PT100 và S7-1200 là sự kết hợp không thể thiếu trong các hệ thống tự động hóa công nghiệp hiện đại. Nó đóng vai trò then chốt trong việc đo lường và giám sát nhiệt độ chính xác, từ đó nâng cao hiệu quả sản xuất và đảm bảo an toàn vận hành. Việc làm chủ công nghệ kết nối cảm biến nhiệt điện trở Platin 100 Ohm với bộ điều khiển lập trình PLC S7-1200 của Siemens mở ra cánh cửa tối ưu hóa quy trình, giảm thiểu chi phí và tăng cường năng lực cạnh tranh cho mọi kỹ sư và doanh nghiệp.
Bài viết này từ thanhthienphu.vn sẽ cung cấp một lộ trình chi tiết từ lý thuyết cơ bản đến thực hành ứng dụng giúp bạn tự tin triển khai thành công giải pháp giám sát nhiệt độ bằng PLC một cách hiệu quả.
1. Tổng quan về cảm biến nhiệt độ PT100
Cảm biến nhiệt độ PT100 là một thành viên quan trọng trong họ Nhiệt điện trở Platin (Platinum Resistance Thermometer – PRT), và đây là một thiết bị đo lường nhiệt độ được sử dụng cực kỳ phổ biến trong các ứng dụng công nghiệp và khoa học kỹ thuật.
Tên gọi “PT100” hàm chỉ vật liệu chính cấu tạo nên phần tử cảm biến là Platin (Pt) và giá trị điện trở danh định của nó là 100.00 Ohm tại điểm chuẩn 0 độ C. Nó thuộc nhóm cảm biến RTD (Resistance Temperature Detector), hoạt động dựa trên một nguyên lý vật lý cơ bản và ổn định: sự thay đổi điện trở suất của kim loại tinh khiết theo nhiệt độ.
Mối quan hệ giữa điện trở và nhiệt độ của Platin được đặc tả chi tiết và chuẩn hóa quốc tế bởi tiêu chuẩn IEC 60751 đảm bảo tính tương thích và độ tin cậy khi tích hợp vào các hệ thống đo lường và điều khiển.
1.1. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động
Về mặt cấu tạo, trung tâm của cảm biến PT100 là phần tử cảm biến (Sensing Element). Phần tử này được chế tạo cực kỳ tinh xảo, thường có hai dạng chính: dạng dây quấn (wire-wound) hoặc dạng màng mỏng (thin-film). Loại dây quấn sử dụng một sợi dây Platin rất mảnh, có độ tinh khiết cao, được quấn quanh một lõi cách điện bằng gốm (ceramic) hoặc thủy tinh, sau đó được bao bọc để bảo vệ. Loại màng mỏng được tạo ra bằng cách lắng đọng một lớp Platin siêu mỏng lên một đế gốm phẳng thông qua các kỹ thuật phún xạ hoặc tương tự, sau đó được khắc laser để đạt được điện trở mong muốn. Mỗi loại có ưu nhược điểm riêng về độ bền cơ học, kích thước và chi phí, nhưng cả hai đều tuân theo cùng một nguyên lý điện trở-nhiệt độ.
Phần tử cảm biến nhạy cảm này được đặt bên trong một vỏ bảo vệ (Sheath/Probe), thường có dạng ống kim loại kín. Vật liệu chế tạo vỏ phổ biến nhất là thép không gỉ (inox), như SUS304 cho các ứng dụng thông thường hoặc SUS316/316L cho môi trường có tính ăn mòn cao hơn. Trong một số trường hợp đặc biệt, các vật liệu khác như Inconel, Hastelloy có thể được sử dụng để chịu nhiệt độ cực cao hoặc hóa chất mạnh. Bên trong vỏ, khoảng trống giữa phần tử cảm biến và thành vỏ thường được lấp đầy bằng bột oxit magie (MgO) hoặc vật liệu tương tự để tăng cường khả năng truyền nhiệt, cách điện và chống rung động.
Dây dẫn tín hiệu (Lead Wires) làm nhiệm vụ kết nối điện từ phần tử cảm biến bên trong vỏ bảo vệ ra đến điểm kết nối bên ngoài. Vật liệu dây dẫn bên trong vỏ thường là Niken hoặc hợp kim đặc biệt chịu nhiệt, trong khi dây dẫn ra ngoài thường là đồng mạ Niken hoặc các loại dây phù hợp khác. Số lượng dây dẫn (2, 3 hoặc 4) là một đặc điểm cấu tạo quan trọng, quyết định phương pháp đo và khả năng bù sai số.
Cuối cùng, các dây dẫn tín hiệu được đưa ra một đầu nối (Terminal Head/Connector). Đầu nối này có thể là dạng củ hành tiêu chuẩn công nghiệp (DIN Form A, Form B), cho phép đấu nối dây trực tiếp vào các khối terminal bên trong, hoặc dạng connector tròn công nghiệp (M8, M12), giúp kết nối nhanh chóng và đảm bảo độ kín khít cao (IP rating). Đầu nối bảo vệ các điểm đấu dây khỏi tác động của môi trường như bụi, ẩm, hóa chất và va đập cơ học.
