DCS ระบบควบคุมแสนอัจฉริยะที่ควรมีในโรงงานอุตสาหกรรม

อุตสาหกรรมต่างๆ โดยเฉพาะโรงงานขนาดใหญ่มีการเอาเครื่องจักรมาเสริมประสิทธิภาพในการผลิต เพื่อให้ได้ผลผลิตที่มากพอ และเพียงพอต่อทุกความต้องการของคน และแน่นอนว่าไม่ใช่เครื่องจักรเท่านั้นที่เป็นพระเอกในโรงงานอุตสาหกรรมใหญ่ๆ เพราะยังมีเครื่องควบคุมที่มีคุณภาพที่คอยตรวจสอบประสิทธิภาพการทำงานให้เป็นไปได้อย่างต่อเนื่อง และไร้ข้อผิดพลาด โดยใช้ระบบควบคุมในการอุตสาหกรรม (Industial Control System หรือ ICS) โดยเฉพาะระบบการควบคุม DCS

สำหรับระบบ DCS หรือชื่อเรียกเต็มๆ ว่า Distributed Control System คือ ระบบควบคุมแบบกระจายสำหรับดูแลเครื่องจักรโดยใช้อย่างแพร่หลายในอุตสาหกรรมใหญ่ๆ มีระบบประมวลผลหลายตัว เพื่อแยกแต่ละกระบวนการทำงาน เพราะพื้นฐานระบบ DCS มีชุดคำสั่งที่ค่อนข้างครอบคลุมต่อทุกการใช้งาน อีกทั้งยังมีความเสถียรและความแม่นยำค่อนข้างสูง จึงเป็นการแก้ไขปัญหาที่ยอดเยี่ยมสำหรับการใช้งานในอุตสาหกรรมขนาดใหญ่ อย่างอุตสาหกรรมปิโตรเคมี เป็นต้น

ทำความรู้จักกับ DCS พร้อมหลักการทำงานที่น่ารู้

Distributed Control System คือระบบการควบคุมแบบกระจายที่มีชื่อเรียกแบบสั้นๆ ว่า ระบบ DCS ซึ่งเป็นระบบควบคุมโรงงานที่ประกอบด้วยคอมพิวเตอร์หลาย ๆ ตัวต่อกันเป็นเครือข่าย แน่นอนว่าระบบนี้เป็นระบบที่ควบคุมกระบวนการทำงานด้วยคอมพิวเตอร์ มักนิยมใช้ในโรงงานที่มีวงจรการทำงานแบบซ้ำๆ อย่างแท่นขุดเจาะน้ำมันและก๊าซ โรงกลั่นน้ำมัน อุตสาหกรรมปิโตรเคมีทั้งหลาย โดยมีระบบการควบคุม (Control) และงานเฝ้าคุม (Monitor) ที่ใหญ่ที่สุด เมื่อเทียบกับระบบอื่นๆ โดยส่วนที่ควบคุมการทำงานแบบอัตโนมัติ (Controller) จะกระจายการทำงานไปให้ทั่วทั้งระบบซึ่งจะเชื่อมต่อกันด้วย High-Speed Communication Network โดยไม่มีการควบคุมการทำงานจากส่วนกลางเหมือนกับระบบ SCADA หรือระบบที่ใช้ตัวควบคุมแบบรวมศูนย์ (Centralized Control System) จึงช่วยลดความล้มเหลวของกระบวนการ ส่งผลให้เกิดความเสียหายเฉพาะเครื่องประมวลผลตัวที่ล้มเหลวเท่านั้น ต่างจากความล้มเหลวของคอมพิวเตอร์ส่วนกลางที่มักจะส่งผลต่อกระบวนการทั้งหมด

จุดเด่นของระบบ DCS คือ เป็นระบบที่มีความเสถียรและมีความแม่นยำค่อนข้างสูง และมีคุณสมบัติที่ยอดเยี่ยมสำหรับการนำมาใช้ในโรงงานอุตสาหกรรมขนาดใหญ่ ดังนี้

ชุดคำสั่งที่ครอบคลุมต่อทุกการใช้งาน
HMI ที่เป็นมิตรกับผู้ใช้งาน
อัลกอริธึมในการควบคุมการใช้กำลังไฟฟ้า
สร้างระบบที่มีความซ้ำซ้อน (Redundancy) ได้ง่าย
เครื่องมือการจัดการสัญญาณเตือน

