ทำงานด้วยพีแอลซี Allen Bradley
ตอนที่ 9 การควบคุมกระบวนการ (Process Control)
วัชรชัย สิทธิพันธ์

     การควบคุมกระบวนการคือหลักการทางสถิติ และวิศวกรรมหลายแขนงที่อธิบายถึงสถาปัตยกรรม (Architectures) ส่วนประกอบทางจักรกล (Mechanisms) และลำดับขั้นตอนที่แน่นอนซึ่งใช้ในการแก้ปัญหา ขั้นตอนวิธีการในการคำนวณ (Algorithms) สำหรับควบคุมเอาต์พุตหรือผลผลิตของกระบวนการ 

      

รูปที่ 1 การควบคุมกระบวนการ

     ตัวอย่างการควบคุมระดับอุณหภูมิของห้องโดยที่ความต้องการคือ รักษาระดับอุณหภูมิให้คงที่ตามที่ต้องการ เช่น 20 องศาเซลเซียส  จากกระบวนการที่ตัวแปรควบคุม (Controlled Variable) คือ อุณหภูมิ ตัวแปรอินพุตหรือตัวแปรกระบวนการ (Process Variable) คืออุณหภูมิที่วัดได้จากเซนเซอร์ และค่าที่ต้องการ (Set Point) คืออุณหภูมิ 20 องศาเซลเซียส  และอุปกรณ์ให้ความร้อนอาจจะเป็นฮีตเตอร์

 หรือวาล์วที่สามารถควบคุมน้ำร้อนไหลผ่าน หรือไอน้ำ ในทางปฏิบัติแล้วระบบควบคุมกระบวนการสามารถแบ่งออกได้ดังต่อไปนี้

- ระบบไม่ต่อเนื่อง (Discrete) ระบบนี้เราจะพบทั่วไปในโรงงานอุตสาหกรรม เช่น การควบคุมการเคลื่อนที่ การบรรจุหีบห่อ หุ่นยนต์ประกอบในอุตสาหกรรมรถยนต์

- ระบบแบบกลุ่ม (Batch) การใช้งานต้องการระบุปริมาณของวัตถุดิบที่รวมกัน การทำงานที่มีลักษณะเป็นรอบการทำงาน

- ระบบต่อเนื่อง (Continuous) ระบบที่ต้องการควบคุมระบบทางกายภาพซึ่งเป็นตัวแปรโดยที่ให้มีความต่อเนื่องโดยที่ไม่ให้มีการชะงักไม่ถูกรบกวนตามเวลา เช่น การควบคุมอุณหภูมิของของเหลว

วัตถุประสงค์ของการควบคุมกระบวนการ
     1. ความปลอดภัย (Safety)
     ความปลอดภัยของบุคคลที่ปฏิบัติงานหรืออยู่ภายในโรงงานนับเป็นสิ่งที่สำคัญอย่างยิ่ง เมื่อบุคคลทำงานโดยปราศจากความเสี่ยงนั้น หมายถึงความปลอดภัยต่อชีวิต โรงงานนั้นต้องถูกออกแบบให้มีความปลอดภัยในการปฏิบัติงาน เช่น ระดับอุณหภูมิที่ปลอดภัย ระดับแรงดันที่ปลอดภัย การควบคุมกระบวนการการรักษาความปลอดภัยของโรงงาน โดยการรักษาระดับของตัวแปรที่ต้องการควบคุมให้อยู่ในค่าที่ต้องการ การพิจารณาความปลอดภัยของโรงงานนั้นยังมีผลมาจากอุบัติเหตุ

ตัวอย่างเช่น อุปกรณ์ได้รับความเสียหายทำให้ค่าที่ตัวควบคุมเกินขอบเขตที่จำกัด การควบคุมแบบป้อนกลับนั้นยังไม่สามารถรับประกันการทำงานที่ปลอดภัย เพราะฉะนั้นสิ่งที่ดีที่สุดคือการเพิ่มระบบฉุกเฉินให้กับระบบ (Emergency System)

     2. ปกป้องสิ่งแวดล้อม (Environmental Protection)
     การปกป้องสิ่งแวดล้อมนั้นก็เป็นสิ่งสำคัญ กระบวนการนั้นเปลี่ยนวัตถุดิบเป็นของเสีย เราต้องมีการควบคุมโดยกำจัดของเสียนั้นออกก่อนปล่อยออกสู่ธรรมชาติ (ก๊าซ น้ำเสีย)

