เนื้อหาวันที่ : 2013-05-02 17:41:11 จำนวนผู้เข้าชมแล้ว : 3555 views

การแสดงฟังก์ชันควบคุมด้วยแผนผัง SAMA (ตอนที่ 1)

ในการควบคุมกระบวนการผลิตโดยใช้ระบบควบคุมแบบ PLC (Programmable Logic Controller) หรือ DCS (Distributed Control System) ลักษณะเฉพาะพิเศษของฟังก์ชันควบคุมจะต้องถูกทำการจัดเตรียมขึ้นภายในระบบควบคุมเหล่านี้ เพื่อให้มีความเหมาะสมกับการนำไปใช้งาน

การแสดงฟังก์ชันควบคุมด้วยแผนผัง SAMA (ตอนที่ 1)
ทวิช ชูเมือง


    ในการควบคุมกระบวนการผลิตโดยใช้ระบบควบคุมแบบ PLC (Programmable Logic Controller) หรือ DCS (Distributed Control System) ลักษณะเฉพาะพิเศษของฟังก์ชันควบคุมจะต้องถูกทำการจัดเตรียมขึ้นภายในระบบควบคุมเหล่านี้ เพื่อให้มีความเหมาะสมกับการนำไปใช้งานควบคุมกระบวนการผลิต ดังตัวอย่างฟังก์ชันควบคุมเช่น การควบคุมแบบ Override, การเชื่อมโยงระหว่างลูปควบคุม, การติดตามสัญญาณอินพุตและเอาต์พุต, การคำนวณย้อนหลัง, การจัดเตรียม Low/High Selection และตัวควบคุมแบบ PID

ดังนั้นในการจัดเตรียมฟังก์ชันควบคุมเหล่านี้โดยผู้ผลิตหรือผู้จำหน่ายระบบควบคุมจึงต้องมีเอกสารที่ใช้แสดงสัญลักษณ์หรือรูปแบบแผนผัง (Diagram Format) ที่ใช้ในการแสดงการวัด, การควบคุมและระบบประมวลผลต่าง ๆ เพื่อสำหรับใช้อ้างอิงในการจัดทำ โดยภายในเอกสารดังกล่าวจะประกอบไปด้วยสัญลักษณ์พร้อมกับรายละเอียดต่าง ๆ และสัญลักษณ์ที่สร้างขึ้นต้องสอดคล้องกันและสามารถทำได้ในแผนผังการควบคุม

ดังเช่น ระบบในรูปแบบการควบคุมพื้นฐาน การเปลี่ยนแปลงได้ของรูปแบบและสัญลักษณ์ ทำให้การจัดเตรียมมีการพัฒนาของรูปแบบที่แสดงในแผนผังและมีความง่ายต่อการเข้าใจในความสัมพันธ์ของอุปกรณ์ สำหรับทั้งแบบอะนาลอกและระบบดิจิตอล เอกสารที่ใช้ในการแสดงรายละเอียดดังกล่าวรูปแบบหนึ่งที่นิยมใช้ในการแสดงฟังก์ชันการควบคุมในโรงงานผลิตไฟฟ้า นั่นคือ แผนผัง SAMA (Scientific Apparatus Maker Association)

  ย้อนหลังไปในปี 1981 แผนผัง SAMA ได้ถูกนำเสนอครั้งแรกบน Function Diagram of Instrument and Control System หลังจากนั้นก็ไม่ได้มีการดำเนินการปรับปรุงหรือกระจายมาตรฐานนี้ออกไป จึงทำให้ SAMA เป็นมาตรฐานที่ไม่ได้มีการหมุนเวียนและโฆษณาอย่างเหมาะสม จึงทำให้เป็นมาตรฐานที่ไม่ได้มีการปรับปรุง องค์กรไม่อนุญาตให้มีชื่อมาตรฐานไปปรากฏบนเอกสารที่เกี่ยวข้อง