Nguyên lý hoạt động của PT100 dựa trên sự thay đổi điện trở của Platin theo nhiệt độ một cách có thể dự đoán và lặp lại. Khi nhiệt độ tăng, các nguyên tử trong mạng tinh thể Platin dao động mạnh hơn, cản trở sự di chuyển của các electron tự do, dẫn đến điện trở suất tăng lên. Mối quan hệ này không hoàn toàn tuyến tính trên toàn dải đo, nhưng trong các khoảng nhiệt độ hẹp hơn, nó có thể được coi là gần tuyến tính.
Thiết bị đo sẽ cấp một dòng điện kích thích rất nhỏ và ổn định (thường dưới 1mA để tránh hiệu ứng tự gia nhiệt – self-heating) qua phần tử PT100 và đo điện áp rơi trên nó, từ đó tính ra điện trở theo định luật Ohm (R = V/I).
1.2. Phân loại theo kiểu đấu dây
Như đã đề cập, việc phân loại PT100 chủ yếu dựa trên số lượng dây dẫn tín hiệu. Loại 2 dây là cấu hình đơn giản nhất, chỉ nối hai đầu của phần tử cảm biến với thiết bị đo. Tuy nhiên, điện trở của hai dây dẫn này cộng trực tiếp vào điện trở của phần tử PT100, gây ra sai số phụ thuộc vào chiều dài, tiết diện và nhiệt độ của dây dẫn. Sai số này có thể trở nên đáng kể, đặc biệt khi dây dẫn dài hoặc yêu cầu độ chính xác cao.
Loại 3 dây là giải pháp cân bằng giữa chi phí và độ chính xác, được sử dụng rộng rãi nhất. Nó sử dụng ba dây dẫn giống hệt nhau về vật liệu và tiết diện. Mạch đo trong module RTD được thiết kế để đo điện trở của một trong các dây dẫn và giả định rằng dây dẫn còn lại có điện trở tương đương. Bằng cách thực hiện các phép đo và tính toán bù trừ, ảnh hưởng của điện trở dây dẫn có thể được loại bỏ phần lớn, mang lại kết quả đo chính xác hơn nhiều so với loại 2 dây.
Loại 4 dây cung cấp phương pháp đo chính xác nhất theo lý thuyết. Nó sử dụng một cặp dây (Force leads) để cấp dòng điện đo không đổi qua phần tử PT100 và một cặp dây riêng biệt (Sense leads) được nối trực tiếp vào hai đầu của phần tử cảm biến để đo điện áp rơi. Vì mạch đo điện áp có trở kháng vào cực cao, dòng điện chạy qua các dây đo áp (Sense leads) gần như bằng không, do đó điện áp rơi trên chính các dây này không đáng kể. Kết quả là điện trở của cả bốn dây dẫn đều không ảnh hưởng đến giá trị điện áp đo được, cho phép xác định điện trở của phần tử PT100 một cách cực kỳ chính xác, không phụ thuộc vào chiều dài hay đặc tính của dây dẫn.
1.3. Tiêu chuẩn và cấp chính xác
Tiêu chuẩn IEC 60751 không chỉ định nghĩa mối quan hệ điện trở-nhiệt độ mà còn quy định các cấp chính xác (Accuracy Classes) cho cảm biến PT100. Cấp chính xác cho biết sai số tối đa cho phép của cảm biến tại các nhiệt độ khác nhau.
| Cấp chính xác | Công thức sai số cho phép (°C) | Ví dụ sai số tại 0°C | Ví dụ sai số tại 100°C | Mô tả và ứng dụng |
| Class B | ±(0.3 + 0.005 * |t|) | ±0.3°C | ±0.8°C | Cấp tiêu chuẩn, phổ biến nhất cho ứng dụng công nghiệp thông thường. |
| Class A | ±(0.15 + 0.002 * |t|) | ±0.15°C | ±0.35°C | Chính xác gấp đôi Class B, dùng khi yêu cầu độ chính xác cao hơn. |
| Class AA (1/3 DIN) | ±(0.1 + 0.0017 * |t|) | ±0.1°C | ±0.27°C | Chính xác cao hơn Class A, thường dùng trong các quy trình nhạy cảm. |
| 1/10 DIN | ±(0.03 + 0.0005 * |t|) | ±0.03°C | ±0.08°C | Cấp chính xác rất cao, chủ yếu dùng cho mục đích hiệu chuẩn hoặc nghiên cứu. |
Việc lựa chọn cấp chính xác phù hợp là rất quan trọng, ảnh hưởng trực tiếp đến độ tin cậy của hệ thống đo lường và chi phí đầu tư (cấp chính xác càng cao, giá thành cảm biến càng đắt).
Ngoài ra, các đặc tính kỹ thuật khác cần được xem xét khi lựa chọn PT100 bao gồm dải đo nhiệt độ hoạt động, đảm bảo cảm biến hoạt động ổn định và bền bỉ trong khoảng nhiệt độ yêu cầu của ứng dụng (thường từ -200°C đến +600°C cho loại tiêu chuẩn). Hệ số nhiệt độ Alpha (α), đặc trưng cho độ dốc của đường đặc tính điện trở-nhiệt độ, cũng phải được chọn đúng (thường là α = 0.00385 theo IEC 60751) và cấu hình tương ứng trên thiết bị đo để đảm bảo tính toán nhiệt độ chính xác. Các yếu tố khác như thời gian đáp ứng nhiệt (tốc độ cảm biến phản ứng với sự thay đổi nhiệt độ), khả năng chịu rung động, cấp bảo vệ IP chống bụi/ẩm, và khả năng tương thích hóa học của vật liệu vỏ cũng cần được đánh giá dựa trên điều kiện vận hành cụ thể.
