自控儀表信號電路的基礎(chǔ)并總結(jié)電纜截面選擇的方法

摘要：在介紹自控儀表信號電路的基礎(chǔ)上，分析了電路的負(fù)載能力，并根據(jù)幾個(gè)典型二線制儀表的負(fù)載局限，同時(shí)依據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)范的要求，計(jì)算了電纜的最長敷設(shè)長度，并繪制了不同截面電纜的最長敷設(shè)長度隨儀表功耗變化的函數(shù)圖；根據(jù)本安系統(tǒng)回路能量限制條件得到的兩個(gè)公式，也計(jì)算了本安電纜最長敷設(shè)長度。最后通過實(shí)例，列舉了儀表信號電纜截面的選擇步驟。

在石化工程設(shè)計(jì)中，儀表信號電纜截面選擇過大，會造成極大浪費(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，筆者從理論和設(shè)計(jì)規(guī)范的要求出發(fā)，對儀表信號電纜的最大敷設(shè)長度進(jìn)行計(jì)算，并總結(jié)電纜截面選擇的方法。

1 儀表信號電路

儀表信號按常規(guī)可分為2類5種，即模擬和數(shù)字2類或AI，AO，DI，DO，PI5種（A——模擬量，D——數(shù)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(shù)字量，所以信號看似3類，但實(shí)際上可簡化為模擬和數(shù)字2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)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。

1）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(shí)，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(xiàn)場儀表為二線制接法時(shí)，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，檢測電路如圖1b）所示。

2）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1c）所示，除與圖1b）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1個(gè)回路，常稱為回路供電。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)載必須要限制在一定范圍內(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），使儀表處于最大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)電流隨電阻值的增大逐漸小于20mA時(shí)，該負(fù)載電阻即為帶載能力，在24V（DC）電源下，現(xiàn)場變送器負(fù)載能力一般在500～600Ω，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）。

3）DI/PI信號是指接入控制系統(tǒng)的數(shù)字量（開關(guān)量），如圖1d）所示，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(gè)通道負(fù)載能力決定了回路的最大電流，一般DI卡件每個(gè)通道最大電流在5mA，PI卡件每個(gè)通道最大電流在40mA。

4）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，因而圖中負(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2W，24V（DC）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)，電纜可敷設(shè)的長度越長）。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(gè)電路中，每個(gè)器件在出廠時(shí)其阻抗是定值，因而實(shí)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(shè)長度。

2.1理論計(jì)算

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，通?，F(xiàn)場二線制儀表的負(fù)載局限如圖2所示。

圖2中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，工作區(qū)指儀表能夠穩(wěn)定運(yùn)行的區(qū)域，當(dāng)電源電壓為US時(shí)，其回路負(fù)載Rl應(yīng)滿足以下公式：

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

2.2 根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)范計(jì)算

信號傳輸不僅與電纜本身的線阻有關(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/T 20509—2000《儀表供電設(shè)計(jì)規(guī)定》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2個(gè)計(jì)算電纜最大敷設(shè)長度的公式：

式（7）用于計(jì)算24V（DC）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；式（8）用于計(jì)算220V（AC）供電儀表的電纜最大敷設(shè)長度，對應(yīng)的函數(shù)圖如圖3～圖4所示，圖中橫坐標(biāo)為回路的最大電流或最大功率，縱坐標(biāo)為電纜最大敷設(shè)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(shè)長度（24V（DC）供電）圖4電纜最大敷設(shè)長度（220V（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2.5mm2的電纜，其最大敷設(shè)長度為798m，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)長度為106.4m，對于PI信號，卡件每個(gè)通道最大電流按40mA計(jì)，截面為1.5mm2的電纜最大敷設(shè)長度為239.4m，而DI卡件每個(gè)通道最大電流小于20mA，基本在5mA左右，所以電纜可以敷設(shè)得很長。對于DO信號，以現(xiàn)場電磁閥24V（DC）供電為例，型號為EV8316G381V的電磁閥工作電流接近60mA，截面為1.5mm2的電纜最大敷設(shè)長度為159.6m，型號為WBIS8316A381V電磁閥工作電流小于20mA，1.5mm2的電纜最大敷設(shè)長度略大于480m。對于更大功耗的儀表，采用24V（DC）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，因而一般采用220V（AC）供電，例如：E+H的Proservo系列伺服液位計(jì)，其功耗在40VA，若采用24V（DC）供電，截面為1.5mm2的電纜最大敷設(shè)長度不到10m，而采用220V（AC）供電，最大敷設(shè)長度可達(dá)434.8m。

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，常用儀表防爆形式有隔爆和本安兩種，前者從設(shè)備防護(hù)方面著手，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(gè)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5個(gè)關(guān)系式（o表示安全柵參數(shù)；i表示現(xiàn)場本安設(shè)備參數(shù)；k表示連接電纜參數(shù)）：

式中：Uo——開路電壓，即在故障條件下，可能傳送到危險(xiǎn)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(xiǎn)場所的最大電流；Po——安全柵最大輸出功率；Co——關(guān)聯(lián)設(shè)備允許外接最大電容；Lo——關(guān)聯(lián)設(shè)備允許外接最大電感；Ui——在故障條件下，本安設(shè)備最大可接受的電壓；Ii——在故障條件下，本安設(shè)備最大可接受的電流；Pi——本安設(shè)備最大可接受功率；Ci——本安設(shè)備內(nèi)部未被保護(hù)的電容；Li——本安設(shè)備內(nèi)部未被保護(hù)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(fā)生故障時(shí)，這些儲能就會以電火花或熱效應(yīng)的形式釋放出來，不同程度上增加了點(diǎn)燃的危險(xiǎn)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)、天康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922m和4020m，因此通過本安計(jì)算后電纜的最大敷設(shè)長度應(yīng)為922m。

對于上例，還應(yīng)根據(jù)規(guī)范要求考慮線路壓降影響，即按式（8）計(jì)算最大電纜敷設(shè)長度（計(jì)算值為479m），并結(jié)合本安計(jì)算（計(jì)算值為922m），電纜最大敷設(shè)長度為479m。

因此，通過以上分析，本安電纜的最大敷設(shè)長度應(yīng)按下式確定：

4儀表電纜截面選擇步驟

近期，筆者參與某化工項(xiàng)目設(shè)計(jì)，在界區(qū)外有1臺質(zhì)量流量計(jì)和1臺調(diào)節(jié)閥，分別用于計(jì)量和調(diào)節(jié)下游廠區(qū)輸送的原料，儀表距離控制室約1300m。對于AO調(diào)節(jié)信號，經(jīng)查圖3，截面為2.5mm2的電纜，其最大敷設(shè)長度僅為798m，遠(yuǎn)不能到達(dá)1300m，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通信，并加裝通信中繼器（理論上RS485通信只能傳輸1200m）解決了流量信號的采集問題。

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，筆者總結(jié)了儀表電纜截面選擇的基本步驟，如圖5所示。

5結(jié)束語

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，此外24V（DC）供電模塊都可在24～28V內(nèi)可調(diào)，使用時(shí)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信號通過截面為1.5mm2電纜的傳送距離應(yīng)控制在250m以內(nèi)，但在實(shí)際運(yùn)用中，一些用戶用到600m。