ความรู้พื้นฐาน
ก่อนที่จะกล่าวไปถึงเรื่องอื่น ในตอนนี้จึงขอกล่าวถึงความรู้พื้นฐานที่เกี่ยวกับระบบการควบคุมในโรงงานอุตสาหกรรมในปัจจุบัน ซึ่งหลายๆท่านคิดว่าเป็นเรื่องที่ยากสลับซับซ้อน เกินกว่าที่จะสามารถศึกษาด้วยตัวท่านเอง แต่ถ้าท่านได้ศึกษาระบบการควบคุมต่างๆ อย่างใกล้ชิดขึ้น ท่านจะพบว่าเรื่องต่างๆ ที่ผมจะกล่าวในต่อๆไปนี้ไม่ยากเกินไปที่จะศึกษาด้วยตัวท่านเอง
ระบบโดยทั่วไปมักจะประกอบไปด้วยส่วนหลักๆ อยู่ 3 ส่วนด้วยกัน คือ input , process ,output ซึ่งเมื่อเรามองเที่ยบกับเครื่องจักร อุปกรณ์ต่างๆ ที่เราคุ้นเคยกันก็จะพบว่าระบบที่ทำหน้าที่ในการควบคุมเครื่องดังกล่าวสามารถแบ่งได้เป็น 3 ส่วน เช่นเดียวกัน โดยในส่วนของ Input ได้แก่อุปกรณ์ตรวจจับสัญญานในการควมคุมต่างๆ เช่น Limit switch,Thermostat , Thermocouple , Encoder ,Switch ,Strain gage , Photo cell ,Proximity sweitch ฯลฯ Process ได้แก่อุปกรณ์ในการควบคุมซึ่งในปัจจุบันมีอุปกรณ์ต่างๆ อยู่มากมายเช่น PLC (Programmable Logic Controller) , PID controller , Microprocessor , DSP (Digital signal processor) , Computor เป็นต้น ในส่วนของ Output ได้แก่อุปกรณ์ที่ทำหน้าที่ในการทำงานซึ่งก็ได้แก่อุปกรณ์จำพวก มอเตอร์ , Pump , Piston , Solenoid , Heater , Valve , Relay เป็นต้น
ชนิดของสัญญาน
สัญญานในระบบการควบคุมเราสามารถที่จะแบ่งตามลักษณะของสัญญานได้เป็น 2 แบบใหญ่ๆ ด้วยกันคือ
Analog(Continuous) สัญญานที่เราพบเห็นโดยทั่วๆไป มักจะมีลักษณะที่ต่อเนื่อง ซึ่งลักษณะของสัญญานดังกล่าว เป็นสัญญานประเภทที่เป็น Analog signal สัญญานดังกล่าวเช่น ความเร็ว , อุณหภูมิ , ตำแหน่ง เป็นต้น ระบบการควบคุมในโรงงานอุตสาหกรรมต่างๆ มีอุปกรณ์มากมายหลายตัวที่ให้สัญญานของข้อมูลออกมาเป็นสัญญานแบบ Analog เช่น Load cell , Thermocouple , Strain gage เป็นต้น ซึ่งค่าของสัญญานที่ส่งออกมาจากอุปกรณ์เหล่านั้นมีมากมายด้วยกันหลายแบบเช่น 0-20 mA , 4-20 mA ,0-10 V ,0-5 V , 20mV
Digital (Binary) เป็นสัญญานจำพวกที่มีระดับข้อมูลเพียง 2 ระดับ และมีลักษณะของสัญญานที่ไม่ต่อเนื่อง เช่น สัญญาน on-off , Open-Close , 1-0 ,Yes-No ,True-False เป็นต้น
ระบบควบคุมเดิม
ระบบการควบคุมตั้งแต่ในอดีตที่นิยมใช้ในการควบคุมการทำงานของอุปกรณ์ไฟฟ้าโดยทั่วไปนั้นก็คือ ระบบของรีเลย์ ตัวอุปกรณ์รีเลย์นั้ยจัดเป็นอุปกรณ์ที่มีความสำคัญในการตัดต่อสัญญาณทางไฟฟ้า และได้ถูกพัฒนามาตามลำดับในแง่ของความเร็วในการทำงาน ขนาดของตัวอุปกรณ์ ความหลากหลายของการเชื่อมต่อสัญญาณ แต่อย่างไรก็ตามเนื่องจากอุปกรณ์รีเลย์เองนั้นประกอบไปด้วยชิ้นส่วน ที่ต้องมีการเคลื่อนไหวซึ่งทำให้เป็นอุปสรรค์ต่อความเร็วในการควบคุมอุปกรณ์อื่นๆ อายุการใช้งาน ความเชื่อถือได้ของการทำงาน และต้องการพื้นที่ในการติดตั้งมาก รวมถึงต้องมีค่าใช้จ่ายต่อวงจรสูง ในปัจจุบันจึงได้มีการใช้ อิเล็คทรอนิครีเลย์(Solid state relay) ซึ่งไม่มีชิ้นส่วน ที่ต้องมีการเคลื่อนไหว จึงทำให้ความเร็วในการควบคุมอุปกรณ์เพิ่มมากขึ้น แต่อย่างไรก็ตามอุปกรณ์ที่กล่าวมา ก็ไม่สามารถตอบสนองการต้องการในระบบที่มีความซับซ้อนในการควบคุมมากๆ จึงทำให้ในปัจจุบันได้มีการนำเอาอุปกรณ์อิเล็คทรอนิคต่างๆ มาใช้ในการควบุมที่นับวันจะมีความสลับซับซ้อนมากยิ่งขึ้น
