Cảm biến áp suất 4–20mA là gì? Nguyên lý và cách đấu nối với PLC

Mục lục

• Cảm biến áp suất 4–20mA là gì?
• Nguyên lý hoạt động của cảm biến áp suất 4–20mA
• Vì sao cảm biến áp suất sử dụng tín hiệu 4–20mA?
• Cấu tạo và thông số cần quan tâm
• Sơ đồ đấu nối cảm biến áp suất 4–20mA với PLC
• Cách quy đổi tín hiệu 4–20mA thành giá trị áp suất
• Cách đọc tín hiệu cảm biến áp suất bằng PLC Siemens
• Các lỗi thường gặp khi đấu nối cảm biến áp suất 4–20mA
• Ứng dụng thực tế của cảm biến áp suất 4–20mA
• Sản phẩm và thiết bị liên quan
• Câu hỏi thường gặp
• Kết luận
• Liên hệ tư vấn

1. Cảm biến áp suất 4–20mA là gì?

Cảm biến áp suất 4–20mA là thiết bị đo áp suất có ngõ ra tín hiệu dòng điện trong khoảng từ 4mA đến 20mA. Thiết bị tiếp nhận áp suất từ môi trường đo, chuyển đổi thành tín hiệu điện và truyền về bộ điều khiển như PLC, DCS hoặc thiết bị hiển thị.

Trong đó:

• 4mA: Đại diện cho giá trị áp suất thấp nhất trong dải đo đã cài đặt.
• 20mA: Đại diện cho giá trị áp suất cao nhất trong dải đo.
• 12mA: Đại diện cho khoảng 50% dải đo nếu cảm biến được cấu hình tuyến tính và không có hiệu chỉnh đặc biệt.

Ví dụ, một cảm biến áp suất có dải đo 0–10 bar và ngõ ra 4–20mA sẽ có quan hệ như sau:

Điểm quan trọng là 4mA không đại diện cho áp suất bằng 0 trong mọi trường hợp. Nếu cảm biến được cấu hình dải đo -1 đến 9 bar, thì 4mA tương ứng -1 bar và 20mA tương ứng 9 bar.

Để tìm hiểu sâu hơn về cấu tạo, nguyên lý cảm biến và các loại thiết bị đo áp suất, bạn có thể tham khảo bài viết cấu tạo, nguyên lý hoạt động và ứng dụng của cảm biến áp suất.

2. Nguyên lý hoạt động của cảm biến áp suất 4–20mA

Cảm biến áp suất 4–20mA hoạt động dựa trên quá trình chuyển đổi áp suất thành tín hiệu điện. Tùy công nghệ chế tạo, bộ phận cảm biến có thể sử dụng nguyên lý áp điện trở, điện dung hoặc các phương pháp đo khác.

Về cơ bản, quá trình hoạt động gồm các bước:

1. Tiếp nhận áp suất: Môi chất tác động lên màng cảm biến thông qua cổng kết nối áp suất.
2. Biến đổi đại lượng vật lý: Màng cảm biến biến dạng theo mức áp suất tác động.
3. Xử lý tín hiệu: Mạch điện tử bên trong chuyển đổi tín hiệu từ phần tử cảm biến thành giá trị đo tương ứng.
4. Xuất tín hiệu dòng: Bộ transmitter tạo tín hiệu dòng 4–20mA theo dải đo đã cấu hình.
5. Truyền về PLC: PLC nhận dòng điện qua module Analog Input để xử lý và hiển thị giá trị áp suất.

Ví dụ nguyên lý chuyển đổi tín hiệu

Giả sử cảm biến được cấu hình dải đo 0–10 bar. Khi áp suất thực tế thay đổi, dòng điện đầu ra cũng thay đổi tương ứng:

• Áp suất 0 bar: dòng điện 4mA.
• Áp suất 2,5 bar: dòng điện 8mA.
• Áp suất 5 bar: dòng điện 12mA.
• Áp suất 7,5 bar: dòng điện 16mA.
• Áp suất 10 bar: dòng điện 20mA.

