ทวิช ชูเมือง    

ในปัจจุบันระบบเครื่องมือวัดและการควบคุมสำหรับอุตสาหกรรมกระบวนการผลิตมีการพัฒนากันอย่างต่อเนื่อง เพื่อตอบสนองความต้องการจากผู้ใช้ทั้งในด้านจำนวนข้อมูล, ความเชื่อถือได้ของระบบควบคุมและสมรรถนะการทำงานที่เพิ่มขึ้น ดังนั้นจึงทำให้ระบบการสื่อสารหรือการส่งสัญญาณระหว่างเครื่องมือวัดและระบบควบคุมที่เป็นสัญญาณกระแสมาตรฐาน 4-20 mA จึงไม่สามารถรองรับขีดความสามารถที่เพิ่มขึ้นของเครื่องมือวัดต่าง ๆ เหล่านี้ได้

เพื่อให้การแลกเปลี่ยนข้อมูลระหว่างเครื่องมือวัดและระบบควบคุมมีประสิทธิภาพเพิ่มมากขึ้น และเพื่อให้ตัวแปรต่าง ๆ ที่อยู่ในเครื่องมือวัดสามารถจะส่งค่าตัวแปรต่าง ๆ ทั้งจากค่าที่วัดได้จากกระบวนการผลิตและค่าการวินิจฉัยความผิดปกติต่าง ๆ ไปแสดงค่าตัวแปรเหล่านี้บนระบบควบคุมเพื่อแจ้งเตือนไปยังผู้ปฏิบัติงาน ซึ่งจะเป็นประโยชน์อย่างมากในการตรวจสอบสถานะของเครื่องมือวัดและยังทำให้ผู้ใช้งานสามารถวางแผนการปรับเทียบหรือซ่อมบำรุงได้อย่างมีประสิทธิภาพ

จึงมีความจำเป็นที่ต้องมีการพัฒนาระบบการสื่อสารเพื่อให้มีปริมาณการรับส่งข้อมูลได้มากขึ้น ระบบการควบคุมแบบ  FieldBus จึงเป็นเทคโนโลยีที่ได้มีการนำมาใช้ในการสื่อสารข้อมูล ทดแทนการสื่อสารแบบเก่าที่ใช้เป็นสัญญาณอะนาลอกด้วยมาตรฐานสัญญาณกระแส 4–20 mA และเมื่อมีการนำระบบการสื่อสารแบบนี้ไปใช้งานแล้ว ยังสามารถทำให้ลดสายไฟที่เชื่อมต่อระหว่างเครื่องมือวัดกับระบบควบคุมได้

นอกจากนั้นยังสามารถลดขนาดและจำนวนตู้ (Cabinet) ที่ใช้ ซึ่งจะทำให้ห้องควบคุมกลางมีขนาดเล็กลงได้ FieldBus เป็นระบบควบคุมที่ทำให้เครื่องมือวัดและควบคุมทำการสื่อสารระหว่างกันด้วยสัญญาณดิจิตอลแบบสองทิศทางบนเครือข่ายการสื่อสารเดียวกัน ดังแสดงในรูปที่ 1

รูปที่ 1 ระบบการควบคุมแบบ Foundation FieldBus

ดังนั้นในการใช้งานระบบควบคุมลักษณะนี้จึงมีความเข้าใจว่าเทคโนโลยีทางชั้นกายภาพ (Physical Layer) ในการควบคุมแบบ FieldBus เป็นปัจจัยข้อจำกัดสำหรับการไม่อนุญาตให้สามารถจัดเตรียมการสำรอง (Redundancy) ทั้งอุปกรณ์และเครือข่ายการสื่อสาร แต่แหล่งจ่ายพลังงาน (Power Supplies) และชุดเชื่อมต่อ (Interface Packages) จะสามารถจัดเตรียมให้มีการสำรองเพื่อใช้ในการเชื่อมต่อไปยังเครือข่ายระดับสูงขึ้นไปได้

อย่างไรก็ตามอุปกรณ์สื่อสารภายในของแต่ละ FF Segment จะต้องขึ้นอยู่กับข้อจำกัดบนประสิทธิภาพและความสมบูรณ์ของสายเคเบิลคู่ตีเกลียว (Single Twisted Pair) ของสายไฟหลัก (Trunk Cable) บทความนี้จะแนะนำวิธีการแก้ปัญหาใหม่ที่มีความสมบูรณ์และปลอดภัย สำหรับสายไฟ FieldBus Segment เมื่อนำไปใช้ในการทำงานร่วมกันกับระบบสำรองของชุดเชื่อมต่อกับระบบ DCS และการสำรองแหล่งจ่ายพลังงานของ FieldBus Segment ท้ายสุดวิธีการเหล่านี้มีความจำเป็นต้องแสดงให้เห็นว่ามีความมั่นคงและความน่าเชื่อถือได้ของการทำงาน

บทความนี้แสดงรายละเอียดเบื้องต้นของเทคโนโลยีที่อนุญาตให้การเชื่อมต่อกับชุดจ่ายพลังงานของ H1 Segment ไปสื่อสารกับสื่อที่มีการสำรองและแผนการอย่างคร่าว ๆ ในการเปลี่ยนแปลงที่จำเป็นของซอฟต์แวร์สำหรับบรรดาผู้จัดจำหน่ายระบบ DCS เพื่อทำการออกแบบชุดเชื่อมต่อ (Interface) กับแหล่งจ่ายพลังงานให้กับ H1 Segment ที่เป็นอิสระเหล่านี้

นอกจากนั้นยังแสดงให้เห็นว่า เทคโนโลยีในปัจจุบันสร้างความเชี่ยวชาญทางปฏิบัติในระบบสายสัญญาณ 2 เส้นที่ต้องจ่ายพลังงานพร้อมกับการสื่อสารในแบบ Manchester-encoded และต้องไม่มีการไปเปลี่ยนแปลงการออกแบบและการทำงานของอุปกรณ์ในบริเวณใช้งาน ตอนท้ายของบทความจะอธิบายผลกระทบของระบบสายไฟแบบมีการสำรองบนตัวเลือกในเทคโนโลยีการป้องกันสำหรับนำไปใช้งานในพื้นที่อันตราย (Hazardous Area) และมีการคาดกันว่าเทคโนโลยีการป้องกันแบบ Intrinsically อาจจะถูกทดแทนด้วยการป้องกันโดยระบบ Flameproof และระบบ Non-Incentive เนื่องจากข้อจำกัดในการใช้งาน

