Bộ cách ly và chia tín hiệu 4–20mA: Nguyên lý, cách chọn và ứng dụng

Tín hiệu 4–20mA được sử dụng rộng rãi để truyền giá trị áp suất, mức, lưu lượng, nhiệt độ, trọng lượng và nhiều đại lượng đo lường trong nhà máy.

Trong thực tế, một tín hiệu từ cảm biến đôi khi cần gửi đồng thời đến PLC, bộ hiển thị và hệ thống ghi dữ liệu. Đấu trực tiếp nhiều thiết bị vào cùng một vòng dòng có thể làm tăng tải, tạo vòng lặp mass hoặc khiến toàn bộ hệ thống mất tín hiệu khi một thiết bị gặp sự cố.

Bộ cách ly và chia tín hiệu 4–20mA giải quyết vấn đề này bằng cách nhận một tín hiệu đầu vào, cách ly điện và tạo ra nhiều tín hiệu đầu ra độc lập.

Tín hiệu 4–20mA là gì?

Trong vòng dòng 4–20mA:

• 4mA thường đại diện cho giá trị nhỏ nhất của thang đo.
• 20mA đại diện cho giá trị lớn nhất.
• Giá trị nằm giữa được quy đổi tuyến tính.
• Dòng thấp bất thường có thể được sử dụng để phát hiện đứt dây hoặc lỗi thiết bị tùy cấu hình.

Ví dụ, cảm biến áp suất có thang đo 0–10bar:

Công thức quy đổi tổng quát:

Giaˊ trị=Giaˊ trịmin⁡+I−416×(Giaˊ trịmax⁡−Giaˊ trịmin⁡)Giá\ trị = Giá\ trị_{\min}+ \frac{I-4}{16}\times (Giá\ trị_{\max}-Giá\ trị_{\min})Giaˊ trị=Giaˊ trịmin​+16I−4​×(Giaˊ trịmax​−Giaˊ trịmin​)

Trong đó $I$ là dòng đo được theo đơn vị mA.

Bộ chia tín hiệu 4–20mA hoạt động như thế nào?

Thiết bị thực hiện ba chức năng chính:

1. Nhận tín hiệu dòng từ cảm biến hoặc bộ điều khiển.
2. Cách ly điện giữa đầu vào, nguồn và các đầu ra.
3. Tái tạo tín hiệu thành hai, ba hoặc bốn ngõ ra độc lập.

Ví dụ:

• Input: cảm biến áp suất 4–20mA.
• Output 1: PLC.
• Output 2: bộ hiển thị.
• Output 3: data logger hoặc SCADA.

Khi cảm biến phát 12mA, các đầu ra được cấu hình tương ứng cũng phát 12mA trong giới hạn sai số của thiết bị.

Vì sao không nên đấu song song trực tiếp?

Ngõ ra 4–20mA là nguồn dòng, không giống tín hiệu điện áp 0–10V. Việc đấu nhiều ngõ vào song song có thể:

• Làm sai tổng trở tải.
• Khiến dòng phân chia không kiểm soát.
• Tạo sai số đo.
• Gây vòng lặp mass.
• Làm nhiễu lan truyền giữa các tủ điện.
• Khi một thiết bị hỏng, các thiết bị còn lại cũng mất tín hiệu.

Trong một số vòng dòng, nhiều tải có thể được mắc nối tiếp nếu tổng trở nằm trong khả năng tải của transmitter. Tuy nhiên, các thiết bị không được cách ly và sự cố tại một điểm vẫn ảnh hưởng toàn vòng.

Khi cần nhiều tín hiệu độc lập, sử dụng bộ chia cách ly là phương án ổn định hơn.

Những cấu hình phổ biến

Một đầu vào – hai đầu ra

Phù hợp khi một cảm biến cần gửi đến PLC và bộ hiển thị.

Một đầu vào – ba đầu ra

Dùng cho PLC, HMI/bộ hiển thị và thiết bị ghi dữ liệu.

Một đầu vào – bốn đầu ra

Dùng trong hệ thống có nhiều bộ điều khiển, phòng điều khiển hoặc tủ điện ở các vị trí khác nhau.

Hai đầu vào – hai đầu ra

Một thiết bị xử lý đồng thời hai kênh độc lập, giúp tiết kiệm không gian tủ điện.

Sản phẩm ASC601 trên website Gia Hưng Tech có các tùy chọn một đầu vào và từ hai đến bốn đầu ra, sử dụng nguồn 24VDC và lắp trên thanh DIN rail. Thông tin sản phẩm ASC601.

Ứng dụng thực tế

Chia tín hiệu cảm biến áp suất

Một cảm biến áp suất đường ống gửi tín hiệu đến PLC điều khiển bơm, đồng hồ hiển thị tại chỗ và bộ ghi dữ liệu.

Chia tín hiệu loadcell hoặc đầu cân

Tín hiệu analog từ đầu cân có thể được đưa đến PLC điều khiển, bộ hiển thị phụ và hệ thống thu thập dữ liệu.

Cách ly tín hiệu giữa hai tủ điện

Hai tủ sử dụng nguồn và hệ thống tiếp địa khác nhau có thể phát sinh chênh lệch điện thế. Cách ly điện giúp hạn chế dòng vòng mass.

