PLC, Sensor, สินค้าและบทความเทคนิค
คู่มือการต่อสายสัญญาณ Analog 4-20mA และ 0-10V เข้า PLC: สรุปความต่าง การแปลงสัญญาณ และวิธีแก้สัญญาณกวน ฉบับวิศวกร
ส.ค.
💡 สรุปใจความสำคัญ (Key Takeaway): สัญญาณแอนะล็อก (Analog Signal) ในโรงงานแบ่งเป็น 2 กลุ่มใหญ่คือ กระแส (4–20mA Current Loop) และ แรงดัน (0–10V Voltage Signal) โดยสัญญาณ 4-20mA คือมาตรฐานสากลสำหรับระยะทางไกลและทนต่อสัญญาณรบกวนสูงสุด มีข้อดีเรื่อง “Live Zero (4mA)” ที่ตรวจจับสายขาดได้ทันที ส่วน 0-10V เหมาะสำหรับระยะสั้นภายในตู้คอนโทรลเดียวกัน
1. ตารางเปรียบเทียบเชิงลึก: สัญญาณ 4-20mA ปะทะ 0-10V
| คุณสมบัติทางวิศวกรรม | สัญญาณกระแส (4–20 mA Current Loop) | สัญญาณแรงดัน (0–10 V Voltage Signal) |
|---|---|---|
| ระยะทางเดินสายสูงสุด | ไกลมาก (100 – 1,000+ เมตร) | สั้น (แนะนำไม่เกิน 10 – 15 เมตร) |
| ผลกระทบจากความต้านทานสาย (Voltage Drop) | ไม่มีผล (กระแสในวงจรลูปเท่ากันทุกจุด) | มีผลสูง (แรงดันตกตามความยาวสาย $V = I imes R$) |
| ความทนทานต่อสัญญาณกวน (Noise Immunity) | สูงมาก (เป็นวงจร Low-Impedance) | ต่ำ (ไวต่อสัญญาณกวนจาก Inverter/มอเตอร์) |
| การตรวจจับสายขาด (Broken Wire Detection) | ทำได้ทันที (ถ้ากระแสตกต่ำกว่า 3.8mA = สายขาด) | แยกไม่ออก (0V อาจแปลว่าค่าเป็นศูนย์ หรือสายขาด) |
| การต่อขนานเพื่อวัดค่าหลายจุด | ต้องต่อแบบอนุกรม (Series) | ต่อขนาน (Parallel) ได้ง่าย |
| การประยุกต์ใช้งานยอดนิยม | Transmitter วัดแรงดัน (Pressure), ระดับน้ำ (Level), อุณหภูมิ (RTD/TC) | วอลลุ่มปรับความเร็ว (Potentiometer), สั่งสปีด Inverter ในตู้เดียวกัน |
2. แผนผังการต่อสายเซนเซอร์ 2-Wire, 3-Wire และ 4-Wire
หัวใจสำคัญของการต่อสายสัญญาณ 4-20mA คือการดูว่าตัวส่งสัญญาณ (Transmitter) เป็นแบบกี่สาย:
🔹 1. เซนเซอร์แบบ 2 สาย (2-Wire Loop Powered) — นิยมที่สุด
เซนเซอร์ประเภทนี้ใช้สายไฟเพียง 2 เส้นในการ “รับไฟเลี้ยง 24V และส่งสัญญาณกระแสกลับมาในเส้นเดียวกัน”:
[ วงจร 2-Wire Loop Powered Wiring ]
[Power Supply +24V] ──(+)──> [Transmitter Terminal (+)]
[Transmitter Terminal (-)] ──(Signal)──> [PLC Analog Input (+)]
[PLC Analog Input (-)] ─────────────> [Power Supply 0V / GND]
🔹 2. เซนเซอร์แบบ 3 สาย (3-Wire Transmitter)
ใช้สำหรับเซนเซอร์ที่กินกระแสสูง มี 3 ขั้วคือ: Power (+24V), Common (0V), และ Signal (+):
- ขั้ว Power (+): ต่อเข้า +24V DC
- ขั้ว Common (-): ต่อเข้า 0V DC ร่วมกันระหว่าง Power Supply และขั้วลบของโมดูล PLC
- ขั้ว Signal Output (+): ต่อเข้าขั้วบวกอินพุตของ PLC (AI+)
🔹 3. เซนเซอร์แบบ 4 สาย (4-Wire Self-Powered)
เซนเซอร์มีแหล่งจ่ายไฟเลี้ยงแยกต่างหาก (เช่น ไฟ 220VAC หรือ 24VDC แยก) และมีขั้วสัญญาณ Output (+) และ (-) อิสระ ต่อตรงเข้าขั้ว AI(+) และ AI(-) ของ PLC ได้ทันที
3. เทคนิคแปลงสัญญาณ 4-20mA เป็น 1-5V หรือ 2-10V ด้วย Precision Resistor
