พิชิต จินตโกศลวิทย์
pichitor@yahoo.com

การสื่อสารข้อมูลเกี่ยวข้องกับการถ่ายโอนข้อมูลข่าวสารระหว่างจุดหนึ่งไปยังอีกจุดหนึ่ง ซึ่งในบทความนี้จะกล่าวถึงเนื้อหาเกี่ยวกับการสื่อสารข้อมูลแบบดิจิตอลซึ่งเป็นรูปแบบการสื่อสารหลักในปัจจุบัน ข้อมูลที่รับส่งกันบางทีอาจจะเรียกอีกอย่างว่าข่าวสารหรืออินฟอร์เมชั่น (Information) ซึ่งถูกแทนด้วยแถวลำดับของค่าเท่ากับศูนย์และค่าเท่ากับหนึ่งในการส่งค่าแบบดิจิตอลซึ่งเป็นค่าที่สามารถถูกจัดการได้โดยง่ายด้วยคอมพิวเตอร์หรือหน่วยประมวลผล (CPU) มีระบบสื่อสารข้อมูลหลายแบบสามารถสื่อสารได้โดยใช้ค่าอะนาลอก เช่น โทรศัพท์พื้นฐาน, วิทยุ, โทรทัศน์

แต่ในงานวัดค่าสมัยใหม่เกือบทั้งหมดใช้การถ่ายโอนหรือส่งข้อมูลแบบดิจิตอล ระบบสื่อสารข้อมูลทุกระบบต้องมีตัวส่งข้อมูลหรือทรานสมิตเตอร์ (Transmitter) เพื่อส่งข้อมูลข่าวสาร และตัวรับ (Receiver) เพื่อตอบรับข้อมูลและเชื่อมอุปกรณ์ทั้ง 2 ข้างเข้าด้วยกัน ประเภทของสื่อสำหรับการเชื่อมต่ออาจจะใช้สายทองแดง, สายใยแก้วนำแสง, คลื่นวิทยุ หรือคลื่นไมโครเวฟ การเชื่อมต่อในระยะสั้น ๆ อาจใช้การเชื่อมต่อแบบขนาน (Parallel Connection) ซึ่งหมายความว่ามีสายสัญญาณหลาย ๆ เส้นในการนำพาข้อมูลหรือสัญญาณในเวลาเดียวกัน

ตัวอย่างการเชื่อมต่อแบบขนานที่ดีคือการเชื่อมต่อของพรินเตอร์หรือเครื่องพิมพ์ในสมัยแรก ในปัจจุบันการสื่อสารข้อมูลเกือบทั้งหมดใช้การเชื่อมต่อแบบอนุกรม (Serial Connection) นั้นหมายความว่าข้อมูลถูกส่งเป็นลำดับบนสายสัญญาณวงจรเดี่ยวหรือเส้นเดี่ยวซึ่งสามารถจัดการได้ง่ายกว่าโดยเราท์เตอร์ (Router) หรือ อุปกรณ์ที่ติดตั้งที่ชุมสาย

บางครั้งข้อมูลแบบดิจิตอลถูกส่งบนระบบที่ออกแบบมาสำหรับสัญญาณอะนาลอกซึ่งมีจุดประสงค์หลักคือการพยายามที่จะใช้โครงสร้างพื้นฐานเดิมที่ไม่ต้องลงทุนใหม่ ตัวอย่างก็คือโมเด็ม (Modem) ซึ่งทำงานโดยวิธีการผสมข้อมูลดิจิตอลกับสัญญาณพื้นฐานที่เป็นอะนาลอก หรือการมอดูเลต (Modulate) ที่ส่งค่าไปบนสายโทรศัพท์ อีกด้านของสายโทรศัพท์จะมีโมเด็มอีกตัวหนึ่งทำการแยกสัญญาณหรือดีมอดูเลต (Demodulate) เพื่อให้ได้ข้อมูลดิจิตอลที่เหมือนข้อมูลที่ตัวส่งส่งมา คำว่า Modem ได้มาจาก Modulate and Demodulate อย่างไรก็ตามต้องมีการตกลงร่วมกันเกี่ยวกับการเข้ารหัสข้อมูลนั้น คือตัวรับต้องสามารถเข้าใจว่าตัวส่งส่งอะไรมา

โครงสร้างของข้อมูลหรือสัญญาณที่อุปกรณ์ตัวรับและตัวส่งใช้ในการส่งข้อมูลถูกเรียกว่าโปรโตคอล (Protocol) พูดง่าย ๆ ก็คือภาษาในการสื่อสารภาษาหนึ่งในอุปกรณ์สื่อสารก็ว่าได้ ในช่วง 10 ปีที่ผ่านมามีมาตรฐานและโปรโตคอลมากมายที่ถูกพัฒนาขึ้นมาเพื่อให้เทคโนโลยีการสื่อสารสามารถนำมาประยุกต์ใช้ในงานอุตสาหกรรมได้อย่างมีประสิทธิภาพ ผู้ออกแบบและผู้ใช้เริ่มต้นตระหนักถึงการประหยัดงบประมาณและค่าใช้จ่าย

การที่จะเพิ่มผลผลิตให้ได้มากที่สุดด้วยการรวบระบบหลาย ๆ ระบบให้เป็นระบบเดียวเพื่อให้ง่ายต่อการปฏิบัติงานและการวางแผนบำรุงรักษารวมทั้งการใช้งาน ลดจำนวนผู้ดูแลบำรุงรักษา โปรโตคอลคือโครงสร้างข้อมูลและระเบียบวิธีการที่ถูกใช้ในระบบสื่อสารข้อมูล ตัวอย่างเช่น คอมพิวเตอร์รับส่งข้อมูลกับเครื่องพิมพ์เอกสาร (Printer) เป็นต้น ในสมัยแรกเริ่มผู้พัฒนาซอฟต์แวร์และฮาร์ดแวร์ได้พัฒนาโปรโตคอลที่สามารถใช้ได้กับผลิตภัณฑ์ของตนเองเท่านั้นเรียกอีกอย่างว่าระบบปิดก็ว่าได้

เพื่อที่จะเพิ่มความสามารถให้หลาย ๆ ระบบวัดและควบคุม สามารถทำงานร่วมกันได้ ลดการผูกขาดของผู้ผลิต การพัฒนามาตรฐานของโปรโตคอลจึงเป็นที่ต้องการของผู้ใช้ รวมทั้งผู้รับจ้างติดตั้งระบบงานหรืออินทีเกรเตอร์ (Integrator) มาตรฐานอาจจะเริ่มมาจากการใช้อย่างแพร่หลายของโปรโตคอลของผู้ผลิตใดผู้ผลิตหนึ่งที่ไม่ได้ปกปิดข้อมูลของตนเอง (บางครั้งเรียกว่า ดีแฟกโต้: De Facto) หรืออาจถูกพัฒนามาโดยเฉพาะโดยกลุ่มนักพัฒนากลุ่มหนึ่งที่เป็นตัวแทนของกลุ่มอุตสาหกรรมใดอุตสาหกรรมหนึ่ง

