ระบบการสื่อสารในระบบการวัดและการควบคุม (Data Communication)

วันนี้แอดเจอนักศึกษาฝึกงานมาสอบถามเรื่อง “ระบบการสื่อสาร” ของการวัดและควบคุมว่าจากอดีตมีการพัฒนามาอย่างไร มีรูปแบบอะไรบ้าง และที่สำคัญมีข้อดีและข้อเสียแตกต่างกันตรงไหน ซึ่งทางแอดเองเห็นว่า เรื่องนี้เป็นเรื่องที่น่ารู้ จึงขอมาเล่าให้ฟังครับ ก่อนเข้าเนื้อหาระบบการสื่อสารแอด ขอเกริ่นนำก่อนว่าระบบการสื่อสารในการควบคุมจริงๆแล้วมีสัญญาณมาตรฐานที่ตกลงร่วมกันอยู่ครับ ซึ่งมีทั้งอาศัยสื่อกลางที่เป็น ลม (Pneumatics) สัญญาณสื่อสารที่อาศัยสื่อกลางเป็นไฟฟ้า (Electrical) และสัญญาณที่อาศัยสื่อกลางเป็นคลื่นวิทยุ และ อินเตอร์เน็ต (Radio , Internet)

ทำไมต้องมีสัญญาณมาตรฐานในระบบการสื่อสารด้วยครับ ?

ก่อนที่จะเข้าคำตอบของคำถามเรื่องระบบการสื่อสาร แอดเองอยากให้ลองจินตนาการดูครับว่า ถ้าหากเราไม่กำหนดสัญญาณมาตรฐาน เวลาเราซื้ออุปกรณ์มาใหม่ หรือซื้อมาซ่อม มันจะวุ่นวายแค่ไหน บ่อยครั้งที่เราต่อ Sensor ,Transmitter เข้ากับ PLC ซึ่งทั้ง 2 ด้านนี้จะต้องรองรับสัญญาณเดียวกัน ถ้าหากเกิน Spec คงต้องเปลี่ยนกันวุ่นวาย ซึ่งการกำหนดสัญญาณมาตรฐานในระบบการสื่อสารจะช่วยได้มากเลยครับ

วิวัฒนาการของสัญญาณมาตรฐานในระบบการสื่อสาร

1. สัญญาณลมมาตรฐาน (Pneumatic)

สำหรับสัญญาณลมมาตรฐานในระบบการสื่อสารมีค่าอยู่ระหว่าง 3 ถึง 15 psi ซึ่งเป็นยุคแรกๆที่มีการใช้งานระบบอัตโนมัติในอุตสาหกรรม โดยที่ความดัน 3 psi จะอ้างอิงถึงค่าวัดที่ค่าต่ำสุดของย่านการใช้งาน และ 15 psi จะอ้างอิงถึงค่าที่สูงสุดของย่านการใช้งาน บางคนอาจสงสัยว่า เอ๊ะ ทำไมไม่เป็น 0 ถึง 15 psi แทนละ

คำตอบเรื่องนี้ก็ง่ายๆเลยครับคือ ที่ความดันเท่ากับ ศูนย์เราจะไม่ทราบได้ว่าท่อลมยังอยู่ในสภาพที่ดีหรือไม่ หรือต้นกำเนิดลมเสียหายไปแล้วหรือไม่

แล้วข้อดี / ข้อเสียของการใช้งานมีอะไรบ้าง ?

