ระบบควบคุมในโรงงานอุตสาหกรรม เพิ่มความแม่นยำ ลดความวุ่นวายในการทำงาน

การทำงานในโรงงานอุตสาหกรรมนั้น นอกจากเครื่องจักรที่มีประสิทธิภาพในการผลิตอย่างเดียวอาจไม่เพียงพอ จำเป็นต้องมีระบบควบคุมในโรงงานอุตสาหกรรม (Industrial Control Systems: ICS) ที่มีคุณภาพ ทำงานควบคู่กันไป ซึ่งถือเป็นส่วนที่มีความสำคัญอย่างมากในระบบอุตสาหกรรม เพราะหมายถึงคุณภาพที่จะได้รับ ความแม่นยำ และเสถียรภาพที่จะเพิ่มขึ้น ดังนั้นแต่ละโรงงานควรมีการวางระบบโรงงาน โดยนำระบบอัตโนมัติเข้ามาประยุกต์ใช้ให้เหมาะกับโรงงานของตนเอง แต่ระบบควบคุมในโรงงานอุตสาหกรรมมีอะไรบ้าง ควรเลือกอย่างไรให้เหมาะสมกับโรงงาน บทความนี้จะตอบโจทย์ทุกความสงสัย

ระดับขั้นการใช้งานระบบอัตโนมัติในโรงงานอุตสาหกรรมแบบหลักๆ

เทคโนโลยีสมัยใหม่นับว่ามีความก้าวหน้า และเปลี่ยนแปลงไปอย่างรวดเร็ว ทำให้ผู้ที่ต้องการวางระบบโรงงานอาจเกิดข้อสงสัยว่าควรเลือกใช้ระบบอัตโนมัติอะไรดี หรือเลือกใช้ระบบอัตโนมัติแบบใดให้เหมาะสมกับโรงงาน ดังนั้นก่อนที่จะนำระบบควบคุมในโรงงานอุตสาหกรรมมาใช้ จำเป็นต้องเข้าใจระดับการทำงานหลักๆ ของระบบอัตโนมัติในอุตสาหกรรมให้ดีก่อน ซึ่งมีดังนี้

ระดับสั่งการ

ส่วนมากในระดับสั่งการจะใช้ PC เป็นหลัก ซึ่ง PC ในโรงงานอุตสาหกรรมนั้นจะเรียกว่า Industrial Computer เป็นคอมพิวเตอร์เกรดอุตสาหกรรมที่ออกแบบมาใช้งานในโรงงานอุตสาหกรรมโดยเฉพาะ ทำให้มีความทนทานต่อสภาพแวดล้อม เช่น ที่ที่มีความชื้นสูง ความร้อนสูง เหมาะสมกับการใช้งาน มีความน่าเชื่อถือสูง มีการเชื่อมต่อรองรับพอร์ตการสื่อสารที่หลากหลาย เช่น พอร์ตอนุกรม Serial Port, พอร์ตการเชื่อมต่อเครือข่าย LAN (Gigabit), โดยคอมพิวเตอร์ประเภทนี้จะถูกติดตั้งให้เป็นระบบเครือข่าย Network Topology ซึ่งการออกแบบการติดตั้งนี้จะช่วยให้มีความเหมาะสมกับลักษณะของงาน เช่น การเชื่อมต่อระบบเครือข่ายแบบวงแหวน เหมาะสำหรับโรงงานการผลิตที่ต้องการความต่อเนื่อง

ระดับควบคุม

ในระบบควบคุมการทำงานนี้แบ่งเป็น 2 แบบ ได้แก่

1.ซอฟต์แวร์ระบบ (System Software) เป็นระบบที่ออกแบบมาเพื่อเชื่อมต่อกับอุปกรณ์ต่างๆ บนคอมพิวเตอร์ เช่น ฮาร์ดดิส เมนบอร์ด แรม ให้มีความพร้อมในการรองรับระบบปฏิบัติการ (Operating System หรือ OS)