ดังที่กล่าวมาแล้วข้างต้นระบบการควบคุมแบบ FieldBus จะมีเครื่องมือวัดและควบคุมจำนวนหลายตัวต่ออยู่บนเครือข่ายเดียวกัน ดังนั้นระบบควบคุมแบบ FieldBus จึงต้องใช้อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่ใช้พลังงานต่ำและทันสมัยเพื่อเพิ่มเติมฟังก์ชันการคำนวณ (Computation) และ การสื่อสาร (Communication) ในการประมวลผลการวัดและควบคุมจากเครื่องมือวัดในกระบวนการผลิต อุปกรณ์ดังกล่าวจำนวนมากที่สามารถเชื่อมต่อเข้าด้วยกันบนระบบเครือข่ายแบบ Multi-drop (Fieldbus Segments) ซึ่งพลังงานจะถูกจ่ายคู่กันไปบนสายไฟหลัก (Trunk) และแบ่งย่อยลงไปในแต่ละอุปกรณ์โดยสายย่อย (Spurs) ของอุปกรณ์เหล่านี้

การควบคุมแบบนี้สามารถทำให้อุปกรณ์ในเครือข่ายจัดเตรียมข้อมูลต่าง ๆ ได้หลากหลายและมีการวินิจฉัยตนเอง (Self-Diagnostic) ได้อย่างกว้างขวาง นอกจากนั้นยังเป็นเครือข่ายการควบคุมแบบสองทิศทาง (Bi-Directional) ซึ่งสามารถทำให้ช่างเทคนิคและวิศวกรซ่อมบำรุงที่อยู่ในโรงซ่อมบำรุงเหล่านี้สามารถตรวจสอบหาข้อมูลต่าง ๆ จากอุปกรณ์ได้ดังนี้

* อ่านค่าการวัดและตัวแปรของอุปกรณ์
* แก้ไขตัวแปรต่าง ๆ
* ปรับตั้งอุปกรณ์ให้เหมาะสมกับการเปลี่ยนแปลงกระบวนการตามข้อกำหนด 

การควบคุมแบบ Fieldbus มีความนิยมใช้งานเพิ่มมากขึ้น เนื่องจากผู้ออกแบบระบบควบคุมได้ค้นพบข้อดีต่าง ๆ ดังนี้
* การกระจายประมวลผล
* การพัฒนาระบบวินิจฉัย 

จึงทำให้หลาย ๆ ผู้ใช้งานที่ได้จัดเตรียมงบประมาณใหม่ในการจัดทำระบบควบคุมอัตโนมัติในการควบคุมกระบวนการผลิตของตนเองจะระบุให้ใช้เทคโนโลยีการควบคุมแบบ FieldBus เป็นทางเลือกแรก

เวอร์ชันทั่วไปของระบบควบคุมแบบ FieldBus สำหรับการควบคุมกระบวนการจะมีอยู่ 2 ประเภทคือ
* ProfiBus-PA
* Foundation? FieldBus 
ซึ่งทั้งสองระบบจะทำงานอยู่บนชั้นกายภาพพื้นฐานเดียวกันตามมาตรฐาน IEC61158 สายไฟเครือข่ายแบบ 2 เส้นเชื่อมต่อทั้งพลังงานและสัญญาณข้อมูลดังแสดงในรูปที่ 2

รูปที่ 2 สัญญาณข้อมูลบนระบบควบคุมแบบ FieldBus

โดยมีการสื่อสารแบบดิจิตอลด้วย Manchester-encoded เป็นการสื่อสารที่ความถี่ 31.25 kHz บนแรงดันไฟฟ้าเครือข่ายที่ 9-32VDC บางครั้งถูกเรียกว่าระบบ Manchester-encoded Bus Powered (MBP) ดังแสดงในรูปที่ 3

รูปที่ 3 การสื่อสารแบบดิจิตอลด้วย Manchester-encoded 

ปัญหาความน่าเชื่อถือได้ของข้อมูลบนเครือข่ายมีความวิตกกังวลเพิ่มมากกว่าการรักษาความปลอดภัยของการสื่อสาร บางครั้งดำเนินการโดยการเพิ่มเติมอุปกรณ์เข้าไป ดังเช่นเพิ่มแหล่งจ่ายพลังงานและระบบเชื่อมต่อเครือข่ายเป็น 2 ชุด ในระบบ Foundation FieldBus โดยทั่วไปจะพบเห็นการสำรองชุดเชื่อมต่อ H1 Segment และแหล่งจ่ายพลังงานถูกแบ่งเป็น 2 ส่วน ในระบบ ProfiBus-PA สิ่งที่ใช้เชื่อมต่อกับ Segment รวมเข้ากับการแปลงข้อมูล DP/PA พร้อมกับการปรับสภาวะพลังงาน (ทำการกรองเพื่อป้องกันไม่ให้ สัญญาณคลื่นดิจิตอลความถี่สูง สูญหายไปในแหล่งจ่ายพลังงานกระแสตรง)

และดังนั้นการสื่อสารสำรองมีความยากในการปรับใช้ แม้แต่กับการเพิ่มชิ้นส่วนเป็น 2 เท่าเหล่านี้ ส่วนประกอบทั้งหมดของ Segment ก็ยังคงถูกต่ออยู่บนสายคู่ตีเกลียวเดียวกัน ดังนั้นจึงมีผู้จัดจำหน่ายและผู้ใช้บางรายจะจำกัดจำนวนอุปกรณ์ในแต่ละ Segment เพื่อผลลดกระทบของความผิดปกติของ Segment

หนึ่งในคุณสมบัติเด่นภายใต้การใช้งานระบบควบคุมแบบ FieldBus เป็นเรื่องความสามารถในการดำเนินการควบคุมในบริเวณใช้งานดังแสดงในรูปที่ 4

