ระบบควบคุมแบบอะนาลอก ตัวควบคุมจะประกอบด้วยอุปกรณ์และวงจรอะนาลอกซึ่งคือแอมพลิไฟเออร์แบบเชิงเส้น
ธิระศักดิ์ เสภากล่อม
ภาควิชาวิศวกรรมไฟฟ้า คณะวิศวกรรมศาสตร์ มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีพระจอมเกล้าธนบุรี
ระบบควบคุมแบบอะนาลอกและดิจิตอล
ระบบควบคุมแบบอะนาลอก ตัวควบคุมจะประกอบด้วยอุปกรณ์และวงจรอะนาลอกซึ่งคือแอมพลิไฟเออร์แบบเชิงเส้น ระบบความคุมแบบดั้งเดิมจะเป็นแบบอะนาลอกเนื่องจากมีข้อจำกัดทางด้านเทคโนโลยี ภายในระบบความคุมแบบอะนาลอกได้มีเปลี่ยนอย่างใดอย่างหนึ่งระหว่าง Set Point หรือ Feedback ซึ่งทำให้สามารถรับสัญญาณได้โดยตรง และแอมพลิไฟเออร์ก็ได้ทำการปรับให้มีความสอดคล้องกันกับเอาต์พุตด้วย
ในระบบควบคุมแบบดิจิตอล ตัวควบคุมจะใช้วงจรดิจิตอล โดยส่วนใหญ่จะพบได้ในวงจรที่ใช้กับคอมพิวเตอร์ ไมโครโปรเซสเซอร์ หรือไมโครคอนโทรลเลอร์ การทำงานของคอมพิวเตอร์จะเป็นการปฏิบัติการทางโปรแกรมแบบทำซ้ำกลับไปกลับมา (ซึ่งแต่ละการทำซ้ำจะเรียกว่าการย้ำหรือการสแกน) โครงสร้างทางโปรแกรมของคอมพิวเตอร์จะอ่านค่าของ Set Point และข้อมูลเซนเซอร์เป็นตัวเลข
จากนั้นก็จะใช้ตัวเลขเหล่านั้นคำนวณตัวควบคุมทางด้านเอาต์พุต (ซึ่งส่งเข้าสู่ตัวแอกชูเอเตอร์) ต่อจากนั้น โปรแกรมก็จะส่งเข้าสู่ลูปย้อนกลับมาที่จุดเริ่มต้นเพื่อทำการสตาร์ทอีกครั้งหนึ่ง เวลาทั้งหมดสำหรับหนึ่งครั้งในการทำงานของโปรแกรมบางครั้งอาจจะน้อยกว่า 1 ms ระบบดิจิตอลจะดูเวลาที่แน่นอนทางด้านอินพุตเท่านั้นในการสแกนและส่งต่อให้กับทางด้านเอาต์พุตในเวลาต่อมา
ถ้าทางด้านอินพุตมีการเปลี่ยนแปลงหลังจากคอมพิวเตอร์มีการสแกนแล้ว ข้อมูลที่เปลี่ยนแปลงจะยังคงค้างอยู่ไม่สามารถตรวจพบได้ จนกระทั่งมีการสแกนอีกครั้งในเวลาต่อมา และนี่คือพื้นฐานของความแตกต่างกับระบบแบบอะนาลอก ซึ่งมีความต่อเนื่องและแสดงผลโดยตรงเมื่อมีการเปลี่ยนแปลง อย่างไรก็ตาม ระบบควบคุมแบบดิจิตอลส่วนมากเวลาในการสแกนจะสั้นมากเมื่อเปรียบเทียบกับเวลาตอบสนองของกระบวนการที่ถูกควบคุม
พื้นฐานทางกายภาพส่วนใหญ่ในโลกก็คือ ระบบอะนาลอก ซึ่งโดยธรรมชาติของเวลาที่เกิดขึ้นนั้น รวมถึงการทำงานในกระบวนการต่าง ๆ ระบบควบคุมส่วนใหญ่ใช้การควบคุมของกระบวนการแบบอะนาลอก ซึ่งหมายความว่าในบางกรณี ระบบควบคุมแบบดิจิตอลเริ่มต้นจะต้องแปลงข้อมูลแท้จริงที่เป็นอะนาลอกทางด้านอินพุตเสียก่อนเข้าสู่รูปแบบดิจิตอลก่อนที่จะนำไปใช้งาน
ทำนองเดียวกัน เอาต์พุตจากตัวควบคุมดิจิตอลจะต้องทำการแปลงจากรูปแบบดิจิตอลกลับสู่รูปแบบอะนาลอก ดังรูปที่ 1 แสดงบล็อกไดอะแกรมของระบบควบคุมดิจิตอลแบบลูปปิด (หมายเหตุ: บล็อกของอุปกรณ์ที่แปลงสัญญาณดิจิตอลเป็นอะนาลอก (DAC)