2.ซอฟต์แวร์ประยุกต์ (Application Software) เป็นระบบซอฟต์แวร์ที่ถูกออกแบบโดยเฉพาะเพื่อให้คอมพิวเตอร์ทำงานตามที่ผู้ใช้ต้องการ ซึ่งผู้ใช้งานสามารถติดตั้งตัวซอฟแวร์ได้เอง ซึ่งแบ่งได้เป็น 2 ส่วน คือ

1.ซอฟต์แวร์สำหรับงานเฉพาะด้าน เป็นซอฟต์แวร์ที่ผู้ใช้งานสามารถปรับแต่งหรือเขียนขึ้นใหม่เพื่อให้ใช้งานแบบเฉพาะเจาะจง โดยต้องมีความรู้ความเข้าใจในด้านภาษาของนักพัฒนาซอฟต์แวร์ เช่น ภาษา C#, C++, Java และPython เป็นต้น

2.ซอฟต์แวร์สำหรับงานทั่วไป ที่ผู้จัดทำจะสร้างไว้ให้ โดยที่ผู้ใช้งานจะไม่สามารถเข้าไปปรับแต่งหรือแก้ไขตัวซอฟต์แวร์ได้ บางครั้งอาจซื้อมาเป็นโปรแกรมสำเร็จรูป ผู้ใช้ไม่จำเป็นต้องเขียนโปรแกรมเอง ไม่จำเป็นต้องเข้าใจภาษาของนักพัฒนาซอฟแวร์ก็สามารถใช้งานได้

การใช้งานระบบอัตโนมัติ เพื่อใช้ในระบบควบคุมในโรงงานอุตสาหกรรม จะช่วยการทำงานได้อย่างมีประสิทธิภาพ เนื่องจากระบบควบคุมผู้ใช้งานสามารถออกแบบระบบให้มีความสอดคล้องกับงานที่เฉพาะเจาะจง สามารถควบคุมคุณภาพงาน ได้อย่างแม่นยำ สามารถลดขั้นตอนที่วุ่นวาย ลดความซับซ้อนลง ลดเวลาการทำงาน ด้วยการใช้ระบบควบคุมเข้ามาช่วยจึงจำเป็นที่ต้องใช้ความสามารถแบบเรียลไทม์เพื่อแสดงผลลัพธ์และตอบสนองต่อคำสั่งที่ได้รับได้ทันที โดยทำงานควบคู่กับหน่วยควบคุมเงื่อนไข ซึ่งเป็นสมองของกระบวนการทำงานและการประมวลผล เช่น PLCs PACs HMI เป็นต้น

ระดับฟิลด์

ในการวางระบบโรงงานให้มีประสิทธิภาพ การมีระบบควบคุมในโรงงานอุตสาหกรรมในระดับฟิลด์จึงมีความสำคัญอย่างยิ่ง โดยในระดับดังกล่าวจะมีอุปกรณ์การทำงานที่หลากหลาย ไม่ว่าจะเป็นเซนเซอร์ (Sensor) แอคชูเอเตอร์ (Actuator) อุปกรณ์รับส่งสัญญาณ วาลว์ควบคุม หรืออุปกรณ์ทำงานอื่นๆ ซึ่งจะช่วยในการรับข้อมูล หรือส่งข้อมูล หรือทั้งรับและส่งข้อมูลได้ เช่น เซนเซอร์ควรขึ้นและส่งสัญญาณไปบอกให้ Input ของชุดควบคุมเงื่อนไข (PLC) ได้รับทราบ นอกจากนี้ยังมีแอคชูเอเตอร์ (Actuator) และเครื่องมือต่างๆที่ต้องการอุปกรณ์ควบคุมพิเศษ เช่น เซอร์โวแอมป์พลิไฟเออร์ (เซนเซอร์ตรวจจับโลหะ ที่สามารถตรวจจับได้ดีกับโลหะประเภทเหล็ก โดยจะทำงานด้วยหลักการสนามแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีวงจรอิเล็กทรอนิกส์อยู่ภายใน หรืออุปกรณ์รับส่งสัญญาณอื่นๆ ที่จะช่วยให้เมื่อตรวจจับได้แล้วจะแสดงสถานะของ Amplifier) ซึ่งเป็นอุปกรณ์ที่ควบคุมเซอร์โวมอเตอร์ (Servo motor) โดยอาศัยการส่งพลังงานไฟฟ้าแปรเปลี่ยนเป็นพลังงานทางกล โดยจะทำหน้าที่ควบคุมทิศทางการเคลื่อนที่ ความเร็ว ตำแหน่ง และแรงบิด จากพารามิเตอร์ต่างๆ เป็นต้น

