เนื้อหาวันที่ : 2013-04-25 10:19:50 จำนวนผู้เข้าชมแล้ว : 12865 views

การเลือกใช้ Communication Network แบบต่าง ๆ ในระบบ Automation

ปัจจุบันการควบคุมทางด้าน Automation ไม่ได้จำกัดอยู่เพียงแค่ ภายในเครื่องจักรในสายการผลิต หรือ แม้กระทั่งในขอบเขตปริเวณโรงงาน การควบคุมผ่านระบบการสื่อสารแบบต่าง ๆ

การเลือกใช้ Communication Network แบบต่าง ๆ ในระบบ Automation

K&P F.A. CENTER CO., LTD.

     ปัจจุบันการควบคุมทางด้าน Automation ไม่ได้จำกัดอยู่เพียงแค่ ภายในเครื่องจักรในสายการผลิต หรือ แม้กระทั่งในขอบเขตปริเวณโรงงาน การควบคุมผ่านระบบการสื่อสารแบบต่าง ๆ ได้รับความนิยมและนำเข้ามาใช้มากขึ้นเพื่อประหยัดต้นทุนของการลากสายทองแดงปริมาณมากเพื่อควบคุมเครื่องจักร ลดเวลาในการติดตั้งระบบ รวมไปถึงการลดเวลาในการแก้ปัญหาเมื่อเครื่องจักรหยุดระหว่างกระบวนการผลิต และสามารถ Monitor Parameter จากเครื่องจักรได้ในระยะไกลซึ่งการลากสายทองแดงทำไม่ได้


     ปัจจุบันในระบบควบคุมง่าย ๆ ทั่วไป เช่น การควบคุมมอเตอร์สักตัวหนึ่งที่ตั้งอยู่ห่างจากตู้ควบคุมห้าร้อยเมตรด้วยตัวปรับความเร็วรอบมอเตอร์ (AC Drive) เบื้องต้นเราก็คงใช้สายไฟสักห้าเส้นเพื่อควบคุมการเดิน การหยุด และการเปลี่ยนทางหมุน รวมไปถึงสายสัญญาณอะนาลอกสักคู่ เพื่อควบคุมความเร็วรอบของมอเตอร์


     ปัญหามีอยู่ว่า…. ถ้าหากโจทย์เป็นมอเตอร์สักสามสิบตัว หนึ่งร้อยตัว หรือมากกว่านั้น....ต้นทุนการติดตั้งระบบจะไปตกอยู่ที่การรับน้ำหนักที่เพิ่มขึ้นของโครงสร้างการติดตั้งคาน, ถาดเดินสาย, ท่อ, สายไฟฟ้าและสายสัญญาณทันที ทั้งยังทำให้เวลาในการติดตั้งระบบยืดยาวออกไปและปัญหาระยะยาวที่ตามมาคือ การแก้ปัญหาเมื่อเครื่องจักรหยุดระหว่างผลิต สายไฟจำนวนมากทำให้การแก้ปัญหาทำได้ช้าและอาจเกิดความเสียหายต่อระบบในส่วนอื่น เนื่องจากการดึง, รั้ง, รื้อสายระหว่างการแก้ปัญหานั้น ๆ ซึ่งถ้าเปลี่ยนไปใช้เป็นการควบคุมทางด้าน Automation ด้วยระบบการสื่อสารแบบ Bus Control ปัญหาดังกล่าวก็จะไม่เกิดขึ้นเพราะจากการที่ต้องลากสายทองแดงเป็นร้อยเส้นในท่อร้อยสายก็จะเหลือเพียงสาย Communication เพียงเส้นเดียว


     แล้วระบบการสื่อสาร (Bus Control) แบบต่าง ๆ จะช่วยอะไรได้บ้าง เบื้องต้นเรามาทำความรู้จักกับระบบการสื่อสารที่นิยมใช้กันอยู่ทั่วไปสัก 3 แบบซึ่งเรารู้จักกันดี ได้แก่
     1. Modbus485 (Modbus RTU)
     2. CANopen
     3. Modbus TCP-IP


