ระบบการสื่อสารแบบแอนะล็อกเทียบกับฟิลด์บัสในระบบอัตโนมัติทางอุตสาหกรรม อธิบาย

ระบบแอนะล็อกเทียบกับระบบฟิลด์บัสในระบบอัตโนมัติอุตสาหกรรม

โรงงานอุตสาหกรรมในยุคแรกพึ่งพาการควบคุมด้วยมือทั้งหมด โดยทุกขั้นตอนของกระบวนการต้องอาศัยการแทรกแซงจากมนุษย์ เมื่อระบบอัตโนมัติพัฒนาขึ้น ระบบนิวแมติกและระบบกลไกจึงค่อย ๆ ถูกแทนที่ด้วยเครื่องมือวัดอิเล็กทรอนิกส์ การเปลี่ยนผ่านนี้ทำให้เกิดช่วงสัญญาณแอนะล็อกมาตรฐาน เช่น ลูปกระแส 4–20 mA และสัญญาณ 0–10 V DC ซึ่งยังคงมีการใช้งานอย่างแพร่หลายในระบบอัตโนมัติอุตสาหกรรมจนถึงปัจจุบัน

ภาพรวมของมาตรฐานสัญญาณ 4–20 mA และสัญญาณแรงดัน

ลูปกระแส 4–20 mA ยังคงเป็นหนึ่งในมาตรฐานสัญญาณอุตสาหกรรมที่ใช้กันมากที่สุดสำหรับการควบคุมกระบวนการ โดยใช้แนวคิด “ศูนย์ที่มีกระแส” ซึ่ง 4 mA แทนค่ากระบวนการต่ำสุด และ 20 mA แทนค่าสูงสุด การออกแบบนี้ช่วยให้วิศวกรตรวจพบความผิดปกติ เช่น วงจรเปิดได้อย่างรวดเร็ว เนื่องจากจะทำให้ค่ากระแสเป็นศูนย์

ระบบที่ใช้แรงดัน เช่น 0–10 V DC เหมาะสำหรับการใช้งานในระยะทางสั้น อย่างไรก็ตาม สัญญาณแรงดันมีความไวต่อความต้านทานของสายและแรงดันตกมากกว่า โดยเฉพาะเมื่อเดินสายเคเบิลเป็นระยะทางไกล ตามกฎของโอห์ม แรงดันจะลดลงเมื่อความต้านทานของสายเพิ่มขึ้น ทำให้ระบบที่ใช้กระแสมีเสถียรภาพมากกว่าสำหรับการส่งสัญญาณระยะไกล

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

รูปที่ 1 การเดินสายลูปกระแส 4–20 mA ในระบบควบคุมอุตสาหกรรม

ข้อดีและข้อจำกัดของสัญญาณแอนะล็อก

ระบบสัญญาณแอนะล็อกมีโครงสร้างเรียบง่ายและตรวจสอบแก้ไขปัญหาได้สะดวก วิศวกรสามารถวัดกระแสในลูปได้โดยตรงด้วยเครื่องมือมาตรฐาน แนวคิดศูนย์ที่มีกระแสช่วยเพิ่มประสิทธิภาพในการตรวจจับความผิดปกติ ขณะเดียวกันระบบยังปลอดภัยต่อการบำรุงรักษาขณะเดินระบบ

อย่างไรก็ตาม ระบบแอนะล็อกต้องใช้สายสัญญาณเฉพาะสำหรับจุดสัญญาณแต่ละจุด ทำให้ต้นทุนการติดตั้งเพิ่มขึ้นและลดความสามารถในการขยายระบบอัตโนมัติขนาดใหญ่ นอกจากนี้ ระบบยังขาดความสามารถด้านการวินิจฉัยขั้นสูง และไม่สามารถส่งข้อมูลสถานะหรือการกำหนดค่าของอุปกรณ์ได้

