Cách tính công suất bộ nguồn 24VDC cho PLC, HMI và cảm biến

Cách tính công suất bộ nguồn 24VDC cho PLC, HMI và cảm biến là bước quan trọng khi thiết kế tủ điện tự động hóa. Nếu chọn nguồn có công suất quá thấp, hệ thống có thể bị sụt áp, reset PLC, mất kết nối HMI hoặc hoạt động không ổn định. Ngược lại, chọn nguồn quá lớn có thể làm tăng chi phí và chiếm thêm không gian trong tủ điện.

Trong thực tế, không nên chỉ nhìn vào công suất của PLC để chọn bộ nguồn. Cần tính tổng dòng điện của toàn bộ thiết bị sử dụng nguồn 24VDC như PLC, HMI, cảm biến, module I/O, relay, switch công nghiệp và các thiết bị phụ trợ, sau đó cộng thêm một mức dự phòng phù hợp.

Mục lục

• 1. Bộ nguồn 24VDC trong hệ thống tự động hóa là gì?
• 2. Vì sao cần tính công suất bộ nguồn?
• 3. Cần xác định những thông số nào trước khi tính?
• 4. Công thức tính công suất bộ nguồn 24VDC
• 5. Cách tính nguồn 24VDC cho PLC, HMI và cảm biến
• 6. Ví dụ tính toán thực tế
• 7. Nên chừa bao nhiêu công suất dự phòng?
• 8. Cách chọn bộ nguồn sau khi tính toán
• 9. Một số bộ nguồn 24VDC tại Batiea
• 10. Những sai lầm thường gặp khi chọn nguồn
• 11. Thiết bị và giải pháp liên quan
• 12. Bài viết liên quan
• 13. Câu hỏi thường gặp
• 14. Kết luận
• 15. Liên hệ tư vấn

1. Bộ nguồn 24VDC trong hệ thống tự động hóa là gì?

Bộ nguồn 24VDC là thiết bị chuyển đổi nguồn điện đầu vào AC hoặc DC thành điện áp một chiều 24V để cấp cho các thiết bị điều khiển và thiết bị ngoại vi trong tủ điện.

Trong một hệ thống tự động hóa, nguồn 24VDC có thể cấp điện cho nhiều thiết bị cùng lúc như:

• PLC và các module mở rộng I/O.
• Màn hình HMI.
• Cảm biến quang, cảm biến tiệm cận và các loại cảm biến DC.
• Relay trung gian.
• Switch mạng công nghiệp.
• Thiết bị truyền thông và các module phụ trợ.
• Van điện từ hoặc các tải DC khác nếu được thiết kế sử dụng chung nguồn.

Vì vậy, khi thiết kế hệ thống, cần xác định tổng tải thực tế thay vì chỉ tính riêng PLC.

Nếu muốn tìm hiểu thêm về lý do PLC và HMI thường sử dụng nguồn 24VDC, có thể tham khảo bài Tại sao PLC và HMI dùng nguồn 24V DC?.

2. Vì sao cần tính công suất bộ nguồn?

Việc tính toán công suất giúp xác định bộ nguồn có đủ khả năng cấp điện cho toàn bộ hệ thống hay không.

Nếu nguồn được lựa chọn không phù hợp, một số hiện tượng có thể xuất hiện:

• Điện áp đầu ra bị sụt khi tải tăng.
• PLC có thể reset hoặc hoạt động không ổn định.
• HMI có thể mất nguồn hoặc mất kết nối.
• Cảm biến hoạt động không ổn định.
• Relay hoặc thiết bị DC không đóng cắt ổn định.
• Bộ nguồn phải làm việc liên tục gần giới hạn định mức.

Ngược lại, nếu chọn nguồn có công suất lớn hơn rất nhiều so với nhu cầu thực tế, chi phí đầu tư và kích thước thiết bị có thể tăng mà không mang lại lợi ích tương ứng.