     3. ปกป้องอุปกรณ์ (Equipment Protection)
      อุปกรณ์ที่เราใช้ในโรงงานนั้นบางอย่างมีราคาสูงและยากในการเปลี่ยนโดยปราศจากต้นทุน การควบคุมกระบวนการให้ทำงานภายในขอบเขตจะช่วยป้องกันความเสียหายที่จะเกิดขึ้นต่อตัวอุปกรณ์ ซึ่งก็เหมือนกันกับการควบคุมกระบวนการให้ปลอดภัยต่อบุคคล เช่น การควบคุมระดับอุณหภูมิ ระดับแรงดันในช่วงที่ปลอดภัย

     4. การทำงานที่ราบรื่น (Smooth Operation)
      กระบวนการนั้นประกอบด้วยส่วนย่อย ๆ เข้าด้วยกัน ความต้องการการทำงานที่ราบรื่นนั้นเป็นสิ่งที่จำเป็นเพราะว่าสิ่งรบกวนที่เกิดขึ้นเพียงเล็กน้อยจะส่งผลต่อระบบโดยรวม การออกแบบระบบควบคุมจะต้องควบคุมการเปลี่ยนแปลงอย่างราบรื่น ตัวอย่างเช่น อัตราการไหลของของเหลว โดยปกติอัตราการไหลจะไม่คงที่อยู่แล้ว แต่เราต้องควบคุมให้อยู่ในระดับขอบเขตที่ต้องการ

     5. คุณภาพของผลิตภัณฑ์ (Product Quality)
      ผลิตภัณฑ์ของโรงงานนั้นจะต้องมีคุณภาพที่กำหนด การควบคุมกระบวนการนั้นจะควบคุมสภาวะการทำงานเพื่อให้ได้คุณภาพของผลิตภัณฑ์ตามที่ต้องการ การปรับปรุงหรือเพิ่มคุณภาพของผลิตภัณฑ์เป็นหัวข้อหลักที่พิจารณาในทางเศรษฐศาสตร์การเงิน สำหรับการควบคุมด้วยดิจิตอลคอมพิวเตอร์ และขั้นตอนในการแก้ปัญหาสำหรับงานควบคุมอัตโนมัติในกระบวนการทางอุตสาหกรรม

     6. ผลกำไรประโยชน์ตอบแทน (Profit)
      เป้าหมายของโรงงาคือผลกำไรที่กลับมา การควบคุมกระบวนการนั้นควบคุมวัตถุดิบภายในกระบวนการลดต้นทุนภายในกระบวนการ

     7. แสดงผลและวิเคราะห์ (Monitoring and Diagnosis)
        กระบวนการที่ซับซ้อนนั้นต้องการการแสดงผลและวิเคราะห์ โดยสามารถแบ่งออกเป็น 2 กรณี
   1. ทันทีทันใด (Immediate) เพื่อแสดงการทำงานของกระบวนการความปลอดภัยที่แสดงให้กับผู้ปฏิบัติงาน
   2. ระยะยาว (Long Term) เพื่อการวิเคราะห์สมรรถภาพการทำงานของกระบวนการให้กับหัวหน้างานและวิศวกร

     การควบคุมกระบวนการในงานอุตสาหกรรมโดยทั่วไปแล้วนั้นเราสามารถที่จะแบ่งลักษณะการควบคุมออกเป็นสองรูปแบบใหญ่คือการควบคุมแบบวงรอบเปิด (Opened Loop Control) และการควบคุมแบบวงรอบปิด (Closed Loop Control)

     - การควบคุมแบบวงรอบเปิด คือการควบคุมที่การกระทำของตัวควบคุมไม่เป็นฟังก์ชั่นของตัวแปรกระบวนการตัวควบคุมไม่สามารถที่จะปรับตัวเองได้เมื่อตัวแปรกระบวนการที่เราควบคุมมีการเปลี่ยนแปลง ตัวอย่างในรูปที่ 2 แสดงการควบคุมอุณหภูมิของน้ำในถังโดยการปรับไอน้ำที่เข้าด้วยวาล์วปรับด้วยมือ

     -  การควบคุมแบบวงรอบปิด คือการควบคุมที่การกระทำของตัวควบคุมนั้นขึ้นอยู่กับตัวแปรกระบวนการโดยทั่วไปแล้วเรามักจะรู้จักกับการควบคุมแบบป้อนกลับ (Feedback Control) การควบคุมแบบวงรอบปิดนั้นออกแบบมาเพื่อคงค่าที่ต้องการของตัวแปรกระบวนการให้มีค่าเท่ากับค่าที่ต้องการ (Set Point)    

