ระบบแอนะล็อกกับระบบฟิลด์บัสในระบบอัตโนมัติทางอุตสาหกรรม

โรงงานอุตสาหกรรมในยุคแรกพึ่งพาการควบคุมด้วยคนทั้งหมด โดยทุกขั้นตอนของกระบวนการต้องอาศัยการแทรกแซงจากมนุษย์ เมื่อระบบอัตโนมัติพัฒนาขึ้น ระบบนิวแมติกและระบบกลไกจึงค่อย ๆ ถูกแทนที่ด้วยเครื่องมือวัดแบบอิเล็กทรอนิกส์ การเปลี่ยนแปลงนี้นำไปสู่ช่วงสัญญาณแอนะล็อกมาตรฐาน เช่น ลูปกระแส 4–20 mA และสัญญาณ 0–10 V DC ซึ่งยังคงมีการใช้งานอย่างแพร่หลายในระบบอัตโนมัติทางอุตสาหกรรมในปัจจุบัน

ภาพรวมมาตรฐานสัญญาณ 4–20 mA และสัญญาณแรงดัน

ลูปกระแส 4–20 mA ยังคงเป็นหนึ่งในมาตรฐานสัญญาณอุตสาหกรรมที่ใช้กันมากที่สุดสำหรับการควบคุมกระบวนการ โดยใช้แนวคิด “ศูนย์แบบมีสัญญาณ” (live zero) ซึ่ง 4 mA แทนค่ากระบวนการขั้นต่ำ และ 20 mA แทนค่าสูงสุด การออกแบบนี้ช่วยให้วิศวกรตรวจพบข้อขัดข้อง เช่น วงจรเปิดได้อย่างรวดเร็ว เนื่องจากจะทำให้ค่ากระแสเป็นศูนย์

ระบบที่ใช้แรงดัน เช่น 0–10 V DC เหมาะสำหรับการใช้งานในระยะทางสั้น อย่างไรก็ตาม สัญญาณแรงดันไวต่อความต้านทานของสายและแรงดันตกมากกว่า โดยเฉพาะเมื่อเดินสายเป็นระยะทางไกล ตามกฎของโอห์ม แรงดันจะลดลงเมื่อความต้านทานของสายเพิ่มขึ้น ทำให้ระบบที่ใช้กระแสมีเสถียรภาพมากกว่าสำหรับการส่งสัญญาณระยะไกล

สำหรับระบบควบคุมอุตสาหกรรมส่วนใหญ่ จะใช้ตัวต้านทานขนาด 250 Ω ที่ขั้นตอนอินพุตของ PLC หรือ RTU เพื่อแปลงสัญญาณ 4–20 mA เป็นช่วงอินพุต 1–5 V สำหรับการแปลงสัญญาณแอนะล็อกเป็นดิจิทัล

รูปที่ 1 การเดินสายลูปกระแส 4–20 mA ในระบบควบคุมอุตสาหกรรม

ข้อดีและข้อจำกัดของสัญญาณแอนะล็อก

ระบบสัญญาณแอนะล็อกมีโครงสร้างเรียบง่ายและช่วยให้ตรวจสอบแก้ไขปัญหาได้สะดวก วิศวกรสามารถวัดกระแสในลูปได้โดยตรงด้วยเครื่องมือมาตรฐาน แนวคิดศูนย์แบบมีสัญญาณช่วยเพิ่มประสิทธิภาพในการตรวจจับข้อขัดข้อง ขณะที่ระบบยังคงปลอดภัยต่อการบำรุงรักษาขณะเดินเครื่อง

อย่างไรก็ตาม ระบบแอนะล็อกต้องใช้สายไฟแยกสำหรับจุดสัญญาณแต่ละจุด ส่งผลให้ต้นทุนการติดตั้งเพิ่มขึ้นและลดความสามารถในการขยายระบบอัตโนมัติขนาดใหญ่ นอกจากนี้ ระบบยังขาดความสามารถในการวินิจฉัยขั้นสูง และไม่สามารถส่งข้อมูลสถานะอุปกรณ์หรือข้อมูลการกำหนดค่าได้

การสื่อสารแบบฟิลด์บัสในระบบอัตโนมัติทางอุตสาหกรรม

ระบบฟิลด์บัสช่วยให้เกิดการสื่อสารแบบดิจิทัลระหว่างอุปกรณ์ภาคสนามกับระบบควบคุม โปรโตคอลต่าง ๆ เช่น Foundation Fieldbus, HART และ PROFIBUS ช่วยให้อุปกรณ์หลายตัวใช้งานเครือข่ายการสื่อสารเดียวกันได้ ซึ่งช่วยลดความซับซ้อนของการเดินสายในโรงงานอุตสาหกรรมได้อย่างมาก โดยเฉพาะในแพลตฟอร์มควบคุมสมัยใหม่ เช่น ระบบ ABB 800xA และ AC 800M