เช่นอุตสาหกรรมที่เกี่ยวกับพลังงาน เป็นต้น มาตรฐานทำให้มีหลายผู้ผลิตสามารถสร้างผลิตภัณฑ์ที่สามารถสื่อสารหรือทำงานร่วมกันได้ สำหรับผู้ใช้นั้นจะเป็นการง่ายขึ้นในการเลือกระบบหรืออุปกรณ์จากผู้ผลิตหลาย ๆ รายและสามารถทำให้มันทำงานร่วมกันได้ นั้นหมายความว่าผู้ใช้สามารถเลือกข้อดีหรือจุดแข็งของแต่ละผู้ผลิตมาใช้ในระบบของเขาได้

ถ้ากล่าวถึงระบบเกี่ยวกับการสื่อสารข้อมูลในงานอุตสาหกรรม ก็สามารถกล่าวได้ว่ายังขาดมาตรฐานที่แข็งแกร่งเพียงพอในทางด้านการสื่อสารข้อมูลที่สามารถตอบสนองความต้องการได้ทุกประเภทงานอุตสาหกรรม แต่อย่างไรก็ตามก็ยังมีบางมาตรฐานที่โดดเด่นและใช้อย่างแพร่หลาย ตัวหนึ่งที่คาดว่ารู้จักกันดีก็คือ MODBUS ซึ่งเป็นมาตรฐานแบบดีแฟกโต้ ในระยะเวลา 20 ปีที่ผ่านมา MODBUSได้ถูกนำมาใช้กับสื่อหรือมาตรฐานทางด้านฟิสิคอลแบบอนุกรม

เช่น EIA-232 และ EIA-485 ได้อย่างแพร่หลายและกว้างขวาง ในเรื่องเกี่ยวกับการสื่อสารข้อมูลมีประเด็นที่พูดได้ว่าน่าปวดหัวสำหรับผู้ที่ยังขาดประสบการณ์รวมทั้งอินทีเกรเตอร์มือใหม่นั้น คือโปรโตอลที่ใช้ในการสื่อสารระหว่างอุปกรณ์ต่างยี่ห้อกัน เช่น PLC, เซนเซอร์ รวมแม้กระทั่งคอมพิวเตอร์โดยเฉพาะถ้าโปรโตคอลในแต่ละผู้ผลิตมีความเบี่ยงเบนอันเนื่องจากการตีความหมายของมาตรฐาน

รวมทั้งตั้งใจที่จะทำให้แตกต่างซึ่งมักจะเป็นส่วนที่เรียกว่าฟังก์ชันเฉพาะของผลิตภัณฑ์ (Private Function) และนำฟังก์ชันมาใช้ในการติดตั้ง ถ้าจะมีโปรโตคอลที่มีคุณสมบัติโดดเด่นก็จะมีไม่กี่โปรโตคอล ซึ่งแต่ละตัวก็มีข้อดีข้อเสียหรือจุดแข็งจุดอ่อน เช่น PROFIBUS, Asi, DEVICENET หรือ DNP3 ที่ถูกใช้อย่างกว้างขวางในงานอุตสาหกรรมในแต่ละค่าย เช่น ค่ายยุโรป, ค่ายอเมริกาเหนือ และค่ายเอเชียที่มักอ้างอิงถึงผลิตภัณฑ์ของประเทศญี่ปุ่น

มาตรฐานที่ได้รับความสนใจอย่างมากในช่วงหลายปีที่ผ่านมานั้นคือ Ethernet ซึ่งในอดีตหรือยุคแรกเริ่มได้ถูกปฏิเสธในการนำมาใช้งาน เนื่องจาก Ethernet ไม่สามารถคาดการณ์ล่วงหน้าได้นั้นหมายความว่าไม่สามารถรับประกันได้ว่าข้อมูลระดับวิกฤตที่สำคัญจะถูกส่งได้ภายในเวลาที่กำหนดได้หรือไม่

แต่ในปัจจุบันปัญหาเหล่านี้ได้ถูกแก้ไขและปรับปรุงโดยการพัฒนาปรับปรุงมาตรฐาน Ethernet และเทคโนโลยีสวิตชิ่งสมัยใหม่ อีกอย่างยังมีอีกโปรโตคอลที่ใช้ได้ดีมากกับ Ethernet และรู้จักกันดีนั้นคือ TCP/IP ซึ่งได้มาจากการพัฒนาอินเตอร์เน็ต และ TCP/IP ยังถือว่าเป็นโปรโตคอลที่นิยมอย่างกว้างขวางในทุกระบบงานมากที่สุด

ในระบบวัดคุม ข้อมูลที่ต้องการคือข้อมูลที่มาจากอุปกรณ์วัดค่าหรือเซนเซอร์และค่านั้น ๆ จะถูกไปยังอุปกรณ์ควบคุมหรือคอนโทรลเลอร์ (Controller) โดยส่วนใหญ่แล้วมักจะเป็นคอมพิวเตอร์หรือ PLC (Programmable Logic Controller) อุปกรณ์ควบคุมจะส่งข้อมูลให้ชุดวงจรควบคุมเพื่อควบคุมอุปกรณ์หรือเครื่องจักรตามต้องการ

การรวบหลายระบบเข้าด้วยกันโดยการใช้ความสามารถของระบบสื่อสารข้อมูลระหว่างแต่ละระบบที่มาจากผู้ผลิตแตกต่างกันในโรงงานจะสามารถลดจำนวนการลากสายคอนโทรลรวมทั้งจำนวนเทอร์มินอล (Cable Terminal) ซึ่งมีค่าติดตั้งราคาค่อนข้างสูง

ความสามารถในการผลิตและคุณภาพของผลิตภัณฑ์คือเป้าหมายหลักในการบริหารจัดการที่ดีของแต่ละกระบวนการผลิต การบริหารจัดการสามารถถูกปรับปรุงได้ด้วยข้อมูลกระบวนการผลิตที่แม่นยำที่สามารถหาได้ในระบบและภายในช่วงเวลาที่เหมาะสมกับความต้องการ จากนี้เราสามารถพูดได้ว่าระบบวัดค่าและควบคุมที่ดีสามารถสนับสนุนคุณภาพและความสามารถในการผลิต เป้าหมายหลักของระบบวัดคุมในงานอุตสาหกรรมมีดังต่อไปนี้

โดยทั่วไปการควบคุมกระบวนการต้องวัดค่าที่มีผลต่อกระบวนการ เช่น อุณหภูมิ หรือ อัตราการไหล ทำได้โดยใช้ตัววัดค่าแบบอะนาลอกซึ่งทำงานโดยให้ค่าเอาต์พุตมาตรฐานที่ 4-20 mA มาตรฐาน 4-20 mA ได้ถูกนำไปใช้ในอุปกรณ์วัดค่าอย่างแพร่หลายในหลาย ๆ ผู้ผลิต นั้นหมายความว่าเราสามารถใช้อุปกรณ์วัดค่าแบบอะนาลอกจากผู้ผลิตหลาย ๆ รายที่มีฟังก์ชันการทำงานเหมือนกันได้

ในปัจจุบันระบบวัดค่าแบบฟังก์ชันเดี่ยวหรือทำงานโดยไม่เกี่ยวข้องกับระบบอื่นได้ถูกแทนที่ระบบแบบรวมหลาย ๆ ระบบเข้าด้วยกัน เช่น ระบบ DCS (Distributed Control System)