 ซึ่งในการใช้งานควรพิจารณาคุณสมบัติของระบบการสื่อสารแต่ละชนิดว่า มีข้อจำกัดอะไรบ้าง และเหมาะกับงานประเภทใด ซึ่งโดยทั่วไปจะพิจารณาจากหลายเงื่อนไขของการใช้งาน เช่น ระยะทางของการลากสาย Communication, จำนวนอุปกรณ์ที่ต้องการต่อใช้งานภายใต้ระบบสื่อสาร (Bus Control), ความเร็วของการสื่อสารซึ่งความเร็วนี้มีผลกับการตอบสนองของการควบคุมของระบบ และอีกสิ่งหนึ่งที่ควรพิจารณาคือราคาอุปกรณ์ที่ใช้กับระบบสื่อสาร เป็นต้น


     Modbus485 (Modbus RTU) การสื่อสารแบบอนุกรม (RS-485) ที่รู้จักกันดีใช้มาตั้งแต่ปี 1979 สามารถสื่อสารผ่านสายเคเบิลแบบอนุกรมทั่วไปได้ในระยะประมาณ 1,200 เมตร ด้วยความเร็วสูงสุด 38,400 บิตต่อวินาที (38.4 kbps) ในระบบพื้นฐานสามารถเชื่อมต่ออุปกรณ์ได้สูงสุด 247 จุด มีลักษณะการควบคุมการสื่อสารเป็นแบบ Master–Slave 

 

    
รูปที่ 1 Modbus RTU Network


     ในรูป 1 แสดงถึงตัวอย่างการใช้งานระบบสื่อสารแบบ Modbus RTU โดยในรูปประกอบด้วย TWIDO PLC ซึ่งมีพอร์ต Communication 2 พอร์ต โดยในรูปพอร์ตที่ 1 ใช้ต่อกับ Magelis Touch Screen โดยกำหนดให้ Magelis Touch Screen ทำงานเป็น Master และ Twido PLC ทำงานเป็น Slave No.1 ส่วนพอร์ตที่ 2 จะใช้ต่อกับอุปกรณ์เพื่อควบคุมเครื่องจักร โดยจัดตั้งค่าให้พอร์ตที่ 2 ของ PLC ทำงานเป็น Master และต่อไปที่อุปกรณ์ที่เป็น Slave ได้แก่ OTB Remote I/O, ATV71, ATV61, ATV21, ATV31 โดยการต่ออุปกรณ์ในลักษณะนี้จะเรียกว่า Multi Drop ซึ่งจากรูปนี้สามารถนำไปประยุกต์ใช้กับงานจริงได้หลายประเภท เช่น งานควบคุมปั้มน้ำ (Water Pump), งานควบคุมสายพานลำเรียง (Conveyor) เป็นต้น


     CANopen (CAN, Controller Area Network) ใช้มาตั้งแต่ปี 1995 สามารถสื่อสารผ่านสายเคเบิ้ลแบบพิเศษที่ป้องกันสัญญาณรบกวนได้ดีได้ที่ระยะสูงสุด 5,000 เมตรด้วยความเร็วสูงสุดที่ 1,000,000 บิตต่อวินาที (1 Mbps) ในระบบพื้นฐานสามารถเชื่อมต่ออุปกรณ์ได้สูงสุด 127 จุด มีลักษณะการควบคุมการสื่อสารเป็นแบบ Master–Slave

     ตารางแสดงคุณสมบัติของความเร็วในการสื่อสารของระบบ CANopen เทียบกับระยะทาง

 

รูปที่ 2 CANopen Network

 ในรูปที่ 2 แสดงถึงตัวอย่างของระบบสื่อสารแบบ CANopen ซึ่งประกอบด้วย TWIDO PLC ซึ่งทำหน้าที่เป็น Master ของ Network มี ATV 71, ATV61 Variable Speed Drive และ Lexium05 Servo Motor Drive เป็น Slave ของ Network โดยรูประบบสื่อสารแบบนี้สามารถประยุกต์ใช้งานจริงได้กับงานประเภทเครื่องจักร เช่น CNC Machine เป็นต้น