การสื่อสารแบบฟิลด์บัสในระบบอัตโนมัติอุตสาหกรรม

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

ต่างจากระบบแอนะล็อก เครือข่ายฟิลด์บัสสามารถส่งได้ทั้งข้อมูลกระบวนการและข้อมูลการวินิจฉัย ทำให้สามารถกำหนดค่าอุปกรณ์จากระยะไกล ตรวจสอบสภาพอุปกรณ์ และบำรุงรักษาเชิงคาดการณ์ได้จากห้องควบคุม

โดยทั่วไป อุปกรณ์จะเชื่อมต่อกันด้วยโทโพโลยีแบบทรังก์และสเปอร์ ทรังก์ทำหน้าที่เป็นแกนหลักของการสื่อสาร ส่วนสเปอร์ใช้เชื่อมต่อเครื่องมือภาคสนามแต่ละตัว

รูปที่ 2 โทโพโลยีฟิลด์บัสที่ใช้สถาปัตยกรรมแบบทรังก์และสเปอร์

โปรโตคอล HART และการสื่อสารแบบไฮบริด

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

การสื่อสาร HART ทำงานในโหมดฮาล์ฟดูเพล็กซ์ที่ความเร็ว 1200 bps โดยใช้สองความถี่ ได้แก่ 1200 Hz สำหรับลอจิก “1” และ 2200 Hz สำหรับลอจิก “0” ทำให้สามารถสื่อสารแบบสองทิศทางระหว่างอุปกรณ์ภาคสนามกับระบบควบคุมได้

รูปที่ 3 การสื่อสาร HART ระหว่างมาสเตอร์กับอุปกรณ์ภาคสนาม

ข้อดีของระบบฟิลด์บัสและ HART

ระบบฟิลด์บัสและ HART มีข้อได้เปรียบอย่างมากเมื่อเทียบกับลูปแอนะล็อกแบบดั้งเดิม โดยช่วยลดข้อกำหนดด้านการเดินสาย รองรับการกำหนดค่าจากระยะไกล และเปิดใช้งานการวินิจฉัยแบบเรียลไทม์ คุณสมบัติเหล่านี้ช่วยเพิ่มประสิทธิภาพการบำรุงรักษาและสนับสนุนกลยุทธ์การบำรุงรักษาเชิงคาดการณ์ในโรงงานอุตสาหกรรมสมัยใหม่

อย่างไรก็ตาม ระบบฟิลด์บัสต้องการการกำหนดค่าที่ซับซ้อนกว่าและใช้ความพยายามด้านวิศวกรรมในระยะแรกสูงกว่าระบบแอนะล็อก ถึงกระนั้น ระบบดังกล่าวก็ได้กลายเป็นมาตรฐานในสภาพแวดล้อมระบบอัตโนมัติกระบวนการสมัยใหม่

การเลือกระบบสัญญาณอุตสาหกรรม

ไม่มีระบบสัญญาณใดระบบหนึ่งที่ดีที่สุดสำหรับทุกการใช้งาน โรงงานอุตสาหกรรมมักใช้วิธีการสื่อสารทั้งแบบแอนะล็อกและดิจิทัลร่วมกัน โดยขึ้นอยู่กับข้อกำหนดของกระบวนการ ระยะทาง และความซับซ้อนของระบบ การเลือกใช้ขึ้นอยู่กับความน่าเชื่อถือ ต้นทุน และความต้องการด้านการวินิจฉัย

ระบบอัตโนมัติอุตสาหกรรมสมัยใหม่ผสานการสื่อสารแบบฟิลด์บัสเพิ่มมากขึ้น เพื่อปรับปรุงประสิทธิภาพพร้อมทั้งรักษาความเข้ากันได้กับเครื่องมือวัดแอนะล็อกเดิม

เกี่ยวกับผู้เขียน

Lin Haibin เขียนเกี่ยวกับระบบอัตโนมัติอุตสาหกรรม ซึ่งครอบคลุมการควบคุมกระบวนการ เครื่องมือวัด และโปรโตคอลการสื่อสารอุตสาหกรรม โดยมุ่งเน้นการผสานรวมระบบ PLC, DCS และฟิลด์บัสในโครงการระบบอัตโนมัติระดับโลก