仪表信号电缆最大敷设长度计算与截面选择
一、概述
在石化工程设计中，仪表信号电缆截面选择过大，造成极大浪费；较小则线阻大，致使信号不稳定或现场仪表故障。因此，笔者从理论和设计规范的要求上对仪表信号电缆的最大敷设长度进行计算，并总结电缆截面选择的步骤。
二、仪表信号电路
仪表信号按常规可分为两类五种，即模拟和数字两类或ai、ao、di、do、pi五种（a表示模拟量，d表示数字量，p表示脉冲量，i表示输入，o表示输出），其中，脉冲量是一种变化频率较高的特殊数字量，所以信号看似三类，但实际上可简化为模拟和数字两类，并且do的输出频率基本能达到实际应用的要求，因此，控制系统也很少有专门的po卡件，所以信号可分为上述五种，这五种信号的简略电路图可如下图2.1所示。
图中t为变送器，p为执行器(如阀门定位器)，s为开关器件(干触点或晶体管等)，rs为a/d模数转换电路中的采样电阻，d/a为数模转换电路，us为24vdc电源，r表示信号电缆线阻。
ai信号是现场仪表变送器输出的4～20ma检测电流，若现场仪表为三线制或四线制接法时，变送器输出的信号一般是有源的(被动式外供电型仪表除外)，检测电路如上图2.1-(a)所示，若现场仪表为二线制接法时，变送器输出的信号是无源的，必须在系统侧将电源串入回路，检测电路如上图2.1-(b)所示。
ao信号是由系统向阀门定位器等执行机构输出的4～20ma控制电流，如图2.1-(c)，除与图2.1-(b)中组成的部件不一样外，两种电路的特点是信号和电源共用一个回路，常称为回路供电。
对于回路供电的模拟信号电路(图2.1-(b) (c))，由于回路电流最大为20ma (故障电流可超过20ma)，当回路阻值太大，将导致电源没有足够的功率来维持20ma的电流，信号便会失真，因此回路负载必须被限制在一定范围内，其负载能力一般可通过实验测得：先设置仪表(现场变送器或ao卡件)，使仪表处在最大20ma的回路电流设定值上，然后将输出接入可调电阻器，并串联电流表，不断增加电阻值，当电流开始随电阻的增大逐渐小于20ma时，该负载电阻即为带载能力，在24vdc电源下，现场变送器负载能力一般在500～600ω之间，ao卡件的负载能力大部分在750ω左右(如浙大中控ecs-700系统的ao711-h卡件)，所以同样截面的信号电缆，ao信号传输距离一般较ai远(系统采样电阻为250ω，阀门定位器输入阻抗在250～300ω)。di/pi信号是指接入控制系统的数字量(开关量)，如图2.1-(d)，电路的实质是将现场开关串入回路，而控制系统的di/pi卡件中每个通道负载能力决定了回路的最大电流，一般di卡件每个通道最大电流在5ma，pi卡件每个通道最大电流在40ma(浙大中控ecs-700系统pi711-s卡件每个通道最大功率为0.96w)。do信号相当于控制系统给负载供电，只是控制系统卡件的do通道负载能力一般都很小，在1w左右，因此图中负载常为继电器，通过继电器，再将其触点串入电气二次回路来控制电机，或通过继电器触点将电源串入，输出给现场电磁阀等执行器件，所以，do信号的传输电缆实际上是供电电缆，供电回路的电流由电磁阀的功耗决定，一般自控用低功耗电磁阀，功耗在2w(24vdc)左右。
三、电缆最大敷设长度计算
电缆的最大敷设长度与上述提及的负载能力有直接关系(负载能力越强电缆敷设长度越长)，所谓负载能力是指电路能够稳定工作的最大回路电阻，而在各个电路中，每个器件在出厂时其阻抗是一定的，因此实际的回路电阻主要由电缆线阻r决定，从而也决定了信号电缆的截面选择和最大敷设长度。
3.1 理论计算
以下将以典型的二线制ai信号为例，计算电缆的最大理论敷设长度，一般现场二线制仪表的负载局限图可如下图3.1所示：
图中横坐标表示仪表工作的电源电压，纵坐标表示仪表的负载能力，usmax、usmin分别表示仪表正常工作的最大和最小电源电压，rlmax为最大工作电压下的负载能力，图中工作区指仪表能够稳定运行的区域，因此当电源电压为us时，其回路负载rl应满足以下公式：
