在石化工程設計中，儀表信號電纜截面選擇過大，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，文章從理論和設計規范的要求上對儀表信號電纜最大敷設長度進行計算，并總結電纜截面選擇的步驟。
1、儀表信號電路
儀表信號按常規可分為兩類五種，即模擬和數字兩類或AI、AO、DI、DO、PI五種(A表示模擬量，D表示數字量，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字量，所以信號看似三類，但實際上可簡化為模擬和數字兩類，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為執行器(如閥門定位器)，S為開關器件(干觸點或晶體管等)，Rs為A/D模數轉換電路中的采樣電阻，D/A為數模轉換電路，Us為24VDC電 源，r表示信號電纜線阻。
AI信號是現場儀表變送器輸出的4-20mA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(被動式外供電型儀表除外)，檢測電路如上圖1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，檢測電路如上圖2所示。
AO信號是由系統向閥門定位器等執行機構輸出的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)，當回路阻值太大，將導致電源沒有足夠的功率來維持20mA的電流，信號便會失真，因此回路負載必須被限制在一定范圍內，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)，使儀表處在最大20mA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，當電流開始隨電阻的增大逐漸小于20mA時，該負載電阻即為帶載能力，在24VDC電源下，現場變送器負載能力一般在500-600Ω之間，AO卡件的負載能力大部分在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(系統采樣電阻為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的數字量(開關量)，如圖4，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5mA，PI卡件每個通道最大電流在40mA。
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1W左右，因此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(負載能力越強電纜敷設長度越長)，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一定的，因此實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長度。
①理論計算
以下將以典型的二線制AI信號為例，計算電纜的最大理論敷設長度，一般現場二線制儀表的負載局限圖可如下圖6所示：
圖6 負載局限圖
圖中橫坐標表示儀表工作的電源電壓，縱坐標表示儀表的負載能力，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載能力，圖中工作區指儀表能夠穩定運行的區域，因此當電源電壓為Us時，其回路負載Rl應滿足以下公式：
.........公式1即回路流過最大電流Imax時，應滿足：
Rr+r≤Rlw .........公式2
式中Rlw為外部電源電壓為Usw時，負載局限圖中對應的負載值，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有如下關系：
.............公式5從而，由式公式2~公式5得到下式：
.............公式6根據HG/T20509-2000《儀表供電設計規范》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，計算其儀表信號電纜最大理論敷設長度，得到表1：②根據設計規范計算
信號傳輸不僅與本身電纜的線阻有關，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/T20509-2000《儀表供電設計規范》也明確了設計要求：對于24V供電，線路壓損不應超過0.24V；對于220V供電，線路壓損不應超過2V，根據條文解釋中關于電纜截面選擇的計算，得到兩個計算電纜最大敷設長度的公式：
..........公式7公式7中第一個公式用于計算24VDC供電儀表(含回路供電的AI、DI、DO、PI信 號)的電纜最大敷設長度，第二個公式用于計算220VAC供電儀表的電纜最大敷設長度，對應的函數圖如7和圖8所示，圖中橫坐標為回路的最大電流或最大功耗，縱坐標為電纜最大敷設長度，四條曲線分別表示不同截面下的圖形。
圖7 電纜最大敷設長度(24VDC供電)
圖8 電纜最大敷設長度(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，其最大敷設長度為798米，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90mA左右，截面為1.5mm2的電纜最大敷設到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，所以電纜可以敷設的很長，對于DO信號，以為現場電磁閥供電為例，ASCO型號為EV8316G381V的電磁閥功耗為1.4W左右，對應電流接近60mA，截面為1.5mm2的電纜最大敷設到159.6米，IS8316A381V型號電磁閥功耗只有0.44W，即電流小于20mA，1.5mm2的電纜最大敷設長度略大于480米。對于更大功耗的儀表，采用24VDC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，因此，一般采用220VAC交流供電，例如：E+H的Proservo系列伺服液位計，其功耗在40VA，若采用24VDC供電，截面為1.5mm2的電纜最大敷設長度不到10米，而采 用220VAC交流供電，最長可敷設至434.8米。
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，對儀表防爆要求很高，常用防爆形式有隔爆和本安兩種，前者從設備防護上著手，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，必須滿足下列五個關系式：
式中o表示安全柵參數：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為關聯設備允許外接最大電容；Lo為關聯設備允許外接最大電感。
式中i表示現場本安設備參數：Ui指在故障條件下，本安設備最大可接受的電壓；Ii指在故障條件下，本安設備最大可接受的電流；Pi為本安設備最大可接受功率；Ci指本安設備內部未被保護的電容；Li指本安設備內部未被保護的電感。
式中k表示連接電纜參數：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，不同程度上有增加點燃的危險性，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：
例如，本安檢測回路由羅斯蒙特3105型超聲波液位計、1.5mm2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=0nF、Li=0.108mH；Ck=90nF/km、Lk=0.6mH/km；Co=83nF、Lo=4.2mH，通過計算，lcmax和llmax分別為922米和4020米，因此通過本安計算后電纜的最大敷設長度應為922米。
當根據規范考慮線路壓降影響時，本安電纜的最大敷設長度可按下式選取：
因此，對于上例，考慮線路壓降，查圖8知，電纜最大敷設長度只能為479米。
4、儀表電纜截面選擇步驟
在某化工項目設計，在界區外有一臺質量流量計和一臺調節閥，分別用于對下游廠區輸送的原料進行計量和調節，儀表距離控制室大約在1300米。對于AO調節信號，經查圖8，截面為2.5mm2的電纜，其最大敷設長度僅為798米，遠不能到達1300米，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。
通過以上設計實例，并根據儀表電纜最大敷設長度的計算，文章總結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
隨著電子技術的快速發展，儀表可穩定運行在低電壓條件下，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0.24V，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1.5mm2電纜傳送距離應控制在250米以內，但在實際運用中，一些用戶用到600米。
作者：范文進
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