ระบบ Fieldbus สำหรับการทำงานของระบบอัตโนมัติในโรงงานอุตสาหกรรม

วงการอุตสาหกรรมการผลิตในปัจจุบันมีการนำเอาเทคโนโลยีดิจิทัลมาใช้งาน เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพการผลิตให้สูงขึ้น และได้รับผลกำไรมากขึ้น รวมถึง มีความปลอดภัยในการทำงานที่มากขึ้น โรงงานอุตสาหกรรมจึงมีการนำระบบอัตโนมัติมาใช้ โดยเฉพาะโรงงานที่มีสายการผลิตที่อาศัยการทำงานของเครื่องจักรหรืออุปกรณ์ที่มีประสิทธิภาพสูง ทั้งในด้านเสถียรภาพ และความเร็วของเครือข่าย ดังนั้น ระบบเครือข่าย Fieldbus จึงได้ถือกำเนิดขึ้น เพื่อทำหน้าที่รับ-ส่งข้อมูลในรูปแบบดิจิทัล ซึ่งเทคโนโลยี Fieldbus คือ เทคโนโลยีที่เข้ามาปฏิวัติวงการอุตสาหกรรมให้เปลี่ยนรูปแบบของระบบวัดแบบแอนาล็อกหรือผสม ให้เข้าสู่ระบบการทำงานด้วยระบบดิจิทัลอย่างแท้จริง

โดย Fieldbus คือ สิ่งที่ช่วยให้ผู้ประกอบการลดต้นทุนในการผลิต ลดการบำรุงรักษา และแรงงานได้อย่างมีประสิทธิภาพ ซึ่งระบบ Fieldbus มีกระบวนการทำงานอย่างไร และมีประโยชน์อย่างไรในอุตสาหกรรมการผลิต มาติดตามกัน

Fieldbus คืออะไร ทำไมถึงสำคัญต่อ Factory Automation

โดยทั่วไป Fieldbus คือ ระบบบัสสำหรับรับ-ส่งข้อมูลแบบดิจิทัล ระหว่างอุปกรณ์วัดด้วยกันเอง และระหว่างอุปกรณ์วัดกับระบบควบคุม รวมถึง Fieldbus ยังเป็นเครือข่ายสื่อสารแบบหนึ่งที่มีการเชื่อมต่อกับอุปกรณ์ต่างๆ ผ่านสายสัญญาณเป็นจุดเดียวกัน เพื่อส่งข้อมูลต่อไปยังอุปกรณ์ที่มีระดับสูงกว่า เช่น DCS, PLC, SCADA ซึ่งเป็นระบบที่ใช้ตรวจสอบการทำงานของระบบแบบ Real-Time ซึ่งจะช่วยให้ระบบ SCADA รวมถึงอุปกรณ์ที่มีระดับสูงกว่าสามารถทำงานได้อย่างมีประสิทธิภาพ

โครงสร้างเครือข่ายของ Fieldbus มีด้วยกันหลากหลายรูปแบบ อาทิ เครือข่ายรูปวงแหวน เครือข่ายรูปดาว เครือข่ายรูปต้นไม้ โดย ณ จุดเริ่มต้น Fieldbus มีปัญหาในเรื่องของมาตรฐานในการเชื่อมต่อ จนกระทั่งมีการออกมาตรฐานใหม่ และแบ่ง Fieldbus ออกเป็น 8 รูปแบบด้วยกัน โดยมีรูปแบบการสื่อสารอยู่ 79 เทคโนโลยี รวมถึงมีการเปลี่ยนการเรียก Type 1-8 เป็น Communication Profile Families (CPF) 1-15