1.4. Ứng dụng và lợi ích mang lại
Nhờ sự kết hợp giữa độ chính xác, độ ổn định và dải đo rộng, cảm biến PT100 đã trở thành một lựa chọn hàng đầu cho vô số ứng dụng đo lường và điều khiển nhiệt độ trong các ngành công nghiệp khác nhau.
Trong ngành sản xuất công nghiệp, chúng được dùng để giám sát nhiệt độ lò nung kim loại, lò sấy sơn, bồn phản ứng hóa chất, nhiệt độ dầu thủy lực, nhiệt độ khuôn ép nhựa, đảm bảo quy trình diễn ra đúng yêu cầu kỹ thuật.
Trong ngành chế biến thực phẩm và đồ uống, PT100 đóng vai trò quan trọng trong việc kiểm soát nhiệt độ các công đoạn như thanh trùng sữa, nấu bia, lên men, làm lạnh và đông lạnh sản phẩm, đảm bảo an toàn vệ sinh và chất lượng sản phẩm.
Ngành dược phẩm dựa vào PT100 để giám sát chặt chẽ nhiệt độ trong các lò phản ứng sinh học, tủ ấm, tủ lạnh, kho bảo quản vaccine và thuốc, đáp ứng các tiêu chuẩn GMP nghiêm ngặt.
Trong lĩnh vực năng lượng, chúng đo nhiệt độ hơi nước trong lò hơi, nhiệt độ khí thải, nhiệt độ dầu bôi trơn trong tuabin phát điện, nhiệt độ trong các tấm pin năng lượng mặt trời. Các hệ thống HVAC trong tòa nhà và nhà máy sử dụng PT100 để đo nhiệt độ không khí trong ống gió, nhiệt độ nước lạnh (chilled water) và nước nóng để điều khiển hệ thống điều hòa và sưởi ấm một cách hiệu quả. Ngay cả trong phòng thí nghiệm và nghiên cứu, PT100 cũng là công cụ không thể thiếu cho các phép đo nhiệt độ yêu cầu độ chính xác cao.
Sự phổ biến của PT100 đến từ những lợi ích rõ rệt mà nó mang lại. Độ chính xác cao là ưu điểm nổi bật, đặc biệt trong dải nhiệt độ dưới 600°C, thường vượt trội so với các loại cặp nhiệt điện thông thường.
Độ ổn định lâu dài xuất sắc, nghĩa là đặc tính điện trở ít bị thay đổi hay “trôi” (drift) sau một thời gian dài sử dụng hoặc qua nhiều chu kỳ nhiệt, giúp giảm tần suất hiệu chuẩn và tăng độ tin cậy của hệ thống. Độ lặp lại tốt đảm bảo rằng cảm biến sẽ cho cùng một kết quả đo khi nhiệt độ quay trở lại một giá trị nhất định.
Cuối cùng, tính tuyến tính tương đối tốt của mối quan hệ điện trở-nhiệt độ (so với cặp nhiệt điện) giúp đơn giản hóa các thuật toán xử lý tín hiệu và chuyển đổi sang giá trị nhiệt độ trong các thiết bị đo lường và bộ điều khiển như PLC S7-1200.
Việc hiểu rõ và tận dụng những lợi ích này giúp các kỹ sư xây dựng được những hệ thống giám sát và điều khiển nhiệt độ hiệu quả, đáng tin cậy và tối ưu về chi phí.
2. Mục đích và lợi ích khi kết nối PT100 với S7-1200
Trong môi trường công nghiệp, việc giám sát và kiểm soát nhiệt độ chính xác, tự động và tin cậy là yêu cầu thiết yếu, ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm, hiệu quả vận hành, an toàn và chi phí năng lượng. Giải pháp kết hợp cảm biến PT100 với PLC Siemens S7-1200 cung cấp một hệ thống giám sát và điều khiển nhiệt độ tự động hóa tiên tiến, giải quyết các hạn chế của hệ thống cũ hoặc phương pháp đo lường thủ công. Sự tích hợp này mang lại nhiều lợi ích thiết thực.
Trước hết, hệ thống đảm bảo độ chính xác và tin cậy tối ưu. Cảm biến PT100 vốn có độ chính xác cao, khi kết hợp với module SM 1231 RTD của S7-1200 (với độ phân giải cao và khả năng bù trừ điện trở dây dẫn), hệ thống có thể đo nhiệt độ với sai số rất nhỏ. Độ tin cậy của thiết bị Siemens và khả năng chẩn đoán lỗi tích hợp đảm bảo hoạt động ổn định.
Thứ hai, giải pháp này cho phép tự động hóa hoàn toàn quy trình kiểm soát nhiệt độ. Thay vì theo dõi và điều chỉnh thủ công, S7-1200 có thể thực hiện điều khiển vòng kín thông qua thuật toán PID để duy trì nhiệt độ ổn định tại giá trị đặt. PLC cũng có thể tự động kích hoạt cảnh báo, dừng máy khi nhiệt độ vượt ngưỡng an toàn, và ghi lại dữ liệu lịch sử (Data Logging) để phân tích và báo cáo.
Thứ ba, việc giám sát thời gian thực và trực quan trở nên dễ dàng. Dữ liệu nhiệt độ từ S7-1200 có thể được hiển thị trên màn hình HMI tại chỗ hoặc truyền lên hệ thống SCADA tại phòng điều khiển trung tâm qua mạng PROFINET. Nó cho phép người vận hành và kỹ sư theo dõi liên tục trạng thái nhiệt độ của nhiều điểm đo giúp phát hiện sớm các bất thường.