     Modnet , Modbus TCP/IP , Modbus on Ethernet คือการสื่อสารแบบ Modbus บนเครือข่าย Ethernet (LAN Network) ระยะในการใช้งานสำหรับการลากสายทองแดง (สาย LAN ) คือ 100 เมตร  โดยสามารถขยายระยะในการสื่อสารได้โดยใช้อุปกรณ์ Repeater หรือในระบบ LAN จะเรียกอุปกรณ์นี้ว่า Hub หรือ Switch ก็จะสามารถลากสายได้อีก 100 เมตรและยังสามารถต่อ Repeater ขยายระยะทางได้โดยไม่จำกัด  และระยะทางการใช้งานสำหรับสาย Fiber optic ระยะการต่อที่ทำได้อยู่ที่ประมาณ 80 กิโลเมตรปัจจุบันใช้อยู่กับงานด้านปิโตรเลียม  ในการสื่อสารโดยทั่วไปมีความเร็ว 100,000,000 บิตต่อวินาที (100 Mbps) และเชื่อมต่ออุปกรณ์ได้ไม่จำกัดจำนวน  เพราะใช้หมายเลข IP Address ในการระบุอุปกรณ์บนระบบสื่อสาร  มีลักษณะการควบคุมแบบ Server – Client

 


รูปที่ 3 Modbus TCP/IP Network

 

 ในรูปที่ 3 แสดงถึงตัวอย่างการใช้งานระบบสื่อสาร Modbus TCP/IP โดยจากรูปจะเห็นได้ว่าระบบสื่อสารชนิดนี้สามารถต่อใช้งานกับอุปกรณ์ได้หลากหลาย  เช่น Zelio Smart Relay, Power Meter, STB Remote I/O, OTB Remote I/O, ATV Variable Speed Drive, TesysU Motor Start, Magelis Touch Screen, TWIDO PLC, M340 PLC, Vijeo Citect SCADA เป็นต้น โดยจะเห็นได้ว่าปัจจุบันมีอุปกรณ์ที่หลากหลายประเภทที่มีพอร์ตสื่อสาร Modbus TCP/IP เพราะเป็นระบบที่มีความเร็วสูง สามารถใช้งานร่วมกับระบบ LAN Office ได้ทำให้ประหยัดค่าใช้จ่ายในส่วนของการลากสาย Communication และสามารถประยุกต์ใช้งานในลักษณะ Remote Control ผ่านระบบ Internet ได้ทำให้สามารถ Control หรือ Monitor ระบบจากที่ใดก็ได้ที่มี Internet

การวิเคราะห์การเลือกใช้ระบบสื่อสาร (Bus Control)
     ตัวอย่าง ถ้าต้องการใช้ PLC ควบคุมความ เปิด-ปิด และควบคุมเร็วของ Water Pump ด้วย Variable Speed Drive จำนวน 30 ตัว ซึ่งกระจายตำแหน่งติดตั้งอยู่รอบโรงงานแห่งหนึ่งคิดเป็นระยะทางประมาณ 500 เมตร


ตารางวิเคราะห์ความเหมาะสมของคุณสมบัติของระบบสื่อสารและต้นทุนของอุปกรณ์ในระบบสื่อสารแบบต่าง ๆ 

 เมื่อพิจารณาข้อมูลจากตารางข้างต้น จะเห็นว่าค่าใช้จ่ายสำหรับอุปกรณ์ของระบบสื่อสารแตกต่างกันอย่างเห็นได้ชัด แต่ในการตัดสินใจเลือกใช้ระบบสื่อสารชนิดใดนั้น ควรจะพิจารณาจากการใช้งานมากกว่าที่จะคิดถึงเรื่องราคาของอุปกรณ์เพียงอย่างเดียว แต่เมื่อพิจารณาจากโจทย์แล้วเป็นลักษณะการใช้งานควบคุมการทำงานของปั้มน้ำ ซึ่งไม่ต้องการการตอบสนองของระบบแบบทันทีทันใด จึงไม่จำเป็นต้องใช้ระบบที่มีความเร็วสูงอย่างระบบ Modbus TCP/IP และการติดตั้งก็เป็นการลากสาย Communication ไปรอบ ๆ โรงงาน ซึ่งไม่มีสัญญาณรบกวนมากนักจึงไม่จำเป็นต้องใช้ระบบ CANopen ดังนั้นจากลักษณะการใช้งานและต้นทุนของอุปกรณ์จึงพอจะสรุปได้ว่า ในระบบควบคุมนี้ควรใช้ระบบสื่อสารเป็นระบบ Modbus RTU จึงจะเหมาะสมที่สุด แต่การใช้งานจริงสามารถนำระบบสื่อสารหลาย ๆ แบบมาใช้งานร่วมกันได้ เช่น ระบบ SCADA เป็นต้น