     พฤติกรรมของระบบควบคุมวงรอบปิด (Closed-Loop) ไม่ได้ขี้นอยู่กับคุณลักษณะของกระบวนการและฟังก์ชั่นถ่ายโอนแต่งเพียงเท่านั้น ยังขึ้นอยู่กับตัวควบคุมและการออกแบบ การเลือก การปรับพารามิเตอร์ 
      

 

รูปที่ 2 การควบคุมแบบวงรอบเปิด และการควบคุมแบบวงรอบปิด

    
การกระทำของตัวควบคุม
      รูปที่ 3 แสดงการควบคุมแบบวงจรรอบเปิด (Open-Loop) เอาต์พุตของตัวควบคุม (ตัวแปรควบคุม Control Variable, CV) จะเป็นอินพุตของกระบวนการ ฟังก์ชั่นถ่ายโอนของระบบควบคุมวงจรรอบเปิดสามารถแสดงได้ตามสมการ

     เมื่อ Hc(S) และ Hp(S) คือฟังก์ชั่นถ่ายโอนของตัวควบคุมและกระบวนการตามลำดับ

    
รูปที่ 3 ฟังก์ชั่นถ่ายโอนของระบบควบคุมวงรอบเปิด

     ตัวควบคุมแบบวงรอบปิดแบ่งออกเป็นสองแบบคือ การกระทำโดยตรง (Direct Action) และการกระทำตรงข้าม (Reverse Action) สำหรับการควบคุมกระบวนการ ความแตกต่างระหว่างตัวควบคุมสองประเภทนี้คือ ผลที่เกิดกับตัวแปรควบคุม (CV) จากตัวควบคุม (Hc) และออกมาเป็นตัวแปรกระบวนการ (PV) ของกระบวนการ (Hp) สำหรับพฤติกรรมของกระบวนการที่แตกต่างกันทำให้เราต้องเลือกใช้ตัวควบคุมที่การกระทำที่แตกต่างกัน

     ตัวอย่างเช่น ระบบทำความร้อนและระบบทำความเย็นซึ่งมีความแตกต่างกัน ดังนั้นการกระทำของตัวควบคุมจึงจะต้องแตกต่างกันด้วย

 
รูปที่ 4 ระบบควบคุมแบบวงรอบปิด

 

- ตัวควบคุมแบบกระทำโดยตรง (Direct-Acting Controllers)
    ตัวควบคุมแบบกระทำโดยตรงคือ ตัวควบคุมแบบวงรอบปิดซึ่งตัวแปรควบคุมจะมีผลตอบสนองเพิ่มขึ้นเมื่อตัวแปรกระบวนการเพิ่มขึ้น ตัวอย่างเช่น ระบบทำความเย็นเมื่ออุณหภูมิสูงขึ้น (PV) ตัวควบคุมจะเพิ่มเอาต์พุต (เพิ่มเอาต์พุตของคอมเพรสเซอร์ทำความเย็น) เพื่อให้ตัวแปรกระบวนการมีค่ากลับเข้าสู่ค่าที่ต้องการ รูปที่ 5 แสดงตัวอย่างระบบทำความเย็นสำหรับการผสมวัตถุดิบ โดยที่น้ำเย็นไหลผ่านรอบถัง มีตัววัดอุณหภูมิสำหรับวัดค่าตัวแปรกระบวนการ เพื่อรักษาความเย็นให้ได้ตามที่ต้องการ

รูปที่ 5 Direct-Acting Controllers Controlling the Temperature in Batch Cooling Process

     รูปที่ 6 แสดงปฏิกิริยาตอบสนองของกระบวนการในรูปที่ 5 ถ้าตัวแปรควบคุมควบคุมวาล์วนั้นเย็นให้เปิด 100% อุณหภูมิภายในถังอยู่ที่ 5 ?C ถ้าวาล์วน้ำเย็นเปิดอยู่ที่ 0% (ปิด) อุณหภูมิภายในถังอยู่ที่ 35 ?C อุณหภูมิใช้งานที่ต้องการอยู่ที่ 20 ?C ตัวควบคุมส่งเปิดวาล์วน้ำเย็น 50% เพราะฉะนั้นเมื่อเปิดวาล์วน้ำเย็นเพิ่มขึ้นอุณหภูมิของระบบจะลดลง โดยจากกราฟในรูปที่ 6 เราสามารถสรุปความสัมพันธ์ได้ว่าเมื่อตัวแปรควบคุม (CV) มีค่าเพิ่มขึ้น ค่าตัวแปรกระบวนการ (PV) จะมีค่าลดลง

 

รูปที่ 6 ปฏิกิริยาตอบสนองของกระบวนการของตัวควบคุมแบบกระทำโดยตรง

 

