ทวิช ชูเมือง

           ปัจจุบันระบบควบคุมและเครื่องส่งสัญญาณตัวแปรต่าง ๆ ในกระบวนการผลิตได้มีการพัฒนากันไปอย่างต่อเนื่อง ก็เพื่อรองรับความต้องการของผู้ใช้งานในการเพิ่มประสิทธิภาพหรือสมรรถนะในการควบคุมกระบวนการผลิตและยังมีราคาต้นทุนในการจัดซื้อพร้อมกับการติดตั้งใช้งานที่ลดลง โดยเทคโนโลยีและการใช้งานบางส่วนจะเป็นดังนี้

           *  เทคโนโลยีใหม่ของเซนเซอร์สำหรับการวัดการไหลและระดับที่ควบรวมไปพร้อมกับการชดเชย, การวินิจฉัยและการสื่อสารแบบอัจฉริยะ ทำให้มีการปรังปรุงประสิทธิภาพของเครื่องส่งสัญญาณในด้านความถูกต้องและการบำรุงรักษา

           *  การวัดระดับมีความสำคัญต่อสินค้าคงคลังและการควบคุมของปริมาณและ เวลาของวัสดุที่อยู่ในสถานที่จัดเก็บ ซึ่งมีความจำเป็นสำหรับคุณภาพของผลิตภัณฑ์และข้อมูลด้านการเงิน

           ความสามารถในการมองเห็นแนวโน้ม, วิเคราะห์, วินิจฉัยและเก็บรวบรวมข้อมูลจากการวัดเป็นสิ่งสำคัญในการดำเนินงานต่าง ๆ ดังนี้
           *  การวิจัย
           *  การพัฒนากระบวนการผลิต
           *  การออกแบบกระบวนการผลิต
           *  เทคโนโลยีกระบวนการผลิต
           *  ระบบอัตโนมัติ
           *  การใช้งานหรือควบคุมการทำงาน
           *  การบำรุงรักษา

           เครื่องมือส่งสัญญาณการวัดสมัยใหม่มีความก้าวหน้าไปอย่างมากไม่ใช่เพียงเพื่อการตอบสนองความต้องการต่าง ๆ ดังกล่าวไปแล้วนั้น แต่การพัฒนาดังกล่าวยังมีการนำเสนอในระดับการใช้งานที่สูงขึ้นไปอีก เช่น ระดับประสิทธิภาพของโรงงาน เนื่องจากศูนย์กลางของการควบคุมกระบวนการผลิตจะใช้ความสมดุลของวัสดุ ซึ่งการวัดการไหลและระดับเป็นตัวที่กำหนดความสมดุลของวัสดุและพฤติกรรมของกระบวนการ ประสิทธิภาพการทำงานและความสมบูรณ์ที่ชัดเจนของระบบการควบคุมและระบบความปลอดภัยขึ้นอยู่กับตัวแปรต่าง ๆ ดังนี้
           *  ความถูกต้อง
           *  ความน่าเชื่อถือ
           *  ความเร็วของการวัด 
           ดังนั้นจึงไม่สามารถควบคุมหรือป้องกันบางสิ่งบางอย่างจากสิ่งที่ไม่สามารถวัดได้

           เครื่องมือส่งสัญญาณวัดการไหลและการวัดระดับสมัยใหม่ที่มีใช้อยู่ในโรงงานอุตสาหกรรม มีประสิทธิภาพในการทำงานเพิ่มขึ้นได้อย่างมีนัยสำคัญ ผ่านความต้องการดังนี้
           1. ความก้าวหน้าทางเทคโนโลยีในการตรวจวัดองค์ประกอบ
           2. แสดงค่าและควบรวมการวัดหลายตัวแปร 
           3. ชดเชยผลกระทบจากการประยุกต์ใช้งานและการติดตั้ง 
           4. การแจ้งเตือนสถานะอุปกรณ์และการวินิจฉัยในขณะใช้งาน 
           5. การสอบเทียบ และการกำหนดค่าจากระยะไกล
           6. สัญญาณดิจิตอลที่มีข้อมูลฝังตัว เพื่อให้ผู้ใช้เลือกได้อย่างกว้างขวาง
           7. การสื่อสารไร้สาย 
           เครื่องส่งสัญญาณด้วยคุณสมบัติข้อ 1 ถึง 6 จะจัดเป็นเครื่องมือวัดแบบสมาร์ตหรืออัจฉริยะ

           ตั้งแต่ปี ค.ศ. 1980 ความถูกต้องของเครื่องมือส่งสัญญาณทางด้านอุตสาหกรรมมีความทันสมัยและมีการพัฒนาดีขึ้นโดยมีลำดับความสำคัญ ถ้าพิจารณาเครื่องส่งสัญญาณความดันแตกต่างกัน (Differential Pressure Transmitter) มีค่าความถูกต้องที่ 0.25% ของเครื่องส่งสัญญาณความดันแตกต่างกันแบบอะนาลอกอิเล็กทรอนิกส์ มีการปรับปรุงเป็นความถูกต้องให้เป็น 0.025% สำหรับเครื่องส่งสัญญาณความดันแตกต่างกันแบบสมาร์ตที่ใช้ไมโครโปรเซสเซอร์