根据hg/t 20509-2000《仪表供电设计规定》对直流供电电压的要求，采用普通电源(gps)时，电压要求为24±1v，即us=24v，△us=1v；采用不间断电源(ups)时，电压要求为24±0.3v，即us=24v，△us=0.3v。从而由式(3.6)，对几个典型二线制仪表，计算其最大理论敷设长度，得到表3.1：
3.2 根据设计规范计算
信号传输不仅与本身电缆的线阻有关，还与电缆线感、线容，以及线路敷设路径周围存在的静电或磁场有关，这些都限制了信号的传输距离，因此，hg/t 20509-2000《仪表供电设计规定》也明确了设计要求：对于24v供电，线路压损不应超过0.24v；对于220v供电，线路压损不应超过2v，根据条文解释中关于电缆截面选择的计算，得到两个计算电缆最大敷设长度的公式：(3.7)
式中第一个公式用于计算24vdc供电仪表(含回路供电的ai、di、do、pi信号)的电缆最大敷设长度，第二个公式用于计算220vac供电仪表的电缆最大敷设长度，对应的函数图如3.2和3.3所示，图中横坐标为回路的最大电流或最大功耗，纵坐标为电缆最大敷设长度，四条曲线分别表示不同截面下的图形。
从上图可以看出，二线制回路供电仪表使用截面为2.5mm2的电缆，其最大敷设长度为798米，若仪表能耗增大，最大敷设长度将明显变短，如三线制可燃或有毒气体检测器，供电回路电流在90ma左右，截面为1.5mm2的电缆最大敷设到106.4米，对于pi信号，卡件每个通道最大电流按40ma,截面为1.5mm2的电缆最大敷设到239.4米，而di卡件每个通道最大电流小于20ma，基本在5ma左右，所以电缆可以敷设的很长，对于do信号，以为现场电磁阀供电为例，asco型号为ev8316g381v的电磁阀功耗为1.4w左右，对应电流接近60ma，截面为1.5mm2的电缆最大敷设到159.6米，wbis8316a381v型号电磁阀功耗只有0.44w，即电流小于20ma，1.5mm2的电缆最大敷设长度略大于480米。对于更大功耗的仪表，采用24vdc供电将导致线路电流过大，线路压降明显，可导致仪表无法正常工作，因此，一般采用220vac交流供电,例如：e+h的proservo系列伺服液位计，其功耗在40va，若采用24vdc供电，截面为1.5mm2的电缆最大敷设长度不到10米，而采用220vac交流供电，最长可敷设至434.8米。
四、本安电缆最大敷设长度计算
石化项目的特点是易燃易爆，对仪表防爆要求很高，常用防爆形式有隔爆和本安两种，前者从设备防护上着手，保证设备内部产生的火花不会威胁到外部环境，后者从电路上实现限能。对于一个典型的本安回路，应由三部分组成：现场本安设备、本安电缆及安全栅，系统回路以安全栅为界分为本质安全电路和非本质安全电路：通过本安电缆从安全栅连接到现场仪表所构成的电路为本安电路；从安全栅到dcs以及到供电电源的电路为非本安回路。本安回路一般采用参量认可，必须满足下列五个关系式：
式中o表示安全栅参数：uo为开路电压，即在故障条件下，可能传送到危险 场所的最大电压；io为短路电流，即在故障条件下，可能传送到危险场所的最大电流；po为安全栅最大输出功率；co为关联设备允许外接最大电容；lo为关联设备允许外接最大电感。 式中i表示现场本安设备参数：ui指在故障条件下，本安设备最大可接受的电压；ii指在故障条件下，本安设备最大可接受的电流；pi为本安设备最大可接受功率；ci指本安设备内部未被保护的电容；li指本安设备内部未被保护的电感。 式中k表示连接电缆参数：ck为电缆单位长度的分布电容；lk为电缆单位长度的分布电感。正是由于分布电感和分布电容有储能作用，在电缆发生故障时，这些储能就会以电火花或热效应的形式释放出来，不同程度上有增加点燃的危险性，影响系统的本安性能，所以本安电缆敷设的最大长度必须得到限制，即：