Do đó, mục tiêu không phải là chọn bộ nguồn có công suất càng lớn càng tốt mà là tính đúng tải, tính đến điều kiện vận hành và chừa mức dự phòng hợp lý.

3. Cần xác định những thông số nào trước khi tính?

Trước khi tính công suất nguồn 24VDC, nên lập danh sách tất cả thiết bị sử dụng chung đường nguồn.

3.1. Dòng tiêu thụ của PLC

Kiểm tra datasheet hoặc thông số kỹ thuật của CPU PLC để xác định dòng điện hoặc công suất tiêu thụ tương ứng.

Không nên lấy một giá trị dòng điện cố định áp dụng cho mọi PLC vì mức tiêu thụ phụ thuộc vào từng CPU, cấu hình và điều kiện hoạt động.

Nếu hệ thống sử dụng PLC Siemens S7-1200, cần kiểm tra đúng mã CPU trước khi tính toán.

3.2. Dòng tiêu thụ của HMI

HMI thường sử dụng nguồn DC riêng và có mức tiêu thụ phụ thuộc vào model, kích thước màn hình và cấu hình phần cứng.

Cần lấy thông số từ datasheet của đúng model HMI thay vì ước lượng theo kích thước màn hình.

3.3. Dòng tiêu thụ của cảm biến

Cảm biến là nhóm tải thường bị bỏ qua khi tính nguồn.

Ví dụ, một hệ thống có nhiều cảm biến quang, cảm biến tiệm cận hoặc cảm biến vị trí thì tổng dòng tiêu thụ của các cảm biến có thể trở thành một phần đáng kể trong tổng tải 24VDC.

Công thức:

I_{cảm biến} = Số lượng cảm biến × Dòng tiêu thụ của mỗi cảm biến

Trong đó dòng tiêu thụ phải lấy theo thông số của đúng model cảm biến.

Batiea hiện có các sản phẩm cảm biến Autonics như BJR10M-TDT-F và BEN10M-TFR. Các model này có thông số nguồn và cấu hình khác nhau nên cần kiểm tra datasheet từng sản phẩm khi đưa vào bài toán nguồn.

Đối với người cần tìm hiểu thêm về cấu hình dây của cảm biến, có thể xem bài Cảm biến 2 dây và 3 dây khác nhau như thế nào?.

3.4. Dòng tiêu thụ của module I/O

Nếu PLC sử dụng thêm các module mở rộng, cần kiểm tra mức tiêu thụ của từng module theo tài liệu kỹ thuật.

Ví dụ, hệ thống S7-1200 có thể mở rộng thêm các module Digital Input, Digital Output hoặc các module tín hiệu khác. Việc tăng số lượng module cũng làm thay đổi yêu cầu cấp nguồn của toàn hệ thống.

Có thể tham khảo bài Tổng hợp các module mở rộng I/O Siemens S7-1200: SM1221 & SM1222 để tìm hiểu thêm về các module I/O.

3.5. Dòng tiêu thụ của relay và thiết bị phụ trợ

Ngoài PLC, HMI và cảm biến, cần kiểm tra các thiết bị dùng chung nguồn 24VDC như relay trung gian, switch Ethernet, module truyền thông, đèn báo hoặc các thiết bị phụ trợ khác.

Đây là phần thường bị bỏ sót trong các bài toán nguồn đơn giản.

4. Công thức tính công suất bộ nguồn 24VDC

Có hai thông số cơ bản cần tính: dòng điện tổng và công suất tổng.

4.1. Tính tổng dòng điện

Công thức:

I_tổng = I_PLC + I_HMI + I_{cảm biến} + I_I/O + I_relay + I_khác

Trong đó mỗi giá trị phải được lấy theo dòng tiêu thụ thực tế hoặc thông số định mức của thiết bị.

4.2. Tính công suất tải

Sau khi có tổng dòng điện, công suất DC được tính theo:

P = U × I

Với hệ thống 24VDC:

P = 24 × I_tổng

Ví dụ, nếu tổng dòng tải là 2,5A:

P = 24 × 2,5 = 60W

Như vậy tải DC tính toán là khoảng 60W trước khi cộng dự phòng.