 การแสดงความชัดเจนชนิดของแผนผัง ซึ่งเกี่ยวข้องกับมาตรฐานนี้มีการสันนิษฐานว่าในการออกแบบการวัดที่ซับซ้อน, การควบคุมหรือการประมวลผล มีความต้องการข้อมูลที่เป็นแผนผังชนิดต่าง ๆ ดังนี้
- แผนผังฟังก์ชัน (Function Diagrams)
- รายละเอียดของแผนผัง (Detailed Schematic Diagrams)
- การเชื่อมโยงระหว่างแผนผัง (Interconnection Diagrams)
- แผนภาพกระบวนการผลิต (Piping & Instrument Diagram)
    

  มาตรฐานมีความเกี่ยวข้องเฉพาะกับแผนผังฟังก์ชันปกติที่ถูกจัดเตรียมในช่วงแรก ๆ ของกรอบความคิดระบบควบคุมจากเอกสารการไหลของกระบวนการ (Process Flow Sheet) หรือทางกล (Mechanical Flow heet)โดยปกติเอกสารเหล่านี้จะถูกปรับปรุงให้เป็นปัจจุบันอยู่ตลอดเวลาไปตามความก้าวหน้าของการออกแบบผ่านช่วงเวลาต่าง ๆ ดังนี้
- ช่วงต่อรอง (Negotiation)
- เสนอราคา (Quotation)
- ยืนยันการจ้างงาน (Contract Award)
- การลดอุปกรณ์ (Reduction to Final Element)
- การตรวจสอบความพร้อมระบบ (System Checkout)
- การติดตั้ง (Installation)

สุดท้ายแผนผังที่ถูกจัดเตรียมไว้จะไปเป็นส่วนหนึ่งของวิธีการใช้งานระบบ,แสดงฟังก์ชันของระบบตลอดเวลา

  รายละเอียดแบบแผนผังจะถูกกำเนิดจาก แผนผังฟังก์ชันและจะแสดงรายละเอียดของอุปกรณ์จริงที่ต่ออยู่ในระบบ แผนผังการเชื่อมต่อจะแสดงรายละเอียดการเชื่อมต่อกับอุปกรณ์ภายนอก แผนผังของฟังก์ชันสามารถใช้เป็นส่วนหนึ่งเพื่อทำให้ แผนภาพกระบวนการผลิตมีความชัดเจนมากขึ้น

 สัญลักษณ์จะถูกทำให้ง่ายมากที่สุดและมีความหลากหลายเพื่อให้มีความซับซ้อนน้อยที่สุด สำหรับใช้แสดงการทำงานระบบโดยการควบรวมของสัญลักษณ์เบื้องต้นเหล่านี้

การออกแบบแผนผัง (Layout of Diagram)
     แผนผังที่ถูกพัฒนาขึ้นมีการวางรูปแบบทั้งจากซ้ายไปขวาหรือจากบนลงล่าง ในขณะที่รูปแบบถูกใช้ทั่วไปสำหรับเฉพาะ Discrete Control Logic สำหรับตัวอักษรจะถูกใช้สำหรับ Regulatory Control ทั้งแบบมีและไม่มีฟังก์ชันลอจิก

- Discrete Logic
   การวางแผนผังโดยทั่วไปจะวางในแนวนอนที่มีสัญญาณอินพุตอยู่ทางด้านซ้ายและสัญญาณเอาต์พุตจะออกทางด้านขวา สัญญาณอินพุตและเอาต์พุตจะใช้สัญลักษณ์รูปแบบ  ตามลำดับ เส้นสัญลักษณ์สามารถเป็นเส้นทึบตลอดภายในแผนผังลอจิก ดังแสดงได้ดังรูปที่ 1 ข้อสังเกตจะเห็นว่าการวางแผนผังจะถูกใช้เฉพาะกับสัญญาณ Discrete จริงเท่านั้น ส่วนที่ใช้แสดงสัญญาณอะนาลอกจะใช้เป็นแผนผัง Regulatory Control ซึ่งแสดงรายละเอียดในหัวข้อถัดไป