Thứ tư, hệ thống giúp tối ưu hóa hiệu quả sử dụng năng lượng. Bằng cách kiểm soát nhiệt độ chính xác quanh điểm đặt tối ưu, tránh quá nhiệt hoặc quá lạnh không cần thiết, hệ thống PT100 và S7-1200 giúp giảm đáng kể tiêu thụ năng lượng trong các quy trình gia nhiệt, làm lạnh, sấy khô. Mức tiết kiệm có thể đạt từ 10% đến 30% so với phương pháp thủ công.
Thứ năm, hệ thống nâng cao an toàn lao động và bảo vệ thiết bị. Việc giám sát liên tục và cảnh báo tự động giúp phát hiện sớm các nguy cơ do nhiệt độ bất thường, cho phép hành động kịp thời trước khi xảy ra sự cố, đảm bảo môi trường làm việc an toàn và kéo dài tuổi thọ máy móc.
Thứ sáu, hệ thống S7-1200 có tính linh hoạt và khả năng mở rộng cao với cấu trúc module hóa cho phép dễ dàng thêm các module SM 1231 RTD để mở rộng số điểm đo khi cần thiết. Và khả năng kết nối mạng PROFINET trên S7-1200 cũng cho phép tích hợp liền mạch vào mạng tự động hóa lớn hơn.
Cuối cùng, giải pháp này giúp giảm chi phí vận hành và bảo trì. Tự động hóa giảm sự phụ thuộc vào lao động thủ công. Việc ghi dữ liệu và chẩn đoán lỗi hỗ trợ bảo trì dự phòng hiệu quả, giảm thời gian dừng máy và chi phí sửa chữa. Độ bền của thiết bị Siemens cũng góp phần giảm chi phí bảo trì dài hạn.
3. Các bước kết nối cảm biến PT100 và SIMATIC S7-1200
Việc tích hợp thành công cảm biến PT100 vào hệ thống điều khiển sử dụng PLC Siemens SIMATIC S7-1200 đòi hỏi một quy trình thực hiện bao gồm nhiều bước từ lựa chọn phần cứng, đấu nối vật lý đến cấu hình trên phần mềm lập trình PLC S7-1200. Các bước chi tiết cần thực hiện như sau:
3.1. Lựa chọn module Analog Input RTD phù hợp
Để đọc tín hiệu từ cảm biến PT100 bằng PLC S7-1200, cần sử dụng các module đầu vào tương tự (Analog Input Module) chuyên dụng cho cảm biến nhiệt điện trở (RTD). Siemens cung cấp hai lựa chọn chính là Module tín hiệu SM 1231 RTD và Bo mạch tín hiệu SB 1231 RTD.
Module tín hiệu SM 1231 RTD là giải pháp mạnh mẽ và linh hoạt, được lắp vào khe cắm mở rộng bên phải của CPU S7-1200. Các module này thường cung cấp 4 hoặc 8 kênh đầu vào RTD, cho phép kết nối nhiều cảm biến. Chúng có bộ xử lý tín hiệu riêng, đảm bảo hiệu suất đo lường cao. Các mã hàng phổ biến là 6ES7231-5PD32-0XB0 (4 kênh) và 6ES7231-5PF32-0XB0 (8 kênh). Bảng dưới đây tóm tắt thông số kỹ thuật điển hình:
| Thông số kỹ thuật | Mô tả |
| Số kênh đầu vào RTD | 4 hoặc 8 |
| Loại RTD hỗ trợ | PT100, PT200, PT500, PT1000, Ni100, Ni1000, Cu10, Ohm |
| Kiểu kết nối | 2 dây, 3 dây, 4 dây (cấu hình từng kênh) |
| Dải đo nhiệt độ (PT100) | -200 °C đến +850 °C (tùy cấu hình) |
| Độ phân giải | 15 bit + dấu |
| Độ chính xác (điển hình) | ±0.1% đến ±0.5% toàn dải đo |
| Chức năng chẩn đoán | Đứt dây, Ngắn mạch, Lỗi tràn số |
| Cách ly | Thường có cách ly giữa kênh và bus hệ thống |
| Nguồn cấp yêu cầu | 24V DC từ bus hệ thống |
Module SM 1231 RTD phù hợp khi cần đo nhiều điểm, yêu cầu độ chính xác cao và cần các tính năng chẩn đoán.
Bo mạch tín hiệu SB 1231 RTD là giải pháp nhỏ gọn và tiết kiệm hơn, cắm trực tiếp lên mặt trước của một số dòng CPU S7-1200 (ví dụ: CPU 1212C trở lên). Nó chỉ cung cấp một kênh đầu vào RTD duy nhất. Mã hàng phổ biến là 6ES7231-5PA30-0XB0. Thông số kỹ thuật về loại RTD, kiểu kết nối, độ phân giải tương tự như SM 1231 RTD nhưng chỉ cho một kênh. SB 1231 RTD phù hợp khi chỉ cần đo 1-2 điểm và muốn tiết kiệm không gian, chi phí.
Một câu hỏi thường gặp là liệu module Analog Input thông thường (SM 1231 AI) có đọc được PT100 không. Câu trả lời là không trực tiếp. Module AI thông thường (ví dụ: 6ES7231-4HD32-0XB0) được thiết kế đọc tín hiệu điện áp hoặc dòng điện chuẩn (0-10V, 4-20mA), không đo được điện trở.