และบล็อกของอุปกรณ์แปลงสัญญาณอะนาลอกเป็นดิจิตอล (ADC) จะเป็นอุปกรณ์ที่เปลี่ยนข้อมูลระหว่างรูปแบบของดิจิตอลและอะนาลอก เช่นเดียวกับเครื่องหมายของเส้นตรงย้อนกลับที่แสดงเป็นเส้นตรงเข้าสู่ตัวควบคุม นี่คือโฉมหน้าที่สำคัญของคอมพิวเตอร์ โดยสร้างให้เปรียบเทียบกันระหว่างสัญญาณ Set Point และสัญญาณป้อนกลับ (Feedback)
รูปที่ 1 บล็อกไดอะแกรมของระบบควบคุมดิจิตอลแบบลูปปิด (หมายเหตุ: ดิจิตอลแอกชูเอเตอร์ อย่างเช่น สเต็ปเปอร์มอเตอร์ ไม่มีความจำเป็นต้องใช้ DAC ในทำนองเดียวกัน ดิจิตอลเซนเซอร์ อย่างออปติคอลชาร์ฟเอ็นโค้ดเดอร์ ก็ไม่มีความจำเป็นต้องใช้ ADC เช่นเดียวกัน)
ประเภทของระบบควบคุม
เป็นเรื่องยากที่เราจะทำการแบ่งประเภทของระบบควบคุมซึ่งมีทั้งแบบลูปปิดและแบบลูปเปิด เป็นแบบอะนาลอกและแบบดิจิตอล แต่เราสามารถแบ่งประเภทของระบบควบคุมได้โดยพิจารณาจากการใช้งาน ซึ่งสามารถแบ่งได้ดังต่อไปนี้
การควบคุมกระบวนการ (Process Control)
การควบคุมกระบวนการเกี่ยวข้องกับระบบควบคุมในเรื่องของกระบวนการอุตสาหกรรมที่เป็นแบบแผน การตรวจแก้ไขทางด้านเอาต์พุตให้ถูกต้อง ด้วยการปรับและการเฝ้าระวังควบคุมค่าพารามิเตอร์ต่าง ๆ (อย่างเช่นอุณหภูมิและอัตราการไหล) เพื่อให้มั่นใจได้ว่าผลิตภัณฑ์สุดท้ายทางด้านเอาต์พุตมีความถูกต้อง
ตัวอย่างของการควบคุมกระบวนการ เช่น ระบบควบคุมแบบลูปปิดที่ควบคุมอุณหภูมิภายในเตาอบไฟฟ้าดังรูปประกอบที่ 2 จากรูป ประกอบด้วยแอกชูเอเตอร์ คือชิ้นส่วนทำความร้อน, ค่าเปลี่ยนแปลงที่ถูกควบคุมคืออุณหภูมิ และเซนเซอร์คือเทอร์โมคัปเปิล ตัวควบคุมเป็นตัวกำหนดพลังงานที่เข้าสู่ชิ้นส่วนทำความร้อนและทำการบันทึกค่าของอุณหภูมิด้วยเทอร์โมคัปเปิลซึ่งระบุค่าโดย Set Point
รูปที่ 2 ระบบของเตาอบความร้อนแบบลูปปิด
อีกตัวอย่างหนึ่งของการควบคุมกระบวนการคือ โรงงานสีซึ่งมีการผสมสีระหว่างสีเหลืองและน้ำเงินเพื่อผลิตเป็นสีเขียว ดังรูปที่ 3 โดยตั้งค่าให้ทางด้านเอาต์พุตมีค่าคงที่โดยจะต้องทำการปรับปรุงค่าของสีน้ำเงินและสีเหลือง การตั้งค่าตามรูปที่ 3(a) กำหนดการไหลโดยวาล์วตัวที่ 1 และ 2 ซึ่งทำการปรับหมุนด้วยมือจนกระทั่งได้ค่าความเข้มของสีเขียวที่ต้องการ ซึ่งปัญหาที่เกิดขึ้นของวิธีนี้ก็คือระดับของสีในถังที่มีการเปลี่ยนแปลงไป อัตราการไหลจึงมีการเปลี่ยนแปลงไปด้วย สีที่ผสมได้จึงไม่คงที่
เมื่อทำการแก้ไขค่าอัตราการไหลของสีจากถังให้สม่ำเสมอ ด้วยการเพิ่มอุปกรณ์ไฟฟ้าสองตัวเข้าไปปฏิบัติการกับวาล์วควบคุมอัตราการไหลดังแสดงในรูปที่ 3(b) วาล์วแต่ละตัวสามารถแก้ไขให้ค่าการไหลของสีเข้าสู่ถังผสมได้อย่างเที่ยงตรง โดยไม่ต้องคำนึงถึงแรงดันของการไหล ตามเหตุผลถ้าสีน้ำเงินและสีเหลืองไหลอย่างอิสระ สีเขียวก็ควรจะมีค่าคงที่ แต่ในทางปฏิบัติจริงแล้วย่อมมีตัวแปรอื่น ๆ เข้ามาเกี่ยวข้องอย่างหลีกเลี่ยงไม่ได้ อย่างเช่น อุณหภูมิหรือความชื้นที่มีผลทางเคมีต่อการผสม ทำให้สีทางด้านเอาต์พุตมีการเปลี่ยนแปลง