รูปที่ 4 การควบคุมในบริเวณใช้งาน

ซึ่งสามารถใช้ได้กับ Foundation FieldBus ทันทีและจะมีให้เลือกใช้กับเครือข่ายที่มีอยู่ในระบบ ProfiBus (เมื่อ ProfiBus ดูเหมือนว่าปฏิบัติตามการพัฒนาของ FF) การควบคุมในบริเวณใช้งานเป็นสิ่งที่ทำให้การออกแบบระบบควบคุมกลับไปเหมือนกับการควบคุมแบบดั้งเดิม นั่นคือเป็นการกระจายการควบคุมอย่างแท้จริง ในเมื่อการประมวลผลแบบ PID สามารถที่จะทำได้สองตำแหน่งทั้งในอุปกรณ์การวัดหรือภายในอุปกรณ์สุดท้าย สำหรับระบบ DCS (Distributed Control System) ถูกใช้เป็นตัวควบคุมหลักสำหรับดำเนินการต่าง ๆ ดังนี้

* ติดตามค่าตัวแปรกระบวนการผลิต
* Trending
* สัญญาณเตือน
* การใช้กลยุทธ์ของการควบคุมที่เหมาะสมเพื่อให้เปลี่ยนแปลงตรงความต้องการทางธุรกิจ  

ระบบการควบคุมแบบ Fieldbus จัดเตรียมเทคโนโลยีการสื่อสารเพื่อส่งค่าที่วัดได้ไปยังฟังก์ชันการควบคุม (ซอฟต์แวร์ภายในเครื่อง) ฟังก์ชัน PID อาจจะต้องมีการปรับปรุงความเหมาะสมต่าง ๆ ทั้งโดยการกำหนดซอฟต์แวร์ในอุปกรณ์หรือดาวน์โหลดซอฟต์แวร์ (ถ้าสนับสนุนอุปกรณ์ฟังก์ชันตัวอย่าง)

การควบคุมในบริเวณใช้งานจะช่วยลดอัตราในการสื่อสารภายใน Segment ลงมาได้ทันที และด้วยเหตุนี้จึงทำให้ช่วยลดเวลาโดยรวมของ Macro-Cycle ตัวอย่างเช่น การควบคุม FieldBus แบบดั้งเดิม (Conventional) จะทำการส่งค่าที่วัดได้ (AI) จากเครื่องวัด ไปยังส่วนควบคุมของ H1 Segment ที่ดำเนินการเป็นฟังก์ชัน PID และทำการส่งคำสั่งเอาต์พุต (AO) ไปยังอุปกรณ์สุดท้าย จากนั้นอุปกรณ์สุดท้ายก็จะส่งผลการยืนยันกลับไปที่ตัวควบคุม

จะเห็นได้ว่ามีความต้องการ 3 การเชื่อมโยงจากภายนอก โดยตรงกันข้ามถ้าการประมวลผลของฟังก์ชัน PID และ AO เกิดขึ้นภายในอุปกรณ์สุดท้าย จะต้องการเพียง 1 การเชื่อมโยงจากภายนอกที่วัดค่า (AI) จากอุปกรณ์การวัด รูปที่ 5 แสดงการเชื่อมโยงภายนอกที่ต้องการขึ้นอยู่กับ ตำแหน่งของฟังก์ชัน PID

รูปที่ 5 จำนวนการเชื่อมโยงระหว่างอุปกรณ์

การลดการสื่อสารใด ๆ ใน H1 Segment จะอนุญาตให้สามารถเพิ่มเติมอุปกรณ์ใน H1 Segment ได้มากยิ่งขึ้น โดยส่งผลกระทบทำให้ค่าใช้จ่ายในการจัดเตรียมอุปกรณ์ลดลง เนื่องจากเหตุผลต่าง ๆ ดังนี้

ปัจจุบัน FieldBus Segment อาจได้รับการป้องกันความผิดปกติในการทำงาน โดยการเพิ่มเติมสิ่งต่าง ๆ ดังนี้
* แหล่งจ่ายพลังงานสำรอง
* ส่วนเชื่อมต่อ Segment สำรอง
* ความสามารถในฟังก์ชันการส่งผ่านของ Link Active Scheduler (FF)/Bus Master Controller (PA) เพื่อทำการเลือกอุปกรณ์ 

การป้องความผิดปกติในการทำงานแสดงดังรูปที่ 6 ถ้าสายไฟของ H1 Segment ขาดออกจากกันจะทำลายอำนาจการสื่อสารและแหล่งจ่ายพลังงานไปยังอุปกรณ์

รูปที่ 6 การเพิ่มอุปกรณ์เพื่อป้องกันความผิดพลาดในการทำงาน

ทางแก้ไขทำได้โดยทำให้ Fieldbus Segment มีรูปแบบเป็นรูปวงแหวน หลังจากนั้นการสื่อสารทั้งหมดของการควบคุมแบบ FieldBus จะเป็นสัญญาณ Token-Passing และวงแหวนจะทำให้ดูเหมือนทำงานในการใช้งานระบบ Ethernet อย่างไรก็ตามการเชื่อมต่อแบบวงแหวนจะทำให้เกิดความผิดพลาดด้วยสองเหตุผลดังนี้

การแก้ปัญหาด้วยวิธีการอื่น ๆ อาจทำได้โดยการติดตั้งแหล่งจ่ายพลังงาน FieldBus ในบริเวณใช้งาน และจ่ายพลังงานจากระยะไกลดังแสดงในรูปที่ 7 ลักษณะนี้จะทำงานในแง่ที่อุปกรณ์ในบริเวณใช้งานจะถูกจ่ายพลังงานเมื่อสายไฟด้านหน้าขาดออก แต่จะไม่มีเส้นทางการสื่อสาร กลับไปที่ DCS ตำแหน่งที่แน่นอนของสายไฟที่ขาดภายใน H1 Segment ถูกค้นหาถ้ามีการควบคุมเชื่อมต่อกับการวัดค่าและมีความต่อเนื่อง หรือหากการควบคุมถูกบังคับให้เป็นสถานะ Fail Safe ซึ่งอาจได้รับการออกแบบมาตั้งแต่ตอนเริ่มต้น วิธีการใช้งานกันค่อนข้างกว้างมีอยู่หลากหลายวิธีดังนี้

