9 Bộ Chuyển Đổi Tín Hiệu

Trong công nghiệp, có hai loại tín hiệu được sử dụng phổ biến mà chúng ta hay gọi là tín hiệu Analog và tín hiệu Digital. Hay còn có tên gọi khác là tín hiệu tương tự và tín hiệu số. Tuy nhiên nếu chúng ta chỉ phân loại như vậy thì chưa đủ. Vì trong công nghiệp sử dụng nhiều máy móc thiết bị mà giữa các thiết bị sẽ giao tiếp với nhau qua một giao thức hoặc một chuẩn nhất định. Như vậy cần phải có nguyên tắc phân loại các tín hiệu theo chức năng hoặc nguyên lý hoạt động thì mới đầy đủ được.

Video so sánh sự khác nhau cơ bản giữa tín hiệu Analog và Digital

Tại sao phải phân loại tín hiệu thật rõ ràng ? Lý do là vì các loại tín hiệu sẽ có liên quan đến thiết bị mà chúng ta sử dụng trong nhà máy. Do đó chúng ta phải hiểu rõ nguyên lý hoạt động của thiết bị, thông số kỹ thuật của thiết bị, loại tín hiệu mà thiết bị đó sử dụng thì chúng ta mới vận hành thiết bị đó hiệu quả nhất.

Tôi sẽ dẫn chứng một ví dụ mà bản thân đã từng gặp vào năm 2013. Lúc này tôi mới ra trường và vào làm tại một nhà máy bia khá lớn. Khi đó tôi được giao phụ trách mảng cơ điện cho nhà máy ở Đồng Nai. Trong nhà máy có sử dụng biến tần (ngõ vào 0-10V) để điều khiển tốc độ quay của động cơ. Tín hiệu đưa về biến tần là cảm biến áp suất (ngõ ra 0-10V). Một ngày đẹp trời con cảm biến này dở chứng và không còn hoạt động nữa. Sau đó tôi đã đề nghị với bộ phận mua hàng để mua cảm biến khác thay thế.

Tuy nhiên chẳng may là khi đó không có cảm biến áp suất có ngõ ra 0-10V nữa mà chỉ toàn là ngõ ra 4-20mA. Vì thế tôi bắt buộc phải sử dụng thêm một Thiết bị chuyển đổi tín hiệu từ 0-10V ra 4-20mA. Mặc dù giải pháp này tốn kém hơn nhưng nó đảm bảo cho hệ thống của tôi hoạt động trở lại bình thường.

signal transmitter
Các loại tín hiệu analog phổ biến trong công nghiệp

Qua sự việc trên, chúng ta có thể thấy rằng việc sử dụng các thiết bị chuyển đổi tín hiệu trong công nghiệp là hết sức cần thiết. Vậy trên thực tế hiện nay có tất cả bao nhiêu thiết bị chuyển đổi tín hiệu được sử dụng trong công nghiệp ?  

Bằng những kinh nghiệm thực tế của mình; tôi sẽ tổng hợp cho các bạn tất cả bộ chuyển đổi tín hiệu mà tôi đã từng sử dụng trong bài viết này. Nào chúng ta cùng bắt đầu nhé.

1. Bộ chuyển đổi tín hiệu nhiệt độ ra 4-20ma

bộ chuyển đổi tín hiệu nhiệt độ
Cảm biến nhiệt độ lắp trên đường ống

Một bộ biến đổi tín hiệu đầu tiên mà tôi muốn chia sẻ cho các bạn là loại chuyển đổi tín hiệu cho cảm biến nhiệt độ. Đây là loại được sử dụng phổ biến nhất và chúng ta thường hay gọi tắt là bộ chuyển đổi nhiệt độ.

Cảm biến nhiệt độ có nhiều loại nhưng chúng ta chỉ xét đến các loại được sử dụng phổ biến trong công nghiệp như: Pt100; Ni100; NTC; Pt1000; Can nhiệt… Mỗi loại cảm biến nhiệt độ sẽ có một bộ chuyển đổi tín hiệu riêng. Mục đích là sau khi qua bộ chuyển đổi thì chúng ta sẽ thu được tín hiệu 4-20mA hoặc 0-10V để đưa về PLC.

Vậy tại sao phải sử dụng bộ chuyển đổi cho cảm biến nhiệt độ ? Theo thống kê của tôi thì đến 90% các loại cảm biến nhiệt độ trong công nghiệp hiện nay là loại giá rẻ, thiết kế nhỏ gọn; đơn giản nên sẽ không có sẵn ngõ ra 4-20mA hoặc 0-10V. Mà tín hiệu ngõ ra của nó có thể là dạng Ohm hoặc mV. Đó là lý do mà chúng ta phải cần đến bộ chuyển đổi.

