มนตรี ไล้สมบูรณ์
montri.la@egat.co.th

ในเรื่องของ Instrument อาจดูเป็นเรื่องใหม่สำหรับประเทศไทย เนื่องจากว่าในระบบการศึกษาของเรานั้น มีสถาบันการศึกษาน้อยแห่งมากที่เปิดสอนเรื่องที่เกี่ยวกับ Instrumentation and Control โดยตรง จึงทำให้ผู้ที่มีความรู้ความชำนาญในสาขานี้มีน้อยมาก แต่ด้วยความจำเป็นทางระบบการผลิตที่ต้องมีการแข่งขันกันในเรื่องของ Productivity นั้น จำเป็นต้องใช้เครื่องจักรที่ดีมีคุณภาพเพื่อการผลิตสินค้าให้ได้คุณภาพและปริมาณที่ดีตามต้องการ 

จึงหลีกไม่พ้นที่ต้องมีการนำเอาเทคโนโลยีการผลิตแบบ Automatic มาใช้งานเพื่อให้บรรลุวัตถุประสงค์การผลิตที่ต้องการ ดังนั้น จึงต้องมีผู้ที่มีความรู้ความเข้าใจในการใช้งานระบบ การบำรุงรักษา อย่างถูกวิธี เพื่อให้ระบบสามารถทำงานได้เต็มประสิทธิภาพ สำหรับเนื้อหาที่จะกล่าวต่อไปนี้จะไม่เน้นเรื่องของ Instrument มากนัก จะกล่าวในส่วนที่จำเป็นเท่านั้น และจะเน้นเฉพาะเรื่องที่เกี่ยวข้องกับ Control System เป็นหลัก

หากต้องการศึกษาเรื่อง Instrument โดยตรง กรุณาอดใจรอกันอีกสักพักนะครับ ตอนนี้ผมกำลังเรียบเรียงอยู่ ใกล้จะเสร็จแล้ว รับรองไม่ผิดหวังแน่นอน เพราะแนวทางการเขียนมาจากประสบการณ์ที่ทำงานโดยตรง เรามาเริ่มตอนที่ 2 กันดีกว่าครับ

เป็นอุปกรณ์วัดค่าตัวแปร (PV) ได้แก่ Temperature Sensor, Pressure Sensor, Level Sensor เป็นต้น ในส่วนของรายละเอียด ควรศึกษาในเรื่องของ Sensor and Transducer อีกครั้ง ในที่นี้จะกล่าวถึงเฉพาะในเรื่องที่เกี่ยวข้องกับ Control System เท่านั้น โดยมี Term ที่เกี่ยวข้องดังนี้  

เป็นเวลาในการตอบสนองของ Process ของตัว Sensor เมื่อมีการเปลี่ยนแปลงค่าของ Input โดยปกติ Response Time มักถูกใช้วัดในรูปของ Time Constant หนึ่ง ๆ 

Time Constant หมายถึง การเปลี่ยนแปลงค่าของเอาต์พุตที่เปลี่ยนแปลงตามเวลาขึ้นกับค่าอินพุต โดยคิดเมื่อเอาต์พุตเริ่มเปลี่ยนแปลงไปจนถึง 63.2% ของเอาต์พุตที่เปลี่ยนแปลงทั้งหมด ตามรูป

รูปที่ 1 แสดง Time Constant

จากกราฟเป็น Response ของเครื่องมือวัดอุณหภูมิ ปกติวัดอุณหภูมิอยู่ที่ 100 ^๐F ถ้าอุณหภูมิเกิดเปลี่ยนเพิ่มขึ้นกะทันหันเป็น Step Change ถึง 700 ^๐F แต่ผลตอบสนองของเครื่องวัดจะมีค่าค่อย ๆ เพิ่มขึ้นตามจนถึง 63.2% ของการเปลี่ยนแปลง 600 ^๐F (700-100)

