儀表信號電纜最大敷設長度計算與截面選擇

范文進

(南京揚子石油化工設計工程有限責任公司，南京 210048)

在石化工程設計中，儀表信號電纜截面選擇過大，會造成極大浪費；較小則線阻大，致使信號不穩定或現場儀表故障。因此，筆者從理論和設計規范的要求出發，對儀表信號電纜的最大敷設長度進行計算，并總結電纜截面選擇的方法。

1 儀表信號電路

儀表信號按常規可分為2類5種，即模擬和數字2類或AI，AO，DI，DO，PI 5種(A——模擬量，D——數字量，P——脈沖量，I——輸入，O——輸出)，其中脈沖量是變化頻率較高的特殊數字量，所以信號看似3類，但實際上可簡化為模擬和數字2類，并且DO的輸出頻率基本能達到實際應用的要求。因此，控制系統很少有專門的PO卡件，上述5種信號的簡略電路圖如圖1所示。

圖1 五種信號的簡略電路示意

1) AI信號是現場儀表變送器輸出的4～20 mA檢測電流，若現場儀表為三線制或四線制接法時，變送器輸出的信號一般是有源的(被動式外供電儀表除外)，檢測電路如圖1a)所示；若現場儀表為二線制接法時，變送器輸出的信號是無源的，必須在系統側將電源串入回路，檢測電路如圖1b)所示。

2) AO信號是由系統向閥門定位器等執行機構輸出的4～20 mA控制電流，如圖1c)所示，除與圖1b)中組成的部件不一樣外，兩種電路的特點是信號和電源共用1個回路，常稱為回路供電。由于回路電流最大為20 mA (故障電流可超過20 mA)，當回路阻值太大，將導致電源沒有足夠的功率來維持20 mA的電流，信號便會失真。因此，回路負載必須要限制在一定范圍內，其負載能力一般可通過實驗測得： 先設置儀表(現場變送器或AO卡件)，使儀表處于最大20 mA的回路電流設定值上，然后將輸出接入可調電阻器，并串聯電流表，不斷增加電阻值，當電流隨電阻值的增大逐漸小于20 mA時，該負載電阻即為帶載能力，在24 V(DC)電源下，現場變送器負載能力一般在500～600 Ω，AO卡件的負載能力大部分在750 Ω左右，所以同樣截面的信號電纜，AO信號傳輸距離一般較AI遠(系統采樣電阻為250 Ω，閥門定位器輸入阻抗在250～300 Ω)。

3) DI/PI信號是指接入控制系統的數字量(開關量)，如圖1d)所示，電路的實質是將現場開關串入回路，而控制系統的DI/PI卡件中每個通道負載能力決定了回路的最大電流，一般DI卡件每個通道最大電流在5 mA，PI卡件每個通道最大電流在40 mA。

4) DO信號相當于控制系統給負載供電，只是控制系統卡件的DO通道負載能力一般都很小，在1 W左右，因而圖中負載常為繼電器，通過繼電器，再將其觸點串入電氣二次回路來控制電機或通過繼電器觸點將電源串入，輸出給現場電磁閥等執行器件。所以，DO信號的傳輸電纜實際是供電電纜，供電回路的電流由電磁閥的功耗決定，一般自控用低功耗電磁閥，其功耗在2 W，24 V(DC)左右。

2 電纜最大敷設長度計算

電纜的最大敷設長度與上述提及的負載能力有直接關系(負載能力越強，電纜可敷設的長度越長)。所謂負載能力是指電路能夠穩定工作的最大回路電阻，而在各個電路中，每個器件在出廠時其阻抗是定值，因而實際的回路電阻主要由電纜線阻R決定，從而決定了信號電纜的截面選擇和最大敷設長度。