สรุป
     Modbus 485 ออกแบบมาเพื่อใช้ในการควบคุมการทำงานเช่น Digital I/O, Analog I/O หรือ AC Drive Start, Stop Speed Command ที่มีจำนวนข้อมูลไม่มากนัก ถ้าคิดกันง่าย ๆ แบบอุดมคติที่ความเร็ว 38,400 Bps ถ้าส่งข้อมูล1,200 word (19,200 Bit) ก็จะใช้เวลา 1 วินาทีในการส่งข้อมูลเพื่อควบคุมการทำงานของอุปกรณ์ ซึ่งถ้าหากอุปกรณ์ดังกล่าวคือตัวปรับความเร็วรอบมอเตอร์ปั้มน้ำเข้าถังเก็บหรือใบพัดเติมอากาศให้กับระบบบำบัดน้ำก็คงเหมาะสมดี ตัวอย่างที่เหมาะสมกับระบบนี้ได้แก่ ระบบบำบัดน้ำซึ่งมีจำนวน I/O ไม่มากแต่การกระจายตัวสูงมาก เครือข่ายหนึ่งอาจยาว 1.2 กิโลเมตร อุปกรณ์ส่วนใหญ่ทำหน้าที่วัดค่าทางเคมีแปลงเป็นสัญญาณอนาล็อก การวัดค่ากำลังไฟฟ้าในการเดินและเฝ้าระวังระบบเติมอากาศ การเดินเครื่องปรับความเร็วระบบเติมอากาศ และการไหลเวียนของน้ำซึ่งระบบไม่ต้องการความเร็วในการทำงานสูงมากนักแต่ต้องการความแม่นยำ ฉะนั้น Modbus 485 เหมาะที่จะใช้เป็น Control Network ใช้กับการควบคุมและรับส่งข้อมูลจำนวนน้อยระยะการสื่อสารไกลและความเร็วไม่สูงมากนักข้อดีที่สำคัญก็คือราคาอุปกรณ์และการติดตั้งต่ำเสถียรภาพสูงความซับซ้อนต่ำซ่อมบำรุงดูแลรักษาง่าย


     CANopen ออกแบบมาเพื่อใช้ในการสื่อสารด้วยความเร็วสูงตัวอย่างที่ชัดเจนมากได้แก่ Servo Motor, Stepper Motor เนื่องจากอุปกรณ์ดังกล่าวต้องการข้อมูลในการทำงานจำนวนมากและความเร็วสูงเพื่อตอบสนองกับความต้องการของเครื่องจักร หรือการควบคุมการทำงานของอุปกรณ์ Digital I/O, Analog I/O เป็นกลุ่มจำนวนมาก เช่นการควบคุม Servomotor บนเครื่องติดฉลากขนขวดเครื่องดื่มที่ความเร็ว 600 ขวดต่อนาที ต้องมีการทำงานสอดประสานการทำงานอย่างรวดเร็วของอุปกรณ์ Digital, Analog, Motion Control อุณหภูมิอุปกรณ์ป้องกันเพื่อความปลอดภัย เวลาเพียงเสี้ยววินาทีของความผิดพลาดอาจก่อให้เกิดการเสียโอกาสการผลิตได้เป็นเวลานาน ดังนั้น CANopen เหมาะที่จะใช้เป็น Data Network ใช้กับการควบคุมและรับส่งข้อมูลจำนวนมากและความเร็วสูงระยะการสื่อสารสั้น ข้อดีที่สำคัญคือความเร็วสูง เสถียรภาพสูง ความซับซ้อนต่ำ