นอกจากนี้เครื่องส่งสัญญาณความดันแตกต่างกันแบบอะนาลอกนั้นค่าความถูกต้องมักจะมีค่าลดลงถึง 2% เมื่อมีการย้ายจากสถานที่ปรับเทียบเพื่อนำไปใช้งานบริเวณกลางแจ้งในกระบวนการผลิตที่เป็นอันตราย ด้วยลักษณะที่ไม่เป็นไปตามอุดมคติทั้งหมดดังนี้
           * จากการติดตั้ง
           * จากกระบวนการผลิต
           * จากสภาพแวดล้อม

           เครื่องส่งสัญญาณความดันแตกต่างกันแบบสมาร์ตได้ทำการควบรวมการชดเชยลักษณะที่ไม่เป็นไปตามอุดมคติทั้งหมด เพื่อยังคงความถูกต้องโดยธรรมชาติ ให้มีค่าอยู่ที่ 0.025% นอกจากนี้เครื่องส่งสัญญาณความดันแตกต่างกันแบบสมาร์ตใช้เวลา 10 ปีในการเบี่ยงเบนออกนอกเส้นทาง (Drift) มากที่สุดเท่าที่เป็นไปได้ สำหรับเครื่องส่งสัญญาณความดันที่แตกต่างกันแบบอะนาลอกจะเกิดขึ้นได้ในหนึ่งปี (การเบี่ยงเบนออกนอกเส้นทาง เป็นข้อผิดพลาดที่เพิ่มขึ้นตามระยะเวลา)

 
           เครื่องส่งสัญญาณแบบสมาร์ตยังมีความสามารถในการรายงานตัวแปรกระบวนการเพิ่มเติมจากตัวแปรหลักที่ทำการวัดดังนี้
           * สภาพแวดล้อมในบริเวณใช้งาน
           * อุณหภูมิกระบวนการ
           * การแจ้งเตือนจากการวินิจฉัยของตัวอุปกรณ์

           ตัวแปรและการแจ้งเตือนเหล่านี้มีการสื่อสารแบบดิจิตอลบนสัญญาณเช่นเดียวกับตัวแปรกระบวนการหลักที่จะถูกวัดได้ การมองเห็นมูลค่าความหลากหลายของข้อมูลเพิ่มเติมเหล่านี้ จึงทำให้ระบบควบคุมสมัยใหม่ได้รับการปรับปรุงเป็นอย่างมากเพื่อให้สามารถเชื่อมโยงเกี่ยวกับระบบการจัดการสินทรัพย์ (Asset Management Systems) การใช้งานเทคโนโลยีมาตรฐานภาษารายละเอียดของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ (Electronics Devices Description) สำหรับเชื่อมต่อกับเครื่องมือส่งสัญญาณแบบสมาร์ตจะช่วยให้สามารถเข้าถึงข้อมูลต่าง ๆ เหล่านี้ได้ง่ายและมีประสิทธิภาพมากขึ้น ผู้จำหน่ายเครื่องมือส่งสัญญาณประเภทนี้สามารถจัดเตรียมการเชื่อมต่อเพื่ออ่านค่ารายการข้อมูลในอุปกรณ์เหล่านี้ เพื่อให้การเข้าถึงและการอ่านผลของข้อมูลได้อย่างมีประสิทธิภาพ

ความถูกต้องของการวัดสินค้าคงคลัง
           การวัดการไหลและระดับที่ถูกต้องมีความจำเป็นในการควบคุมยอดสินค้าคงค้าง (การควบคุมวัสดุที่ยังคงอยู่ในกระบวนการและขั้นตอนการเข้าและออกจากกระบวนการผลิต) และเวลาที่สินค้าคงอยู่ (จำนวนเวลาทั้งหมดที่วัสดุคงอยู่ในหน่วยการผลิต) การวัดการไหลและระดับสามารถปรับเทียบแบบในลักษณะระหว่างการใช้งานโดยการเปลี่ยนแปลงสินค้าคงคลังที่ถูกตรวจพบโดยใช้การวัดสินค้าคงคลังที่มีความถูกต้องสูง

           สำหรับอุปกรณ์การวัดระดับความคลาดเคลื่อนแบบสุ่ม (Random) เป็นสิ่งสำคัญที่สุดเพราะเป็นการวัดการเปลี่ยนแปลงในระดับที่จะยกเลิกความผิดพลาดคงที่ ถึงแม้ว่าอุปกรณ์การวัดมีค่าความถูกต้องสูง ๆ อาจจะมีความสมบูรณ์เพียงพอสำหรับการใช้งานเป็นจำนวนมาก สำหรับบริเวณการใช้งานที่ทราบระดับหรือเปลี่ยนแปลงในระดับที่แน่นอน