โดยทั่วไประบบควบคุมเหล่านี้จะใช้รีเลย์ (Relay), ตัวตั้งเวลาหรือไทเมอร์ (Timer) และการลากสารควบคุมไปยังแผงควบคุม (Control Panel) แต่ในระบบขนาดใหญ่จะใช้ PLC เข้ามาช่วยการทำงานเนื่องจากสามารถลดจำนวนสายและอุปกรณ์ดังที่กล่าวมา อีกทั้ง PLC สามารถทำงานที่มีความซับซ้อนสูงได้ คิดค่าใช้จ่ายสำหรับงานที่มีความซับซ้อนสูง การใช้ PLC จะประหยัดค่าใช้จ่ายในการติดตั้งได้มาก

ในสมัยแรกกระบวนการผลิตในโรงงานจะถูกสั่งทำงานจากแผงควบคุมหน้าเครื่องจักรโดยผู้ปฏิบัติงานหลาย ๆ คนซึ่งแต่ละคนจะมีความรับผิดชอบในแต่ละส่วนงานของกระบวนการผลิตแตกต่างกันไป ระบบควบคุมสมัยใหม่มีแนวโน้มใช้ห้องควบคุมที่ศูนย์กลางสำหรับมอนิเตอร์โรงงานทั้งโรงงาน

ห้องควบคุมจะถูกติดตั้งด้วยชุดคอมพิวเตอร์ที่รวบรวมข้อมูลจากเซนเซอร์ ณ จุดต่าง ๆ และแสดงสถานะของกระบวนการทำงานโดยภาพกราฟิกที่เข้าใจง่าย รวมทั้งการมอนิเตอร์สัญญาณเตือน ควบคุมลำดับการผลิตแบบอัตโนมัติ และที่ขาดไม่ได้เช่นเดียวกันคือการทำการอินเตอร์ล็อก (Interlocking) เพื่อป้องกันอันตรายที่อาจเกิดขึ้นกับเครื่องจักรและผู้ปฏิบัติงาน

ข้อมูลข่าวสารเพื่อการจัดการแบบสมัยแรกคือการอ่านค่าจากมิเตอร์ ตัวบันทึกหรือเร็คคอร์ดเดอร์ที่เป็นกราฟ ตัวนับและทรานสดิวเซอร์ และการสุ่มตัวอย่างผลิตภัณฑ์จากกระบวนการทำงาน ข้อมูลจะถูกใช้เพื่อมอนิเตอร์ตรวจสอบประสิทธิภาพการทำงานโดยรวมทั้งระบบของโรงงานเพื่อจะได้ข้อมูลที่ใช้ในการจัดการปรับปรุงกระบวนการทำงานและการผลิต ปัจจุบันการดึงข้อมูลได้ถูกผนึกรวมเข้ากับระบบควบคุมเพื่อลดวิธีการดึงข้อมูลที่ซ้ำซ้อน และเวลาการดึงข้อมูลที่เกี่ยวเนื่องกัน

ลดเวลาหรือปัญหาการเกิดคอขวดของระบบหลายระบบ การบริหารจัดการที่ดีสามารถเข้าถึงแก่นของความสามารถในการผลิตและความสามารถของอุปกรณ์ที่ใช้ในการควบคุม ความสามารถหรือฟังก์ชันสามารถถูกเพิ่มเติมตามความต้องการโดยขึ้นอยู่กับเทคโนโลยีและประสิทธิภาพของส่วนประกอบอุปกรณ์ที่ใช้ เช่น IC, CPU และระบบสื่อสารข้อมูล สื่อ เครื่องมือ ตัวอย่างปัจจัยที่มีผลต่อการทำงานและการควบคุมโรงงานคือ

- Distributed Control System (DCS)
- Programmable Logic Controller (PLC)
- Supervisory Control and Data Acquisition (SCADA)
- อุปกรณ์วัดค่าอัจฉริยะ (Smart Instrument)

1.1 Distributed Control System (DCS)

DCS คือการควบคุมและการเข้าถึงข้อมูลกระบวนการผลิตโดยประกอบด้วยฮาร์ดแวร์และซอฟต์แวร์แบบดิจิตอล การทำงานของ DCS อยู่บนพื้นฐานการสื่อสารข้อมูล และการออกแบบเป็นโมดูลเป็นส่วน ๆ หรือกระจายหน้าที่การทำงานแต่อยู่บนพื้นฐานสถาปัตยกรรมที่ทำงานร่วมกัน แต่ละโมดูลจะมีหน้าที่เฉพาะของมัน เช่น HMI การดึงค่าอะนาลอกและดิจิตอล โดยปกติจะมีอุปกรณ์ที่ไว้สำหรับการเชื่อมต่ออุปกรณ์ควบคุมและเซนเซอร์เข้าด้วยกัน

PLC ได้ถูกพัฒนาประมาณปลายปี 1960 เพื่อแทนที่ชุดของรีเลย์โดยเฉพาะในอุตสาหกรรมการผลิตรถยนต์ PLC ถูกใช้ควบคุมลำดับการทำงานและอินเตอร์ล็อกกิ้งด้วยการควบคุมเปิด/ปิดวงจรหรือเรียกอีกอย่างว่า Digital Input/Output (DI/DO) ในตัว PLC จะมีหน่วยประมวลผลหรือ CPU ที่สามารถเขียนโปรแกรมสั่งทำงานด้วยภาษาค่อนข้างเข้าใจได้ง่ายเรียกว่าภาษาแลดเดอร์ (Ladder Logic) PLC

สมัยใหม่จะมีชุด Analog Input (AI) ด้วย และสามารถรองรับการโปรแกรมที่ซับซ้อนและขนาดใหญ่คล้ายกับระบบ DCS เช่น PID Loop การเชื่อมต่อ PLC สามารถเชื่อมต่อด้วยความเร็วสูงในระดับ 10/100 mbps หรือโดยทางอินเตอร์เน็ตได้ ดังแสดงในรูปที่ 1

รูปที่ 1 รูปแบบการเชื่อมต่อของ PLC

SCADA หมายถึงระบบที่ประกอบด้วย RTU (Remote Terminal Unit) จำนวนหลาย ๆ ตัว ที่เก็บข้อมูลจากภาคสนามและส่งข้อมูลกลับมายังมาสเตอร์ (Master) ที่ศูนย์กลางด้วยการสื่อสารข้อมูล SCADA สามารถควบคุมอุปกรณ์ระยะไกลผ่านชุดดิจิตอลเอาต์พุตของ RTU ดังรูปที่ 2 ซึ่งแสดงตัวอย่างของ SCADA

รูปที่ 2 รูปแบบการเชื่อมต่อของ SCADA

ในปี 1960 อุปกรณ์ที่วัดค่าใช้ค่า 4-20 mA ในการส่งค่าและได้เป็นที่นิยมเป็นอย่างมากหรือเรียกอีกอย่างว่าเป็นมาตรฐานดีแฟกโต้สำหรับเทคโนโลยีการวัดค่าในสมัยนั้นก็ว่าได้ ผลก็คือผู้ผลิตอุปกรณ์วัดค่าในสมัยนั้นใช้การสื่อสารโดยส่งค่าอะนาลอก 4-20 mA ในผลิตภัณฑ์ของพวกเขา ทำให้ผู้ใช้มีตัวเลือกสำหรับเครื่องวัดและเซนเซอร์จากผู้ผลิตมากมายโดยไม่ต้องมีการแก้ไขปรับปรุงให้ทำงานเข้ากันได้