แต่การดำเนินการดังกล่าวข้างต้นยังคงเป็นสถานะ Failsafe และไม่ใช่เป็นการควบคุมที่ทำงานอยู่ นอกจากนี้ค่าใช้จ่ายของการจัดทำแหล่งจ่ายพลังงานของ FieldBus ในบริเวณใช้งาน (ต่อหนึ่ง Segment) ยังจะเป็นข้อโต้แย้งเป็นส่วนใหญ่ในการจัดเตรียมระบบการควบคุมแบบ FieldBus เว้นแต่ว่ามีการกำหนดและคาดคะเนผลประโยชน์แน่นอนที่ได้รับจากการดำเนินงานของโรงงาน

รูปที่ 7 การเพิ่มแหล่งจ่ายพลังงานที่บริเวณใช้งาน

การปฏิบัติและแก้ปัญหาใหม่สำหรับสายไฟสำรองในการควบคุมแบบ FieldBus เป็นการทำให้ H1 Segment มีรูปร่างเป็นรูปตัวยู ซึ่งแต่ละจุดสิ้นสุดของ H1 Segment เป็นจุดต่อปกติและเชื่อมต่อกับ (ไม่ติดตั้งในบริเวณใช้งาน) ส่วนเชื่อมต่อของ H1 Segment แต่ละจุดสิ้นสุดจะถูกจ่ายพลังงานจากแหล่งจ่ายพลังงานที่ติดตั้งอยู่ แต่เนื่องจากจุดสิ้นสุดทั้งสองอยู่ภายในระบบตู้ Marshalling ซึ่งเป็นเรื่องที่จะทำได้ง่าย รูปแบบดังกล่าวจะแสดงในรูปที่ 8 หมายเหตุที่จุดต่ออุปกรณ์จะไม่มีตัว Terminator 

รูปที่ 8 H1 Segment รูปร่างตัวยู

สำหรับการกำหนดในรูปแบบนี้ จะทำให้ได้รายละเอียดเกือบทั้งหมดจะตรงกับความต้องการที่จำเป็นสำหรับการแก้ปัญหาการสำรองของ H1 Segment แหล่งจ่ายไฟเพิ่มเป็น 2 ชุด, ชุดเชื่อมต่อ H1 เพิ่มเป็น 2 ชุด และการติดตั้งสายไฟเพิ่มเป็น 2 เส้น อย่างไรก็ตามในกรณีที่มีการขาดของสายไฟในด้านใดด้านหนึ่ง ตัว Terminator จะถูกแสดงให้เห็นใน Segment ที่เหลืออยู่และอุปกรณ์สื่อสารสามารถดำเนินการตามปกติดังแสดงในรูปที่ 9

รูปที่ 9 H1 Segment รูปร่างตัวยูเมื่อสายไฟขาด

หัวข้อในการพัฒนาเพื่อให้มีการสำรองสำหรับการควบคุมแบบ Fieldbus ในรูปแบบตัวยูจะเป็นอุปกรณ์เชื่อมต่ออัตโนมัติที่พร้อมให้ใช้งาน ในการทำงานปกติอุปกรณ์ในการควบคุมแบบ FieldBus จะถูกเชื่อมต่อกับ H1 Segment และมีการเชื่อมต่อกับ H1 Cards ทั้งสองด้าน       

โดยปกติชุดเชื่อมต่อ H1 ตัวที่หนึ่งถูกกำหนดให้เป็นหน่วยหลักและส่วนอื่น ๆ จะถูกกำหนดให้เป็นตัวสำรอง เพื่อใช้เฉพาะติดตามการสื่อสาร โดยเครือข่ายเชื่อมต่ออัตโนมัติภายในตัวเชื่อมต่อทำการตรวจจับว่าการติดต่อสื่อสารยังคงทำงานอยู่ในแต่ละขาของสายไฟ Segment และปกติส่วนต่อของ Segment เป็นจุดสิ้นสุดของรูปแบบตัวยู เช่น อยู่ด้านหลังตู้

ภายใต้สภาวะสายไฟขาด ดังรูปที่ 5 ชุดเชื่อมต่ออัตโนมัติทำการตรวจสอบการสื่อสารที่ไม่สามารถดำเนินการผ่านที่ขาหนึ่งของ Segment และถ้าหากมันยังคงดำเนินการต่อจะทำให้ฟังก์ชันการทำงานของขานั้นสิ้นสุดลง มันจะไปกระตุ้นตัว Terminator ที่บริเวณใช้งาน ในขณะนี้ Segment รูปตัวยู ก็จะถูกแบ่งออกเป็น 2 ชิ้น ส่วนหนึ่งเชื่อมต่อกับ H1 และส่วนอื่น ๆ เป็นองค์ประกอบของแผงวงจรเชื่อมต่อ, แหล่งจ่ายพลังงานพร้อมกับตัว Terminators ที่ถูกต้อง

ในแต่ละอุปกรณ์ ไม่จำเป็นต้องมีการเปลี่ยนแปลง แต่อาจจำเป็นต้องมีการปรับปรุงแก้ไข DCS เฟิร์มแวร์หรือซอฟต์แวร์เพื่อความเชื่อถือได้ระหว่าง H1 Segment ที่ทำงานอยู่และไม่ทำงาน ตัวอย่างเช่นโดยปกติระบบ DCS ได้มีการจัดเตรียมการสำรองโดยให้ชุดเชื่อมต่อ H1 จำนวน 2 ชุดอยู่ใน Segment เดียวกัน ชุดเชื่อมต่อ H1 ที่อยู่ในตำแหน่งต่ำสุดที่จะกลายเป็น LAS (Link Active Schedule) หลัก และส่วนชุดเชื่อมต่อ H1 อื่น ๆ มีบทบาทเป็นชุดสำรอง  

ชุดเชื่อมต่อ H1 ทั้ง 2 ยังทำงานและยังคงทำงานอยู่ถึงแม้ว่าส่วนสายไฟในบริเวณใช้งานจะขาดออก ซึ่งอาจหมายความว่าในบางสถานการณ์ อุปกรณ์ทั้งหมดสามารถหยุดรายการทำงานตราบที่ยังคงเกี่ยวข้องกับ LAS หลัก (สายไฟขาดในขาที่เชื่อมต่อกับ LAS หลัก) แต่ LAS สำรองไม่ได้เปิดใช้งานการรายงานของข้อมูลแม้ว่ายังคงเชื่อมต่อและสามารถสื่อสารได้

