李恒榮

中國(guó)成達(dá)工程有限公司 成都 610041

化工產(chǎn)業(yè)在我國(guó)的國(guó)民經(jīng)濟(jì)中占有重要地位，是基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)和支柱產(chǎn)業(yè)。隨著我國(guó)社會(huì)、經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，化工裝置的安全運(yùn)行越來(lái)越受到重視。在自動(dòng)化工程設(shè)計(jì)工作中，儀表信號(hào)電纜作為各種檢測(cè)參數(shù)和控制信號(hào)的主要傳輸媒介，其重要性不言而喻。本文結(jié)合多個(gè)國(guó)內(nèi)外化工裝置的電纜選型設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)儀表信號(hào)電纜的設(shè)計(jì)要點(diǎn)進(jìn)行介紹。

1 儀表信號(hào)電纜的定義

儀表信號(hào)電纜是將現(xiàn)場(chǎng)傳感器的檢測(cè)信號(hào)送至控制系統(tǒng)，和(或)將控制系統(tǒng)指令信號(hào)送至執(zhí)行單元，完成監(jiān)控參數(shù)的指示、報(bào)警、控制等功能的連接電纜。在國(guó)內(nèi)外有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范中，對(duì)儀表信號(hào)電纜的定義并不統(tǒng)一，有的稱作計(jì)算機(jī)電纜(Computer cable)，有的稱作控制電纜(Control cable)，有的稱作儀表電纜(Instrumentation cable)。《電工術(shù)語(yǔ) 電纜》GB/T 2900.10-2013中將儀表電纜定義為“將傳感器輸出信號(hào)傳輸?shù)狡湎鄳?yīng)測(cè)量?jī)x器的多芯電纜”[1]?！峨娏こ屉娎|設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》GB 50217-2018中使用“控制電纜”的表述，并將計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)信號(hào)傳輸用電纜歸類到控制電纜中[2]。在很多的電纜產(chǎn)品樣本或電纜制造企業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)中將儀表信號(hào)電纜表述為計(jì)算機(jī)電纜。BS EN 50288-1：2013 3.7條定義了儀表電纜(instrumentation cable),并在BS EN50288-7：2005的“范圍”中明確了標(biāo)準(zhǔn)所適用的儀表及控制電纜電壓等級(jí)為90V，300V和500V[3][4]。而在其他行業(yè)電纜標(biāo)準(zhǔn)中，對(duì)儀表信號(hào)電纜的定義也有所不同，如IEC 60092船用電纜系列標(biāo)準(zhǔn)，可以供參考查閱。

不同的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，對(duì)于儀表信號(hào)電纜的技術(shù)參數(shù)要求不盡相同，給化工裝置儀表電纜選型設(shè)計(jì)工作帶來(lái)一些困擾，需要結(jié)合實(shí)際需求核查適用的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。

2 儀表信號(hào)電纜的特點(diǎn)和類型

儀表信號(hào)種類繁多，傳輸電流小(毫安級(jí))，電壓低(24V、8V、5V乃至1.8V)，而且要求保真度高，容易受到電磁干擾，而化工裝置的電磁環(huán)境比較復(fù)雜，諸如由于電容性耦合和電感性耦合導(dǎo)致的近場(chǎng)輻射干擾，和(或)輻射耦合導(dǎo)致的遠(yuǎn)場(chǎng)輻射干擾等，都會(huì)對(duì)儀表信號(hào)的傳輸和控制系統(tǒng)的正常工作產(chǎn)生不同程度的影響，輕則信號(hào)失真，嚴(yán)重時(shí)可能導(dǎo)致系統(tǒng)錯(cuò)誤或癱瘓，從而引起化工裝置發(fā)生安全事故。在化工裝置中，由于儀表信號(hào)電纜的數(shù)量大、長(zhǎng)度長(zhǎng)，而且是干擾源入侵的主要途徑，正確設(shè)計(jì)儀表信號(hào)電纜對(duì)整個(gè)裝置的自控系統(tǒng)至關(guān)重要。

在化工裝置中，常見(jiàn)的儀表信號(hào)類型有模擬量信號(hào)和離散信號(hào)，離散信號(hào)又包括開(kāi)關(guān)量信號(hào)和脈沖信號(hào)。按照傳輸信號(hào)類型的不同，儀表信號(hào)電纜主要分為模擬量信號(hào)電纜、連續(xù)脈沖量信號(hào)電纜、24V直流開(kāi)關(guān)量信號(hào)電纜和220V交流開(kāi)關(guān)量信號(hào)電纜、熱電偶補(bǔ)償電纜。同時(shí)，對(duì)于傳輸本質(zhì)安全回路信號(hào)的電纜，應(yīng)選擇本安電纜，其分布電容、分布電感參數(shù)應(yīng)符合本質(zhì)安全回路的要求。