ด้วยการพัฒนาอย่างรวดเร็วของโปรเซสเซอร์และเทคโนโลยีทางดิจิตอล สถานการณ์หรือผลได้เปลี่ยนไปมาก ผู้ใช้เริ่มพึงพอใจกับประสิทธิภาพและประโยชน์เครื่องวัดค่าแบบดิจิตอล ด้วยคุณสมบัติของดิจิตอลข้อมูลหรือค่า สามารถถูกแสดงโดยหน้าจอแสดงผลหลาย ๆ แห่งพร้อมกัน มีความน่าเชื่อถือได้สูง ประหยัด สามารถปรับจูนตนเองได้โดยอัตโนมัติ และสามารถถูกตรวจสอบความผิดพลาดได้โดยง่าย

การเปลี่ยนแปลงมีแนวโน้มค่อย ๆ เปลี่ยนจากแบบอะนาลอกไปสู่แบบดิจิตอลทั้งหมด ในปัจจุบันเซนเซอร์แบบดิจิตอลมีจำนวนมากที่มีความสามารถในการสื่อสารข้อมูลแบบดิจิตอล เหล่านี้รวมทั้งเซนเซอร์สำหรับทำการวัดอุณหภูมิ ความดัน ระดับของเหลว การไหล มวลหรือน้ำหนัก ความเข้มข้น รวมทั้งวัดค่าทางไฟฟ้า เหล่านี้รู้จักในนามตัววัดค่าอัจฉริยะ (Smart Instrument)

มีอุปกรณ์หลายรูปแบบที่ประกอบด้วยการประมวลการสื่อสารแบบดิจิตอลที่ถูกเรียกว่าแอกชูเอเตอร์ (Actuator) อัจฉริยะ ตัวอย่างเช่น ตัวขับความเร็วแบบปรับเปลี่ยนค่าได้ ซอฟต์สตาร์ทเตอร์ รีเลย์ป้องกัน ตัวควบคุมสวิตช์เกียร์แบบดิจิตอล

รูปที่ 3 รูปแบบระบบสื่อสารข้อมูลในงานอุตสาหกรรม

2. โมเดลของ OSI (OSI Model)

โมเดลของ OSI เป็นโมเดลที่ถูกอ้างอิงค่อนข้างมากซึ่งมันถูกพัฒนาโดยหน่วยงานสากลชื่อ International Organization for Standardization ซึ่งได้รับการสนับสนุนจากผู้ผลิตในงานอุตสาหกรรมเป็นจำนวนมาก โมเดลหรือต้นแบบของ OSI จะลดขั้นตอนในการออกแบบระบบสื่อสารแทบทุกขั้นตอนรวมทั้งลดปัญหาในการสื่อสารในแต่ละชั้นหรือเลเยอร์ (Layer) ดังรูปที่ 4 มาตรฐานในการเชื่อมต่อทางฟิสิคอล เช่น EIA-232 จะถูกจัดลงในเลเยอร์ที่ 1

ขณะเดียวกันเลเยอร์อื่น ๆ มักจะเกี่ยวข้องกับการทำงานของซอฟต์แวร์ ข้อความหรือข้อมูลจะถูกจัดลงในรูปของแพ็คเก็ต (Packet) ที่เป็นแถวลำดับข้อมูลในหน่วยไบต์ (Byte) โปรโตคอลจะกำหนดขนาดหรือความยาวของแพ็คเก็ต ในแต่ละแพ็คเก็ตต้องการที่อยู่ต้นทางหรือแอดเดรสต้นทาง (Source Address) และที่อยู่ปลายทางหรือแอดเดรสปลายทาง (Destination Address) ที่ตัวส่งหรือระบบสื่อสารรู้ว่าที่ไหนที่ข้อมูลจะถูกส่งไปถึงและตัวรับจะสามารถรู้ว่าที่ไหนส่งข้อมูลมาให้

แพ็คเก็ตจะเริ่มถูกสร้างที่ชั้นบนสุดของโปรโตคอลปกติคือ แอพพลิเคชั่นเลเยอร์ (Application Layer) และจะถูกส่งลงมาทีละลำดับชั้นผ่านการถูกประมวลผลโดยซอฟต์แวร์ในแต่ละชั้นจนกระทั้งมาถึงชั้นล่างสุดหรือฟิสิคอลเลเยอร์ (Physical Layer) และจะถูกส่งไปในสื่อสัญญาณหรือตัวกลาง ในช่วงเวลาที่แพ็คเก็ตลงมาทีละชั้นนั้นแพ็คเก็ตจะถูกเพิ่มข้อมูลส่วนหัวหรือเฮดเดอร์ (Header) เฮดเดอร์ที่เพิ่มในแต่ละชั้นจะบอกเลเยอร์อีกฝั่งหนึ่งว่าจะต้องทำอย่างไรกับแพ็คเก็ตที่มันได้รับ โดยที่ฝั่งรับแพ็คเก็ตจะถูกส่งขึ้นทีละชั้นเช่นกัน และส่วนของเฮดเดอร์จะถูกถอดออกและนำไปประมวลผลในแต่ละเลเยอร์

ดังตัวอย่างที่แอพพลิเคชั่นเลเยอร์จะได้รับข้อมูลส่วนหัวที่แอพลิเคชันเลเยอร์อีกฝั่งหนึ่งสร้างลูกศรระหว่างเลเยอร์ว่าแต่ละเลเยอร์อ่านแพ็คเก็ตที่มาจากเลเยอร์ลำดับเดียวกันอีกฝั่งหนึ่ง ซึ่งวิธีนี้อาจถูกเรียกว่าการสื่อสารแบบเพียร์ทูเพียร์ (Peer-to-Peer) ถึงแม้ตัวแพ็คเก็ตจริง ๆ แล้วจะถูกเคลื่อนย้ายผ่านสื่อทางกายภาพจริง ๆ เช่น สายทองแดง ชั้นสแต็กของเลเยอร์ที่อยู่คั่นระหว่างกลาง ในรูปที่ 4 แสดงถึงเราเตอร์ที่ถูกใช้เพื่อแก้เงื่อนไขในการส่งข้อมูลระหว่าง 2 ฝั่งในกรณีพิเศษ เช่น กรณีอุปกรณ์ต่างระบบหรือต่างแพลตฟอร์ม (Platform) โมเดล OSI มีประโยชน์ในการกำหนดกรอบการออกแบบสำหรับระบบสื่อสารข้อมูลทุกระบบ

อย่างไรก็ตามมันไม่ได้นิยามถึงตัวโปรโตคอลจริง ๆ หรือภาษาสำหรับการสื่อสารข้อมูลที่ถูกใช้ในแต่ละเลเยอร์ ผู้ใช้สุดท้ายยังคงคาดหวังว่ากลุ่มผู้ผลิตจะทำงานร่วมกันเพื่อนิยามมาตรฐานซอฟต์แวร์หรือฮาร์ดแวร์ให้เหมาะสมกับงานอุตสาหกรรมในแต่ละประเภท ดังนั้นการออกแบบระบบสื่อสารข้อมูลต้องออกแบบให้สอดคล้องกับโมเดล OSI และใช้มันเป็นข้อมูลพื้นฐานในการออกแบบเพื่อให้มันสามารถทำงานเข้ากันกับอุปกรณ์ตัวอื่น ๆ ได้