รูปที่ 1 แผนผัง Discrete Logic


- Regulatory Control
     สำหรับแผนผังที่รวมกันทั้งสัญญาณอะนาลอกและดิจิตอลในแผนภาพเดียวกัน แผนภาพจะถูกจัดวางจากบนลงล่าง โดยสัญญาณอินพุตจะอยู่ด้านบน ฟังก์ชันควบคุมจะอยู่ตรงกลางและเอาต์พุตไปยังอุปกรณ์ควบคุมจะอยู่ทางด้านล่าง ดังแสดงได้ดังรูปที่ 2 สัญญาณที่เป็น Discrete Hardwired จะใช้สัญลักษณ์ เป็นสัญญาณอินพุต และใช้สัญลักษณ์  เป็นสัญญาณเอาต์พุต ส่วนเส้นแสดงสัญญาณจะใช้เป็นเส้นประเพื่อทำให้เกิดความแตกต่างจากสัญญาณอะนาลอกที่เป็นเส้นทึบ

รูปที่ 2 แผนผัง Regulatory Control

 

- Safety System
     แผนผังสำหรับระบบ Process Safety ควรจะถูกจัดเตรียมในเอกสารที่แยกออกจากระบบ Process Control ส่วนเชื่อมโยงระหว่างระบบทั้งสองควรจะถูกกำหนด ทั้งที่เป็นเอาต์พุต/อินพุต แบบ Hardwired หรือสัญญาณ Soft-link

รายละเอียดตัวอักษร (Descriptive Text)
     แผนผังควรจะรวมไปด้วยรายละเอียดตัวอักษรทั้งหมด ดังต่อไปนี้
- Instrument Tag: Hardwired หรือ Soft Tag พร้อมกับรายละเอียดสั้น ๆ และตัวเลขที่ใช้แสดงชื่อโครงการ ดังเช่น “Air Flow FT-100”

- รายละเอียดสัญญาณ: สัญญาณเครื่องมือวัด, สัญญาณจากแผนผังอื่น ๆ สัญญาณที่กำหนดฟังก์ชัน ดังเช่น Output Tracking, โหมดตัวควบคุม “1=Auto”

- ตัวควบคุม (Controller)
I. ตัวเลขลูป ประกอบไปด้วย P&ID, ดังเช่น “FIC-222”.
II. กิริยาของตัวควบคุม, “Direct Acting” หรือ  “Reverse Acting”
III. ชนิดของตัวควบคุม ถ้านอกเหนือจากมาตรฐาน Proportional Integral Derivative (PID), ดังเช่น Manual/Auto Station, Manual Loader; Primary or Secondary, Primary or Override

- ตำแหน่งผิดพลาดของอุปกรณ์ควบคุมสุดท้าย, สำหรับวาล์วควบคุม (Control Valve) กำหนดเป็น “FO” สำหรับ Failed-open, “FC” สำหรับ Failed-closed, และ “FL” สำหรับ Failed-last สำหรับโซลินอยด์วาล์วกำหนดเป็น “EO” สำหรับ Energized-open, และ “EC” สำหรับ Energized-closed

- ตัวแปรอื่น ๆ ของฟังก์ชัน ดังเช่น การตั้งเวลา, จุดจำกัด ค่าสูงและค่าต่ำ

- ตารางหรือแผนการที่ใช้แสดงฟังก์ชันที่ไม่เป็นเชิงเส้นหรือเวลา ดังเช่น Split Range Control, BTU Compensation 

-รายละเอียดสำหรับความต้องการของฟังก์ชันหรือการอ้างอิงไปถึงแผนผังหรือเอกสารอื่น ๆ

แผนผังปกติ (Simple Diagram)
  แผนผังฟังก์ชัน SAMA ปกติสำหรับการควบคุม Override จะถูกแสดงได้ดังแผนภาพในรูปที่ 3 พร้อมกับสมมุติฐานว่าการ Override รวมเข้าไปในระบบควบคุมผ่านการเลือกค่าสูงหรือค่าต่ำและฟังก์ชันควบคุม PID

