在石化工程設(shè)計(jì)中，儀表信號電纜截面選擇過大，造成極大浪費(fèi)；較小則線阻大，致使信號不穩(wěn)定或現(xiàn)場儀表故障。因此，文章從理論和設(shè)計(jì)規(guī)范的要求上對儀表信號電纜最大敷設(shè)長度進(jìn)行計(jì)算，并總結(jié)電纜截面選擇的步驟。
1、儀表信號電路
儀表信號按常規(guī)可分為兩類五種，即模擬和數(shù)字兩類或AI、AO、DI、DO、PI五種(A表示模擬量，D表示數(shù)字量，P表示脈沖量，I表示輸入，O表示輸出)，其中，脈沖量是一種變化頻率較高的特殊數(shù)字量，所以信號看似三類，但實(shí)際上可簡化為模擬和數(shù)字兩類，并且DO的輸出頻率基本能達(dá)到實(shí)際應(yīng)用的要求，因此，控制系統(tǒng)也很少有專門的PO卡件，所以信號可分為上述五種，這五種信號的簡略電路圖可如下圖1~圖5所示。
圖1 AI有源信號的簡略電路圖
圖2 AI無源信號的簡略電路圖
圖3 AO信號的簡略電路圖
圖4 DI和PI信號的簡略電路圖
圖5 DO信號的簡略電路圖
圖中T為變送器，P為執(zhí)行器(如閥門定位器)，S為開關(guān)器件(干觸點(diǎn)或晶體管等)，Rs為A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換電路中的采樣電阻，D/A為數(shù)模轉(zhuǎn)換電路，Us為24VDC電 源，r表示信號電纜線阻。
AI信號是現(xiàn)場儀表變送器輸出的4-20mA檢測電流，若現(xiàn)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(被動式外供電型儀表除外)，檢測電路如上圖1所示，若現(xiàn)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(tǒng)側(cè)將電源串入回路，檢測電路如上圖2所示。
AO信號是由系統(tǒng)向閥門定位器等執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸出的4-20mA控制電流，如圖3，除與圖2中組成的部件不一樣外，兩種電路的特點(diǎn)是信號和電源共用一個回路，常稱為回路供電。
對于回路供電的模擬信號電路(圖2和圖3)，由于回路電流最大為20mA(故障電流可超過20mA)，當(dāng)回路阻值太大，將導(dǎo)致電源沒有足夠的功率來維持20mA的電流，信號便會失真，因此回路負(fù)載必須被限制在一定范圍內(nèi)，其負(fù)載能力一般可通過實(shí)驗(yàn)測得：先設(shè)置儀表(現(xiàn)場變送器或AO卡件)，使儀表處在最大20mA的回路電流設(shè)定值上，然后將輸出接入可調(diào)電阻器，并串聯(lián)電流表，不斷增加電阻值，當(dāng)電流開始隨電阻的增大逐漸小于20mA時，該負(fù)載電阻即為帶載能力，在24VDC電源下，現(xiàn)場變送器負(fù)載能力一般在500-600Ω之間，AO卡件的負(fù)載能力大部分在750Ω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(yuǎn)(系統(tǒng)采樣電阻為250Ω，閥門定位器輸入阻抗在250-300Ω)。
DI/PI信號是指接入控制系統(tǒng)的數(shù)字量(開關(guān)量)，如圖4，電路的實(shí)質(zhì)是將現(xiàn)場開關(guān)串入回路，而控制系統(tǒng)的DI/PI卡件中每個通道負(fù)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5mA，PI卡件每個通道最大電流在40mA。
DO信號相當(dāng)于控制系統(tǒng)給負(fù)載供電，只是控制系統(tǒng)卡件的DO通道負(fù)載能力一般都很小，在1W左右，因此圖中負(fù)載常為繼電器，通過繼電器，再將其觸點(diǎn)串入電氣二次回路來控制電機(jī)，或通過繼電器觸點(diǎn)將電源串入，輸出給現(xiàn)場電磁閥等執(zhí)行器件，所以，DO信號的傳輸電纜實(shí)際上是供電電纜，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，功耗在2W(24VDC)左右。
2、電纜最大敷設(shè)長度計(jì)算
電纜的最大敷設(shè)長度與上述提及的負(fù)載能力有直接關(guān)系(負(fù)載能力越強(qiáng)電纜敷設(shè)長度越長)，所謂負(fù)載能力是指電路能夠穩(wěn)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一定的，因此實(shí)際的回路電阻主要由電纜線阻r決定，從而也決定了信號電纜的截面選擇和最大敷設(shè)長度。