2.1 理論計算

以典型的二線制AI信號為例，計算電纜的最大理論敷設長度，通常現場二線制儀表的負載局限如圖2所示。

圖2 二線制儀表的負載局限示意

圖2中US max，US min分別表示儀表正常工作的最大和最小電源電壓，Rl max為最大工作電壓下的負載能力，工作區指儀表能夠穩定運行的區域，當電源電壓為US時，其回路負載Rl應滿足以下公式：

k=Rl max/(US max-US min)

(1)

即回路流過最大電流Imax時，應滿足：

RS+R≤Rl w

(2)

式中：Rl w——外部電源電壓為US w時，負載局限圖中對應的負載值，即：

Rl w=k(US w-US min)

(3)

考慮到電源電壓的波動值ΔUS，得到：

US w=US-ΔUS

(4)

對于電纜，其線阻R與線長l、電阻率ρ及電纜截面S有如下關系：

(5)

從而，由式(2)～(5)得到下式：

(6)

根據HG/T 20509—2000《儀表供電設計規定》對直流供電電壓的要求，采用普通電源(GPS)時，電壓要求為(24±1)V，即US=24 V， ΔUS=1 V；采用不間斷電源(UPS)時，電壓要求為(24±0.3)V，即US=24 V， ΔUS=0.3 V。從而由式(6)，對幾個典型二線制儀表，計算其最大理論敷設長度，見表1所列。

表1 典型二線制儀表最大理論敷設長度lmax(ρ=0.018 8 Ω·(mm)2/m) m

2.2 根據設計規范計算

信號傳輸不僅與電纜本身的線阻有關，還與電纜線感、線容以及線路敷設路徑周圍存在的靜電或磁場有關，這些都限制了信號的傳輸距離。因此，HG/T 20509—2000《儀表供電設計規定》也明確了設計要求： 對于24 V供電，線路壓損不應超過0.24 V；對于220 V供電，線路壓損不應超過2 V。根據條文解釋中關于電纜截面選擇的計算，得到2個計算電纜最大敷設長度的公式：

(7)

(8)

式(7)用于計算24 V(DC)供電儀表(含回路供電的AI，DI，DO，PI信號)的電纜最大敷設長度；式(8)用于計算220 V(AC)供電儀表的電纜最大敷設長度，對應的函數圖如圖3～圖4所示，圖中橫坐標為回路的最大電流或最大功率，縱坐標為電纜最大敷設長度，4條曲線分別表示不同截面下的圖形。

圖3 電纜最大敷設長度(24 V(DC)供電)

圖4 電纜最大敷設長度(220 V(AC)供電)

從圖3～圖4可以看出，二線制回路供電儀表使用截面為2.5 mm2的電纜，其最大敷設長度為798 m，若儀表能耗增大，最大敷設長度將明顯變短，如三線制可燃或有毒氣體檢測器，供電回路電流在90 mA左右，截面為1.5 mm2的電纜最大敷設長度為106.4 m，對于PI信號，卡件每個通道最大電流按40 mA計，截面為1.5 mm2的電纜最大敷設長度為239.4 m，而DI卡件每個通道最大電流小于20 mA，基本在5 mA左右，所以電纜可以敷設得很長。對于DO信號，以現場電磁閥24 V(DC)供電為例，型號為EV8316G381V的電磁閥工作電流接近60 mA，截面為1.5 mm2的電纜最大敷設長度為159.6 m，型號為WBIS8316A381V電磁閥工作電流小于20 mA，1.5 mm2的電纜最大敷設長度略大于480 m。對于更大功耗的儀表，采用24 V(DC)供電將導致線路電流過大，線路壓降明顯，可導致儀表無法正常工作，因而一般采用220 V(AC)供電，例如： E+H的Proservo系列伺服液位計，其功耗在40 VA，若采用24 V(DC)供電，截面為1.5 mm2的電纜最大敷設長度不到10 m，而采用220 V(AC)供電，最大敷設長度可達434.8 m。