       รูปที่ 7 แสดงปฏิกิริยาของตัวควบคุมที่กระทำต่อตัวแปรกระบวนการ ถ้าตัวควบคุมตรวจจับอุณหภูมิได้ว่าร้อน มันจะสั่งเปิดวาล์วน้ำเย็น ในทำนองเดียวกันเมื่อตัวควบคุมตรวจจับได้ว่าอุณหภูมิเย็นตัวควบคุมจะสั่งลดการเปิดของวาล์วน้ำเย็น การกระทำของตัวควบคุมนี้จึงเป็นการกระทำโดยตรง เพราะว่าเมื่อตัวแปรกระบวนการ (อุณหภูมิ) เพิ่มขึ้นตัวควบคุมจะเพิ่มตัวแปรควบคุม (เปิดวาล์วเพื่อเพิ่มปริมาณน้ำเย็น) เพื่อให้ตัวแปรกระบวนการมีค่าเข้าสู่ค่าที่ต้องการ นั่นหมายความว่า Error เท่ากับศูนย์

 

รูปที่ 7 ความสัมพันธ์ระหว่างตัวแปรควบคุม (CV) กับตัวแปรกระบวนการของตัวควบคุมแบบกระทำโดยตรง

 

- ตัวควบคุมแบบกระทำตรงข้าม (Reverse-Acting Controllers)
    ตัวควบคุมแบบกระทำตรงข้ามจะมีพฤติกรรมที่แตกต่างจากแบบกระทำโดยตรงถ้าตัวควบคุมตรวจจับได้ว่าตัวแปรกระบวนการมีค่าเพิ่มขึ้น ผลตอบสนองที่ได้คือตัวควบคุมจะลดต้นแปรควบคุม พฤติกรรมของตัวควบคุมแบบนี้เราจะพบในระบบให้ความร้อนโดยที่เมื่ออุณหภูมิอุ่นขึ้นกว่าเดิม (PV เพิ่มขึ้น) ตัวควบคุมจะลดการให้ความร้อนเพื่อรักษาระดับอุณหภูมิให้เท่ากับค่าที่กำหนด

รูปที่ 8 แสดงกระบวนการให้ความร้อนด้วยการควบคุมการเปิดวาล์วไอน้ำ

 

       รูปที่ 9 แสดงกราฟของกระบวนการให้ความร้อนถ้าวาล์วเปิด 100% อุณหภูมิ 35 องศาเซลเซียส  ถ้าวาล์วเปิด 0% หรือปิดสนิท อุณหภูมิอยู่ที่ 5 องศาเซลเซียส  เพื่อที่จะควบคุมอุณหภูมิให้อยู่ที่ 20 องศาเซลเซียส  ตัวควบคุมจะต้องควบคุมการเปิดวาล์วที่ 50% ของพิกัด โดยจากกราฟในรูปที่ 9 เราสรุปความสัมพันธ์ได้ว่าเมื่อค่าตัวแปรควบคุม (CV) มีค่าเพิ่มขึ้นในทำนองเดียวกันค่าตัวแปรกระบวนการ (PV) ก็จะเพิ่มขึ้นตามไปด้วย

รูปที่ 9 ปฏิกิริยาตอบสนองของกระบวนการของตัวควบคุมแบบกระทำตรงข้าม

 

รูปที่ 10 ความสัมพันธ์ระหว่างตัวแปรควบคุม (CV) กับตัวแปรกระบวนการของตัวควบคุมแบบกระทำตรงข้าม

     รูปที่ 10 แสดงความสัมพันธ์ระหว่างตัวแปรควบคุมและตัวแปรกระบวนการสำหรับตัวควบคุมในระบบนี้ เพราะว่าตัวควบคุมเป็นแบบกระทำตรงข้าม ถ้าตัวแปรกระบวนการ (อุณหภูมิ) เพิ่มขึ้นตัวควบคุมจะลดเอาต์พุตเพื่อให้ Error มีค่าเข้าใกล้ศูนย์

- ตัวควบคุมโหมดไม่ต่อเนื่อง (Discrete Mode Controller)
      เมื่อพิจารณาจากเอาต์พุตของตัวควบคุมเราสามารถแบ่งโหมดของตัวควบคุมออกเป็นสองโหมด
     1. โหมดไม่ต่อเนื่อง (Discrete (ON/OFF) Mode)
     2. โหมดต่อเนื่อง (Continuous (Analog) Mode)