นอกจาก Fieldbus คือ ระบบบัสสำหรับรับ-ส่งข้อมูลแบบดิจิทัลที่มีประโยชน์อย่างมากในโรงงานอุตสาหกรรมในภาคการผลิตแล้ว Fieldbus ยังสามารถรองรับอุปกรณ์หลายตัวในคู่สายเดียวกัน สามารถสื่อสารได้ 2 ทิศทาง และยังสามารถสื่อสารพร้อมกันได้หลายๆ ค่า รวมถึงมีความแม่นยำสูงมาก จึงเป็นเทคโนโลยีที่เข้ามาปฏิวัติอุตสาหกรรมการผลิตที่ช่วยให้นักลงทุนสามารถลดต้นทุนการผลิต สร้างกำไรได้ในระยะยาว ลดขั้นตอนการบำรุงรักษา รวมถึงช่วยเพิ่มประสิทธิภาพในการผลิตที่สูงขึ้น และนำมาปฏิบัติใช้ร่วมกันกับพนักงานในโรงงานได้อย่างมีประสิทธิภาพ อีกทั้งยังลดโอกาสในความผิดพลาดในกระบวนการผลิตได้อีกด้วย

เทคโนโลยี Foundation Fieldbus ระบบพัฒนาเพื่อประสิทธิภาพในการรับส่งข้อมูลที่ดีกว่าเดิม

เทคโนโลยี Foundation Fieldbus คือ เทคโนโลยีตัวล่าสุดของเครือข่าย Fieldbus ที่ถูกพัฒนาและนำเข้ามาแทนที่การสื่อสารรูปแบบเก่า หรือรูปแบบแอนาล็อกที่ต้องใช้สายไฟเชื่อมต่อ เช่น สาย Multicore ซึ่งมักเกิดปัญหาเรื่องสัญญาณรบกวนหรือผิดพลาดอยู่บ่อยครั้ง โดย Foundation Fieldbus คือ การสื่อสารแบบอนุกรม ด้วยสัญญาณดิจิทัลแบบ 2 ทิศทางระหว่างอุปกรณ์การวัด ที่ถูกพัฒนาบนพื้นฐานของมาตรฐาน IEC โดยมีจุดประสงค์เพื่อสร้างมาตรฐาน Fieldbus เพื่อให้สามารถใช้งานได้กับทุกๆ ยี่ห้อ

จึงเปรียบ Foundation Fieldbus เป็นระบบเครือข่ายท้องถิ่น (Local Area Network) ที่สามารถกระจายการควบคุมต่างๆ ไปอยู่ในอุปกรณ์การวัดภายในเครือข่ายได้ โดยใช้สายสัญญาณเพียงเส้นเดียวจากตัวที่คอยควบคุมไปยังอุปกรณ์การวัดตัวแรก และตัวต่อไปได้ ผ่านการสื่อสารที่เรียกว่า โปรโตคอล (Protocol) เป็นโมเดลการสื่อสารระหว่างอุปกรณ์ต่างๆ ในระบบ ซึ่งมีโครงสร้างทำงานร่วมกันของ 3 ส่วนประกอบหลัก ดังนี้

Physical Interface เป็นส่วนที่กำหนดให้อยู่ใน Layar ที่ 1 จะทำหน้าที่รับข้อมูลที่ถูกเข้ารหัสไว้จาก Layer ที่สูงกว่า แล้วเปลี่ยนข้อมูลดังกล่าวให้กลายเป็นสัญญาณทางกายภาพ เพื่อนำเข้าตัวกลางและส่งต่อไป
Communication Stack เป็นส่วนประกอบที่สำคัญของ Foundation Fieldbus ทำหน้าที่เปลี่ยนคำสั่งและข้อมูลจาก User Layers เพื่อส่งไปยัง Physical Layer
User Layer เป็นส่วนที่ใช้ติดต่อกันภายในระบบ คำสั่งจากส่วนนี้จะส่งไปยัง Communication Stack เพื่อเข้ารหัสต่อไป

อีกทั้ง Foundation Fieldbus ยังเป็นระบบที่มีจุดประสงค์ เพื่อเชื่อมต่อกับอุปกรณ์ต่างๆ แบบ Real Time เพื่อใช้ควบคุมทั้งระบบ ทั้งจากระหว่างอุปกรณ์และอุปกรณ์ด้วยกัน หรือจากคอนโทรลเลอร์ไปยังเครื่องจักรหรืออุปกรณ์ ซึ่งมีประโยชน์อย่างมากในเรื่องของหน้าที่การใช้งานที่เพิ่มมากขึ้นในอุตสาหกรรมการผลิต ดังนี้