PLC không trực tiếp nhận đơn vị bar mà nhận giá trị dòng điện đã được module Analog chuyển đổi thành dữ liệu số. Chương trình điều khiển sẽ thực hiện phép tính để đưa dữ liệu về đơn vị áp suất mong muốn.

3. Vì sao cảm biến áp suất sử dụng tín hiệu 4–20mA?

Trong công nghiệp, tín hiệu 4–20mA được sử dụng rộng rãi vì có nhiều ưu điểm khi truyền dữ liệu từ thiết bị hiện trường về tủ điều khiển.

3.1. Hạn chế ảnh hưởng của sụt áp trên đường dây

Với mạch truyền dòng, giá trị dòng điện trong vòng lặp về cơ bản được duy trì theo tín hiệu mà transmitter điều khiển, miễn là điện áp nguồn và tổng trở tải nằm trong giới hạn cho phép. Vì vậy, tín hiệu 4–20mA thường phù hợp với hệ thống có khoảng cách truyền tương đối xa.

3.2. Dễ phát hiện tình trạng đứt dây

Khác với tín hiệu 0–20mA, tín hiệu 4–20mA sử dụng giá trị 4mA làm mức thấp nhất trong điều kiện đo bình thường. Khi dòng điện giảm về gần 0mA, kỹ thuật viên có thể nghi ngờ tình trạng mất nguồn, đứt dây hoặc lỗi vòng lặp.

Tuy nhiên, không nên chỉ dựa vào giá trị dòng thấp để kết luận đứt dây. Cần kiểm tra thêm trạng thái nguồn, dây dẫn, thiết bị và cấu hình cảnh báo của transmitter.

3.3. Khả năng chống nhiễu tốt trong môi trường công nghiệp

Tín hiệu dòng 4–20mA thường ít nhạy với ảnh hưởng của sụt áp trên dây hơn tín hiệu điện áp. Tuy nhiên, hệ thống vẫn cần sử dụng cáp phù hợp, phân tuyến dây hợp lý và thực hiện nối đất, chống nhiễu đúng hướng dẫn.

3.4. Dễ tích hợp với PLC và hệ thống giám sát

Nhiều dòng PLC công nghiệp hỗ trợ ngõ vào Analog nhận tín hiệu 4–20mA. Nhờ đó, cảm biến áp suất có thể kết nối trực tiếp với PLC để giám sát áp suất đường ống, điều khiển bơm, máy nén hoặc cảnh báo khi áp suất vượt ngưỡng.

4. Cấu tạo và thông số cần quan tâm khi chọn cảm biến áp suất 4–20mA

Trước khi đấu nối cảm biến với PLC, cần xác định đúng model và các thông số kỹ thuật. Không phải cảm biến áp suất nào cũng sử dụng cùng một cách cấp nguồn hoặc sơ đồ chân đấu dây.

4.1. Các bộ phận chính

• Màng cảm biến: Tiếp nhận áp suất từ môi chất.
• Phần tử chuyển đổi: Chuyển biến dạng hoặc thay đổi vật lý thành tín hiệu điện.
• Mạch xử lý tín hiệu: Khuếch đại, tuyến tính hóa và xử lý tín hiệu đo.
• Ngõ ra transmitter: Xuất tín hiệu dòng 4–20mA hoặc tín hiệu kết hợp như HART tùy thiết bị.
• Vỏ và đầu kết nối: Bảo vệ mạch điện, tạo kết nối cơ khí và điện với hệ thống.

4.2. Những thông số cần kiểm tra

Nếu cần lựa chọn thiết bị theo dải áp suất, môi chất và tín hiệu đầu ra, có thể tham khảo danh mục thiết bị đo áp suất tại Batiea.

5. Sơ đồ đấu nối cảm biến áp suất 4–20mA với PLC

Để kết nối cảm biến áp suất 4–20mA với PLC, cần có nguồn cấp phù hợp và module Analog Input hỗ trợ nhận tín hiệu dòng. Trong nhiều ứng dụng công nghiệp, cảm biến sử dụng nguồn 24VDC và cấu hình vòng lặp dòng 2 dây.

