มนตรี ไล้สมบูรณ์
montri.la@egat.co.th

ในกระบวนการผลิตโดยเฉพาะการผลิตแบบต่อเนื่อง และการผลิตที่มีขนาดใหญ่ เช่น กระบวนการกลั่นน้ำมัน  กระบวนการผลิตไฟฟ้า กระบวนการถลุงเหล็ก นั้น ล้วนแล้วแต่เป็นกระบวนการที่มีความซับซ้อนค่อนข้างมาก การควบคุมกระบวนการผลิตเพื่อให้ได้ผลิตผลที่ดีมีคุณภาพตามต้องการ (Desired Productivity) รวมทั้งต้องประหยัดด้วย เหล่านี้นับเป็นสิ่งสำคัญ อันเป็นที่ต้องการสำหรับเจ้าของกิจการ  

การนำเทคโนโลยีการวัดคุมและระบบควบคุม (Instrumentation and Control System) เข้ามาใช้งาน จึงเป็นสิ่งสำคัญที่สุด เพื่อให้บรรลุวัตถุประสงค์ของการผลิตที่ดีตามต้องการ

ในปัจจุบัน เทคโนโลยีระบบควบคุม ได้รับการพัฒนาอย่างรวดเร็ว อุปกรณ์แบบใหม่ ๆ ได้ถูกนำมาใช้ในงาน เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพและประสิทธิผลในการผลิต

ตัวควบคุมแบบ Analog PID Controller ซึ่งเคยถูกนำมาใช้แทนที่ Pneumatic PID Controller กำลังจะล้าสมัยไปแบบสิ้นเชิง การนำเอาไมโครคอมพิวเตอร์มาประยุกต์ใช้ในงานควบคุมได้เข้ามาแทนที่เกือบจะทั้งหมด

อย่างไรก็ตาม ถ้าพิจารณากันให้ลึกซึ้งจะพบว่าหลักการควบคุม (Control Regulatory) ของตัวควบคุมไม่ว่าจะเป็นแบบ Pneumatic, Analog, Digital, Computer Control หรือ อะไรก็แล้วแต่ ยังคงใช้หลักการเหมือนเดิมไม่เปลี่ยนแปลง เพียงแต่พัฒนาการของระบบควบคุมจะทำให้มีประสิทธิภาพมากขึ้น โดยที่มีขนาดเล็กลง ระบบควบคุมส่วนใหญ่ ในโรงงานอุตสาหกรรมก็ยังคงเป็นแบบ P-only, PI, PD หรือ PID นั่นเอง ไม่เปลี่ยนแปลง

เนื้อหาในส่วนที่จะกล่าวนี้ เป็นการสร้างความเข้าใจพื้นฐานที่ดี โดยเน้นให้ผู้อ่านสามารถนำไปใช้งานได้ทันที (Ready to Application) มากกว่าการนำเสนอแบบตำราเรียนทั่วไป

อย่างไรก็ตาม สิ่งที่จำเป็นอย่างยิ่งที่จะสร้างทักษะได้นั้น คือการปฏิบัติควบคู่ไปด้วย จะทำให้เข้าใจปัญหาและสามารถแก้ไขได้เป็นอย่างดี ท่านควรจะต้องหาโปรแกรม PID Simulator มาทดลองใช้งานด้วยจะเป็นการดีและทำให้เข้าใจทฤษฎีแบบแตกฉานได้

Process Definition คือ การเปลี่ยนแปลงสภาพทาง Physics หรือทางเคมีของสสารหรือการเปลี่ยนรูปของพลังงาน เช่น กระบวนการทำความเย็น กระบวนการกลั่นน้ำมัน กระบวนการผลิตไฟฟ้า เป็นต้น

Instrument เป็นอุปกรณ์ที่นำมาใช้เพื่อวัดค่าของ Process เพื่อให้รับรู้ถึงสภาพของ Process โดยมีวัตถุประสงค์เพื่อการปรับแต่งควบคุม (Control) ให้ Process เป็นไปตามที่ต้องการ (Set Point)

ในการวัดและการควบคุม เพื่อให้มีคุณสมบัติตามที่ต้องการมี ตัวแปร ที่เกี่ยวข้องที่ต้องการวัดค่า เช่น
- อุณหภูมิ (Temperature)      - ความหนืด (Viscosity)
- ความดัน (Pressure)            - ความเร็ว (Velocity or Speed)
- ระดับ (Level)                      - ความชื้น (Moisture)
- ปริมาณการไหล (Flow Rate) - ความต้านทาน (Resistance)
- น้ำหนัก (Weight)                - อัตราเร่ง (Acceleration)
- แรงดันไฟฟ้า (Voltage)        - การสั่นสะเทือน (Vibration)
- กระแสไฟฟ้า (Current)        - ค่า pH
เป็นต้น

