Introduction to 4-20mA Signal and Surge Protection

TAEC - Tín hiệu 4-20mA là chuẩn truyền thông phổ biến trong đo lường và điều khiển công nghiệp nhờ tính ổn định, truyền dữ liệu chính xác. Tuy nhiên, hệ thống này dễ bị hư hại bởi sét lan truyền, gây gián đoạn và thiệt hại. Bài viết sau sẽ giới thiệu tín hiệu 4-20mA và cách bảo vệ thiết bị an toàn trước sét và quá áp.

I. Tổng quan về Tín hiệu 4-20mA

1. Tín hiệu 4-20mA là gì?

Tín hiệu 4-20mA là một dạng tín hiệu dòng điện được sử dụng phổ biến trong lĩnh vực điều khiển và đo lường công nghiệp để truyền dữ liệu giữa các thiết bị, chẳng hạn như cảm biến và bộ điều khiển. Đây là một chuẩn tín hiệu analog đơn giản và đáng tin cậy với các đặc trưng:

• Phạm vi dòng điện: Tín hiệu dao động từ 4mA (tối thiểu) đến 20mA (tối đa), tương ứng với phạm vi đo lường hoặc giá trị được truyền.
• Giá trị 0% - 100%: Dòng 4mA biểu thị giá trị 0% (giá trị thấp nhất), và 20mA biểu thị giá trị 100% (giá trị cao nhất) của dải đo.
• Phát hiện lỗi: Sử dụng 4mA thay vì 0mA ở mức thấp nhất giúp phân biệt trạng thái "không tín hiệu" (do dây cáp bị đứt hoặc lỗi) với tín hiệu hợp lệ.
• Điện áp: trong hệ thống 4-20 mA có thể thay đổi tùy thuộc vào tải và điều kiện kết nối, nhưng điện áp cung cấp thường là từ 12V đến 40VDC.
• Dây kết nối: Thường sử dụng 2 dây, một dây cho dòng tín hiệu (cáp dương) và một dây cho đất (cáp âm).
• Đầu nối: thường sử dụng có thể là M12 hoặc các đầu nối terminal block tùy thuộc vào ứng dụng và thiết bị cụ thể.

.

2. Các tiêu chuẩn áp dụng cho tín hiệu 4-20mA

Những tiêu chuẩn Quốc Tế và tiêu chuẩn Việt Nam về các thông số kỹ thuật áp dụng cho tín hiệu 4-20mA:

• ANSI/ISA-50.00: Tiêu chuẩn về các tín hiệu điện trong hệ thống tự động hóa công nghiệp, bao gồm việc xác định các tín hiệu analog như 4-20 mA.
• IEC 61131-2: Tiêu chuẩn quốc tế về hệ thống điều khiển tự động, quy định về các tín hiệu và giao thức truyền thông.
• IEC 60381-1: Tiêu chuẩn về thiết bị và hệ thống tự động hóa, mô tả cách thức truyền tín hiệu 4-20 mA.
• TCVN 61508: Tiêu chuẩn về an toàn chức năng cho các hệ thống điện và điện tử, có thể liên quan đến việc sử dụng tín hiệu 4-20 mA trong các ứng dụng an toàn.

3. Các chuẩn truyền thông cho tín hiệu 4-20mA

• HART (Highway Addressable Remote Transducer): Cho phép truyền thông tín hiệu 4-20 mA cùng với dữ liệu số, giúp giám sát và cấu hình thiết bị từ xa.
• Profibus PA: Kết hợp khả năng truyền thông tín hiệu 4-20 mA với giao thức Profibus, cho phép tích hợp vào các hệ thống tự động hóa.
• Modbus: Mặc dù Modbus chủ yếu là giao thức truyền thông số, nó có thể sử dụng cùng với tín hiệu 4-20 mA trong các ứng dụng kết hợp.
• DeviceNet: Giao thức mạng công nghiệp sử dụng tín hiệu 4-20 mA cho các thiết bị đầu cuối và có thể tích hợp vào hệ thống tự động hóa.
• CANopen: Cũng có thể kết hợp tín hiệu 4-20 mA cho các thiết bị trong hệ thống điều khiển.
• AS-i (Actuator Sensor Interface): Hỗ trợ tín hiệu 4-20 mA cho các cảm biến và thiết bị trong mạng AS-i.

4. Ứng dụng tín hiệu 4-20mA trong thực tế

• Hệ thống giám sát: Thường được sử dụng trong các bộ điều khiển của hệ thống quản lý và giám sát từ xa, nhu cảm biến nhiệt độ, áp suất và lưu lượng, giúp theo dõi các điều kiện trong môi trường khắc nghiệt.
• Hệ thống tự động hóa: Trong các nhà máy và dây chuyền sản xuất, tín hiệu 4-20 mA được sử dụng để truyền thông tin từ cảm biến đến PLC (Programmable Logic Controller) hoặc HMI (Human-Machine Interface).
• Hệ thống điều khiển quy trình: Được sử dụng để giám sát và điều chỉnh quy trình sản xuất, đảm bảo rằng các biến số như áp suất, nhiệt độ luôn nằm trong khoảng an toàn.