วงจรอิเล็คทรอนิค
ในปัจจุบันอุปกรณ์และชิ้นส่วนอิเล็คทรอนิคต่างๆ ได้ถูกนำมาใช้ในการควบคุมมากขึ้น ในที่นี้จะยกตัวอย่างอุปกรณ์บางประเภทที่นำมาใช้กันอย่างแพร่หลาย
ทรานซิสเตอร์
ทรานซิสเตอร์เป็นอุปกรณ์ที่ทำหน้าที่ในการตัดต่อสัญญาณทางไฟฟ้า ซึ่งมีขนาดเล็ก, ความเร็วสูง, ความเชื่อถือได้สูง เมื่อเทียบกับระบบของรีเลย์ การทำงานของทรานซิสเตอร์ที่ใช้ในการควบคุมจะมี สถานะการทำงานอยู่ 2 สถานะ คือ ตัด และ ต่อวงจร (ON-OFF) โดยการทำงานจะทำงานในช่วงของการทำงานที่อิ่มตัว (Saturation state) แต่อย่างไรก็ตามบางการใช้งานจะใช้งานทรานซิสเตอร์ในลักษณะการขยายสัญญาณต่อเนื่อง (Analog signal)
Integrated circuits (ICs)
ในปัจจุบัน เทคนิคในเรื่องของเซมิคอนดัคเตอร์ (semiconductor) ได้ถูกพัฒนาขึ้นได้อย่างรวดเร็ว โดยได้มีการนำเอาอุปกรณ์ทรานซิสเตอรจำนวนมากๆมารวมกันอยู่ในรูปของชิป (Chip) ซึ่งมีขนาดซึ่งเล็กมาก ซึ่งทำให้มีการนำวงจรมาจัดทำเป็นกลุ่มของฟังชั่นการทำงาน ซึ่งฟังชั่นการทำงานต่างๆที่จัดทำขึ้นมีอยู่มากมาย โดยแบ่งออกเป็นลักษณะคร่าวๆ ได้เป็น 2 แนวทางคือ Linear ICs และ Digital ICs
สำหรับการจำแนกประเภทของ ICs มีการจำแนกโดยพิจารณาจากจำนวนของวงจรในชิป โดยแบ่งออกเป็นประเภทได้ดังนี้
SSI : Small-scale integration ได้แก่ ICs ที่มีวงจรน้อยกว่า 10 วงจรต่อ IC
MSI : Medium-scale integration ได้แก่ ICs ที่มีวงจรตั้งแต่ 10-100 วงจรต่อ IC
LSI : Large-scale integration ได้แก่ ICs ที่มีวงจรตั้งแต่ 100-1000 วงจรต่อ IC
VLSI : very Large-scale integration ได้แก่ ICs ที่มีวงจรมากกว่า 1000 วงจรต่อ IC
ประวัติความเป็นมา
อุปกรณ์ Programmable Logic Controller (PLC) ได้ถูกริเริ่มนำมาใช้โดยกลุ่มวิศวกรของ บริษัท General Motor ในปี ค.ศ.1968 โดยที่ระบบมีข้อดี คือ
1.) ง่ายต่อการโปรแกรมและ แก้ไขโปรแกรมทำได้ง่าย
2.) ง่ายต่อการบำรุงรักษาซ่อมแซม โดยใช้ลักษณะเป็นแบบ Plug-in module
3.) ระบบมีความเชื่อถือ และมีขนาดของอุปกรณ์ที่เล็กกว่าเมื่อเทียบกับระบบรีเลย์
4.) ค่าใช้จ่าย น้อยกว่าเมื่อเทียบกับระบบรีเลย์
จากข้อดีดังกล่าว ทำให้ระบบ PLC มีผู้สนใจอย่างแพร่หลาย และความต้องการในการใช้งาน PLC ได้สูงขึ้นอย่างมาก ทำให้เทคโนโลยีในด้านนี้ได้ถูกพัฒนาขึ้นอย่างรวดเร็ว จากวงจรตรรกเบื้องต้นได้กลายมาเป็นคำสั่งอย่างง่ายๆ รวมทั้งพัฒนาต่อไปจนรวมถึง counter,timer,shift registers,advance mathematical นอกจากนี้ในส่วนของโครงสร้างทางด้าน Hardware ได้ถูกพัฒนาขึ้นจนมีหน่วยความจำที่มีขนาดใหญ่ มีจำนวน input-output ที่มาก
ต่อมาในราวปี ค.ศ.1976 ได้มีการประดิษฐ์อุปกรณ์ Remote I/O rack ซึ่งเป็นอุปกรณ์ที่ช่วยสนับสนุนในการใช้งานกับ I/O ์ที่อยู่ห่างไกลจาก PLC หลักหลายร้อยเมตร