สามารถควบคุมได้จนถึงอุปกรณ์ในระดับ Field จึงช่วยให้ผู้ใช้สามารถเลือกใช้อุปกรณ์ได้อย่างอิสระ และสามารถเข้าถึงกระบวนการในภาวะวิกฤติได้
ช่วยลดจำนวนของสายสัญญาณที่ต่อมายัง Host โดยใช้การเดินสายสัญญาณเพียงเส้นเดียวจาก Host มาสู่ Field แล้วค่อยกระจายผ่านแต่ละ Segment จึงเป็นการลดจำนวนสายสัญญาณลงไปได้มาก
ลดจำนวนของ Barrier ที่จะต้องต่อคู่ไปกับอุปกรณ์ ซึ่ง 1 Fieldbus Interface Module สามารถเชื่อมตัวเครื่องมือวัดและคอนโทรลเลอร์ได้หลายตัว จึงช่วยลดจำนวนของตัว Intrinsic Safety Barriers ได้
เหมาะสมกับการควบคุมอย่างต่อเนื่องแบบวงจรปิดและแบบดีสครีต อีกทั้งยังตอบสนองกับการใช้งานประเภทความเร็วสูง
Foundation Fieldbus สามารถรับ-ส่งข้อมูลได้หลายๆ ตัวแปร
สามารถปรับแต่งได้ละเอียดและมีประสิทธิภาพที่มากขึ้น ลดโอกาสการหยุดชะงักของกระบวนการผลิต จึงทำให้ผลผลิตมากขึ้น และสร้างผลกำไรที่มากขึ้นตามมา
การวิเคราะห์ข้อมูลถูกต้องและน่าเชื่อถือ ความคลาดเคลื่อนในด้านกระบวนการลดลง
ความปลอดภัยในโรงงานเพิ่มสูงขึ้น เพราะมีระบบแจ้งเตือนก่อนการตัดสินใจในสภาวะที่เลวร้าย
การติดตั้งประหยัดและง่ายขึ้น โดยสามารถใช้สายไฟที่มีอยู่เดิม ทำให้งบประมาณในการใช้จ่ายลดลง แต่มีประสิทธิภาพมากขึ้น

แนะนำ Industrial Fieldbus ที่ได้รับความนิยมจากเหล่าผู้ใช้งาน

Industrial Fieldbus หรือ Fieldbus Protocol คือ ข้อกำหนดหรือข้อตกลงในการสื่อสารระหว่างอุปกรณ์ เกี่ยวกับวิธีการรับ-ส่งข้อมูล หรือที่เราเรียกกันสั้นๆ ว่า โปรโตคอล (Protocol) ซึ่งช่วยให้อุปกรณ์ที่มีความแตกต่างกันสามารถสื่อสารกันได้ ซึ่งมีมากมายหลายแบบ อาทิ Profibus, Modbus, ControlNet และ Ethernet โดยในปัจจุบัน Fieldbus Protocol คือ สิ่งสำคัญอย่างมากเปรียบเหมือนภาษาที่ใช้เชื่อมต่อการสื่อสารและการออกคำสั่งไปยังเครื่องจักรหรืออุปกรณ์ต่างๆ โดยตัวอย่าง Fieldbus Protocol ที่ได้รับความนิยม ซึ่งมีลักษณะการทำงานและจุดเด่น ดังนี้

ControlNet: เป็นโปรโตคอลถูกพัฒนาโดยบริษัท Allen-Bradley ในปี 1995 เพื่อใช้ในงานควบคุมระดับ Control โดยใช้เพื่อการสื่อสารระหว่าง PLC หรืออุปกรณ์ที่ต้องการความเร็วในการรับส่งข้อมูลสูง สำหรับ ControlNet มีความเร็วในการส่งข้อมูลอยู่ที่ 5 Mbit/s โดยแบ่งเวลาในการอัปเดตข้อมูลเป็นช่วงๆ ที่เรียกว่า NUT (Network Update Time) ซึ่งแบ่งออกเป็น 3 ส่วน ได้แก่ Schedule, Unschedule และ Guard Band