Để sử dụng module AI đọc PT100, bắt buộc phải dùng thêm một bộ chuyển đổi tín hiệu (Transmitter) PT100 sang 4-20mA hoặc 0-10V. Bộ chuyển đổi này đọc tín hiệu PT100 và chuyển thành tín hiệu analog chuẩn, sau đó tín hiệu này được đưa vào module AI. Giải pháp này có ưu điểm là tận dụng được module AI có sẵn và tín hiệu 4-20mA chống nhiễu tốt, nhưng nhược điểm là tốn thêm chi phí transmitter, tăng sai số tổng thể và cấu hình phức tạp hơn. Do đó, trừ khi có lý do đặc biệt, việc sử dụng module chuyên dụng SM/SB 1231 RTD luôn được khuyến nghị để đảm bảo độ chính xác, tin cậy và đơn giản hóa triển khai.
Việc quyết định lựa chọn giữa module SM hay SB, cũng như lựa chọn module 4 kênh hay 8 kênh, cần dựa trên việc đánh giá cẩn thận quy mô của ứng dụng, số lượng điểm đo nhiệt độ thực tế cần giám sát và ngân sách cho phép của dự án. Việc tham khảo kỹ lưỡng bảng thông số kỹ thuật (datasheet) của từng mã module là hết sức cần thiết để nắm rõ các chi tiết về độ phân giải, dải đo, các loại RTD được hỗ trợ, các kiểu kết nối dây tương thích (2, 3, 4 dây) và các chức năng chẩn đoán tích hợp, từ đó đảm bảo module được chọn hoàn toàn tương thích với cảm biến và đáp ứng đầy đủ các yêu cầu kỹ thuật của hệ thống.
3.2. Thực hiện đấu nối phần cứng
Sau khi đã lựa chọn được module RTD phù hợp, bước tiếp theo trong quy trình là thực hiện việc đấu nối vật lý giữa cảm biến PT100 và các đầu nối (terminals) tương ứng trên module đã được lắp đặt vào PLC S7-1200. Đây là một công đoạn đòi hỏi sự cẩn thận và chính xác cao, bởi chất lượng của việc đấu nối sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến độ ổn định của tín hiệu và độ chính xác của kết quả đo nhiệt độ cuối cùng.
Trước khi tiến hành đấu nối, cần chuẩn bị đầy đủ các vật tư và dụng cụ cần thiết. Các thành phần chính bao gồm module RTD đã được lắp chắc chắn vào S7-1200, cảm biến PT100 với loại dây dẫn phù hợp (2, 3 hoặc 4 dây) đã được chọn cho ứng dụng, và đặc biệt là cáp tín hiệu analog chuyên dụng có vỏ bọc chống nhiễu (shielded cable) với số lượng lõi và tiết diện dây phù hợp. Các dụng cụ cần thiết bao gồm tua vít cách điện có đầu phù hợp với ốc vít trên terminal, kìm tuốt dây chính xác, kìm bấm đầu cos (nếu sử dụng), và một đồng hồ vạn năng (VOM) để kiểm tra thông mạch và cách điện sau khi đấu nối.
Sơ đồ đấu dây chi tiết sẽ phụ thuộc vào loại cảm biến PT100 đang sử dụng (2 dây, 3 dây hay 4 dây) và ký hiệu các chân đấu nối trên module RTD cụ thể (các ký hiệu thường gặp là M+ cho dòng/áp dương, M- cho dòng/áp âm, S+ cho chân bù/đo áp dương, đôi khi có thêm chân Reference hoặc Shield cho kết nối 4 dây hoặc nối đất vỏ chống nhiễu). Điều quan trọng là phải luôn tham khảo tài liệu PLC S7-1200 và các tài liệu kỹ thuật (datasheet) đi kèm với mã module RTD đang sử dụng để xác định chính xác sơ đồ chân cho từng kênh đo cụ thể.
Đối với kết nối PT100 2 dây, cách đấu nối rất đơn giản: một dây dẫn từ cảm biến được nối vào chân M+, và dây dẫn còn lại được nối vào chân M- của kênh tương ứng trên module. Tuy nhiên, một điểm bắt buộc cần lưu ý là phải tạo một cầu nối (jumper) bằng một đoạn dây ngắn giữa chân M- và chân S+ của cùng kênh đó trên module. Nếu thiếu cầu nối này, module sẽ nhận diện là lỗi đứt dây và không thể đọc giá trị. Cần nhớ rằng kiểu kết nối 2 dây này chịu ảnh hưởng lớn nhất từ điện trở của dây dẫn, làm giảm độ chính xác của phép đo.
Đối với kết nối PT100 3 dây, đây là kiểu kết nối phổ biến và được khuyến nghị trong hầu hết các ứng dụng công nghiệp vì khả năng bù trừ điện trở dây tốt. Cảm biến PT100 3 dây thường có hai dây dẫn cùng màu và một dây dẫn khác màu. Theo quy ước thông thường, hai dây cùng màu sẽ được nối một dây vào chân M+ và dây còn lại vào chân S+ của module. Dây dẫn khác màu sẽ được nối vào chân M-. Với cấu hình này, mạch đo bên trong module có thể đo và tính toán để loại bỏ phần lớn ảnh hưởng của điện trở trên đường dây dẫn.
