การบำรุงรักษาระบบควบคุมอาคารอัตโนมัติเชิงรุก
(Active BMS Maintenance Programme) (ตอนที่ 1)

ขวัญชัย กุลสันติธำรงค์
kwanchai2002@hotmail.com

ระบบควบคุมอาคารอัตโนมัติ (BMS System) เป็นระบบที่ติดตั้งทั่วไปในอาคารสูงหรืออาคารขนาดใหญ่อย่างแพร่หลายในประเทศไทย โดยได้รับความนิยมตั้งแต่ พ.ศ. 2530 เป็นต้นมา ถ้านับจนถึงปัจจุบันระบบ BMS ในบางอาคารอาจมีอายุใช้งานถึง 20 ปีแล้ว การที่จะทำให้ระบบควบคุมอาคารอัตโนมัติยังคงควบคุมระบบไฟฟ้าเครื่องกลประกอบอาคารให้ทำงานได้อย่างถูกต้องและเกิดการประหยัดพลังงาน

ระบบควบคุมอาคารอัตโนมัติต้องได้รับการบำรุงรักษาและทดสอบอย่างสม่ำเสมอ ระบบควบคุมอัตโนมัติจัดว่าเป็นสินทรัพย์ที่มีมูลค่าในตัวมันเอง การละเลยในการบำรุงรักษาจะทำให้สินทรัพย์นี้เสื่อมค่าลงเรื่อย ๆ

ประโยชน์ที่สำคัญที่เกิดขึ้นจากการบำรุงรักษาระบบควบคุมอาคารอัตโนมัติอย่างเหมาะสม จะทำให้ผู้ที่อยู่ในอาคารมีคุณภาพชีวิตที่ดีขึ้น ประสิทธิภาพในการทำงานเพิ่มขึ้น ตัวอย่างเช่น ระบบควบคุมการทำงานของระบบปรับอากาศทำงานที่อุณหภูมิและความชื้นที่ไม่เหมาะสม เช่น หนาวเกินไป หรือบางวันก็ร้อน หรือบางวันก็หนาว เอาแน่เอานอนไม่ได้ (เหมือนอาคารที่ผู้เขียนทำงานอยู่)

พนักงานบริษัทที่ทำงานอยู่ในตึกนั้น ก็อาจจะลาป่วยบ่อย ๆ เพราะเป็นไข้หวัด คัดจมูก บางคนอาจเป็นไซนัสไปเลยก็ได้ ทำให้กระทบกับประสิทธิภาพในการทำงาน และมีผลต่อผลการดำเนินงานของบริษัทในที่สุด

มีผลการศึกษาและวิจัยในต่างประเทศพบว่า เกิดการสูญเสียรายได้มากถึง 15% จากสาเหตุที่สภาวะแวดล้อมในสถานที่ทำงานไม่เหมาะสม หนาวเกินไป หรือร้อนเกินไป จากกราฟในรูปที่ 1 แสดงเงินที่ประหยัดได้จากการใช้พลังงานอย่างประหยัด และประสิทธิภาพในการทำงานหรือการผลิตเพิ่มขึ้น เนื่องจากการจัดโปรแกรมบำรุงรักษาระบบควบคุมอาคารอัตโนมัติเชิงรุก (Active BMS Maintenance Programme)

ถ้าโปรแกรมบำรุงรักษาทำอย่างต่อเนื่อง เงินที่ประหยัดได้ก็จะสะสมไปเรื่อย ๆ ปีต่อปี เหมือนกับการฝากประจำในธนาคารยังไงยังงั้น เงินลงทุนจากการบำรุงรักษาก็จะคืนทุนแถมยังได้กำไรอีกด้วย ในทางตรงกันข้าม ถ้าไม่มีการบำรุงรักษา ก็จะเข้าข่ายทุนก็หายกำไรก็หด เพราะระบบไฟฟ้าเครื่องกลทำงานด้วยค่าใช้จ่ายที่เพิ่มมากขึ้นเกินความจำเป็นนั่นเอง

รูปที่ 1 เงินที่ประหยัดได้จากโปรแกรมการบำรุงรักษาระบบควบคุมอาคารอัตโนมัติเชิงรุก

ระบบควบคุมอาคารอัตโนมัติประกอบขึ้นด้วยอุปกรณ์ควบคุมชนิด Direct Digital Controller (DDC), อุปกรณ์อินพุต และเอาต์พุต (I/O) ชนิด 4 mA ถึง 20 mA และ 0 VDC ถึง 10 VDC หรือ 1 V ถึง 5 V ซึ่งเป็นสัญญาณประเภทอะนาลอก แต่ในปัจจุบันเมื่อระบบควบคุมอาคารอัตโนมัติต้องทำงานบนระบบดิจิตอลเน็ตเวิร์ก จะเกิดปัญหาระหว่าง Field Controllers ด้วยกัน, ระหว่าง DDC ด้วยกัน, จาก Field Controllers ไปยัง DDC, จากเซนเซอร์ไปยัง DDC