อุปกรณ์ภาคสนามหรือในระดับฟิลด์นี้มีค่อนข้างหลากหลาย ซึ่งแต่ละอุปกรณ์จะมีการทำงานที่แตกต่างกันขึ้นอยู่กับการออกแบบระบบอัตโนมัติหรือแม้แต่การวางระบบโรงงาน อุปกรณ์ภาคสนามเหล่านี้จึงเสมือนแขนขาที่คอยตอบสนองต่อความต้องการในการทำงาน เพื่อให้ได้มาซึ่งผลลัพธ์ต่างๆ หากอุปกรณ์ใดที่ทำงานผิดพลาดก็อาจส่งผลถึงประสิทธิภาพของโรงงาน คุณภาพที่ได้ก็อาจจะตกลงไป จึงจำเป็นต้องเข้าถึงข้อมูล และการแก้ไขปัญหาอย่างรวดเร็ว

รูปแบบของระบบควบคุมในโรงงานอุตสาหกรรม

รูปแบบของระบบควบคุมในโรงงานอุตสาหกรรม มีหลากหลายมาก ตั้งแต่อุตสาหกรรม 1.0 ถึง อุตสาหกรรม 4.0 ล้วนถูกพัฒนาขึ้นมาอย่างต่อเนื่อง จนกลายมาเป็นระบบควบคุมที่ได้รับความนิยมอย่างมากในอุตสาหกรรม มีดังนี้

Programmable Logic Controllers (PLCs)

Programmable Logic Controllers หรือที่เรียกกันว่า PLCs เป็นอุปกรณ์ไฟฟ้าที่ช่วยเพิ่มประสิทธิภาพให้กับระบบควบคุมการทำงานของเครื่องจักรในโรงงานอุตสาหกรรมโดยอาศัยการสื่อสารด้วย Protocol ต่างๆ เช่น CC-link, CC-link IE, Profinet, Profibus, Devicenet, Ethernet/IP และอื่นๆ ซึ่งเป็นเครือข่ายที่ใช้ในการรับส่งข้อมูลจากอุปกรณ์หนึ่งไปยังอุปกรณ์อื่นๆ ภายในโรงงานอุตสาหกรรม ช่วยให้ระบบการทำงานราบรื่น มีเสถียรภาพ และมีมาตรฐานด้านการรักษาความปลอดภัยของข้อมูล ทำให้มั่นใจได้ว่าข้อมูลที่รับ-ส่งกันในเครือข่ายจะไม่รั่วไหล ทั้งยังช่วยลดโอกาสเกิดความผิดพลาดที่เกิดขึ้นด้วย นอกจากนี้ PLC อาศัยการตั้งค่าชุดคำสั่งของมนุษย์ที่จะมี Microprocessor ซึ่งเป็นตัวประมวลผลและสั่งการ ซึ่งทำหน้าที่คิดและตรวจสอบคำสั่งที่ได้รับเช่น การเชื่อมต่อ, การกำหนดข้อมูลที่ได้รับ (INPUT), การกำหนดเงื่อนไข และ การกำหนดผลลัพธ์ตามเงื่อนไขที่ตั้งไว้ เช่น ในการใช้โปรแกรมควบคุมทิศทางการทำงานของมอเตอร์ หรือโปรแกรมควบคุมการเปิดปิดระบบสายพานลำเลียง เป็นต้น

Programmable Automation Controllers (PACs)

Programmable Automation Controllers หรือ PACs เป็นหนึ่งในระบบควบคุมในโรงงานอุตสาหกรรมที่ถูกกล่าวถึงอยู่บ่อยๆ เช่นกัน เนื่องจากประสิทธิภาพของโปรแกรมที่สามารถติดตามผลการทำงานและควบคุมการแสดงออกผลเพื่อการทำงานอย่างถูกต้องและแม่นยำยิ่งขึ้น ด้วยเหตุนี้จึงพบว่าในบางโรงงานอุตสาหกรรม เช่น โรงกลั่นน้ำมัน หรือโรงไฟฟ้า และอื่นๆ ได้มีการนำเอา PACs เข้ามาเสริมศักยภาพในการทำงานของระบบ Factory Automation มากยิ่งขึ้น