รูปที่ 3 Simple Diagram

แผนผังรายละเอียด (Detailed Diagram)
     แผนผังที่มีรายละเอียดมากขึ้นควรจะต้องถูกพัฒนาขึ้นถ้ารายละเอียดของฟังก์ชันมีความจำเป็นในการจัดทำระบบควบคุมดังแสดงในรูปที่ 4 แผนภาพนี้จะใช้สัญญาณ Discrete หลายสัญญาณและลอจิกในการแสดงการทำงานประสานกันของลูปควบคุม การกระทำดังนี้จะทำให้สามารถเพิ่มคำแนะนำในการควบคุมว่าทำอย่างไร สำหรับระบบควบคุมที่ไม่ได้ควบรวมการทำงานประสานกันที่เด่นชัด แผนผังรายละเอียดอาจจะเป็นความต้องการที่กำหนดรายละเอียดของฟังก์ชันสำหรับการควบคุม
                 

รูปที่ 4 Detailed Diagram

 

หมายเหตุ 
1. เมื่อลูปควบคุมหลักอยู่ใน Manual Mode, สัญญาณเอาต์พุตของลูป Override จะตามรอยสัญญาณเอาต์พุตของลูปควบคุมหลัก (Primary Loop)

2. เมื่อลูปควบคุมหลักอยู่ใน Auto Mode, สัญญาณเอาต์พุตของทั้งสองจะถูกเปรียบเทียบผ่านตัวเลือกค่าต่ำ ลูปที่ไม่ได้ถูกเลือกจะอยู่ในตำแหน่ง Integral Tracking (INT) เพื่อป้องกันการ wind-up

3. การตามรอยสัญญาณเอาต์พุตหนึ่งรอบสำหรับ Bumpless Transfer, โดยเฉพาะในกรณีเมื่อลูป Override ถูกเลือกสำหรับการควบคุมก่อนที่ลูปควบคุมหลักจะถูกเปลี่ยนไปยัง Manual Mode

ตัวอย่างรายการควบคุม (Typical Control Scheme)
   ตัวอย่างการควบคุมกระบวนการผลิตได้ถูกเลือกมาแสดงในแผนผัง SAMA ตามหัวข้อด้านล่าง รายละเอียดอย่างย่อได้ถูกแสดงไว้ในแต่ละรายการเพื่อกำหนดความต้องการในการออกแบบแต่ไม่ได้ถูกรวมอยู่ในแผนผัง

การเริ่มเดินและหยุดปั๊ม (Pump Start/Stop)
 แผนผังมาตรฐานสำหรับการควบคุมปั๊มที่มีเอาต์พุต 2 สัญญาณแสดงได้ดังรูปที่ 5 แผนผังการควบคุมจะวางจากซ้ายไปขวา ในขณะที่หน้าสัมผัสสำหรับเริ่มเดินปั๊มจะเป็นแบบ Momentary หน้าสัมผัสสำหรับหยุดปั๊มจะเป็นแบบ “Fail-safe” คำสั่งในการหยุดปั๊มจะสัมผัสตลอดเวลาในขณะที่ปั๊มทำงาน และจะเปิดหน้าสัมผัสออกเมื่อได้รับคำสั่งหยุดทำงาน 

สิ่งสำคัญเป็นการ Reset สถานะที่คงค้างไว้ (Latch Logic) และการเลือกอัตโนมัติเมื่อปั๊มไม่สามารถเริ่มเดินได้ และสัญญาณเริ่มเดินยังคงอยู่ ผู้ปฏิบัติงานจะต้องทำการ Resets ปั๊มที่ผิดพลาดโดยกดปุ่ม STOP ก่อนที่จะทำการสั่งให้เริ่มเดินอีกครั้งหนึ่ง