รูปที่ 2 ไดอะแกรมระบบควบคุมอาคารอัตโนมัติ

บทความฉบับนี้ต้องการนำเสนอภาพรวมของปัญหาการสื่อสารที่เกิดขึ้นกับระบบควบคุมอาคารอัตโนมัติที่มีชั้นของการควบคุมและสื่อสารหลายชั้น (Multilayered) รวมถึงระบุถึงที่มาของปัญหา (Source of Problems) เชิญติดตามรายละเอียดในบทความฉบับนี้ได้เลยครับ

ปัญหาที่พบบ่อย ๆ ที่เกิดขึ้นกับระบบควบคุมอาคารอัตโนมัติ เช่น
• ที่ลำดับชั้นที่อยู่ล่างสุด อุปกรณ์ Sensor หรือ Actuator อาจจะไม่ทำงาน เนื่องจากอุปกรณ์หมดอายุ หรือได้รับความเสียหายทางกายภาพ การตั้งค่า (Setup) ล้มเหลว เนื่องจากสายนำสัญญาณ หรืออุปกรณ์ที่อยู่ถัดลงไปไม่ทำงาน ความผิดพร่องจะเห็นได้จากเกิดสัญญาณไฟ LED กระพริบ

• เกิดสัญญาณไฟสีแดง หรือสีเหลืองกระพริบถี่ ๆ ที่หน้าจอคอมพิวเตอร์ในห้องควบคุม แสดงว่า Field Controllers รับค่าที่ไม่ถูกต้องจากเซนเซอร์

• DDC อาจจะส่งสัญญาณเตือน เนื่องจากแผงควบคุมย่อยที่ต่อถึงกันไม่มีการสื่อสารกัน
• ในทำนองเดียวกันเครื่องคอมพิวเตอร์ที่ Management Level ที่ติดตั้งในห้องควบคุมอาจจะส่งสัญญาณเตือนได้ในกรณีที่ไม่สามารถสื่อสารกับ DDC หรือแผงควบคุมย่อย ๆ ในอาคารเดียวกัน หรือต่างอาคาร

ต้นตอของปัญหา

ปัญหาการสื่อสารของระบบควบคุมอัตโนมัติมีที่มาจากหลายแหล่ง เริ่มต้นจากลำดับชั้นที่อยู่ล่างสุด อาจจะเกิดจากตัวอุปกรณ์เอง เช่น เซนเซอร์ หรือ Actuator หรือมีปัญหาที่สายนำสัญญาณจากเซนเซอร์ไปยัง Field Controller ทำให้เกิดความผิดปกติในวงรอบของการควบคุม เช่น การตอบกลับ (Feedback) อาจจะวิ่งไปผิดแผง เนื่องจากการต่อสายผิดหรือไม่เคยทดสอบขณะเริ่มเดินระบบเลย หรือแผง Field Controller หรือแผง DDC เกิดความเสียหาย

อาจจะเกิดปัญหาในเน็ตเวิร์กการสื่อสารระหว่าง Field Controllers กับ Ethernet/IP Backbone ปัญหาการสื่อสารที่พบบ่อย ๆ อาจจะเป็นไปได้หนึ่งในสามปัญหานี้ได้แก่
1. ปัญหาเกี่ยวกับ Cabling Infrastructure ซึ่งรวมถึงที่เกิดกับ Ethernet/IP Backbone ด้วย
2. ปัญหาเกี่ยวกับการส่งสัญญาณ (Signal Transmission)
3. ปัญหาเกี่ยวกับ Network Protocol

ตีกรอบปัญหาให้แคบเข้า

อาคารสูงหรืออาคารขนาดใหญ่พิเศษจะมีระบบเครื่องกลไฟฟ้าที่ติดตั้งอยู่เป็นจำนวนมาก ทำให้ระบบควบคุมอาคารอัตโนมัติที่ทำหน้าที่บริหารจัดการระบบเครื่องกลไฟฟ้ามีความสลับซับซ้อน ทำให้การตรวจติดตามปัญหาการสื่อสารมีความท้าทายอย่างมาก จะเริ่มต้นตรงไหนดีล่ะครับ หลายท่านอาจจะสงสัย ก็ต้องเริ่มต้นจากการตรวจสอบแผงควบคุมกลาง (Central Management Controller) เพื่อดึงข้อมูลออกมาจะได้เห็นภาพรวม (Bird’s-eye View)