Modbus: เป็น Open Protocol ที่บุคคลทั่วไปสามารถพัฒนาการสื่อสารแบบ Modbus ได้โดยไม่เสียค่าใช้จ่าย ซึ่งเป็นรูปแบบการส่งข้อมูลง่ายๆ ระหว่างอุปกรณ์ที่ต้องการข้อมูล (Modbus Master: Client) และอุปกรณ์ที่ให้ข้อมูลที่ต้องการ (Modbus Slave: Server) โดย Modbus Master 1 ตัว สามารถมี Slave ได้ถึง 247 ตัว ซึ่ง Master สามารถส่งข้อความถึง Slave ในลักษณะการ Broadcast ในรูปแบบของ Slave Address, Function Code (คำสั่ง), Data และ Checksum ส่วนข้อมูลที่ Slave สามารถส่งกลับมาได้จะมีคำสั่งให้กระทำ หรือข้อมูลต่างๆ และ Checksum

ProfiBus: โปรโตคอลอีกรูปแบบหนึ่งสำหรับการติดต่อแบบอนุกรมกับอุปกรณ์ต่างๆ โดยใช้บัสเพียงเส้นเดียวในการเชื่อมต่อ โดยจุดเด่นของ ProfiBus คือ สามารถลดจำนวนสายลงได้ และเพิ่มความรวดเร็วในการติดต่อสื่อสาร อีกทั้งยังได้ค่าที่แม่นยำและเที่ยงตรงเป็นอย่างมาก นอกจากนี้ ProfiBus ยังเป็น Open Protocol อุปกรณ์ต่างๆ จึงสามารถติดต่อกันได้อย่างสมบูรณ์ภายใต้โปรโตคอลตัวนี้

Ethernet: อีกหนึ่งโปรโตคอล ที่ใช้สื่อสารระหว่างเครือข่าย โดยจะใช้ วิธีการ CSMA/CD เพื่อส่งข้อมูลไปยังเครื่องจักรต่างๆ ซึ่งในแต่ละอุปกรณ์จะได้ข้อมูลที่ต่างกัน เพื่อให้ทำงานได้สอดคล้องและประสานกันจึงสามารถทำงานได้อย่างคล่องตัว และลดข้อผิดพลาดลงไปได้

รูปแบบการเชื่อมต่อที่มีผลต่อการรับส่งสัญญาณของ Fieldbus

โดยทั่วไป Fieldbus จะมีรูปแบบการใช้งานที่แตกต่างกันออกไป แต่ Fieldbus ที่นำมาใช้ในโรงงานส่วนใหญ่จะนิยมในรูปแบบ Network Topology ซึ่งเป็นรูปแบบการเชื่อมต่อเครือข่าย เพื่อใช้สำหรับรับ-ส่งข้อมูลระหว่างอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ 2 ตัวขึ้นไป ซึ่งสามารถเชื่อมต่ออุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์และเครื่องจักรได้หลายรูปแบบตามความเหมาะสมของการใช้งาน โดย Network Topology ที่นิยมนำมาใช้ในอุตสาหกรรมการผลิตมีด้วยกัน 4 รูปแบบ ดังนี้

Star Topology เป็น Network Topology ที่มี ฮับ (Hub) เป็นศูนย์กลาง ที่เชื่อมเครื่องจักรแต่ละเครื่องเอาไว้ เพื่อรับ-ส่งข้อมูลไปยัง Hub ซึ่งเครื่องจักรแต่ละเครื่องไม่สามารถสื่อสารถึงกันได้โดยตรงต้องผ่าน Hub เท่านั้น เหมาะกับงานในสเกลใหญ่ เพราะหากบางจุดเกิดปัญหาจะไม่เสียหายทั้งระบบ
Line Topology เป็นลักษณะการเชื่อมต่อที่เชื่อมต่อเครื่องจักรทั้งหมดเข้าด้วยกันแบบเส้นตรง โดยสามารถเรียกอีกชื่อว่า Bus Topology เพราะเครื่องจักรทุกเครื่องต้องเชื่อมต่อกับสายสื่อสารหลักแบ็กโบน (Backbone) เพียงเส้นเดียว โดยอาศัยตัว Connector ที่เชื่อมต่อคอมพิวเตอร์กับอุปกรณ์ และสายเคเบิล เพื่อรับ-ส่งข้อมูล เหมาะกับรูปแบบการทำงานที่มีความต่อเนื่องกัน เพราะมีรูปแบบไม่ซับซ้อน
Ring Topology อีกหนึ่ง Network Topology ที่เชื่อมต่อกันแบบจุดต่อจุด เน้นส่งข้อมูลไปยังเครื่องที่อยู่ถัดไปจากด้านซ้ายไปด้านขวา จึงเป็นการส่งทิศทางเดียว สัญญาณเลยถูกส่งต่อเป็นวงกลม เหมาะกับอุตสาหกรรมการผลิตที่มีความต่อเนื่อง
Tree Topology เป็นตัว Network Topology ที่ต่อยอดมาจาก Star Topology จึงมีฮับมาให้ 2 รูปแบบ ได้แก่ Active Hub และ Passive Hub โดยจะมีสายส่งสัญญาณหลัก และมีสายแยกไปรอบๆ เหมือนกิ่งต้นไม้ โดยส่งจากโหนดแม่ไปโหนดลูกตามลำดับ เหมาะกับองค์กรที่มีธุรกิจขนาดกลางที่ต้องมีการขยับขยายอุปกรณ์ต่างๆ อยู่บ่อยครั้ง