ในปัจจุบันพื้นฐานระบบ DCS มีการนำมาติดตั้งในโรงงานอุตสาหกรรมมากมาย เพราะง่ายต่อการควบคุมกระบวนการผลิต รวมถึงสร้างความเชื่อมั่นในการผลิต และยังสามารถลดต้นทุนในการติดตั้ง สามารถปรับฟังก์ชันการควบคุมที่อยู่ไม่ไกลจากโรงงาน พร้อมทั้งสามารถตรวจสอบดูแลจากระยะไกลได้อย่างปลอดภัย น่าเชื่อถือ มีความแม่นยำสูง และยังสามารถลดอัตราพนักงานที่ดูแลระบบ และบำรุงรักษาได้ง่ายอีกด้วย

ส่วนประกอบของ DCS

หน้าที่สำคัญของระบบ DCS คือ ระบบที่ทำหน้าที่ควบคุมการทำงานแบบวนลูป โดยลูปหนึ่งสามารถดำเนินการควบคุมหลายได้ขั้นตอน ซึ่งพื้นฐานระบบ DCS มีส่วนประกอบ 3 อย่างด้วยกัน ได้แก่ Operator Station Control Module และ I/O Module โดยมีรายละเอียด ดังนี้

Operator Station

สำหรับ Operator Station ทำหน้าที่ตรวจสอบและดูกระบวนการทำงานในส่วนต่างๆ ของเครื่องจักรภายในโรงงาน โดยมีส่วนประสานที่รู้จักกันในชื่อว่า HIS (Human Interface Station) ทำหน้าที่แสดงผลและบังคับการโดยเชื่อมต่อระหว่างผู้ใช้งาน และกระบวนการผลิต โดยจะแสดงข้อมูลของกระบวนการการผลิต เพื่อนำข้อมูลที่ได้มาวิเคราะห์และประมวลผลข้อมูล โดย Operator Station ประกอบด้วยฟังก์ชันการทำงานที่หลากหลาย เช่น

การแสดงผลกราฟิก (Display of Graphics)
แผงวงจรการควบคุมการทำงานของกระบวนการต่างๆ (Control Loop Plate : Controller)
การแสดงผลแจ้งการเตือนภัย (Alarm Display)
การแสดงผลแนวโน้มการเปลี่ยนแปลงกระบวนการในรูปแบบกราฟ (Trend Display)
การตรวจสอบสถานะการทำงานในรูปแบบการคำนวณเชิงตรรกะ (Logic Computation Status Monitoring)

Control Module

ต่อมา Control Module เป็นส่วนควบคุมหลักของระบบ DCS คือ การทำหน้าที่เป็นศูนย์ควบคุม หรือส่วนของสมองที่ทำหน้าที่ควบคุมกระบวนการทั้งหมด โดยมีการคำนวณส่วนของอัลกอริธึม (Algorithms) และกระบวนการทำงานของนิพจน์ตรรกะที่จะให้ค่าตรรกะเท่านั้น (Logical Expressions) หน้าที่ของ Control Module คือ การรับข้อมูลของกระบวนการผลิต เพื่อคำนวณค่าของสัญญาณควบคุม และส่งกลับไปเพื่อควบคุมกระบวนการผลิตอีกทีนึง โดยทั่วไป Control Module ที่ถูกบันทึกไว้ในรูปแบบของกล่องดำที่เก็บไว้ในห้องควบคุม โดยมักจะมีโหมด Backup ข้อมูลเอาไว้เพื่อสร้างความเชื่อมั่นให้แก่การทำงานของระบบ

I/O Module

ส่วนประกอบสุดท้ายของระบบ DCS คือ I/O Module หรือส่วนที่ควบคุมการทำงานของอุปกรณ์ต่างๆ โดยมีตรรกะที่ใช้ในการควบคุมอุปกรณ์ค่อนข้างหลากหลาย ตามรูปแบบและชนิดของอุปกรณ์ ซึ่งหน้าที่หลักของ I/O Module คือ การควบคุมการเคลื่อนย้ายของข้อมูล (Transfer Data) ระหว่างอุปกรณ์ภายนอก (External Device) และ CPU รวมถึงการควบคุมจัดการอัตรา และจังหวะการย้ายข้อมูล การส่งคำสั่งเพื่อตรวจสอบสถานะของการเคลื่อนย้ายข้อมูล และเป็นที่พักเพื่อรอการเปลี่ยนรูปแบบของข้อมูลให้เหมาะสมกับแต่ละอุปกรณ์ ประกอบด้วย

อุปกรณ์ Input และ Output
ตัวควบคุมการส่งข้อมูล (Control Unit)
โปรแกรมที่ Run อยู่บน CPU เพื่อทำงานเกี่ยวกับการ Input และ Output