รูปที่ 4 รูปการสื่อสารของโมเดล OSI

3. โปรโตคอล

ดังที่กล่าวมาแล้ว โมเดล OSI ได้กำหนดกรอบการออกแบบของแต่ละโปรโตคอลให้ปฏิบัติตาม ในทางกลับกันโปรโตคอลนิยามรูปแบบเฟรมฟอร์แมต ที่อาจจะประกอบส่วนต่าง ๆ ดังนี้

ไบต์แรก สามารถเป็นชุดของหนึ่งและศูนย์สลับกันเพื่อการเข้าจังหวะกับตัวรับหรือเป็นแฟลก (Flag) หรือตัวบ่งบอกว่าจุดเริ่มต้นของเฟรมอยู่ที่ไหน (ใช้สำหรับตัวรับ) ไบต์ที่สอง อาจจะบรรจุที่อยู่ปลายทางที่บอกว่าข้อมูลจะส่งไปที่ไหน ไบต์ที่สาม บรรจุที่อยู่ต้นทางเพื่อบอกว่าข้อมูลมาจากไหน และหลาย ๆ ไบต์ที่อยู่ตรงกลางเป็นข้อมูลจริงที่ต้องถูกส่งจากตัวส่งไปยังตัวรับ 

และ ไบต์สุดท้าย คือตัวชี้บ่งบอกว่าเป็นจุดจบของเฟรมหรือเป็นรหัสสำหรับไว้ตรวจสอบความผิดพลาด เช่น CRC, LRC, หรือ Checksum โปรโตคอลมีหลากหลายจากง่าย ๆ (เป็นแบบ ASCII) หรือเป็นแบบไบนารีที่ซับซ้อนมาก (เช่น TCP/IP) ที่ทำงานที่ความเร็วในการส่งระดับ mbps อีกอย่างเราสามารถพูดได้ว่าไม่มีโปรโตคอลใดถูกหรือผิด แต่ขึ้นอยู่กับจุดประสงค์และความเหมาะสมในการนำไปใช้งานนั้น ๆ

รูปที่ 5 รูปแบบเฟรมทั่วไปของโปรโตคอล

4. มาตรฐาน

ในบทความตอนนี้จะอธิบายเกี่ยวกับมาตรฐานที่สำคัญที่ใช้ในงานอุตสาหกรรมและจะกล่าวรายละเอียดในบทความตอนถัด ๆ ไปซึ่งมาตรฐานที่จะกล่าวจะมีดังนี้

RS-232 หรืออีกชื่อ EIA-232 คือมาตรฐานการเชื่อมต่อที่ถูกพัฒนาขึ้นในสหรัฐอเมริกา ในปี 1969 เพื่อนิยามรายละเอียดเกี่ยวกับสัญญาณไฟฟ้าและการเชื่อมต่อทางกายภาพระหว่างอุปกรณ์ต้นทางและปลายทาง หรือ DCE (Data Terminal Equipment) และอุปกรณ์ในการสื่อสารข้อมูล (DCE: Data Communication Equipment) ที่ทำการเปลี่ยนข้อมูลให้เป็นข้อมูลไบนารีแบบอนุกรม การสื่อสารแบบอนุกรมระบบสื่อสารอาจจะประกอบด้วยองค์ประกอบดังนี้:

- DTE อุปกรณ์ที่สร้างข้อมูลหรือประมวลผลข้อมูลและส่งข้อมูล เช่น คอมพิวเตอร์
- DCE คือตัวแปลงข้อมูล เช่น โมเด็มที่แปลงสัญญาณให้อยู่ในรูปที่เหมาะสมกับสื่อสัญญาณ เช่น สัญญาณอะนาลอกสำหรับระบบโทรศัพท์
- สื่อสัญญาณ เช่น ระบบสายโทรศัพท์ และสายใยแก้วนำแสง
- ตัวรับที่เหมาะสมเช่น โมเด็ม หรือ DCE อีกด้านที่แปลงสัญญาณอะนาลอกกลับไปยังระดับสัญญาณที่ตัวเทอร์มินอลรับปลายทางสามารถนำไปใช้งานได้
- เทอร์มินอลรับข้อมูล เช่น เครื่องพิมพ์ที่รับสัญญาณพัลส์ดิจิตอลและถอดรหัสกลับเป็นตัวอักษร

รูปที่ 6 รูปแบบการส่งข้อมูลโดย RS-232 ผ่านโมเด็มอะนาลอก

มาตรฐาน EIA-232C อธิบายการเชื่อมต่อระหว่างเทอร์มินอล (DTE) และโมเด็ม (DCE) ที่ทำการส่งข้อมูลดิจิตอลแบบอนุกรม และมันยังเปิดช่องให้ผู้ออกแบบฮาร์ดแวร์และโปรโตคอลสามารถพัฒนาผลิตภัณฑ์ได้อย่างยืดหยุ่นในระยะเวลาที่ผ่านมา มาตรฐานได้ถูกดัดแปลงประยุกต์ใช้ในอุปกรณ์มากมายเช่น คอมพิวเตอร์ส่วนบุคคล, เครื่องพิมพ์, PLC, เครื่องมือวัด และอุปกรณ์อื่น ๆ

ปัจจุบันเวอร์ชันล่าสุดของ EIA-232 คือ EIA-232E ที่ได้ขยายเปลี่ยนนิยามของ DCE จาก "Data Communication Equipment" เป็นนิยามที่มีความหมายกว้างกว่าคือ "Data Circuit-Terminating Equipment" EIA-232 มีจุดอ่อนหลายจุดที่ไม่เหมาะในระบบสื่อสารสำหรับการควบคุมและวัดค่าในสภาพแวดล้อมอุตสาหกรรม ผลต่อเนื่องจากจุดอ่อนทำให้เกิดมาตรฐาน EIA อื่น ๆ ที่ถูกพัฒนาเพื่อแก้ข้อด้อยหรือข้อจำกัดเหล่านั้น มาตรฐานอื่น ๆ ที่ถูกพัฒนาเพื่อระบบวัดคุมที่ใช้อย่างแพร่หลายคือ EIA-423, EIA-422 และ EIA-485 

EIA-485 เป็นระบบสื่อสารแบบสมดุลซึ่งใช้ระดับสัญญาณระดับเดียวกับมาตรฐาน EIA-422 แต่เพิ่มอัตราการส่งข้อมูล และจำนวนตัวรับส่งในสื่อเดียวกัน สามารถมีถึง 32 ตัวตามที่มาตรฐานกำหนด มาตรฐาน EIA-485 ถูกใช้อย่างแพร่หลายในงานระบบวัดคุม ตัววัดค่าและตัวควบคุมสามารถถูกต่อเข้าด้วยกันบนเครือข่ายเดียวกัน รูประบบ RS-485 แบบง่าย ๆ แสดงในรูปที่ 7 EIA-485 สามารถใช้ระดับสัญญาณ TTL คือ 0-5 โวลต์ ในการส่งสัญญาณได้ การส่งข้อมูลจะเป็นแบบ Half Duplex ในกรณีต้องการส่งข้อมูลแบบ Full Duplex จะต้องใช้วงจร RS-485 2 ชุดเรียกอีกอย่างว่า RS-422

รูปที่ 7 รูปแบบการส่งข้อมูลโดย RS-485

มีสายใยแก้วนำแสง 2 ประเภทหลัก ๆ ที่ใช้ในงานอุตสาหกรรมดังนี้
• ซิงเกิลโหมด หรือ โมโนโหมด (Single Mode/Mono Mode) โดยความยาวคลื่นแสงที่ใช้มักอยู่ที่ 1300 nm
• มัลติโหมด (Multimode) โดยความยาวคลื่นแสงที่ใช้มักอยู่ที่ 850 nm หรือ 820 nm