หากคุณมีโมดูล PLC ที่รับได้เฉพาะสัญญาณแรงดัน (Voltage Input 0-5V หรือ 0-10V) แต่ต้องการต่อเซนเซอร์ 4-20mA คุณสามารถแปลงสัญญาณได้ง่ายๆ โดยใช้ ตัวต้านทานความแม่นยำสูง (Precision Resistor 0.1% Tolerance) ตามกฎของโอห์ม ($V = I imes R$):
📐 สูตรการคำนวณและเลือกตัวต้านทาน:
• แปลงเป็น 1 – 5 VDC: ต่อตัวต้านทาน 250 โอห์ม (250Ω 0.1% 1/4W) คร่อมขั้ว AI(+) และ AI(-)
$$4 ext{ mA} imes 250\ \Omega = 1.0 ext{ V} \quad \Longleftrightarrow \quad 20 ext{ mA} imes 250\ \Omega = 5.0 ext{ V}$$
• แปลงเป็น 2 – 10 VDC: ต่อตัวต้านทาน 500 โอห์ม (500Ω 0.1% 1/4W) คร่อมขั้ว AI(+) และ AI(-)
$$4 ext{ mA} imes 500\ \Omega = 2.0 ext{ V} \quad \Longleftrightarrow \quad 20 ext{ mA} imes 500\ \Omega = 10.0 ext{ V}$$
⚠️ คำเตือน: ห้ามใช้ตัวต้านทานเกรดทั่วไปที่มีค่าความคลาดเคลื่อน 5% (แถบสีทอง) เพราะจะทำให้ค่าการวัดเพี้ยนอย่างรุนแรง ต้องใช้เกรด Precision Metal Film 0.1% เท่านั้น
4. สูตรการแปลงค่าในโปรแกรม PLC (Scaling Formula)
เมื่อโมดูล Analog แปลงสัญญาณไฟฟ้าเป็นค่าดิจิทัล (Raw ADC Value เช่น 0–27648 ใน Siemens หรือ 0–4000 ใน Mitsubishi) เราต้องทำการ Scale กลับมาเป็นหน่วยวัดจริง (Engineering Units เช่น 0–100 bar หรือ 0–150 °C):
สูตรมาตรฐานเชิงเส้น (Linear Scaling Equation):
$$ ext{Scaled Value} = ext{Out}_{ ext{Min}} + \left( rac{ ext{Raw} – ext{In}_{ ext{Min}}}{ ext{In}_{ ext{Max}} – ext{In}_{ ext{Min}}}
ight) imes ( ext{Out}_{ ext{Max}} – ext{Out}_{ ext{Min}})$$
ตัวอย่าง: ใน Siemens TIA Portal ใช้คำสั่ง NORM_X ร่วมกับ SCALE_X โดยระบุ In_Min = 5530 (สำหรับ 4mA) และ In_Max = 27648 (สำหรับ 20mA)
5. คู่มือแก้ปัญหาสัญญาณ Analog เพี้ยนหรือแกว่ง (Troubleshooting)
❌ อาการที่ 1: ค่าที่อ่านได้ใน PLC สวิงขึ้นลงไม่นิ่ง (Signal Fluctuation)
สาเหตุและวิธีแก้:
- เกิด Ground Loop: มีการต่อกราวด์สายชิลด์ทั้งหัวและท้าย $
ightarrow$ แก้ไขโดยต่อสายชิลด์ลงกราวด์เพียงฝั่งเดียว (Single-Point Ground) ที่ตู้ PLC - คลื่นกวนจาก Inverter: สายสัญญาณแอนะล็อกถูกเดินในรางเดียวกับสายไฟมอเตอร์ $
ightarrow$ แก้ไขโดยแยกรางเดินสายห่างอย่างน้อย 20–30 ซม. และตัดกันในมุม 90 องศา - เปิดฟังก์ชัน Digital Filtering ใน PLC: ตั้งค่า Filter Time Constant ในพารามิเตอร์ของโมดูล Analog (เช่น 50Hz/60Hz Noise Rejection หรือ Moving Average)
❌ อาการที่ 2: ค่าความดัน/อุณหภูมิวัดได้ติดลบ หรือค้างที่ค่าสูงสุด
วิธีตรวจเช็ค: ใช้มัลติมิเตอร์สลับไปที่โหมดวัดกระแส DC mA แล้วต่ออนุกรมเข้ากับวงจรลูป ถ้าวัดได้ 0.00 mA แสดงว่าสายไฟขาดหรือพาวเวอร์ซัพพลายไม่มีไฟ แต่ถ้าวัดได้มากกว่า 20 mA แสดงว่าเซนเซอร์ช็อตหรือตั้งย่าน Range ผิด
❓ คำถามที่พบบ่อย (FAQ)
Q1: ทำไมสัญญาณกระแสมาตรฐานถึงเริ่มต้นที่ 4mA ไม่เริ่มที่ 0mA?