ในราวปี ค.ศ.1977 ทางบริษัท Allan-Bradley Corporation ได้มีการนำเอาไมโครโปรเซสเซอร์ 8080 มาประยุกต์ใช้กับ PLC จากนั้นได้มีการพัฒนาต่อไปจนมีความสามารถมากมายหลายระดับ ในปีค.ศ.1980 ได้เริ่มมีการพัฒนา Interigent I/O ขึ้นรวมทั้งเพิ่มความสามารถในการติดต่อสื่อสาร
นอกจากนี้ในปัจจบันได้เกิดมีโมดูลต่างๆ มากขึ้น เช่น Analog I/O , PID control , communications , graphic display , addition I/O , additional memory ฯลฯ
การโปรแกรม
การโปรแกรมระบบ PLC จะใช้ลักษณะของโปรแกรมที่ง่ายต่อการเข้าใจและเรียบง่าย โปรแกรมแบบ LADDER เป็นภาษาที่ใช้กันทั่วไปโดยจะมีลักษณะของภาษาที่คล้ายกับวงจรไฟฟ้าที่ช่างไฟฟ้ามีความคุ้นเคย
Operance in PLC
RS latch
RS Latch - Set priority
RS Latch - Reset priority
Timer
ลักษณะของตัวจับเวลา ในโปรแกรมสามารถที่จะเลือกใช้ได้หลายรูปแบบตามลักษณะการใช้งาน โดยแบ่งออกเป็นประเภทต่างๆ ดังนี้
On Delay Timer (SR)
Off Delay Timer (SS)
Extensed Pulse Timer (SE)
Pulse Timer (SP)
Extened On Timer (SF)
Counter
ตัวแปรสำหรับตัวนับมีรายละเอียดดังนี้
Count up (CU)
Count Down (CD)
Preset Input (S)
Preset Value (CV)
Counter Reset (R)
Counter Not Zero (Q)
Counter Value in Binary (DU)
Counter Value in BCD (DE)
Comparator
!=
><
>=
>
<=
<
การโปรแกรมอุปกรณ์ PLC
การโปรแกรมแบบอุปกรณ์ของ PLC ยี่ห้อ SIEMENS (SIMATIC S5) นั้นจะมีภาษาพื้นฐานอยู่ด้วยกัน 3 แบบ เป็นภาษาที่ใช้กันทั่วไปโดยจะมีลักษณะของภาษาที่คล้ายกับวงจรไฟฟ้าที่ช่างไฟฟ้ามีความคุ้นเคย
STL Language
โปรแกรมแบบ STL (Statement list) เป็นภาษาพื้นฐานที่ใช้แทนการกระทำทางลอจิก โดยจะมีลักษณะของภาษาที่คล้ายกับการโปรแกรมของอุปกรณ์ ไมโครคอนโทรเลอร์
LAD Language
โปรแกรมแบบ LADDER เป็นภาษาที่ใช้กันทั่วไปโดยจะมีลักษณะของภาษาที่คล้ายกับวงจรไฟฟ้าที่ช่างไฟฟ้ามีความคุ้นเคย
CSF Language
โปรแกรมแบบ CSF (Contro; System Flowchart) เป็นภาษาที่ใช้ลักษณะทางกราฟฟิกเป็นตัวแทนโลจิกทางตรรกะ โดยจะมีลักษณะของภาษาที่คล้ายกับวงจรลอจิกทางอิเล็คทรอนิค ICs
ขั้นตอนการใช้ PLC
กำหนดขั้นตอนการทำงานของเครื่องจักร
กำหนดอินพุตและเอาต์พุตคือการกำหนด Address ของสวิตช์ปุ่มกด (Push Button) หรือ แมกเนติก(Magnetic) ว่าอยู่แชนแนลที่เท่าใด เช่น สวิตช์ปุ่มกด(Push Button)จะต่อเข้าที่ขั้วต่อสาย(Terminal) 1 คือ Bit 00 เป็นต้น
เดินสายไฟจากอินพุทเข้าที่ขั้วต่อสายด้านอินพุต (Input Terminal) และจากขั้วต่อสายด้านเอาต์พุต (Output Terminal)เข้าที่โหลด(Load)หรือรีเลย์(Buffer)
เขียนโปรแกรมลงใน CPU ของ PLC เขียนตามขั้นตอนการทำงานของเครื่อง อาจจะเป็นในรูปของนีมอนิก(Mnemonic)หรือแลดเดอร์ก็ได้
การให้ PLC ทำงานตามโปรแกรม และ การมอนิเตอร์(Monitor) โปรแกรม หลังจากเขียนโปรแกรมจบแล้ว สั่ง (RUN) คือให้เครื่องจักรทำงานตามขั้นตอนที่เขียนไว้ในโปรแกรมตามต้องการ และดูสภาวะการทำงานที่หน้าจอ(Monitor)
โครงงการควบคุมระบบรัฐบาล
ประกวดราคาอิเล็คทรอนิกส์