แต่กับการใช้งานบางประเภทอาจไม่มีความจำเป็นต้องนำมาใช้ เช่นระดับของ Surge Tank สำหรับการใช้งานที่เวลาคงค้างในกระบวนการและการควบคุมความสมดุลของวัสดุมีความสำคัญ เช่น ถังปฏิกรณ์ (Reactor) ที่ทำงานอย่างต่อเนื่องและระดับที่ถัง ซึ่งรับของไหลมาจากด้านบนของถังแนวตั้ง (Column) การวัดสัญญาณรบกวนและความไวในการวัดมีความสำคัญมากกว่าความถูกต้องโดยรวม

           ตัวอย่างของความถูกต้องของการวัดสินค้าคงคลังที่มีการตั้งค่าและปรับเทียบอย่างถูกต้อง สำหรับการเปลี่ยนแปลงองค์ประกอบของไหลในกระบวนการ โดยระดับ 1 มีค่าความถูกต้องสูงสุดและมี 10 ค่าความถูกต้องต่ำสุด จะเป็นดังนี้
           1. Radar Level Measurement
           2. Coriolis Flowmeter
           3. Load Cells
           4. Ultrasonic Level
           5. Multivariable DP Level
           6. Magnetic Flowmeter
           7. Vortex Flowmeter
           8. Multivariable DP Flowmeter
           9. Single Direct connect DP Level
           10. Bubbler DP Level

           การติดตั้งอุปกรณ์การวัดที่มีความแม่นยำสูงกว่า สามารถใช้สำหรับการสอบเทียบของอุปกรณ์ที่มีความถูกต้องที่ต่ำกว่าในขณะกำลังใช้งาน ดังตัวอย่างเช่น เครื่องส่งสัญญาณระดับแบบเรดาร์และเครื่องส่งสัญญาณการไหลแบบ Coriolis สามารถนำมาใช้ในการสอบเทียบอุปกรณ์การวัดระดับและการไหลอื่น ๆ

            มีโอกาสมากมายสำหรับการใช้อุปกรณ์ตรวจวัดระดับที่มีค่าความถูกต้องสูง ๆ ในการเพิ่มความเข้มงวดในงานส่วนต่าง ๆ ดังนี้
           * การบัญชี
           * การถ่ายโอนสินค้า
           * การจ่ายวัตถุดิบเป็นช่วง ๆ
           * อัตราป้อนวัตถุดิบ
           * เวลาคงค้าง
           * การสมดุลของวัตถุดิบ

           บางส่วนของตัวอย่างการใช้งานที่โดดเด่นมากที่จะแสดงรายละเอียดในหัวข้อต่อไป จะเป็นดังนี้
           * ถังเก็บวัสดุ (Storage Tank) 
           * ถังแนวตั้ง (Column)
           * ถังตกผลึก (Crystallizers)
           * ถังปฏิกรณ์ (Reactor)

ถังเก็บ (Storage Tank)
           ถังเก็บวัตถุดิบและผลิตภัณฑ์ต้องใช้การวัดระดับที่มีค่าความถูกต้องดีที่สุด, โดยเฉพาะอย่างยิ่งมีความละเอียด, ความไวและการอ่านซ้ำที่สูง เมื่อใช้ในการคำนวณราคาสำหรับสิ่งต่าง ๆ ดังนี้ 
           * บัญชีสินค้าคงคลัง
           * โอนถ่ายสินค้าเพื่อการซื้อขาย Custody
           * การจ่ายวัตถุดิบเป็นช่วง ๆ เวลา
           * อัตราการป้อนวัตถุดิบแบบต่อเนื่อง
           * การสมดุลวัตถุดิบ

           โหลดเซลล์ได้มีการพิจารณามาเป็นเวลานานแล้วว่าเป็นวิธีที่ดีที่สุดในการวัดสินค้าคงคลัง สำหรับถังเหล่านี้ แต่โหลดเซลล์มีความเกี่ยวข้องกับสิ่งที่ไม่ดีในวิศวกรรมกับสิ่งต่าง ๆ ดังนี้
           * ค่าใช้จ่ายสำหรับการติดตั้งท่อพิเศษ
           * ส่วนรองรับ
           * ระบบการสอบเทียบ 
           ได้มีความพยายามที่จะ แสวงหาทางเลือกที่นำเสนอการวัดที่มีประสิทธิภาพดีหรือดีกว่าในระดับโรงงานอุตสาหกรรม