รูปแบบของ Instrument ที่นำมาใช้งานมีหลายแบบ ตามลักษณะความต้องการใช้งาน ได้แก่

- Indicator เพื่อแสดงค่าของตัวแปร ไม่สามารถส่งสัญญาณไฟฟ้าได้ เช่น Pressure Indicator
- Transmitter (Tx) เพื่อแสดงค่าของตัวแปร โดยสามารถส่งเป็นสัญญาณไฟฟ้าได้ด้วย มีทั้ง Analog และ Digital Signal เช่น Pressure Transmitter
- Switch เพื่อแสดงค่าของตัวแปร โดยส่งเป็นสัญญาณไฟฟ้าได้ด้วย เป็นแบบ On-Off (Digital Signal) เช่น Pressure Switch
- Recorder Device เพื่อเก็บบันทึกของตัวแปร ปัจจุบันนิยมใช้ในรูปแบบของ Electronic Format เช่น เก็บไว้ใน Hard Disk

- Controller เป็นอุปกรณ์ที่ใช้ควบคุมกระบวนการ เป็นลักษณะของการ Programming เช่น PLC, PID control
- Alarm Device เป็นอุปกรณ์ที่มีไว้เพื่อเตือนค่าของตัวแปรที่อาจเป็นอันตรายต่อระบบหรือ Process
- Interlocking Device เป็นอุปกรณ์สำหรับป้องกันอันตรายของระบบหรือ Process โดยมีรูปแบบต่าง เช่น ต้องมีสัญญาณของการจ่ายน้ำ (Flow Rate) เกิดขึ้นก่อนจึงจะสามารถจ่ายสารเคมีบางส่วนได้
- Transducer มีคุณสมบัติคล้าย ๆ  กับ Transmitter แต่ไม่ได้ Generate สัญญาณไฟฟ้ามาตรฐานออกมา (Standard Signal: 4 -20 mA,1-5 V)

3. Control Function

หน้าที่หลักของการควบคุมสามารถจำแนกได้ 3 ประการ คือ
- Gathering Information เป็นการรับและรวบรวมข้อมูลเกี่ยวกับตัวแปรที่เราต้องการควบคุม และเกี่ยวข้อง
- Decision ประมวลผลและตัดสินใจในข้อมูลที่รับเข้ามาในขั้นตอน Gathering
- Take Action ส่งค่า Output ออกไปสั่งการ Final Drive จากผลของ Decision

ตัวอย่างเช่น 

รูปที่ 1 แสดง Control Function

การควบคุมสามารถกระทำได้ด้วยการควบคุมแบบ Manual และ Automatic ในการควบคุมแบบ Manual การตัดสินใจสั่งการมนุษย์จะเป็นผู้กระทำ ส่วนในการควบคุมแบบอัตโนมัติ (Automatic Control) การตัดสินใจสั่งการจะกระทำด้วยอุปกรณ์ หรือที่รู้จักกันคือ Controller เช่นในการควบคุมความเร็วของรถยนต์แบบ Manual ผู้ที่จะควบคุมตัดสินใจก็คือคนขับรถ

ความแตกต่างของการควบคุมแบบ Manual และแบบอัตโนมัติ (Automatically) พิจารณาจากการตัดสินใจ (Decision) ว่าได้กระทำโดยอะไร มนุษย์หรือเครื่องจักร (Man or Machine)

วัตถุประสงค์ของ Process Control 
- เพิ่มประสิทธิภาพการผลิต
- ป้องกันความเสียหายของระบบ และผู้ปฏิบัติงาน
- ลดค่าใช้จ่ายในการผลิต เช่นใช้ operator น้อยลง
- ใช้กับกระบวนการผลิตแบบต่อเนื่องและจำนวนมาก ๆ

 .