ข้อดี
1. บางครั้งอุปกรณ์ที่อยู่หน้างานถ้าเราจะเพิ่มอุปกรณ์ โดยที่เราไม่มีสายสัญญาณเลย แต่เรามีท่อลมเหลืออยู่ แบบนี้การใช้งานลักษณะสัญญาณลมอาจมีต้นทุนที่ต่ำกว่า
2. ทนต่อสภาพอากาศได้ดี ในที่ทำงานของแอดเองยังใช้จนถึงทุกวันนี้สำหรับอุปกรณ์ที่ไม่ค่อยสำคัญต่อกระบวนการผลิต

ข้อเสีย
1. อุปกรณ์เป็นอุปกรณ์ล้าสมัยแล้ว บางครั้งการหาอะไหล่อาจหายาก หรือเลิกผลิตไปแล้ว (Obsolete)
2. การเดินท่อลมในระยะทางไกลมากๆอาจมีผลต่อการวัดโดยเฉพาะถ้ามีรอยต่อเยอะๆก็มีโอกาสรั่วสูง
3. ระบบแจ้งเตือนอาจทำระบบบันทึก Event ได้ยากกว่าระบบไฟฟ้า

2. สัญญาณแรงดันไฟฟ้ามาตรฐาน (Voltage)

สำหรับสัญญาณแรงดันไฟฟ้าในระบบการสื่อสาร มาตรฐานมีค่าอยู่ระหว่าง 1 ถึง 5 V ซึ่งเป็นยุคที่ก้าวเข้าสู่ยุคของ Semiconductor หรือสารกึ่งตัวนำ โดยที่แรงดันไฟฟ้า 1 V จะอ้างอิงถึงค่าวัดที่ค่าต่ำสุดของย่านการใช้งาน และ 5 V จะอ้างอิงถึงค่าที่สูงสุดของย่านการใช้งาน ซึ่งในทำนองเดียวกัน ทำไมไม่เป็น 0 ถึง 5 V แทนละ

คำตอบเรื่องนี้ก็คล้ายๆกับสัญญาณลมมาตรฐานนั่นแหละ คือ ถ้าหากสายสัญญาณขาดเราอาจเข้าใจว่าอ่านได้ค่าต่ำทั้งๆที่สายสัญญาณขาดไปแล้ว เพราะฉะนั้นเพื่อให้เราสามารถบ่งบอกได้ว่า วงจรการวัด สายสัญญาณยังคงอยู่หรือไม่เราจะไม่เริ่มต้นที่ค่าศูนย์ครับ

แล้วข้อดี / ข้อเสียของการใช้งานมีอะไรบ้าง ?

ข้อดี
1. สามารถใช้งานเข้ากับวงจร micro-controller ได้เลย เพราะ input ของ micro-controller ส่วนใหย๋รับเป็นแรงดันไฟฟ้า (แอดหมายถึง micro-controller ในเชิง chip นะครับ)

ข้อเสีย
1. เมื่อใช้งานสายสัญญาณไประดับหนึ่ง หากค่าความต้านทานในสายเปลี่ยนแปลงจะส่งผลต่อค่าวัด ทั้งพวกเทป ตระกรันหน้าสัมผัสต่างๆ
2. ส่งได้ระยะไม่ไกลมากนักเนื่องจากสายสัญญาณมีความต้านทานของตัวนำอยู่ ยิ่งสายสัญญาณไกล ค่าความต้านทานในสายยิ่งเพิ่มขึ้น ซึ่งจะส่งผลต่อค่าวัด
เมื่อพิจารณาข้อเสียจึงเกิดรูปแบบในการสร้างสัญญาณมาตรฐานใหม่ดังหัวข้อที่สาม

3. สัญญาณกระแสไฟฟ้ามาตรฐาน (current loop)

สำหรับสัญญาณกระแสไฟฟ้ามาตรฐานมีค่าอยู่ระหว่าง 4 ถึง 20 mA ซึ่งเป็นสัญญาณมาตรฐานที่แอดบอกได้เลยว่าเสถียรที่สุด นิยมที่สุด และ ยังคงใช้งานจนถึงปัจจุบัน !!!
โดยที่จะมีความคาบเกี่ยวกันกับ ยุคของความถี่ร่วมด้วย ที่นิยมคือ HART protocol ซึ่งจะกล่าวในบทแยกเต็มๆ อีกหนึ่งบทเพื่อให้สอดคล้องกับยุคสมัยปัจจุบัน กลับมาที่สัญญาณกระแสมาตรฐาน ซึ่งหลายๆท่านจะพอเดาได้แล้วว่าทำไมเราจึงไม่ใช้ค่า 0 คือเหตุผลเดียวกันกับ แรงดันไฟฟ้ามาตรฐานเลยครับ คือกรณีสายสัญญาณขาด เราจะไม่ทราบ และการที่เป็น 4 ถึง 20 mA สามารถแปลงค่าเป็น 1 ถึง 5 V ได้ง่ายโดยอาศัยความต้านทาน 250 โอห์ม ตกคร่อมก็จะได้แรงดันดังกล่าว

