信号电缆传输距离

RS485 接口时 传输电缆的长度如何考虑 3 m h q a J4 D L 答 在使用 RS485 接口时 对于特定的传输线经 从发生器到负载其数据信号传输所 允许的最大电缆长度是数据信号速率的函数 这个长度数据主要是受信号失真及噪声等影 响所限制 下图所示的最大电缆长度与信号速率的关系曲线是使用 24AWG 铜芯双绞电话电 缆 线径为 0 51mm 线间旁路电容为 52 5PF M 终端负载电阻为 100 欧 时所得出 曲线引自 GB11014 89 附录 A 由图中可知 当数据信号速率降低到 90Kbit S 以下时 假定最大允许的信号损失为 6dBV 时 则电缆长度被限制在 1200M 实际上 图中的曲线是 很保守的 在实用时是完全可以取得比它大的电缆长度 当使用不同线径的电缆 则取得 的最大电缆长度是不相同的 例如 当数据信号速率为 600Kbit S 时 采用 24AWG 电缆 由图可知最大电缆长度是 200m 若采用 19AWG 电缆 线径为 0 91mm 则电缆长度将可以 大于 200m 若采用 28AWG 电缆 线径为 0 32mm 则电缆 长度只能小于 200m 4 20mA 信号是 DDZ 和 S 系列仪表的标准电流信号 其传送距离在仪表最低供电电压 22 8V 时 使用 1 5 平方毫米导线或电缆时的有效传输距离不小于 2626 米 其中 DDZ 系列电容式压力 差压变送器的有效传输距离最大 可达 12000 米 但如果干扰严重 通 过如此长距离传输后 有效信号很可能被干扰信号淹没 而造成很大的测量误差 因此 在需要长距离传输 4 20mA 信号时 一般采取如下的措施防止长距离传输的干扰 使用屏蔽电缆或双层屏蔽电缆 使用屏蔽电缆时 屏蔽层的电位是关键 对于单屏蔽层 电缆一般采取单端接地的方式处理 对于双屏蔽层电缆采取内层屏蔽层配电器端单端接 10V 电位 与 24V 直流供电电源共地 或接地 外层屏蔽层双端接地处理 对于爆炸性环境的现场仪表需要 4 20mA 信号远距离传输时 尽量不采用齐纳安全栅 因为齐纳安全栅有 140 的内阻 极大的减少了可用导线电阻的范围 缩短了传输距离且 易引入干扰 选择负载电阻较大的现场仪表或增大导线截面积 如 压力 差压变送器 如果选择电 容式的 则其负载电阻为 600 去掉后级链接的具有标准电阻 250 的仪表的内阻 250 仍然具有 350 的导线电阻 再根据需要的传输距离计算导线的截面积 一般按 0 850 的系数选择用于一般型 DDZ 系列仪表电缆 按 0 618 的系数选择带 HART 智能 型 DDZ S 系列仪表电缆 而矢量型或差动变压器式压力 差压变送器的负载电阻只有 410 去掉 250 后 就只有 160 了 如果再选取带现场指示型的产品 还要去掉 10 如果和电容式使用相同截面的导线 传输距离就要小很多 防低电平导线浮空接线 在 DDZ 系列电单仪表中 24V 电源的负极 被定义为低电平 线 因此一般将其作为信号公共线 在 4 20mA 电流传送的一对导线中 信号的负极线应 在发送仪表的输出处与 24V 负极线相连 如果接线错误或漏接而造成信号负极线浮空 将 引入干扰 信号隔离器接力法 如果需要的传输距离很远 则可以使用在中间增加信号隔离器或隔 离式安全栅隔离接力的方法延长传输距离 这样做的好处是可以使用标准的 1 5 平方毫米 屏蔽电缆 而且抗干扰能力强 适当提高电源电压 很多 DDZ 系列电单仪表的现场单元支持高至 40V 的供电电压 因 此 在条件许可的情况下 提高 4 20mA 