           เกจวัดระดับแบบ Radar ที่ใช้สำหรับการตรวจวัดสินค้าคงคลังมีความสามารถพิเศษของความถูกต้องที่ระดับ 0.04  นิ้ว (1.02 มิลลิเมตร) เนื่องจากเรดาร์เป็นเครื่องมือวัดระดับที่ผิวของไหล ความถูกต้องในเปอร์เซ็นต์ของช่วงการวัด (Span) ที่จะทำให้ดีขึ้นตามการเพิ่มขึ้นของช่วงการวัด สำหรับถังสูง 15  ฟุต หรือ 3.8 เมตร ค่าความถูกต้องที่0.04  นิ้วสอดคล้องกับความถูกต้องที่ประมาณ 0.01 เปอร์เซ็นต์จากช่วงการวัด เมื่อใช้งานร่วมกับตารางการคำนวณที่ถูกต้องและเครื่องมือส่งสัญญาณการไหลแบบ Coriolis สำหรับวัดความหนาแน่นในท่อหมุนเวียนกลับ, อุปกรณ์เรดาร์จะสามารถคำนวณมวลหรือการวัดปริมาณนอกเหนือไปจากการวัดระดับ

ถังแนวตั้ง (Column)
           หนึ่งในโอกาสที่ได้รับการยอมรับเป็นอย่างมากในการวัดระดับอย่างละเอียดอ่อนและการควบคุมระดับที่เข้มงวดเป็นถังรับของไหลด้านบน (Overhead Receiver) ของถังกลั่นแนวตั้ง (Distillation Column) กลยุทธ์ในการควบคุมถังแนวตั้งที่ใช้งานกันอย่างแพร่หลายจะเป็นกลยุทธ์ในควบคุมการสมดุลของวัสดุโดยตรง เมื่อใช้อุณหภูมิเป็นตัวจัดการการไหลของการกลั่นจากถังรับของไหลด้านบน ระดับในถังรับจะถูกควบคุมโดยจัดการกับการไหลย้อนกลับ (Reflux Flow) ไปยังด้านบนของถังกลั่นแนวตั้ง

           การไหลของไอระเหยจากการถูกทำให้เดือดอีกครั้งจากตัว Reboiler จะเป็นฟองไหลผ่านขึ้นไปยังด้านบนของถังกลั่นแนวตั้ง, ทำให้เกิดการควบแน่นในตัวแลกเปลี่ยนความร้อน (Condenser) ที่ด้านบนถังและถูกเก็บสะสมอยู่ในถังรับของไหลด้านบน การไหลย้อนกลับ (Reflux Flow) ไหลลงในถังกลั่นแนวตั้งและสะสมอยู่ในส่วนเก็บกักด้านล่าง 

การลดลงของการไหลของไอระเหยเกิดจากการลดลงของไอน้ำที่จ่ายให้กับตัว Reboiler หรือเกิดมีการเปลี่ยนแปลงอย่างฉับพลันของอุณหภูมิผนังของถังจากอุณหภูมิเย็นภายนอกหรือลมหนาวจะทำให้ในระดับที่ถังรับของไหลด้านบนเกิดการลดลง สำหรับการวัดและการควบคุมระดับที่เข้มงวด การเปลี่ยนแปลงขนาดเล็กในระดับจะแปรเปลี่ยนอย่างรวดเร็ว ไปยังการเปลี่ยนแปลงในการไหลย้อนที่จะทำให้เกิดความสมดุลในการไหลของไอระเหย ซึ่งเป็นปกติวิสัยของการควบคุมด้วยตนเองจะจัดเตรียมการควบคุมการไหลย้อนบางส่วนและช่วยส่งผ่านความสมดุลของพลังงานจากความสมดุลวัสดุ เนื่องจากการไหลย้อนโดยปกติจะสูงกว่าการไหลของการกลั่น (การไหลย้อน/การไหลของการกลั่นมีอัตราส่วน>1) ตัวควบคุมระดับต้องมีความสมบูรณ์ของการทำงานเพื่อรักษาระดับให้ตรงกับค่าที่กำหนด (Set Point)

รูปที่ 1 การควบคุมถังกลั่นแนวตั้ง

           ประสิทธิภาพการทำงานของการควบคุมอุณหภูมิขึ้นอยู่กับความไวของการวัดระดับและการควบคุมที่เข้มงวด เมื่อการควบคุมอุณหภูมิทำการเปลี่ยนแปลงการไหลของการกลั่น การเปลี่ยนแปลงในเอาต์พุตของตัวควบคุมจะไม่มีผลต่ออุณหภูมิของถังกลั่นแนวตั้ง จนกระทั่งตัวควบคุมที่ถังรับของไหลด้านบนถังทำการเปลี่ยนแปลงในการไหลย้อน ถ้าการควบคุมระดับเป็นการควบคุมที่เข้มงวด

