ในระบบอัตโนมัติสมัยใหม่ แร็ก PLC มักดูเหมือนกันเมื่อมองในเบื้องต้น แต่ภายใต้ความคล้ายคลึงนั้นมีทางเลือกด้านสถาปัตยกรรมที่สำคัญ ซึ่งส่งผลโดยตรงต่อความน่าเชื่อถือของระบบ ความต้านทานสัญญาณรบกวน และลักษณะการทำงานเมื่อเกิดข้อขัดข้อง

ความแตกต่างระหว่างโมดูล I/O แบบใช้จุดอ้างอิงร่วมกันกับโมดูล I/O ที่แยกวงจรเป็นรายช่องสัญญาณ ยังคงมีบทบาทต่อแนวทางที่วิศวกรใช้ในการออกแบบระบบควบคุม โดยเฉพาะในสภาพแวดล้อมที่มีแรงดันไฟฟ้าหลากหลายและระบบแบบกระจาย

เหตุใดสถาปัตยกรรม I/O ยังคงเป็นตัวกำหนดเสถียรภาพของระบบ

ในการติดตั้งระบบอุตสาหกรรมหลายแห่ง วิศวกรมักให้ความสำคัญอย่างมากกับประสิทธิภาพของ CPU หรือความเร็วเครือข่าย อย่างไรก็ตาม ชั้น I/O ยังคงเป็นอินเทอร์เฟซที่แท้จริงระหว่างสัญญาณจากโลกจริงกับลอจิกควบคุม

การตัดสินใจด้านการออกแบบเพียงเล็กน้อยในระดับนี้มักเป็นตัวกำหนดว่าระบบจะทำงานได้อย่างคาดการณ์ได้ภายใต้ความเค้นทางไฟฟ้า หรือจะเกิดข้อขัดข้องเป็นระยะซึ่งวินิจฉัยได้ยาก

รูปที่ 1 ความแตกต่างเชิงโครงสร้างของแนวทางการอ้างอิงช่องสัญญาณ I/O ส่งผลต่อพฤติกรรมการต่อลงดินของระบบและความทนทานต่อสัญญาณรบกวน

จุดอ้างอิงร่วมกับความเป็นอิสระทางไฟฟ้า

โมดูล I/O แบบใช้จุดอ้างอิงร่วมกันจะเชื่อมต่อหลายช่องสัญญาณเข้ากับจุดอ้างอิงทางไฟฟ้าร่วมกัน วิธีนี้ช่วยให้การเดินสายง่ายขึ้นและลดต้นทุน โดยเฉพาะในตู้ควบคุมขนาดกะทัดรัด

อย่างไรก็ตาม โครงสร้างแบบใช้จุดอ้างอิงร่วมกันยังหมายความว่า ความขัดข้องหรือความผันผวนของแรงดันไฟฟ้าสามารถแพร่กระจายไปยังหลายช่องสัญญาณได้ง่ายขึ้น

โมดูลแบบแยกวงจรเป็นรายช่องสัญญาณจะสร้างฉนวนกั้นระหว่างแต่ละช่องสัญญาณกับลอจิกของแบ็กเพลน การแยกส่วนนี้ช่วยจำกัดปฏิสัมพันธ์ทางไฟฟ้าและเพิ่มการจำกัดขอบเขตของความขัดข้อง โดยแลกกับความซับซ้อนที่สูงขึ้น

เมื่อช่องสัญญาณร่วมทำงานได้อย่างมีประสิทธิภาพ

โมดูลแบบใช้จุดอ้างอิงร่วมกันทำงานได้อย่างน่าเชื่อถือเมื่ออุปกรณ์ภาคสนามใช้แหล่งจ่ายไฟร่วมกัน และมีสภาวะการต่อลงดินที่เสถียร สภาพแวดล้อมที่พบได้ทั่วไป ได้แก่ เครื่องจักรขนาดกะทัดรัดและตู้ควบคุมที่มีสัญญาณรบกวนต่ำ

• ระบบจ่ายไฟ 24VDC แบบรวมศูนย์
• ระยะเดินสายภาคสนามสั้น
• สภาพแวดล้อมที่มีโหลดเหนี่ยวนำต่ำ
• สถาปัตยกรรมการต่อลงดินที่เสถียร

กรณีที่จำเป็นต้องใช้การแยกวงจร

การแยกวงจรมีความจำเป็นเมื่อระบบครอบคลุมหลายตู้ หลายโดเมนกำลังไฟ หรือสภาพแวดล้อมทางไฟฟ้าที่มีพลังงานสูง

การแยกวงจรช่วยป้องกันเส้นทางกระแสที่ไม่พึงประสงค์ และปกป้องระบบควบคุมจากความแตกต่างของศักย์ไฟฟ้าระหว่างจุดต่อลงดิน

รูปที่ 2 การแยกช่องสัญญาณช่วยจำกัดขอบเขตของความขัดข้อง โดยแยกจุดอ้างอิงทางไฟฟ้าฝั่งภาคสนามออกจากกัน

พฤติกรรมของสัญญาณในสภาวะอุตสาหกรรมจริง

สัญญาณดิจิทัลทนต่อการรบกวนเล็กน้อยได้ เนื่องจากเกณฑ์การสวิตช์จะกรองความผันผวนขนาดเล็กออกไป ส่วนสัญญาณแอนะล็อกมีพฤติกรรมแตกต่างกัน เพราะความคลาดเคลื่อนแม้เพียงระดับมิลลิโวลต์ก็สามารถทำให้ค่าที่วัดได้ของกระบวนการผิดเพี้ยน