例如，本安检测回路由罗斯蒙特3105型超声波液位计、天康1.5mm2的本安电缆以及emerson模拟量输入安全栅组成，相关参数分别为：ci=0nf、li=0.108mh；ck=90nf/km、lk=0.6mh/km；co=83nf、lo=4.2mh，通过计算，lcmax和llmax分别为922米和4020米，因此通过本安计算后电缆的最大敷设长度应为922米。 当根据规范考虑线路压降影响时，本安电缆的最大敷设长度可按下式选取：
因此，对于上例，考虑线路压降，查图3.2知，电缆最大敷设长度只能为 479米。
五、仪表电缆截面选择步骤
近期，笔者参与一化工项目设计，在界区外有一台质量流量计和一台调节阀，分别用于对下游厂区输送的原料进行计量和调节，仪表距离控制室大约在1300米。对于ao调节信号，经查图3.2，截面为2.5mm2的电缆，其最大敷设长度仅为798米，远不能到达1300米，调节效果将很难得到保证，最终取消了该调节阀；对于计量用pi及ai信号，经过验算，认为信号传输距离太长，控制系统采集的pi及ai的信号不够稳定，最后采用了rs485通讯，并加装通讯中继器(理论上rs485通讯只能传输1200米)解决了流量信号的采集。 通过以上设计实例，并根据仪表电缆最大敷设长度的计算，笔者总结了仪表电缆截面选择的基本步骤，如以下流程图5.1所示：
六、结束语
随着电子技术的快速发展，仪表可稳定运行在低电压条件下，如罗斯蒙特2051系列压力变送器在最低9v的电压下就能工作，此外，24vdc供电模块都可在24～28v内可调，使用时可略向上调整，所以实际运用中，允许的线路压降可以远大于0.24v，并不必严格按照设计规范来选择电缆截面，例如：通过计算pi信号通过1.5mm2电缆传送距离应控制在250米以内，但在实际运用中，一些用户用到600米。
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二、仪表信号电路
仪表信号按常规可分为两类五种，即模拟和数字两类或ai、ao、di、do、pi五种（a表示模拟量，d表示数字量，p表示脉冲量，i表示输入，o表示输出），其中，脉冲量是一种变化频率较高的特殊数字量，所以信号看似三类，但实际上可简化为模拟和数字两类，并且do的输出频率基本能达到实际应用的要求，因此，控制系统也很少有专门的po卡件，所以信号可分为上述五种，这五种信号的简略电路图可如下图2.1所示。
图中t为变送器，p为执行器(如阀门定位器)，s为开关器件(干触点或晶体管等)，rs为a/d模数转换电路中的采样电阻，d/a为数模转换电路，us为24vdc电源，r表示信号电缆线阻。
ai信号是现场仪表变送器输出的4～20ma检测电流，若现场仪表为三线制或四线制接法时，变送器输出的信号一般是有源的(被动式外供电型仪表除外)，检测电路如上图2.1-(a)所示，若现场仪表为二线制接法时，变送器输出的信号是无源的，必须在系统侧将电源串入回路，检测电路如上图2.1-(b)所示。
ao信号是由系统向阀门定位器等执行机构输出的4～20ma控制电流，如图2.1-(c)，除与图2.1-(b)中组成的部件不一样外，两种电路的特点是信号和电源共用一个回路，常称为回路供电。