การสะสมในถังกลั่นแนวตั้งจะเป็นไปอย่างรวดเร็ว ในความเป็นจริงแล้วการที่จะนำระดับกลับไปยังค่าที่กำหนด มีบางการกระทำให้เกิดความล่าช้า–ความล้ำหน้า (Lead-Lag Action) เพราะการไหลย้อนจะต้องผ่านจุดสมดุล เมื่อผ่านจุดที่การไหลย้อนเท่ากับการไหลของการกลั่นเพื่อรักษาระดับให้คงที่ สิ่งที่สำคัญในการควบคุมที่นี่ยังไม่ใช่ค่าความถูกต้องรวม แต่เป็นความสามารถของอุปกรณ์วัดระดับที่เป็นไปได้สำหรับเพื่อแยกความแตกต่างอย่างต่อเนื่องจากการเปลี่ยนแปลงระดับขนาดเล็ก ๆ การวัดระดับต้องมีความไว, ความละเอียดและการทำซ้ำที่ดีเยี่ยมและไม่สนใจการรบกวนหรือความสามารถในการกรองสัญญาณที่เป็นไปได้ เช่น สัญญาณรบกวนความถี่สูง

ถังตกผลึก และ ถังปฏิกรณ์ (Crystallizers and Reactor) 
           จากปี 1960 ถึงปี 1980, โหลดเซลล์ที่ใช้ในการวัดน้ำหนักถังเป็นวิธีที่จะตรวจสอบให้แน่ใจว่าการป้อนวัตถุดิบให้ถังปฏิกรณ์มีค่าความถูกต้อง โดยปกติค่าความถูกต้องจะอยู่ที่ 0.1-0.25% การสูญเสียในน้ำหนักถูกนำมาใช้ในการกำหนดค่าการป้อนวัตถุดิบและเพื่อใช้จัดเตรียมอัตราการไหลของมวล ในปัจจุบันนี้การวัดระดับด้วยความดันแตกต่างและเครื่องส่งสัญญาณระดับแบบเรดาร์กับเครื่องมือวัดการไหลแบบ Coriolis มีต้นทุนที่ต่ำลง จึงสามารถใช้เป็นทางเลือกสำหรับการป้อนวัตถุดิบที่มีความแม่นยำของการทำงานในหน่วยการผลิตที่สำคัญ

           ในกระบวนการถังตกผลึกที่ทำงานเป็นช่วงเวลาและทำงานอย่างต่อเนื่องและถังปฏิกรณ์เป็นตัวทำให้มีปริมาณการผลิตสูงสุดที่จะรับได้ การควบคุมระดับถูกกำหนดให้ทำงานใกล้จุดจำกัดสูงสุด การทำงานเหนือจุดข้างต้นนี้เป็นที่ไม่พึงประสงค์เพราะอาจจะสูงกว่าพื้นที่การถ่ายเทความร้อนและอาจทำให้เกิดการสูญเสียของวัสดุไปในระบบระบายเนื่องจากสาเหตุต่าง ๆ ดังนี้
* การเกิดฟอง
* การกระเพื่อมจากฟอง
* การกระเด็นจากการกวน
* ของเหลวขึ้นไปในระบบระบายก๊าซ

           สำหรับกระบวนการผลิตที่ทำงานเป็นช่วงเวลา, ระดับที่สูงขึ้นมีผลต่อมวลผลิตภัณฑ์ที่สูงขึ้นต่อรอบการทำงาน สำหรับกระบวนการผลิตที่ทำงานอย่างต่อเนื่องในระดับที่สูงขึ้นทำให้อัตราการป้อนที่สูงขึ้นสำหรับความต้องการเวลาเดียวกันในการทำงาน การเปลี่ยนแปลงผลิตภัณฑ์มีการทำงานอย่างต่อเนื่องในถังปฏิกรณ์ ขึ้นอยู่กับสารตั้งต้นหรือส่วนประกอบอิ่มตัวมีเวลาเพียงพอในการเสร็จสิ้นการสร้างผลิตภัณฑ์หรือการตกผลึก 

ส่วนใหญ่อัตราการเกิดปฏิกิริยาและการตกผลึกไม่ได้เกิดขึ้นทันที การเปลี่ยนแปลงขึ้นอยู่กับเวลาที่อยู่ในกระบวนการ (วัสดุคงเหลือหารด้วยการไหลด้านทางออก) ระดับควรจะทำให้เป็นสัดส่วนกับอัตราการผลิตเพื่อให้การเปลี่ยนแปลงมีค่าคงที่ เวลาที่อยู่ในกระบวนการผลิตมากเกินไปอาจทำให้เกิดสิ่งต่าง ๆ ดังนี้
* ผลพลอยได้เพิ่มขึ้น
* การเสื่อมสภาพของผลิตภัณฑ์
* การรวมตัวกันของผลึก 

Surge Tank
           วัตถุประสงค์ทั่วไปของ Surge Tank คือการจัดเตรียมความจุสำหรับการไหลเข้ากระบวนการผลิตที่ไม่คงที่ ระดับควรได้รับการยินยอมให้มีค่าเลื่อนขึ้นและลงเพื่อดูดซับความไม่เหมาะสมกัน สำหรับอัตราการทำงานของอุปกรณ์ในกระบวนการด้านต้นทางและปลายทางของ Surge Tank 