①理論計(jì)算
以下將以典型的二線制AI信號為例，計(jì)算電纜的最大理論敷設(shè)長度，一般現(xiàn)場二線制儀表的負(fù)載局限圖可如下圖6所示：
圖6 負(fù)載局限圖
圖中橫坐標(biāo)表示儀表工作的電源電壓，縱坐標(biāo)表示儀表的負(fù)載能力，Usmax、 Usmin分別表示儀表正常工作的最大和最小電源電壓，Rlmax為最大工作電壓下的負(fù)載能力，圖中工作區(qū)指儀表能夠穩(wěn)定運(yùn)行的區(qū)域，因此當(dāng)電源電壓為Us時，其回路負(fù)載Rl應(yīng)滿足以下公式：
.........公式1即回路流過最大電流Imax時，應(yīng)滿足：
Rr+r≤Rlw .........公式2
式中Rlw為外部電源電壓為Usw時，負(fù)載局限圖中對應(yīng)的負(fù)載值，即：
Rlw=k(Usw-Usmin).........公式3
考慮到電源電壓的波動值△Us，得到：
Usw=Us-△Us .............公式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(guān)系：
.............公式5從而，由式公式2~公式5得到下式：
.............公式6根據(jù)HG/T20509-2000《儀表供電設(shè)計(jì)規(guī)范》對直流供電電壓的要求，采用普通電源(GPS)時，電壓要求為24±1V，即Us=24V，△Us=1V；采用不間斷電源(UPS)時，電壓要求為24±0.3V，即Us=24V，△Us=0.3V。從而由式
，對幾個典型二線制儀表，計(jì)算其儀表信號電纜最大理論敷設(shè)長度，得到表1：②根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)范計(jì)算
信號傳輸不僅與本身電纜的線阻有關(guān)，還與電纜線感、線容，以及線路敷設(shè)路徑周圍存在的靜電或磁場有關(guān)，這些都限制了信號的傳輸距離，因此，HG/T20509-2000《儀表供電設(shè)計(jì)規(guī)范》也明確了設(shè)計(jì)要求：對于24V供電，線路壓損不應(yīng)超過0.24V；對于220V供電，線路壓損不應(yīng)超過2V，根據(jù)條文解釋中關(guān)于電纜截面選擇的計(jì)算，得到兩個計(jì)算電纜最大敷設(shè)長度的公式：
..........公式7公式7中第一個公式用于計(jì)算24VDC供電儀表(含回路供電的AI、DI、DO、PI信 號)的電纜最大敷設(shè)長度，第二個公式用于計(jì)算220VAC供電儀表的電纜最大敷設(shè)長度，對應(yīng)的函數(shù)圖如7和圖8所示，圖中橫坐標(biāo)為回路的最大電流或最大功耗，縱坐標(biāo)為電纜最大敷設(shè)長度，四條曲線分別表示不同截面下的圖形。
圖7 電纜最大敷設(shè)長度(24VDC供電)
圖8 電纜最大敷設(shè)長度(220VAC供電)
從上圖可以看出，二線制回路供電儀表使用截面為2.5mm2的電纜，其最大敷設(shè)長度為798米，若儀表能耗增大，最大敷設(shè)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90mA左右，截面為1.5mm2的電纜最大敷設(shè)到106.4米，對于PI信號，卡件每個通道最大電流按40mA，截面為1.5mm2的電纜最大敷設(shè)到239.4米，而DI卡件每個通道最大電流小于20mA，基本在5mA左右，所以電纜可以敷設(shè)的很長，對于DO信號，以為現(xiàn)場電磁閥供電為例，ASCO型號為EV8316G381V的電磁閥功耗為1.4W左右，對應(yīng)電流接近60mA，截面為1.5mm2的電纜最大敷設(shè)到159.6米，IS8316A381V型號電磁閥功耗只有0.44W，即電流小于20mA，1.5mm2的電纜最大敷設(shè)長度略大于480米。對于更大功耗的儀表，采用24VDC供電將導(dǎo)致線路電流過大，線路壓降明顯，可導(dǎo)致儀表無法正常工作，因此，一般采用220VAC交流供電，例如：E+H的Proservo系列伺服液位計(jì)，其功耗在40VA，若采用24VDC供電，截面為1.5mm2的電纜最大敷設(shè)長度不到10米，而采 用220VAC交流供電，最長可敷設(shè)至434.8米。
3、本安電纜最大敷設(shè)長度計(jì)算