เป็นเรื่องโชคดีที่ผู้จำหน่าย DCS หลายแห่งได้ออกแบบชุดเชื่อมต่อ H1 Segment ให้ดึงพลังงานในการทำงานมาจาก Segment และในเทคโนโลยีเดียวกันที่ช่วยให้สวิทช์จุดต่ออัตโนมัติ (Auto-Termination) (ใช้งานการตรวจสอบและสลับสัญญาณ) สามารถถูกนำไปใช้เพื่อปิดชุดเชื่อมต่อ H1 ผ่านตัวปรับสภาวะแหล่งจ่ายพลังงาน

นี่คือสิ่งที่จำเป็นที่ต้องบังคับให้ระบบ DCS สลับไปใช้งานชุดเชื่อมต่อ H1 ตัวอื่น การแก้ปัญหาที่สมบูรณ์เป็นการออกแบบข้อกำหนดตัวปรับสภาวะของแหล่งจ่ายพลังงาน ซึ่งตอบสนองต่อสายไฟที่ลัดและเปิดวงจร, การปิดชุดเชื่อมต่อ H1 และบังคับให้แหล่งจ่ายพลังงานและการสื่อสารทั้งหมดผ่านส่วนที่ทำงานอยู่

ชุดเชื่อมต่อ H1 ที่เหมือนกันกับอุปกรณ์เพื่อเชื่อมโยงและมีแยกแหล่งจ่ายพลังงานออกไป เทคนิคการทำงานแบบนี้จะใช้งานไม่ได้ ต้องมีการเปลี่ยนแปลงเฟิร์มแวร์ภายในสำหรับสั่งการให้ชุดเชื่อมต่อ H1 ทำการตรวจสอบ Segment ที่ไม่ทำงานได้อย่างมีประสิทธิภาพ

อุตสาหกรรมกระบวนการผลิตหลายแห่งใช้หรือสร้างวัสดุที่อาจเกิดการระเบิดขึ้นมาได้ และมาตรการที่จะต้องดำเนินการเพื่อนำมาลงความเสี่ยงของการที่ไม่พึงประสงค์ให้เกิดการจุดระเบิดในพื้นที่ดังกล่าว มีเทคนิคต่าง ๆ สำหรับการป้องกันเครื่องมือวัดที่เป็นอิเล็กทรอนิกส์ที่หลากหลายแนวคิด มีวิธีการต่าง ๆ ดังนี้

* วิธีการเชิงกล Flameproof
* Sand Filling ที่ต้องการบรรจุสิ่งที่อาจจุดระเบิดและยังต้องป้องกันการถ่ายทอดการเผาไหม้
* เทคนิคการแยกอื่น ๆ เช่น Oil-filling, Pressurizations เพื่อป้องกันวัสดุอันตรายและแหล่งร่วมที่สามารถติดไฟ 

Intrinsic Safety (I.S.) เป็นเทคนิคที่มีการควบคุมพลังงาน (Sparks และพื้นผิวร้อน) ภายใต้ทั้งสภาวะปกติและเกิดความผิดปกติ ไปยังระดับที่ต่ำกว่าการจุดระเบิดของวัสดุใด ๆ ที่อาจเกิดขึ้น  ระบบ I.S. จะพิจารณาว่ามีความปลอดภัยกว่าทุกรูปแบบของการป้องกันอุปกรณ์ไฟฟ้าและแนวคิดนี้ถูกจำกัด เนื่องจากการใช้งานเพราะว่าพลังงานที่มีอยู่ใน วงจร I.S. จะมีน้อยมาก อย่างไรก็ตามระบบเครื่องมือวัด (Pre-FieldBus) จะใช้พลังงานในระดับต่ำในแต่ละวงจรเครื่องมือวัด          

ดังนั้น I.S. เป็นเทคนิคที่นิยมใช้งานสำหรับเครื่องมือวัดทางอุตสาหกรรม ในระบบ I.S. แรก ๆ ใช้การกำหนดไว้ล่วงหน้าและยืนยันการทำงานของ Loops โดยใบรับรองที่ออกโดยบุคคลภายนอกอิสระ ใบรับรองระบบถูกนำกลับไปปรับใช้ทั่วไปกับอุปกรณ์แบบ Intrinsic Safety ในพื้นที่อันตรายและเป็นการผ่อนคลายที่ว่าแนวคิดแบบ Entity ที่ได้รับการเสนอแนะและทำให้ยอมรับได้ 

แนวคิดแบบ Entity อนุญาตให้อุปกรณ์เป็นได้ดังนี้
     (1) อุปกรณ์ที่จะได้รับการอนุมัติเป็นแบบ Intrinsically Safe ไปจนกระทั่งไม่นำออกไปใช้งานที่แรงดันไฟฟ้า, กระแสและพลังงาน เกินกว่าที่กำหนด
     (2) การเชื่อมต่อระบบ I.S. จะได้รับการอนุมัติด้วยค่าตัวแปรสูงสุด (Maximum Entity Parameters)  

การกำหนดลักษณะนี้ทำให้ง่ายในการเลือกการเชื่อมต่อกับระบบ I.S. เพื่อให้ตรงกับข้อกำหนดของเครื่องมือวัดใด ๆ โดยไม่ต้องการความช่วยเหลือจากผู้เชี่ยวชาญบุคคลที่สามและให้ความยืดหยุ่นอย่างมากในการจับคู่อุปกรณ์และการเชื่อมต่อกับระบบ I.S. ความยุ่งยากเพิ่มเติมเกิดขึ้นที่ตัวแปรในสายไฟ โดยทั่วไปสายไฟแสดงศักยภาพเป็นแหล่งพลังงานผ่านตัวเหนี่ยวนำและตัวเก็บประจุ ค่าของการเหนี่ยวนำและการประจุต้องแสดงให้เห็นว่าต่ำกว่าค่าที่กำหนด

* มีอีกหลายด้านที่ไม่เหมาะสมในการใช้งานระบบ Intrinsic Safety เป็นดังนี้:
* ข้อจํากัดของพลังงานที่มีให้ใช้งาน
* ค่าใช้จ่ายดำเนินการในกระบวนการอนุมัติ
* การจัดการใบรับรองที่ได้รับอนุมัติสำหรับอุปกรณ์และการเชื่อมต่อ
* การคำนวณสายไฟสำหรับแต่ละ Loops
* ค่าใช้จ่ายรวมในระบบเพิ่มขึ้นจากอุปกรณ์ที่จำเป็นเช่น Barriers/Isolators   