ดังนั้นวิธีที่ดีกว่าก็คือ ระบบจะต้องเป็นแบบรูปที่ 3(c) ซึ่งจะมีเซนเซอร์ตรวจจับอยู่ตรงเอาต์พุตของสี ซึ่งถ้าสีเขียวมีความเข้มไป ตัวควบคุมก็จะทำการเพิ่มอัตราการไหลของสีเหลืองและถ้าสีเขียวมีค่าอ่อนไปอัตราการไหลของสีเหลืองก็จะถูกลดระดับลง ระบบนี้จึงเป็นระบบที่ดีกว่าเนื่องจากมีการเฝ้าตรวจค่าจริงของพารามิเตอร์ที่ต้องการ
รูปที่ 3 การควบคุมกระบวนการในการผสมสี
การควบคุมกระบวนการ สามารถแบ่งประเภทได้เป็นกระบวนการแบบ Batch Process หรือเป็นแบบ Continuous Process ในกระบวนการแบบ Continuous Process หมายความถึงอัตราการไหลของวัตถุหรือผลิตภัณฑ์ที่มีความต่อเนื่อง ดังเช่นตัวอย่างของการผสมสีที่กล่าวถึง ส่วน กระบวนการแบบ Batch Process มีการเริ่มต้นและจบ (ซึ่งเป็นการกระทำแบบกลับไปกลับมา) ตัวอย่างของกระบวนการแบบ Batch Process เช่นการผสมแป้งสาลีที่ใช้ทำขนมปังและการโหลดกล่องบนพาเลต เป็นต้น
ในโรงงานใหญ่อย่างเช่นโรงงานกลั่นน้ำมัน กระบวนการบางกระบวนการเกิดขึ้นพร้อมกันและจะต้องเท่ากันอีกด้วย เนื่องจากเอาต์พุตของกระบวนการหนึ่งจะกลายเป็นอินพุตของอีกกระบวนการหนึ่ง และในแต่ละวันของการควบคุมกระบวนการ ตัวควบคุมแต่ละตัวมีความเป็นอิสระแยกจากกันตามแต่ละกระบวนการทำงาน ดังแสดงในรูปที่ 4(a) เป็นการแสดงให้เห็นถึงการไหลของผลิตภัณฑ์ ซึ่งในแต่ละตัวควบคุมจะถูกทำการปรับให้เหมาะสมด้วยมือ
ในปี 1960 ระบบใหม่ได้พัฒนาขึ้นโดยมีความเป็นอิสระจากตัวควบคุม ถูกทดแทนด้วยคอมพิวเตอร์ขนาดใหญ่ ดังแสดงในรูปที่ 4(b) ระบบนี้ถูกเรียกว่า Direct Digital Control (DDC) ข้อได้เปรียบของระบบนี้คือกระบวนการในแต่ละพื้นที่ (Local Process) สามารถที่จะทำให้เกิดผล เฝ้าติดตามและทำการปรับค่าจากที่ใดที่หนึ่งได้ เพราะว่าคอมพิวเตอร์เองสามารถมองเห็นระบบได้ทั้งหมด ในตำแหน่งที่ทำการปรับเพื่อทำให้ระบบทั้งหมดมีประสิทธิภาพสูงขึ้น ข้อเสียทั้งหมดของการผลิต ถูกควบคุมด้วยคอมพิวเตอร์เพียงเครื่องเดียว ถ้าคอมพิวเตอร์ถูกปิดเพื่อทำการแก้ไขปัญหาที่เกิดขึ้นในกระบวนการหนึ่ง ไลน์ผลิตทั้งหมดก็จะต้องถูกปิดตาม
รูปที่ 4 แสดงวิธีการควบคุมกระบวนการหลายแบบ
เมื่อเทคโนโลยีของไมโครโปรเซสเซอร์ได้ถูกนำมาใช้งานและประยุกต์ใช้กับตัวควบคุม ก็ทำให้เกิดพัฒนาการใหม่ขึ้นมา เราเรียกว่า Distributed Computer Control (DDC) ดังแสดงในรูปที่ 4(c) ซึ่งระบบนี้ในแต่ละกระบวนการสามารถแยกแต่ละตัวควบคุมได้ตามพื้นที่ไซต์งาน ตัวควบคุมแต่ละพื้นที่จะติดต่อซึ่งกันและกันด้วยระบบเน็ตเวิร์กของแต่ละพื้นที่ โดยตัวควบคุมที่อยู่ภายใต้เน็ตเวิร์กสามารถเฝ้าติดตามและป้อนโปรแกรมใหม่จากคอมพิวเตอร์หลัก (Supervisor Computer) เพียงหนึ่งตัว ทำการโปรแกรมเพียงครั้งเดียว แต่ละกระบวนการสามารถที่จะปฏิบัติงานได้อย่างเป็นอิสระต่อกัน