Đối với kết nối PT100 4 dây, kiểu kết nối này mang lại độ chính xác cao nhất theo lý thuyết vì nó loại bỏ hoàn toàn ảnh hưởng của điện trở dây dẫn. Cảm biến PT100 4 dây có hai cặp dây riêng biệt, thường được gọi là cặp dây cấp dòng (Force leads) và cặp dây đo áp (Sense leads). Một dây Force và một dây Sense (xuất phát từ cùng một đầu của phần tử cảm biến) sẽ được nối tương ứng vào chân M+ và S+ của module. Dây Force còn lại và dây Sense còn lại (xuất phát từ đầu kia của phần tử cảm biến) sẽ được nối vào chân M- và chân tham chiếu (Reference) hoặc chân M- (tùy thuộc vào thiết kế của module, cần kiểm tra datasheet).
Trong suốt quá trình thực hiện đấu nối, việc tuân thủ các nguyên tắc kỹ thuật là vô cùng quan trọng để đảm bảo chất lượng tín hiệu và độ tin cậy của hệ thống. Luôn sử dụng cáp tín hiệu có vỏ bọc chống nhiễu và thực hiện việc nối đất vỏ bọc này đúng kỹ thuật, chỉ tại một đầu duy nhất (thường là đầu nối đất tại tủ điều khiển chứa PLC) để ngăn chặn hiện tượng vòng lặp dòng điện (ground loop) có thể gây nhiễu.
Ngoài ra, cần bố trí đường đi của dây tín hiệu analog tách biệt hoàn toàn khỏi các đường dây động lực (cấp nguồn cho động cơ, biến tần, heater…) hoặc các đường dây tín hiệu khác có thể phát ra nhiễu điện từ tần số cao. Phải đảm bảo rằng tất cả các điểm kết nối dây vào terminal đều được thực hiện chắc chắn, bề mặt tiếp xúc tốt (sử dụng đầu cos phù hợp nếu cần thiết) và siết ốc vít với lực vừa đủ, không quá lỏng cũng không quá chặt làm hỏng terminal.
Sau khi hoàn tất việc đấu nối, bước kiểm tra lại toàn bộ sơ đồ và sử dụng đồng hồ VOM để kiểm tra thông mạch giữa các dây tương ứng, kiểm tra cách điện giữa các dây với nhau và với vỏ chống nhiễu là bắt buộc trước khi cấp nguồn cho hệ thống.
Cuối cùng, việc đánh dấu các dây tín hiệu một cách rõ ràng và nhất quán sẽ giúp ích rất nhiều cho việc kiểm tra, sửa lỗi và bảo trì hệ thống sau này.
3.3. Cấu hình module RTD trong TIA Portal
Khi công đoạn đấu nối phần cứng đã được hoàn thành một cách chính xác và cẩn thận, bước tiếp theo không thể thiếu là thực hiện việc cấu hình các thông số hoạt động cho module RTD bên trong môi trường phần mềm lập trình TIA Portal. Việc cấu hình này có vai trò định nghĩa cho bộ điều khiển PLC S7-1200 biết cách thức nhận diện, diễn giải và xử lý tín hiệu điện trở đến từ cảm biến PT100 một cách đúng đắn.
Để bắt đầu quá trình cấu hình, người dùng cần mở phần mềm TIA Portal và truy cập vào phần cấu hình phần cứng (Device Configuration hoặc Devices & networks) của dự án S7-1200 đang làm việc. Nếu module RTD (SM hoặc SB) chưa được khai báo trong cấu hình phần cứng của project, cần phải tìm đúng mã hiệu (part number) của module trong danh mục phần cứng (Hardware Catalog) được cung cấp sẵn trong TIA Portal và kéo thả (drag and drop) module đó vào vị trí khe cắm tương ứng trên hình ảnh biểu diễn rack ảo của CPU S7-1200 trong giao diện Device view.
Sau khi module đã có mặt trong cấu hình, hãy nhấp chuột chọn module RTD đó trong Device view. Thao tác này sẽ mở ra cửa sổ thuộc tính (Properties) của module ở khu vực phía dưới màn hình. Trong cửa sổ Properties, điều hướng đến mục cài đặt chi tiết cho các kênh đầu vào analog, thường có tên là “Analog inputs” hoặc tương tự. Tại đây, bạn sẽ thấy danh sách các kênh đầu vào mà module hỗ trợ (ví dụ: Channel 0, Channel 1, Channel 2, Channel 3 đối với module SM 4 kênh). Hãy chọn kênh cụ thể mà bạn đã thực hiện đấu nối cảm biến PT100 vào ở bước trước.
Trong phần cài đặt chi tiết dành riêng cho kênh đã chọn, có một số thông số cực kỳ quan trọng cần được thiết lập một cách chính xác tuyệt đối. Đầu tiên, cần đảm bảo tùy chọn “Activate channel” được đánh dấu (checked) để cho phép kênh này hoạt động và thực hiện việc đo lường. Tiếp theo, trong mục “Measurement type”, phải chọn đúng loại tín hiệu là “Resistance thermometer (RTD)”. Kế đến, tại mục “Resistance thermometer type (RTD type)”, cần chọn chính xác loại cảm biến nhiệt điện trở đang được sử dụng; đối với PT100 theo chuẩn quốc tế thông dụng, lựa chọn thường là “PT100 Standard (alpha=0.00385)”. Việc chọn sai loại RTD ở đây sẽ dẫn đến sai số tính toán nhiệt độ rất lớn. Mục “Connection type (Wiring type)” yêu cầu chọn đúng kiểu đấu dây đã được thực hiện tại phần cứng, bao gồm các lựa chọn “2-wire measurement”, “3-wire measurement”, hoặc “4-wire measurement”; thông số này bắt buộc phải khớp 100% với cách đấu nối vật lý. Sau đó, chọn đơn vị nhiệt độ mong muốn cho kết quả đọc về tại mục “Temperature unit”, các lựa chọn phổ biến là “Celsius (°C)”, “Fahrenheit (°F)”, hoặc “Kelvin (K)”.
