仪表电缆该如何选用？

01

仪表电缆该如何选用？

信号电缆类型

在化工项目中，仪表信号电缆宜选用多股铜芯聚氯乙烯（聚乙烯）绝缘聚氯乙烯护套带屏蔽的软电缆。对于多信号的仪表电缆，则宜选用总屏加分屏。

注：导体的最小单线数量见GBT 3956-2008。

针对公司常用的仪表电缆类型说明如下：

屏蔽：AI/AO等模拟量信号一般采用双屏蔽，即分屏加总屏，DI/DO等开关量信号一般采用单屏蔽，对于一些可能会受到电磁场干扰的场所如配电室的电气信号，宜采用分屏加总屏。

阻燃：当有火灾危险场所现场仪表电缆应选用，考虑到化工装置火灾危险性、电缆的价格和通用性，此项为必要项。阻燃分A\B\C（高-低）

无烟低卤：由受热时排烟量低，且本身不含卤素的热塑性或是热固性组成，自控相关规范中没有要求化工装置的信号电缆选用，因此此项非必要项。

本安：当采用本安仪表时，应配套本安电缆。

铠装：自控相关规范中无明确规范必须采用铠装电缆，但特殊的规范或者企业（如石油库）有埋地、机械强度（如抗拉）需求等，选用铠装电缆更好，因此在大多数的项目中是无需采用铠装电缆。选用铠装电缆时成本、施工难度、接地等方面都应考虑。

耐火：用于紧急隔离阀门、SIS励磁动作、与可燃气体信号联动的电缆宜选用。

线芯截面积

信号的传输距离受到以下几个因素的制约：信号输出端的带载能力，以欧姆数值表示（如700Ω）；信号输入端的内阻；传输线的静态电阻值（双线）。信号输出端的负载能力必须大于信号输入端的内阻与传输线电阻之和。

线芯截面积选用原则

a.应满足检测、控制回路对信号传输、导电性能、绝缘屏蔽、本参数等功能性要求及施工中对线缆机械强度的要求，一般来说最小线芯截面积不应小于0.5mm2；

b.电缆的截面积应根据线路压降、本安参数符合性计算后确定；

c.除本质安全系统电路外，在爆炸危险区内穿保护钢管敷设的仪表信号电缆在1区时的最小线芯截面积不应小于2.5mm2；在2区时不应小于1.5mm2；若采用多芯电缆，其线芯截面积应最小为1.0mm2。

线芯截面积计算

仪表信号的电缆最大敷设长度与信号回路中负载能力有关。负载能力R总包括仪表设施电阻、电缆电阻（r）、系统元器件电阻(Rs)，由于仪表信号测量电压值一般为系统端子柜侧，系统元器件的电阻可以不计入，而仪表设施的电阻是一定的，故允许的电缆电阻决定其截面积和敷设长度。

电缆上允许电压压降Ul、仪表正常工作最低电压Umin、系统的供电电压U之间的关系如下：

电缆的电阻值r、仪表信号电流I（0~20mA， Imax取24.4mA）、电缆上允许电缆压降U之间的关系如下：

对于电缆长度l（2芯）、电阻值r、电阻率ρ、截面s的关系如下：

电阻率ρ的取值与温度有关，温度越高电阻率越低。

注1：电缆的电阻也可以参考GBT3956-2008中表3单芯和多芯电缆用第5中软铜导体中的数值。

注2：计算时取值为35℃时铜电阻率0.0188Ω·mm2/m。

a.以两线制仪表计算（EJA压力变送器为例）

从图表中可以看出Hart/Brain协议变送器的最小工作电压为16.6V（Umax），假定系统中电源压力为24VDC，则根据公式2-1即可得出电缆上允许电压压降Ul=24-16.6=7.2(V)；

根据公式2-2，可以得出rmax=Ul/I=7.2/0.0244=303(Ω)；

根据公式2-3，可以得出不同的截面积所敷设的计算最大距离。

注：大多变送器最低工作电压差不多，不同类型不同厂家的二线制仪表不再做计算。

b.以四线制仪表计算（E+H质量流量计）

其信号电缆计算与二线制的计算方式基本一致，以E+H质量流量计80E系列为例，供电电压与功率关系如表2-4。

假定系统中电源压力为24VDC，则根据公式2-1即可得出电缆上允许电压压降Ul=24-16=8(V)；

根据公式2-2，可以得出rmax=Ul/I=8/15*24=12.8(Ω)；

根据公式2-3，可以得出不同的截面积所敷设的计算最大距离。

c.以位置开关计算

假定开关无电阻，根据公式2-2，可以得出rmax=Ul/I=24/0.005=4800(Ω)

根据公式2-3，可以得出不同的截面积所敷设的计算最大距离，因为距离远远大于其他信号，考虑统一截面积的适用性就不一一列举。

d.以电磁阀计算（ASCO）

在设计时通常要求选用电磁阀（目前多为1.4W，规范要求≤4W）电磁阀一般允许压降为24VDC的10%，即2.4V；

根据功率、电压、电流的关系，I=1.4/24=0.0583(A)