• ตรวจสอบคอนโทรเลอร์ (Controller Checks) เมื่อคอนโทรเลอร์แสดงสถานะว่าการสื่อสารถูกตัดขาดจากส่วนใดส่วนหนึ่งของอาคาร แสดงว่าปัญหาจะอยู่ที่ Field Controller Panel, วงจรอะนาลอก, Sensors หรือ Actuators ถ้าคอนโทลเลอร์ไม่สามารถสื่อสารกับทั้งระบบภายในอาคาร ปัญหาอาจจะอยู่ที่เน็ตเวิร์กระหว่าง Management Level Controller กับ DDC, Network Routers หรือ Switch ในกรณีที่ไม่สามารถมองเห็นทั้งคอมเพล็กซ์ (ในกรณีที่มีระบบควบคุมอาคารอัตโนมัติหลายอาคารต่อเชื่อมกัน) ปัญหาอาจจะอยู่ที่ Ethernet/IP Backbone

• Ethernet Checks ในกรณีที่ระบบควบคุมอาคารอัตโนมัติเป็นระบบขนาดใหญ่ระดับอาคาร หรือคอมเพล็กซ์ที่มีหลายอาคารต่อเชื่อมกัน ถ้ามีปัญหาการสื่อสารระหว่างอาคาร ในอันดับแรกให้ตรวจสอบการทำงานแสดงการต่อเชื่อมของเน็ตเวิร์ก (Network Connectivity) โดยดูจาก LED แสดงสถานะของการต่อเชื่อมของ Ethernet Ports

ขั้นตอนต่อไปก็ใช้เครื่องมือ Network Troubleshooting ตรวจสอบ Network Performance Parameters เช่น Protocol Alarms and Errors, Visibility of all Switches&VLANs, Routers, Access Points และอุปกรณ์ประเภท IP Address ข้อมูลที่ตรวจวัดได้ จะช่วยกำหนดขอบเขตของปัญหาว่าอยู่ที่ Subnet Ports, คอนโทรลเลอร์ หรือที่อุปกรณ์ใด ๆ

• ตรวจสอบสายเคเบิล (Cabling Checks) ใช้อุปกรณ์ Cable Analyzer เพื่อตรวจสอบการเชื่อมต่อ (Cabling Connecting) อุปกรณ์ชนิดนี้จะตรวจสอบพบการเปิดวงจร หรือการลัดวงจร และค่าทางไฟฟ้าต่าง ๆ ของสายเคเบิล

• ตรวจสอบสัญญาณ (Signal Checks) ถ้าสายเคเบิลไม่มีปัญหา ขั้นตอนต่อไปก็คือ การตรวจสอบสัญญาณโดยใช้เครื่องออสซิลโลสโคปเพื่อจับรูปคลื่น (Waveform) เพื่อเช็คดูว่าสัญญาณที่เดินทางบนสายเคเบิลส่งไปได้อย่างสมบูรณ์หรือไม่ หรือมีการลดทอนสัญญาณลงหรือไม่ หรือมีรูปคลื่นที่เพี้ยนไป ตามตัวอย่างในรูปที่ 3

รูปที่ 3 การตรวจสอบสัญญาณโดยใช้เครื่องออสซิลโลสโคปเพื่อจับรูปคลื่น (Waveform)

• การตรวจสอบสัญญาณชนิดอะนาลอก (Analog Checks) เซนเซอร์สื่อสารโดยการเปลี่ยนสัญญาณเอาต์พุตเป็น 4 mA/20 mA DC Current โดยค่า 4 mA เป็นค่าเอาต์พุตของเซนเซอร์ที่มีค่าเป็นศูนย์ (Zero Sensor-level) และ ค่า 20 mA เป็นค่าเอาต์พุตของเซนเซอร์ที่มีค่าเต็มสเกล (Full Scale Output) หรืออาจจะใช้ 1 VDC-5 VDC หรือ 0 VDC-10 VDC หรือบางครั้งอาจจะเปลี่ยนสัญญาณ 4/20 mA เป็น 2/10 VDC โดยการเพิ่มตัวต้านทานที่มีค่า 500 โอห์มขนานกับโหลด