Bộ chuyển đổi tín hiệu nhiệt độ sẽ được chia ra làm hai loại nữa dựa vào hình dạng của cảm biến nhiệt độ là:

  • Bộ chuyển đổi gắn trên đầu củ hành
bộ chuyển đổi tín hiệu nhiệt độ gắn đầu củ hành
Bộ chuyển đổi nhiệt độ gắn đầu dò
  • Bộ chuyển đổi dạng DIN Rail gắn trên tủ điện
thiết bị chuyển đổi tín hiệu nhiệt độ gắn tủ điện
DIN Rail Temperature Transmitter

2. Bộ chuyển đổi tín hiệu loadcell sang 4-20ma, 0-10v

bộ chuyển đổi tín hiệu loadcell
Bộ chuyển tín hiệu Loadcell ra 4-20mA

Một thiết bị chuyển tín hiệu kế tiếp mà có lẽ ít được sử dụng hơn so với bộ chuyển đổi nhiệt độ. Đó là bộ chuyển đổi tín hiệu loadcell hay còn gọi là bộ khuếch đại loadcell.

Loadcell hay còn gọi là cảm biến lực; đây là loại cảm biến dựa trên lực tác động mà ngõ ra của nó lớn hay nhỏ. Loại cảm biến này được sử dụng nhiều trong các lĩnh vực cân tải trọng hay trong khâu cân và đóng gói trong nhà máy. Tín hiệu ngõ ra của loadcell là dạng mV/V nên bắt buộc chúng ta phải sử dụng bộ chuyển đổi để đổi sang tín hiệu thông dụng hơn là 4-20mA hoặc 0-10V.

Tuy nhiên trên thực tế khoảng 70% các ứng dụng liên quan đến loadcell chỉ cần tín hiệu Rơ le để điều khiển On Off. Do đó thay vì sử dụng bộ chuyển đổi; chúng ta sẽ sử dụng một thiết bị vừa có chức năng hiển thị để biết được số cân nặng và vừa có ngõ ra Rơ le. Đó chính là màn hình hiển thị loadcell. Các bạn có thể tham khảo chi tiết hơn về màn hình này theo link bài viết này nhé. => Bộ hiển thị và điều khiển cân loadcell

3. Bộ chuyển đổi điện trở Shunt sang 4-20ma

bộ chuyển đổi điện trở shunt ra 4-20ma
Thiết bị đọc tín hiệu từ điện trở Shunt

Tiếp theo tôi sẽ giới thiệu cho các bạn một bộ Signal Transmitter mà tôi tin rằng ai đã từng làm việc trong nhà máy. Đặc biệt là liên quan đến các tủ điện nguồn; tủ tổng phân phối. Đó chính là bộ chuyển đổi tín hiệu từ điện trở Shunt.

Điện trở Shunt là một dạng điện trở có giá trị rất nhỏ. Điện trở này được sử dụng để đo dòng điện thông qua điện áp đặt tại hai đầu của nó. Do đó độ lớn của điện trở Shunt sẽ tỷ lệ nghịch với dòng điện và điện áp đặt tại hai đầu điện trở. Một số loại điện trở Shunt mà chúng ta hay gặp là 100A/75mV, 500A/60mV…

Tín hiệu ngõ ra của điện trở Shunt là dạng mV (mili voltage). Do tín hiệu ngõ ra này rất nhỏ nên chúng ta không thể sử dụng trực tiếp được mà bắt buộc phải có thêm một bộ chuyển đổi đi kèm. Yêu cầu của bộ chuyển đổi là phải có ngõ ra 4-20mA; 0-10V để đưa về PLC điều khiển. Đây là lý do chính mà chúng ta cần đến bộ chuyển đổi tín hiệu Shunt.

4. Bộ chuyển đổi tín hiệu Analog sang Digital

bộ chuyển đổi 4-20ma sang modbus
Bộ chuyển đổi 4-20mA qua Modbus

Tín hiệu analog mà chúng ta hay gọi trong công nghiệp thường để nhắc đến tín hiệu 4-20mA, 0-10V. Trong một số trường hợp thì có thể là tín hiệu 0-20mA, 0-5V, 20-4mA, ±20mA, ±10V.

Còn đối với tín hiệu Digital thì chúng ta sẽ nghĩ ngay tới tín hiệu Modbus RS-485. Tuy nhiên thực tế thì có thể là Modbus RTU, Modbus ASCII, Ethernet…

Như vậy giả sử có một thiết bị chỉ có ngõ ra 4-20mA nhưng chúng ta muốn giám sát trên BMS, DCIM, HMI… thì làm như thế nào ? Hay một trường hợp phổ biến hơn là có nhiều tín hiệu 4-20mA và chúng ta muốn giám sát tập trung trên một phần mềm thì giải pháp duy nhất là chuyển tất cả tín hiệu 4-20mA về dạng Modbus RS-485. Sau đó chúng ta sẽ kết nối với Gateway để thực hiện giám sát.