5.1. Đấu nối cảm biến áp suất loại 2 dây

Đối với loại cảm biến 2 dây, cùng một cặp dây vừa cấp nguồn vừa truyền tín hiệu dòng. Sơ đồ nguyên lý phổ biến của vòng lặp dòng như sau:

       NGUỒN 24VDC
       (+)       (-)
        |         |
        |         +----------------------+
        |                                |
        v                                |
  +-------------+                        |
  | CẢM BIẾN    |                        |
  | ÁP SUẤT     |                        |
  |             |                        |
  |  +      -   |                        |
  +--|------|---+                        |
     |      |                            |
     |      +---------------------> AI+  |
     |                                  |
     |                             +---------+
     +---------------------------->| AI PLC  |
                                   |         |
  0V nguồn ----------------------->| AI- / M |
                                   +---------+

Với cấu hình vòng lặp dòng 2 dây thông dụng, nguyên tắc kết nối là:

1. Cực dương nguồn 24VDC nối với cực dương của cảm biến.
2. Cực âm của cảm biến nối với đầu vào dòng AI+ của PLC.
3. Đầu AI- hoặc chân M/COM của module được nối về cực âm nguồn theo cấu hình đầu vào dòng của module.
4. Kiểm tra đúng kiểu đấu nối và sơ đồ chân của module trước khi cấp nguồn.

Một số module có cấu hình đầu vào dòng chủ động hoặc thụ động khác nhau. Vì vậy, không được mặc định mọi chân AI+ và AI- đều đấu giống nhau. Cần xác định module có tích hợp nguồn vòng lặp hay yêu cầu nguồn ngoài.

5.2. Đấu nối cảm biến áp suất loại 3 dây

Với cảm biến 3 dây, thông thường sẽ có ba dây gồm nguồn dương, nguồn âm và dây tín hiệu đầu ra. Tuy nhiên, màu dây và chức năng chân có thể khác nhau giữa các nhà sản xuất.

Nguyên tắc đấu nối thường gặp:

• Dây nguồn dương: nối với nguồn DC theo thông số cảm biến.
• Dây nguồn âm: nối với 0V nguồn.
• Dây tín hiệu: nối với chân AI+ của PLC nếu ngõ ra là 4–20mA.
• Chân AI- hoặc COM: nối theo cấu hình đầu vào của module PLC.

Không nên xác định chức năng dây chỉ dựa vào màu sắc. Cần tra sơ đồ chân trên nhãn thiết bị hoặc tài liệu kỹ thuật của đúng model.

5.3. Những điều cần kiểm tra trước khi cấp nguồn

• Điện áp nguồn có nằm trong dải cho phép của cảm biến không?
• PLC có ngõ vào Analog nhận dòng 4–20mA không?
• Module đang được cấu hình chế độ đo dòng hay đo điện áp?
• Đấu đúng cực tính và chân COM chưa?
• Tổng trở tải của vòng lặp có nằm trong giới hạn transmitter cho phép không?
• Cáp tín hiệu có được phân tuyến phù hợp với dây động lực không?

Không được đấu trực tiếp cảm biến 4–20mA vào chân Digital Input của PLC. Digital Input chỉ nhận trạng thái ON/OFF, không thể đo liên tục giá trị dòng điện analog.

6. Cách quy đổi tín hiệu 4–20mA thành giá trị áp suất

Sau khi PLC nhận được tín hiệu dòng điện từ cảm biến, chương trình cần chuyển đổi giá trị đó thành đơn vị áp suất để hiển thị hoặc điều khiển.

6.1. Công thức quy đổi

Công thức tổng quát:

Trong đó:

• Dòng điện: Giá trị dòng cảm biến đang truyền về, tính bằng mA.
• 4mA: Giá trị dòng tương ứng với điểm đo thấp nhất.
• 16mA: Khoảng chênh lệch từ 4mA đến 20mA.
• Áp suất max và min: Hai giới hạn dải đo được cấu hình trên cảm biến.

6.2. Ví dụ tính toán thực tế

Giả sử cảm biến áp suất có thông số:

• Dải đo: 0–10 bar.
• Tín hiệu đầu ra: 4–20mA.
• Dòng điện PLC đọc được: 12mA.

