การควบคุมแบบโลว์โค้ดเข้าใกล้ระบบอัตโนมัติภาคอุตสาหกรรมมากขึ้น

แพลตฟอร์มวิศวกรรมแบบโลว์โค้ดยังคงเปลี่ยนรูปแบบการทำงานของช่างเทคนิคและวิศวกรระบบอัตโนมัติที่มีต่อโครงการควบคุมขนาดเล็ก งานที่ครั้งหนึ่งต้องเขียนสคริปต์จำนวนมาก ปัจจุบันสามารถนำไปใช้งานผ่านสภาพแวดล้อมการเขียนโปรแกรมแบบกราฟิก เช่น Node-RED

ในโครงการนี้ Raspberry Pi และเซนเซอร์อุณหภูมิ DS18B20 เป็นพื้นฐานของตัวควบคุมอุณหภูมิขนาดกะทัดรัด การจัดชุดนี้แสดงให้เห็นว่าเครื่องมือแบบโลว์โค้ดสมัยใหม่สามารถเชื่อมโยงการพัฒนาแบบ DIY เข้ากับแนวคิดระบบอัตโนมัติภาคอุตสาหกรรมที่ใช้งานได้จริง

รูปที่ 1. แพลตฟอร์มฮาร์ดแวร์ Raspberry Pi รองรับงานระบบอัตโนมัติและการตรวจติดตามขนาดเบามากขึ้น

เหตุใดการควบคุมอุณหภูมิจึงยังคงเป็นแบบฝึกหัดพื้นฐานทางวิศวกรรม

การควบคุมอุณหภูมิช่วยให้วิศวกรได้เรียนรู้แนวคิดพื้นฐานด้านระบบอัตโนมัติ ซึ่งรวมถึงการรับข้อมูลจากเซนเซอร์ เอาต์พุตดิจิทัล และตรรกะการควบคุม แม้แต่โครงการง่าย ๆ ก็แสดงให้เห็นว่าเงื่อนไขป้อนกลับส่งผลต่อพฤติกรรมของอุปกรณ์แบบเรียลไทม์อย่างไร

โครงการนี้ใช้ตัวควบคุม Raspberry Pi เซนเซอร์อุณหภูมิดิจิทัล DS18B20 และสภาพแวดล้อมการเขียนโปรแกรม Node-RED การผสานรวมนี้ช่วยลดความซับซ้อนในการพัฒนา ขณะเดียวกันยังคงมองเห็นกระบวนการควบคุมที่อยู่เบื้องหลัง

รูปที่ 2. การจัดวางสายเซนเซอร์ที่กะทัดรัดช่วยให้สร้างต้นแบบระบบตรวจติดตามสภาพแวดล้อมได้อย่างรวดเร็ว

เซนเซอร์ดิจิทัลช่วยลดความซับซ้อนในการผสานรวม

ข้อดีของ DS18B20

อุปกรณ์วัดอุณหภูมิแบบดั้งเดิม เช่น RTD และเทอร์โมคัปเปิล มักต้องใช้ฮาร์ดแวร์ปรับสภาพสัญญาณเพิ่มเติม DS18B20 ช่วยให้การผสานรวมทำได้ง่ายขึ้น เนื่องจากสื่อสารแบบดิจิทัลผ่านโปรโตคอล 1-Wire

สายสัญญาณเพียงเส้นเดียวรองรับเซนเซอร์หลายตัวบนสายสื่อสารเดียวกัน สถาปัตยกรรมดังกล่าวช่วยลดความหนาแน่นของการเดินสาย และทำให้การออกแบบเหมาะสำหรับการใช้งานระบบตรวจจับแบบกระจาย

สำหรับวิศวกรที่ทำงานกับแพลตฟอร์มควบคุมแบบกระจาย การผสานรวมเซนเซอร์ที่ปรับขนาดได้ยังคงเป็นหัวข้อสำคัญในระบบสมัยใหม่ ระบบควบคุม DCS และสภาพแวดล้อมระบบอัตโนมัติแบบเอดจ์

การเดินสายเซนเซอร์และการเชื่อมต่อ GPIO

เซนเซอร์นี้ต้องใช้การจัดสายไฟแบบตรงไปตรงมา โดยมีตัวต้านทานพูลอัปขนาด 4.7 kΩ สายไฟเลี้ยงและกราวด์เชื่อมต่อโดยตรงกับ Raspberry Pi ขณะที่สายสัญญาณต่อไปยังขาอินพุต GPIO