信号传输距离的一个低成本措施就是提高电源电 压 但必须注意现场单元的最高电源电压极限 一般的生产设备内的仪表的布线都不会很长 也就几百米 既是是很近的几十米 其信号 传输也要考虑现场的干扰 由于现场机泵的运转 设备震动及各种用电设备的干扰也要使 用屏蔽电缆 为了保证使用的时间和容量现在的仪表电缆大都是带屏蔽的 1 5 的标准电缆 若不同分区相连 如别的设备要进入主控室显示 如果分区中的仪表较多 可在分区内设 置分控站 把信号转换后通过网络 无线电或各种能够远距离传输的媒介进行传输 以此 来减少信号的衰减 干扰和电缆使用数量及布线的繁琐 若现场只有几个仪表或数量不多的参数信号需要远距离传输到控制站 几个可仪表在选型 中可选用带总线形式 通过总线访问 这样处理后的数值信号 在传输中会减少干扰 适 合分布分散的灌区仪表 这样的仪表参数变化缓慢 控制简单 通过总线访问能够满足要 求 如现场只有一块表或各仪表之间分布较远需要远传至很远距离 如不同厂的蒸汽贸易 采 油厂的数据传输 可选用无线传输形式 若现场仪表参数不参与控制 且工艺要求不严 也可使用就地显示功能 仪表使用电池供 电 工艺人员现场抄表 在工程设计实践中 经常遇到现场仪表距离控制室或信号接收设备有相当远的距离 但是没 有明确的标准表明 到底多远距离是信号传输的极限 这决定设计中是否要考虑就地控制室 或控制盘柜 这将影响投资以及整体设计方案 该文旨在对此问题进行分析 以期对解决该类 问有所帮助 1 制约信号传输距离的因素 对于一个完整的信号回路 构成的主要环节为现场仪表 电缆 控制室内的接口设备 其他 制约传输的因素还有仪表的信号类型 防爆要求 信号干扰等 下面从各环节加以分析 1 1 现场仪表 对于仪表本身 正常工作的条件是必须满足最小工作电压 即由控制室供出的电压经过线路 的衰减后到达仪表的电压值必须大于仪表的工作电压 这是仪表正常工作输出或接受信号的 最小要求 1 2 控制室内的接口设备 该类接口设备为安全栅 隔离器 二次显示仪表 DCS 卡件或给现场仪表供电的电源等 接口设备多放置于控制室内 少数可能放置于现场控制柜 其工作环境及供电均很容易满足 接口设备的工作状态不是制约信号传输的主要因素 其带负载的能力不同将影响信号的传输 距离 1 3 仪表信号的类型 常见的典型信号为模拟量信号 4 20 mA 开关量信号 该类信号传输时的衰减将受到电缆长 短的影响 所以距离需相对短 有些仪表或接口设备可以输出或接受数字量信号 例如 Modbus 各种总线信号 罐区液位计或智能电动执行机构的智能协议等 在信号协议规范的 约束下 允许传输的理论距离最大可达到数千米 1 4 电缆的选择 在工程设计确定现场仪表安装位置之前往往就已经选定了现场仪表及控制系统 电缆的选择 就成为制约信号传输的关键环节 电缆的电阻参数 电感参数 电容参数直接与距离成比例 且 成为制约信号传输的直接因素 1 5 本安回路的防爆要求 本安设计中需要对回路中各参数进行匹配 其中与传输距离相关的参数是电缆的参数 该参 数必须满足匹配条件 说明如下 仅说明与距离传输的相关项 表征设备具有本安性能的主 要参数 本安设备最大内部等效电容 Ci 最大内部等效电感 Li 表征连接电缆本安性能的 基本参数 电缆最大允许分布电容 CC 最大允许分布电感 LC CC CKL LC L KL 式中 CK 电缆的单位长度分布电容 L K 电缆的单位长度分布电感 L 实际配线长度 表征关联设备 安全栅本安性能的基本参数 关联设备在故障状态下允许的最大外部电容 C0 和最大外部电感 L0 本安系统的组合条件 