II. Chống sét trên đường tín hiệu 4-20mA

1. Vì sao cần bảo vệ đường tín hiệu 4-20mA?

Đường tín hiệu 4-20mA thường kết nối giữa cảm biến và bộ điều khiển xử lý. Nếu bị tác động do sét đánh, trên đường dây có thể xuất hiện các xung điện áp tăng cao sẽ gây hư hỏng cho thiết bị điện tử đang kết nối với chúng, hoặc làm ảnh hưởng đến độ chính xác của tín hiệu truyền dẫn. Điều này có thể dẫn đến sai lệch trong việc đo đạc và điều khiển.

Xem thêm: Sét là gì, sét tác động như thế nào ?

Do vậy, bảo vệ triệt các xung điện áp đột biến đó không chỉ bảo vệ an toàn tài sản mà còn đảm bảo sự hoạt động ổn định cho cả hệ thống.

Ngoài ra, nếu bị sự cố do sét, thiết bị có thể phải ngừng hoạt động để sửa chữa, chống sét lan truyền sẽ giúp giảm thiểu tình trạng này, giữ cho hệ thống hoạt động liên tục, giúp tiết kiệm chi phí bảo trì và thời gian, nâng cao hiệu suất kinh doanh của nhà máy.

2. Cách chống sét cho đường tín hiệu 4-20mA

a) Nguyên tắc chung

Nguyên lý chung là sử dụng các thiết bị chống sét (SPD - Surge Protective Device) phù hợp với đặc tính của tín hiệu để ngăn chặn các xung điện áp lan truyền trên đường dây trước khi chúng thâm nhập làm hư hỏng các thiết bị điện, cụ thể:

• Triệt tiêu xung điện áp: Sử dụng các thiết bị chống sét đường tín hiệu để hấp thụ và chuyển hướng xung điện áp xuống hệ thống tiếp đất.
• Hệ thống nối đất: Thiết lập hệ thống nối đất hiệu quả.
• Bố trí hợp lý: Sắp xếp tín hiệu xa các nguồn gây nhiễu như nguồn điện cao áp, cột thu lôi...

Bảo vệ cho đường tín hiệu 4-20mA từ các cảm biến đi về tủ điều khiển ở nhà máy nước

b) Căn cứ để lựa chọn SPD phù hợp

Khi lựa chọn SPD cho đường tín hiệu 4-20mA, cần căn cứ vào:

• Cấu hình bảo vệ: số lượng cặp dây tín hiệu cần bảo vệ
• Điện áp danh định: Chọn SPD có điện áp làm việc phù hợp với điện áp của đường tín hiệu (thường là 24V DC).
• Dòng tải: đảm bảo thông tin được truyền đi chính xác và đáng tin cậy.
• Dòng cắt xung: khả năng chịu đựng và hấp thụ xung điện mà không làm giảm hiệu suất hoặc bị hỏng.
• Điện áp bảo vệ: là điện áp dư hay điện áp sót còn lại tối đa của SPD trong quá trình phóng dòng điện tại mức In hoặc Iimp. Giá trị Up càng nhỏ càng tốt cho các thiết bị ở phía sau nó.
• Đáp ứng tần số tối đa (fmax) lớn hơn 3 MHz
• Độ suy hao: nhỏ hơn 1dB

c) SPD cho đường tín hiệu 4-20mA

Sau đây là một số thiết bị bảo vệ hiệu quả và an toàn trên đường tín hiệu 4-20mA, cần chọn sản phẩm có quy cách và thông số kỹ thuật phù hợp với các đường tín hiệu và thiết bị đang kết nối trong hệ thống.

3. Tham khảo các giải pháp liên quan tín hiệu 4-20mA

• Bảo vệ Chống sét cho Trạm Sạc Ô Tô Điện và Xe Máy
• Chống sét lan truyền cho nhà máy công nghiệp
• Hệ thống Chống sét cho Nhà máy Điện Mặt trời Solar Farm
• Chống sét lan truyền cho Nhà máy cấp nước và xử lý nước

III. Tổng Kết

Tín hiệu 4-20mA là một tiêu chuẩn quan trọng trong các hệ thống điều khiển công nghiệp, cho phép truyền thông tin từ cảm biến đến bộ điều khiển với độ chính xác và ổn định cao. Vậy nên cần các hệ thống chống sét lan truyền hiệu quả giúp cho hệ thống điều khiển và truyền thông trong công nghiệp sẽ hoạt động ổn định và an toàn hơn, giảm thiểu nguy cơ hư hỏng thiết bị và mất dữ liệu.

Nếu quý khách đang cân nhắc về giải pháp và chọn thiết bị bảo vệ hiệu quả cao với giá thành phù hợp, hãy liên hệ ngay với công ty chống sét Thy An để nhận được tư vấn đầy đủ, cung cấp các sản phẩm chất lượng tốt và hậu mãi tận tình.

Sonv-ThyAn