Qua ví dụ trên, các bạn cũng biết đến bộ chuyển đổi mà tôi nhắc đến ở đây là gì rồi đúng không ? Chính xác, đó là bộ chuyển đổi tín hiệu analog sang Modbus hay còn gọi là bộ chuyển đổi nhiều kênh 4-20mA sang RS-485.

5. Bộ chuyển đổi tín hiệu Analog sang Rơ le

 

bộ chuyển đổi 4-20ma 0-10v sang rơ le
Chuyển đổi tín hiệu tương tự sang tín hiệu số

Tín hiệu Rơ le có lẽ đã không còn xa lạ gì với chúng ta. Việc sử dụng Rơ le là để thực hiện chức năng đóng, ngắt khi có tín hiệu kích. Mặc dù có nhiều loại Rơ le trên thị trường nhưng loại mà chúng ta hay dùng nhất là dạng tiếp điểm khô (NO, NC) hoặc còn gọi là dạng thường đóng, thường hở.

Một bộ chuyển đổi tiếp theo mà tôi chia sẻ có liên quan đến tín hiệu Rơ le. Mặc dù có thể sẽ có rất ít ai biết đến thiết bị này nhưng tôi đã từng phải nhờ đến nó để cứu hệ thống của mình. Đó là bộ chuyển đổi từ tín hiệu analog sang Rơ le. Hay phổ biến hơn là bộ chuyển đổi 4-20mA, 0-10V sang Rơ le.

Khi nào mới sử dụng bộ này ? Khi bạn muốn điều khiển On Off một thiết bị nào đó nhưng thiết bị hiện tại không có hoặc bộ chuyển đổi bạn sử dụng chưa có ngõ ra Rơ le.

Hiện nay hầu hết các bộ chuyển đổi đã tích hợp thêm ngõ ra Rơ le nên chúng ta sẽ sử dụng trực tiếp luôn mà không cần phải mua bộ chuyển đổi này nữa.

6. Bộ chuyển đổi tín hiệu điện trở, biến trở ra 4-20ma

bộ chuyển đổi điện trở biến trở ra 4-20ma
Bộ biến đổi điện trở và biến trở ra 4-20mA

Một bộ chuyển đổi mà tôi nghĩ rằng có rất nhiều bạn sẽ nhầm lẫn với bộ chuyển đổi nhiệt độ. Đó là bộ chuyển đổi tín hiệu từ điện trở, biến trở. Lý do nhầm lẫn ở đây là vì cảm biến nhiệt độ Pt100 cũng có ngõ ra là dạng điện trở. Do đó có nhiều bạn hỏi tôi là nếu lấy pt100 đấu vào bộ chuyển đổi điện trở, biến trở này thì có sử dụng được không ? Câu trả lời là không.

Để hiểu rõ hơn lý do này, các bạn có thể xem lại ký hiệu của biến trở và ký hiệu của Pt100 trên bộ chuyển đổi. Cả hai loại này được tách biệt với nhau hoàn toàn. Do đó bạn không thể sử dụng chung được.

Quay lại với bộ chuyển đổi điện trở, biến trở. Chức năng chính của thiết bị này cũng chỉ để chuyển đổi sang tín hiệu 4-20mA, 0-10V. Chúng ta thường bắt gặp thiết bị này tại tủ điện điều khiển động cơ qua núm vặn của biến trở hoặc biến tần.

7. Bộ chuyển đổi dòng, áp AC sang Analog

transducer 0-5a ra 4-20ma
Current Transducer 0-5A AC to 4-20mA DC

Mặc dù tín hiệu analog là tên gọi chung bao hàm cả dòng điện; điện áp; nhiệt độ; điện trở; biến trở… Nhưng tôi muốn chia ra làm nhiều phần để đi vào chi tiết để cho các bạn dễ hiểu hơn. Một bộ chuyển đổi tiếp theo mà tôi giới thiệu chắc hẳn các bạn đã gặp rất nhiều. Đó là bộ chuyển đổi AC sang 4-20mA, 0-10V. Chúng ta hay gọi với tên bộ Transducer AC.

Tín hiệu AC có thể là dòng điện hoặc điện áp. Nên mới có sự phân chia ra thành bộ Transducer tín hiệu dòng và bộ Transducer áp.

Đối với bộ transducer dòng, chúng ta hay gặp loại có ngõ vào 0-1A AC và 0-5A AC. Bộ transducer dòng này được sử dụng chung với CT dòng (biến dòng). Tuy nhiên hiện nay các bộ CT dòng đã có loại ra thẳng 4-20mA. Điều này khiến cho bộ transducer dòng ít được sử dụng hơn.

