เหตุใดโครงสร้างแท็ก PLC จึงสำคัญยิ่งกว่าที่เคย

เมื่อโครงการระบบอัตโนมัติอุตสาหกรรมมีขนาดใหญ่ขึ้นและเชื่อมต่อกันมากขึ้น กลยุทธ์การเขียนโปรแกรม PLC ก็กำลังพัฒนาไปไกลกว่ารูทีนลอจิกแบบแลดเดอร์อย่างง่าย ปัจจุบันคอนโทรลเลอร์จัดการการประสานงานเครื่องจักร การสื่อสารที่เอดจ์ การวินิจฉัย การผสานรวมระบบความปลอดภัย และการแลกเปลี่ยนข้อมูลทั่วทั้งโรงงานได้พร้อมกัน

ภายในสภาพแวดล้อมที่ซับซ้อนมากขึ้นนี้ การจัดระเบียบแท็กได้กลายเป็นการตัดสินใจสำคัญทางวิศวกรรม การเลือกระหว่างแท็กขอบเขตคอนโทรลเลอร์กับแท็กขอบเขตโปรแกรมส่งผลโดยตรงต่อประสิทธิภาพการใช้หน่วยความจำ ความรวดเร็วในการแก้ไขปัญหา ความสามารถในการย้ายโค้ด และการบำรุงรักษาในระยะยาว

ขณะที่ PLC รุ่นเก่าพึ่งพาแอดเดรสหน่วยความจำแบบตายตัวเป็นหลัก แพลตฟอร์มสมัยใหม่ เช่น Rockwell Studio 5000 และ Siemens TIA Portal ได้นำสถาปัตยกรรมที่ใช้แท็กแบบยืดหยุ่นมาใช้ เพื่อรองรับการเขียนโปรแกรมแบบโมดูลาร์และการออกแบบเครื่องจักรที่ขยายขนาดได้

รูปที่ 1 แพลตฟอร์ม PLC สมัยใหม่จัดระเบียบ I/O ทางกายภาพไว้ภายในโครงสร้างหน่วยความจำของคอนโทรลเลอร์ที่เข้าถึงได้ทั่วทั้งระบบ เพื่อให้การสื่อสารระหว่างโปรแกรมและอุปกรณ์ภายนอกง่ายขึ้น

จากแอดเดรสตายตัวสู่สถาปัตยกรรมแท็กที่ยืดหยุ่น

ตัวแปร PLC เปลี่ยนแปลงไปตามกาลเวลาอย่างไร

ระบบ PLC รุ่นแรกอาศัยแผนผังหน่วยความจำที่ตายตัว วิศวกรอ้างอิงตัวแปรผ่านแอดเดรสคงที่ เช่น N7:0 หรือ B3:1/0 แม้โครงสร้างเหล่านี้จะมีประสิทธิภาพสำหรับระบบขนาดเล็ก แต่กลับขยายไปใช้กับโรงงานอัตโนมัติขนาดใหญ่ได้ยาก

ระบบที่ใช้แท็กสมัยใหม่เข้ามาแทนที่การอ้างอิงหน่วยความจำแบบตายตัวด้วยชื่อตัวแปรที่สื่อความหมายและโครงสร้างข้อมูลที่ยืดหยุ่น ปัจจุบันวิศวกรสามารถกำหนดจำนวนเต็ม ค่าทศนิยม สตริง อาร์เรย์ และชนิดข้อมูลที่ผู้ใช้กำหนดเองได้ โดยอ่านเข้าใจได้ง่ายกว่ามาก

วิวัฒนาการนี้ยังช่วยปรับปรุงการทำงานร่วมกันระหว่าง PLC, HMI, ระบบจัดเก็บประวัติข้อมูล และแพลตฟอร์ม SCADA แพลตฟอร์มต่าง ๆ ในระบบนิเวศ Allen-Bradley ControlLogix และคอนโทรลเลอร์ Siemens SIMATIC ต่างพึ่งพาการจัดการแท็กแบบมีโครงสร้างอย่างมาก เพื่อรองรับสถาปัตยกรรมระบบอัตโนมัติที่ซับซ้อน