ระดับการทำงานของระบบ DCS

คุณลักษณะหลักๆ ของระบบ Distributed Control System คือ ความน่าเชื่อถือในการกระจายการการทำงานของระบบประมวลผล เพราะเมื่อโปรเซสเซอร์เดี่ยวเกิดล้มเหลว จะส่งผลให้เกิดความเสียหายเฉพาะเครื่องประมวลผลตัวที่ล้มเหลวเท่านั้น ต่างจากความล้มเหลวของระบบควบคุมแบบคอมพิวเตอร์ส่วนกลางที่มักส่งผลต่อกระบวนการทั้งหมด ระบบนี้จึงช่วยเพิ่มความรวดเร็วในการควบคุมการทำงานได้มากขึ้น โดยสามารถแบ่งระดับการผลิตที่ใช้การควบคุมด้วยคอมพิวเตอร์ได้ 5 ระดับ ดังนี้

Level 0 ประกอบด้วย อุปกรณ์ภาคสนาม เช่น เซ็นเซอร์ตรวจจับอุณหภูมิเซ็นเซอร์การไหล รวมถึงองค์ประกอบการควบคุมขั้นสุดท้าย อย่างวาล์วควบคุม
Level 1 ประกอบด้วย เทคโนโลยีโมดูลขั้นสูง โดยมีโมดูล Input-Output ทางอุตสาหกรรมและเครื่องประมวลผลอิเล็กทรอนิกส์แบบกระจาย ใน Level นี้จะอยู่ในระดับการควบคุมที่มีการดึงเอาข้อมูลที่มาจากการสื่อสาร โดยนำ Fieldbus มาใช้เพื่อควบคุมลูปแต่ละตัว โดยสามารถควบคุมได้มากกว่าหนึ่งตัวในเวลาเดียวกัน
Level 2 ประกอบด้วย คอมพิวเตอร์สำหรับควบคุม เป็นหน่วยงานที่กำกับดูแลข้อมูลทั้งหมดเกี่ยวกับลูปที่ควบคุม โดยแสดงผลในรูปแบบ VDU ซึ่งมี Work Station จำนวนมากที่กระจายอยู่รอบโรงงาน โดยผู้ปฏิบัติการสามารถปรับหรือตั้งค่าได้ด้วยตนเอง
Level 3 ระดับควบคุมการผลิต ที่ทำหน้าที่ตรวจสอบการผลิต และตรวจสอบเป้าหมายที่ได้รับ
Level 4 ระดับการจัดตารางการผลิต หรือระดับการจัดการแบบกลุ่ม โดยสามารถแสดงข้อมูลล่าสุดเกี่ยวกับกระบวนการการผลิต เพื่อวางแผนให้ตรงกับเป้าหมายที่ตั้งไว้

สิ่งที่หลายคนเข้าใจผิดเกี่ยวกับระบบ DCS กับ PLC

อย่างที่กล่าวไปในข้างต้นว่า DCS หรือ Distributed Control System คือ ระบบที่ควบคุมแบบกระจายถือเป็นระบบควบคุมที่มีหลักการทำงานบางอย่างใกล้เคียงกับระบบอื่นๆ อย่างระบบ PLC แต่มีประสิทธิภาพเหนือกว่า และใหญ่กว่า เพราะทำได้ทั้งการควบคุมแบบ Advance Control, Analog Control, Batch และ Sequencial รวมถึงมีส่วนติดต่อกับผู้ใช้งาน และส่วนเก็บบันทึกประวัติการใช้งาน จึงมีประสิทธิภาพการทำงานที่สูงกว่า

ในขณะที่ PLC เป็นเพียงชนิดของตัวควบคุมโปรแกรมที่ได้รับการออกแบบมา เพื่อควบคุมกระบวนการผลิตเพียงขั้นตอนเดียว หรือไม่กี่ขั้นตอน โดยช่วงแรกๆ ทำได้เพียงการควบคุมแบบ Sequencial เพราะมีเพียง Digital Input และ Digital Output จนมาถึงปัจจุบัน PLC เพิ่ม Analog Input, Analog Output และฟังก์ชัน PID จึงสามารถประมวลผลได้สูงขึ้น

นอกจากนี้ DCS เป็นระบบควบคุมที่ทำหน้าที่ควบคุมการทำงานของเครื่อง Controllers หลายๆ ตัวได้พร้อมๆ กัน ซึ่งหนึ่งในเครื่องเหล่านั้นอาจเป็น PLC ได้เช่นกัน เพราะโดยทั่วไป PLC จะเป็นระบบที่ใช้ควบคุมการทำงานของเครื่องจักร ในขณะที่ DCS คือ ระบบที่ใช้ควบคุมกระบวนการทำงานของทั้งอุตสาหกรรม อย่างไรก็ตามจุดเด่นของ PLC คือ ได้รับการออกแบบมาให้สามารถทำงานด้วยความเร็วสูง ต่างจาก DCS ที่ควบคุมการทำงานของอุตสาหกรรมทั้งระบบจึงทำงานได้ค่อนข้างช้ากว่า แต่มีปฏิสัมพันธ์กับผู้ใช้งานมากกว่า ในขณะที่ PLC ไม่เป็นเช่นนั้น