ซึ่งการทำแบบนี้ระบบจะมีความเสถียรและปลอดภัยกว่า เนื่องจากกระบวนการในแต่ละพื้นที่ทั้งหมดสามารถที่จะปฏิบัติการได้อย่างต่อเนื่องแม้ว่าคอมพิวเตอร์หลักหรือระบบเน็ตเวิร์กจะเกิดความเสียหาย หรืออาจจะมากกว่านั้นก็คือ ชิ้นส่วนของตัวควบคุมอาจจะถูกต่อด้วยกันกับระบบเน็ตเวิร์กของสำนักงานธุรกิจภายในโรงงาน ซึ่งยอมให้ใครคนใดคนหนึ่งมีหน้าที่ที่จะสามารถตรวจสอบการทำงานได้ โดยคุณอาจจะสามารถนั่งลงตรงหน้าคอมพิวเตอร์ส่วนตัวที่ใดที่หนึ่งในตึกของอาคารแล้วทำการควบคุมการทำงานของกระบวนการก็ได้ ซึ่งมีความสะดวกมากขึ้น
* ระบบควบคุมแบบตามลำดับ (Sequentially Control System)
ระบบควบคุมแบบตามลำดับจะทำการควบคุมกระบวนการโดยกำหนดลำดับของงานที่จะทำ เรียกว่าลำดับของการปฏิบัติงาน แต่ละปฏิบัติการในแต่ละลำดับคือการปฏิบัติในแต่ละเวลาจากทั้งหมดนั่นคือ Time-driven หรือ จนกระทั่งงานเสร็จสิ้น ในกรณีนี้คือ Event-driven ลำดับแบบ Time-driven คือ ลูปเปิด (Open-loop) ซึ่งไม่มีการย้อนกลับ ส่วนงานแบบ Event-driven คือ ลูปปิด (Closed-loop) เนื่องจากมีสัญญาณย้อนกลับซึ่งต้องการให้ระบุเมื่องานสิ้นสุดลง
ตัวอย่างของระบบควบคุมแบบตามลำดับนั่นก็คือเครื่องซักผ้าแบบอัตโนมัติ เหตุการณ์แรกในรอบของการซักคือการบรรจุผ้าในถัง ซึ่งนี่เป็นงานแบบ Event-driven เนื่องจากน้ำที่ไหลเข้ายังคงถูกจำกัดระดับด้วยลูกลอยและลิมิตสวิตช์ (Closed-loop) ต่อมา งานอีกสองงานคืองานปั่นและระบายน้ำ ซึ่งแต่ละงานมีรอบของเวลาจึงเป็นเหตุการณ์ของ Time-driven (Open-loop) ไดอะแกรมของเวลาเครื่องซักผ้าแสดงดังรูปที่ 5
รูปที่ 5 แสดงไดอะแกรมเวลาของเครื่องซักผ้าแบบอัตโนมัติ
อีกตัวอย่างหนึ่งของระบบควบคุมแบบตามลำดับก็คือ สัญญาณควบคุมไฟจราจร ลำดับเบื้องต้นอาจจะมี Time-driven: 45 วินาทีสำหรับไฟเขียว, 3 วินาทีสำหรับไฟเหลือง และอีก 45 วินาทีสำหรับไฟแดง สัญญาณการจราจรถูกควบคุมด้วยเซนเซอร์ที่อยู่บนถนน อย่างไรก็ตามลำดับเบื้องต้นอาจจะเปลี่ยนไป ซึ่งขึ้นอยู่กับการควบคุมแบบ Event-driven
กระบวนการทางอุตสาหกรรมแบบอัตโนมัติสามารถที่จะแยกการควบคุมแบบตามลำดับการทำงาน ดังตัวอย่างของกระบวนการที่ทำการโหลดชิ้นส่วนเข้าสู่ถาดรองรับ จากนั้นนำเข้าสู่เตาหลอมเป็นเวลา 10 นาที ต่อมาก็เอาออกและทำให้เย็นเป็นเวลา 10 นาทีและโหลดเขาสู่กล่อง ซึ่งการทำงานนี้เป็นการทำงานตามลำดับ เป็นต้น