ขอบเขตคอนโทรลเลอร์เทียบกับขอบเขตโปรแกรม

แท็กขอบเขตคอนโทรลเลอร์ทำหน้าที่เป็นตัวแปรโกลบอล โปรแกรม รูทีน หรืองานใด ๆ ภายใน PLC ก็สามารถเข้าถึงแท็กเหล่านี้ได้ โดยทั่วไปแท็กเหล่านี้จะแทนสถานะของเครื่องจักรโดยรวม I/O ทางกายภาพ สัญญาณเตือน การสื่อสาร และข้อมูลการผลิต

แท็กขอบเขตโปรแกรมจะอยู่ภายในรูทีนหรือโปรแกรมเฉพาะ ทำให้ตรรกะภายในแยกเป็นสัดส่วน ลดความซับซ้อนของส่วนเครื่องจักรที่ทำงานซ้ำ และลดการจัดสรรหน่วยความจำโกลบอลที่ไม่จำเป็น

ความแตกต่างนี้ดูเรียบง่าย แต่ผลกระทบด้านวิศวกรรมจะมีความสำคัญมากขึ้นเมื่อโครงการขยายจากเครื่องจักรเดี่ยวไปสู่ระบบการผลิตหลายสาย

รูปที่ 2 Siemens TIA Portal แยกข้อมูลคอนโทรลเลอร์ที่ใช้ร่วมกันทั่วทั้งระบบออกจากตัวแปรระดับฟังก์ชันภายใน เพื่อปรับปรุงการจัดระเบียบโค้ดแบบโมดูลาร์

ประสิทธิภาพการใช้หน่วยความจำยังคงเป็นลำดับความสำคัญทางวิศวกรรม

แม้ฮาร์ดแวร์คอนโทรลเลอร์จะพัฒนาอย่างต่อเนื่อง แต่หน่วยความจำของ PLC ยังคงมีคุณค่า โรงงานขนาดใหญ่อาจมีแท็กนับพันที่จัดการค่ากระบวนการ สถานะการเคลื่อนที่ ข้อมูลวินิจฉัย และบัฟเฟอร์การสื่อสารพร้อมกัน

แท็กที่มีขอบเขตระดับคอนโทรลเลอร์จะจองพื้นที่หน่วยความจำไว้อย่างถาวรตลอดสภาพแวดล้อมการทำงานทั้งหมด ตัวแปรโกลบอลที่มีมากเกินไปอาจเพิ่มการใช้หน่วยความจำและทำให้การแก้ไขปัญหาซับซ้อนขึ้น

แท็กที่มีขอบเขตระดับโปรแกรมเป็นทางเลือกที่มีประสิทธิภาพมากกว่าสำหรับส่วนลอจิกที่นำกลับมาใช้ซ้ำได้ วิศวกรสามารถทำซ้ำรูทีนได้โดยไม่ต้องสร้างโครงสร้างแท็กโกลบอลชุดใหม่ทั้งหมดสำหรับแต่ละสถานีเครื่องจักร

แนวทางนี้มีความสำคัญเป็นพิเศษในเซลล์การผลิตที่ทำงานซ้ำ ๆ เช่น ระบบจัดเรียงพาเลท สถานีประกอบด้วยหุ่นยนต์ และสายการผลิตที่ใช้สายพานลำเลียง

รูปที่ 3 การแยกแท็กระดับคอนโทรลเลอร์ออกจากตัวแปรโปรแกรมภายในช่วยให้วิศวกรสร้างโครงการระบบอัตโนมัติที่เป็นระเบียบและขยายขนาดได้ง่ายขึ้น

ขอบเขตภายในให้ประโยชน์สูงสุดในจุดใด

โมดูลเครื่องจักรที่นำกลับมาใช้ซ้ำได้

ระบบอัตโนมัติสมัยใหม่พึ่งพาการออกแบบเครื่องจักรแบบโมดูลาร์มากขึ้น ผู้วางระบบมักทำซ้ำสถานีที่เหมือนกันในหลายเซลล์การผลิต เพื่อเพิ่มปริมาณการผลิตโดยไม่ต้องออกแบบลอจิกใหม่ตั้งแต่ต้น

การใช้แท็กภายในช่วยให้โปรแกรมเมอร์ทำซ้ำส่วนต่าง ๆ ของเครื่องจักรได้ทั้งชุด โดยยังคงรักษาชื่อตัวแปรภายในให้เหมือนเดิม วิธีนี้ช่วยให้การดีบัก การทดสอบเดินระบบ และการปรับแก้ในอนาคตง่ายขึ้นอย่างมาก