เซนเซอร์หลายตัวสามารถใช้สายอินพุตเดียวกันได้ ทำให้การกำหนดค่ามีประสิทธิภาพสำหรับระบบขนาดกะทัดรัดที่มีทรัพยากร I/O จำกัด

รูปที่ 3. การติดตั้งตัวต้านทานพูลอัปอย่างถูกต้องช่วยให้การสื่อสารแบบ 1-Wire มีเสถียรภาพ

Node-RED เปลี่ยนตรรกะการควบคุมให้เป็นเวิร์กโฟลว์แบบภาพ

การสร้างสภาพแวดล้อมรันไทม์

Node-RED ลดอุปสรรคด้านการเขียนโปรแกรมที่มักเกี่ยวข้องกับระบบฝังตัวบน Linux ได้อย่างมาก อินเทอร์เฟซบนเบราว์เซอร์ช่วยให้ผู้ใช้สร้างโฟลว์ตรรกะโดยใช้บล็อกฟังก์ชันแบบลากแล้ววาง

หลังการติดตั้ง แพ็กเกจเพิ่มเติมจะช่วยให้สามารถสื่อสารกับเซนเซอร์ DS18B20 และฮาร์ดแวร์ GPIO ของ Raspberry Pi ได้ อินเทอร์เฟซนี้พร้อมใช้งานภายในเครื่องผ่านที่อยู่รันไทม์มาตรฐานของ Node-RED

รูปที่ 4. Node-RED แทนที่การเขียนสคริปต์แบบเดิมด้วยบล็อกการเขียนโปรแกรมแบบภาพและการวินิจฉัยแบบสด

การอ่านข้อมูลอุณหภูมิแบบสด

ขั้นตอนแรกของการเขียนโปรแกรมคือการเพิ่มโหนด DS18B20 ลงในโฟลว์และกำหนดเซนเซอร์เป้าหมาย จากนั้นโหนด Debug จะแสดงค่าอุณหภูมิแบบสดเพื่อตรวจสอบและแก้ไขปัญหา

ต้องกำหนดจังหวะการสแกนเป็นระยะอย่างระมัดระวังเช่นกัน อัตราการโพลที่สูงเกินไปอาจเพิ่มการใช้ทรัพยากรโปรเซสเซอร์บนฮาร์ดแวร์แบบฝังตัวโดยไม่จำเป็น

รูปที่ 5. โหนด Debug ช่วยให้มองเห็นข้อมูลเซนเซอร์ได้ทันทีระหว่างการทดสอบเดินระบบ

การสร้างตรรกะอุณหภูมิ

การใช้เงื่อนไขสวิตช์เพื่อควบคุมเอาต์พุต

โหนดสวิตช์ทำหน้าที่เป็นกลไกตัดสินใจของแอปพลิเคชัน เมื่ออุณหภูมิที่วัดได้สูงกว่าค่าเกณฑ์ที่กำหนดไว้ ตรรกะจะส่งเพย์โหลดไปยังเส้นทางเอาต์พุต

เงื่อนไขที่สองจัดการกับอุณหภูมิที่ต่ำกว่าค่ากำหนด เพื่อให้แน่ใจว่าเอาต์พุตจะรีเซ็ตอย่างถูกต้องเมื่ออุณหภูมิลดลง

รูปที่ 6. ตรรกะแบบกำหนดค่าเกณฑ์สร้างการตอบสนองการควบคุมแบบวงปิดที่เรียบง่ายแต่มีประสิทธิภาพ

การควบคุมเอาต์พุต GPIO

โหนดเอาต์พุต GPIO ต้องการค่าไบนารี ดังนั้นโหนด Change จึงแปลงผลลัพธ์ทางตรรกะเป็น 1 หรือ 0 ค่าเหล่านี้จะควบคุมขาเอาต์พุต Raspberry Pi ที่เลือกไว้

แนวทางนี้สะท้อนโครงสร้างตรรกะที่ใช้ภายในสภาพแวดล้อม PLC ขนาดใหญ่กว่า รวมถึงระบบแบบโมดูลาร์ ระบบ PLC และ PAC ที่ติดตั้งใช้งานทั่วทั้งโรงงานผลิต