Distributed Control Systems (DCS)

ต่อมาเป็นระบบควบคุมในโรงงานอุตสาหกรรม DCS คือ ระบบควบคุมแบบกระจายแยกส่วน เพื่อให้ส่วนของการควบคุม (Control) และในส่วนของการสังเกตการณ์ (Monitoring) สามารถทำงานภายใต้ระบบที่มีความซับซ้อนได้ ซึ่งปัจจุบัน PACs ก็ทำงานคล้ายคลึงกับ DCS จึงแบ่งแยกกันอย่างชัดเจนได้ยาก แต่ก็สามารถดูได้จากตัวโปรแกรมที่ใช้เขียน DCS เป็นระบบที่มีความเสถียรสูง สามารถทำระบบ Redundancy System ได้ง่าย อาศัยหน่วยประมวลผลมากกว่า 1 ตัวขึ้นไป เพื่อป้องกันกรณีที่ระบบมีความผิดปกติเกิดขึ้นในกระบวนการผลิตนั้นๆ และยังมีเครื่องมือสำหรับ การจัดเก็บข้อมูลของเซนเซอร์ การตรวจสอบกระบวนการผลิต การจัดเก็บข้อมูล ประวัติการทำงาน การจัดการสัญญาณเตือน ต่างๆ ทั้งนี้ DCS จะถูกใช้งานในกลุ่มอุตสาหกรรมขนาดใหญ่ที่มีความเสี่ยงสูง เช่น อุตสาหกรรมปิโตเลี่ยม หรือกลุ่มโรงไฟฟ้า เป็นต้น

Supervisory control and Data Acquisition (SCADA)

SCADA คือ ระบบที่ใช้เก็บข้อมูล ตรวจสอบ และแสดงผลสถานะข้อมูล รวมถึงควบคุมอุปกรณ์ ซึ่งข้อมูลที่ได้รับสามารถนำมาวิเคราะห์สิ่งที่เกิดขึ้น ความต้องการ สาเหตุ สิ่งผิดปกติ ได้แบบ Real-Time ไม่ว่าจะระยะใกล้หรือระยะไกล นอกจากนี้ SCADA ยังสามารถทำงานควบคู่ในระดับ การประมวลผล คำนวณ การควบคุมอุปกรณ์ต่างหลายระดับ เช่น DCS, PLC และRTU เป็นต้น SCADA เป็นระบบควบคุมในโรงงานอุตสาหกรรมที่สามารถใช้ได้หลากหลายอุตสาหกรรมเช่น การจัดการด้านพลังงาน การประปา การบำบัดน้ำเสีย อุตสาหกรรมยานยนต์

Intelligent Electronic Devices (IEDs)

สำหรับระบบควบคุมในโรงงานอุตสาหกรรมสุดท้ายที่จะนำมาแนะนำให้รู้จักในวันนี้ เรียกว่า IEDs เป็นอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์อัจฉริยะ ที่สามารถทำงานได้หลากหลายฟังก์ชั่น มีหลักการทำงานคล้ายกับ Ciruit Control แต่ทำงานได้ละเอียดและแม่นยำมากกว่า ด้วยการเพิ่มส่วนของระบบ Microprocessor ซึ่งเปรียบเสมือนสมองในการสั่งการ นอกจากนี้ IEDs ยังครอบคลุมหลายโปรโตคอลมากขึ้น ด้วยเหตุนี้เอง IEDs จึงถูกใช้งานภายในโรงงานและใช้ติดต่อสื่อสาร รายงานสถานะไปยังโปรโตคอลหลักของโรงงานได้ เช่น SCADA

