Học Automation cùng MINATA #36: Tín hiệu analog 0–10V và 4–20mA: đọc giá trị liên tục không đoán

Tín hiệu analog 0–10V và 4–20mA: đọc giá trị liên tục không đoán

Input số chỉ trả lời ON/OFF. Khi cần biết áp suất bao nhiêu, mức bồn ở đâu, nhiệt độ thay đổi thế nào hoặc tốc độ đang đặt bao nhiêu, hệ điều khiển dùng tín hiệu analog. Hai chuẩn phổ biến nhất là 0–10V và 4–20mA. Chúng chỉ trở nên đáng tin khi chọn đúng module, đúng kiểu dây và scale đúng trong PLC/HMI.

0–10V và 4–20mA khác nhau thế nào

0–10V: điện áp tỷ lệ với giá trị đo. Dễ gặp ở tín hiệu đặt tốc độ, cảm biến khoảng cách hoặc thiết bị trong tủ. Nó nhạy hơn với sụt áp và nhiễu trên đường dây dài.
4–20mA: dòng điện tỷ lệ với giá trị đo. Mức 4mA đại diện cho zero sống (live zero), nên giá trị quá thấp có thể giúp nhận ra đứt mạch tùy cấu hình. Chuẩn này thường phù hợp hơn cho đường dây xa và môi trường công nghiệp nhiễu.

Không đổi trực tiếp 0–10V sang 4–20mA bằng cách thay dây. Cảm biến, input module, kiểu cấp nguồn (2 dây/3 dây/4 dây) và cấu hình đo phải khớp nhau.

Scale giá trị trong PLC

Module thường trả về một giá trị thô; chương trình phải đổi nó thành đơn vị kỹ thuật. Ví dụ transmitter 4–20mA đo 0–10 bar: 4mA tương ứng 0 bar, 20mA tương ứng 10 bar. Công thức tuyến tính phải dùng đúng dải raw của module, sau đó HMI hiển thị bar, giới hạn alarm và giá trị lọc.

Ba phần cần được tài liệu hóa cùng nhau: dải cảm biến, dải module và dải hiển thị. Nếu HMI ghi 0–10 bar còn chương trình scale 0–16 bar, một máy có thể vận hành sai nhưng vẫn “trông hợp lý”.

Đấu nối và chống nhiễu

Xem sơ đồ hãng để biết input active/passive và vị trí COM.
Đi dây analog tách khỏi cáp motor/biến tần; dùng cáp shield theo yêu cầu.
Nối shield theo quy tắc của hệ thống, không tùy tiện nối hai đầu rồi tạo vòng dòng đất.
Cấp nguồn sensor đúng loại; kiểm tra cả dòng loop với 4–20mA.
Thêm lọc số vừa đủ; lọc quá mạnh làm điều khiển chậm, lọc quá ít làm HMI rung số.

Bảng so sánh các chuẩn tín hiệu analog

Chuẩn	Đặc điểm	Chống nhiễu/đường dài	Nhận biết đứt mạch
0–10V	Áp tỷ lệ, phổ biến trong tủ	Kém hơn, nhạy sụt áp	Khó (0V lẫn với giá trị thấp)
0–20mA	Dòng tỷ lệ	Tốt	Không (0mA là giá trị hợp lệ)
4–20mA	Dòng tỷ lệ, live-zero 4mA	Tốt, ưu tiên cho hiện trường	Có: dưới 4mA gợi ý đứt mạch/lỗi
±10V	Áp hai chiều, hay dùng đặt tốc độ có chiều	Trung bình	Khó

Công thức scale và ví dụ số

Đổi giá trị thô (raw) của module sang đơn vị kỹ thuật (EU) bằng nội suy tuyến tính:

EU = EU_min + (raw − raw_min) × (EU_max − EU_min) / (raw_max − raw_min)

Ví dụ transmitter 4–20mA đo 0–10 bar, module analog trả 0–32000 cho dải 4–20mA. Ở 12mA (giữa dải), raw ≈ 16000 → EU = 0 + 16000 × (10 − 0) / 32000 = 5,0 bar. Luôn kiểm tra lại raw_min/raw_max thực tế của model module, vì mỗi hãng đánh số thô khác nhau.

Transmitter 2, 3 và 4 dây

2 dây (loop-powered): nguồn và tín hiệu chung một cặp dây 4–20mA; tiết kiệm dây nhưng cần đủ điện áp loop.
3 dây: nguồn riêng, tín hiệu chung 0V; hay gặp ở cảm biến 0–10V hoặc 0–20mA.
4 dây: nguồn và tín hiệu tách hẳn; dùng cho thiết bị đo cần nguồn riêng.

Kiểu cấp nguồn quyết định input module là active hay passive — đọc sơ đồ hãng trước khi đấu.

Tình huống kỹ thuật tham khảo

Một bồn khí nén có transmitter 4–20mA, PLC dùng giá trị đã scale để hiển thị áp suất, cảnh báo thấp/cao và khóa một chu trình khi chưa đủ áp. Khi commissioning, kỹ thuật viên so sánh giá trị PLC với đồng hồ chuẩn ở ít nhất vài điểm dải đo, không chỉ nhìn một điểm giữa.

Ngưỡng cảnh báo, mức sai số và kiến trúc nối đất phải theo yêu cầu quá trình, thiết bị thật và hồ sơ an toàn.

Checklist analog

[ ] Xác định rõ chuẩn 0–10V hay 4–20mA, kiểu sensor và module.
[ ] Ghi dải kỹ thuật, raw range, đơn vị và giới hạn alarm.
[ ] Đi dây/shield tách nguồn nhiễu.
[ ] Kiểm tra scale bằng điểm chuẩn, không chỉ một giá trị.
[ ] Hiển thị lỗi ngoài dải/đứt mạch phù hợp khả năng module.

Analog là nơi chất lượng điện, dây và phần mềm gặp nhau. Sau bài này, #37 đi vào biến tần — thiết bị dùng cả điều khiển số lẫn analog rất phổ biến.

Đọc thêm kiến thức tự động hóa tại MINATA: https://minatavn.com/vi/blog/tu-dong-hoa

Bài tiếp theo — #37: Biến tần VFD: nguyên lý và giới hạn: https://minatavn.com/vi/blog/hoc-automation-cung-minata-37-bien-tan-vfd-nguyen-ly

Xem tất cả bài viết kỹ thuật MINATA