ประเด็นนี้มีความสำคัญเป็นพิเศษในลูป 4–20 mA และการใช้งานเทอร์โมคัปเปิล ซึ่งความถูกต้องของสัญญาณขึ้นอยู่กับสภาวะจุดอ้างอิงทางไฟฟ้าที่เสถียรเป็นอย่างมาก

ความไวของลูป 4–20 mA

ลูปแอนะล็อกระยะไกลมักเชื่อมต่อทรานสมิตเตอร์ระยะไกลเข้ากับแร็ก PLC แบบรวมศูนย์ หากไม่มีการแยกวงจร ความแตกต่างของศักย์ไฟฟ้าระหว่างจุดต่อลงดินอาจทำให้เกิดกระแสในลูปที่ไม่พึงประสงค์

รูปที่ 3 ผลกระทบจากกราวด์ลูปอาจทำให้ความแม่นยำของสัญญาณแอนะล็อกในระบบวัดระยะไกลผิดเพี้ยน

เสถียรภาพของการวัดด้วยเทอร์โมคัปเปิล

เทอร์โมคัปเปิลสร้างสัญญาณแรงดันไฟฟ้าที่ต่ำมาก การรบกวนทางไฟฟ้าแม้เพียงเล็กน้อยก็สามารถทำให้ค่าที่อ่านได้เปลี่ยนแปลง จึงทำให้การแยกวงจรเป็นข้อกำหนดสำคัญในการออกแบบระบบตรวจติดตามอุณหภูมิที่มีความแม่นยำสูง

การเลือกโมดูลในสถาปัตยกรรมการควบคุมสมัยใหม่

วิศวกรออกแบบระบบที่ผสานแร็ก PLC แบบรวมศูนย์เข้ากับสถาปัตยกรรม I/O แบบกระจายมากขึ้นเรื่อย ๆ การเปลี่ยนแปลงนี้เพิ่มความสำคัญของการเลือกประเภทโมดูล I/O ที่เหมาะสมตั้งแต่ระยะแรกของการออกแบบ

ระบบนิเวศสมัยใหม่ เช่น โมดูล PLC I/O ปัจจุบันรองรับการกำหนดค่าที่ยืดหยุ่น ช่วยให้วิศวกรสร้างสมดุลระหว่างต้นทุน ความหนาแน่น และความทนทานทางไฟฟ้าได้อย่างมีประสิทธิภาพยิ่งขึ้น

ไม่ควรมองว่าการแยกวงจรเป็นการอัปเกรดมาตรฐาน แต่ควรมองว่าเป็นการตอบสนองต่อความเสี่ยงทางไฟฟ้าที่สามารถวัดได้ภายในสถาปัตยกรรมของระบบ

มุมมองระดับระบบต่อการตัดสินใจด้านการออกแบบ

การตัดสินใจเลือกระหว่างโมดูลแบบใช้จุดอ้างอิงร่วมกันกับโมดูลแบบแยกวงจร แทบไม่เคยเกี่ยวข้องกับตัวโมดูลเพียงอย่างเดียว แต่สะท้อนถึงวิธีที่วิศวกรกำหนดการจ่ายไฟ กลยุทธ์การต่อลงดิน และลำดับชั้นของสัญญาณทั่วทั้งโรงงาน

เมื่อระบบอัตโนมัติมีการกระจายตัวมากขึ้น ขอบเขตทางไฟฟ้าระหว่างเครื่องจักรก็มีความแน่นอนน้อยลง แนวโน้มนี้เพิ่มคุณค่าของการแยกวงจร ไม่ใช่ในฐานะฟีเจอร์ แต่ในฐานะมาตรการป้องกันในการออกแบบ

มุมมองจากอุตสาหกรรม

ความขัดข้องของระบบควบคุมส่วนใหญ่ที่เกี่ยวข้องกับ I/O ไม่ได้มีต้นเหตุมาจากข้อผิดพลาดของลอจิก แต่เกิดจากความไม่สอดคล้องในการต่อลงดินและปฏิสัมพันธ์ทางไฟฟ้าระหว่างระบบย่อยที่ไม่ได้รับการจัดการ

วิศวกรที่ประเมินการออกแบบ I/O ในระดับระบบแทนที่จะประเมินเฉพาะระดับส่วนประกอบ มักบรรลุความน่าเชื่อถือที่สูงกว่าในการใช้งานระยะยาวอย่างสม่ำเสมอ

บทสรุป

โมดูล I/O แบบใช้จุดอ้างอิงร่วมกันและโมดูล I/O แบบแยกวงจรเป็นตัวแทนของแนวคิดการออกแบบระบบสองรูปแบบที่แตกต่างกัน รูปแบบหนึ่งให้ความสำคัญกับประสิทธิภาพและความเรียบง่าย ขณะที่อีกรูปแบบให้ความสำคัญกับความเป็นอิสระทางไฟฟ้าและการจำกัดขอบเขตของความขัดข้อง

ระบบที่มีประสิทธิภาพสูงสุดมักใช้ทั้งสองรูปแบบ โดยเลือกใช้อย่างมีกลยุทธ์ตามประเภทของสัญญาณและสภาพแวดล้อม

ผู้เขียน: Daniel Mercer, ผู้สื่อข่าวด้านระบบอุตสาหกรรม มีประสบการณ์ 15 ปีในด้าน PLC, DCS และระบบตรวจติดตามเครื่องจักร จากโครงการบูรณาการระบบของ ABB, Siemens และ Emerson