วิธีการตรวจสอบสัญญาณอะนาลอก ทำได้โดยใช้เครื่องมือ Milliamp Clamp Meter เพื่อวัดค่ากระแสไฟฟ้าหรือค่าแรงดันไฟฟ้า ระหว่างเซนเซอร์/Actuator กับ Field Controllers และใช้เครื่องมือ Voltage/Current Sources เพื่อสร้างสัญญาณควบคุมป้อนกลับไปยังคอนโทรลเลอร์ นอกจากนี้ หากยังมีปัญหาเกี่ยวกับตัวเซนเซอร์อีกก็ให้เครื่องมือวัดอื่น ๆ เช่น เครื่องมือวัดความชื้น อุณหภูมิ หรือแรงดัน เพื่อตรวจสอบค่าเที่ยงตรงของค่าที่เซนเซอร์อ่านได้

ในกรณีที่เกิดปัญหาเป็นพัก ๆ ไม่แน่นอน ก็สามารถใช้อุปกรณ์วัดชนิด Logging Multimeter หรือออสซิลโลสโคปเพื่อต่อเข้าไปในวงจรควบคุม เมื่อเครื่องมือวัดจับความผิดปกติได้ ช่างเทคนิคก็สามารถตรวจสอบได้ว่าปัญหาเกิดที่ส่วนใดของระบบควบคุมหรือส่วนใดของวงจรไฟฟ้า ปัญหาลักษณะนี้อาจจะเกิดจากอุปกรณ์ชำรุด สายเคเบิลหลวม หรือสภาวะแวดล้อม (อุณหภูมิ ความชื้น) เปลี่ยนแปลง ทำให้อุปกรณ์ หรือระบบทำงานผิดพลาด

อาจจะมีสาเหตุอื่น ๆ เช่น การติดตั้งผิดวิธี ซึ่งจะเกิดขึ้นบ่อย ๆ เมื่อมีการปิดปรับปรุง (Renovate) หรือมีการเดินสายเคเบิลที่ไม่มีชีลด์ (Unshielded Network Cabling) ใกล้กับสายไฟฟ้าแรงสูง หรือใกล้กับโหลดไฟฟ้าประเภทอินดักทีฟโหลด หรืออาจจะใช้สายเคเบิลผิดประเภท หรือเดินสายยาวไปก็ได้

ปัญหาจากระบบไฟฟ้ากำลัง

ระบบไฟฟ้ากำลังก็สามารถทำให้เกิดปัญหาการสื่อสารกับระบบควบคุมอาคารอัตโนมัติได้ สามารถทำให้อุปกรณ์ต่าง ๆ ในระบบควบคุมอาคารอัตโนมัติหยุดทำงาน เมื่อมีการปรับปรุงอาคาร มีการเพิ่มเติมโหลดไฟฟ้าใหม่อาจจะทำให้เกิดแรงดันไฟฟ้าเกิน หรือแรงดันไฟฟ้าไม่สมดุล เมื่อมีการติดตั้งคอนโทรลเลอร์รุ่นใหม่ที่ต้องการพลังงาน “สะอาด” ซึ่งระบบไฟฟ้ากำลังเดิมไม่สามารถจ่ายพลังงานไฟฟ้าที่ต้องการได้ หรืออุปกรณ์อิเลกทรอนิกส์ที่ติดตั้งเพิ่มเติมสร้างกระแสฮาร์มอนิกส์ขึ้น

หากเกิดปัญหากับแหล่งจ่ายพลังงานไฟฟ้า ขอแนะนำว่าให้ติดตั้งเครื่องมือวัดชนิด Power Quality Analyzer เพื่อตรวจวัดและบันทึกค่าทางไฟฟ้าต่าง ๆ เช่น ค่าแรงดันไฟฟ้า ค่ากระแสไฟฟ้า ค่าแรงดันเกินชั่วขณะ (Swell) ค่าแรงดันตกชั่วขณะ (Voltage Dip) แรงดันไฟฟ้าที่หายไปในช่วงสั้น (Interruption) ค่าฮาร์มอนิกส์ ค่าอินเตอร์-ฮาร์มอนิกส์ ความถี่ทางไฟฟ้า แรงดันไฟฟ้าไม่สมดุล และกระแสกระชาก (Inrush Current) ค่ากำลังไฟฟ้า และค่าพลังงานไฟฟ้าที่ใช้ เป็นต้น เพื่อสามารถศึกษาวิเคราะห์นำไปสู่การแก้ปัญหาต่อไป

เอกสารอ้างอิง
1.  BMS Maintenance Guide: BSRIA BG 4/2003
2.  Troubleshooting Building Control System-Maintenance Fact: EC&M January 2010
3. www.ecmweb.com