ในอดีต ระบบควบคุมแบบตามลำดับส่วนใหญ่มักจะใช้อุปกรณ์จำพวกสวิตช์ รีเลย์ และไทเมอร์แบบเครื่องกลไฟฟ้าเป็นอุปกรณ์ในการควบคุมลอจิกต่าง ๆ แต่ปัจจุบันเราใช้เทคโนโลยีของคอมพิวเตอร์ขนาดเล็กที่เรียกว่า Programmable Logic Controllers (PLCs) เป็นตัวควบคุมแทน ซึ่งมีราคาถูกลง ให้ความเชื่อถือได้สูงกว่า และง่ายในการโปรแกรมใหม่เมื่อมีความต้องการจะเปลี่ยนระบบการทำงานใหม่
การควบคุมการเคลื่อนไหว (Motion Control)
การควบคุมการเคลื่อนไหว ใช้กันอย่างกว้างขวางทั้งระบบที่เป็นลูปเปิดและลูปปิดเพื่ออธิบายระบบการเคลื่อนไหวที่เป็นแบบเครื่องกลไฟฟ้า (Electro-mechanical) อย่างเช่นระบบที่ประกอบด้วย มอเตอร์ ชิ้นส่วนเคลื่อนไหวทางกล และบางครั้งรวมถึงเซนเซอร์ป้อนกลับ (Feedback Sensor) อย่างเช่น เครื่องกลในไลน์ประกอบรถยนต์ แขนกลอุตสาหกรรม หรือเครื่องกลควบคุมการนับจำนวน เหล่านี้คือตัวอย่างของการควบคุมการเคลื่อนไหว เป็นต้น
* กลไกอัตโนมัติ (Servomechanism)
กลไกอัตโนมัติ แต่เดิมถูกนำมาใช้กับระบบควบคุมเครื่องกลไฟฟ้าแบบลูปปิดที่มีความเที่ยงตรงตามกายภาพของวัตถุ อย่างเช่นใช้ในการควบคุมสายอากาศเรดาร์ หรือแขนกลในอุตสาหกรรม ตำแหน่งของแต่ละเอาต์พุตหรือความเร็วเอาต์พุต (หรือทั้งสอง) เป็นตัวถูกควบคุม
ดังตัวอย่างของกลไกอัตโนมัติดังรูปที่ 6 เป็นระบบควบคุมตำแหน่งของสายอากาศเรดาร์ ในกรณีนี้ตัวควบคุมเปลี่ยนค่าได้ก็คือตำแหน่งของสายอากาศ ซึ่งสายอากาศจะหมุนตามมอเตอร์ไฟฟ้าที่ถูกต่ออยู่เพื่อเป็นตัวควบคุมทำเลของระยะทางที่ครอบคลุม ผู้ใช้เป็นคนเลือกทิศทางและควบคุมทิศทางของสายอากาศ ด้วยการหมุนไปในตำแหน่งที่ต้องการ
รูปที่ 6 แสดงกลไกอัตโนมัติระบบควบคุมตำแหน่งสายอากาศระยะไกล
* การควบคุมแบบจำนวน (Numerical Control)
การควบคุมแบบจำนวน (Numerical Control: NC) เป็นชนิดหนึ่งของการควบคุมแบบดิจิตอล ถูกนำมาใช้กันมากกับเครื่องมือทางกล อย่างเช่น เครื่องกลึง เครื่องเจาะ ซึ่งเครื่องมือทางกลนี้สามารถที่จะทำงานได้อย่างอัตโนมัติ สามารถตัดและแต่งชิ้นงานได้โดยปราศจากการควบคุมของคน แต่ละเครื่องจักรกลเราสามารถตั้งค่าพารามิเตอร์ตามแกนที่จะต้องถูกควบคุมได้
อย่างเช่นตัวอย่างของเครื่องเจาะตามรูปที่ 7 ชิ้นงานในที่นี้คือแม่พิมพ์ซึ่งถูกยึดตรึงอยู่กับโต๊ะงาน และโต๊ะงานสามารถเคลื่อนที่ได้ด้วยมอเตอร์ไฟฟ้าภายใน 3 ทิศทางตามแกน X, Y และ Z ในส่วนความเร็วของเครื่องมือตัดถูกควบคุมโดยอัตโนมัติอย่างเหมาะสม ในขั้นตอนการทำงาน โต๊ะงานจะทำการเคลื่อนที่นำชิ้นงานที่อยู่บนโต๊ะผ่านเครื่องมือตัดที่ความเร็วกำหนดรวมถึงความลึกในการตัด
ในตัวอย่างนี้มีค่าพารามิเตอร์อยู่ 4 ตัวได้แก่ X, Y, Z และ RPM ถูกควบคุมอย่างอิสระและต่อเนื่องด้วยตัวควบคุม ซึ่งตัวควบคุมจะรับเอาค่าของตัวเลขทางด้านอินพุตเข้ามาตามลำดับ ว่าต้องการชิ้นส่วนเป็นอย่างไรเมื่อเสร็จสมบูรณ์ ซึ่งจำนวนตัวเลขที่ป้อนเข้ามานี้จะบอกขนาดมิติทางกายภาพของชิ้นส่วน และรายละเอียดความเร็วในการตัดและรวมถึงอัตราการป้อนชิ้นงานเข้าเครื่องตัด เป็นต้น