Ngoài các thông số cơ bản trên, mục “Diagnostics” cho phép kích hoạt các chức năng chẩn đoán lỗi phần cứng tích hợp sẵn của module, như phát hiện đứt dây cảm biến hoặc đấu nối lỏng lẻo (“Wire break”), phát hiện ngắn mạch trong dây dẫn hoặc cảm biến (“Short circuit”), hoặc cảnh báo khi giá trị đo được vượt quá giới hạn trên hoặc dưới của dải đo cho phép (“Overflow/Underflow”).
Việc kích hoạt các chức năng chẩn đoán này rất hữu ích cho việc giám sát tình trạng hoạt động của cảm biến và hệ thống. Cuối cùng, mục “Smoothing” (hoặc Integration time/Filter) cung cấp tùy chọn để làm mịn tín hiệu đọc về, giúp giảm thiểu ảnh hưởng của nhiễu hoặc các dao động nhỏ. Có thể chọn các mức độ làm mịn khác nhau (ví dụ: None, Weak, Medium, Strong), tuy nhiên cần cân nhắc kỹ lưỡng vì việc làm mịn tín hiệu quá mạnh có thể làm tăng thời gian đáp ứng của hệ thống đối với các thay đổi nhiệt độ nhanh.
Quy trình cấu hình chi tiết này cần được lặp lại cho tất cả các kênh khác trên module mà có kết nối với cảm biến PT100. Sau khi đã hoàn tất việc cấu hình cho tất cả các kênh cần thiết, một bước quan trọng nữa là phải kiểm tra và ghi lại địa chỉ đầu vào dạng Word (%IWx) mà TIA Portal đã tự động gán cho từng kênh đo trong mục “I/O addresses” (hoặc Tag table) của module. Địa chỉ này là thông tin cốt yếu sẽ được sử dụng trong bước lập trình tiếp theo để đọc giá trị nhiệt độ từ module.
Cuối cùng, sau khi đã kiểm tra lại toàn bộ các thông số cấu hình, hãy thực hiện thao tác biên dịch cấu hình phần cứng (Compile -> Hardware (rebuild all)) trong TIA Portal để kiểm tra xem có lỗi cú pháp hay logic nào không. Nếu quá trình biên dịch thành công không có lỗi, hãy kết nối máy tính với PLC S7-1200 và thực hiện việc tải (Download) toàn bộ cấu hình phần cứng vừa thiết lập xuống bộ nhớ của PLC. Trong quá trình tải, PLC có thể yêu cầu chuyển sang chế độ STOP, hãy xác nhận và chờ đợi cho đến khi quá trình tải hoàn tất.
Sau khi tải xong và chuyển PLC về chế độ RUN, module RTD đã được cấu hình đầy đủ và sẵn sàng hoạt động theo đúng các thông số kỹ thuật đã cài đặt, chuẩn bị cho việc đọc dữ liệu trong chương trình PLC.
3.4. Lập trình đọc giá trị nhiệt độ trong TIA Portal
Bước cuối cùng và không kém phần quan trọng trong quy trình tích hợp PT100 với S7-1200 là viết mã lệnh (code) trong chương trình PLC, sử dụng môi trường TIA Portal, để thực hiện việc đọc giá trị nhiệt độ từ địa chỉ Input Word (%IW) mà module RTD đã cung cấp và xử lý giá trị đó thành dạng số thực (Real) có ý nghĩa vật lý, sẵn sàng cho việc sử dụng trong logic điều khiển hoặc giám sát.
Trong môi trường lập trình PLC S7-1200 với TIA Portal, bạn có thể viết logic xử lý này trong khối chương trình chính (Main OB1) hoặc tốt hơn là tạo một khối chức năng (Function – FC) hoặc khối dữ liệu chức năng (Function Block – FB) riêng biệt để quản lý mã lệnh cho việc đọc và xử lý nhiệt độ một cách có cấu trúc. Sử dụng ngôn ngữ lập trình PLC như Ladder Logic (LAD), các bước xử lý logic điển hình gồm:
Đầu tiên, đọc giá trị nguyên (Raw Value) từ module. Sử dụng một lệnh MOVE cơ bản để sao chép giá trị đang có tại địa chỉ Input Word của kênh RTD cần đọc (ví dụ: %IW96 cho kênh 0) vào một biến tạm thời trong chương trình, biến này nên có kiểu dữ liệu là Integer (ví dụ, khai báo một biến tag tên là Raw_Temp_Int trong vùng nhớ tạm Temp của khối hoặc trong một Data Block).