CC-Link IE เครือข่ายเพื่อเสริมระบบการทำงานอย่างมีประสิทธิภาพ

เพื่อให้การสื่อสารผ่านเครือข่าย Fieldbus สามารถทำงานได้อย่างมีประสิทธิภาพ ต้องใช้เครือข่ายที่มีประสิทธิภาพ อย่างผลิตภัณฑ์ CC-Link IE ซึ่งเป็นเทคโนโลยีที่นิยมใช้ในปัจจุบันบนเครือข่าย Fieldbus เพราะ เป็นเครือข่ายที่มีเสถียรภาพสูงโดยมีข้อดี ดังนี้

ความเร็วสูงพิเศษ สามารถส่งระดับกิกะบิตและโปรโตคอลแบบเรียลไทม์
สื่อสาร I/O ได้ในระยะไกล ปราศจากการหน่วงเวลาส่งข้อมูล
มีความยืดหยุ่นในการเชื่อมต่อเครือข่าย ทั้งในรูปแบบ Star Topology, Line Topology และ Ring Topology
เข้าถึง Field Devices ได้โดยตรงทั่วทั้งลำดับชั้นของเครือข่าย
ลดปริมาณสายอุปกรณ์ ช่วยให้ประหยัดต้นทุนและลดค่าใช้จ่ายที่ไม่จำเป็นออก
ใช้งานสะดวกสบายและป้องกันการเกิดข้อผิดพลาดของระบบ และเครื่องจักรหรืออุปกรณ์ในโรงงานอุตสาหกรรม

ในปัจจุบันเทคโนโลยีต่างๆ ที่นำมาใช้ในอุตสาหกรรมการผลิตมีความก้าวหน้าเป็นอย่างมาก การสื่อสารจึงเป็นหนึ่งในจุดเชื่อมสำคัญที่ทำให้การทำงานในแต่ละกระบวนการเป็นไปได้อย่างมีประสิทธิภาพ โดย Fieldbus คือ อีกเครื่องมือหนึ่งที่ช่วยให้การทำงานในอุตสาหกรรมหรือในโรงงานผลิตมีประสิทธิภาพมากยิ่งขึ้น ด้วยเทคโนโลยีที่ทันสมัยของ Fieldbus ช่วยการรับ-ส่งข้อมูลแบบดิจิทัล ระหว่างอุปกรณ์วัดด้วยกันเองมีศักยภาพ อีกทั้งยังช่วยขจัดข้อผิดพลาดที่อาจเกิดขึ้น รวมถึงสามารถลดต้นทุนในการผลิต และเสริมประสิทธิภาพของพนักงานให้ทำงานได้อย่างคล่องตัวและมีความปลอดภัยเพิ่มมากขึ้น จึงปฏิเสธไม่ได้ว่าในปัจจุบันการนำเทคโนโลยีมาใช้ช่วยในการลดต้นทุน และเสริมกำลังการผลิตเพื่อผลกำไรที่มากขึ้น รวมไปถึงนำไปสู่ความยั่งยืนขององค์กร

บทความก่อนหน้า หน้าหลักบทความ บทความถัดไป