Tại sao dùng tín hiệu 4-20mA hay tại sao dùng tín hiệu 4-20mA mà không dùng tín hiệu 0-20mA hay tại sao phải dùng tín hiệu dòng analog 4-20mA mà không phải tín hiệu áp 0-10V hay tín hiệu điện áp 0-5V ? Tại sao dùng tín hiệu 4-20mA 2 dây mà không dùng tín hiệu 4-20mA 3 dây ? … và còn nhiều câu hỏi liên quan tới tín hiệu 4-20mA . Đây là câu hỏi của rất nhiều người đang học về điều khiển cũng như rất nhiều người đang làm trong lĩnh vực điều khiển tự động hóa .

Sơ đồ biểu thị Tín hiệu dòng 4-20mA

Các anh em làm trong lĩnh vực tự động hóa ít nhiều cũng đã gặp qua tín hiệu 4-20mA nên thấy nó quá bình thường vì hầu như các thiết bị như cảm biến , bộ chuyển đổi , PLC , bộ đọc tín hiệu , card giao tiếp … tất cả đều dần chuyển về tín hiệu 4-20mA . Bài viết này mang tính chất chia sẽ cho những bạn đang học về tự động hóa chưa có nhiều kiến thức về tín hiệu analog & những anh em làm trong ngành tự động hóa nhưng chưa nắm rõ bản chất của vấn đề .

Tại sao dùng tín hiệu 4-20mA mà không phải tín hiệu 0-20mA ?

Nhìn sơ đồ trên biểu thị tín hiệu dòng 4-20mA chúng ta thấy giá trị Min bắt đầu của tín hiệu là 4mA và giá trị kết thúc của tín hiệu là 20mA . Tín hiệu 4-20mA biểu thị cho một giá trị đo được nào đó của thiết bị đo lường hoặc thiết bị điều khiển .

Một cảm biến áp suất có dãy đo 0-100bar có tín hiệu về là 4-20mA hay một cảm biến nhiệt độ có dãy dãy đo 0-100 oC hay cảm biến nhiệt độ có dãy đo 0-1000 oC qua bộ chuyển đổi tín hiệu nhiệt độ cũng chỉ đưa tín hiệu về 4-20mA . Điều này cho chúng ta thấy gần như tất cả các tín hiệu đều đưa về tín hiệu chuẩn 4-20mA .

Lý do người ta nghiên cứu dùng tín hiệu 4-20mA thay vì 0-20mA là vì :

Phân biệt đâu là tín hiệu truyền về – đâu là tín hiệu mất nguồn hay đứt cable hay bo mạch bị hư

Tín hiệu dòng 4-20mA trong thực tế

Tôi giả sử cảm biến áp suất có dãy đo 0-100 bar tương ứng với tín hiệu 4-20mA thì giá trị 4mA tương ứng với áp suất bằng không ( 0 ) , tại giá trị 100bar sẽ đưa về tín hiệu 20mA . Trong trường hợp cảm biến bị hư hỏng giá trị đưa về sẽ là 3.8mA ( theo mặc định một số cảm biến ) hoặc khi áp suất vượt ngưỡng sẽ cho ra tín hiệu 23mA ( theo quy định của một số hãng lớn trên thế giới ).Trường hợp bị mất nguồn tín hiệu đưa về 0 mA chúng ta xác định rõ đây là bị ngắn mạch ( đứt cable hoặc mất nguồn ) .

Trong trường hợp này nếu chúng ta dùng cảm biến áp suất có tín hiệu 0-20mA thì khi cảm biến bị hư hỏng hay bị ngắn mạch thì tín hiệu đưa về đều là 0 mA . Việc chuẩn đoán bị ngắn mạch hay cảm biến bị hư hỏng là một điều khó khăn và tốn thời gian hơn rất hiều . Chúng ta rất dể nhầm lẫn giữa cảm biến bị hư hỏng và cảm biến đang hoạt động nhưng có giá trị là không ( 0 ) . Điều này rất nguy hiểm trong việc điều khiển tự động hóa .

Tại sao dùng tín hiệu 4-20mA mà không dùng tín hiệu 0-10V ?

Ngày còn ngồi trên ghế nhà trường tôi được dạy rằng tín hiệu analog chỉ là tín hiệu 0-10V hoăc 0-5V nên hầu như tôi không có một tí kiến thức gì về tín hiệu 4-20mA . Một số thầy và một số tài liệu cũng có nói tới tín hiệu dòng 4-20mA nhưng chỉ là một cách giới thiệu . Khi làm đồ án hay làm các mạch điện tử cũng chỉ dùng các tín hiệu analog 0-10V hoặc 0-5V . Khi đi làm thực tế thì tôi mới biết rằng hầu như hơn 80% đều dùng tín hiệu dòng 4-20mA . Vậy tại sao tín hiệu dòng 4-20mA lại phổ biến như vây ?

1.Tín hiệu áp 0-10V bị suy giảm tín hiệu và dể bị nhiễu .

Các tín hiệu analog từ các cảm biến đưa về có thể cách xa tủ điều khiển trung tâm từ 100m đến 1km là chuyện rất bình thường . Trước kia các cảm biến dùng tín hiệu analog 0-10V để truyền về PLC , với khoảng cách xa như vậy việc sụt áp tín hiệu là điều thường thấy trên các tín hiệu Analog dòng 0-10V hoặc 0-5V . Một điều ít ai biết nữa chính là tín hiệu dòng 0-10V rất dể bị nhiễu bởi các dây động lực hoặc sóng hài hoặc motor hay biến tần khi dây tín hiệu đi ngang qua các thiết bị này .