4.3. Tính công suất có dự phòng

Nếu sử dụng mức dự phòng 25%:

I_{chọn nguồn} = I_tổng × 1,25

Hoặc:

P_{chọn nguồn} = P_tải × 1,25

Mức 20–30% có thể được sử dụng như một mốc tham khảo trong các hệ thống thông thường, nhưng mức dự phòng thực tế cần căn cứ vào đặc tính tải, điều kiện môi trường, khả năng mở rộng và yêu cầu của bộ nguồn.

5. Cách tính nguồn 24VDC cho PLC, HMI và cảm biến

Có thể thực hiện theo 5 bước sau.

Bước 1: Lập danh sách toàn bộ tải 24VDC

Liệt kê tất cả thiết bị sử dụng chung bộ nguồn:

• PLC.
• HMI.
• Module I/O.
• Cảm biến.
• Relay.
• Switch mạng.
• Thiết bị truyền thông.
• Các tải DC khác.

Bước 2: Ghi dòng tiêu thụ của từng thiết bị

Lấy dòng tiêu thụ từ datasheet hoặc thông số kỹ thuật của từng model.

Bước 3: Cộng tổng dòng điện

Cộng dòng của tất cả thiết bị:

I_tổng = I1 + I2 + I3 + I4 + ...

Bước 4: Cộng mức dự phòng

Nhân tổng dòng với hệ số dự phòng phù hợp.

Ví dụ chọn dự phòng 25%:

I_nguồn = I_tổng × 1,25

Bước 5: Chọn bộ nguồn có dòng định mức bằng hoặc lớn hơn kết quả

Nếu tính toán cần 3,25A thì có thể xem xét nguồn 4A hoặc 5A tùy danh mục sản phẩm và điều kiện vận hành.

Không nên chọn nguồn có dòng định mức thấp hơn dòng tải tính toán.

6. Ví dụ tính toán thực tế

Giả sử một tủ điều khiển có các thiết bị sử dụng nguồn 24VDC như sau. Các giá trị dưới đây chỉ là ví dụ tính toán, không phải thông số cố định cho một model PLC, HMI hoặc cảm biến cụ thể.

Tổng dòng giả định:

I_tổng = 0,6 + 0,5 + 0,4 + 0,3 + 0,4 = 2,2A

Công suất tải:

P = 24 × 2,2 = 52,8W

Nếu chừa 25% dự phòng:

I_nguồn = 2,2 × 1,25 = 2,75A

Như vậy, bộ nguồn cần có dòng định mức ít nhất khoảng 2,75A theo ví dụ này. Có thể xem xét nguồn 3A, 4A hoặc 5A tùy sản phẩm thực tế, điều kiện tải và yêu cầu mở rộng.

Ví dụ này cho thấy việc tính theo tổng dòng sẽ chính xác hơn nhiều so với việc chỉ nhìn vào công suất của CPU PLC.

7. Nên chừa bao nhiêu công suất dự phòng?

Không có một tỷ lệ dự phòng duy nhất áp dụng cho mọi hệ thống. Mức dự phòng cần được xác định dựa trên loại tải, chu kỳ vận hành, nhiệt độ, khả năng mở rộng và đặc tính của bộ nguồn.

Dự phòng khoảng 20%

Có thể phù hợp với hệ thống có tải tương đối ổn định, đã xác định rõ cấu hình và ít khả năng mở rộng.

Dự phòng khoảng 25–30%

Có thể phù hợp hơn với nhiều tủ điều khiển có thêm cảm biến, relay, HMI và một số thiết bị phụ trợ hoặc có kế hoạch mở rộng.

Cần dự phòng cao hơn khi tải có đặc tính đặc biệt

Nếu hệ thống có thiết bị có dòng khởi động cao, tải thay đổi lớn hoặc yêu cầu nguồn liên tục cao, không nên chỉ áp dụng một tỷ lệ phần trăm cố định.

