ระบบการสื่อสารแบบอนาล็อกกับฟิลด์บัสในระบบอัตโนมัติอุตสาหกรรมอธิบายอย่างละเอียด

ระบบแอนะล็อกกับฟิลด์บัสในระบบอัตโนมัติอุตสาหกรรม

โรงงานอุตสาหกรรมในยุคแรกพึ่งพาการทำงานด้วยมือทั้งหมด โดยทุกขั้นตอนของกระบวนการต้องมีการแทรกแซงจากมนุษย์ เมื่อระบบอัตโนมัติพัฒนา ระบบนิวเมติกและกลไกจึงถูกแทนที่ด้วยเครื่องมืออิเล็กทรอนิกส์ การเปลี่ยนผ่านนี้ได้นำมาตรฐานสัญญาณแอนะล็อก เช่น วงจรกระแสไฟ 4–20 mA และสัญญาณแรงดันไฟฟ้า 0–10 V DC ซึ่งยังคงใช้อย่างแพร่หลายในระบบอัตโนมัติอุตสาหกรรมจนถึงปัจจุบัน

ภาพรวมของมาตรฐานสัญญาณ 4–20 mA และแรงดันไฟฟ้า

วงจรกระแสไฟ 4–20 mA ยังคงเป็นหนึ่งในมาตรฐานสัญญาณอุตสาหกรรมที่ใช้กันมากที่สุดสำหรับการควบคุมกระบวนการ โดยใช้แนวคิด “live zero” ซึ่ง 4 mA แทนค่าต่ำสุดของกระบวนการ และ 20 mA แทนค่าสูงสุด การออกแบบนี้ช่วยให้นักวิศวกรสามารถระบุข้อผิดพลาดได้อย่างรวดเร็ว เช่น วงจรเปิดที่ทำให้กระแสไฟเป็นศูนย์

ระบบที่ใช้แรงดันไฟฟ้า เช่น 0–10 V DC เหมาะสำหรับการใช้งานระยะสั้น อย่างไรก็ตาม สัญญาณแรงดันไฟฟ้ามีความไวต่อความต้านทานของสายและแรงดันตก โดยเฉพาะเมื่อสายยาว ตามกฎของโอห์ม แรงดันไฟฟ้าจะลดลงเมื่อความต้านทานของสายเพิ่มขึ้น ทำให้ระบบที่ใช้กระแสไฟมีความเสถียรกว่าในการส่งสัญญาณระยะไกล

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

รูปที่ 1. การเดินสายวงจรกระแสไฟ 4–20 mA ในระบบควบคุมอุตสาหกรรม

ข้อดีและข้อจำกัดของสัญญาณแอนะล็อก

ระบบสัญญาณแอนะล็อกมีความเรียบง่ายและง่ายต่อการแก้ไขปัญหา วิศวกรสามารถวัดกระแสในวงจรได้โดยตรงด้วยเครื่องมือมาตรฐาน แนวคิด live zero ช่วยเพิ่มประสิทธิภาพในการตรวจจับข้อผิดพลาด ขณะเดียวกันระบบยังปลอดภัยสำหรับการบำรุงรักษาในขณะทำงาน

อย่างไรก็ตาม ระบบแอนะล็อกต้องใช้สายไฟเฉพาะสำหรับแต่ละจุดสัญญาณ ซึ่งเพิ่มต้นทุนการติดตั้งและลดความสามารถในการขยายระบบในระบบอัตโนมัติขนาดใหญ่ นอกจากนี้ยังขาดความสามารถในการวินิจฉัยขั้นสูงและไม่สามารถส่งข้อมูลสุขภาพหรือการตั้งค่าของอุปกรณ์ได้

การสื่อสารฟิลด์บัสในระบบอัตโนมัติอุตสาหกรรม

ระบบฟิลด์บัสนำเสนอการสื่อสารแบบดิจิทัลระหว่างอุปกรณ์ภาคสนามและระบบควบคุม โปรโตคอลเช่น Foundation Fieldbus, HART และ PROFIBUS ช่วยให้อุปกรณ์หลายตัวแชร์เครือข่ายการสื่อสารเดียวกันได้ ซึ่งช่วยลดความซับซ้อนของการเดินสายในโรงงานอุตสาหกรรมอย่างมาก โดยเฉพาะในแพลตฟอร์มควบคุมสมัยใหม่ เช่น ระบบ ABB 800xA & AC 800M

