Tín hiệu 4-20mA tính đến hiện tại đã đứng vững suốt hơn nửa thế kỷ và xuất hiện trong hầu hết mọi tủ điện, trạm quan trắc, dây chuyền sản xuất... Vậy kiểu tín hiệu ngõ ra này có gì ưu việt mà được các kỹ sư tin dùng đến vậy? Bài viết này của Sensors Việt Nam sẽ giúp bạn giải đáp tận gốc thắc mắc này.
TÍN HIỆU 4-20MA LÀ GÌ?
Tín hiệu 4-20mA (tín hiệu dòng điện 4-20mA, tín hiệu analog 4-20mA) là dạng tín hiệu analog, sử dụng dòng điện để truyền tải giá trị đo.
Trong đó, mức 4mA tương ứng với 0% thang đo và 20mA tương ứng với 100% thang đo của đại lượng cần giám sát (nhiệt độ, độ ẩm, nồng độ khí, áp suất, lưu lượng, mức chất lỏng…). Điểm khác biệt cốt lõi nhất của tín hiệu 4-20mA so với tín hiệu 0-10V/0-5V nằm ở phương thức truyền thông tin - tín hiệu 4-20mA sử dụng cường độ dòng điện, còn tín hiệu 0-10V/0-5V sử dụng điện áp.
Cách gọi "4-20mA" xuất phát từ hai cột mốc của dải dòng:
- Điểm bắt đầu 4mA: Đại diện cho giá trị nhỏ nhất mà cảm biến có thể đo được.
- Điểm kết thúc 20mA: Đại diện cho giá trị lớn nhất mà cảm biến có thể đo được.
Ví dụ: Một cảm biến áp suất 0-10 bar có tín hiệu 4-20mA sẽ cho ra 4mA khi áp suất bằng 0 bar, 12mA khi áp suất là 5 bar và 20mA khi áp suất chạm mức 10 bar.
VÌ SAO TRONG TÍN HIỆU 4-20MA ĐIỂM ZERO LẠI LÀ 4MA MÀ KHÔNG PHẢI 0MA?
Đây là chi tiết nhỏ nhưng có công giúp tín hiệu 4-20mA vượt trội hơn hẳn 0-10V. Việc chọn 4mA làm mức sàn thay vì 0mA là có chủ đích - lúc này, khoảng cách từ 0-4mA sẽ trở thành một “vùng đệm chẩn đoán” cực kỳ giá trị.
Nói cách khác, nếu đường dây tín hiệu bị đứt, cảm biến hư hỏng hay mất nguồn thì dòng điện đo được sẽ tụt xuống 0mA ngay lập tức. Nhờ vậy mà hệ thống điều khiển có thể nhận diện ngay lập tức đâu là "giá trị đo bằng 0" và đâu là "sự cố mất tín hiệu".
Đây là điều mà các kiểu tín hiệu điện áp 0-10V hay 0-20mA không làm được vì điểm zero của tín hiệu trùng với điểm zero khi mất kết nối.
ƯU ĐIỂM CỦA TÍN HIỆU 4-20MA
Ưu điểm lớn nhất của tín hiệu 4-20mA là khả năng chống nhiễu vượt trội, nhờ truyền tín hiệu bằng dòng điện trong một vòng lặp kín (current loop). Trong vòng lặp, cường độ dòng điện không đổi tại mọi điểm của mạch bất kể chiều dài dây dẫn hay điện trở tiếp xúc. Chính vì đặc tính này, tín hiệu dòng điện 4-20mA có thể truyền ổn định qua hàng trăm mét dây cáp trong nhà máy, trạm bơm hay hệ thống xử lý nước bất kể nhiễu điện từ từ động cơ, biến tần hay các thiết bị công suất lớn xung quanh.
Bên cạnh đó, khả năng tự chẩn đoán lỗi thông qua vùng đệm 0-4mA cũng chính là lợi thế thực tế giúp tín hiệu analog 4-20mA được đánh giá rất cao. Nó giúp phát hiện sớm sự cố đứt dây hay hỏng cảm biến.
Ngoài ra, tín hiệu 4-20mA còn tương thích rộng rãi với hầu hết PLC, bộ hiển thị, biến tần và hệ thống SCADA hiện nay. Từ đó giúp doanh nghiệp dễ dàng sửa chữa, thay thế hoặc nâng cấp thiết bị mà không cần đại tu toàn bộ hạ tầng đấu nối.
Cuối cùng, với cấu hình 2 dây passive, tín hiệu 4-20mA còn giúp tiết kiệm đáng kể chi phí dây dẫn và nhân công lắp đặt - một điểm cộng cho các dự án quy mô lớn muốn cân bằng ngân sách.