Cần xem xét thêm:

• Dòng khởi động hoặc dòng xung của tải.
• Khả năng quá tải ngắn hạn của bộ nguồn.
• Derating theo nhiệt độ môi trường.
• Khả năng thông gió trong tủ điện.
• Chiều dài dây và sụt áp trên đường 24VDC.
• Khả năng mở rộng hệ thống trong tương lai.

8. Cách chọn bộ nguồn sau khi tính toán

Sau khi xác định được dòng và công suất cần thiết, tiếp tục kiểm tra các yếu tố sau.

8.1. Điện áp đầu ra

Nếu hệ thống sử dụng PLC, HMI và cảm biến 24VDC thì cần chọn bộ nguồn có đầu ra phù hợp với điện áp làm việc của các thiết bị.

8.2. Dòng đầu ra

Dòng định mức của bộ nguồn phải đáp ứng dòng tải tính toán và phần dự phòng đã xác định.

8.3. Công suất đầu ra

Công suất có thể tính theo P = U × I. Với nguồn 24VDC, nguồn 5A tương ứng công suất danh định khoảng:

P = 24 × 5 = 120W

Tuy nhiên, khi lựa chọn thực tế vẫn phải kiểm tra datasheet và điều kiện tải của đúng model.

8.4. Điện áp đầu vào

Cần kiểm tra nguồn đầu vào của bộ nguồn là 1 pha hay 3 pha và dải điện áp cho phép.

Ví dụ, Batiea hiện có cả các bộ nguồn Siemens SITOP sử dụng đầu vào 1 pha và các model sử dụng nguồn 3 pha.

8.5. Kiểu lắp đặt

Đối với tủ điện điều khiển, bộ nguồn lắp DIN Rail thường thuận tiện cho việc bố trí và bảo trì.

8.6. Khả năng bảo vệ

Nên kiểm tra các chức năng như bảo vệ quá tải, ngắn mạch và quá áp tùy theo yêu cầu của hệ thống.

Đối với hệ thống quan trọng, có thể cần xem xét thêm các giải pháp như UPS DC, module dự phòng hoặc giám sát nguồn.

Batiea hiện có danh mục bộ nguồn SITOP Siemens với nhiều mức dòng và cấu hình khác nhau.

9. Một số bộ nguồn 24VDC tại Batiea

Dựa trên danh mục sản phẩm hiện có, Batiea đang cung cấp nhiều lựa chọn bộ nguồn 24VDC từ Siemens và Omron. Một số model phù hợp để tham khảo khi tính toán nguồn cho PLC, HMI và thiết bị ngoại vi gồm:

9.1. Omron S8FS-C05024 – 2,2A / 50W

Bộ nguồn Omron S8FS-C05024 2,2A 24V 50W có đầu ra 24VDC, dòng 2,2A và công suất 50W. Batiea hiện hiển thị sản phẩm ở trạng thái Còn Hàng.

Model này có thể được tham khảo cho các hệ thống có tổng tải 24VDC tương đối nhỏ sau khi đã tính toán đầy đủ dòng PLC, HMI, cảm biến và các thiết bị phụ trợ.

9.2. Siemens SITOP PSU4200 – 5A / 120W

Siemens SITOP 1AC-5A 6EP3333-3SB00-0AX0 có đầu ra 24VDC/5A, tương đương công suất danh định khoảng 120W. Batiea hiện hiển thị model này ở trạng thái Còn Hàng.

Đây là mức công suất phù hợp để tham khảo cho các tủ điều khiển có PLC, HMI, cảm biến và nhiều thiết bị phụ trợ hơn so với nguồn 2,2A.

9.3. Omron S8VK-C12024 – 5A / 120W

Bộ nguồn Omron S8VK-C12024 5A 24VDC 120W có đầu ra 24VDC, dòng 5A và công suất 120W. Sản phẩm được thiết kế để lắp trên thanh ray DIN và Batiea hiện hiển thị trạng thái Còn Hàng.