注：因为计算裕量的关系，本公式中的电压按照24V来计算，而非实际工作电压。

根据公式2-2，可以得出rmax=Ul/I=2.4/0.0583=41.14(Ω)

根据公式2-3，可以得出不同的截面积所敷设的计算最大距离。

220VAC供电的仪表，其信号电缆的计算与二线制差别不大，但其电源电源也应满足GB50058中表5.4.1-2爆炸性环境内电压为1000V以下的配线的技术要求，其在2区内导线的最小截面积为2.5mm2。在此就不考虑其敷设距离（与24VDC四线制仪表计算方式一致）

注：本安仪表的电缆敷设距离因为数据的缺乏，本文不做讨论。

截面积与敷设长度的选用

结合线芯截面积选用原则c的要求，截面积与敷设长度的选用推荐值如表2-7。

另外适当提高系统电源压力，也可以增大信号电缆的敷设长度。

02

常用电缆经济性有什么区别？

常用电缆费用

从上表中可以得出，如果主电缆线径由目前的1.5降低为1.0mm2，每米主电缆可节省16元，分支电缆由铠装修改为非铠装，每米电缆的费用至少可降3.5元。

项目举例

假定某项目有1万个I.O，根据之前9个项目数据统计系统I.O类型占比，系统I.O点分布如表3-1。

考虑电气配电室的布线情况，结合实际应用以及抗干扰的角度，电气信号的主按照分屏+总屏处理；现场DI和DO信号考虑敷设按照屏蔽处理；每10根信号需要一根主电缆计算电缆根数，如表3-2所示。

假设主电缆的敷设长度为300m（从机柜见到接线箱），分支电缆的长度为25m（从接线箱到仪表），节省的费用计算如下：746*300*16+8200*25*3.5≈429（万）

注：不考虑铠装电缆的铠装格兰头与普通格兰头、接地、穿线管、桥架的费用差异。

随着新技术、新事物的应用，信号的布线方式也在发生改变，新一代的电子布线技术（光纤，代表性如艾默生CHARM、霍尼韦尔万能I.O、横河NetWork）也逐渐应用，就目前来说，传统布线方式仍为主流、首选方案。因此根据总图合理地布置机柜间位置、选用仪表信号电缆型式和截面积是十分必要的。

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拓展知识

仪表信号种类

仪表信号通常来说分为两大类，即数字量和模拟量。细分有AI(模拟量输入)、AO（模拟量输出）、DI（数字量输入）、DO（数字量输出）、PI（脉冲量输入）、RTD（热电阻信号）、mV（热电偶信号）等。

仪表主要的信号电路简图

主要的信号电路简图

图中r为信号电缆的电阻，Rs为A/D模数转换电路中的电阻，D/A为数模转换电路，Us为系统中24VDC电源。

信号与仪表

测量/控制信号多采用电流信号，因其相对来说抗干扰，传输距离长，加上仪表管理系统（如AMS）需要带协议等。

选用最大电流为20mA主要是基于安全、实用、功耗、成本等方面的考虑，另外本安仪表也要求采用低电压、低电流。

选用最小电流为4mA主要是基于变送器电路没有静态工作电流将无法工作，同时信号零点为4mA，有利于识别断电或断线等故障。

信号与回路负载

AI信号通常是现场仪表变送器输出的检测电流（4~20mA，一般带Hart），如现场仪表为三线制或者四线制，AI信号是有源的；如现场仪表为二线制，AI信号是无源的。

注：信号有源无源可以理解从系统看仪表设施的角度出发，系统通过卡件供电的就是（仪表）无源，系统无须卡件给仪表供电就是仪表（有源）。

AO信号是系统向阀门定位器等输出的控制电流（4~20mA，一般带Hart）。

通常来说二线制仪表的信号和电源是共用一个回路，即回路供电，当回路中电阻值过大，将导致系统电源无法维持20mA的电流，此时信号将失真，因此回路负载必须限制在一定的范围内。回路最大负载在产品的某些样本中可以得到，也可以通过实验测得：在仪表信号电路接入可调电阻器和电流表，将仪表处在最大20mA的回路电流设定值上，不断增加电阻值，当电流小于20mA时，该负载电阻即为最大回路负载。一般情况下，现场变送器的负载能力在500~600Ω之间，AO卡件的负载能力大部分在750Ω左右。从中可以看出，同截面的信号电缆，AO的传输距离比AI更远。

DI/PI信号是指接入控制系统的数字量，电路本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卡件通道最大电流为5mA，PI卡件每个通道最大电流在40mA。

DO信号相当于控制系统给负载供电，考虑到控制系统卡件的DO通道负载能力一般很小（1W左右），通常通过继电器，将其出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元件，故DO信号的传输电缆本质上是供电电缆，供电回路的电流由电磁阀的功耗决定。