Áp dụng công thức:

Áp suất = (12 - 4) / 16 × (10 - 0) + 0

Áp suất = 5 bar.

Như vậy, khi PLC nhận được tín hiệu 12mA từ cảm biến, giá trị áp suất tương ứng là 5 bar.

6.3. Bảng quy đổi nhanh tín hiệu 4–20mA

Nếu dải đo của cảm biến là 0–16 bar hoặc 0–25 bar, cách tính vẫn tương tự nhưng cần thay đổi giới hạn áp suất min và max theo thông số thiết bị.

7. Cách đọc tín hiệu cảm biến áp suất bằng PLC Siemens

Đối với PLC Siemens, tín hiệu 4–20mA được đọc thông qua ngõ vào Analog Input (AI). Một số CPU có sẵn ngõ vào analog, trong khi các cấu hình khác cần bổ sung module mở rộng.

7.1. Lựa chọn module Analog Input

Trước tiên cần xác định module AI có hỗ trợ chế độ nhận dòng 4–20mA. Không phải mọi module analog đều có cùng số kênh hoặc cùng phạm vi tín hiệu đầu vào.

Ví dụ, một số module Siemens S7-1200 G2 có hỗ trợ đầu vào dòng 0–20mA và 4–20mA:

• Module Siemens SB 1231 mã 6ES7231-4HD50-0XB0: module AI 4 kênh, độ phân giải 14 bit theo thông tin sản phẩm.
• Module Siemens SM 1231 mã 6ES7231-4HF50-0XB0: module AI 8 kênh, độ phân giải 14 bit theo thông tin sản phẩm.

Thông số, khả năng tương thích CPU và sơ đồ đấu dây cần được kiểm tra theo đúng phiên bản phần cứng trước khi triển khai.

Tham khảo thêm bài viết các module Analog Siemens: AI, AO, RTD, Thermocouple và cách lựa chọn để phân biệt module đầu vào, đầu ra và các loại module đo chuyên dụng.

7.2. Các bước cấu hình trong TIA Portal

1. Thêm thiết bị PLC: Chọn đúng CPU Siemens đang sử dụng trong dự án.
2. Khai báo module AI: Thêm module Analog Input nếu cấu hình cần module mở rộng.
3. Chọn chế độ tín hiệu: Cấu hình kênh đầu vào tương ứng với tín hiệu dòng 4–20mA.
4. Khai báo địa chỉ: Xác định địa chỉ đầu vào Analog để chương trình đọc dữ liệu.
5. Đọc giá trị thô: Sử dụng biến hoặc lệnh phù hợp để lấy dữ liệu từ kênh AI.
6. Chuẩn hóa dữ liệu: Quy đổi giá trị thô về khoảng 0–100% hoặc trực tiếp về đơn vị bar.
7. Kiểm tra thực tế: Đối chiếu giá trị PLC với thiết bị đo tham chiếu hoặc giá trị áp suất đã biết.

Lưu ý: Giá trị thô (Raw Value) phụ thuộc vào dòng PLC, module AI và cấu hình dải đo. Không nên mặc định tất cả module Siemens đều sử dụng cùng một thang giá trị. Cần tra tài liệu của module để xác định chính xác giá trị số tương ứng với 4mA và 20mA.

7.3. Ví dụ quy đổi giá trị Analog trong chương trình PLC

Giả sử sau khi cấu hình module, chương trình đã có giá trị dòng điện tương ứng tính bằng mA. Có thể quy đổi sang áp suất bằng công thức:

Pressure_Bar :=
    (Current_mA - 4.0) / 16.0 * 10.0;

Trong ví dụ này:

• Current_mA: Dòng điện đo được từ cảm biến.
• 4.0: Dòng điện tại điểm đo thấp nhất.
• 16.0: Khoảng dòng từ 4mA đến 20mA.
• 10.0: Dải áp suất tối đa của cảm biến, đơn vị bar.
• Pressure_Bar: Giá trị áp suất sau khi quy đổi.

