儀表信號(hào)電纜最大敷設(shè)長(zhǎng)度計(jì)算與截面選擇

范文進(jìn)

(南京揚(yáng)子石油化工設(shè)計(jì)工程有限責(zé)任公司，南京 210048)

在石化工程設(shè)計(jì)中，儀表信號(hào)電纜截面選擇過(guò)大，會(huì)造成極大浪費(fèi)；較小則線阻大，致使信號(hào)不穩(wěn)定或現(xiàn)場(chǎng)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(duì)儀表信號(hào)電纜的最大敷設(shè)長(zhǎng)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(hào)電路

儀表信號(hào)按常規(guī)可分為2類(lèi)5種，即模擬和數(shù)字2類(lèi)或AI，AO，DI，DO，PI 5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(hào)看似3類(lèi)，但實(shí)際上可簡(jiǎn)化為模擬和數(shù)字2類(lèi)，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(zhuān)門(mén)的PO卡件，上述5種信號(hào)的簡(jiǎn)略電路圖如圖1所示。

圖1 五種信號(hào)的簡(jiǎn)略電路示意

1) AI信號(hào)是現(xiàn)場(chǎng)儀表變送器輸出的4～20 mA檢測(cè)電流，若現(xiàn)場(chǎng)儀表為三線制或四線制接法時(shí)，變送器輸出的信號(hào)一般是有源的(被動(dòng)式外供電儀表除外)，檢測(cè)電路如圖1a)所示；若現(xiàn)場(chǎng)儀表為二線制接法時(shí)，變送器輸出的信號(hào)是無(wú)源的，必須在系統(tǒng)側(cè)將電源串入回路，檢測(cè)電路如圖1b)所示。

2) AO信號(hào)是由系統(tǒng)向閥門(mén)定位器等執(zhí)行機(jī)構(gòu)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(diǎn)是信號(hào)和電源共用1個(gè)回路，常稱(chēng)為回路供電。由于回路電流最大為20 mA (故障電流可超過(guò)20 mA)，當(dāng)回路阻值太大，將導(dǎo)致電源沒(méi)有足夠的功率來(lái)維持20 mA的電流，信號(hào)便會(huì)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(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)得： 先設(shè)置儀表(現(xiàn)場(chǎng)變送器或AO卡件)，使儀表處于最大20 mA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20 mA時(shí)，該負(fù)載電阻即為帶載能力，在24 V(DC)電源下，現(xiàn)場(chǎng)變送器負(fù)載能力一般在500～600 Ω，AO卡件的負(fù)載能力大部分在750 Ω左右，所以同樣截面的信號(hào)電纜，AO信號(hào)傳輸距離一般較AI遠(yuǎn)(系統(tǒng)采樣電阻為250 Ω，閥門(mén)定位器輸入阻抗在250～300 Ω)。

3) DI/PI信號(hào)是指接入控制系統(tǒng)的數(shù)字量(開(kāi)關(guān)量)，如圖1d)所示，電路的實(shí)質(zhì)是將現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)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5 mA，PI卡件每個(gè)通道最大電流在40 mA。

4) DO信號(hào)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1 W左右，因而圖中負(fù)載常為繼電器，通過(guò)繼電器，再將其觸點(diǎn)串入電氣二次回路來(lái)控制電機(jī)或通過(guò)繼電器觸點(diǎn)將電源串入，輸出給現(xiàn)場(chǎng)電磁閥等執(zhí)行器件。所以，DO信號(hào)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2 W，24 V(DC)左右。

2 電纜最大敷設(shè)長(zhǎng)度計(jì)算

電纜的最大敷設(shè)長(zhǎng)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(zhǎng)度越長(zhǎng))。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(hào)電纜的截面選擇和最大敷設(shè)長(zhǎng)度。

2.1 理論計(jì)算

以典型的二線制AI信號(hào)為例，計(jì)算電纜的最大理論敷設(shè)長(zhǎng)度，通常現(xiàn)場(chǎng)二線制儀表的負(fù)載局限如圖2所示。

圖2 二線制儀表的負(fù)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(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：