จากกราฟ จะเห็นว่าผลการตอบสนองการวัดของตัว Sensor จนชี้ถึงค่า 63.2% หรือที่ 479.2 ^๐F (600*63.2%) นั้นใช้เวลา 3 วินาที ซึ่งก็คือ 1 Time Constant   ดังนั้นจึงกล่าวได้ว่า 1 Time Constant มีค่าเท่ากับ 3 วินาที

เป็นความสามารถของตัว Sensor ที่จะชี้แสดงค่าที่แท้จริง เครื่องมือวัดที่มี Accuracy ดีก็คือเครื่องมือที่สามารถชี้แสดงค่าได้เท่ากับค่าจริงหรือใกล้เคียงของจริงมากที่สุด แต่ไม่จำเป็นว่าทุก ๆ ครั้งของการวัดค่าเดิมจะแสดงค่าได้เท่ากันทุกครั้ง

รูปที่ 2 แสดง Accuracy Profile

เป็นความสามารถของตัว Sensor ที่จะแสดงค่าในการวัดที่ใกล้เคียงหรือเท่ากันทุกครั้ง เมื่อถูกนำไปวัดค่าตัวเดิมในสภาวะเดิมในแต่ละครั้ง ซึ่งค่าที่ได้จะเท่ากับหรือใกล้เคียงกับค่าจริงหรือไม่ก็ได้ หากใกล้เคียงกับค่าจริงก็เรียกว่า Accuracy ได้ด้วย โดยปกติ Sensor ที่ดีจะมีค่า Accuracy and Precision อยู่ใกล้เคียงกับค่าที่แท้จริงเสมอ ดังนั้น Sensor ทุกตัวต้องมีคุณสมบัติ ทั้ง Accuracy และ Precision เสมอ

รูปที่ 3 แสดง Precision Profile

Transmitter เป็นอุปกรณ์ซึ่งใช้เปลี่ยนค่าของตัวแปรที่วัด (Measured Variable) ไปเป็นสัญญาณมาตรฐาน ทำให้สะดวกต่อการนำไปใช้งานร่วมกับอุปกรณ์อื่น ๆ ที่ผลิตภายใต้ Standard เดียวกัน

หน้าที่ของ Transmitter โดยทั่วไปมีดังนี้ 
- Converse เปลี่ยนค่าตัวแปรที่วัดไปเป็นสัญญาณที่ต้องการ เช่น เปลี่ยนแปลงค่า Differential Pressure เป็นค่า Flow Rate เป็นต้น
- Amplifier ทำหน้าที่ขยายสัญญาณที่เปลี่ยนแล้วให้มีขนาดใหญ่ขึ้น เพื่อให้ง่ายต่อการ รับ ส่ง และลดปัญหาเรื่อง Signal Loss หรือ Noise มารบกวน
- Standard ในการขยายสัญญาณต้องขยายให้อยู่ในค่ามาตรฐาน คือ 4-20 mA, 1-5 V, 3-21 psi

- Transmit  ทำการส่งสัญญาณมาตรฐานออกไป โดยค่าสัญญาณที่วัดได้จะส่งออกไปในรูปของ
           - Electrical Signals เป็นสัญญาณทางไฟฟ้าในรูปของกระแสไฟฟ้า หรือแรงดันไฟฟ้า (4-20 mA, 1-5 V)
           - Pneumatic Signals เป็นสัญญาณของความดันลม (3-21 psi )
           - Hydraulic Signals เป็นสัญญาณของความดันของของเหลว (3-21 psi)
           - Telemetered Signals ส่งสัญญาณในรูปของคลื่นความถี่วิทยุ