แตกต่างจากระบบแอนะล็อก เครือข่ายฟิลด์บัสสามารถส่งได้ทั้งข้อมูลกระบวนการและข้อมูลการวินิจฉัย ทำให้สามารถกำหนดค่าอุปกรณ์จากระยะไกล ตรวจสอบสภาพการทำงาน และดำเนินการบำรุงรักษาเชิงคาดการณ์ได้จากห้องควบคุม

โดยทั่วไป อุปกรณ์ต่าง ๆ จะเชื่อมต่อกันด้วยโทโพโลยีแบบทรังก์และสเปอร์ ทรังก์ทำหน้าที่เป็นแกนหลักของการสื่อสาร ส่วนสเปอร์ใช้เชื่อมต่อเครื่องมือภาคสนามแต่ละตัว

รูปที่ 2 โทโพโลยีฟิลด์บัสโดยใช้โครงสร้างแบบทรังก์และสเปอร์

โปรโตคอล HART และการสื่อสารแบบไฮบริด

HART (Highway Addressable Remote Transducer) คือโปรโตคอลการสื่อสารแบบไฮบริดที่ซ้อนสัญญาณดิจิทัลบนลูป 4–20 mA แบบดั้งเดิม โดยใช้การมอดูเลตแบบ Frequency Shift Keying เพื่อส่งข้อมูลดิจิทัลโดยไม่รบกวนสัญญาณแอนะล็อก

การสื่อสาร HART ทำงานในโหมดฮาล์ฟดูเพล็กซ์ที่ความเร็ว 1200 bps โดยใช้ความถี่สองค่า ได้แก่ 1200 Hz สำหรับลอจิก “1” และ 2200 Hz สำหรับลอจิก “0” ซึ่งช่วยให้เกิดการสื่อสารสองทิศทางระหว่างอุปกรณ์ภาคสนามกับระบบควบคุม

รูปที่ 3 การสื่อสาร HART ระหว่างอุปกรณ์หลักกับอุปกรณ์ภาคสนาม

ข้อดีของระบบฟิลด์บัสและ HART

ระบบฟิลด์บัสและ HART มีข้อได้เปรียบอย่างมากเมื่อเทียบกับลูปแอนะล็อกแบบดั้งเดิม โดยช่วยลดจำนวนสายไฟ รองรับการกำหนดค่าจากระยะไกล และเปิดใช้งานการวินิจฉัยแบบเรียลไทม์ คุณสมบัติเหล่านี้ช่วยเพิ่มประสิทธิภาพในการบำรุงรักษาและสนับสนุนกลยุทธ์การบำรุงรักษาเชิงคาดการณ์ในโรงงานอุตสาหกรรมสมัยใหม่

อย่างไรก็ตาม ระบบฟิลด์บัสต้องอาศัยการกำหนดค่าที่ซับซ้อนกว่าและใช้ความพยายามด้านวิศวกรรมเบื้องต้นสูงกว่าระบบแอนะล็อก แม้จะมีข้อจำกัดดังกล่าว แต่ระบบฟิลด์บัสก็ได้กลายเป็นมาตรฐานในสภาพแวดล้อมระบบอัตโนมัติสำหรับกระบวนการสมัยใหม่

การเลือกระบบสัญญาณอุตสาหกรรม

ไม่มีระบบสัญญาณใดที่ดีที่สุดสำหรับทุกการใช้งาน โรงงานอุตสาหกรรมมักใช้วิธีการสื่อสารทั้งแบบแอนะล็อกและดิจิทัลร่วมกัน โดยขึ้นอยู่กับข้อกำหนดของกระบวนการ ระยะทาง และความซับซ้อนของระบบ การเลือกใช้ขึ้นอยู่กับความน่าเชื่อถือ ต้นทุน และความต้องการด้านการวินิจฉัย

ระบบอัตโนมัติทางอุตสาหกรรมสมัยใหม่มีการผสานการสื่อสารแบบฟิลด์บัสเพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่อง เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพขณะเดียวกันก็ยังคงรองรับการใช้งานร่วมกับเครื่องมือวัดแอนะล็อกเดิม

เกี่ยวกับผู้เขียน

Lin Haibin เขียนเกี่ยวกับระบบอัตโนมัติทางอุตสาหกรรม ซึ่งครอบคลุมการควบคุมกระบวนการ เครื่องมือวัด และโปรโตคอลการสื่อสารทางอุตสาหกรรม เขามุ่งเน้นการผสานรวมระบบ PLC, DCS และฟิลด์บัสในโครงการระบบอัตโนมัติระดับโลก