ต่างจากระบบแอนะล็อก เครือข่ายฟิลด์บัสส่งข้อมูลทั้งกระบวนการและข้อมูลวินิจฉัย ทำให้สามารถตั้งค่าระยะไกล ตรวจสอบสภาพ และบำรุงรักษาเชิงคาดการณ์จากห้องควบคุมได้

ในการใช้งานทั่วไป อุปกรณ์จะเชื่อมต่อโดยใช้โครงสร้างแบบ trunk-and-spur โดย trunk ทำหน้าที่เป็นกระดูกสันหลังหลักของการสื่อสาร ส่วน spur เชื่อมต่อกับเครื่องมือภาคสนามแต่ละตัว

รูปที่ 2. โครงสร้างฟิลด์บัสแบบ trunk และ spur

โปรโตคอล HART และการสื่อสารแบบไฮบริด

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

การสื่อสาร HART ทำงานในโหมด half-duplex ที่ความเร็ว 1200 bps โดยใช้ความถี่สองค่า คือ 1200 Hz สำหรับตรรกะ “1” และ 2200 Hz สำหรับตรรกะ “0” ซึ่งช่วยให้การสื่อสารสองทางระหว่างอุปกรณ์ภาคสนามและระบบควบคุมเป็นไปได้

รูปที่ 3. การสื่อสาร HART ระหว่างมาสเตอร์และอุปกรณ์ภาคสนาม

ข้อดีของระบบฟิลด์บัสและ HART

ระบบฟิลด์บัสและ HART มีข้อดีอย่างมากเมื่อเทียบกับวงจรกระแสไฟแอนะล็อกแบบดั้งเดิม ช่วยลดความต้องการสายไฟ รองรับการตั้งค่าระยะไกล และเปิดใช้งานการวินิจฉัยแบบเรียลไทม์ คุณสมบัติเหล่านี้ช่วยเพิ่มประสิทธิภาพการบำรุงรักษาและสนับสนุนกลยุทธ์การบำรุงรักษาเชิงคาดการณ์ในโรงงานอุตสาหกรรมสมัยใหม่

อย่างไรก็ตาม ระบบฟิลด์บัสต้องการการตั้งค่าที่ซับซ้อนกว่าและความพยายามทางวิศวกรรมเริ่มต้นสูงกว่าระบบแอนะล็อก แม้จะเป็นเช่นนั้น แต่ระบบเหล่านี้ก็กลายเป็นมาตรฐานในสภาพแวดล้อมการควบคุมกระบวนการสมัยใหม่

การเลือกใช้ระบบสัญญาณอุตสาหกรรม

ไม่มีระบบสัญญาณใดที่ดีที่สุดสำหรับทุกการใช้งาน โรงงานอุตสาหกรรมมักใช้วิธีการสื่อสารทั้งแบบแอนะล็อกและดิจิทัลร่วมกัน ขึ้นอยู่กับความต้องการของกระบวนการ ระยะทาง และความซับซ้อนของระบบ การเลือกใช้ขึ้นอยู่กับความน่าเชื่อถือ ต้นทุน และความต้องการด้านการวินิจฉัย

ระบบอัตโนมัติอุตสาหกรรมสมัยใหม่จึงผสมผสานการสื่อสารฟิลด์บัสเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพในขณะที่ยังคงความเข้ากันได้กับเครื่องมือแอนะล็อกแบบเดิม

เกี่ยวกับผู้เขียน

หลิน ไฮบิน เขียนเกี่ยวกับระบบอัตโนมัติอุตสาหกรรม รวมถึงการควบคุมกระบวนการ เครื่องมือวัด และโปรโตคอลการสื่อสารอุตสาหกรรม โดยเน้นการบูรณาการ PLC, DCS และระบบฟิลด์บัสในโครงการอัตโนมัติทั่วโลก