Tiếp theo, thực hiện kiểm tra lỗi. Đây là bước tùy chọn nhưng rất được khuyến nghị, đặc biệt nếu bạn đã kích hoạt chức năng chẩn đoán trong cấu hình module. Sử dụng các lệnh so sánh (Compare) để kiểm tra xem giá trị Raw_Temp_Int vừa đọc về có bằng các giá trị báo lỗi đặc biệt (ví dụ: 32767 hoặc -32768) hay không. Nếu phát hiện giá trị lỗi, bạn nên có logic xử lý phù hợp, ví dụ như đặt một bit cờ (flag) báo lỗi lên ON, ghi log sự kiện lỗi, hoặc gán một giá trị nhiệt độ không hợp lệ (ví dụ -999.9) cho kết quả cuối cùng để các phần khác của chương trình biết rằng phép đo đang gặp sự cố, thay vì tiếp tục thực hiện các phép tính với giá trị lỗi.
Nếu giá trị đọc về không phải là giá trị lỗi, bước kế tiếp là chuyển đổi kiểu dữ liệu sang số thực (Real). Do phép chia để áp dụng hệ số scale cần thực hiện trên kiểu dữ liệu số thực nhằm giữ lại phần thập phân, bạn cần chuyển đổi giá trị Raw_Temp_Int sang kiểu Real. Sử dụng lệnh CONVERT, với đầu vào là Raw_Temp_Int và đầu ra là một biến tạm khác có kiểu dữ liệu Real (ví dụ, khai báo biến tag Raw_Temp_Real).
Sau đó, thực hiện áp dụng hệ số Scale để nhận được giá trị nhiệt độ thực tế. Sử dụng lệnh tính toán DIVIDE (phép chia), lấy giá trị Raw_Temp_Real làm số bị chia (IN1) và nhập hằng số thực tương ứng với hệ số scale (ví dụ: 10.0 hoặc 100.0) làm số chia (IN2). Kết quả của phép chia này chính là giá trị nhiệt độ thực tế theo đơn vị đã cấu hình.
Cuối cùng, lưu trữ và sử dụng kết quả. Giá trị nhiệt độ thực tế (kiểu Real) thu được từ phép chia nên được lưu trữ vào một biến tag có ý nghĩa, thường được khai báo trong một Data Block (DB) toàn cục để dễ dàng truy cập từ các phần khác của chương trình (ví dụ, đặt tên là “DB_NhietDo”.PT100_Channel0_ActualValue_C). Từ đây, giá trị nhiệt độ này đã sẵn sàng để được sử dụng cho nhiều mục đích khác nhau trong hệ thống tự động hóa, ví dụ như hiển thị trực quan trên màn hình HMI, làm giá trị đầu vào (Process Variable – PV) cho các khối hàm điều khiển nhiệt độ PID, dùng trong các logic so sánh để kích hoạt cảnh báo nhiệt độ cao/thấp, ghi vào bộ nhớ đệm để tạo log dữ liệu lịch sử, hoặc truyền thông lên hệ thống SCADA cấp cao hơn để giám sát và phân tích.
Sau khi đã viết xong mã lệnh, cần phải tải chương trình xuống PLC. Bước kiểm tra cuối cùng và rất quan trọng là sử dụng chức năng giám sát trực tuyến (Online Monitoring) có sẵn trong TIA Portal. Chức năng này cho phép bạn quan sát giá trị thực tế của các biến tag (bao gồm cả giá trị Raw đọc về và giá trị nhiệt độ cuối cùng sau khi xử lý) đang thay đổi như thế nào trong thời gian thực khi PLC hoạt động. Việc này giúp xác nhận rằng logic lập trình của bạn đang hoạt động đúng như mong đợi và giá trị nhiệt độ thu được là chính xác và hợp lý.
4. Thanh Thiên Phú cung cấp cảm biến PT100 và SIMATIC S7-1200 chính hãng
Để triển khai thành công giải pháp đo lường nhiệt độ PT100 với PLC S7-1200, việc lựa chọn một đối tác cung cấp thiết bị và hỗ trợ kỹ thuật uy tín là rất quan trọng. Thanh Thiên Phú tự hào là đơn vị chuyên sâu trong lĩnh vực tự động hóa công nghiệp, sẵn sàng đồng hành cùng bạn.
Chúng tôi cung cấp đầy đủ các thiết bị cần thiết, bao gồm PLC Siemens S7-1200, module RTD chuyên dụng (SM/SB 1231 RTD), và cảm biến PT100 chất lượng cao, cam kết 100% hàng chính hãng với giá cả cạnh tranh. Với đội ngũ kỹ sư giàu kinh nghiệm, chúng tôi không chỉ bán sản phẩm mà còn mang đến giải pháp tối ưu thông qua dịch vụ tư vấn kỹ thuật chuyên sâu, hỗ trợ lắp đặt, cấu hình và lập trình PLC S7-1200.
Thanh Thiên Phú là Đại lý Siemens tại Việt Nam cam kết mang đến cho khách hàng sự an tâm về chất lượng sản phẩm, hiệu quả giải pháp và sự hỗ trợ tận tâm sau bán hàng. Chúng tôi mong muốn trở thành đối tác tin cậy, giúp bạn làm chủ công nghệ và nâng cao hiệu quả hoạt động.
Liên hệ ngay với chúng tôi để được tư vấn và nhận báo giá tốt nhất:
- Hotline: 08.12.77.88.99
- Website: thanhthienphu.vn
- Địa chỉ: 20 đường 29, Khu phố 2, Phường Cát Lái, Thành phố Thủ Đức, Thành phố Hồ Chí Minh