Trong chương trình thực tế, cần bổ sung kiểm tra giới hạn tín hiệu, xử lý trạng thái lỗi và giới hạn giá trị đầu ra. Với các tín hiệu vượt ngoài khoảng bình thường, không nên tự động giới hạn về 0 hoặc 10 bar rồi xem đó là giá trị đo hợp lệ.

7.4. Hiển thị áp suất trên HMI

Sau khi PLC xử lý tín hiệu analog, giá trị áp suất có thể được truyền đến màn hình HMI để người vận hành theo dõi.

Trên giao diện HMI, nên thể hiện:

• Giá trị áp suất hiện tại và đơn vị đo.
• Ngưỡng áp suất thấp và cao.
• Trạng thái cảnh báo khi áp suất vượt giới hạn.
• Biểu đồ xu hướng áp suất theo thời gian nếu ứng dụng cần theo dõi biến động.

Tham khảo danh mục màn hình HMI Siemens để lựa chọn thiết bị hiển thị phù hợp với hệ thống điều khiển.

8. Các lỗi thường gặp khi đấu nối cảm biến áp suất 4–20mA

Trong quá trình lắp đặt và vận hành, một số lỗi có thể khiến PLC không nhận được tín hiệu hoặc hiển thị sai giá trị áp suất.

Quy trình kiểm tra khi PLC không nhận được tín hiệu 4–20mA

1. Kiểm tra nguồn cấp tại đầu cảm biến.
2. Kiểm tra cực tính và toàn bộ vòng lặp dòng.
3. Xác nhận module PLC hỗ trợ tín hiệu 4–20mA.
4. Kiểm tra cấu hình kênh AI trong TIA Portal.
5. Đo dòng điện thực tế bằng đồng hồ đo phù hợp, mắc nối tiếp vào vòng lặp theo quy trình an toàn.
6. So sánh giá trị dòng thực tế với dữ liệu PLC đang đọc.
7. Kiểm tra lại dải đo cảm biến và công thức quy đổi.

Lưu ý: Không mắc đồng hồ ở chế độ đo dòng song song trực tiếp vào hai cực nguồn. Thao tác đo dòng phải thực hiện đúng phương pháp, đúng thang đo và tuân thủ quy trình an toàn điện.

9. Ứng dụng thực tế của cảm biến áp suất 4–20mA

Nhờ khả năng truyền tín hiệu liên tục về bộ điều khiển, cảm biến áp suất 4–20mA được sử dụng trong nhiều hệ thống công nghiệp.

9.1. Giám sát áp suất đường ống nước

Cảm biến được lắp trên đường ống để đo áp suất nước và truyền dữ liệu về PLC. Bộ điều khiển có thể sử dụng giá trị này để giám sát trạng thái hệ thống, phát cảnh báo hoặc điều chỉnh hoạt động của bơm.

9.2. Điều khiển hệ thống bơm tăng áp

Trong hệ thống cấp nước, cảm biến áp suất gửi tín hiệu về PLC hoặc bộ điều khiển biến tần. Khi áp suất thay đổi, bộ điều khiển có thể điều chỉnh tốc độ bơm để duy trì áp suất đặt, nếu hệ thống được thiết kế theo phương án điều khiển phản hồi phù hợp.

9.3. Giám sát máy nén khí

Cảm biến áp suất được sử dụng để theo dõi áp suất trong bình chứa và đường ống khí nén. Khi áp suất vượt ngưỡng hoặc giảm dưới giới hạn cài đặt, hệ thống có thể phát cảnh báo hoặc thực hiện trình tự điều khiển đã lập trình.

9.4. Giám sát hệ thống thủy lực

Trong các máy ép, máy nâng và hệ thống thủy lực, cảm biến áp suất giúp theo dõi áp lực chất lỏng trong đường ống. Tín hiệu đo có thể được sử dụng để giám sát tải, cảnh báo quá áp hoặc kiểm soát quá trình vận hành.

