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

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 . “