对于回路供电的模拟信号电路(图2.1-(b) (c))，由于回路电流最大为20ma (故障电流可超过20ma)，当回路阻值太大，将导致电源没有足够的功率来维持20ma的电流，信号便会失真，因此回路负载必须被限制在一定范围内，其负载能力一般可通过实验测得：先设置仪表(现场变送器或ao卡件)，使仪表处在最大20ma的回路电流设定值上，然后将输出接入可调电阻器，并串联电流表，不断增加电阻值，当电流开始随电阻的增大逐渐小于20ma时，该负载电阻即为带载能力，在24vdc电源下，现场变送器负载能力一般在500～600ω之间，ao卡件的负载能力大部分在750ω左右(如浙大中控ecs-700系统的ao711-h卡件)，所以同样截面的信号电缆，ao信号传输距离一般较ai远(系统采样电阻为250ω，阀门定位器输入阻抗在250～300ω)。di/pi信号是指接入控制系统的数字量(开关量)，如图2.1-(d)，电路的实质是将现场开关串入回路，而控制系统的di/pi卡件中每个通道负载能力决定了回路的最大电流，一般di卡件每个通道最大电流在5ma，pi卡件每个通道最大电流在40ma(浙大中控ecs-700系统pi711-s卡件每个通道最大功率为0.96w)。do信号相当于控制系统给负载供电，只是控制系统卡件的do通道负载能力一般都很小，在1w左右，因此图中负载常为继电器，通过继电器，再将其触点串入电气二次回路来控制电机，或通过继电器触点将电源串入，输出给现场电磁阀等执行器件，所以，do信号的传输电缆实际上是供电电缆，供电回路的电流由电磁阀的功耗决定，一般自控用低功耗电磁阀，功耗在2w(24vdc)左右。
三、电缆最大敷设长度计算
电缆的最大敷设长度与上述提及的负载能力有直接关系(负载能力越强电缆敷设长度越长)，所谓负载能力是指电路能够稳定工作的最大回路电阻，而在各个电路中，每个器件在出厂时其阻抗是一定的，因此实际的回路电阻主要由电缆线阻r决定，从而也决定了信号电缆的截面选择和最大敷设长度。
3.1 理论计算
以下将以典型的二线制ai信号为例，计算电缆的最大理论敷设长度，一般现场二线制仪表的负载局限图可如下图3.1所示：
图中横坐标表示仪表工作的电源电压，纵坐标表示仪表的负载能力，usmax、usmin分别表示仪表正常工作的最大和最小电源电压，rlmax为最大工作电压下的负载能力，图中工作区指仪表能够稳定运行的区域，因此当电源电压为us时，其回路负载rl应满足以下公式：
根据hg/t 20509-2000《仪表供电设计规定》对直流供电电压的要求，采用普通电源(gps)时，电压要求为24±1v，即us=24v，△us=1v；采用不间断电源(ups)时，电压要求为24±0.3v，即us=24v，△us=0.3v。从而由式(3.6)，对几个典型二线制仪表，计算其最大理论敷设长度，得到表3.1：
3.2 根据设计规范计算
信号传输不仅与本身电缆的线阻有关，还与电缆线感、线容，以及线路敷设路径周围存在的静电或磁场有关，这些都限制了信号的传输距离，因此，hg/t 20509-2000《仪表供电设计规定》也明确了设计要求：对于24v供电，线路压损不应超过0.24v；对于220v供电，线路压损不应超过2v，根据条文解释中关于电缆截面选择的计算，得到两个计算电缆最大敷设长度的公式：(3.7)
式中第一个公式用于计算24vdc供电仪表(含回路供电的ai、di、do、pi信号)的电缆最大敷设长度，第二个公式用于计算220vac供电仪表的电缆最大敷设长度，对应的函数图如3.2和3.3所示，图中横坐标为回路的最大电流或最大功耗，纵坐标为电缆最大敷设长度，四条曲线分别表示不同截面下的图形。
从上图可以看出，二线制回路供电仪表使用截面为2.5mm2的电缆，其最大敷设长度为798米，若仪表能耗增大，最大敷设长度将明显变短，如三线制可燃或有毒气体检测器，供电回路电流在90ma左右，截面为1.5mm2的电缆最大敷设到106.4米，对于pi信号，卡件每个通道最大电流按40ma,截面为1.5mm2的电缆最大敷设到239.4米，而di卡件每个通道最大电流小于20ma，基本在5ma左右，所以电缆可以敷设的很长，对于do信号，以为现场电磁阀供电为例，asco型号为ev8316g381v的电磁阀功耗为1.4w左右，对应电流接近60ma，截面为1.5mm2的电缆最大敷设到159.6米，wbis8316a381v型号电磁阀功耗只有0.44w，即电流小于20ma，1.5mm2的电缆最大敷设长度略大于480米。对于更大功耗的仪表，采用24vdc供电将导致线路电流过大，线路压降明显，可导致仪表无法正常工作，因此，一般采用220vac交流供电,例如：e+h的proservo系列伺服液位计，其功耗在40va，若采用24vdc供电，截面为1.5mm2的电缆最大敷设长度不到10米，而采用220vac交流供电，最长可敷设至434.8米。
