Trên catalogue đồng hồ đo lưu lượng, van điều khiển điện hay cảm biến áp suất, mục “tín hiệu ra” hoặc “tín hiệu điều khiển” gần như luôn có 4-20mA, bên cạnh xung (pulse) và RS485 Modbus. Bài viết giải thích tín hiệu 4-20mA là gì, cách quy đổi ra giá trị đo, cách đấu dây, và khi nào nên dùng xung hoặc RS485 thay thế.
Tín hiệu 4-20mA là gì?
Tín hiệu 4-20mA là tín hiệu analog dùng dòng điện một chiều từ 4 đến 20 mA để truyền một giá trị đo hoặc giá trị điều khiển. Giá trị nhỏ nhất của thang đo ứng với 4 mA, giá trị lớn nhất ứng với 20 mA, ở giữa tỷ lệ tuyến tính.
Ví dụ đồng hồ lưu lượng cài thang đo 0–100 m³/h: 4 mA = 0 m³/h, 12 mA = 50 m³/h, 20 mA = 100 m³/h.
Công thức quy đổi: Giá trị = Min + (I − 4) / 16 × (Max − Min), trong đó I là dòng điện đo được (mA), Min và Max là hai đầu thang đo đã cài trên thiết bị.
Vì sao dùng dòng điện và vì sao bắt đầu từ 4 mA?
- Không bị sụt áp trên dây: trong một vòng dòng điện, dòng điện như nhau tại mọi điểm, nên dây dài vài trăm mét vẫn truyền đúng giá trị, khác với tín hiệu điện áp 0–10V bị suy giảm theo chiều dài dây.
- Ít bị nhiễu hơn tín hiệu điện áp trong môi trường nhà máy có động cơ, biến tần.
- Phát hiện đứt dây: vì “0” của thang đo là 4 mA chứ không phải 0 mA, nên khi dòng về 0 mA, bộ điều khiển biết ngay là đứt dây hoặc mất nguồn chứ không phải lưu lượng bằng 0. Nhiều thiết bị còn chủ động đưa dòng xuống dưới khoảng 3,6 mA hoặc lên trên khoảng 21 mA để báo lỗi.
- Đủ năng lượng nuôi thiết bị: 4 mA đủ để nuôi mạch của nhiều cảm biến 2 dây, nên chỉ cần hai dây cho cả nguồn và tín hiệu.
Đấu dây 2 dây và 4 dây
| Kiểu | Cách hoạt động | Thường gặp ở |
|---|---|---|
| 2 dây (loop powered) | Nguồn 24VDC và tín hiệu đi chung trên hai dây; thiết bị tự điều chỉnh dòng tiêu thụ trong vòng theo giá trị đo | Cảm biến áp suất, cảm biến nhiệt độ, một số đồng hồ vortex |
| 4 dây | Hai dây nguồn riêng (220VAC hoặc 24VDC), hai dây tín hiệu 4-20mA riêng | Đồng hồ điện từ, siêu âm, phần lớn đồng hồ có màn hình |
Ngoài ra cần để ý ngõ ra chủ động (active) hay thụ động (passive). Ngõ ra chủ động tự cấp dòng cho vòng; ngõ ra thụ động cần nguồn 24VDC từ phía PLC. Ngõ ra chủ động đấu vào ngõ vào PLC cũng chủ động (hoặc hai bên cùng thụ động) sẽ không có tín hiệu, đây là lỗi đấu nối hay gặp khi chạy thử.
Mỗi ngõ ra 4-20mA có giới hạn điện trở tải (thường vài trăm ohm, xem catalogue). Tổng điện trở ngõ vào PLC, dây dẫn và các thiết bị hiển thị mắc nối tiếp trong vòng không được vượt giới hạn này. Dùng cáp xoắn đôi có vỏ chống nhiễu, nối đất vỏ chống nhiễu ở một đầu.
Tín hiệu xung (pulse) là gì?
Ngõ ra xung phát một xung điện mỗi khi một lượng thể tích nhất định chảy qua đồng hồ, ví dụ 1 xung = 10 lít. Thiết bị nhận (PLC, bộ đếm) đếm số xung để biết tổng lượng đã chảy qua.
- Phù hợp khi cần cộng dồn tổng lượng, ví dụ tính lượng nước cấp cho từng phân xưởng, định lượng mẻ pha trộn.
- Thường là ngõ ra transistor cực thu hở (open collector), cần nguồn và điện trở kéo từ phía nhận; một số đồng hồ có ngõ ra rơ le cho tần số xung thấp.
- Cần cài hệ số xung sao cho tần số xung ở lưu lượng lớn nhất không vượt khả năng đếm của PLC.
- Một số đồng hồ dạng cơ có thể gắn thêm bộ phát xung để đưa tổng lượng về hệ thống.
RS485 Modbus là gì?
RS485 là chuẩn truyền thông số qua hai dây (A, B); Modbus RTU là giao thức thường chạy trên RS485. Qua một đường truyền, PLC hoặc SCADA đọc được nhiều thông số của đồng hồ cùng lúc: lưu lượng tức thời, tổng thuận, tổng nghịch, vận tốc, trạng thái ống rỗng, mã lỗi.
- Nhiều thiết bị đấu chung một đường (đấu nối tiếp kiểu daisy chain), mỗi thiết bị một địa chỉ riêng.
- Khoảng cách truyền tối đa khoảng 1.200 m ở tốc độ thấp; hai đầu đường truyền lắp điện trở đầu cuối 120 Ω.
- Các thiết bị trên cùng đường phải cài giống nhau tốc độ truyền (baud rate, ví dụ 9600) và khung dữ liệu.