Còn bộ transducer áp thì có ngõ vào từ 0-450V AC. Bộ này sẽ được dùng chung với VT và thường được dùng để giám sát qua áp; kiểm soát cao thấp áp cho hệ thống điện.

8. Bộ chuyển đổi dòng, áp DC sang Analog

bộ chuyển đổi điện áp dc ra 4-20ma
Bộ chuyển đổi điện áp ắc qui ra 4-20mA

Không được phổ biến như tín hiệu điện AC. Điện DC có lẽ các bạn sẽ ít được tiếp xúc hơn. Chỉ khi hệ thống điện của nhà máy bạn được thiết kế đặc biệt để sử dụng điện một chiều DC thì khi đó bạn sẽ cần tới bộ chuyển đổi tín hiệu DC sang 4-20mA, 0-10V.

Ngoài ra một số nhà máy có trang bị UPS công suất lớn thì cũng sẽ cần đến điện DC này. Vì các tổ accu của UPS sẽ sử dụng điện 12V DC và cần thiết bị giám sát điện áp khi UPS nạp/xả. Hay đối với các trạm phát sóng viễn thông; các thiết bị mạng đa phần sử dụng điện DC. Do đó nếu như bạn muốn giám sát điện áp hoặc dòng điện thì sẽ bắt buộc sử dụng đến bộ chuyển đổi sang 4-20mA; 0-10V để đưa vào PLC.

9. Bộ chuyển đổi xung sang Analog

bộ chuyển đổi xung sang 4-20ma
Khuếch đại tín hiệu xung ra 4-20mA

Cuối cùng là một loại bộ Transmitter tín hiệu mà chắc rất ít người sử dụng hiện nay. Đó là bộ chuyển đổi tín hiệu xung (Clock) sang 4-20mA, 0-10V.

Những năm trước, khi công nghệ chỉ mới phát triển. Các loại cảm biến đo mức sẽ sử dụng ngõ ra là dạng xung này để xác định chiều cao của mức chất lỏng/chất rắn trong bể chứa. Khi đó chúng ta không thể sử dụng tín hiệu xung này để điều khiển hoặc hiển thị mức được. Mà bắt buộc phải sử dụng bộ chuyển đổi để đưa tín hiệu về dạng 4-20mA, 0-10V. Sau đó bạn sẽ đưa về PLC để điều khiển động cơ; van hoặc điều khiển On/Off đèn còi cảnh báo.

Ngày nay các loại cảm biến đo mức sử dụng công nghệ mới hơn như: siêu âm; radar; điện dung; thủy tĩnh. Vì thế chức năng chuyển đổi xung trên các bộ chuyển đổi cũng dần dần được loại bỏ.

10. Bộ chuyển đổi tín hiệu đa năng – Chìa khóa đến cách mạng công nghiệp 4.0

bộ chia tín hiệu 4-20ma hai ngõ ra
Bộ chia tín hiệu 1 ngõ vào 2 ngõ ra

So với những năm đầu thế kỷ 21; khoa học kỹ thuật lúc đó còn chưa phát triển. Các thiết bị đo lường vẫn sử dụng công nghệ cũ và chỉ giải quyết được một bài toán nhất định. Khi đó nếu một thiết bị hỏng thì rất khó để tìm mua một thiết bị thay thế.

Tuy nhiên hiện nay cùng với sự phát triển của khoa học, công nghệ. Các nhà sản xuất thiết bị có xu hướng tích hợp nhiều chức năng trên một thiết bị. Do đó một thiết bị có thể làm được nhiều việc và đảm nhận nhiều vai trò khác nhau trong hệ thống. Đó chính là lý do mà thiết bị biến đổi tín hiệu đa năng ra đời. Với thiết bị đa năng; bạn sẽ tự do cấu hình chọn loại tín hiệu ngõ vào, ngõ ra.

Ngoài các bộ chuyển đổi đa năng thì hiện nay còn có các bộ chia tín hiệu. Với một ngõ vào thì bạn hoàn toàn tách được hai ngõ ra độc lập nhau. Đây được xem là một giải pháp hữu hiệu để điều khiển cùng lúc nhiều thiết bị. Hiện có hai loại bộ chia là:

♥♥♥ Bộ chia tín hiệu 2 ngõ ra 4-20mA

♥♥♥ Bộ chia tín hiệu 0-10V

Với những chia sẻ được đúc kết từ quá trình làm việc và nghiên cứu của mình. Tôi hy vọng rằng bài viết này sẽ có ích với các bạn. Nếu như các bạn muốn tư vấn kỹ hơn thì có thể liên hệ với tôi qua số Hotline/Zalo: 0868.31.39.86