NGUYÊN LÝ TÍN HIỆU 4-20MA
Về bản chất, nguyên lý tín hiệu 4-20mA sử dụng dòng điện trong mạch vòng để biểu diễn giá trị đo của cảm biến.
Ví dụ: Một cảm biến nhiệt độ có dải đo 0-100°C, tín hiệu ngõ ra là 4-20 mA. Lúc này, khoảng đo là 100°C - 0°C = 100°C và khoảng dòng điện là 20 mA - 4 mA = 16 mA. Cứ mỗi 25% dải đo, dòng điện thay đổi tương ứng ~4 mA. Suy ra:
0% → 4 mA
25% → 8 mA
50% → 12 mA
75% → 16 mA
100% → 20 mA
Đây là mối quan hệ tuyến tính hoàn toàn.
ỨNG DỤNG TÍN HIỆU 4-20MA
Ứng dụng tín hiệu 4-20mA rất rộng, trải trên hầu hết các lĩnh vực công nghiệp yêu cầu đo lường và điều khiển tự động (nhà máy xử lý nước, dầu khí, thực phẩm, hóa chất cho đến hệ thống HVAC…).
Trong các hệ thống đo mức chất lỏng, cảm biến áp suất thủy tĩnh/siêu âm sẽ đo lường và xuất tín hiệu 4-20mA về PLC nhằm phục vụ mục đích giám sát liên tục mức nước trong bể chứa để điều khiển bơm cấp/xả tự động khi cần. Điều này giúp loại bỏ hoàn toàn các can thiệp thủ công vốn tiềm ẩn rủi ro cao và tốn kém.
Trong ngành công nghiệp nặng, cảm biến áp suất và cảm biến nhiệt độ có tín hiệu analog 4-20mA liên tục phản hồi dữ liệu để bộ điều khiển để điều chỉnh van/bơm/lò nhiệt theo thời gian thực. Góp phần đảm bảo quy trình vận hành chính xác, an toàn và tối ưu năng lượng.
Trong các tủ điều khiển AHU và FCU của hệ thống HVAC, ứng dụng tín hiệu dòng điện 4-20mA thường là điều khiển động cơ van gió/nước theo tỷ lệ phần trăm mở, từ đó giúp hệ thống điều hòa nhiệt độ phòng mềm mại và tiết kiệm điện hơn kiểu điều khiển on/off.
Trong lĩnh vực quan trắc môi trường, cảm biến khí/cảm biến độ ẩm/cảm biến độ pH cũng truyền tín hiệu 4-20mA về trung tâm giám sát để cảnh báo sớm khi các chỉ số vượt ngưỡng an toàn.
CÁCH ĐẤU NỐI TÍN HIỆU 4-20MA
Cách đấu nối tín hiệu 4-20mA chính xác cần dựa trên sơ đồ được nhà sản xuất đính kèm theo từng thiết bị. Thông thường, cách đấu nối tín hiệu 4-20mA phụ thuộc vào việc cảm biến thuộc loại passive 2 dây hay active 3-4 dây.
Với cảm biến passive 2 dây
Người dùng cần cấp một nguồn 24VDC bên ngoài và mắc nối tiếp toàn bộ vòng loop theo thứ tự:
- Cực dương của nguồn 24VDC nối vào chân dương của cảm biến
- Chân âm của cảm biến nối tiếp sang chân dương của ngõ vào analog trên PLC
- Chân âm của ngõ vào analog nối trở về cực âm của nguồn 24VDC.
Đối với cảm biến active dạng 3/4 dây
Mạch nguồn và mạch tín hiệu được tách riêng nên việc đấu nối cần phân biệt rõ từng chân:
- Dây nguồn dương nối vào cực dương của bộ nguồn 24VDC
- Dây nguồn âm (GND) nối vào cực âm của bộ nguồn
- Hai dây tín hiệu (thường ký hiệu OUT+ và OUT-) nối trực tiếp vào chân dương và chân âm của module analog input trên PLC.
Lưu ý: Luôn cần đối chiếu sơ đồ đấu nối trên datasheet của từng thiết bị vì ký hiệu chân có thể khác nhau giữa các hãng sản xuất. Sau khi đấu nối hoàn tất, nên kiểm tra giá trị dòng điện thực tế có nằm trong dải 4-20mA hay không trước khi đưa hệ thống vào vận hành chính thức.
Để được tư vấn kỹ hơn về tín hiệu 4-20mA (tín hiệu analog 4-20mA, tín hiệu dòng điện 4-20mA) hoặc đặt hàng cảm biến ngõ ra 4-20mA, bạn hãy liên hệ trực tiếp đến Sensors Việt Nam qua hotline 0911 660 660 hoặc truy cập website https://cambien.com.vn/ | https://www.sensors.vn/ nhé!