四、本安电缆最大敷设长度计算
石化项目的特点是易燃易爆，对仪表防爆要求很高，常用防爆形式有隔爆和本安两种，前者从设备防护上着手，保证设备内部产生的火花不会威胁到外部环境，后者从电路上实现限能。对于一个典型的本安回路，应由三部分组成：现场本安设备、本安电缆及安全栅，系统回路以安全栅为界分为本质安全电路和非本质安全电路：通过本安电缆从安全栅连接到现场仪表所构成的电路为本安电路；从安全栅到dcs以及到供电电源的电路为非本安回路。本安回路一般采用参量认可，必须满足下列五个关系式：
式中o表示安全栅参数：uo为开路电压，即在故障条件下，可能传送到危险 场所的最大电压；io为短路电流，即在故障条件下，可能传送到危险场所的最大电流；po为安全栅最大输出功率；co为关联设备允许外接最大电容；lo为关联设备允许外接最大电感。 式中i表示现场本安设备参数：ui指在故障条件下，本安设备最大可接受的电压；ii指在故障条件下，本安设备最大可接受的电流；pi为本安设备最大可接受功率；ci指本安设备内部未被保护的电容；li指本安设备内部未被保护的电感。 式中k表示连接电缆参数：ck为电缆单位长度的分布电容；lk为电缆单位长度的分布电感。正是由于分布电感和分布电容有储能作用，在电缆发生故障时，这些储能就会以电火花或热效应的形式释放出来，不同程度上有增加点燃的危险性，影响系统的本安性能，所以本安电缆敷设的最大长度必须得到限制，即：
例如，本安检测回路由罗斯蒙特3105型超声波液位计、天康1.5mm2的本安电缆以及emerson模拟量输入安全栅组成，相关参数分别为：ci=0nf、li=0.108mh；ck=90nf/km、lk=0.6mh/km；co=83nf、lo=4.2mh，通过计算，lcmax和llmax分别为922米和4020米，因此通过本安计算后电缆的最大敷设长度应为922米。 当根据规范考虑线路压降影响时，本安电缆的最大敷设长度可按下式选取：
因此，对于上例，考虑线路压降，查图3.2知，电缆最大敷设长度只能为 479米。
五、仪表电缆截面选择步骤
近期，笔者参与一化工项目设计，在界区外有一台质量流量计和一台调节阀，分别用于对下游厂区输送的原料进行计量和调节，仪表距离控制室大约在1300米。对于ao调节信号，经查图3.2，截面为2.5mm2的电缆，其最大敷设长度仅为798米，远不能到达1300米，调节效果将很难得到保证，最终取消了该调节阀；对于计量用pi及ai信号，经过验算，认为信号传输距离太长，控制系统采集的pi及ai的信号不够稳定，最后采用了rs485通讯，并加装通讯中继器(理论上rs485通讯只能传输1200米)解决了流量信号的采集。 通过以上设计实例，并根据仪表电缆最大敷设长度的计算，笔者总结了仪表电缆截面选择的基本步骤，如以下流程图5.1所示：
六、结束语
随着电子技术的快速发展，仪表可稳定运行在低电压条件下，如罗斯蒙特2051系列压力变送器在最低9v的电压下就能工作，此外，24vdc供电模块都可在24～28v内可调，使用时可略向上调整，所以实际运用中，允许的线路压降可以远大于0.24v，并不必严格按照设计规范来选择电缆截面，例如：通过计算pi信号通过1.5mm2电缆传送距离应控制在250米以内，但在实际运用中，一些用户用到600米。
开关频率的注意事项
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