3 本安電纜最大敷設長度計算

石化項目的特點是易燃易爆，常用儀表防爆形式有隔爆和本安兩種，前者從設備防護方面著手，保證設備內部產生的火花不會威脅到外部環境，后者從電路上實現限能。對于一個典型的本安回路，應由三部分組成： 現場本安設備、本安電纜及安全柵。系統回路以安全柵為界分為本質安全電路和非本質安全電路： 通過本安電纜從安全柵連接到現場儀表所構成的電路為本安電路；從安全柵到DCS以及到供電電源的電路為非本安回路。本安回路一般采用參量認可，必須滿足下列5個關系式(o表示安全柵參數；i表示現場本安設備參數；k表示連接電纜參數)：

Uo≤Ui

Io≤Ii

Po≤Pi

(9)

Co≥Ci+lCk

Lo≥Li+lLk

式中：Uo——開路電壓，即在故障條件下，可能傳送到危險場所的最大電壓；Io——短路電流，即在故障條件下，可能傳送到危險場所的最大電流；Po——安全柵最大輸出功率；Co——關聯設備允許外接最大電容；Lo——關聯設備允許外接最大電感；Ui——在故障條件下，本安設備最大可接受的電壓；Ii——在故障條件下，本安設備最大可接受的電流；Pi——本安設備最大可接受功率；Ci——本安設備內部未被保護的電容；Li——本安設備內部未被保護的電感；Ck——電纜單位長度的分布電容；Lk——電纜單位長度的分布電感。

正是由于分布電感和分布電容有儲能作用，在電纜發生故障時，這些儲能就會以電火花或熱效應的形式釋放出來，不同程度上增加了點燃的危險性，影響系統的本安性能，所以本安電纜敷設的最大長度必須得到限制，即：

(10)

例如，本安檢測回路由羅斯蒙特3105型超聲波液位計、天康1.5 mm2的本安電纜以及Emerson模擬量輸入安全柵組成，相關參數分別為：Ci=0 nF，Li=0.108 mH，Ck=90 nF/km，Lk=0.6 mH/km，Co=83 nF，Lo=4.2 mH，通過計算，lC max和lL max分別為922 m和4 020 m，因此通過本安計算后電纜的最大敷設長度應為922 m。

對于上例，還應根據規范要求考慮線路壓降影響，即按式(8)計算最大電纜敷設長度(計算值為479 m)，并結合本安計算(計算值為922 m)，電纜最大敷設長度為479 m。

因此，通過以上分析，本安電纜的最大敷設長度應按下式確定：

(11)

4 儀表電纜截面選擇步驟

近期，筆者參與某化工項目設計，在界區外有1臺質量流量計和1臺調節閥，分別用于計量和調節下游廠區輸送的原料，儀表距離控制室約1 300 m。對于AO調節信號，經查圖3，截面為2.5 mm2的電纜，其最大敷設長度僅為798 m，遠不能到達1 300 m，調節效果將很難得到保證，最終取消了該調節閥；對于計量用PI及AI信號，經過驗算，認為信號傳輸距離太長，控制系統采集的PI及AI的信號不夠穩定，最后采用了RS-485通信，并加裝通信中繼器(理論上RS-485通信只能傳輸1 200 m)解決了流量信號的采集問題。

通過以上設計實例，并根據儀表電纜最大敷設長度的計算，筆者總結了儀表電纜截面選擇的基本步驟，如圖5所示。

圖5 儀表電纜截面選擇流程示意

5 結束語

隨著電子技術的快速發展，儀表可穩定運行在低電壓條件下，此外24 V(DC)供電模塊都可在24～28 V內可調，使用時可略向上調整。所以實際運用中，允許的線路壓降可以遠大于0.24 V，并不必嚴格按照設計規范來選擇電纜截面，例如： 通過計算PI信號通過截面為1.5 mm2電纜的傳送距離應控制在250 m以內，但在實際運用中，一些用戶用到600 m。

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