รูปที่ 7 พื้นฐานของเครื่องเจาะที่ควบคุมแบบจำนวน
เครื่องจักรที่ใช้การควบคุมแบบจำนวนมีใช้กันมาตั้งแต่ ค.ศ.1960 ด้วยมาตรฐานต่าง ๆ ที่แน่นอนมีความเป็นเฉพาะ เพราะฉะนั้นจึงเหมาะสำหรับการนำมาสร้างเครื่องจักรขึ้นมาใช้งาน ซึ่งแต่เดิม ข้อมูลจากรูปวาดของชิ้นส่วนจะทำการเขียนขึ้นมาด้วยมือเพื่อป้อนเข้าสู่โปรแกรมคอมพิวเตอร์ ซึ่งโปรแกรมนี้จะทำการแปลงข้อมูลทางด้านอินพุตเข้าสู่ลำดับของจำนวนและคำสั่งเพื่อให้ตัวควบคุมแบบจำนวนนี้มีความเข้าใจ
และแหล่งกักเก็บข้อมูลนี้จะใช้ฟล็อปปี้ดิสก์และเทป หรือส่งข้อมูลแบบโดยตรงเข้าสู่เครื่องจักรกล ซึ่งข้อมูลนี้จะถูกอ่านโดยตัวควบคุมเครื่องจักรกลว่าจะสร้างชิ้นส่วนอย่างไร และเมื่อพัฒนาการของ Computer-added Design (CAD) ได้ถูกนำมาใช้ งานที่ต้องป้อนโปรแกรมหรือคำสั่งด้วยมือก็มีอันต้องสิ้นสุดไป
ปัจจุบันมีความเป็นไปได้ในเรื่องของโปรแกรมคอมพิวเตอร์แบบพิเศษ (เรียกว่า Postprocessor) เพื่อช่วยในการอ่านโปรแกรม CAD ให้สามารถสร้างรูปวาดรวมถึงการสร้างคำสั่งที่จำเป็นสำหรับเครื่องจักรแบบ NC ในการสร้างชิ้นส่วน กระบวนการทั้งหมดนี้ จากโปรแกรม CAD จนจบกระบวนการที่เป็นชิ้นส่วนงาน ถูกเรียกว่า Computer-aided Manufacturing (CAM)
ประโยชน์ใหญ่ ๆ หนึ่งของกระบวนการนี้คือเครื่องจักรกลสามารถสร้างชิ้นส่วนได้หลากหลายรวมถึงมีประสิทธิภาพ ระบบนี้ช่วยลดความต้องการเก็บสต็อกชิ้นส่วนขนาดใหญ่ ถ้าอินพุตที่เป็นเทปหรือซอฟต์แวร์สามารถหามาใช้ได้ง่าย ชิ้นส่วนที่ต้องการสามารถสร้างขึ้นได้ในเวลาอันรวดเร็ว
ดังเช่นตัวอย่างของ Computer-integrated Manufacturing (CIM) ซึ่งจะเห็นหนทางใหม่ในการสร้างสิ่งของทุกอย่างในโรงงานอุตสาหกรรม CIM ก่อให้เกิดการใช้งานคอมพิวเตอร์ในทุก ๆ ขั้นตอนในการปฏิบัติงานภายในอุตสาหกรรมการผลิต รวมตั้งแต่ความต้องการของลูกค้า การสั่งวัตถุดิบ การสั่งให้เครื่องจักรผลิตชิ้นส่วน ไปจนถึงขั้นตอนสุดท้ายของงานเลยทีเดียว
* วิทยาการด้านหุ่นยนต์ (Robotics)
หุ่นยนต์อุตสาหกรรม คือตัวอย่างแบบดั้งเดิมของระบบควบคุมตำแหน่งทั้งหลาย กรณีที่ใช้กันมากที่สุดคือหุ่นยนต์ซึ่งมีแขนหนึ่งข้างมาพร้อมกับบ่า ข้อศอกและข้อมือต่อกัน อย่างไรก็ดีบางชนิดของมืออาจจะรู้จักในนามของ End Effector ซึ่ง End Effector นี้จะเป็นด้ามจับหรือเครื่องมืออีกอย่างหนึ่งที่คล้ายกับปืนสเปรย์พ่นสี หุ่นยนต์ถูกนำมาใช้ในการเคลื่อนย้ายสิ่งของจากที่หนึ่งไปยังอีกที่หนึ่ง ในไลน์ประกอบชิ้นส่วน ใช้สำหรับการโหลดชิ้นงานให้กับเครื่องจักร NC รวมถึงงานสเปรย์พ่นสีและการเชื่อมต่อชิ้นงานอีกด้วย