อย่างไรก็ตามเมื่ออัตราการผลิตสูงหรือต่ำนั้น อาจจะพิจารณาในการทำงานที่ระดับขีดจำกัดของถัง อาจมีข้อจำกัดของเวลาคงอยู่คล้ายคลึงกับที่กล่าวมาข้างต้นสำหรับถังปฏิกรณ์และถังตกผลึก เพื่อให้ความเข้มข้นของผลิตภัณฑ์และคุณภาพคงที่หรือทำให้อัตราการสร้างผลิตภัณฑ์มีความต่อเนื่องเพื่อให้ตรงกับความต้องการอัตราการผลิต การทำงานในจุดขีดจำกัดของระดับหรือเวลาคงอยู่เป็นความต้องการในการวัดระดับที่มีค่าความถูกต้องเพิ่มมากขึ้น

           สาเหตุแรกของการเกิดผลกระทบที่มีต่อกระบวนการผลิตโดยการเปลี่ยนการไหล ไม่ว่าจะพิจารณาการควบคุมดูแล, การควบคุมแบบแบบคาดการณ์ (Model Predictive Control) หรือระบบการควบคุมแบบพีไอดี อะไรเป็นสิ่งสุดท้ายที่สามารถจัดการการไหลในอุตสาหกรรมกระบวนการ ในหน่วยการผลิตองค์ประกอบการควบคุมขั้นสุดท้ายตามปกติจะเป็นวาล์วควบคุมที่ทำให้เกิดการขยายที่ไม่เป็นเชิงเส้นที่มีความลาดชันตามคุณลักษณะของวาล์ว

โอกาสใช้งานการควบคุมแบบ Cascade
           การควบคุมการไหลสามารถดำเนินการผ่านวาล์วควบคุมโดยการแก้ไขตำแหน่งวาล์วที่จะรักษาการไหลตามค่าที่กำหนดไม่คำนึงถึงรูปร่างคุณลักษณะของวาล์วที่ถูกติดตั้ง ถ้าวาล์วถูกจัดการโดยลูปการควบคุมกระบวนการ ผลกระทบของความไม่เป็นเชิงเส้นและความไม่แน่นอนของคุณลักษณะที่ถูกติดตั้งจะถูกย้ายจากตัวแปรกระบวนการหลัก (เช่นองค์ประกอบ, ระดับ, ความเป็นกรดด่าง, ความดันหรืออุณหภูมิ) ไปยังลูปการไหลที่สอง ซึ่งจะถูกแก้ไขโดยการตั้งค่าใหม่ (Reset) จะเรียกการควบคุมแบบนี้ว่า การควบคุมแบบ Cascade

           การควบคุมแบบ Cascade มีโครงสร้างแบบการควบคุมหลายลูปที่เอาต์พุตจากตัวควบคุมหลัก (Primary หรือ Master) จะไปเป็นค่ากำหนดของตัวควบคุมรอง (Secondary หรือ Slave) การวัดที่ตัวควบคุมรองเป็นตัวแปรกระบวนการขั้นกลางซึ่งสามารถถูกนำมาใช้เพื่อให้เกิดการควบคุมตัวแปรกระบวนการหลักที่มีประสิทธิภาพมากขึ้น ในการกำหนดรูปแบบของการควบคุมแบบ Cascade จะมีขั้นตอนการแบ่งออกเป็นสองส่วนและนั่นคือตัวควบคุมสองตัวที่ถูกนำมาใช้ เพื่อที่จะสามารถนำไปจัดการตัวแปรกระบวนการเพียงหนึ่งตัวแปร

รูปที่ 2 การควบคุมแบบ Cascade

           ในรูปที่ 2 ตัวควบคุมหลักยังคงควบคุมตัวแปรหลักที่จุด y1 ตามค่าที่กำหนดโดยการปรับจุดค่ากำหนด r2 ของตัวควบคุมที่สอง ตัวควบคุมที่สองในที่สุดก็จะตอบสนองทั้งค่ากำหนดจุด r2  และตัวแปรควบคุมรอง y2 ตัวแปรที่สองที่ถูกควบคุมนี้ยังมีผลกระทบต่อกระบวนการหลักและนั่นคือตัวแปรแรกที่ถูกควบคุม (y1) ดังนั้นการควบคุมจึงเป็นแบบปิด

           การควบคุมแบบ Cascade นี้ยังสามารถแสดงในรายละเอียดมากขึ้นในรูปแบบบล็อกไดอะแกรมดังรูปที่ 3 ตัวควบคุมหลัก (c1) ให้กำเนิดค่ากำหนดสำหรับตัวควบคุมรอง (c2)  ในขณะที่ตัวแปรรองที่ถูกควบคุม (y2)  ยังมีผลกระทบต่อกระบวนการหลัก (P2)  และจึงยังมีผลต่อตัวแปรหลักที่ถูกควบคุม (y1)