按照不同的分類基準(zhǔn)，儀表信號(hào)電纜可以細(xì)分為很多個(gè)種類，如：按照電纜的導(dǎo)體材質(zhì)不同，可以分為銅芯電纜和鋁芯電纜等；按照電纜適用環(huán)境溫度的不同，分為耐寒電纜、高溫電纜等；按照電纜阻燃和耐火特性，可分為阻燃電纜、耐火電纜等；按不同結(jié)構(gòu)，又可分為屏蔽電纜、非屏蔽電纜，以及鎧裝電纜等。

3 儀表信號(hào)電纜的結(jié)構(gòu)和規(guī)格

儀表信號(hào)電纜的典型結(jié)構(gòu)是在金屬導(dǎo)體外包裹絕緣材料，形成絕緣層，然后兩根或三根包覆絕緣層的導(dǎo)線絞合，形成線對(duì)或線組，線對(duì)或線組外再包覆屏蔽層或不帶屏蔽層，添加填充織物成纜，成纜后根據(jù)需要包覆總屏蔽層，然后由里向外依次是內(nèi)護(hù)套、鎧裝層(非鎧裝電纜無(wú)鎧裝層)、外護(hù)套。

針對(duì)不同應(yīng)用，儀表信號(hào)電纜結(jié)構(gòu)會(huì)有所不同。典型結(jié)構(gòu)圖見(jiàn)圖1、圖2。

圖1 多線對(duì)結(jié)構(gòu)

圖2 多線組結(jié)構(gòu)

3.1 導(dǎo)體

儀表信號(hào)電纜的導(dǎo)體是傳輸儀表信號(hào)的載體，是電纜主要組成部分。按照《電纜的導(dǎo)體》GB/T 3956-2008/IEC 60228:2004[5]的定義，導(dǎo)體分為四種：①實(shí)心導(dǎo)體；②絞合導(dǎo)體；③軟導(dǎo)體；④比③更軟的導(dǎo)體。

儀表信號(hào)電纜通常選用 “軟導(dǎo)體”，軟導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)應(yīng)由不鍍金屬或鍍金屬的退火銅線構(gòu)成。對(duì)于常用的1.0mm2、1.5mm2、2.5mm2標(biāo)稱截面積的儀表信號(hào)電纜，其導(dǎo)體內(nèi)最大單線直徑有限制要求。以1.0mm2標(biāo)稱截面積導(dǎo)體為例，導(dǎo)體內(nèi)最大單線直徑不得大于0.21mm，即對(duì)組成導(dǎo)體的銅線(絲)數(shù)量有限制。

《儀表配管配線設(shè)計(jì)規(guī)范》HG/T 20512-2014[6]和《石油化工儀表管道線路設(shè)計(jì)規(guī)范》SH/T 3109-2016[7]中，要求儀表信號(hào)電纜采用軟電纜。

3.2 絕緣層

儀表信號(hào)電纜絕緣層材質(zhì)應(yīng)根據(jù)耐壓等級(jí)及環(huán)境條件進(jìn)行選擇。按照BS EN 50288-7：2005第4.2條的規(guī)定，絕緣材料應(yīng)從表1中選擇。

表1 儀表信號(hào)電纜絕緣材料

需要注意的是：不同的絕緣材料，其可以應(yīng)用的溫度在相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)中都有限制。比如對(duì)于聚氯乙烯絕緣材料，允許的最高額定溫度不超過(guò)90℃，短時(shí)可到105℃；在低溫環(huán)境下，該材料易脆裂，不宜用做低溫條件下的電纜絕緣和護(hù)套材料。

《儀表配管配線設(shè)計(jì)規(guī)范》HG/T 20512-2014和《石油化工儀表管道線路設(shè)計(jì)規(guī)范》SH/T 3109-2016中建議的電纜絕緣材料為聚氯乙烯或聚乙烯，但在一些特殊的應(yīng)用場(chǎng)合，類似硅橡膠、氟塑料、聚全氟乙丙烯等新型絕緣材料也可供選擇。

3.3 屏蔽層

儀表信號(hào)電纜的屏蔽分為分屏蔽和總屏蔽，分屏蔽指單線對(duì)或單線組外的屏蔽層，總屏蔽指多線對(duì)或線組成纜后外部包裹的屏蔽層。屏蔽層的作用是抑制干擾，常見(jiàn)的屏蔽形式有鋁/塑復(fù)合帶繞包屏蔽帶排流銅線、銅/塑復(fù)合帶繞包或銅帶繞包屏蔽帶排流銅線、裸銅或鍍錫銅絲編織屏蔽。每種屏蔽形式可單獨(dú)使用，也可復(fù)合使用[8]。儀表信號(hào)電纜的分屏蔽應(yīng)在控制室或現(xiàn)場(chǎng)機(jī)柜室一側(cè)單端進(jìn)行工作接地，總屏蔽層應(yīng)在兩端進(jìn)行保護(hù)接地。