หุ่นยนต์แบบคีบและวาง (Pick and Place) เป็นตัวอย่างหนึ่งของหุ่นยนต์อุตสาหกรรมที่ใช้กันแพร่หลาย โดยทำหน้าที่คีบชิ้นส่วนขึ้นและนำไปวางอีกที่หนึ่งใกล้ ๆ และหลังจากการควบคุมแบบย้อนกลับได้มีการพัฒนาให้มีความทันสมัยมากขึ้น จึงได้ถูกนำมาใช้แทนที่แบบเก่า
ซึ่งการทำงานแบบใหม่นี้มักจะทำงานแบบลูปเปิดโดยใช้เครื่องกลเป็นตัวหยุดหรือใช้ลิมิตสวิตช์ เป็นตัวกำหนดระยะทางในแต่ละทิศทางที่เคลื่อนที่ไป (บางครั้งเรียกว่าระบบ Bang-Bang) ดังแสดงในรูปที่ 8 หุ่นยนต์ตัวนี้ใช้กระบอกไฮดรอลิกในการยก ทำการหมุน และยืดแขน สามารถป้อนโปรแกรมให้ทำซ้ำแบบตามลำดับอย่างง่าย ๆ ในการปฏิบัติงาน
รูปที่ 8 หุ่นยนต์แบบคีบและวาง
หุ่นยนต์สมัยใหม่จะใช้ระบบควบคุมตำแหน่งแบบลูปปิดสำหรับข้อต่อทั้งหมดของหุ่นยนต์ ดังตัวอย่างของหุ่นยนต์อุตสาหกรรมในรูปที่ 9 ซึ่งมีจำนวนถึง 6 แกนซึ่งถูกควบคุมอย่างอิสระ หุ่นยนต์ตัวนี้สามารถยื่นไปในตำแหน่งที่ยากได้ ถูกควบคุมโดยตัวควบคุมที่เป็นฐานข้อมูลจากคอมพิวเตอร์ ซึ่งสามารถแปลงคำสั่งของมนุษย์เข้าสู่โปรแกรมของหุ่นยนต์ได้ แขนของหุ่นยนต์สามารถเคลื่อนที่จากจุดหนึ่งไปยังอีกจุดหนึ่งด้วยความเร็วเฉพาะและได้ระยะทางที่ไกลกว่า
รูปที่ 9 หุ่นยนต์อุตสาหกรรมขนาดใหญ่
บทสรุป
ระบบควบคุมคือระบบที่ใช้การควบคุมของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์อัจฉริยะเป็นตัวควบคุมกายภาพบางอย่าง บทความนี้ทำให้ท่านเข้าใจในพื้นฐานของระบบควบคุมอย่างเช่นอุปกรณ์ที่เกี่ยวข้องกับอิเล็กทรอนิกส์ แหล่งจ่ายพลังงาน (อย่างเช่น มอเตอร์) เครื่องกลและทฤษฎีทางด้านระบบควบคุมซึ่งมีความสัมพันธ์กับแนวคิดอื่น ๆ
ระบบควบคุมได้อธิบายถึงบล็อกไดอะแกรม บล็อกแรกคือบล็อกของตัวควบคุมซึ่งเป็นตัวแทนของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์อัจฉริยะ ตัวควบคุมส่งสัญญาณเอาต์พุตเข้าสู่บล็อกถัดไปนั่นคือบล็อกของแอกชูเอเตอร์ ซึ่งแอกชูเอเตอร์คือระบบแรกที่เป็นอุปกรณ์ทางกายภาพที่สามารถทำบางสิ่งบางอย่างได้ (อย่างเช่น มอเตอร์ไฟฟ้า หรืออุปกรณ์ให้ความร้อน)
ชนิดของระบบควบคุมทั่วไปแบ่งได้เป็น 2 ชนิด นั่นคือการควบคุมแบบลูปเปิดและแบบลูปปิด ในการควบคุมแบบลูปเปิดนั้นตัวควบคุมจะส่งสัญญาณจากการวัดเข้าสู่แอกชูเอเตอร์ (แบบลูปเปิดนี้ ตัวควบคุมจะมีความเป็นอิสระในการคำนวณค่าที่แน่นอนของแรงดันหรือกระแสที่ต้องการโดยแอกชูเอเตอร์ เพื่อการทำงานและการส่งสัญญาณ แต่อย่างไรก็ตามตัวควบคุมจะไม่มีทางรู้ค่าจริงถ้าแอกชูเอเตอร์ ทำงานโดยการสมมุติขึ้น เนื่องจากไม่มีการป้อนกลับ (Feedback) นั่นเอง
ระบบนี้จะทำงานได้อย่างสมบูรณ์ต้องขึ้นอยู่กับตัวควบคุม ที่ต้องรู้คุณสมบัติการทำงานของตัวแอกชูเอเตอร์) ส่วนการควบคุมแบบลูปปิด จะรวมเอาเซนเซอร์และสัญญาณป้อนกลับจากแอกชูเอเตอร์สู่ตัวควบคุมไว้ด้วย ในรูปแบบนี้ตัวควบคุมจะรู้ค่าแท้จริงว่าเอาต์พุตทำงานอย่างไร และสามารถยอมให้มีการปรับแก้ไขตัวควบคุมให้มีความถูกต้องแม่นยำขึ้น