石化項(xiàng)目的特點(diǎn)是易燃易爆，對儀表防爆要求很高，常用防爆形式有隔爆和本安兩種，前者從設(shè)備防護(hù)上著手，保證設(shè)備內(nèi)部產(chǎn)生的火花不會威脅到外部環(huán)境，后者從電路上實(shí)現(xiàn)限能。對于一個典型的本安回路，應(yīng)由三部分組成：現(xiàn)場本安設(shè)備、本安電纜及安全柵，系統(tǒng)回路以安全柵為界分為本質(zhì)安全電路和非本質(zhì)安全電路：通過本安電纜從安全柵連接到現(xiàn)場儀表所構(gòu)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(rèn)可，必須滿足下列五個關(guān)系式：
式中o表示安全柵參數(shù)：Uo為開路電壓，即在故障條件下，可能傳送到危險場所的最大電壓；Io為短路電流，即在故障條件下，可能傳送到危險場所的最大電流；Po為安全柵最大輸出功率；Co為關(guān)聯(lián)設(shè)備允許外接最大電容；Lo為關(guān)聯(lián)設(shè)備允許外接最大電感。
式中i表示現(xiàn)場本安設(shè)備參數(shù)：Ui指在故障條件下，本安設(shè)備最大可接受的電壓；Ii指在故障條件下，本安設(shè)備最大可接受的電流；Pi為本安設(shè)備最大可接受功率；Ci指本安設(shè)備內(nèi)部未被保護(hù)的電容；Li指本安設(shè)備內(nèi)部未被保護(hù)的電感。
式中k表示連接電纜參數(shù)：Ck為電纜單位長度的分布電容；Lk為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(fā)生故障時，這些儲能就會以電火花或熱效應(yīng)的形式釋放出來，不同程度上有增加點(diǎn)燃的危險性，影響系統(tǒng)的本安性能，所以本安電纜敷設(shè)的最大長度必須得到限制，即：
例如，本安檢測回路由羅斯蒙特3105型超聲波液位計(jì)、1.5mm2的本安電纜以及Emerson模擬量輸入安全柵組成，相關(guān)參數(shù)分別為：Ci=0nF、Li=0.108mH；Ck=90nF/km、Lk=0.6mH/km；Co=83nF、Lo=4.2mH，通過計(jì)算，lcmax和llmax分別為922米和4020米，因此通過本安計(jì)算后電纜的最大敷設(shè)長度應(yīng)為922米。
當(dāng)根據(jù)規(guī)范考慮線路壓降影響時，本安電纜的最大敷設(shè)長度可按下式選取：
因此，對于上例，考慮線路壓降，查圖8知，電纜最大敷設(shè)長度只能為479米。
4、儀表電纜截面選擇步驟
在某化工項(xiàng)目設(shè)計(jì)，在界區(qū)外有一臺質(zhì)量流量計(jì)和一臺調(diào)節(jié)閥，分別用于對下游廠區(qū)輸送的原料進(jìn)行計(jì)量和調(diào)節(jié)，儀表距離控制室大約在1300米。對于AO調(diào)節(jié)信號，經(jīng)查圖8，截面為2.5mm2的電纜，其最大敷設(shè)長度僅為798米，遠(yuǎn)不能到達(dá)1300米，調(diào)節(jié)效果將很難得到保證，最終取消了該調(diào)節(jié)閥；對于計(jì)量用PI及AI信號，經(jīng)過驗(yàn)算，認(rèn)為信號傳輸距離太長，控制系統(tǒng)采集的PI及AI的信號不夠穩(wěn)定，最后采用了RS485通訊，并加裝通訊中繼器(理論上RS485最大通訊距離1200米)解決了流量信號的采集。
通過以上設(shè)計(jì)實(shí)例，并根據(jù)儀表電纜最大敷設(shè)長度的計(jì)算，文章總結(jié)了儀表電纜截面選擇的基本步驟，如以下流程圖如圖10所示：
圖10 儀表電纜截面選擇流程圖
隨著電子技術(shù)的快速發(fā)展，儀表可穩(wěn)定運(yùn)行在低電壓條件下，如羅斯蒙特2051系列壓力變送器在最低9V的電壓下就能工作，此外，24VDC供電模塊都可在24-28V內(nèi)可調(diào)，使用時可略向上調(diào)整，所以實(shí)際運(yùn)用中，允許的線路壓降可以遠(yuǎn)大于0.24V，并不必嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)規(guī)范來選擇電纜截面，例如：通過計(jì)算PI信號通過1.5mm2電纜傳送距離應(yīng)控制在250米以內(nèi)，但在實(shí)際運(yùn)用中，一些用戶用到600米。
作者：范文進(jìn)
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