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

(1)

即回路流過(guò)最大電流Imax時(shí)，應(yīng)滿足：

RS+R≤Rl w

(2)

式中：Rl w——外部電源電壓為US w時(shí)，負(fù)載局限圖中對(duì)應(yīng)的負(fù)載值，即：

Rl w=k(US w-US min)

(3)

考慮到電源電壓的波動(dòng)值ΔUS，得到：

US w=US-ΔUS

(4)

對(duì)于電纜，其線阻R與線長(zhǎng)l、電阻率ρ及電纜截面S有如下關(guān)系：

(5)

從而，由式(2)～(5)得到下式：

(6)

根據(jù)HG/T 20509—2000《儀表供電設(shè)計(jì)規(guī)定》對(duì)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=24 V， ΔUS=1 V；采用不間斷電源(UPS)時(shí)，電壓要求為(24±0.3)V，即US=24 V， ΔUS=0.3 V。從而由式(6)，對(duì)幾個(gè)典型二線制儀表，計(jì)算其最大理論敷設(shè)長(zhǎng)度，見(jiàn)表1所列。

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

2.2 根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)范計(jì)算

信號(hào)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?chē)嬖诘撵o電或磁場(chǎng)有關(guān)，這些都限制了信號(hào)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(duì)于24 V供電，線路壓損不應(yīng)超過(guò)0.24 V；對(duì)于220 V供電，線路壓損不應(yīng)超過(guò)2 V。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(zhǎng)度的公式：

(7)

(8)

式(7)用于計(jì)算24 V(DC)供電儀表(含回路供電的AI，DI，DO，PI信號(hào))的電纜最大敷設(shè)長(zhǎng)度；式(8)用于計(jì)算220 V(AC)供電儀表的電纜最大敷設(shè)長(zhǎng)度，對(duì)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(zhǎng)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(zhǎng)度(24 V(DC)供電)

圖4 電纜最大敷設(shè)長(zhǎng)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(shè)長(zhǎng)度為798 m，若儀表能耗增大，最大敷設(shè)長(zhǎng)度將明顯變短，如三線制可燃或有毒氣體檢測(cè)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(shè)長(zhǎng)度為106.4 m，對(duì)于PI信號(hào)，卡件每個(gè)通道最大電流按40 mA計(jì)，截面為1.5 mm2的電纜最大敷設(shè)長(zhǎng)度為239.4 m，而DI卡件每個(gè)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(shè)得很長(zhǎng)。對(duì)于DO信號(hào)，以現(xiàn)場(chǎng)電磁閥24 V(DC)供電為例，型號(hào)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(shè)長(zhǎng)度為159.6 m，型號(hào)為WBIS8316A381V電磁閥工作電流小于20 mA，1.5 mm2的電纜最大敷設(shè)長(zhǎng)度略大于480 m。對(duì)于更大功耗的儀表，采用24 V(DC)供電將導(dǎo)致線路電流過(guò)大，線路壓降明顯，可導(dǎo)致儀表無(wú)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(jì)，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(shè)長(zhǎng)度不到10 m，而采用220 V(AC)供電，最大敷設(shè)長(zhǎng)度可達(dá)434.8 m。

3 本安電纜最大敷設(shè)長(zhǎng)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(huì)威脅到外部環(huán)境，后者從電路上實(shí)現(xiàn)限能。對(duì)于一個(gè)典型的本安回路，應(yīng)由三部分組成： 現(xiàn)場(chǎng)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(guò)本安電纜從安全柵連接到現(xiàn)場(chǎng)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(chǎng)本安設(shè)備參數(shù)；k表示連接電纜參數(shù))：

Uo≤Ui

Io≤Ii

Po≤Pi

(9)

Co≥Ci+lCk

Lo≥Li+lLk

式中：Uo——開(kāi)路電壓，即在故障條件下，可能傳送到危險(xiǎn)場(chǎng)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(chǎng)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(zhǎng)度的分布電容；Lk——電纜單位長(zhǎng)度的分布電感。