รูปที่ 4 แสดงความสัมพันธ์ Input-Output

จากรูป ตัว Transmitter จะส่งสัญญาณไปเป็นสัดส่วนกับค่าตัวแปรที่วัดค่าได้ เช่น Transmitter มีย่านวัดความดัน (Calibration Range or Measuring Range) 200 - 1000 Psig และเปลี่ยนค่าในย่านการวัดนี้ไปเป็นสัญญาณไฟฟ้ามาตรฐาน 4-20 mA ที่ความดัน 200 Psig ให้สัญญาณส่งออกมีค่า 4 mA ที่ความดัน 1000 Psig ให้ส่งสัญญาณออกมีค่า 20 mA ค่าที่ 200 psig หรือที่ 4 mA เรียกว่า Live Zero เป็นค่าที่ใช้เพื่อตรวจสอบสถานะเริ่มต้น หรือเพื่อดูว่า Transmitter ยังมีสภาพดีอยู่ ไม่เสีย

คือ อุปกรณ์ ซึ่งใช้เพื่อปรับแต่งเปลี่ยนแปลงค่าของ Manipulated Variable ซึ่ง Final Control Element ได้แก่
- Valve ใช้เพื่อปรับ Flow Rate ได้แก่ Control Valve
- Pumps ใช้ในการขับเคลื่อนของเหลว
- Dampers ใช้เพื่อปรับ Air Flow Rate or Gas Flow Rate

การขับเคลื่อนของ Final Control Element จะมีผลกระทบต่อ Process โดยตรง เช่น เมื่อปริมาณการไหลของของเหลวในท่อมากเกินไป Control Valve จะปรับตำแหน่งหรี่ลงเพื่อทำให้ปริมาณการไหลลดลง
การขับเคลื่อนตำแหน่งของ Final Control Element สามารถขับด้วยไฟฟ้า, Hydraulics or Pneumatics

การขับเคลื่อนด้วยไฟฟ้าและ Pneumatic เป็นที่นิยมใช้มากที่สุดในงานอุตสาหกรรม
การขับเคลื่อนด้วย Hydraulics ใช้ในงานพิเศษที่ต้องการความรวดเร็วและแม่นยำ เช่น ระบบควบคุม Steam Flow Rate ที่เข้า Steam Turbine ใน Steam Control Valve เป็นต้น

7.2 Electrical Positioning
การขับเคลื่อนตำแหน่งของ Final Control Element ด้วยไฟฟ้า โดยมากจะใช้ Motor เรียกว่า Motor Operate Device และ Solenoid Drive Device

ลักษณะของ Solenoid Drive Device นั้นมีโครงสร้างที่ประกอบด้วยขดลวด (Coil) และมีแกนเหล็ก (Core) ที่สามารถเคลื่อนที่ได้ เมื่อมีกระแสไฟฟ้าไหลผ่านขดลวดจะทำให้เกิดมีสนามแม่เหล็กดูดให้แกนเหล็กเคลื่อนที่ ความแรงของการเคลื่อนที่ของแกนเหล็กขึ้นอยู่กับค่ากระแสไฟฟ้าที่ส่งมาที่ Coil และกระแสไฟฟ้าก็ขึ้นอยู่กับ Load ที่มากระทำต่อแกนเหล็ก  

จากรูปแบบการเคลื่อนที่นี้ก็นำไปต่อกับก้านวาล์วเพื่อใช้ในการขับเคลื่อน โดยส่วนมากจะเป็นการ เปิด หรือ ปิด เท่านั้น แต่ถ้าต้องการการควบคุมแบบต่อเนื่อง คือสามารถหรี่ได้ หรือเปิดปิดเป็น Percent ได้นั้นต้องใช้ Servo Valve แทน

รูปที่ 5 Solenoid Structure
(รูปจาก เอกสารประกอบการ อบรม หลักสูตร Introduction to Process Control กองศูนย์ฝึกอบรมบางปะกง การไฟฟ้าฝ่ายผลิตแห่งประเทศไทย)

7.3 Pneumatic Positioning

เป็นอุปกรณ์ที่ใช้ปรับตำแหน่งด้วยแรงดันของลมอัด (Compressed Air) ดังรูปเมื่อมีความดันของลมอัดส่งเข้าไปที่ด้านหนึ่งของไดอะแฟรมก็จะทำให้แผ่นไดอะแฟรมขยับตัวและเมื่อต่อเข้ากับก้านวาล์วจะทำให้ตำแหน่งของก้านวาล์วขยับตัวตามไปด้วย