แทนที่จะเปลี่ยนชื่อตัวแปรหลายร้อยตัวสำหรับทุกสถานีที่ทำซ้ำ วิศวกรเพียงแมปการอ้างอิง I/O ภายนอกใหม่ โดยคงลอจิกภายในไว้เหมือนเดิม

การแก้ไขปัญหาที่เป็นระเบียบยิ่งขึ้นและการผสานรวมที่รวดเร็วขึ้น

การห่อหุ้มในระดับโปรแกรมยังช่วยลดการโต้ตอบข้ามโปรแกรมโดยไม่ตั้งใจ ตัวแปรภายในช่วยป้องกันไม่ให้รูทีนที่ไม่เกี่ยวข้องแก้ไขสถานะการทำงานหรือตัวตั้งเวลาโดยไม่ได้ตั้งใจ

สำหรับทีมทดสอบเดินระบบ ลอจิกที่แบ่งเป็นส่วนช่วยลดเวลาในการแก้ไขปัญหา เพราะวิศวกรสามารถแยกจุดขัดข้องภายในโมดูลเครื่องจักรแต่ละโมดูลได้ แทนที่จะต้องค้นหาจากฐานข้อมูลแท็กโกลบอลขนาดใหญ่

กลยุทธ์นี้สอดคล้องเป็นอย่างดีกับสถาปัตยกรรมเครื่องจักรแบบกระจายที่พบได้ทั่วไปในระบบบรรจุภัณฑ์ สายการประกอบยานยนต์ และอุปกรณ์ขนถ่ายด้วยหุ่นยนต์

รูปที่ 4 เซลล์ระบบอัตโนมัติที่ทำงานซ้ำ ๆ ได้ประโยชน์อย่างมากจากขอบเขตโปรแกรมภายใน เนื่องจากวิศวกรสามารถนำโครงสร้างควบคุมที่เหมือนกันกลับมาใช้ซ้ำในหลายสถานีได้

เมื่อแท็กโกลบอลกลายเป็นสิ่งจำเป็น

ตัวแปรไม่ได้ทุกตัวควรอยู่ในขอบเขตภายใน ข้อมูลบางอย่างจำเป็นต้องเข้าถึงได้จากทั่วทั้งคอนโทรลเลอร์

โดยทั่วไป I/O ทางกายภาพ โครงสร้างการสื่อสารผ่าน Ethernet การแลกเปลี่ยนข้อมูล HMI บัฟเฟอร์การสื่อสาร MES และอาร์เรย์ติดตามการผลิต จำเป็นต้องมองเห็นได้ในระดับคอนโทรลเลอร์

ตัวอย่างเช่น การจัดการข้อผิดพลาดทั่วทั้งเครื่องจักรมักขึ้นอยู่กับโครงสร้างสัญญาณเตือนที่เข้าถึงได้แบบโกลบอล เช่นเดียวกัน สถาปัตยกรรม I/O แบบกระจายภายในระบบ I/O แบบกระจายของ Siemens หรือการแมปอุปกรณ์ EtherNet/IP ก็จำเป็นต้องเข้าถึงแท็กแบบรวมศูนย์

ขอบเขตแบบโกลบอลยังช่วยให้การผสานรวมระหว่าง PLC, HMI, ระบบจัดเก็บประวัติข้อมูล และระบบควบคุมกำกับดูแลง่ายขึ้น ในกรณีที่หลายแอปพลิเคชันต้องอ้างอิงข้อมูลกระบวนการเดียวกันพร้อมกัน

แท็ก Alias เชื่อมต่อลอจิกแบบโมดูลกับลอจิกแบบโกลบอล

แท็ก Alias เป็นทางออกที่ลงตัวระหว่างความเป็นโมดูลแบบโลคัลกับการเข้าถึงแบบโกลบอล วิศวกรสามารถเชื่อมต่อตัวแปรโปรแกรมแบบโลคัลเข้ากับอาร์เรย์แบบโกลบอลได้โดยไม่ต้องทำลอจิกซ้ำ

ใน Rockwell Studio 5000 โครงสร้าง Alias มักรองรับการจัดการข้อผิดพลาดแบบรวมศูนย์ สถานีเครื่องจักรแบบโลคัลสามารถทริกเกอร์บิตสัญญาณเตือนแบบโลคัล พร้อมอัปเดตอาร์เรย์ข้อผิดพลาดของ HMI แบบโกลบอลได้ในเวลาเดียวกัน