9.4. Siemens SITOP 24VDC / 10A

6EP1334-1AL12 – Bộ nguồn SITOP 24VDC, 10A có đầu ra 24VDC/10A và đầu vào 120/230V AC. Batiea hiện hiển thị sản phẩm ở trạng thái Còn Hàng.

Với mức dòng 10A, model này phù hợp để tham khảo cho các hệ thống có tổng tải lớn hơn hoặc cần mức dự phòng cao hơn, nhưng vẫn phải tính toán dựa trên tải thực tế thay vì chọn theo công suất lớn nhất.

10. Những sai lầm thường gặp khi chọn nguồn

10.1. Chỉ tính PLC mà bỏ qua các thiết bị khác

Đây là sai lầm phổ biến. Hệ thống có thể sử dụng nhiều cảm biến, relay, HMI và module I/O nhưng người thiết kế chỉ tính dòng của CPU PLC.

10.2. Chọn nguồn đúng bằng tổng tải mà không có dự phòng

Nguồn có dòng định mức đúng bằng tải tính toán có thể không còn nhiều dư địa khi hệ thống mở rộng hoặc tải tăng.

10.3. Không kiểm tra dòng khởi động

Một số thiết bị có thể xuất hiện dòng tăng cao trong thời gian ngắn khi khởi động. Vì vậy, chỉ nhìn vào dòng làm việc ổn định chưa chắc đã đủ cho mọi ứng dụng.

10.4. Không tính đến nhiệt độ

Khả năng tải của bộ nguồn có thể phụ thuộc vào nhiệt độ môi trường và phương án lắp đặt. Cần xem biểu đồ derating trong tài liệu của nhà sản xuất.

10.5. Không tính đến sụt áp trên dây

Nếu khoảng cách từ bộ nguồn đến tải lớn hoặc tiết diện dây không phù hợp, điện áp tại thiết bị có thể thấp hơn điện áp tại đầu ra bộ nguồn.

10.6. Chọn nguồn chỉ dựa vào số W

Công suất là một thông số quan trọng nhưng không phải yếu tố duy nhất. Cần kiểm tra cả điện áp, dòng điện, dải điện áp đầu vào, khả năng quá tải, bảo vệ, nhiệt độ làm việc và phương án lắp đặt.

11. Thiết bị và giải pháp liên quan

Bộ nguồn 24VDC thường không hoạt động độc lập mà là một phần trong toàn bộ hệ thống điều khiển.

• PLC Siemens S7-1200 – xử lý chương trình điều khiển và tín hiệu I/O.
• PLC Siemens S7-1500 – dòng PLC cho các hệ thống có yêu cầu điều khiển và mở rộng cao hơn.
• Màn hình HMI Siemens – hiển thị trạng thái và vận hành hệ thống.
• Bộ nguồn công nghiệp – cung cấp nguồn DC cho PLC, HMI, cảm biến và thiết bị phụ trợ.
• Module mở rộng I/O S7-1200 – mở rộng số lượng tín hiệu đầu vào và đầu ra của PLC.

Trong một tủ điện thực tế, cần tính tổng tải của toàn bộ các thiết bị dùng chung nguồn thay vì tính riêng từng nhóm.

12. Bài viết liên quan

• Cách chọn nguồn PLC phù hợp cho hệ thống điều khiển – Các tiêu chí cần quan tâm khi lựa chọn nguồn PLC.
• Tại sao PLC và HMI dùng nguồn 24V DC? – Giải thích vai trò và lý do sử dụng nguồn 24VDC trong hệ thống tự động hóa.
• So sánh các loại bộ nguồn trong tự động hóa – Phân biệt các loại bộ nguồn thường được sử dụng trong công nghiệp.
• Bộ nguồn Siemens chính hãng – Tổng quan các dòng bộ nguồn Siemens.
• Khám phá bộ nguồn Siemens SITOP PSU300S 6EP1433-2BA20 – Tìm hiểu chi tiết một model SITOP đang có trên Batiea.
• Những lỗi thường gặp trong tủ điện tự động hóa – Các sự cố liên quan đến nguồn, PLC, HMI và thiết bị trong tủ điện.