อย่างไรก็ตามผู้ใช้งานระบบ I.S. สามารถได้ประโยชน์อย่างมากจากการทำงานกับอุปกรณ์ในขณะจ่ายไฟอยู่หรือ Live Working ทำให้สามารถเปิดเครื่องมือวัดแบบ I.S. ในบริเวณใช้งานและสามารถปรับตั้งโดยไม่ต้องหยุดจ่ายพลังงานที่เครื่องมือวัดและไม่ต้องดำเนินการตรวจสอบก๊าซในบริเวณนั้นหรือออกใบรับรองการหมดไปของก๊าซ

ทางเลือกวิธีป้องกันการระเบิดที่จำเป็นทั้งหมดมีความต้องการที่ว่า Loops ถูกแยกออกอย่างเหมาะสมหรือแสดงให้เห็นว่ามีความปลอดภัย หลังจากนั้น ถ้าหากวิธีการป้องกันโดยประเภทเดียวที่ว่ากล่องควรบรรจุอุปกรณ์จุดระเบิดอยู่ภายใน และดับเปลวไฟเพื่อป้องกันการแพร่ขยายออกไปเป็นสาเหตุให้เกิดการระเบิดที่มีขนาดใหญ่ขึ้น ดังนั้นการป้องกันไม่สามารถใช้งานได้ เมื่อกล่องบรรจุถูกเปิดออก เทคโนโลยี I.S. มีความเจริญก้าวหน้าเพราะว่าเครื่องมือวัดอาจทำให้สามารถทำงานกับระดับของพลังงานในระบบ I.S. และ ''Live Working' เป็นความคุ้มค่าที่ได้จากระบบ

ภายในพื้นที่อันตราย อุปกรณ์ FieldBus อาจมีการจัดเรียงข้อจำกัดทางเทคนิคตามเครื่องมือวัดมาตรฐาน 4/20mA ด้วยการเพิ่มเติมกับการต่ออุปกรณ์หลายตัว ๆ ในเครือข่ายเดียวกัน ก่อนหน้านี้วิธีของ Intrinsic Safety เป็นที่นิยมใช้กันอย่างกว้างขวางในปัจจุบันอาจจะเป็นปัญหา มันไม่ใช่เรื่องง่าย (และค่าใช้จ่ายไม่ถูก) ในการใช้งานร่วมกันของแต่ละ I.S. Loops มีความพยายามใช้โหลดหลายตัวบนแหล่งจ่ายพลังงานที่จำกัดซึ่งได้มีการพิสูจน์แล้วว่าเป็นเรื่องยากมากในการใช้เทคโนโลยีแบบดั้งเดิม 

ตัวอย่างเช่น การเพิ่มอุปกรณ์ทั่วไปที่เป็น Entity-type I.S. เชื่อมต่อกับ FieldBus Segment (โดยอุปกรณ์ได้รับการอนุมัติอย่างเหมาะสม) ที่มีความสามารถในการจ่ายกระแสได้ 80 mA หรือเพื่อที่จะทำให้พร้อมใช้งานได้ จำนวนอุปกรณ์ต่ำสุดต่อ Segment เป็นปัญหาขัดแย้งทางเศรษฐศาสตร์ในการรองรับการทำงานของการควบคุมแบบ FieldBus

วิธีการต่าง ๆ ที่นำเสนอมาเพื่อแก้ปัญหานี้ ได้รับการหยิบยกมาดำเนินการใช้งาน ดังเช่น ระบบแบ่งสถาปัตยกรรมเมื่ออุปกรณ์เชื่อมต่อถูกติดตั้งในบริเวณใช้งาน การกระทำนี้เป็นส่วนที่เกี่ยวข้องกับการเชื่อมต่อกับระบบ I.S. และพลังงานมากที่สุดสามารถจ่ายได้เป็นส่วนหนึ่งของสายหลัก (Trunk) และการแก้ไขมาตรฐาน Entity Systems เสร็จสิ้นลงไปในระบบ FieldBus Intrinsically Safe COncept (FISCO) 

ทางเลือกเทคโนโลยีในพื้นที่อันตรายยังไม่ได้รับความนิยมสำหรับก่อนหน้านี้ด้วยเหตุผลต่าง ๆ ดังนี้ 
    *  ระบบ Exd ตัวอย่างเช่น ดูเหมือนจะประสบปัญหาในด้านของการบำรุงรักษา Flameproof Junction Box มีขนาดใหญ่, หนักและแพง
    *  ระบบ Increased Safety (Exe) Junction Box เป็นระบบที่ง่ายแต่ก็ยังไม่สามารถเปิดในขณะใช้งานหรือจ่ายพลังงานอยู่ โดยไม่มีการป้องกันส่วนที่เป็น Non-intrinsically ทั้งหมด แม้แต่เมื่อ Junction Box ถูกเปิดออกก็ไม่สามารถแตะต้องหรือถอดสายไฟโดยที่ยังไม่มีการหยุดจ่ายไฟหรือวิธีการอื่น ๆ ที่จะแสดงให้เห็นว่างานซ่อมบำรุงจะมีความปลอดภัย

ระบบการแบ่งสถาปัตยกรรม (Split-Architecture) มีเป็นจำนวนมากจากผู้จำหน่าย และสิ่งเหล่านี้ทำให้เกิดการรวมกันที่ดีของสายหลักพลังงานสูง (High-Power Trunk) และสายย่อยพลังงานต่ำ (Low-power I.S. Spurs) โปรดดูรูปที่ 10 บางครั้งสายหลักเป็นระบบ I.S. สำหรับก๊าซกลุ่มล่าง หรือสายหลักอาจถูกป้องกันด้วยเทคนิคทางกลโดยเป็นระบบสายไฟแบบ Non-intrinsically