连接电缆长度的分布参数必须同时满足 CC C0 Ci 和 LC L0 Li 的关系 由以上约束条件可见 电缆的 Ci 及 Li 将随距离增加而成 比例加大 而本安系统不允许 Ci 及 Li 无限制地增加 也就是说本安的防爆要求也成为制约信 号传输距离的因素 2 理论计算仪表的最远传输距离 在工程设计中 本安类仪表所占的比重较大 控制室内的典型接口设备又多为隔离式安全栅 以下针对较为典型的仪表组合 例如 ABB 的变送器 Fisher 的阀门定位器 ASCO 的电 磁阀 P F 的安全栅 电缆 1 5 mm2 PVC 绝缘 PVC 护套 铜芯多股对绞屏蔽电缆 电阻 R 12 3 km CK 250 pF m 1 kHz 导体之间 400 pF m 1 kHz 导体与屏蔽层之 间 L K 40 H 对最远传输距离进行具体的理论计算 因为实际使用中 各厂家的仪表参 数差别并不是很大 所以该数据有一定的代表性 2 1 考虑本安防爆的距离约束 本安防爆的距离约束见表 1 所列 由表 1 可见 仅考虑本安防爆的约束 针对大多数类型的仪表 最远的理论传输距离大约 1 km 多一点 如果电缆使用本安电缆 则理论距离将更长 2 2 考虑仪表最小工作电压 典型的 ABB 的变送器的最小工作电压为 13 3 V DC Rosemount 的 3051 变送器的最小 工 作电压为 10 5 V DC 安全栅的输出电压按 24 V DC 计算 电缆上允许的最大压降 24 13 3 10 7 V DC 正常工作时回路的最大电流为 20 mA 则电缆允许的最大电阻 10 7 0 02 535 可推算截面为 1 5 mm2 电缆的允许最大 敷设距离 535 12 3 km 2 21 7 km 由上可见 仅考虑仪表最小工作电压的约束时 电缆最远的理论传输距离为 21 7 km 在实 际 使用中用到 1 1 km 左右 截面 1 5 mm2 中间接线箱接线 ABB 的变送器 P F 的安全 栅 实测工作电压约为 17 21 V 变送器工作正常 2 3 考虑仪表信号的类型 当前的智能仪表除能够提供普通的模拟量 4 20 mA 外 也可以提供 Fieldbus 总线协议 当 合理采用总线电缆 理论传输距离可以达到数千米 有些仪表例如智能雷达控制总线 智能 电动阀控制总线等均可以达到理论上数千米的传输距离 2 4 考虑电缆的影响 当信号在电缆中传输时 因为传输路径中周围干扰源的存在 例如电气电缆或变压器等 可能 因为电磁干扰而导致信号的偏移 这对于上节提及的数字信号影响尤为明显 而且相当难以 量化 在实际使用中 去电气的继电器触点因为出现超过 800 mH 电感的存在 导致触点信 号检测延迟 甚至动作失误的可能性 电缆的分布电容严重影响数字信号的波特率 例如 Rotork 的 Packscan 协议对电缆的电容与信号波特率之间有严格对应关系 在实际使用中 15 个电动头 1 km 左右的距离 1 5 mm2 的普通电缆很难将电容降至满意的程度 而且受天 气影响也很大 最终只能以降低波特率 增加扫描时间来实现稳定的信号传输 对于 Smit h 流量计使用的 Canbus 总线 普通电缆电容根本没有办法满足高波特率的信号传输 1 km 左 右的距离无法通信 经过现场检验 电缆的分布电容也不是简单地根据电缆参数计算那样稳 定 3 针对各环节的解决方案 3 1 现场仪表 由以上分析可以看出 为增加单体信号的传输距离 在输出电压不变的条件下 选择本安仪表 时尽量选择工作电压偏低的仪表 尤其是用于安全联锁场合的电磁阀 更是应当有针对性地 