รูปที่ 6 แสดง Diaphragm Valve
(รูปจาก เอกสารประกอบการ อบรม หลักสูตร Introduction to Process Control กองศูนย์ฝึกอบรมบางปะกง การไฟฟ้าฝ่ายผลิตแห่งประเทศไทย)

8.  FEEDBACK CONTROLLER STRUCTURE
Controller ที่ใช้งานอยู่ในปัจจุบันมีหลายรูปแบบ ตามวิวัฒนาการ ได้แก่ 
- Mechanism Controller เช่น Servo Mechanism เป็นต้น
- Pneumatic Controller เช่น Pneumatic Controller ใน Control Valve
- Electronic Controller (Digital and Analog Controller)
- Programmable Controller เช่น PLC
- Computerization Controller เช่น ระบบควบคุม DCS

ในยุคแรก ๆ Feedback Control จะเป็น Mechanism ซึ่งต่อโดยตรง (Direct Drive) เพื่อไปปรับค่า Manipulated Variable ที่เข้า Process ปัจจุบันไม่เป็นที่นิยมใช้งานแล้ว

ต่อมามีการพัฒนาเป็นแบบ Pneumatic และ Electronic, Programmable, Computer ตามลำดับ ดังนั้นการส่งข้อมูลสถานะของ Process ไปยัง Controller และการส่งสัญญาณควบคุมจาก controller มายัง Final Control Element จะเปลี่ยนไปใช้สัญญาณมาตรฐานซึ่งมี 2 รูปแบบ ดังที่กล่าวมาบ้างแล้ว คือ

b.) ELECTRICAL SIGNAL
      4–20 mA Standard by  IEC in 1970 (IEC: International Electrotechnical Commission)

Feedback Controller จะมีสัญญาณเข้า 2 สัญญาณ และสัญญาณออก 1 สัญญาณ เป็นอย่างน้อย โดยสัญญาณเข้า สัญญาณหนึ่งส่งมาจาก Transmitter ซึ่งวัดค่า Controlled Variable และอีกสัญญาณหนึ่งคือ Set Point สัญญาณทั้งสองนี้จะถูกนำมาเปรียบเทียบกันค่าความแตกต่างของสัญญาณทั้งสองนี้เรียกว่า Error ซึ่งจะถูกส่งเข้าประมวลผลและสร้าง Output Signal ออกมา

ส่วนที่สร้างสัญญาณ Output นี้มักจะประกอบด้วยวงจรที่มีลักษณะการทำงานแบบ Proportional, Integral, Derivative หรือ PID นั่นเอง

8.1 Feedback Control มี 2 รูปแบบ คือ POSITIVE and NEGATIVE FEEDBACK CONTROL
ใน Feedback Controller ทุกตัว จะมีวิธีการในการปรับ Controlled Action ซึ่งจะบ่งบอกถึงทิศทางการตอบสนองของ Controller ต่อการเปลี่ยนแปลงของ Input (Controlled Variable) ดังนี้

-  ถ้าปรับเป็น Direct Action คือ Controlled Output (Control Signal) จะมีค่าเพิ่มขึ้น ตอบสนองต่อ Input ที่เพิ่มขึ้น
-  ถ้าปรับเป็นแบบ Reverse Action (Increase–Decrease Action) Control Signal จะมีค่าลดลง เมื่อ Input เพิ่มขึ้น การ Set Action ผิด จะทำให้ Controllerไม่สามารถควบคุม Process ได้

รูปที่ 7 แสดง Positive Feedback Control

จากรูปที่ 7 แสดงถึงผลระหว่าง Output Temperature (Controlled Variable) กับ Steam Flow (Control Signal) ของ Heat-Exchanger Process โดยที่ Final Control Element (Steam Control Valve) เป็นแบบ Air-to-Open (Direct Acting) ซึ่งหมายความว่า ถ้า Cs (control Signal) เพิ่มขึ้น Valve ก็จะเปิดเพิ่มขึ้นทำให้ Steam Flow เพิ่มขึ้น         

