ระบบการสื่อสารในระบบการวัดและการควบคุม (Data Communication)

0
ระบบการสื่อสารในระบบการวัดและการควบคุม (Data Communication)
ระบบการสื่อสารในระบบการวัดและการควบคุม (Data Communication)

วันนี้แอดเจอนักศึกษาฝึกงานมาสอบถามเรื่อง “ระบบการสื่อสาร” ของการวัดและควบคุมว่าจากอดีตมีการพัฒนามาอย่างไร มีรูปแบบอะไรบ้าง และที่สำคัญมีข้อดีและข้อเสียแตกต่างกันตรงไหน ซึ่งทางแอดเองเห็นว่า เรื่องนี้เป็นเรื่องที่น่ารู้ จึงขอมาเล่าให้ฟังครับ

ก่อนเข้าเนื้อหาระบบการสื่อสารแอด ขอเกริ่นนำก่อนว่าระบบการสื่อสารในการควบคุมจริงๆแล้วมีสัญญาณมาตรฐานที่ตกลงร่วมกันอยู่ครับ ซึ่งมีทั้งอาศัยสื่อกลางที่เป็น ลม (Pneumatics) สัญญาณสื่อสารที่อาศัยสื่อกลางเป็นไฟฟ้า (Electrical) และสัญญาณที่อาศัยสื่อกลางเป็นคลื่นวิทยุ และ อินเตอร์เน็ต (Radio , Internet)

แอดครับ 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

ภาพตัวอย่าง

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

ภาพที่ 2 : ตัวอย่างอุปกรณ์สัญญาณแรงดันไฟฟ้ามาตรฐาน (Voltage)

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

ภาพที่ 3 : ภาพตัวอย่างอุปกรณ์สัญญาณกระแสไฟฟ้ามาตรฐาน (current loop)

4. สัญญาณเชิงความถี่ (Digital age)

สำหรับสัญญาณเชิงความถี่ในระบบการสื่อสารมีหลายรูปแบบมากๆ ซึ่งแต่ชนิดก็มีรายละเอียดปลีกย่อยค่อนข้างเยอะ แต่สิ่งที่มีเหมือนๆกันคือปรับปรุงข้อจำกัดของระบบต่างๆ และเพิ่มความสามารถในการส่งข้อมูล หลักๆแอดจะแบ่งเป็นด้านล่างดังนี้

1. กลุ่ม HART protocol

กลุ่ม HART protocol จะช่วยในการ Config ค่าต่างๆของการวัดได้ง่าย นิยมใช้คู่กันกับ สัญญาณกระแสมาตรฐาน

ภาพตัวอย่าง HART Protocol
Credited by https://www.elprocus.com/hart-protocol/

2. กลุ่ม Profibus

กลุ่ม Profibus จะช่วยในการเชื่อมต่อเป็นแบบ multi-drop ซึ่งลดสายสัญญาณได้

ภาพตัวอย่าง สายProfibus
Credited by https://www.siemens.com

3. กลุ่ม Foundation Fieldbus

กลุ่ม Foundation Fieldbus จะช่วยในการลดสายสัญญาณเช่นเดียวกันและเพิ่มความสามารถใช้การดึงค่า parameter บางชนิดได้

เทคโนโลยี Foundation Fieldbus
เทคโนโลยี Foundation Fieldbus

4. กลุ่ม IIoT (Internet Of Things)

กลุ่ม IIoT ซึ่งสามารถเชื่อต่อ cloud computing ได้ง่ายและสามารถสร้าง code เชิงลึกได้

เทคโนโลยีการเชื่อมต่อ IoT กุญแจสำคัญสู่โรงงานอุตสาหกรรม 4.0
เทคโนโลยีการเชื่อมต่อ IoT กุญแจสำคัญสู่โรงงานอุตสาหกรรม 4.0


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

ทิ้งคำตอบไว้

กรุณาใส่ความคิดเห็นของคุณ!
กรุณาใส่ชื่อของคุณที่นี่