     Modbus TCP-IP ออกแบบมาเพื่อใช้ในการสื่อสารด้วยความเร็วสูงมากเพื่อรับส่งข้อมูลขนาดใหญ่ สื่อสารในระบบที่ซับซ้อนหลากหลายระดับตัวอย่างที่ชัดเจนมากได้แก่ การสื่อสารระหว่าง PLC กับHMI (Human Machine Interface, Touch Screen), PLC กับ PLC, PLC กับ SCADA ถึงแม้การสื่อสารโดยทั่วไปจะจำกัดที่ 100 เมตร ต้องต่อเข้า Hub หรือ Switch แต่เนื่องจากอุปกรณ์ดังกล่าวมีใช้กันอย่างแพร่หลายจึงทำให้ราคาต่ำมากและหาผู้ดูแลระบบได้ง่าย ตัวอย่างที่ชัดเจนได้แก่การที่เครือข่ายร้านค้าส่งขนาดใหญ่ในกรุงเทพ สามารถเรียกดูและบันทึกค่าการใช้พลังงานไฟฟ้าของสาขาทั่วประเทศ เพื่อเปรียบเทียบและบริหารต้นทุนระบบดังกล่าวสื่อสารผ่านช่องทางเครือข่าย Ethernet เดียวกับที่วางไว้ใช้ในงานจัดการสินค้าคงคลัง ผู้ติดตั้งระบบไม่จำเป็นต้องรู้โครงสร้างของเครือข่ายและฝ่ายคอมพิวเตอร์ของบริษัท เพียงแค่จัดเตรียมช่องทางการสื่อสารให้เพียงพอต่อความต้องการของระบบเท่านั้น อีกทั้งยังสามารถเชื่อมต่อเข้ากับระบบ Internet เพื่อลดต้นทุนการสื่อสาร และขยายขอบเขตการเข้าถึงข้อมูลได้ง่าย สรุปว่า Modbus TCP-IP ออกแบบมาเพื่อใช้ในงานประเภท Information Network ทำหน้าที่เชื่อมต่ออุปกรณ์ไม่จำกัดจำนวนเข้ากับเครือข่ายที่ไม่จำกัดขนาดโดยการใช้เทคโนโลยีที่มีราคาถูก ระดับความซับซ้อนมีตั้งแต่ต่ำจนกระทั่งสูงมากแต่อย่างไรก็ตามบุคลากรที่ดูแลระบบหาได้ง่าย เพราะเป็นเทคโนโลยีที่แพร่หลายเสถียรภาพของระบบสูงมาก
    
     ตารางสรุปคุณสมบัติของระบบสื่อสาร (Bus Control)


Construction Mixer

 


Plastic Blowing Machine

 

 

Modbus 485 Network


CAN Open Network


Automation System on Ethernet Network

 

สนใจรายละเอียดเพิ่มเติมติดต่อได้ที่
K&P F.A. CENTER CO., LTD.
259/83 ซ.พิบูลย์เวศน์ ถ.สุขุมวิท 71 แขวงพระขโนงเหนือ
เขตวัฒนา กรุงเทพ 10110
โทรศัพท์ 0-2381-4681-93 โทรสาร 0-2381-4694
http://www.kpt-group.com, http://www.knp1993.com
E-mail: marketing@kpt-group.com

เรียบเรียงโดย
- คุณจตุรงค์ เกษมศักดิ์
- คุณอภิวัฒน์ เกิดหิรัญ    
   Product Application Engineer
   Schneider Electric (Thailand)

สงวนลิขสิทธิ์ ตามพระราชบัญญัติลิขสิทธิ์ พ.ศ. 2539 www.thailandindustry.com
Copyright (C) 2009 www.thailandindustry.com All rights reserved.

ขอสงวนสิทธิ์ ข้อมูล เนื้อหา บทความ และรูปภาพ (ในส่วนที่ทำขึ้นเอง) ทั้งหมดที่ปรากฎอยู่ในเว็บไซต์ www.thailandindustry.com ห้ามมิให้บุคคลใด คัดลอก หรือ ทำสำเนา หรือ ดัดแปลง ข้อความหรือบทความใดๆ ของเว็บไซต์ หากผู้ใดละเมิด ไม่ว่าการลอกเลียน หรือนำส่วนหนึ่งส่วนใดของบทความนี้ไปใช้ ดัดแปลง โดยไม่ได้รับอนุญาตเป็นลายลักษณ์อักษร จะถูกดำเนินคดี ตามที่กฏหมายบัญญัติไว้สูงสุด