คำสั่งหยุดจากกระบวนการจะเป็นการหยุดจ่ายไฟให้หน้าสัมผัสที่ไปยัง MCC อย่างไรก็ตามวงจรในส่วนนี้อาจจะถูกแยกออกจากระบบควบคุมโดยไปอยู่ในระบบ Safety

รูปที่ 5 Pump Start/Stop function

 

การควบคุมแบบ Feedforward (Feedforward Control)
 แผนการควบคุมแบบ Feedforward ถูกใช้ในการขยายสัดส่วนเอาต์พุตของตัวควบคุมที่ไปยังสัญญาณภายนอกสำหรับชดเชยกระบวนการผลิตที่ผิดปกติอย่างคาดไม่ถึง แผนผังที่แสดงในรูปที่ 6 เป็นสภาวะการควบคุมแบบ Feedforward ในการควบคุมอุณหภูมิของไอน้ำ De-superheater สัญญาณ Feedforward จะมีผลกระทบเฉพาะเมื่อกังหันไอน้ำ (Steam Turbine) หยุดทำงาน


การชดเชยทาง Dynamic ถูกแสดงโดยฟังก์ชัน Lead/lag และอัตราขยายถูกกำหนดจากบริเวณใช้งานโดยการทดลองสัญญาณ Discrete ที่ไปยัง Feedforward สามารถถูกละเลยออกไปได้ถ้า Feedforward ทำงานอยู่ตลอดเวลา

รูปที่ 6 การควบคุมแบบ Feedforward


 สัญญาณ Feedforward จะเป็นผลดีในการจัดเตรียมให้มีความชาญฉลาดที่เกี่ยวข้องกับการเปลี่ยนแปลงกระบวนการก่อนที่ตัวแปรที่ถูกควบคุมจะตรวจจับมันได้
    

ตัวอย่างการใช้งาน
     เป็นฟังก์ชันควบคุมการไหลไอน้ำที่มี สัญญาณ Feedforward ไปยังการควบคุมระดับใน Drum

ข้อดี 
-สามารถปรับปรุงการตอบสนองของลูปควบคุมที่ช้า

ข้อเสีย 
-ทำให้การควบคุมมีความซับซ้อน
- สามารถทำให้การปรับตั้งมีความยุ่งยาก
- Trim Controller

     สัญญาณเอาต์พุตของตัวควบคุมแบบนี้ถูกใช้ในการปรับสัญญาณความต้องการของตัวควบคุมหลัก สัญญาณเอาต์พุตของตัวควบคุมแบบนี้โดยทั่วไปมีจุดกึ่งกลางที่ศูนย์พร้อมกับค่าตัวแปร +/- ประมาณ 20 เปอร์เซ็นต์ถึง 30 เปอร์เซ็นต์ของย่านการควบคุมสัญญาณควบคุมหลักโดยปกติเป็นสัญญาณ Feedforward

ตัวอย่างการใช้งาน
- การควบคุมระดับใน Drum ในรูปแบบ 3 ตัวแปร
- คัวควบคุมออกซิเจน

รูปที่ 7 การควบคุมแบบ Trim Controller

 

การควบคุมแบบ Split Range (Split Range Control)
     การควบคุมแบบ Split Range สามารถถูกนำไปใช้สำหรับควบคุมปริมาณสูงสุดที่จะรับได้ในอุตสาหกรรมกระบวนการผลิต ดังตัวอย่างในรูปที่ 8 วาล์วควบคุม A จะเปลี่ยนแปลงจาก 0 ถึง 100% ในช่วงแรกก่อนที่สัญญาณเอาต์พุตของตัวควบคุมจะถึงจุด