ในแต่ละส่วนของระบบควบคุมสามารถอธิบายเป็นสูตรทางคณิตศาสตร์ด้วยฟังก์ชันการถ่ายโอน (Transfer Function: TF) นั่นคือ TF = เอาต์พุต/อินพุต ซึ่งฟังก์ชันการถ่ายโอนนี้สามารถที่จะคำนวณหาประสิทธิภาพของระบบทั้งหมดได้ ฟังก์ชันการถ่ายโอนที่แท้จริงจะต้องรวมเอาค่าของเวลาและคุณสมบัติทาง Steady-state เข้ามาไว้ด้วย
ระบบควบคุมถูกแบ่งประเภทเป็นดิจิตอลและแบบอะนาลอก ในระบบควบคุมแบบอะนาลอกตัวควบคุมจะใช้วงจรอิเล็กทรอนิกส์ที่เป็นอะนาลอกแบบดั้งเดิมอย่างเช่นแอมพลิไฟเออร์แบบเชิงเส้น ส่วนระบบควบคุมแบบดิจิตอลตัวควบคุมจะเป็นวงจรดิจิตอลอย่างที่ใช้กันในคอมพิวเตอร์ เป็นต้น
ระบบควบคุมสามารถแบ่งประเภทได้ตามลักษณะการใช้งาน อย่างเช่น การควบคุมกระบวนการ (Process Control) ใช้อ้างอิงกับกระบวนการในอุตสาหกรรมซึ่งถูกควบคุมด้วยอิเล็กทรอนิกส์ให้เป็นไปตามวัตถุประสงค์คือได้ค่าเอาต์พุตที่มีความถูกต้อง การควบคุมการเคลื่อนไหว (Motion Control) ใช้อ้างอิงถึงระบบที่มีการเคลื่อนไหวของสิ่งของ
ระบบกลไกอัตโนมัติ (Servomechanism) คือระบบการควบคุมแบบย้อนกลับที่รวมเอาการเคลื่อนไหวระยะไกลของวัตถุบางอย่างไว้ด้วยกัน อย่างเช่นแขนกลของหุ่นยนต์ หรือสายอากาศเรดาร์ ส่วนการควบคุมแบบจำนวน (Numerical Control: NC) เป็นระบบควบคุมเครื่องจักรกลโดยตรงอย่างเช่น เครื่องกลึง เครื่องจักรกลอัตโนมัติ เป็นต้น
เอกสารอ้างอิง
1. Kilian Christopher: Modern Control Technology Components and Systems, 2nd Edition (online version), Thomson Delmar Learning Publisher. 2000.
2. Curtis Johnson: Process Control Instrumentation Technology, Fourth Edition, Regents/Prentice Hall New Jersey, 1993.
3. Joseph J.Distefano, III, Ph.D., Allen R.Stubberud, Ph.D., Ivan J.Williams, Ph.D., Feedback and Control Systems, Second Edition, Schaum, Outline Series McGraw-Hill, Inc. 1990.
สงวนลิขสิทธิ์ ตามพระราชบัญญัติลิขสิทธิ์ พ.ศ. 2539 www.thailandindustry.com
Copyright (C) 2009 www.thailandindustry.com All rights reserved.
ขอสงวนสิทธิ์ ข้อมูล เนื้อหา บทความ และรูปภาพ (ในส่วนที่ทำขึ้นเอง) ทั้งหมดที่ปรากฎอยู่ในเว็บไซต์ www.thailandindustry.com ห้ามมิให้บุคคลใด คัดลอก หรือ ทำสำเนา หรือ ดัดแปลง ข้อความหรือบทความใดๆ ของเว็บไซต์ หากผู้ใดละเมิด ไม่ว่าการลอกเลียน หรือนำส่วนหนึ่งส่วนใดของบทความนี้ไปใช้ ดัดแปลง โดยไม่ได้รับอนุญาตเป็นลายลักษณ์อักษร จะถูกดำเนินคดี ตามที่กฏหมายบัญญัติไว้สูงสุด
Thailandindustrycom_official