สรุปได้ว่าแนวโน้มการใช้สายใยแก้วนำแสงค่อนข้างโดดเด่นมากโดยเฉพาะในงานติดตั้งใหม่ที่ต้องการส่งข้อมูลความเร็วสูงและปริมาณมาก อีกอย่างประเภทหัวของสายใยแก้วที่ได้รับความนิยมในประเทศไทยคือหัว ST, SC และ FC 

รูปที่ 8 รูปแบบการเคลื่อนที่ของแสงในสายใยแก้วนำแสง

MODBUS เป็นโปรโตคอลที่ถูกพัฒนาโดยบริษัท Modicon ประเทศสหรัฐอเมริกาซึ่งปัจจุบันได้เป็นส่วนหนึ่งของบริษัท Schneider Electric MODBUS ถูกออกแบบสำหรับใช้งานในระบบควบคุมการผลิตโดย PLC มาตรฐาน MODBUS นี้อ้างอิงกฎหรือขั้นตอนของชั้นดาต้าลิ้งค์เลเยอร์ (Data-Link Layer) และแอพพลิเคชั่นเลเยอร์ (Application Layer) ของโมเดล OSI เท่านั้น นั้นหมายความว่าขั้นตอนการทำงานในระดับชั้นฟิสิคอลเลเยอร์ (Physical Layer) สามารถใช้มาตรฐานใดก็ได้ MODBUS โปรโตคอลเป็นที่นิยมใช้อย่างกว้างขวาง

เพราะมีผลการสำรวจแล้วพบว่ามากกว่า 40% ของระบบสื่อสารข้อมูลในงานอุตสาหกรรมใช้ MODBUS ในหนึ่งเครือข่ายหรือระบบที่ใช้โปรโตคอล MODBUS สามารถมีจำนวนโหนดมากถึง 247 โหนดตามที่มาตรฐานกำหนดโดยใช้หลักการสื่อสารแบบ Master-Slave โดยมีโครงสร้างของเฟรมดังรูปที่ 9 ในส่วนของ Address Field บ่งบอกถึงอุปกรณ์ที่กำลังถูกดึงข้อมูล

ในส่วนของ Function Field บ่งบอกถึงคำสั่งที่กำลังถูกสั่งให้ทำงาน ตัวอย่างเช่น การอ่านการส่งค่าอะนาลอกและดิจิตอลในตัว Slave ในส่วนของ Data Field คือข้อมูลที่ถูกส่งจากอุปกรณ์ Slave ไปยัง Master หรือจาก Master ไปยัง Slave (กรณีคำสั่งเขียนข้อมูล) สุดท้ายคือส่วน Error Field ใช้เพื่อสร้างความมั่นใจว่าตัวรับสามารถตรวจสอบความถูกต้องของข้อมูลได้

รูปที่ 9 รูปแบบเฟรมของ MODBUS

MODBUS PLUS ถูกสร้างโดยใช้เทคนิคการส่งข้อมูลแบบ Token Passing ออกแบบใช้งานบนอุปกรณ์ Modicon PLC เท่านั้น ส่งผลทำให้ขาดการเปิดของโปรโตคอลหรือพูดได้อีกอย่างว่า MODBUS PLUS คือโปรโตคอลปิด มีน้อยอุปกรณ์ที่สนับสนุน MODBUS PLUS

IEC60870-5-103 เดิมทีถูกพัฒนาโดยบริษัท SIEMENS บริษัทยักษ์ใหญ่ของเยอรมันในชื่อ VDEW และได้ถูกเสนอเข้ามาเป็นมาตรฐาน IEC ในชื่อ IEC870-5-103 และสุดท้ายในชื่อ IEC60870-5-103 IEC60870-5-103 เป็นที่นิยมในระบบสื่อสารข้อมูลของระบบป้องกันทางไฟฟ้าโดยเฉพาะในรีเลย์ป้องกัน IEC60870-5-103 ใช้ได้ดีเฉพาะระบบป้องกันเท่านั้นเพราะได้ถูกออกแบบมาเฉพาะงานดังกล่าว

จำนวนโหนดที่มีได้ในหนึ่งเครือข่ายคือ 254 โหนด แต่ที่ต่อได้จริงไม่ควรเกิน 20 โหนดเพราะจะทำให้ใช้เวลานานในการดึงทั้งหมด ประเภทเฟรมของ IEC60850-5-103 มี 3 ประเภทคือเฟรมที่ความยาวเปลี่ยนแปลงตามขนาดข้อมูล, เฟรมที่มีความยาวคงที่ส่วนใหญ่ใช้ในการทำแฮนด์เช็คกิ้ง และเฟรมขนาดหนึ่งไบต์ส่วนใหญ่ใช้สำหรับการทำการยืนยัน

รูปที่ 10 รูปแบบเฟรมของ IEC60850-5-103

DNP3 ถูกพัฒนาโดยบริษัท GE-Harris โดยจุดประสงค์ที่สามารถสนับสนุนทุกประเภทงานในอุตสาหกรรม DNP3 เป็นโปรโตคอลที่มีความยืดหยุ่นค่อนข้างสูงและมี 3 ระดับตามขนาดและประสิทธิภาพของตัวอุปกรณ์เช่น ระดับหนึ่งสำหรับดิจิตอลมิเตอร์, ระดับสองสำหรับรีเลย์ป้องกัน และระดับสามสำหรับศูนย์สั่งการ DNP3 สามารถทำงานบน TCP/IP เรียกว่า DNP3 over TCP/IP

ข้อดีข้อหนึ่งของ DNP3 คือสามารถเปลี่ยนแปลงรูปแบบข้อมูลได้ในระหว่างการใช้งานและสนับสนุนงานที่ต้องการหลายมาสเตอร์ได้ DNP3 ยังสนับสนุนการทำงานแบบ Unsolicited Response หมายความว่าอุปกรณ์ประเภทสแลฟสามารถส่งข้อมูลได้เองโดยไม่ต้องรอคำถามจากมาสเตอร์

รูปที่ 11 รูปแบบการเชื่อมต่อของอุปกรณ์ที่ใช้ DNP3

โปรโตคอลนี้ถูกสร้างเพื่อเป็นแบ็คโบนของอุปกรณ์ PLC ของ Allen Bradley (ปัจจุบันเป็นส่วนหนึ่งของ Rockwell Automation) Data High Plus เป็นโปรโตคอลที่ใช้ 3 เลเยอร์ของ OSI คือ ฟิสิคอล, ดาต้าลิงค์ และแอพพลิเคชั่น โดยมีโครงสร้างดังรูปที่ 12 มี 2 Address คือ DST และ SRC ใน Protocol Message ที่บอกที่อยู่ต้นทางและปลายทาง Data High Plus ใช้วิธีโทเคนพาสซิงที่แต่ละสถานีในเครือข่ายสามารถเป็นมาสเตอร์ในช่วงเวลาสั้น ๆ ตามที่กำหนดหรือตั้งค่าไว้