Chính vì thế trong điều khiển sẽ phát sinh ra bộ cách ly tín hiệu hay bộ khuếch đại tín hiệu để chống nhiễu trên tín hiệu analog dòng 4-20mA hoặc analog áp 0-10V . Tôi sẽ nói thêm về điều này ở một bài viết khác về bộ cách ly tín hiệu – chống nhiễu .

2.Tín hiệu dòng 4-20mA không bị suy giảm bởi khoảng cách ?

Câu hỏi đầu tiên mọi người khi đọc được thông tin” tín hiệu dòng 4-20mA không bọ suy giảm bởi khoảng cách ” là ” vậy nó truyền được bao xa ” hoặc một số người không tin vào điều này .

Nguồn dòng hay nguồn cấp dòng hoặc tiêu thụ dòng là nguồn có tổng trở rất lớn .Chính vì thế mà tín hiệu analog dòng 4-20mA ít bị ảnh hưởng bởi điện trở của dây ngoại trừ tổng trở của dây dẩn quá lớn vượt qua ngưỡng cho phép .

Các tín hiệu làm nhiễu như biến tần , sóng hài , motor phát ra từ trường thường là xung điện áp . Chính vì thế với nguồn tín hiệu là nguồn dòng và tải tín hiệu lại có điện trở nhỏ , các xung nhiễu điện áp gần như ít bị ảnh hưởng . Tuy nhiên đó chỉ là các ảnh hưởng nhỏ của tác động ngoại vi bên ngoài có công suất nhỏ , trong trường hợp các Motor hay biến tần có công suất lớn thì việc chống nhiễu là một điều không dể dàng . Lúc đó chúng ta phải mất tiền để mua thêm bộ lọc nhiễu .

Ngoài ra tín hiệu dòng 4-20mA có thể truyền trên 2 dây , tức là nguồn và tín hiệu chung giúp tiết kiệm dây dẩn so với tín hiệu dòng 4-20mA loại 3 dây . Chúng ta hay gọi đó là nguồn 4-20mA loop power . Tôi sẽ có một bài viết riêng về chủ để nguồn 4-20mA loop power này trong các bài sau .

Tín hiệu 4-20mA 2 dây và tín hiệu 4-20mA 3 dây

Tín hiệu 4-20mA có hai dạng là tín hiệu 4-20mA Passive ( không nguồn – 2 dây ) và tín hiệu 4-20mA Active ( có nguồn – 3 dây ) . Rất nhiều người không phân biệt được giữa tín hiệu 4-20mA Active và tín hiệu 4-20mA Passive .

Tín hiệu 4-20mA 2 dây hay còn gọi là tín hiệu 4-20mA passive tức là không cần nguồn cấp mà nguồn và tín hiệu chung . Chúng ta thường thấy các tín hiệu 4-20mA Passive trong các cảm biến áp suất hay bộ chuyển đổi tín hiệu nhiệt độ .

Tín hiệu 4-20mA 3 dây hay còn gọi là tín hiệu 4-20mA Active tức là 2 dây cấp nguồn  24vdc và một dây signal 4-20mA đưa về . Tín hiệu 4-20mA Active được dùng trong các máy móc cũ để dể truyền tín hiệu 4-20mA về . Tuy nhiên việc truyền bằng tín hiệu 4-20mA Active dể bị nhiễu hơn tín hiệu 4-20mA Passive .

Một điều chúng ta thường gặp nữa là phần lớn các bộ đọc tín hiệu analog hoặc PLC chỉ đọc được tín hiệu 4-20mA có nguồn dòng ( Active ) mà không đọc được tín hiệu 4-20mA Passive . Vậy làm sao để PLC đọc được tín hiệu 4-20mA 2 dây không nguồn ( Passive ) . Việc này hết sức đơn giản với việc kết nối nối tiếp với nguồn 24Vdc bên ngoài .

Cách kết nối tín hiệu 4-20mA 2 dây ( không nguồn ) với PLC hoặc bộ đọc tín hiệu Active

Cách kết nối tín hiệu 4-20mA 2 dây với PLC hoặc bộ đọc tín hiệu Active

Việc kết nối tín hiệu 4-20mA 2 dây ( không nguồn ) với PLC được thực hiện đơn giản với việc cấp thêm một nguồn 24Vdc . Nguồn Dương 24Vdc  ( + ) được kết nối với chân Dương ( + ) của cảm biến áp suất 2 dây hay bộ chuyển đổi tín hiệu 2 dây Passive , chân Âm ( – ) của cảm biến áp suất 2 dây nối với chân Dương ( + ) của PLC , còn chân Âm ( – ) của bộ nguồn 24Vdc nối với chân Âm ( – ) của PLC .

Việc nối như thế tạo thành một vòng tròn kín giúp tín hiệu 4-20mA 2 dây của cảm biến áp suất có nguồn nuôi đưa tín hiệu về PLC để xử lý tín hiệu analog 4-20mA .

Việc chia sẽ kiến thức tự động hóa giúp mọi người chưa nắm rõ về các tín hiệu analog 4-20mA có cái nhìn tổng thể hơn một phần nhỏ trong điều khiển tự động . “

Tôi rất mong những ai đọc được bài viết này có thể hiểu rõ được những gì tôi muốn chia sẽ và giúp ích cho những ai đang thật sự gặp khó khăn về lĩnh vực này . Nếu có sai sót gì mong mọi người comment bên dưới để tôi có thể rút kinh nghiệm cho các bài viết sau tốt hơn . Nếu thấy hữu ích hãy bấm Like để tôi biết bài viết của mình có ích cho mọi người & Share cho mọi người biết nôi dung của bài viết này tới những ai thật sự cần . Những ai coppy bài viết vui lòng ghi rõ nguồn cấp .

“hãy cho đi vì kiến thức là của nhân loại , mình chỉ là người biết trước những người chưa biết mà thôi “