• Process Control Terms (ควรทำความเข้าใจให้ชัดเจน และจำให้ได้)
 Terms หรือคำจำกัดความที่พบเห็นบ่อย ๆ ใน Process Control มีดังนี้

Controlled Variable คือตัวแปรของ Process ที่เราต้องการควบคุม ค่าตัวแปรควบคุมที่ใช้ส่วนมาก ได้แก่ อุณหภูมิ, ความดัน, อัตราการไหล, ระดับ เช่นในการควบคุมอุณหภูมิของไอน้ำ Controlled Variable ก็คือ อุณหภูมิ

Measured Variable เป็นการวัดค่าของตัวแปรที่เราต้องการควบคุม อาจจะเป็นตัวเดียวกับ Controlled Variable หรือไม่ก็ได้

Set Point เป็นค่าเป้าหมายในการควบคุม เช่น Steam Temp. Set Point = 560oC เป็นต้น ในการควบคุมตัวแปรที่เราวัดซึ่งก็คือ Measured Variable และ Controlled Variable โดยทั่วไปจะเป็นตัวเดียวกัน เช่นการควบคุมอุณหภูมิของน้ำ Measure Variable และ Controlled Variable คืออุณหภูมิ  

ในบางกรณี เช่นการควบคุมระดับน้ำในถัง Controlled Variable ก็คือระดับน้ำ แต่ Measured Variable สามารถวัดในรูปของความดันหรือวัดความดันแตกต่างจากนั้นจึงแปลงค่าความดันไปเป็นระดับของน้ำได้ หรือการวัด Flow Rate ค่า Measured Variable คือ Differential Pressure

Deviation or Error เมื่อค่า Set Point และค่า Controlled Variable ถูกนำมาเปรียบเทียบกันถ้าเกิดความแตกต่างระหว่างค่า 2 ค่านี้เราเรียกว่า Deviation หรือ Error   

Error เป็นคำที่ใช้เรียกเมื่อค่าทั้งสองแตกต่างกัน มิใช่หมายความว่า ค่าความผิดพลาด ส่วนมากใช้กับ instrument คือมีค่าเท่ากับ ค่าที่วัดได้ – ค่ามาตรฐานหรือค่าที่วัดได้ที่เที่ยงตรงกว่า
Deviation จะเน้นช่วง Error ที่เกิดในช่วงเริ่มต้น และเป็นคำที่ใช้กันในระบบ Control

Manipulated Variable เมื่อมี Deviation เกิดขึ้นในการควบคุมตัวควบคุม (Controller) ก็จะส่ง Control Output ออกไป เพื่อขจัดค่า Deviation นี้ Control Output นี้จะไปทำการปรับแต่งค่าตัวแปรที่เรียกว่า “Manipulated Variale” ซึ่งเป็นตัวที่ทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงของ “Controlled Variable”

เช่นในการควบคุมอุณหภูมิของน้ำด้วยการผ่าน Heat Exchanger ด้วยการใช้ไอน้ำ อุณหภูมิของน้ำจะถูกวัดและนำมาเปรียบเทียบกับค่า Set Point ถ้าค่าทั้งสองนี้ไม่เท่ากัน ก็ต้องมีการปรับค่าปริมาณของไอน้ำ เพื่อทำให้อุณหภูมิเข้าสู่ค่า Set Point ในกรณีนี้ไอน้ำก็คือ Manipulated Variable ซึ่งก็คือตัวแปรปรับแต่ง Process นั่นเอง

รูปที่ 2 แสดงการควบคุมอุณหภูมิของน้ำด้วยการผ่าน Heat Exchanger

Disturbances or Upset การควบคุมอุณหภูมิของน้ำที่ผ่าน Heat  Exchanger ที่กล่าวมาแล้ว การควบคุมอุณหภูมิจะขึ้นอยู่กับการปรับปริมาณ Steam Flow โดยตรง แต่ยังมีปัจจัยอื่นที่ทำให้อุณหภูมิของน้ำที่เราควบคุม เปลี่ยนไปทั้ง ๆ ที่ปริมาณ Flow Rate ไอน้ำเท่าเดิมเราเรียกว่า “Disturbance” หรือ “Upset” เช่น มีการเปลี่ยนปริมาณการใช้น้ำที่ปลายทาง, อุณหภูมิของไอน้ำเปลี่ยนแปลง, ความสะอาดของ Heat Exchanger, Ambient Temperature เป็นต้น 

Closed Loop Control เป็นการควบคุมชนิดหนึ่งซึ่ง Control Action จะขึ้นอยู่กับ Process Output
Feedback Control เป็นส่วนหนึ่งของ Closed Loop Control โดยที่ Control Action จะขึ้นอยู่กับ Process Output โดยการวัดค่าตัวแปรที่เราต้องการควบคุมแล้วนำกลับเข้ามาเปรียบเทียบกับค่า Set Point

การควบคุมแบบ Feedback Control แบ่งได้เป็น 2 อย่าง คือ
• Negative Feedback เป็นการควบคุมที่นำค่าสัญญาณที่ต้องการควบคุมป้อนกลับเปรียบเทียบกับค่า Set Point โดยนำมาลบกับค่า Set Point
• Positive Feedback เป็นการควบคุมที่นำค่าสัญญาณที่วัดได้ป้อนกลับเข้ามาบวกกับค่า Set Point