“Splitting Point” (50% ในตัวอย่างข้างล่าง) หลังจากนั้นวาล์วควบคุม B เริ่มเปิดในช่วงที่สองถ้าสัญญาณเอาต์พุตของตัวควบคุมยังคงเพิ่มขึ้น ในแผนผังจะแสดงฟังก์ชันที่ไม่เป็นเชิงเส้น F(x) สำหรับแต่ละวาล์วควบคุม คุณลักษณะอื่น (Curves) นอกเหนือจากตัวอย่าง Split Range สามารถถูกใช้และปรับเปลี่ยนเพื่อให้แน่ใจว่ามีการสับเปลี่ยนที่ราบเรียบจากวาล์วควบคุมตัวหนึ่งไปยังอีกตัวหนึ่ง


รูปที่ 8 การควบคุมแบบ Split Range

 

การควบคุมแบบ Override (Override Control)
     ในหัวข้อนี้จะแสดงการควบคุมการไหลเป็นการควบคุมหลักพร้อมการ Override ด้วยความดันสูง การควบคุมหลักและการ Override ถูกแสดงอย่างชัดเจนอยู่บนแผนผังและทิศทางกิริยาของตัวควบคุม ดังแสดงในรูปที่ 9 การควบรวมการทำงานประสานกันของการควบคุมทำให้มีการคืนสภาพที่แตกต่างกันของตัวควบคุมหลักและ Override ในการป้องกันการ Windup และลดกิริยา Override ที่ซ่อนเร้นอยู่ภายใน

รูปที่ 9 การควบคุมแบบ Override

 

การควบคุมแบบ Cascade (Cascade Control)
     การควบคุมแบบ Cascade ต้องการประสานการทำงานระหว่างการควบคุมลำดับแรก (Primary) และการควบคุมลำดับสอง (Secondary) ด้วยเอาต์พุตของตัวควบคุมลำดับแรกจะไปทำหน้าที่เป็น Setpoint สำหรับตัวควบคุมลำดับสอง ในแผนการควบคุมแบบนี้มีความต้องการที่ว่าตัวควบคุมลำดับสองต้องทำงานเร็วกว่าตัวควบคุมลำดับแรก แผนผังอย่างง่ายถูกแสดงดังรูปที่ 10 โดยสันนิษฐานว่าระบบควบคุมจะสามารถรองรับการประสานงานกันเพื่อให้ได้การทำงานเป็น Bumpless Transfer และ Anti-windup

รูปที่ 10 การควบคุมแบบ Cascade

 

ตัวอย่างการใช้งาน
- Drum level Control
- Feedwater Flow Control

ข้อดี
- การรบกวนที่เกิดขึ้นภายในการควบคุมลำดับสองถูกแก้ไขโดยตัวควบคุมลำดับสองก่อนการรบกวนจะมีอิทธิพลต่อการควบคุมลำดับแรก

ข้อเสีย
- มีความซับซ้อน, มีการปรับตั้งมาก
- การควบคุมในแต่ละตัวแปรถูกสันนิฐานว่าเป็นแบบลูปเดี่ยวและถูกออกแบบให้ทำงานอย่างน่าพอใจ, ความไม่เสถียรภาพอาจเกิดขึ้นเมื่อลูปทั้งสองทำงานแบบอัตโนมัติ
- การควบคุมลำดับสองต้องมีความเร็วกว่าการควบคุมลำดับแรก

 เอกสารอ้างอิง
- ANSI Standard C35.1, Terminology for Automatic Control, Published by the American Society of Mechanical Engineer, Copyright 1963
- ISA S5.1, Instrumentation System and Identification, Published by the Instrument Society of American, Copyright 1963
- ISA S5.2, Binary Logical Diagrams for Process Operations, Published by the Instrument Society of American, Copyright 1976
- ISA S5.3, Flow Diagram Graphic Symbols for Distributed Control Shared Display Instrumentation Logic and Computer Systems (Submitted to ANSI-1981)
- ISA S5.4, Instrument Loop Diagrams, Published by the Instrument Society of American, Copyright 1976
- ISA S51.1, Process Instrumentation Terminology, Published by the Instrument Society of American, Copyright 1976 
- Functional Diagramming of Instrument and Control Systems, Analog and Digital Control Systems, 1981, The Scientific Apparatus Maker Association (SAMA)

 

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