正是由于分布電感和分布電容有儲(chǔ)能作用，在電纜發(fā)生故障時(shí)，這些儲(chǔ)能就會(huì)以電火花或熱效應(yīng)的形式釋放出來(lái)，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(zhǎng)度必須得到限制，即：

(10)

例如，本安檢測(cè)回路由羅斯蒙特3105型超聲波液位計(jì)、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(guān)參數(shù)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(guò)計(jì)算，lC max和lL max分別為922 m和4 020 m，因此通過(guò)本安計(jì)算后電纜的最大敷設(shè)長(zhǎng)度應(yīng)為922 m。

對(duì)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(zhǎng)度(計(jì)算值為479 m)，并結(jié)合本安計(jì)算(計(jì)算值為922 m)，電纜最大敷設(shè)長(zhǎng)度為479 m。

因此，通過(guò)以上分析，本安電纜的最大敷設(shè)長(zhǎng)度應(yīng)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(xiàng)目設(shè)計(jì)，在界區(qū)外有1臺(tái)質(zhì)量流量計(jì)和1臺(tái)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1 300 m。對(duì)于AO調(diào)節(jié)信號(hào)，經(jīng)查圖3，截面為2.5 mm2的電纜，其最大敷設(shè)長(zhǎng)度僅為798 m，遠(yuǎn)不能到達(dá)1 300 m，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(duì)于計(jì)量用PI及AI信號(hào)，經(jīng)過(guò)驗(yàn)算，認(rèn)為信號(hào)傳輸距離太長(zhǎng)，控制系統(tǒng)采集的PI及AI的信號(hào)不夠穩(wěn)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(hào)的采集問(wèn)題。

通過(guò)以上設(shè)計(jì)實(shí)例，并根據(jù)儀表電纜最大敷設(shè)長(zhǎng)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。

圖5 儀表電纜截面選擇流程示意

5 結(jié)束語(yǔ)

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24 V(DC)供電模塊都可在24～28 V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0.24 V，并不必嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)規(guī)范來(lái)選擇電纜截面，例如： 通過(guò)計(jì)算PI信號(hào)通過(guò)截面為1.5 mm2電纜的傳送距離應(yīng)控制在250 m以內(nèi)，但在實(shí)際運(yùn)用中，一些用戶用到600 m。

參考文獻(xiàn)：

[1]王珍.本質(zhì)安全儀表回路設(shè)計(jì)方法探討[J].石油化工自動(dòng)化，2009，45(04)： 65-69.

[2]李正吾.新電工手冊(cè)[M].合肥： 安徽科技出版社，2000.

[3]杜繼臻，劉亞成，魏廣鴻，等.控制電纜截面選擇存在的問(wèn)題及解決方案[J].電力建設(shè)，2010(09)： 115-117.

[4]陸德民，張振基，黃步余.石油化工自動(dòng)控制設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].3版.北京： 化學(xué)工業(yè)出版社，2000.

[5]解懷仁.石油化工儀表控制系統(tǒng)選用手冊(cè)[M].北京： 化學(xué)工業(yè)出版社，2010.

[6]陳洪全，岳智.儀表工程施工手冊(cè)[M].北京： 化學(xué)工業(yè)出版社，2009.

[7]王常力.分布式控制系統(tǒng)(DCS)設(shè)計(jì)與應(yīng)用實(shí)例[M].北京： 電子工業(yè)出版社，2004.

[8]中國(guó)成達(dá)化學(xué)工程公司.HG/T 20573—1995分散型控制系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)規(guī)定[S].化工部工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)編輯中心，1995.

[9]全國(guó)化工自控設(shè)計(jì)技術(shù)中心站.HG/T 20509～20515—2000化工自控設(shè)計(jì)規(guī)定(二)[S].全國(guó)化工工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)編輯中心，2001.

[10]中國(guó)石化集團(tuán)第十建設(shè)公司.SH/T 3521—2007石油化工儀表工程施工技術(shù)規(guī)程[S].淄博： 中國(guó)石化集團(tuán)第十建設(shè)公司施工技術(shù)淄博站，2007.