เหตุผลที่ควรเลือกใช้ CC-Link IE กับระบบควบคุมในโรงงานอุตสาหกรรม

CC-Link IE เป็นหนึ่งในมาตรฐานของระบบควบคุมในโรงงานอุตสาหกรรมที่ได้รับความนิยมอย่างยิ่งโดยเฉพาะในกลุ่มของผู้ประกอบการ เนื่องจากเป็นเครือข่ายที่มีการเชื่อมต่อด้วยความเร็วสูงถึง 1 Gigabit จึงทำให้รับและส่งข้อมูลต่างๆ ได้อย่างว่องไว ทั้งยังมีความเสถียรภาพสูง ที่สำคัญยังติดตั้งง่าย และช่วยลดต้นทุนการผลิตได้เป็นอย่างดีอีกด้วย จึงเหมาะอย่างยิ่งในการวางระบบโรงงาน โดยเฉพาะเครือข่าย CC-Link IE ซึ่งถูกออกแบบมาเพื่อใช้งานในระบบอุตสาหกรรม เนื่องจาก CC-Link IE จะช่วยในการรองรับอุปกรณ์ต่างๆ ในโรงงานอุตสาหกรรมได้อย่างมีประสิทธิภาพ และสามารถรับส่งข้อมูลได้อย่างรวดเร็วและเสถียรยิ่งขึ้น ซึ่งจะช่วยลดโอกาสเกิดสัญญาณรบกวนหรือข้อผิดพลาดในการทำงานของเครื่องจักรและอุปกรณ์ต่างๆ นั่นเอง ทั้งนี้ ในการเลือกใช้งาน CC-Link IE ยังขึ้นอยู่กับการใช้งานและรูปแบบการเชื่อมต่อที่เหมาะสมกับสภาพแวดล้อมและโครงสร้างของโรงงานอุตสาหกรรมนั้นๆ ด้วย

CC-Link IE TSN

CC-Link IE TSN คือ การเชื่อมต่อข้อมูลเครือข่ายด้วยมาตรฐานการส่งข้อมูลด้วย Time Sensitive Network (TSN) เพื่อจัดระเบียบข้อมูลที่มีโปรโตคอลแตกต่างกัน ทั้งข้อมูลการสื่อสารและข้อมูลการควบคุมให้สามารถใช้ร่วมกันได้ในระดับความเร็วกิกะบิต (Gigabit) ทั้งนี้ CC-Link IE TSN จะทำงานสอดคล้องกันระหว่างเวลาทั้งเครือข่าย (Time Synchronization method) และ เวลาในการแชร์ข้อมูลที่ตรงกัน (Time Sharing Method ) เพื่อช่วยในการส่งข้อมูลไปยังสถานีต่างๆ และลดเวลาในการอัปเดตข้อมูลให้น้อยลง ซึ่งเป็นส่วนสำคัญในการวางระบบโรงงาน นั้นหมายความว่า เวลาในระดับไมโครวินาที จะมีการส่งผ่านข้อมูลการสื่อสารและการควบคุมไปพร้อมกันอย่างแม่นยำมากขึ้น ดังคุณสมบัติของ CC-Link IE TSN ด้านต่างๆ ซึ่งจุดนี้เองที่ทำให้สามารถบันทึกการทำงาน การติดตาม ตรวจสอบสาเหตุการ Downtime ทำได้อย่างแม่นยำ มีความเสถียรมากขึ้น เหมาะกับอุตสาหกรรมยานยนต์ อุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์ (การเชื่อม) และอุตสาหกรรมโลจิสติกส์ เป็นต้น

CC-Link IE Control

CC-Link IE Control คือระบบการเชื่อมเครือข่ายระบบควบคุมที่กระจายอยู่ตามสถานีต่างๆ โดยใช้การเชื่อมต่อด้วยไฟเบอร์นำแสง (Fiberobtical) ซึ่งแน่นอนว่าการเชื่อมต่อลักษณะนี้จะช่วยเพิ่มระยะทางได้สูงสุด 550 เมตรต่อสถานี จำนวนสถานีสูงสุดคือ 120 สถานี ระยะทางสูงสุดรวม 66 กิโลเมตร มีความเร็วสูงในการรับส่งข้อมูลในระดับกิกะบิต(Gigabit) สามารถทำงานต่อเนื่องเมื่อสถานีใดขัดข้อง จึงมีความน่าเชื่อถือในระบบสูง เหมาะกับอุตสาหกรรมขนาดใหญ่ โดยจุดเด่นของเครือข่าย CC-Link IE Control ก็คือ Redundant Fiber Optic Loop ด้วยการเชื่อมต่อแบบ Redundant Loop แต่ละ Station ทำให้สามารถสื่อสารต่อไปโดยวนลูปย้อนกลับเมื่อมีการตรวจพบสายเคเบิลที่ชำรุดหรือข้อผิดพลาดของสเตชั่นโดยไม่ต้องใช้อุปกรณ์เพิ่มเติมและไม่ต้องเพิ่มต้นทุนของเครือข่าย