對(duì)于4～20mA DC或1～5V(DC)模擬量信號(hào)電纜，宜選用總屏蔽，當(dāng)信號(hào)電纜經(jīng)過(guò)高強(qiáng)度交變磁場(chǎng)時(shí)，應(yīng)采用對(duì)絞線芯；對(duì)于開(kāi)關(guān)量信號(hào)電纜，宜選用總屏蔽；對(duì)于熱電偶、熱電阻或脈沖量信號(hào)電纜，宜選用分屏蔽加總屏蔽。

3.4 內(nèi)護(hù)套

儀表信號(hào)電纜內(nèi)護(hù)套通常指位于總屏蔽層與鎧裝層之間的保護(hù)層，按照BS EN50288-7：2005第4.12條的規(guī)定，內(nèi)護(hù)套的材質(zhì)應(yīng)是聚氯乙烯、聚乙烯或無(wú)鹵阻燃化合物的其中一種，如果電纜線芯使用無(wú)鹵化合物絕緣，則內(nèi)護(hù)套材質(zhì)也應(yīng)該是無(wú)鹵化合物。

3.5 鎧裝層

電纜鎧裝層的作用是提高電纜抗拉強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度，并能有效保護(hù)電纜免受外部機(jī)械損傷。儀表電纜常用的鎧裝形式有鋼絲鎧裝和鋼帶鎧裝兩種。鋼帶鎧裝能夠有效增加電纜的抗壓強(qiáng)度，通常應(yīng)用在電纜直埋地下的情況；鋼絲鎧裝電纜具有較強(qiáng)的抗拉性能，可以應(yīng)用在多種場(chǎng)合。

按照《石油化工儀表接地設(shè)計(jì)規(guī)范》SH/T 3081-2019第4.4條的規(guī)定，金屬鎧裝層應(yīng)在兩端進(jìn)行保護(hù)接地。

3.6 外護(hù)套

外護(hù)套位于儀表信號(hào)電纜的最外層，是保護(hù)電纜免受機(jī)械損傷和腐蝕的保護(hù)層。外護(hù)套的材質(zhì)應(yīng)滿足應(yīng)用環(huán)境的要求。BS EN50288-7：2005中同樣對(duì)電纜外護(hù)套材質(zhì)作了規(guī)定。

應(yīng)用于本質(zhì)安全回路的本安電纜外護(hù)套顏色應(yīng)為藍(lán)色，其他用途的儀表信號(hào)電纜外護(hù)套顏色可根據(jù)《電線電纜識(shí)別標(biāo)志方法 第2部分標(biāo)準(zhǔn)顏色》GB/T 6995.2-2008[10]進(jìn)行選擇。

4 線芯截面積選擇

儀表信號(hào)電纜的線芯截面積應(yīng)滿足檢測(cè)、控制回路對(duì)信號(hào)傳輸?shù)裙δ苄砸蟆＞€芯截面積應(yīng)根據(jù)線路壓降、本安參數(shù)符合性計(jì)算后確定；其最小線芯截面積不應(yīng)小于0.5mm2。

除本質(zhì)安全系統(tǒng)電路外，在爆炸危險(xiǎn)區(qū)內(nèi)穿保護(hù)鋼管敷設(shè)的儀表信號(hào)電纜在1區(qū)時(shí)的最小線芯截面積不應(yīng)小于2.5mm2，在2區(qū)時(shí)不應(yīng)小于1.5mm2；若采用多芯電纜，其線芯截面積應(yīng)≥1.0mm2。

除本質(zhì)安全系統(tǒng)電路外，在爆炸危險(xiǎn)區(qū)內(nèi)電纜明設(shè)或電纜溝內(nèi)敷設(shè)時(shí)的最小線芯截面積應(yīng)≥1.0mm2。

5 主要相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范

對(duì)于儀表信號(hào)電纜，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范較多，本文只列出主要的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范供參閱：

一般看來(lái)，任何一個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)，接受命令之后停頓的時(shí)間在3秒以上，該系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)就被認(rèn)為是失敗的。因?yàn)槿魏斡脩粼谑褂眠^(guò)程中，如果等待命令執(zhí)行的時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，其對(duì)系統(tǒng)的認(rèn)可度就大大降低。在系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)過(guò)程中，必須要求程序員使用更簡(jiǎn)潔的開(kāi)發(fā)語(yǔ)言，降低服務(wù)器運(yùn)行及網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)牟槐匾?fù)荷，提高系統(tǒng)運(yùn)行效率。

