เนื้อหาวันที่ : 2009-06-10 12:06:22 จำนวนผู้เข้าชมแล้ว : 25420 views

การสื่อสารข้อมูลในงานอุตสาหกรรม (ตอนที่ 1)

การสื่อสารข้อมูลเกี่ยวข้องกับการถ่ายโอนข้อมูลข่าวสารระหว่างจุดหนึ่งไปยังอีกจุดหนึ่ง ข้อมูลที่รับส่งกันบางทีอาจจะเรียกอีกอย่างว่าข่าวสารหรืออินฟอร์เมชั่น ซึ่งถูกแทนด้วยแถวลำดับของค่าเท่ากับศูนย์และค่าเท่ากับหนึ่งในการส่งค่าแบบดิจิตอลซึ่งเป็นค่าที่สามารถถูกจัดการได้โดยง่ายด้วยคอมพิวเตอร์หรือหน่วยประมวลผล มีระบบสื่อสารข้อมูลหลายแบบสามารถสื่อสารได้โดยใช้ค่าอะนาลอก แต่ในงานวัดค่าสมัยใหม่เกือบทั้งหมดใช้การถ่ายโอนหรือส่งข้อมูลแบบดิจิตอล ระบบสื่อสารข้อมูลทุกระบบต้องมีตัวส่งข้อมูลหรือทรานสมิตเตอร์

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

.
1. ระบบวัดค่าและควบคุมสมัยใหม่ (Modern Instrumentation & Control System)

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

.

การรวบหลายระบบเข้าด้วยกันโดยการใช้ความสามารถของระบบสื่อสารข้อมูลระหว่างแต่ละระบบที่มาจากผู้ผลิตแตกต่างกันในโรงงานจะสามารถลดจำนวนการลากสายคอนโทรลรวมทั้งจำนวนเทอร์มินอล (Cable Terminal) ซึ่งมีค่าติดตั้งราคาค่อนข้างสูง

.

ความสามารถในการผลิตและคุณภาพของผลิตภัณฑ์คือเป้าหมายหลักในการบริหารจัดการที่ดีของแต่ละกระบวนการผลิต การบริหารจัดการสามารถถูกปรับปรุงได้ด้วยข้อมูลกระบวนการผลิตที่แม่นยำที่สามารถหาได้ในระบบและภายในช่วงเวลาที่เหมาะสมกับความต้องการ จากนี้เราสามารถพูดได้ว่าระบบวัดค่าและควบคุมที่ดีสามารถสนับสนุนคุณภาพและความสามารถในการผลิต เป้าหมายหลักของระบบวัดคุมในงานอุตสาหกรรมมีดังต่อไปนี้

.
• ควบคุมกระบวนการผลิตและส่งสัญญาณเตือน (Control of Processes and Alarm)

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)

.
•  การควบคุมลำดับการทำงาน, อินเตอร์ล็อกกิ้ง และสัญณาณเตือน

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

.
•  HMI (Human Machine Interface)

ในสมัยแรกกระบวนการผลิตในโรงงานจะถูกสั่งทำงานจากแผงควบคุมหน้าเครื่องจักรโดยผู้ปฏิบัติงานหลาย ๆ คนซึ่งแต่ละคนจะมีความรับผิดชอบในแต่ละส่วนงานของกระบวนการผลิตแตกต่างกันไป ระบบควบคุมสมัยใหม่มีแนวโน้มใช้ห้องควบคุมที่ศูนย์กลางสำหรับมอนิเตอร์โรงงานทั้งโรงงาน

.

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

.
•  สารสนเทศเพื่อการจัดการ (Management Information )

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

.
1.2 Programmable Logic Controller (PLC)

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

.
1.3 Supervisory Control and Data Acquisition (SCADA)

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

.

รูปที่ 2 รูปแบบการเชื่อมต่อของ SCADA

.
1.4 ระบบวัดค่าอัจฉริยะ (Smart Instrument Systems)

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)

.
คุณสมบัติหลักในการนิยามตัววัดค่าอัจฉริยะคือ
• เป็นเซนเซอร์ประมวลผลแบบดิจิตอล
• มีความสามารถในการส่งข้อมูลแบบดิจิตอล
• มีความสามารถในการต่อพ่วงกับอุปกรณ์ตัวอื่น
.

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 (EIA-232)
• RS-485 (EIA-485)
• สายใยแก้วนำแสง
• คลื่นวิทยุ และ สื่อสารไร้สาย
• MODBUS ASCII
• MODBUS RTU
• MODBUS Plus
• IEC60850-5-103
• DNP3
• Data Highway Plus/DH485
• HART
• ASi
• CANBUS
• DEVICENET
• PROFIBUS
• Foundation Fieldbus
• IEC60850-5-101
• SPABUS
• LONBUS
• Industrial Ethernet
• TCP/IP
• IEC61850
.
มาตรฐาน RS-232

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 

.
มาตรฐาน 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

.
สายใยแก้วนำแสง

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

.
เหตุผลหลักที่ใช้สายใยแก้วนำแสงในระบบสื่อสารข้อมูลในงานอุตสาหกรรมคือ
• ทนต่อสัญญาณรบกวนทางไฟฟ้า
• แสงไม่ได้รับผลกระทบจากเสิร์จและทรานเชี้ยนต์
.

สรุปได้ว่าแนวโน้มการใช้สายใยแก้วนำแสงค่อนข้างโดดเด่นมากโดยเฉพาะในงานติดตั้งใหม่ที่ต้องการส่งข้อมูลความเร็วสูงและปริมาณมาก อีกอย่างประเภทหัวของสายใยแก้วที่ได้รับความนิยมในประเทศไทยคือหัว ST, SC และ FC 

.

รูปที่ 8 รูปแบบการเคลื่อนที่ของแสงในสายใยแก้วนำแสง

.
MODBUS

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

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

.
IEC60870-5-103

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 (Distributed Network Protocol 3)

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

.
Data High Plus /DH485

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

.
HART

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

.

รูปที่ 13 รูปแบบการเชื่อมต่อของโปรโตคอล HART

.
ASi

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

.
CANBUS  (Control Area Network)

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

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 

.
PROFIBUS

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

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

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

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

.

รูปที่ 17 รูปแบบการเชื่อมต่อของโปรโตคอล SPABUS โดยใช้สายใยแก้วนำแสง

.
LONBUS

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

.
TCP/IP (Transmission Control Protocol/Internet Protocol)

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

.
Radio (Wireless) Communication

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

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 )

.

รูปที่ 21 รูปแบบโครงสร้างของ IEC61850

.
สรุป

การเข้าใจระบบสื่อสารข้อมูลโดยเฉพาะในงานอุตสาหกรรม สามารถทำให้เราเข้าถึงแก่นความสามารถของระบบ รวมทั้งสามารถแก้ไขปัญหาได้อย่างมีประสิทธิภาพและรวดเร็ว ในบทความถัดไปผู้เขียนจะกล่าวถึงปัญหาและก็มีวิธีการแก้ไขในระบบสื่อสารข้อมูลในงานอุตสาหกรรมโปรดติดตามนะครับ

.

เอกสารอ้างอิง

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

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