ถ้าเราตั้ง Controller เป็นแบบ Direct Action จะทำให้ระบบไม่มีเสถียรภาพคือ ถ้ามี Disturbance แม้เพียงขนาดน้อย ๆ เช่น การใช้น้ำน้อยลง จะทำให้อุณหภูมิของน้ำเพิ่มขึ้น controller จะเพิ่มค่า Output มากขึ้น Valve จะเปิดมากขึ้น ทำให้ไอน้ำเข้ามามากขึ้น อุณหภูมิของน้ำจะสูงขึ้น Controller ก็จะสั่งเปิด Valve มากขึ้นอีกเรื่อย ๆ ผลก็คือ อุณหภูมิจะเพิ่มขึ้นไปเรื่อย ๆ (Runaway Temperature) และไม่สามารถควบคุม Process ได้

ในทางกลับกัน ถ้า Disturbance ที่เกิดขึ้น ทำให้อุณหภูมิของน้ำลดลง เช่น การใช้น้ำเพิ่มขึ้น Steam Control Valve ก็ถูกสั่งให้ปิดลงอีกเรื่อย ๆ ทำให้อุณหภูมิน้ำขาออกลดลงเรื่อย ๆ ดังนั้นจะเห็นว่าผลกจากการ Set ค่า Controller ในกรณีนี้จะทำให้การเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิ (Controlled Variable) ลดลง ซึ่งสัญญาณ feedback จะส่งผลให้ Control Action นำ Process ไปในทิศทางเสริมให้ผลการควบคุม Controlled Variable หนีห่างออกจาก Set Point จึงเรียกว่า Positive Feedback ซึ่งไม่เป็นที่ต้องการ

รูปที่ 8 แสดง Negative Feedback Control

Feedback Loop ที่ใช้งานได้ จะต้องเป็น Negative Feedback โดยต้องทำให้การเปลี่ยนแปลงของ Output ต่อ Manipulated Variable (ไอน้ำ) เกิดขึ้นในทิศทางที่ทำให้ Controlled Variable ที่เบี่ยงเบนจาก Set Point ถูกหักล้างไปเรื่อย ๆ จน มีทิศทางเข้าสู่ Set Point  

รูปที่ 8 แสดงผลที่เกิดขึ้นจากการ Set Controller ให้เป็นแบบ Reverse Action Controller ส่วน Steam Control Valve เป็นแบบ Direct Acting เหมือนเดิม ทำให้การตอบสนองต่อการเพิ่มของอุณหภูมิ ในทิศทางตรงกันข้าม คือเมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้น ค่า Controller Output จะลดลง ดังนั้น Steam Control Valve จึงถูกหรี่ลงเพื่อปรับค่า Steam Flow Rate ให้ลดลงตาม   

ในทางตรงกันข้ามก็จะสั่งเปิด Steam Control Valve เพิ่มขึ้นเมื่ออุณหภูมิลดลง ผลตอบสนองนี้มีแนวโน้มที่จะทำให้ค่า Controlled Variable กลับเข้าหาค่า Set Point ดังนั้น จะต้อง Set Controller Action ให้ถูกต้อง สัมพันธ์กับ Final Control Element (Control Valve) โดยมีแนวทางดังนี้

เอาละครับ เริ่มเข้าสู่บรรยากาศของ Control System กันจริง ๆ แล้ว แต่หน้ากระดาษไม่พอให้เขียนเรื่องต่อไปได้ คงต้องรอพบกันฉบับหน้านะครับจะเป็นการกล่าวถึงเรื่องของ Cascade Control, Control Mode ต่าง ๆ ได้แก่ Proportional Control, Integral Control, Derivative Control รับรองไม่ผิดหวังครับ พบกันฉบับหน้าครับ