信号电缆传输距离

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1、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

2、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，

3、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

4、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

5、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

6、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。

7、 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

8、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

9、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 420 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

10、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

11、 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

12、 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 =40H /) ,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 k

13、m 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

14、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 1721 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 420 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

15、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 Ca

16、nbus 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 11. 2 km 左右,很稳定. 选择智能类型的