รูปที่ 12 รูปแบบโครงสร้างของโปรโตคอล Data High Plus

โปรโตคอล HART (Highway Addressable Route Transducer) คือโปรโตคอลที่ใช้สำหรับอุปกรณ์วัดค่าโดยสามารถทำงานบนค่าอนาล็อกที่ 4-20mA ในรูปแบบส่งค่าแบบดิจิตอล นั้นหมายความว่าเราสามารถใช้สายเส้นเดิมของทรานส์ดิวเซอร์แบบดั้งเดิมทำการส่งข้อมูลโดยโปรโตคอล HART 

รูปที่ 13 รูปแบบการเชื่อมต่อของโปรโตคอล HART

ASi เป็นโปรโตคอลที่ใช้ในการควบคุมระบบงานที่ไม่ซับซ้อน โดยใช้รูปแบบการสื่อสารที่โปรโตคอล ASi ใช้คือรูปแบบมาสเตอร์สแลฟ ตัว ASi สามารถทำความเร็วสูงสุดได้ที่ 167 kbps หมายความว่าถ้ามี 31 โหนด โดยแต่ละโหนดมี 124 I/O จะใช้เวลา 5 ms ในการดึงข้อมูลที่ต้องการได้ทั้งหมด 

CANBUS ถูกพัฒนาโดยบริษัท Bosch ที่เรารู้จักกันดีในเรื่องเครื่องมือช่างที่คุณภาพดีจากประเทศเยอรมัน โดยจุดประสงค์แรกเริ่มของ CANBUS ใช้ในอุตสาหกรรมรถยนต์โดยเฉพาะระบบอิเล็กทรอนิกส์ภายในรถ เช่น แอร์ ประตู ระบบเบรก รวมทั้งกล่อง ECU (Electronic Control Unit) CANBUS ยังถูกนำมาใช้เป็น I/O Bus ใน RTU หลาย ๆ ยี่ห้อเช่น ABB หรือกระทั่งระบบอัตโนมัติจากประเทศจีนเช่น NARI

รูปที่ 14 รูปแบบของเฟรมโปรโตคอล CAN

DEVICENET ถูกพัฒนาโดยบริษัท Allen-Bradley (ปัจจุบัน Rockwell) เป็นโปรโตคอลระดับล่างที่เน้นในการส่งข้อมูลประเภท DI/DO โดยที่ DEVICENET ใช้ 3 เลเยอร์ของโมเดล OSI ตัว DEVICENET สามารถสนับสนุนจำนวนโหนดตั้งแต่ 64 โหนดจนถึง 2048 โหนด และถูกออกแบบให้สามารถส่งไฟเลี้ยงไปยังอุปกรณ์วัดค่าได้ด้วย OMROM PLC จากประเทศญี่ปุ่นที่เราจักกันดีใช้ DEVICENET เป็นโปรโตคอลหลักในการสื่อสาร

รูปที่ 15 รูปแบบการอ้างอิงโมเดล OSI ของโปรโตคอล DEVICENET 

ถึงแม้จะถูกพัฒนาโดยองค์กร German Standard Association โดยมาตรฐานที่ทำงานจะเป็นแบบ EIA-485 เรียกว่า PROFIBUS DP และที่ทำงานบนมาตรฐาน IEC61158 เรียกว่า PROFIBUS PA ตัว PROFIBUS เป็นโปรโตคอลที่ได้รับความนิยมค่อนข้างมากโดยเฉพาะในงานอุตสาหกรรม

โดยมีรูปแบบการเชื่อมต่อดังรูปที่ 16 PROFIBUS ใช้วิธีการสื่อสารข้อมูลแบบผสมผสานระหว่างวิธีโทเคนพาสซิงและมาสเตอร์สแลฟเพื่อให้ได้ประสิทธิภาพในการสื่อสารดีที่สุด PROFIBUS ใช้ 3 เลเยอร์ตามมาตรฐาน OSI คือ ฟิสิคอล, ดาต้าลิงค์ และแอพพลิเคชั่น และมีการเพิ่มเลเยอร์ที่ 8 เรียกว่า ยูสเซอร์เลเยอร์ (User Layer) สำหรับอุปกรณ์ที่ใช้ PROFIBUS เป็นโปรโตคอลหลักที่รู้จักกันดีคือ SIEMENS PLC

รูปที่ 16 รูปแบบการเชื่อมต่อของโปรโตคอล PROFIBUS

Foundation Fieldbus ปัจจุบันอาจจะถือว่าเป็นมาตรฐานใหม่ล่าสุดที่ใช้ในการเชื่อมต่อระหว่างอุปกรณ์วัดค่า และ PLC รวมไปถึง DCS ตัว Foundation Fieldbus ใช้ 3 เลเยอร์ของโมเดล OSI และมีใช้ 2 เวอร์ชันอ้างอิงตามความเร็วคือความเร็วทั่วไปในชื่อ H1 และเวอร์ชันความเร็วสูงเรียกว่า HSE

Foundation Fieldbus อ้างอิงใช้งานเลเยอร์คล้ายกับ PROFIBUS โดยประกอบด้วยเลเยอร์ ฟิสิคอล, ดาต้าลิงค์, แอพพลิเคชั่น และยูสเซอร์ที่ใช้นิยามฟังก์ชันบล็อก

IEC60850-5-101 ถูกออกแบบสำหรับการสื่อสารระหว่าง SCADA และ RTU โดยเฉพาะระบบไฟฟ้า โครงสร้างระดับดาต้าลิงค์มีความคล้ายคลึงกับ IEC60850-5-103 ตัว IEC60850-5-101 สามารถทำงานบน TCP/IP เรียกอีกอย่างว่า IEC60850-5-104 IEC60850-5-101 มีข้อด้อยอย่างหนึ่งคือไม่สามารถมีจำนวนมาสเตอร์หลายมาสเตอร์ได้เนื่องจากไม่มีฟิลด์สำหรับระบุมาสเตอร์ อย่างไรก็ตาม IEC60850-5-101 นิยมใช้ในระบบ SCADA โดยเฉพาะในผลิตภัณฑ์จากประเทศยุโรป

SPABUS ถูกพัฒนาโดยบริษัท ABB ในประเทศฟินแลนด์ โดยออกแบบมาเพื่อใช้ในระบบควบคุมและป้องกันในอุตสาหกรรมการผลิตและจำหน่ายไฟฟ้า SPABUS เป็นโปรโตคอลที่ไม่ซับซ้อนทำงานโดยใช้อักขระ ASCII ทำให้เราสามารถอ่านแพ็คเก็ตบนเครื่องมือพื้นฐานได้โดยง่ายเช่นโปรแกรมไฮเปอร์เทอร์มินอล (Hyperterminal) อุปกรณ์ที่ใช้ SPABUS มักจะเป็นรีเลย์ป้องกันโดยรีเลย์ของ ABB ในตระกูล SPA

รูปที่ 17 รูปแบบการเชื่อมต่อของโปรโตคอล SPABUS โดยใช้สายใยแก้วนำแสง

LONBUS ถูกพัฒนาโดยบริษัท Echelon มีชื่อเดิมว่า LonTalk โดยได้ถูกใช้อย่างแพร่หลายในระบบอาคารอัตโนมัติ แต่อย่างไรก็ตาม LONBUS ได้ถูกนำมาประยุกต์ใช้ในอีกหลายระบบงานเช่น ระบบรถไฟฟ้า ระบบจำหน่ายไฟฟ้า จนได้รับเสนอเป็นมาตรฐานในชื่อ ANSI/CEA-709.1-B ตัว LONBUS ยังถูกสนับสนุนโดยซอฟต์แวร์ประเภทบำรุงรักษา เช่น IFS ของสวีเดนนั้นหมายความว่าซอฟต์แวร์สามารถดึงค่าจากอุปกรณ์หรือเครื่องจักรเพื่อวางแผนบำรุงรักษาได้โดยไม่ต้องใช้คนป้อนข้อมูล  

 .