核算功耗及启动电压 选择非本安防爆类型的仪表 该类仪表不用考虑本安系统的电缆距离限制 但是根据现场仪 表的功耗 可适当尽可能提高外供电工作电压的等级 例如选用 220 V DC 供电 电磁阀选用 48 V DC 供电等 允许在较长的电缆上降一部分电压 但是需注意核准该类仪表的输出带载 能力 在工程实践中验证 220 VAC 供电的伺服液位计等 4 20 mA 信号传输距离都可 达到 1 1 2 km 左右 很稳定 选择智能类型的仪表 可以考虑改变信号的类型 例如总线类型或使用光缆接口设备 达到增 加传输距离的目的 这可以用于个别仪表在远距离特殊布置或使用其他方案性能价格比不经 济的场合 3 2 控制室内的接口设备 结合以上分析 对于本安系统的设计 接口设备为安全栅 若使用齐纳式安全栅 则不能对外 供电 其设备相当于在回路中串入一个电阻 而 DCS 卡件对现场仪表供电 一般的 DCS 模拟 输入实际为 1 5 V 相当于又在回路中串入 250 的电阻 这样留在电缆上的允许压降就小 了很多 为增加回路上电缆的允许压降 应尽量选用隔离式安全栅 直接对现场变送器供电 可以增加信号传输距离 对于非本安仪表 典型接口设备为 DCS 的卡件 一般没有太多可选 择的余地 3 3 电缆的选择 在所有制约信号传输距离的因素中 电缆是最直接的因素 因为其他设备的参数均不随距离 变化 为减少线阻 可以选择公称直径尽可能大一些的电缆 工程上 1 5 mm2 电缆为较为通 用的选择 个别距离较远的场合 例如 800 1 100 m 的传输距离 也用到了 2 5 mm2 的电 缆 实践验证没有问题 对于本安系统 有些电缆厂家有针对性地设计了本安电缆 尽可能地减少了电缆的单位长度 分布电容 电感和阻抗 使用该类电缆 可以减少电缆造成的传输距离瓶颈 光缆也是很好的传播媒介 使用光缆后 距离往往能够达到数公里远 这需要在现场仪表和接 口设备中间增加信号转换设备 对于 2 4 节中所述 Canbus 总线问题则可选用专用的通信电缆例如波登电缆 极大地降低 了电缆的分布电容 采用了极好的屏蔽以抗干扰 现场使用效果很好 甚至使 Canbus 信号传 输超过了 900 m 但是该类电缆价格较昂贵 应考虑与其他方案的性价比较 例如使用总线中 继器方案等 3 4 抗干扰的考虑 信号偏移的影响随干扰的距离增加而加强 例如 仪表与电气电缆并行距离越长 所受的干 扰就越大 设计规范要求仪表电缆距离电气电缆有最小距离 而且在必须交叉时也要垂直交 叉 仪表的电缆生产时要做到总屏蔽加分屏蔽 安装敷设时置于钢制槽盒或钢制保护管内 钢制槽盒及保护管要做好接地 这样可以最大限度地减少干扰 增大信号传输距离 使用光 缆介质将最大限度降低路径中电磁场的干扰 对于强干扰场合是非常好的解决方案 4 结束语 笔者在工程设计的实践中经常遇到信号远距离传输的问题 现将部分经验总结如下 供参考 对于全厂性项目 各装置距离管理中心 例如中心控制室或管控中心 距离可能很远 信号普 遍存在远距离传送问题 这时需要在各装置就地规划卫星控制室 设置系统的就地机柜间加 光缆解决 就地机柜间的造价也很高 其数量宜根据装置布置平面分析 考虑布置于靠近密 集仪表分布的安全区域 对于少量的位置相对集中的远距离信号 就地控制室的造价较高 在安全许可情况下 可以 考虑使用远程 IO 等中间接口设备 尤其是镜像型远程 IO 输入是模拟信号 输出也是模拟信 号 中间通过光缆连接 对于处理改造项目个别远距离传输问题时相当灵活 对于单体仪表 的远距离传输的解决 最直接的办法是将该仪表的连接电缆适当加粗 