รูปที่ 7. การแปลงเพย์โหลดช่วยให้ฟังก์ชันตรรกะทำงานร่วมกับเอาต์พุตทางกายภาพได้

เมื่อเชื่อมต่อแล้ว โหนดเอาต์พุตจะจ่ายไฟให้พิน GPIO ทุกครั้งที่อุณหภูมิที่วัดได้สูงเกินค่าขีดจำกัดที่กำหนดไว้ จากนั้นระบบจะเปลี่ยนเอาต์พุตกลับเป็นสถานะต่ำเมื่ออุณหภูมิลดลงต่ำกว่าขีดจำกัด

รูปที่ 8. เวิร์กโฟลว์ทั้งหมดผสานการตรวจจับ ตรรกะการตัดสินใจ และการควบคุมเอาต์พุตทางกายภาพ

จากต้นแบบ DIY สู่ระบบควบคุมเอดจ์อุตสาหกรรม

โครงการนี้ยังคงเรียบง่ายโดยตั้งใจ แต่สะท้อนให้เห็นถึงแนวโน้มการเปลี่ยนแปลงในวงการระบบอัตโนมัติอุตสาหกรรมโดยรวม สภาพแวดล้อมแบบโลว์โค้ดปรากฏเพิ่มขึ้นเรื่อย ๆ ในเกตเวย์เอดจ์ ระบบ IIoT และแอปพลิเคชันตรวจสอบแบบกระจาย

วิศวกรสามารถขยายแพลตฟอร์มด้วยแดชบอร์ด ฐานข้อมูลคลาวด์ การจัดการสัญญาณเตือน หรือการเชื่อมต่อกับฮิสทอเรียน ตรรกะการกรองเพิ่มเติมยังช่วยลดการตัดต่อถี่เกินไปและเพิ่มเสถียรภาพในการทำงาน

รูปที่ 9. การแสดงผลแดชบอร์ดช่วยให้ผู้ปฏิบัติงานมองเห็นข้อมูลได้ดีขึ้นและรองรับการตรวจสอบระยะไกล

ความสำคัญที่แท้จริงของ Node-RED ในระบบอัตโนมัติ

ความสำคัญของ Node-RED ไม่ได้จำกัดอยู่เพียงโครงการสำหรับผู้ชื่นชอบงานอดิเรก สถาปัตยกรรมแบบภาพช่วยลดช่องว่างระหว่างเทคโนโลยีปฏิบัติการกับระบบอัตโนมัติที่ขับเคลื่อนด้วยซอฟต์แวร์

ขณะที่ผู้ผลิตยังคงนำการประมวลผลแบบเอดจ์และโครงสร้างพื้นฐาน IIoT มาใช้ เครื่องมือพัฒนาแบบโลว์โค้ดมีแนวโน้มที่จะกลายเป็นส่วนเสริมมาตรฐานควบคู่กับสภาพแวดล้อม PLC และ DCS แบบดั้งเดิม สำหรับวิศวกรที่เริ่มต้นทำงานด้านระบบอัตโนมัติในปัจจุบัน การทำความเข้าใจแพลตฟอร์มแบบผสมผสานเหล่านี้มีคุณค่ามากขึ้นเรื่อย ๆ

ในทางปฏิบัติ ตัวควบคุมอุณหภูมินี้แสดงให้เห็นว่า ปัจจุบันสามารถนำระบบอัตโนมัติที่ใช้งานได้จริงไปปรับใช้ได้อย่างรวดเร็วเพียงใด สิ่งที่แต่เดิมต้องใช้เฟิร์มแวร์แบบกำหนดเองและรอบการพัฒนาที่ยาวนาน ปัจจุบันสามารถประกอบขึ้นแบบภาพได้ภายในไม่กี่นาที

ผู้เขียน: Daniel Mercer | ผู้สื่อข่าวอาวุโสด้านระบบอุตสาหกรรม | Daniel มีประสบการณ์ 14 ปีในการรายงานข่าวเกี่ยวกับแพลตฟอร์มควบคุมอุตสาหกรรม ระบบอัตโนมัติแบบฝังตัว และระบบประมวลผลแบบเอดจ์ ประสบการณ์ของเขาครอบคลุมโครงการบูรณาการภาคสนามที่เกี่ยวข้องกับ Siemens, Emerson DeltaV, ระบบกระบวนการของ Honeywell และสถาปัตยกรรมของ Beckhoff Automation