Industrial Ethernet

Industrial Ethernet ได้ถูกพัฒนาเร็วมากและได้ก้าวข้ามปัญหาเกี่ยวกับความเชื่อถือได้ที่ต่ำไม่เพียงพอต่องานระบบอุตสาหกรรม หนึ่งในเหตุผลสำหรับความสำเร็จของ Industrial Ethernet คือการใช้งานที่ง่ายและราคาติดตั้งที่ไม่สูงเนื่องจากมีผลิตภัณฑ์ในตลาดเป็นจำนวนมาก ในยุคเริ่มแรก Ethernet ใช้แค่เพียงวิธีการที่เรียกว่า CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access/Collision Detect) เท่านั้น ซึ่งมีข้อด้อยในเรื่องการไม่สามารถคาดการณ์เวลาที่จะได้รับข้อมูล จึงไม่เหมาะสมกับงานควบคุมกระบวนการผลิต

แต่ในปัจจุบัน Ethernet มีความเร็วในการส่งข้อมูลสูงมากกว่า 100 mbp และยังทำงานแบบ Full Duplex ตามมาตรฐาน IEEE 802.3 ด้วยความสามารถของ Ethernet Switch ปัจจุบันสามารถจัดระดับความสำคัญของแพ็คเก็ตส่งผลให้ระบบ Ethernet สามารถคาดการณ์การได้รับข้อมูลแม่นยำดีขึ้นเป็นอย่างมาก Ethernet Switch ยังจัดการและติดตั้งได้ง่ายกว่าวิธีการแบบโทเคนพาสซิ่งเป็นอย่างมาก โดยรูปที่ 18 แสดงตัวอย่างทั่วไปของ 100BASE TX

รูปที่ 18 รูปแบบการเชื่อมต่อของโปรโตคอล Ethernet

แพร่หลายเนื่องจากเติบโตพร้อมกับระบบอินเตอร์เน็ต TCP/IP ยังทำงานได้ดีมากกับ Ethernet จริงจริงแล้ว TCP/IP สามารถถูกจัดได้ 3 เลเยอร์ดังนี้

• Process/Application Layer (เทียบเท่ากับ 3 เลเยอร์บนสุดของ OSI)
• Service/Host-to-Host Layer (เทียบเคียงกับ Transport ของ OSI)
• Internetwork Layer (เทียบเคียงกับ Network ของ OSI)

และที่จริงแล้ว TCP/IP คือชุดของโปรโตคอลหลาย ๆ ตัวที่มีคุณสมบัติเฉพาะตัวแตกต่างกันไปเช่น HTTP สำหรับการแสดงผลบนเว็บ, FTP สำหรับการถ่ายโอนไฟล์ เป็นต้น TCP/IP ถือว่าเป็นโปรโตคอลที่มีค่าใช้จ่ายค่อนข้างต่ำและถูกสนับสนุนอย่างแพร่หลายในทุกระบบงาน อาจจะกล่าวได้ว่าการเกิดของ TCP/IP ทำให้หลาย ๆ โปรโตคอลได้ตายหรือหายไปจากระบบสื่อสารก็ว่าได้ ปัจจุบันโปรโตคอล TCP/IP ได้มีความสำคัญต่อชีวิตประจำวันของมนุษย์มากไม่ว่าจะเป็นอินเตอร์เน็ต โทรศัพท์ คอมพิวเตอร์ซึ่งเป็นอุปกรณ์หลักในการให้บริการเราเช่น ระบบธนาคาร

รูปที่ 19 ชุดโปโตคอล TCP/IP เทียบเคียงกับโมเดล OSI

การใช้ Radio ในงานอุตสาหกรรมเกี่ยวข้องกับการใช้โมเด็มในการส่งข้อมูล ดังแสดงในตัวอย่างรูปที่ 20 MODBUS สามารถถูกส่งบนดาต้าลิงค์ของโมเด็มไร้สายได้ การมีมาตรฐานใหม่ของไวร์เลส (Wireless) เช่น IEEE 802.11b หรือ IEEE 802.11a และ IEEE 802.15 หรือ Bluetooth ทำให้มีความเชื่อถือในระบบไร้สายสูงขึ้นและราคาติดตั้งค่อนข้างต่ำ และในปัจจุบันเริ่มมีหลายโรงงานอุตสาหกรรมหันมาเริ่มใช้ไวร์เลสในกระบวนการผลิตเนื่องจากประหยัดต้นทุนค่าสายสัญญาณและการติดตั้ง

รูปที่ 20 รูปแบบการใช้สัญญาณวิทยุในการส่งข้อมูล

IEC61850 ถือว่าเป็นโปรโตคอลตัวล่าสุดที่ออกแบบมาใช้ในระบบสถานีไฟฟ้าโดยตัวตั้งตัวตีคือสามบริษัทยักษ์ใหญ่ทางด้านระบบไฟฟ้าในยุโรปนั้นคือ Siemens, ABB และ AREVA จุดมุ่งหมายคือมาแทนที่โปรโตคอลทุกตัวไม่ว่าจะเป็นระบบเวลาจริง (Real-time System) หรือ แบบไคลเอนท์เซิร์ฟเวอร์ (Client-Server) การโอนหรือบันทึกค่าการติดตั้งจะใช้เทคโนโลยีทาง XML (Extension Mark-up Language) ในชื่อของภาษา SCL (Substation Configuration Language)

นั้นหมายความว่าถ้าแต่ละผู้ผลิตทำตามมาตรฐาน IEC61850 ไฟล์คอนฟิกกูเรชันและพารามิเตอร์ก็สามารถใช้งานร่วมกันได้ รูปแบบการสื่อสาร IEC61850 จะใช้ Ethernet อย่างเดียวสำหรับการส่งข้อมูลแบบวิกฤตเช่นระบบป้องกัน เรียกว่า GOOSE (Generic Object Oriented System Event) ในส่วนระบบควบคุมจะใช้ IEC61850 จะวิ่งบน TCP/IP เรียกว่า MMS (Manufacturing Message Specification )

การเข้าใจระบบสื่อสารข้อมูลโดยเฉพาะในงานอุตสาหกรรม สามารถทำให้เราเข้าถึงแก่นความสามารถของระบบ รวมทั้งสามารถแก้ไขปัญหาได้อย่างมีประสิทธิภาพและรวดเร็ว ในบทความถัดไปผู้เขียนจะกล่าวถึงปัญหาและก็มีวิธีการแก้ไขในระบบสื่อสารข้อมูลในงานอุตสาหกรรมโปรดติดตามนะครับ

1. J.E Goldman and P.T Rawles, Applied Data Communications. Addison-Wesley, New York,2001
2. J. Fulcher, An Introduction to Microcomputer Systems: Architecture and Interfacing. Addison-Wesley, Sydney,1989
3. S. Mackay, E. Wright, D. Reynders and .J Park, Practical Industrial Data Network: Design, Installation and Troubleshooting. IDC Technologies, Perth,2004