①《電工術(shù)語(yǔ) 電纜》GB/T 2900.10-2013；②《電力工程電纜設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》GB 50217-2018；③《電纜的導(dǎo)體》GB/T 3956-2008/IEC 60228:2004；④《電線電纜識(shí)別標(biāo)志方法》GB/T 6995-2008；⑤《電纜絕緣和護(hù)套材料通用實(shí)驗(yàn)方法》GB/T 2951-2008；⑥《電線電纜性能試驗(yàn)方法》GB/T 3048-2007；⑦《阻燃和耐火電線電纜或光纜通則》GB/T 19666-2019；⑧《電線電纜交貨盤第1部分：一般規(guī)定》JB/T 8137.1-2013；⑨《國(guó)家電線電纜質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心技術(shù)規(guī)范 計(jì)算機(jī)及儀表電纜》TICW/06-2009；⑩《儀表配管配線設(shè)計(jì)規(guī)范》HG/T 20512-2014；《石油化工儀表管道線路設(shè)計(jì)規(guī)范》SH/T 3109-2016；BS EN 50288-1：2013 Multi-element metallic cables used in analogue and digital communication and control-Part1:Generic specification；BS EN 50288-7：2005 Multi-element metallic cables used in analogue and digital communication and control-Part7:Sectional specification for instrumentation and control cables；BS EN 50290 Communication Cable；IEC 60092-376 Edition 3.0 2017-05 Electrical installations in ships-Part 376: Cables for control and instrumentation circuits 150/250 V(300V)(該標(biāo)準(zhǔn)可供參考)。

6 儀表信號(hào)電纜的敷設(shè)要求

要保證化工裝置自控系統(tǒng)儀表信號(hào)電纜達(dá)到預(yù)期性能目標(biāo)，除了正確設(shè)計(jì)儀表信號(hào)電纜選型外，還必須正確地敷設(shè)安裝儀表信號(hào)電纜。

儀表信號(hào)電纜敷設(shè)時(shí)應(yīng)避開(kāi)熱源、潮濕、振動(dòng)源及電磁干擾，不應(yīng)敷設(shè)在影響操作、妨礙設(shè)備維修的位置。

儀表信號(hào)電纜不應(yīng)敷設(shè)在高溫工藝管道、蒸汽管道和設(shè)備的上方，或有腐蝕性液體的工藝管道和設(shè)備的下方。

不同電壓等級(jí)及頻率特性的信號(hào)，不應(yīng)共用一根多芯電纜；本安和非本安信號(hào)不應(yīng)共用同一根多芯電纜。

儀表信號(hào)電纜與電力電纜交叉敷設(shè)時(shí)，宜成直角跨越；與電力電纜平行敷設(shè)時(shí)，兩者之間的最小允許距離應(yīng)符合《儀表配管配線設(shè)計(jì)規(guī)范》HG/T 20512-2014的要求。

儀表信號(hào)電纜應(yīng)敷設(shè)在電纜橋架內(nèi)或穿金屬管保護(hù)。

儀表信號(hào)電纜敷設(shè)時(shí)應(yīng)在電纜允許環(huán)境溫度下敷設(shè)，避免電纜受損。

7 注意事項(xiàng)

(1)在化工裝置工程設(shè)計(jì)中，應(yīng)盡量減少儀表信號(hào)電纜的類型和規(guī)格，增加電纜通用性以節(jié)約成本。

(2) 在儀表信號(hào)電纜請(qǐng)購(gòu)文件技術(shù)要求中,應(yīng)明確電纜檢驗(yàn)、試驗(yàn)遵循的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

(3)由于當(dāng)前市場(chǎng)上，鋁/塑復(fù)合帶繞包屏蔽、銅/塑復(fù)合帶繞包或銅帶繞包屏蔽與裸銅或鍍錫銅絲編織屏蔽的價(jià)差較大，需綜合考慮成本等因素合理選擇屏蔽形式。

(4)導(dǎo)體鍍錫是為了提高耐腐蝕性和抗氧化性，增加電纜使用壽命，但成本也會(huì)相應(yīng)上升，在選擇導(dǎo)體鍍錫與否的時(shí)候，也應(yīng)綜合考慮成本問(wèn)題。

(5)從控制系統(tǒng)送往電氣馬達(dá)控制中心控制泵電機(jī)啟停的信號(hào)電纜，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注電壓等級(jí)和絕緣強(qiáng)度，并與馬達(dá)控制中心送出的泵狀態(tài)信號(hào)電纜分開(kāi)設(shè)置。

8 結(jié)語(yǔ)

本文主要介紹了化工裝置中儀表信號(hào)電纜的類型、儀表信號(hào)電纜的典型結(jié)構(gòu)、相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范和電纜敷設(shè)要求，并結(jié)合實(shí)際工程應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)了儀表信號(hào)電纜設(shè)計(jì)選型時(shí)的一些注意事項(xiàng)，供讀者參考。