13. Câu hỏi thường gặp

Công thức tính công suất bộ nguồn 24VDC là gì?

Công suất DC được tính theo công thức P = U × I. Với nguồn 24VDC, công suất bằng 24 × tổng dòng tải.

Có cần cộng dòng của HMI vào khi tính nguồn PLC không?

Có, nếu HMI sử dụng chung bộ nguồn 24VDC với PLC. Khi đó dòng tiêu thụ của HMI phải được cộng vào tổng tải.

Cảm biến có cần tính vào công suất nguồn không?

Có. Nếu cảm biến được cấp nguồn từ cùng bộ nguồn 24VDC, dòng tiêu thụ của từng cảm biến phải được đưa vào phép tính tổng.

Nên chọn nguồn 24VDC dư bao nhiêu?

Không có một tỷ lệ cố định cho mọi hệ thống. Mức 20–30% có thể dùng làm tham khảo cho nhiều hệ thống thông thường, nhưng cần xem xét thêm dòng khởi động, nhiệt độ, derating, sụt áp và khả năng mở rộng.

Nguồn 24VDC 5A có công suất bao nhiêu?

Nếu điện áp đầu ra là 24VDC và dòng định mức là 5A thì công suất danh định được tính là 24 × 5 = 120W.

Nguồn 50W có đủ cho PLC và HMI không?

Không thể xác định chỉ dựa trên tên thiết bị. Cần cộng dòng tiêu thụ thực tế của PLC, HMI và các tải dùng chung. Nếu tổng tải sau dự phòng không vượt quá dòng và công suất cho phép của nguồn thì có thể sử dụng.

Có nên chọn nguồn càng lớn càng tốt không?

Không nhất thiết. Nên chọn bộ nguồn đáp ứng tải thực tế, có dự phòng phù hợp và đáp ứng các điều kiện vận hành. Nguồn quá lớn có thể làm tăng chi phí và kích thước tủ mà không cần thiết.

Nếu hệ thống sau này mở rộng thì tính nguồn như thế nào?

Nên dự kiến các thiết bị sẽ bổ sung và đưa mức tải dự kiến vào bài toán ngay từ đầu. Nếu chưa xác định rõ, có thể chừa thêm công suất hoặc thiết kế phương án nguồn có khả năng mở rộng.

14. Kết luận

Cách tính công suất bộ nguồn 24VDC cho PLC, HMI và cảm biến về cơ bản bắt đầu từ việc xác định toàn bộ thiết bị sử dụng nguồn, lấy dòng tiêu thụ của từng thiết bị, cộng tổng dòng và chuyển đổi sang công suất theo công thức P = 24 × I.

Quy trình có thể tóm tắt như sau:

• Xác định toàn bộ tải sử dụng nguồn 24VDC.
• Kiểm tra dòng tiêu thụ của từng thiết bị theo datasheet.
• Cộng tổng dòng PLC, HMI, cảm biến, module I/O, relay và thiết bị phụ trợ.
• Tính công suất tải theo công thức P = U × I.
• Cộng mức dự phòng phù hợp.
• Kiểm tra dòng định mức, công suất, điện áp đầu vào, derating và khả năng quá tải của bộ nguồn.

Việc tính toán đúng ngay từ đầu giúp hạn chế tình trạng nguồn phải làm việc sát giới hạn, đồng thời tạo dư địa cho hệ thống hoạt động ổn định và mở rộng trong tương lai.

Nếu chưa xác định được nên chọn bộ nguồn bao nhiêu A cho hệ thống, có thể cung cấp mã PLC, HMI, số lượng cảm biến, module I/O và các thiết bị dùng nguồn 24VDC để GPTEK kiểm tra và tư vấn cấu hình phù hợp.

15. Liên hệ tư vấn