希望DCS系统尽量少出故障，又希望DCS系统一旦出现故障，能尽快诊断出故障

部位，并尽快修复，使系统重新工作。下面简单介绍故障大体分类及故障诊