รูปที่ 3 บล็อกไดอะแกรมการควบคุมแบบ Cascade

           การควบคุมแบบ Cascade เป็นประโยชน์ในการใช้งานกับกระบวนการผลิตหลักที่มีค่า Dead Time และ Lag Time ขนาดใหญ่และมีเวลาความล่าช้าขนาดเล็กเป็นส่วนหนึ่งของกระบวนการผลิตรอง การควบคุมแบบ Cascade ยังเป็นที่พึงประสงค์เมื่อมีการรบกวนหลักอยู่ในกระบวนการที่สอง ทั้งนี้เนื่องจากการควบคุมแบบ Cascade แก้ไขสัญญาณรบกวนภายในที่เกิดขึ้นทันทีที่เครื่องมือวัดตัวแปรที่สอง (y2) ตรวจพบความผิดปกติ รูปที่ 4 แสดงตัวอย่างการใช้งานการควบคุมแบบ Cascade สำหรับ Distillation Column

รูปที่ 4 การควบคุมแบบ Cascade สำหรับ Distillation Column

           ข้อดีของระบบการควบคุมแบบ Cascade
           การใช้การควบคุมแบบ Cascade มีประโยชน์หลักได้รับสองประการดังนี้
           1. การรบกวนที่มีผลกระทบต่อตัวแปรรองสามารถแก้ไขด้วยตัวควบคุมรองก่อนจะมีอิทธิพลต่อตัวแปรหลัก
           2. การควบคุมปิดในกระบวนการส่วนที่สองลดขั้นตอนความล่าช้าเห็นได้จากตัวควบคุมหลัก ส่งผลให้ความเร็วของการตอบสนองเพิ่มขึ้น

           ข้อดีอื่น ๆ ของการใช้การควบคุมแบบ Cascade รวมถึงสิ่งต่าง ๆ ดังนี้
           * ความสามารถในการจำกัดค่ากำหนดของตัวควบคุมรอง
           * ช่วยเร่งการตอบสนองของการควบคุม
           * ความไวของตัวแปรกระบวนการหลัก ๆ ที่ทำให้กระบวนการผิดปกติจะลดลง
           * การใช้ตัวควบคุมรองสามารถลดผลกระทบจากวาล์วควบคุมติดขัด
           * การใช้ตัวควบคุมรองสามารถลดผลกระทบจากความไม่เป็นเชิงเส้นของหัวขับวาล์ว

โอกาสใช้งานการควบคุมแบบ Feed Forward
           เมื่อมีการรบกวนการไหลมาจากกระแสการไหลเข้าและออกจากกระบวนการ หากการรบกวนสามารถวัดได้และผลกระทบของการรบกวนบนตัวแปรกระบวนการหลักสามารถคำนวณหรือถูกระบุได้ การวัดการรบกวนสามารถถูกนำมาใช้สำหรับกำหนดการจัดการการไหลในความคาดหมายของผลกระทบจากการรบกวนของตัวแปรกระบวนการหลัก 

จากนั้นตัวควบคุมหลักแก้ไขอัตราส่วนการไหลที่ถูกจัดการกับการไหลของสัญญาณรบกวน การใช้งานการควบคุมที่สองสำหรับจัดการเอาความไม่เป็นเชิงเส้นและความไม่แน่นอนของคุณลักษณะของวาล์วจากการคำนวณอัตราส่วน การดำเนินการจะดำเนินการก่อนการวัดสำหรับการป้อนกลับของตัวแปรกระบวนการหลักที่ได้รับการรบกวนเต็มที่ จะเรียกว่าการควบคุมแบบนี้ว่าการควบคุมแบบ Feed Forward

           การควบคุมแบบ Feed Forward สามารถแก้ปัญหาโดยตรงกับปัญหาการควบคุมได้ดีกว่าการหาค่าที่ถูกต้องของตัวแปรจัดการโดยการลองผิดลองถูก เหมือนที่เกิดขึ้นในการควบคุมแบบป้อนกลับ (Feedback Control) ในระบบการควบคุมแบบ Feed Forward, ส่วนประกอบที่สำคัญของการโหลดจะป้อนเข้าสู่รูปแบบในการคำนวณค่าของตัวแปรจัดการที่จำเป็นในการรักษาการควบคุมที่ค่ากำหนด รูปที่ 5 แสดงให้เห็นว่าข้อมูลไหลไปข้างหน้าจากโหลดไปยังอินพุตตัวแปรการจัดการของกระบวนการ ค่ากำหนดถูกใช้เพื่อให้ระบบคำสั่ง (ถ้าตัวแปรควบคุมถูกนำมาใช้ในการคำนวณแทนจุดกำหนด, จะเป็นรูปร่างของการป้อนกลับในเชิงบวก)