ในทั้งสองกรณี ค่าการเก็บประจุของสายหลักมีค่ามากสูงกว่าวิธีการสำหรับก๊าซกลุ่ม IIC โดยทั่วไปจ่ายกระแสได้ประมาณ 350 mA ข้อด้อยของลักษณะนี้จะทำให้สายไฟหลักและอุปกรณ์ต่อ (Device Coupler) ไม่สามารถติดตั้งอยู่ในก๊าซกลุ่ม IIC (ถ้าสายไฟอยู่ในระดับ ก๊าซกลุ่ม IIB) หรือไม่สามารถที่อยู่ใน Zone 0 (ถ้าสายหลักไม่ได้เป็น Intrinsically Safe) แน่นอนว่า สายย่อยจะต้องได้รับการอนุมัติสำหรับก๊าซกลุ่ม IIC และเพื่อทำให้อุปกรณ์สามารถติดตั้งอยู่ในทุกก๊าซกลุ่มใด ๆ และ Zone ใด ๆ

รูปที่ 10 ระบบการแบ่งสถาปัตยกรรม

FISCO เป็นการปัญหาทางวิศวกรรมอย่างระมัดระวัง โดยแนวคิดการออกแบบดูเหมือนว่าจะไม่ปลอดภัย ซึ่งเป็นการสร้างสิ่งต้นแบบเพียงเล็กน้อยและทดสอบในหลายสถานการณ์ และเพื่อสาธิตโดยการทดสอบว่าวิธีแก้ปัญหาที่นำเสนอจริง ๆ แล้วปลอดภัยโดยไม่คำนึงมาตรฐานที่มีอยู่ ตามการดำเนินการดังกล่าว FISCO เป็นวิธีการที่ถูกประดิษฐ์ขึ้นมาใหม่เพื่อการตั้งสมมติฐานในกรณีที่เลวร้ายที่สุดของตัวแปรในชุดสายไฟ พิจารณาสิ่งจำกัดที่สามารถ เชื่อมต่อไปยัง Segment และการทดสอบเพื่อการแสดงความปลอดภัย        

การเบี่ยงเบนหลักจากมาตรฐานดั้งเดิมของระบบ Intrinsic Safety อยู่ในการใช้งานเครือข่ายจำกัดกระแสอิเล็กทรอนิกส์ (Electronic Current Limiting Networks) เป็นองค์ประกอบความปลอดภัย มาตรฐานดั้งเดิมถือว่าชิ้นส่วนจำกัดกระแสของ Barrier เป็นค่าความต้านทานที่แน่นอน, ตามปกติเป็นรูปแบบของขดลวดและเป็นส่วนสำคัญในการทำหน้าที่นี้

FISCO เป็นหนทางเดียวกับความต้านทานที่แน่นอน เป็นเพียงนิยามของกระแสเอาต์พุตสูงสุดโดยการรวมส่วนวงจรอิเล็กทรอนิกส์จำกัดกระแส ปัจจุบันการออกแบบแหล่งจ่ายพลังงานอาจมีลักษณะกระแสเป็นรูปสี่เหลี่ยมมุมฉากหรือมากกว่าปกติที่ลักษณะเป็น Trapezoidal และจะกำหนดกระแสเอาต์พุตสูงไว้ล่วงหน้า ดังแสดงในรูปที่ 11  

รูปที่ 11 กราฟคุณลักษณะแหล่งจ่ายไฟแบบ FISCO ชนิด "ib"

การเพิ่มเติมในลักษณะนี้ช่วยให้แหล่งจ่ายพลังงานจ่ายกระแสได้มากขึ้นในการใช้งานกับการควบคุมในระบบ FieldBus และแหล่งจ่ายพลังงาน FISCO ทั่วไปจะจ่ายกระแสได้ประมาณ 115 mA สำหรับก๊าซกลุ่ม IIC และ 250 mA สำหรับก๊าซกลุ่ม IIB ข้อเสียเป็นค่าใช้จ่ายที่เพิ่มขึ้นของแหล่งจ่ายพลังงานเพราะการออกแบบมีความซับซ้อนเพิ่มขึ้นอย่างมากและเครือข่ายอิเล็กทรอนิกส์จำกัดกระแสมีผลกระทบต่อเวลาระหว่างความผิดพลาด (Mean-Time-To-Failure)      

ค่า MTTF โดยรวมจะลดลงมากเมื่อเทียบกับ Barrier แบบเดิม องค์ประกอบแบบขดลวดเดียวจะถูกแทนที่ด้วยวงจรอิเล็กทรอนิกส์ ซึ่งไม่ถือว่ามีข้อผิดพลาดสำหรับวัตถุประสงค์ I.S. และเพื่อให้มีการจัดเตรียมเป็น 2 เท่าหรือ 3 เท่า (Triplicated)

รูปแบบที่แสดงในรูปที่ 2 มีแหล่งจ่ายพลังงาน 2 ชุด ที่แต่ละจุดสิ้นสุดของ H1 Segment ในรูปแบบตัวยู หากแหล่งพลังงานเหล่านี้เป็นแบบ Intrinsically Safe ผลการประเมินความปลอดภัยมีแนวโน้มที่จะเป็นอันตราย เมื่อสายไฟเกิดปัญหาที่ตำแหน่งกึ่งกลาง จะทำให้เหมือนกับมีการเชื่อมต่อ I.S. สองส่วนแยกกันจ่ายพลังงานให้อุปกรณ์เดียวกัน กระแสจากความผิดปกติและแรงดันไฟฟ้าจะเป็นสองเท่า

ดังนั้นถ้าต้องการเพื่อให้บรรลุข้อกำหนดในการเชื่อมต่อใดในก๊าซกลุ่ม (IIB หรือ IIC) ต้องมีการออกแบบชุดเชื่อมต่อ FieldBus ใหม่เพื่อให้มีประสิทธิภาพเพียงครึ่งเดียว ดังนั้นปัญหาจะเป็นว่า ไม่สามารถรับประกันการทำงานของ Segment ที่โหลดสูงสุด, เมื่อตำแหน่งสายไฟขาดอาจจะอยู่ใกล้กับ Marshalling Cabinets มาก

และด้วยเหตุนี้ Segment ที่เหลืออยู่ทั้งหมด จะถูกขับเคลื่อนโดยชุดเชื่อมต่อเดียว การหลีกเลี่ยงการเกิดแรงดันไฟฟ้าเพิ่มขึ้นจากความผิดปกติสามารถทำได้โดย Grounding ด้านหนึ่งของแต่ละชุดเชื่อมต่อที่แยกส่วนและทำให้ระบบสามารถได้รับแรงดันไฟฟ้าค่าเดียว อย่างไรก็ตามระบบนั้นมีความเสี่ยงต่อความผิดปกติอย่างสมบูรณ์ในครั้งเดียว จากข้อผิดพลาดของสาย Groundingจากสายไฟใด ๆ