หากเปรียบเทียบกับระบบ SCADA หรือ (Supervisory Control and Data Acquisition) ระบบ DCS จะมีขนาดเล็กกว่า และซับซ้อนน้อยกว่าระบบ SCADA ซึ่งเป็นระบบที่เหมาะกับการควบคุม และตรวจสอบกระบวนการทำงานขนาดใหญ่ เพราะถูกออกแบบมาให้มีการใช้งานที่บูรณาการ และประสานงานในระดับสูง นอกจากนี้ ยังสามารถตรวจสอบและควบคุมระยะไกลได้ ในขณะที่ระบบ DCS มีขนาดกระทัดรัด เหมาะกับการใช้ในพื้นที่ใกล้ๆ โรงงาน มีความสะดวก รวดเร็ว และแม่นยำในการประมวนผล

รวมข้อดีและข้อจำกัดที่ควรรู้เกี่ยวกับ DCS

พื้นฐานระบบ DCS หรือ Distributed Control System คือ ระบบควบคุมที่ใช้ดำเนินการผลิตในอุตสาหกรรมขนาดใหญ่ที่มีวงจรการควบคุมการทำงานหลายพันรายการในเวลาเดียวกัน ซึ่งในจุดนี้มนุษย์ธรรมดาไม่สามารถตรวจสอบระบบต่างๆ ทั้งหมดได้ด้วยตัวเอง จึงเป็นสาเหตุว่าทำไมระบบ DCS ถึงมีความสำคัญ อีกทั้งยังมีข้อดีหลายประการ ดังนี้

หน่วยพื้นฐานของโครงสร้างข้อมูล (Nodes) ทั้งหมดใน DCS สามารถเชื่อมต่อถึงกันและกันได้ และยังแชร์ข้อมูลถึงกันได้อย่างง่ายดาย
สามารถหน่วยพื้นฐานของโครงสร้างข้อมูล (Nodes) เข้าไปยังระบบ DCS ได้อย่างง่ายดาย และสามารถปรับขนาดได้ตามที่ต้องการ
ความล้มเหลวของโหนด (Nodes) เดียวไม่สามารถทำลายกระบวนการของโหนด (Nodes) ในระบบได้

ข้อจำกัดของ DCS คือ การจัดการเรื่องความปลอดภัยของระบบที่ค่อนข้างยาก และไม่เพียงพอต่อระบบที่ทำงานในรูปแบบกระจาย อีกทั้งข้อมูลบางอย่างอาจสูญหายในขณะที่เปลี่ยนถ่ายข้อมูล รวมถึงฐานข้อมูลที่เชื่อมต่อกันมีความซับซ้อน และอาจทำงาน Overloading หากพยายามส่งข้อมูลถึงกันในครั้งเดียว แต่อย่างไรก็ตาม หากมีเครือข่ายที่เสถียรภาพจะช่วยป้องกันความผิดพลาดในการทำงานของระบบ DCS อย่าง CC-Link เครือข่ายที่ควบคุม I/O ได้อย่างรวดเร็ว และมีความน่าเชื่อถือ สามารถเชื่อมต่อกับอุปกรณ์ภาคสนามได้หลากหลายและมีประสิทธิภาพ

สรุป

ปัจจุบันการควบคุมอุปกรณ์ และเครื่องจักรด้วยระบบ DCS คือ สิ่งสำคัญที่ช่วยให้การทำงานเป็นไปได้ด้วยความราบรื่น โดยเฉพาะโรงงานอุตสาหกรรมที่ต้องอาศัยความแม่นยำ และความละเอียดอ่อนสูง จึงมีการนำไปติดตั้งใช้งานในอุตสาหกรรมที่ค่อนข้างหลากหลาย เพื่อให้ได้ผลิตภัณฑ์ที่มีคุณภาพ และป้องกันข้อผิดพลาดที่เกิดขึ้นในขั้นตอนต่างๆ รวมถึงสร้างความเชื่อมั่นในการผลิต ช่วยลดต้นทุนและประหยัดเวลาให้กับผู้ผลิตได้เป็นอย่างดี จึงปฏิเสธไม่ได้ว่าระบบ DCS คือ สิ่งจำเป็นที่หลายๆ อุตสาหกรรมควรให้ความสำคัญ และให้ความสนใจ เพื่อพัฒนาคุณภาพการผลิตให้ยั่งยืน

บทความก่อนหน้า หน้าหลักบทความ บทความถัดไป