สถาปัตยกรรมนี้คงไว้ซึ่งการเขียนโปรแกรมแบบโมดูล พร้อมรักษาการมองเห็นข้อมูลแบบรวมศูนย์สำหรับผู้ควบคุมและเจ้าหน้าที่บำรุงรักษา

รูปที่ 5. แท็ก Alias ช่วยเชื่อมต่อลอจิกเครื่องจักรแบบโลคัลกับระบบตรวจสอบและวินิจฉัยแบบรวมศูนย์ภายในโครงการ PLC สมัยใหม่

การเปลี่ยนแปลงของอุตสาหกรรมสู่การออกแบบซอฟต์แวร์แบบโมดูล

อุตสาหกรรมระบบอัตโนมัติโดยรวมยังคงมุ่งหน้าไปสู่การใช้ออบเจ็กต์ซอฟต์แวร์ที่นำกลับมาใช้ใหม่ได้ วิศวกรรมที่ขับเคลื่อนด้วยเทมเพลต และไลบรารีโค้ดแบบโมดูล การเขียนโปรแกรม PLC มีลักษณะใกล้เคียงกับแนวปฏิบัติด้านวิศวกรรมซอฟต์แวร์มากขึ้นเรื่อย ๆ ซึ่งในอดีตจำกัดอยู่ในงานพัฒนาไอทีระดับองค์กร

ฟังก์ชันบล็อก ออบเจ็กต์เครื่องจักรที่นำกลับมาใช้ใหม่ได้ และโมดูลควบคุมแบบกำหนดพารามิเตอร์ ปัจจุบันเป็นองค์ประกอบหลักของแพลตฟอร์มระบบอัตโนมัติขั้นสูงจาก Siemens, Beckhoff, Rockwell และ Emerson

เมื่อการประมวลผลที่เอดจ์และการผสานรวม IIoT ขยายตัว โครงสร้างซอฟต์แวร์ที่รองรับการขยายระบบได้ก็มีความสำคัญไม่แพ้ความน่าเชื่อถือของฮาร์ดแวร์ สถาปัตยกรรมแท็กที่ไม่ดีอาจสร้างความท้าทายด้านการบำรุงรักษาในระยะยาว ซึ่งคงอยู่ยาวนานกว่าตัวอุปกรณ์จริงเสียอีก

มุมมองทางวิศวกรรม

วิศวกรรุ่นใหม่จำนวนมากมักใส่ตัวแปรเกือบทั้งหมดไว้ในขอบเขตแบบโกลบอลในช่วงเริ่มต้น เพราะรู้สึกว่าพัฒนาได้ง่ายกว่า อย่างไรก็ตาม กลยุทธ์ดังกล่าวมักทำให้เกิดโครงการขนาดใหญ่เกินจำเป็น ซึ่งดูแลรักษาได้ยากหลังการเดินระบบ

การเขียนโปรแกรมด้วยขอบเขตแบบโลคัลที่มีโครงสร้างดีช่วยบังคับให้วิศวกรคิดเชิงโมดูล ช่วยเพิ่มความสามารถในการขยายระบบ ปกป้องความถูกต้องของลอจิก และทำให้การขยายเครื่องจักรในอนาคตง่ายขึ้น

ขอบเขตแบบโกลบอลยังคงมีความสำคัญต่อการประสานงานทั่วทั้งโรงงานและการสื่อสารกับระบบภายนอก แต่การใช้ขอบเขตแบบโลคัลอย่างมีวินัยมักช่วยให้ระบบอัตโนมัติมีโครงสร้างสะอาดและเป็นมืออาชีพมากขึ้น

Daniel Mercer — ผู้สื่อข่าวอาวุโสด้านระบบอัตโนมัติ ผู้มีประสบการณ์ 14 ปีในการรายงานข่าวเกี่ยวกับสถาปัตยกรรม PLC การผสานรวมซอฟต์แวร์อุตสาหกรรม และระบบควบคุมเครื่องจักร เขาให้การสนับสนุนโครงการที่เกี่ยวข้องกับแพลตฟอร์ม Rockwell Automation, Siemens, Emerson DeltaV, ABB 800xA และ Beckhoff Automation ในอุตสาหกรรมการผลิตและอุตสาหกรรมกระบวนการ