- Cần bảng địa chỉ thanh ghi (register map) của hãng để lập trình đọc dữ liệu.
Một số thiết bị dùng HART, là tín hiệu số chồng lên chính vòng 4-20mA, cho phép vừa đọc giá trị analog vừa cài đặt, chẩn đoán từ xa.
So sánh 4-20mA, xung và RS485
| Tiêu chí | 4-20mA | Xung | RS485 Modbus |
|---|---|---|---|
| Truyền giá trị | 1 giá trị tức thời | Tổng lượng (đếm xung) | Nhiều giá trị, trạng thái, lỗi |
| Thiết bị nhận | Ngõ vào analog PLC, bộ điều khiển, bộ hiển thị | Ngõ vào đếm tốc độ cao, bộ đếm | Cổng truyền thông PLC, SCADA, bộ ghi dữ liệu |
| Số dây cho mỗi thiết bị | 2 dây riêng | 2 dây riêng | Nhiều thiết bị chung 2 dây |
| Lập trình | Đơn giản, chỉ cài thang đo | Đơn giản, cài hệ số xung | Cần cài địa chỉ, bảng thanh ghi |
| Dùng cho vòng điều khiển | Rất phù hợp | Không phù hợp | Được, nhưng phụ thuộc chu kỳ đọc |
Nhiều đồng hồ có sẵn cả ba loại ngõ ra. Cách làm phổ biến: dùng 4-20mA cho vòng điều khiển, xung hoặc RS485 để lấy tổng lượng và giám sát. Xem thêm tiêu chí chọn ngõ ra trong bài cách chọn đồng hồ đo lưu lượng.
Ứng dụng: điều khiển lưu lượng bằng đồng hồ và van tuyến tính
Một vòng điều khiển lưu lượng thường gồm: đồng hồ đo lưu lượng điện từ gửi lưu lượng thực tế về PLC qua 4-20mA; PLC so sánh với giá trị đặt rồi xuất tín hiệu 4-20mA điều khiển van tuyến tính mở nhiều hay ít. Van điều khiển điện loại tuyến tính nhận 4-20mA để định vị góc mở (4 mA đóng, 20 mA mở hoàn toàn, hoặc ngược lại tùy cài đặt), và thường có ngõ ra 4-20mA phản hồi vị trí thực tế.
Phân biệt van on-off và van tuyến tính xem tại bài van điều khiển điện on-off và tuyến tính; sơ đồ đấu dây xem tại bài cách đấu dây van điều khiển điện. Nguồn cấp cho thiết bị 24VDC hay 220VAC, xem bài điện AC và DC khác nhau thế nào.
Kiểm tra tín hiệu 4-20mA khi chạy thử
- Kiểm tra thang đo cài trên đồng hồ trùng với thang đo cài trên PLC (ví dụ cả hai cùng 0–100 m³/h).
- Dùng đồng hồ vạn năng ở thang mA, mắc nối tiếp vào vòng để đo dòng thực tế, rồi so với giá trị hiển thị trên đồng hồ lưu lượng theo công thức quy đổi ở trên.
- Nhiều đồng hồ có chức năng phát dòng thử (ví dụ ép ra 4, 12, 20 mA) để kiểm tra đường dây và cài đặt PLC trước khi có dòng chảy thật.
- Nếu dòng bằng 0 mA: kiểm tra đứt dây, mất nguồn, đấu sai cực, hoặc hai đầu cùng chủ động hay cùng thụ động.
Các bước lắp đặt đồng hồ trước khi chạy thử xem tại bài lắp đặt đồng hồ đo lưu lượng.
Câu hỏi thường gặp
Vì sao tín hiệu bắt đầu từ 4 mA mà không phải 0 mA?
Để phân biệt giá trị đo bằng 0 với sự cố. Khi đo bằng 0, dòng vẫn là 4 mA; nếu dòng về 0 mA thì chắc chắn là đứt dây hoặc mất nguồn. Mức 4 mA cũng đủ nuôi mạch của cảm biến 2 dây.
12 mA tương ứng với bao nhiêu phần trăm thang đo?
12 mA là 50% thang đo, vì (12 − 4) / 16 = 0,5. Tương tự 8 mA là 25% và 16 mA là 75%.
Tín hiệu 4-20mA truyền được xa bao nhiêu?
Thường vài trăm mét đến khoảng một kilômét, phụ thuộc điện áp nguồn của vòng và tổng điện trở dây cộng điện trở tải không vượt giới hạn của ngõ ra. Dây càng dài, tiết diện dây cần càng lớn.
Nên chọn 4-20mA hay RS485 cho đồng hồ lưu lượng?
Nếu chỉ cần lưu lượng tức thời để điều khiển hoặc hiển thị, 4-20mA đơn giản và chắc chắn hơn. Nếu cần đọc thêm tổng lượng, trạng thái và mã lỗi của nhiều đồng hồ về SCADA, RS485 Modbus tiết kiệm dây và cho nhiều thông tin hơn.
Cần tư vấn tín hiệu cho đồng hồ, van điều khiển?
Gửi cho Van Nước Việt Nam (Viva) loại PLC hoặc bộ điều khiển đang dùng và kiểu ngõ vào còn trống, để được tư vấn đồng hồ đo lưu lượng hoặc van điều khiển bằng điện có tín hiệu phù hợp. Gọi hoặc nhắn Zalo 0969 916 835, hoặc gửi yêu cầu qua trang liên hệ. Tổng quan các loại đồng hồ có trong bài flow meter là gì.