คำตอบ: เพื่อสร้าง “Live Zero” ซึ่งช่วยแยกแยะระหว่างค่าการวัดที่เป็นศูนย์จริง (4mA = 0%) กับกรณีสายไฟขาดหรือเซนเซอร์พัง (กระแสตกเป็น 0mA) นอกจากนี้ กระแส 4mA ยังเพียงพอที่จะใช้เป็นพลังงานเลี้ยงวงจรอิเล็กทรอนิกส์ภายในตัวเซนเซอร์แบบ 2 สายได้โดยไม่ต้องเดินสายไฟเพิ่ม
Q2: เมื่อไหร่ที่จำเป็นต้องใช้ Signal Isolator (ตัวแยกสัญญาณ)?
คำตอบ: ควรใช้เมื่อเซนเซอร์และตู้ควบคุม PLC อยู่คนละอาคาร หรือใช้หม้อแปลงไฟฟ้าคนละลูก ซึ่งอาจมีระดับศักย์ไฟฟ้าของกราวด์ (Ground Potential) แตกต่างกัน ทำให้เกิดกระแสรั่วไหลทำลายการ์ด Analog ของ PLC การใส่ Signal Isolator (Galvanic Isolation 1.5kV+) จะตัดการเชื่อมต่อทางไฟฟ้าและป้องกันความเสียหายได้อย่างสมบูรณ์
Q3: โมดูล Analog Input 12-bit กับ 16-bit ต่างกันมากแค่ไหน?
คำตอบ: ต่างกันที่ความละเอียด (Resolution) โดย 12-bit สามารถแบ่งระดับสัญญาณได้ 4,096 ขั้น เหมาะกับงานวัดทั่วไป ส่วน 16-bit แบ่งได้ถึง 65,536 ขั้น เหมาะกับงานที่ต้องการความแม่นยำสูงมาก เช่น การชั่งน้ำหนัก (Load Cell) หรือการควบคุมอุณหภูมิในเตาหลอมที่ความละเอียด 0.01 °C
📚 แหล่งข้อมูลอ้างอิงและมาตรฐานสากล (References)
- International Electrotechnical Commission (IEC): IEC 60381-1: Analogue signals for process control systems – Part 1: Direct current signals — iec.ch
- International Society of Automation (ISA): ISA-50.00.01: Compatibility of Analog Signals for Electronic Industrial Process Instruments — isa.org
- Siemens Industry Support: Analog Value Processing – Wiring and Scaling Guidelines for SIMATIC S7-1200 / S7-1500 — siemens.com
- Mitsubishi Electric FA: FX Series Analog Control Edition User’s Manual — mitsubishielectric.com
เขียนและตรวจสอบทางเทคนิคโดย: ทีมวิศวกรรม VR Automation
ผู้เชี่ยวชาญการออกแบบระบบอัตโนมัติ, การปรับจูนสัญญาณ Analog และ PID ในโรงงาน, จำหน่าย PLC/Sensor คุณภาพสูง และ บริการปลดล็อค PLC ทุกรุ่น
ต้องการปรึกษาการต่อสาย Analog หรือจัดซื้อเซนเซอร์อุตสาหกรรม?
VR Automation มีโมดูล Analog Input/Output, เซนเซอร์ Transmitter, Temperature Controller และตัวแปลงสัญญาณ พร้อมทีมวิศวกรให้คำแนะนำฟรี
📞 โทรสอบถาม: 083-848-8314
💬 LINE: @vrautomation | ✉️ อีเมล: [email protected]