Phân phối giá trị về PLC và SCADA

PLC sử dụng tín hiệu cho điều khiển thời gian thực, trong khi hệ thống SCADA hoặc data logger dùng đầu ra khác để lưu lịch sử.

Chống nhiễu trong nhà máy

Thiết bị cách ly hỗ trợ giảm ảnh hưởng của nhiễu lan truyền qua đường tín hiệu, đặc biệt trong môi trường có biến tần và động cơ công suất lớn.

Tiêu chí lựa chọn bộ chia tín hiệu

1. Loại tín hiệu đầu vào

Cần xác định chính xác:

• 4–20mA.
• 0–20mA.
• 0–10V.
• 0–5V.
• Tín hiệu từ transmitter chủ động.
• Tín hiệu vòng lặp hai dây.

Không nên mua chỉ dựa trên tên “bộ chia analog”.

2. Số lượng đầu ra

Chọn cấu hình 1 vào 2 ra, 1 vào 3 ra hoặc 1 vào 4 ra theo số thiết bị nhận tín hiệu.

Nên dự phòng một đầu ra nếu hệ thống có khả năng bổ sung thiết bị giám sát.

3. Cách ly giữa các cổng

Kiểm tra đầu vào, đầu ra và nguồn có được cách ly độc lập hay không. Đây là yếu tố quan trọng khi các thiết bị thuộc nhiều tủ điện hoặc nhiều hệ thống nguồn.

4. Khả năng tải đầu ra

Tổng trở ngõ vào của PLC, bộ hiển thị và data logger phải nằm trong khả năng tải của từng output.

Không nên chỉ kiểm tra tín hiệu 4–20mA mà bỏ qua tải cho phép.

5. Nguồn cấp

Nguồn 24VDC thuận tiện cho tủ điều khiển công nghiệp. Một số dòng có thể hỗ trợ nguồn AC hoặc nguồn vòng lặp, nhưng phải chọn đúng mã thiết bị.

6. Độ chính xác và thời gian đáp ứng

Hệ thống cân, định lượng hoặc điều khiển nhanh cần quan tâm đến:

• Độ chính xác toàn thang.
• Độ trôi nhiệt.
• Thời gian đáp ứng.
• Khả năng chống nhiễu.

7. Kích thước thiết bị

Tủ điện chật nên cân nhắc phiên bản SLIM. Gia Hưng Tech hiện có trang sản phẩm riêng cho bộ cách ly tín hiệu 4–20mA SLIM.

Nguyên tắc đấu nối

Trình tự kiểm tra nên thực hiện như sau:

1. Ngắt nguồn trước khi đấu dây.
2. Xác định cực dương và cực âm của input.
3. Xác định transmitter chủ động hay thụ động.
4. Đấu nguồn đúng điện áp và đúng cực tính.
5. Đấu từng output vào một thiết bị nhận độc lập.
6. Không nối chung cực âm nếu tài liệu yêu cầu cách ly hoàn toàn.
7. Tách cáp tín hiệu khỏi cáp động lực.
8. Chỉ nối shield theo thiết kế tiếp địa của hệ thống.
9. Cấp nguồn và đo dòng từng kênh.
10. Kiểm tra giá trị hiển thị tại 4mA, 12mA và 20mA.

Sơ đồ chân giữa các model không giống nhau. Phải sử dụng tài liệu đúng mã sản phẩm, không đấu theo hình minh họa chung.

Một số lỗi thường gặp

Câu hỏi thường gặp

Một tín hiệu 4–20mA có thể chia ra bốn PLC không?

Có thể nếu sử dụng bộ chia một vào bốn ra phù hợp. Mỗi PLC nhận một output độc lập.

Bộ chia có làm thay đổi giá trị tín hiệu không?

Thiết bị sẽ tái tạo tín hiệu theo tỷ lệ đã thiết kế. Sai lệch thực tế phụ thuộc độ chính xác, tải, nhiệt độ và chất lượng thiết bị.

Có thể dùng bộ chia 4–20mA cho tín hiệu 0–10V không?

Chỉ khi model hỗ trợ chuyển đổi đầu vào 0–10V sang các đầu ra mong muốn. Không nên sử dụng model chỉ hỗ trợ 4–20mA.

Bộ cách ly có loại bỏ hoàn toàn mọi loại nhiễu không?

Không. Thiết bị giúp cách ly và hạn chế nhiễu truyền theo đường tín hiệu, nhưng hệ thống vẫn cần đi dây, nối đất, shield và bố trí tủ đúng kỹ thuật.

Có cần cấp nguồn riêng cho từng đầu ra không?

Tùy cấu trúc thiết bị và loại đầu ra chủ động hoặc thụ động. Cần đọc đúng sơ đồ của model trước khi đấu.

Tư vấn lựa chọn và báo giá

Để lựa chọn đúng bộ chia tín hiệu, khách hàng nên gửi:

• Loại tín hiệu đầu vào.
• Số lượng đầu ra.
• Thiết bị phát tín hiệu.
• Danh sách thiết bị nhận.
• Nguồn cấp hiện có.
• Hình ảnh hoặc sơ đồ đấu dây.
• Khoảng cách truyền tín hiệu.

Gia Hưng Tech hỗ trợ lựa chọn bộ cách ly, bộ chia và bộ chuyển đổi tín hiệu cho PLC, đầu cân, cảm biến và hệ thống điều khiển công nghiệp.

Hotline/Zalo: 0912.888.729