แล้วข้อดี / ข้อเสียของการใช้งานมีอะไรบ้าง ?

ข้อดี
1. เมื่อเทียบกับสัญญาณแรงดันมาตรฐาน สัญญาณกระแสไฟฟ้ามาตรฐานสามารถส่งได้ไกลกว่ามากๆ โดนผลกระทบของค่าความต้านทานสายสัญญาณจะไม่ค่อยส่งผลต่อการวัดมากนัก
2. อุปกรณ์หาง่ายในท้องตลาด
3. ถ้าหากอุปกรณ์ support HART เราสามารถใช้ HART communication ในการ config ย่านการวัดใหม่ได้

ข้อเสีย
1. จำนวนสายสัญญาณเยอะกล่าวคือ 1 point คือสายสัญญาณอย่างน้อย 1 คู่
2. Drawing หรือแบบ ถ้าหากมีการแก้ไขหรือยกเลิกการใช้งาน แล้วไม่ได้ update อาจมีความยากในการอ้างอิง

4. สัญญาณเชิงความถี่ (Digital age)

สำหรับสัญญาณเชิงความถี่ในระบบการสื่อสารมีหลายรูปแบบมากๆ ซึ่งแต่ชนิดก็มีรายละเอียดปลีกย่อยค่อนข้างเยอะ แต่สิ่งที่มีเหมือนๆกันคือปรับปรุงข้อจำกัดของระบบต่างๆ และเพิ่มความสามารถในการส่งข้อมูล หลักๆแอดจะแบ่งเป็นด้านล่างดังนี้

1. กลุ่ม HART protocol

กลุ่ม HART protocol จะช่วยในการ Config ค่าต่างๆของการวัดได้ง่าย นิยมใช้คู่กันกับ สัญญาณกระแสมาตรฐาน

2. กลุ่ม Profibus

กลุ่ม Profibus จะช่วยในการเชื่อมต่อเป็นแบบ multi-drop ซึ่งลดสายสัญญาณได้

3. กลุ่ม Foundation Fieldbus

กลุ่ม Foundation Fieldbus จะช่วยในการลดสายสัญญาณเช่นเดียวกันและเพิ่มความสามารถใช้การดึงค่า parameter บางชนิดได้

4. กลุ่ม IIoT (Internet Of Things)

กลุ่ม IIoT ซึ่งสามารถเชื่อต่อ cloud computing ได้ง่ายและสามารถสร้าง code เชิงลึกได้

ในหัวข้อนี้ทางแอดเองขอแยกเป็นบทๆเลยดีกว่าครับ เพราะลักษณะสัญญาณอาจต่างกัน และข้อจำกัดเองถ้าเอาตามประสบการณ์ ก็มีข้อให้ถกกันอีกเยอะครับ

แล้วพบกับสาระดีๆแบบนี้ทางด้านงานช่าง งานวิศวกรรม และอุตสาหกรรมได้ที่ นายช่างมาแชร์ นะครับ

Website: www.naichangmashare.com
Facebook: https://www.facebook.com/naichangmashare/
Blockdit :  https://www.blockdit.com/naichangmashare
Instragram: https://www.instagram.com/naichangmashare/
Twitter: https://twitter.com/naichangmashare
Youtube: https://www.youtube.com/channel/UCmIPiSeg-uy4k8JYSmknp_g

#นายช่างมาแชร์ #Instrument #Control #ระบบการสื่อสาร #Datacommunication