รูปที่ 3 รูปแสดง Feedback Control

Feed Forward Control เป็นการควบคุมอีกแบบหนึ่งที่นำเอาค่าของสัญญาณของ Disturbance เข้ามาเพื่อทำการปรับแต่ง Manipulated Variable ก่อนที่ Controlled Variable จะเปลี่ยนแปลงไปมาก นิยมใช้กับ Process ที่มีการเปลี่ยนแปลงของ Load บ่อย ๆ เมื่อนำการควบคุมชนิดนี้เข้ามาใช้ร่วมใน Feedback Loop จะทำให้ Controlled Variable เกิดเปลี่ยนแปลงหรือมี Deviation น้อยที่สุด

จากรูปที่ 4 แสดง Feed Forward Control
Water Temperature Outlet     = Controlled Variable
Steam Flow Rate (Inlet)          = Manipulated Variable
Water Flow Rate (Inlet)           = Disturbance

รูปที่ 4 แสดง Feed Forward Control

ระบบควบคุมส่วนใหญ่จะอาศัยหลักการของ Feedback Control Loop ในการควบคุมแบบนี้ เราจะใช้ Sensor เป็นตัววัดค่า Controlled Variable และส่งข้อมูลให้กับ Controller โดยมี Comparator ซึ่งเป็นส่วนหนึ่งใน Controller จะทำการเปรียบเทียบสัญญาณ Controlled Variable นี้กับ Set Point ความแตกต่างที่ได้จากค่าทั้งสองจะเรียกว่า Error หรือ Deviation  

จากนั้น Controller จะนำค่า Error Signal ไปเป็นตัวกำหนดขนาด และทิศทางการเปลี่ยนแปลงของ Final Control Element เช่น Control Valve, Damper เป็นต้น เพื่อทำการเปลี่ยนค่า Manipulated Variable

ค่า Controlled Variable หรือ Measured Variable (Water Temperature: Out) จะถูกวัดโดย Sensor แล้วส่งค่ากลับมาที่ Controller จากนั้น Controller จะส่งสัญญาณที่ผ่านการประมวลผลแล้ว ตาม Control Mode เพื่อทำการปรับแต่ง Manipulated Variable (Steam Flow: In) เพื่อรักษาค่า Controlled Variable ให้ได้ค่าตามที่ต้องการ (Set Point) อยู่ตลอดเวลา จากการทำงานลักษณะนี้เราจึงเรียบระบบนี้ว่า Feedback Control Loop หรือ Closed Loop Control ตามรูป

รูปที่ 5 รูปแสดง Feedback Control Loop

จากรูปที่ 5 เป็นตัวอย่างของ Feedback Control Loop ถ้าอุณหภูมิของน้ำร้อนที่วัดมาสูงกว่าค่า Set Point, Controller จะส่งสัญญาณไปหรี่ Control Valve ลด Steam Flow Rate ทำให้อุณหภูมิของน้ำร้อนลดลง กลับเข้าหา Set Point

ในทางกลับกัน ถ้าอุณหภูมิของน้ำร้อนที่วัดมาได้ต่ำกว่าค่า Set Point Controller ก็จะส่งสัญญาณไปเปิดวาล์วเพิ่มขึ้น เพื่อเพิ่มปริมาณไอน้ำ ทำให้อุณหภูมิของน้ำร้อนเพิ่มขึ้น เป็นเช่นนี้สลับไปมา

รูปที่ 6 รูปแสดง Basic Control Loop

ในเรื่องต่อไปจะเป็นการกล่าวถึงอุปกรณ์วัดคุมหรือที่เรียกกันว่า Instrument ซึ่งถือว่าเป็น Primary Element or Primary Device ที่จำเป็นของระบบควบคุมที่ขาดไม่ได้ มิฉะนั้นแล้ว Control System ก็ไม่สมบูรณ์และไม่สามารถใช้งานในลักษณะ Automatic Control ได้
สามารถศึกษาข้อมูลข่าสารใหม่ ๆ เพิ่มเติมได้เว็บไซต์เหล่านี้ ได้แก่

http://www.control.com
http://www.softintegration.com/webservices/control/
http://www.manufacturing.net
http://www.jashaw.com
เป็นต้น
หรือ Search คำว่า PID CONTROL,   PROCESS CONTROL ท่านจะเจอรายชื่อเว็บไซต์จำนวนมากที่สามารถหาข้อมูลเพิ่มเติมได้ สำหรับเว็บไซต์ดี ๆ ที่น่าสนใจ คราวหน้าจะหามาฝากให้อีก สวัสดีครับ