การเลือกใช้วิธีการป้องกันด้วยระบบ Intrinsically Safe ในการควบคุมแบบ FieldBus จะมีข้อเสียเปรียบต่างๆดังกล่าวไปแล้วนั้น, ทางเลือกวิธีป้องกันการระเบิดด้วยวิธีอื่น ๆ ดังเช่น Exn (Non-incentive) และ Exd (Flameproof) จะกลับมาเป็นทางเลือกอีกครั้ง ปัญหายังคงมีอยู่กับแต่ละวิธีการป้องกันเหล่านี้ แต่ปัจจุบันนี้มีการพิจารณาและใช้การแก้ปัญหาทางวิศวกรรมที่ได้รับประโยชน์ของการสำรองอย่างแท้จริงในระบบ FieldBus กับประสิทธิภาพของการควบคุมในบริเวณใช้งาน 

จากการใช้งานที่ผ่านมาการใช้การป้องกันในพื้นฐาน Intrinsically Safe FieldBus เทียบกับข้อเสียที่เกี่ยวข้องทั้งหมด (ค่าใช้จ่าย, ปัญหาการออกแบบ, ปัญหาในเรื่องความสามารถ) จะช่วยทำให้เห็นข้อดีว่า
(1) สามารถทำงานกับอุปกรณ์ในขณะที่จ่ายไฟกับกระบวนการผลิตที่กำลังทำงานหรือ 'Live Working'
(2) การเชื่อมต่อ Zone 0 (ระบบ Ex ia)

อย่างไรก็ตามการพัฒนาในเรื่องความปลอดภัยและความเชื่อถือได้ของการสื่อสารในระบบ FieldBus ช่วยลดความต้องการสำหรับการทำงานในขณะจ่ายไฟ ตัวอย่างเช่น มีความต้องการส่งบุคลกรหรือผู้ปฏิบัติงาน (โดยทั่วไปจะมีการฝึกงาน/ฝึกหัด) ไปที่ด้านบนของหอกลั่นเพื่อทำการปรับตั้งค่าศูนย์ (Re-zero) หรือปรับเปลี่ยนย่านการวัด (Re-span) ของเครื่องมือวัดใหม่หรือเพื่อค้นหาหมายเลขที่วาล์ว (สำหรับวัตถุประสงค์การซ่อมบำรุง) ปัจจุบันสามารถทำได้โดยผ่านเวิร์กสเตชัน, Lap-Topหรือ Hand-held Configurators

ในพื้นที่ Zone 2 มีตัวเชื่อมต่อที่ได้รับอนุมัติเพื่อยินยอมให้ถอดสายย่อยและต่อสายหลักกับแหล่งจ่ายกระแสได้ถึง 1.5 A ตัวอย่างอุปกรณ์โดยปกติจะมีการอนุมัติด้วยสายหลักแบบ Ex nA (Non Arcing) และสายย่อยแบบ Ex nL (Energy-Limited) สายย่อยสามารถถอดออกในขณะจ่ายพลังงาน แต่สายหลักไม่สามารถทำได้ และตัวต่อสายหลักควรจะตรงกับความต้องการที่ IP 30 ในพื้นที่อันตราย 

ในพื้นที่ Zone 1 มีตัวเชื่อมต่ออื่น ๆ ได้รับการอนุมัติให้ใช้การป้องกันแบบ Ex me (Encapsulation Plus Increased Safety) เป็นเทคนิคที่เมื่อใช้ใน Exe enclosures ที่มีส่วนประสานกันของแม่เหล็กที่ใช้ไปแยกแต่ละสายย่อยออกจากระบบอย่างมีประสิทธิภาพและอนุญาตให้ถอดสายไฟของ Exd ในขณะที่Segment ส่วนที่เหลือจะยังคงทำงาน

อุปกรณ์ FieldBus ส่วนใหญ่มีการติดตั้งใช้งานในพื้นที่ Zone 2 มีจำนวนน้อยกว่าใช้งานในพื้นที่ Zone 1 การติดตั้งอุปกรณ์ใด ๆ ที่ FieldBus ในพื้นที่ Zone 0 เป็นสิ่งที่หายากหรือสามารถพบเห็นการใช้งานได้น้อย ในทางปฏิบัติการควบคุมแบบใหม่จะมีมากกว่า การแพร่กระจายที่ไม่ถูกควบคุมและการรั่วไหลในโรงงานที่ทำให้เกิดพื้นที่ Zone 1 ขนาดเล็กตลอดเวลา ซึ่งไปคล้ายคลึงกับในสหรัฐฯเพื่อลดลงมาเป็นพื้นที่ Division 1

การพัฒนาแบบใหม่ในระบบสายไฟของการควบคุมแบบ FieldBus จะทำให้เกิดการสำรองชั้นกายภาพ ตั้งแต่เริ่มใช้งานจะทำให้เกิดการใช้การควบคุมที่บริเวณใช้งาน นอกจากนั้นยังเป็นตัวเร่งให้เกิดความต้องการใช้การสำรองนี้ ผลกระทบหลักของการทำสำรองระบบสายไฟในการควบคุมแบบ FieldBus จะเป็นระบบ FieldBus แบบ I.S. มีมุมมองที่ว่ามีความยากในการรับรองและมีความสามารถน้อย โดยที่มีค่าใช้จ่ายเป็นสองเท่า ดังนั้นจึงเป็นความต้องการของผู้ใช้งานที่จะต้องกำหนดว่าจะใช้การป้องกันรูปแบบใดกับการควบคุมแบบ FieldBus เพื่อความเหมาะสมกับการใช้งานและการควบคุมกระบวนการผลิต     

(1) da Silva Neto, E.F. and Berrie, P. "Who’s afraid of Control in the Field", Foundation Fieldbus General Assembly, Singapore, (2003)
(2) Mike O’Neill,"A Truly Redundant Wiring Solution for Foundation FieldBus Segments", Foundation FieldBus End Users Council Australia Inc.
(3) ทวิช ชูเมือง, "Industrial Instrumentation Engineering and Design Part I: Control system and Basic Information, Chapter 9 FieldBus Control Systems," บริษัท ดวงกมลสมัย จำกัด, 2549.