例如 2 5 mm2 等 以 减小电缆的压降 也可以将该仪表选型为特殊仪表 例如可以传输光信号的类型等 或将该仪 表改为隔爆型 外供电的电压等级提高至 220 VAC 等都是工程上常用的解决方案 这里需 要说明的是 以上的理论计算仅是判断传输距离是否可行的参考 不可以 卡边 应留有相当的 裕量 在实际施工过程中 往往存在很多随机的或不确定的因素 例如接线箱的接触电阻 电缆敷设路径中的电磁干扰 环境中湿度对分布电容的影响等 很多 DCS 厂家推荐的实际 传输距离不宜超过 600 m 某些机组的探头因为信号类型衰减的原因 传输距离更小 可能低 于 300 400 m 尤其要引起注意 以上经验供设计同行借鉴 一 一 4 20mA 电流环工作原理电流环工作原理 在工业现场 用一个仪表放大器来完成信号的调理并进行长线传输 会产生以下问题 第一 由于传输的信号是电压信号 传输线会受到噪声的干扰 第二 传输线的分布电阻 会产生电压降 第三 在现场如何提供仪表放大器的工作电压也是个问题 为了解决上述问题和避开相关噪声的影响 我们用电流来传输信号 因为电流对噪声 并不敏感 4 20mA 的电流环便是用 4mA 表示零信号 用 20mA 表示信号的满刻度 而 低于 4mA 高于 20mA 的信号用于各种故障的报警 4 20mA 电流环有两种类型 二线制和三线制 当监控系统需要通过长线驱动现场 的驱动器件如阀门等时 一般采用三线制变送器 这里 XTR 位于监控的系统端 由系统直 接向 XTR 供电 供电电源是二根电流传输线以外的第三根线 二线系统是 XTR 和传感器 位于现场端 由于现场供电问题的存在 一般是接收端利用 4 20mA 的电流环向远端的 XTR 供电 通过 4 20mA 来反映信号的大小 4 20mA 产品的典型应用是传感和测量应用 见图 1 在工业现场有许多种类的传感器 可以被转换成 4 20mA 的电流信号 TI 拥有一些很方便的用于 RTD 和电桥的变送器芯片 由于 TI 的变送器芯片含有通用的功能电路比如电压激励源 电流激励流 稳压电路 仪表 放大器等 所以可以很方便地把许多传感器的信号转化为 4 20mA 的信号 二 增大二 增大 4 20mA DC 信号的传送距离的深入探讨信号的传送距离的深入探讨 看了标题有的人可能会说 发送 4 20mA DC 电流信号的仪表都具有恒流特性 采用电 流源传送 其精度与导线的电阻不是无关吗 既然这样还用讨论 4 20mA DC 信号的传送距 离吗 但以上的说法是针对特定条件而言的 应看到当仪表供电电源电压低至一定程度或导 线电阻大到一定程度时 4 20mA DC 电流传送信号将产生误差 因此我们讨论的是 4 20mA DC 信号在保证规定的精度下的传送距离 讨论传送距离实质就是确定电流源仪表 连接导线的最大长度 决定电流源仪表导线长度的参数有 负载电阻 RL 及连接导线的电阻 r 供电电压 Vo 及 其波动范围 V 仪表的最大输出电流 Imax 仪表能维持最大工作电流时的最低供电电压 Vmin 已知 RL 250 Vo 24V DC 其允许误差为 24V 10 5 电源允许波动 V 24V 5 1 2V Imax 20mA 0 02A 最低供电电压 Vmin 各种型号仪表的此值是不相同的 因为这个参数还与电子元件的 特性有关系 从产品样本来看 有的仪表最低的可达 12V 但是指无负载时 大多仪表在 15 17V 之间的居多 在此 dlr 取 16 28V 即 Vmin 16 28 24 1 2 0 02 250 r 则连接导线的电阻 r 2