9.5. Đo áp suất trong bồn và thiết bị công nghệ

Cảm biến áp suất cũng được sử dụng để giám sát áp suất trong bồn chứa, thiết bị phản ứng hoặc hệ thống công nghệ. Với một số ứng dụng, chênh lệch áp suất thủy tĩnh còn có thể được sử dụng để xác định mức chất lỏng khi biết khối lượng riêng của môi chất và điều kiện đo.

10. Sản phẩm và thiết bị liên quan

Để triển khai hệ thống đo áp suất 4–20mA, cần lựa chọn đồng bộ cảm biến, nguồn cấp và module Analog Input. Dưới đây là một số sản phẩm Siemens có thể tham khảo trên Batiea.

Ngoài các model trên, có thể tham khảo thêm danh mục thiết bị đo áp suất và PLC Siemens S7-1200 để lựa chọn thiết bị phù hợp với cấu hình hệ thống.

11. Câu hỏi thường gặp

11.1. Cảm biến áp suất 4–20mA có cần nguồn 24VDC không?

Nhiều cảm biến áp suất công nghiệp 2 dây sử dụng nguồn DC, phổ biến là 24VDC. Tuy nhiên, điện áp cấp cụ thể phụ thuộc vào model và phải được kiểm tra trong tài liệu kỹ thuật của thiết bị.

11.2. PLC có thể đọc trực tiếp tín hiệu 4–20mA không?

Có, nếu PLC có ngõ vào Analog hỗ trợ nhận dòng 4–20mA. Nếu CPU không có sẵn ngõ vào phù hợp, có thể sử dụng module Analog Input mở rộng tương thích.

11.3. Tại sao tín hiệu 4–20mA bắt đầu từ 4mA thay vì 0mA?

Giá trị 4mA được sử dụng làm mức thấp nhất của tín hiệu đo, còn gọi là live zero. Nhờ đó, khi dòng giảm về gần 0mA, người vận hành có thể nhận biết tình trạng bất thường như mất nguồn hoặc đứt dây, tùy cấu hình cảnh báo và đặc tính thiết bị.

11.4. Có thể dùng cảm biến 4–20mA với module AI 0–20mA không?

Có thể trong trường hợp module hỗ trợ dải 0–20mA và cho phép cấu hình hoặc xử lý đúng dải 4–20mA. Cần thiết lập đúng chế độ đo và quy đổi giá trị trong chương trình PLC để tránh sai lệch.

11.5. Làm sao biết cảm biến đang xuất tín hiệu bao nhiêu mA?

Có thể sử dụng đồng hồ đo dòng phù hợp, mắc nối tiếp vào vòng lặp theo đúng phương pháp đo. Một số transmitter còn hỗ trợ chức năng hiển thị hoặc công cụ cấu hình HART để kiểm tra giá trị đầu ra.

11.6. Tín hiệu 4–20mA có thể truyền đi xa không?

Có thể truyền trên khoảng cách tương đối xa nếu nguồn cấp, điện trở tải, tiết diện dây và giới hạn điện áp của transmitter đáp ứng yêu cầu. Cần tính tổng trở vòng lặp và kiểm tra giới hạn chiều dài cáp theo tài liệu nhà sản xuất.

12. Kết luận

Cảm biến áp suất 4–20mA là giải pháp đo lường phổ biến trong các hệ thống tự động hóa công nghiệp. Thiết bị chuyển đổi áp suất thành tín hiệu dòng điện tiêu chuẩn, giúp PLC và hệ thống giám sát tiếp nhận dữ liệu để hiển thị, cảnh báo và điều khiển quá trình.

Để hệ thống hoạt động chính xác, cần lựa chọn cảm biến đúng dải đo, xác định kiểu đấu dây, sử dụng module Analog Input tương thích và cấu hình đúng tín hiệu trong PLC. Ngoài ra, việc kiểm tra nguồn cấp, cực tính, vòng lặp dòng và công thức quy đổi cũng rất quan trọng.

Nếu đang thiết kế hệ thống đo áp suất hoặc cần tích hợp cảm biến với PLC Siemens, hãy đối chiếu thông số của từng thiết bị trước khi triển khai. Tham khảo danh mục thiết bị đo áp suất tại Batiea để tìm giải pháp phù hợp.

13. Liên hệ tư vấn