รูปที่ 5 การควบคุมแบบ Feed Forward

           ระบบที่มีการควบคุมโดยอุปกรณ์มากกว่าหนึ่งตัว โดยทั่วไปจะใช้การควบคุมแบบ Feed Forward เพราะไม่สะดวกที่จะให้ฟังก์ชันการคำนวณที่จำเป็นต้องใช้สำหรับการควบคุมแบบ Feed Forward กับอุปกรณ์หรือฟังก์ชันเดียว แต่ระบบการควบคุมแบบ Feed Forward ประกอบด้วยอุปกรณ์หลายตัวหากนำมาใช้ในฮาร์ดแวร์หรือซอฟต์แวร์หลายบล็อก ถ้าดำเนินการแบบดิจิตอล การทำงานของบล็อกเหล่านี้คือการใช้แบบจำลองทางคณิตศาสตร์ของกระบวนการ รูปที่ 6 แสดงตัวอย่างการใช้งานการควบคุมแบบ Feed Forward สำหรับเตาเผา

รูปที่ 6 การควบคุมแบบ Feed Forward สำหรับเตาเผา

           บางตัวอย่างของอัตราส่วนการไหลของการควบคุมแบบ Feed Forward ในอุตสาหกรรมกระบวนการ คือ
          *  อัตราส่วนการไหลของการป้อนวัตถุดิบกับการหล่อเย็นสำหรับ Crystallizer, Cooler, Extruder หรือการควบคุมการคายความร้อนของถังปฏิกรณ์
          *   อัตราส่วนการไหลของการป้อนวัตถุดิบกับไอน้ำสำหรับหอกลั่น, Evaporator, Heater, Dryer หรือระบบควบคุมอุณหภูมิดูดความร้อน
          *  อัตราส่วนการไหลของการป้อนกับการกลั่น/หรือการป้อนกับการไหลย้อนสำหรับการควบคุมอุณหภูมิถังกลั่น
          *  อัตราส่วนการไหลของสารเคมีกับการป้อนวัตถุดิบสำหรับการควบคุมค่าความเป็นกรดเป็นด่าง
          *  อัตราส่วนการไหลของวัตถุดิบกับสาร Additive สำหรับควบคุมการผสมผสาน (เช่น เปอร์เซ็นต์ของแข็ง)
          *  อัตราส่วนการไหลของอากาศกับเชื้อเพลิงสำหรับ การควบคุมการเผาไหม้เชื้อเพลิงสำหรับหม้อไอน้ำหรือเตาเผา (การควบคุมออกซิเจน)
          *  อัตราส่วนการไหลของไอน้ำกับ Feedwater สำหรับการควบคุมระดับของหม้อไอน้ำ (การควบคุมแบบสามองค์ประกอบ)
          *  อัตราส่วนการไหลของ Blowdown กับ Feedwater สำหรับหม้อไอน้ำ (การควบคุมความนำ)
          *  อัตราส่วนการไหลของการควบคุมความดันของส่วนหัวจ่ายหลัก

วิเคราะห์กระบวนการ
          สำหรับการเรียกเก็บเงินและอัตราผลตอบแทนและการคำนวณต้นทุน, การวัดการไหลที่ถูกต้องมีความจำเป็น เป็นค่าใช้จ่ายที่เกี่ยวข้องกับความสำคัญของการเพิ่มกระแสการไหล, ความจำเป็นในการเพิ่มความถูกต้องของการวัดการไหล ความสำคัญสามารถเชื่อมโยงกับค่าใช้จ่ายโดยตรงหรือค่าใช้จ่ายทางอ้อมจากผลกระทบต่อกระบวนการ

          การวิเคราะห์ข้อมูลเช่นการวิเคราะห์องค์ประกอบหลัก (Principal Component Analysis), ต้องการวัดการไหลที่มีการทำซ้ำและเป็นเชิงเส้นสูง การใช้ตำแหน่งวาล์วแทนการไหลโดยทั่วไปไม่สมบูรณ์เนื่องจากคุณลักษณะของการติดตั้งวาล์ว การใช้งานวาล์วแบบแบ่งช่วงการทำงาน (Split Ranged Valve) ที่มีปัญหามากยิ่งขึ้นสำหรับการวิเคราะห์องค์ประกอบหลักเพราะพฤติกรรมไม่ต่อเนื่องและไม่เชิงเส้นเพิ่มเติมจากความคลาดเคลื่อนและความเรียบของคุณลักษณะของวาล์วที่จุดแยกช่วงการทำงาน

          จากรายละเอียดที่กล่าวไปทั้งหมดข้างต้น แสดงให้เห็นถึงความก้าวหน้าทางด้านเครื่องมือวัดและควบคุมทางอุตสาหกรรม สามารถนำมาประยุกต์ใช้ในการควบคุมกระบวนการผลิต เพื่อให้ได้ประสิทธิภาพเพิ่มขึ้น เมื่อเทียบกับการใช้เครื่องมือวัดในรูปแบบเก่าที่มีใช้งานกันมายาวนาน

เอกสารอ้างอิง
          [1] Gregory K. McMillan, Aguide to design, configuration, installation and maintenance, ISBN: 978-1-936007-23-3
          [2] Bela G.Liptak, Instrument Engineers' Handbook, Fourth Edition, Volume Two- Process Control and Optimization