Bir tanktaki seviye, bir hattaki basınç ya da bir fırının sıcaklığı PLC’ye çoğu zaman tek bir kablo çifti üzerinden, 4-20 mA akım sinyaliyle gelir. Endüstriyel ölçümde en yaygın analog sinyal standardıdır. Bu yazıda 4-20 mA sinyalin nasıl çalıştığını, neden 0 değil 4 mA’den başladığını, nasıl bağlandığını ve PLC’de nasıl ölçeklendiğini anlatıyoruz.
Bu yazıda (9 başlık)
4-20 mA ne demek?
4-20 mA, bir ölçüm değerinin akım olarak iletildiği analog sinyaldir. Ölçüm aralığının en alt değeri 4 mA, en üst değeri 20 mA ile ifade edilir. Örneğin 0-10 bar ölçen bir basınç transmitterinde:
| Basınç | Akım |
|---|---|
| 0 bar | 4 mA |
| 2,5 bar | 8 mA |
| 5 bar | 12 mA |
| 7,5 bar | 16 mA |
| 10 bar | 20 mA |
Akım ile ölçüm arasındaki ilişki doğrusaldır; 16 mA’lik aralık ölçüm aralığının tamamını temsil eder.
Neden 0 değil 4 mA?
Sinyalin 4 mA’den başlamasına canlı sıfır (live zero) denir ve iki büyük faydası vardır:
- Kablo kopukluğu anlaşılır: 0-20 mA bir sinyalde 0 mA hem “ölçüm sıfır” hem de “kablo kopuk” anlamına gelebilir. 4-20 mA’de ise ölçüm sıfırken bile 4 mA akar; akım 4 mA’in belirgin şekilde altına düşerse kablo kopuk veya cihaz arızalıdır.
- Cihaz kendini besleyebilir: 2 telli transmitterler, hattaki 4 mA’lik taban akımla kendi elektroniklerini besler; ayrı besleme kablosu gerekmez.
Birçok transmitter, arızayı bildirmek için NAMUR NE 43 tavsiyesine göre sinyali bilinçli olarak 3,6 mA’in altına veya 21 mA’in üstüne çeker. Böylece PLC, ölçüm sınırını aşan bir değer ile cihaz arızasını ayırt edebilir.
Neden gerilim değil akım?
0-10 V gibi gerilim sinyalleri kısa mesafelerde ve pano içinde iyi çalışır. Uzun kablolarda ise:
- Gerilim sinyali gürültüden ve cihazlar arasındaki toprak potansiyel farkından etkilenerek kayar; akım ise döngüde her noktada aynıdır ve bu etkilere karşı çok daha dayanıklıdır.
- Motor kabloları, sürücüler ve kaynak makineleri gibi kaynaklardan gelen elektriksel gürültü, düşük empedanslı akım döngüsünü gerilim sinyaline göre çok daha az etkiler.
| 4-20 mA | 0-10 V | |
|---|---|---|
| Uzun mesafe | Uygun (döngü besleme gerilimi ve kablo direncine bağlı olarak yüzlerce metre) | Kısa mesafe için uygun |
| Gürültü dayanımı | Yüksek | Daha düşük |
| Kablo kopukluğu tespiti | Var | 0 V ile ayırt edilemez |
| 2 telli besleme | Var | Yok |
| Tipik kullanım | Saha transmitterleri, proses ölçümü | Pano içi, sürücü hız referansı, kısa bağlantılar |
2 telli, 3 telli ve 4 telli bağlantı
- 2 telli (döngü beslemeli): En yaygın tiptir. Transmitter, 24 V DC besleme ile PLC’nin analog girişi arasına seri bağlanır; aynı iki kablo hem beslemeyi hem sinyali taşır. Basınç, seviye ve sıcaklık transmitterlerinin çoğu bu şekildedir.
- 3 telli: Ortak bir 0 V hattı, ayrı besleme ve ayrı sinyal hattı vardır.
- 4 telli: Cihazın beslemesi (çoğunlukla 230 V AC veya 24 V DC) ile sinyal çıkışı tamamen ayrıdır. Debimetre ve analizör gibi enerji tüketimi yüksek cihazlarda görülür.
Bağlantı yapmadan önce PLC analog giriş kartının döngüye kendisi mi besleme verdiğine, yoksa beslemenin dışarıdan mı verilmesi gerektiğine bakılmalıdır; üreticiler bunun için “aktif” ve “pasif” terimlerini farklı anlamlarda kullanabildiği için kart kılavuzundaki bağlantı şeması esas alınmalıdır. İki besleme kaynağının aynı döngüde birbirine karşı çalışması veya hiç beslemenin olmaması en sık bağlantı hatasıdır.
Bir 4-20 mA sinyali gerilim girişine okutmak gerekiyorsa girişe paralel 250 Ω bir direnç bağlanır; 4-20 mA, 1-5 V’a dönüşür.
PLC’de 4-20 mA nasıl ölçeklenir?
Analog giriş kartı akımı bir tam sayıya çevirir. Örneğin Siemens S7-1200 ve S7-1500 analog girişlerinde nominal aralık 0 ile 27648 arasıdır; 4-20 mA girişte 4 mA = 0, 20 mA = 27648 olur. Farklı markalarda bu ham değer aralığı farklıdır ve kart kılavuzunda verilir.