CC-Link IE Field

CC-Link IE Field Network คือ ระบบการเชื่อมต่อข้อมูลเครือข่ายความเร็วสูงพิเศษบนอุปกรณ์ Factory Automation ทั้งหมดไม่ว่าจะเป็น Remote I/O, PLC, HMI, Inverter และ Robot ซึ่งช่วยค่าใช้จ่ายในการเดินสายไฟ ไปยังจุดควบคุมในแต่ละสถานีย่อยที่ห่างไกล ด้วยการรับส่งข้อมูลความเร็วสูงระดับกิกะบิต (Gigabit) ทำให้สามารถเข้าถึงไฟล์ข้อมูลการจัดการ การควบคุมอุปกรณ์ เพื่อการตรวจสอบและวินิจฉัยสาเหตุ ตลอดจนการแก้ไขปัญหา รองรับ INPUT และ OUTPUT ได้สูงขึ้น มีโปรโตคอลแบบเรียลไทม์ที่ช่วยให้สามารถสื่อสารข้อมูลจำนวนมากได้อย่างรวดเร็วมีความเหมาะสมกับระบบควบคุมในอุตสาหกรรมที่มีระบบการทำงานที่ซับซ้อน ต้องการความเสถียรและความแม่นยำสูง ด้วยรูปแบบการกำหนดเครือข่ายที่ทำได้ง่าย การเชื่อมต่อเครือข่ายในลักษณะต่างๆ นี้จะตัวเพิ่มประสิทธิภาพของระบบควบคุมในอุตสาหกรรมอย่างมาก

CC-Link IE Field Basic

CC-Link IE Field Basic เป็นระบบการสื่อสารที่พัฒนามาจาก CC-Link โดยนำระบบอีเธอร์เน็ตอุตสาหกรรม (Industrail Ethernet) เข้ามาเป็นมาตรฐานการเชื่อมต่ออีกรูปแบบหนึ่ง ซึ่งช่วยในการเพิ่มประสิทธิภาพของการรับส่งข้อมูลจำนวนมากด้วยความเร็วที่สูงขึ้น การทำงานที่ไม่ซับซ้อนนี้ ทำให้การแก้ไขตรวจสอบทำงานได้ง่าย ช่วยลดภาระค่าใช้จ่ายในการเดินสายควบคุม และยังสามารถติดต่อสื่อสารกับอุปกรณ์อื่นๆ ที่ใช้ระบบอีเธอร์เน็ตอุตสาหกรรมได้อย่างง่ายดายโดยผ่าน CC-Link IE

ระบบควบคุมในโรงงานอุตสาหกรรมเป็นหัวใจสำคัญในการเพิ่มประสิทธิภาพในการวางระบบในโรงงาน เพื่อให้การผลิตมีคุณภาพ จึงจำเป็นต้องใช้ระบบอัตโนมัติเข้ามามีบทบาทสำคัญในการควบคุม ซึ่งปัจจุบันเทคโนโลยีที่ทันสมัยจะช่วยให้การวางระบบโรงงานทำงานได้ง่ายขึ้น ลดความยุ่งยากและความซับซ้อน สามารถแสดงผล และควบคุมได้อย่างเรียลไทม์จากสถานที่ได้ก็ได้ การระบบควบคุมในโรงงานอุตสาหกรรมที่ดีนั้นยังเป็นรากฐานที่สำคัญในการต่อยอดการรองรับระบบปัญญาประดิษฐ์ได้ดีอีกด้วย

บทความก่อนหน้า หน้าหลักบทความ บทความถัดไป