Ham değerden mühendislik birimine geçiş için doğrusal formül kullanılır:
Değer = (Ham − Ham_min) / (Ham_max − Ham_min) × (Ölçüm_max − Ölçüm_min) + Ölçüm_min
0-10 bar bir transmitter ve Siemens kartı için: ham değer 13824 ise basınç (13824 / 27648) × 10 = 5 bar‘dır. Siemens S7-1200 ve S7-1500’de bu iş için hazır NORM_X ve SCALE_X komutları kullanılır (S7-300/400’de FC105 SCALE). PLC programlama hakkında ayrıntılar: PLC nedir ve PLC dersleri.
Ölçeklemeden sonra sınır kontrolü de programa eklenmelidir: değer aralığın belirgin şekilde altında veya üstündeyse “sensör arızası” alarmı verilmeli ve bu değere göre kontrol yapılmamalıdır. Ölçülen değeri bir ayar değerinde tutmak için: PID kontrol nedir.
Kablolama ve topraklama
- Ekranlı, bükümlü (twisted pair) çift kablo kullanın.
- Ekranı genellikle tek uçtan, pano tarafında topraklayın; iki uçtan topraklamak toprak döngüsü akımlarına yol açabilir. Tesisin topraklama yapısına göre üretici önerisine uyun.
- Analog kabloları motor ve sürücü kablolarıyla aynı kanaldan geçirmeyin; mümkünse ayrı kanal veya ayırıcı kullanın.
- Farklı toprak potansiyelindeki cihazlar arasında sinyal izolatörü (ayırıcı) kullanmak gürültü ve kayma sorunlarını çözer.
Sık görülen 4-20 mA arızaları
- PLC sabit 0 veya negatif değer gösteriyor: Kablo kopuk, döngüde besleme yok veya polarite ters.
- Değer dalgalanıyor: Ekran topraklanmamış ya da iki uçtan topraklanmış, kablo motor kablosuyla aynı kanalda veya sürücü gürültüsü var.
- Değer kayık (ör. sıfırda 0,3 bar gösteriyor): Transmitterin sıfır ve aralık ayarı veya PLC’deki ölçekleme aralığı yanlış.
- Değer tam ölçek üstünde takılı kalıyor: Transmitter arıza akımına (21 mA üzeri) geçmiş veya sensör aşırı değer görüyor.
- Ölçüm doğrulama: Sorunu ayırmanın en hızlı yolu, döngüye seri bir multimetre veya mA kalibratörü bağlayıp gerçek akımı ölçmektir; akım doğruysa sorun PLC tarafında, yanlışsa transmitter veya kablodadır.
Sıkça Sorulan Sorular
4-20 mA sinyal nedir?
Bir ölçüm değerini akım olarak ileten analog sinyal standardıdır. Ölçüm aralığının alt değeri 4 mA, üst değeri 20 mA ile ifade edilir. Basınç, seviye, sıcaklık ve debi transmitterlerinde en yaygın çıkış tipidir.
4-20 mA neden 0’dan değil 4’ten başlar?
4 mA’lik canlı sıfır sayesinde kablo kopukluğu, sıfır ölçümden ayırt edilebilir; akım 4 mA’in belirgin altına düşerse hat kopuk veya cihaz arızalıdır. Ayrıca 2 telli transmitterler bu taban akımla kendi elektroniklerini besler.
4-20 mA ile 0-10 V farkı nedir?
4-20 mA akım sinyali uzun mesafelerde kablo direncinden etkilenmez, gürültüye daha dayanıklıdır ve kablo kopukluğu anlaşılır. 0-10 V gerilim sinyali ise pano içi ve kısa bağlantılarda yaygındır, uzun kablolarda gerilim düşümü ve gürültüden etkilenir.
2 telli transmitter nasıl bağlanır?
Transmitter, 24 V DC besleme ile PLC analog girişi arasına seri bağlanır; aynı iki kablo hem beslemeyi hem ölçüm sinyalini taşır. Analog giriş kartının döngüye besleme verip vermediği bağlantıdan önce kontrol edilmelidir.
PLC’de 4-20 mA nasıl ölçeklenir?
Kartın ham değer aralığı ile ölçüm aralığı arasında doğrusal dönüşüm yapılır. Örneğin Siemens kartında 4-20 mA, 0-27648 ham değerine karşılık gelir ve S7-1200/1500’de NORM_X ve SCALE_X komutlarıyla mühendislik birimine çevrilir.
Eskişehir’de analog sinyal ve proses ölçüm desteği
AveA Otomasyon olarak Eskişehir ve çevre illerdeki tesislerde transmitter ve analog sinyal bağlantıları, PLC’de ölçekleme ve alarm programlaması ile ölçüm arızalarının tespitini yapıyoruz. Ayrıntılar: proses otomasyonu, dozajlama ve reçete, PLC programlama hizmeti ve makine ve otomasyon arıza servisi. Bize 0533 454 52 32 numarasından ulaşabilirsiniz; mesai dışında da arayabilirsiniz.