       ในโหมดไม่ต่อเนื่องตัวควบคุมจะสร้างสัญญาณ ON/OFF เป็นสัญญาณเอาต์พุต (ตัวแปรควบคุม) เพื่อรักษาระดับอินพุตที่เข้าสู่กระบวนการ (ดูตามรูปที่ 11 (ก)) สำหรับโหมดต่อเนื่องตัวควบคุมจะสร้างสัญญาณอะนาลอกเป็นสัญญาณเอาต์พุต (ดูตามรูปที่ 11 (ข))     
    

    
(ก) ตัวควบคุมโหมดไม่ต่อเนื่อง

          
    
(ข) ตัวควบคุมโหมดต่อเนื่อง
รูปที่  11 (ก) ตัวควบคุมโหมดไม่ต่อเนื่อง (ข) ตัวควบคุมโหมดต่อเนื่อง

- การควบคุมโหมดไม่ต่อเนื่องแบบสองตำแหน่ง
      ตัวควบคุมแบบสองตำแหน่ง (Two-Position Controller) หรือบางครั้งเราอาจเรียกว่าตัวควบคุม เปิด/ปิด เป็นตัวควบคุมพื้นฐานที่พบในการควบคุมกระบวนการ ตัวอย่างการควบคุมระบบทำความร้อนภายในครัวเรือน ฮีตเตอร์ ทำงานเมื่ออุณหภูมิต่ำกว่าจุดที่กำหนด และหยุดทำงานเมื่ออุณหภูมิเข้าถึงจุดที่ยอมรับได้ ถ้าอุณหภูมิที่ต้องการคือ 30องศาเซลเซียส ฮีตเตอร์ควรจะทำงานเมื่ออุณหภูมิน้อยกว่า 30 องศาเซลเซียส 

 ฮีตเตอร์ควรจะหยุดทำงานเมื่ออุณหภูมิมากกว่า 30องศาเซลเซียส  โดยที่ฮีตเตอร์พยายามรักษา Error (SP-PV) ให้เท่ากับศูนย์ อย่างไรก็ตามระบบทำความร้อนจะมีค่าผิดพลาดอยู่ในแถบไร้ผลตอบสนอง (Error Dead Band) นั่นหมายความว่าฮีตเตอร์จะหยุดทำงานเมื่อค่าอุณหภูมิมีค่ามากกว่าค่าที่ต้องการ

 และจะทำงานเมื่อค่าอุณหภูมิมีค่าน้อยกว่าค่าที่ต้องการ จากตัวอย่างถ้า Dead Band อยู่ระหว่าง 28 เซลเซียส ถึง 32 เวลเซียส ฮีตเตอร์จะหยุดทำงานเมื่ออุณหภูมิเท่ากับ 32 เวลเซียสและจะทำงานเมื่ออุณหภูมิ 28 เซลเซียส

       ตัวอย่างระบบทำความร้อนจะใช้ตัวควบคุมแบบกระทำตรงข้าม เพราะเมื่อตัวควบคุมตรวจจับได้ว่าตัวแปรกระบวนการ (อุณหภูมิ) ลดลงตัวควบคุมจะเพิ่มเอาต์พุตเป็น 100% (ON)

 

รูปที่ 12 ตัวควบคุมโหมดไม่ต่อเนื่องสองตำแหน่งควบคุมฮีตเตอร์

รูปที่ 13 แสดงพฤติกรรมของกระวนการและตัวแปรควบคุมของระบบทำความร้อน

 

     ตัวอย่างรูปที่ 13 แสดงผลของ Error Dead Band ฮีตเตอร์จะทำงานเมื่ออุณหภูมิลดลงต่ำลงไปที่ 28 องศาเซลเซียส  และหยุดทำงานเมื่ออุณหภูมิเพิ่มถึง 32 องศาเซลเซียส  ตัวควบคุมจะทำงาน ON และ OFF อยู่ภาย Error Dead Band โดยที่ขึ้นอยู่กับตัวแปรกระบวนการ

     การกระทำของตัวแปรควบคุมแบบ ON-OFF สามารถอธิบายได้ดังนี้
     CV = 100% (ON) ถ้า Error > - E
     CV = 0% (OFF) ถ้า Error < + E
     เมื่อ + AE แสดงถึง Error Dead Band

รูปที่ 14 เอาต์พุตของตัวควบคุมของระบบทำความร้อน

 

     รูปที่ 14 แสดงเอาต์พุตของตัวควบคุม เมื่อ Dead Band + มีค่าเท่ากับ + 2 องศาเซลเซียส  ถ้าตัวแปรกระบวนการมาจากด้านบวก เอาต์พุตของตัวควบคุมจะ ON ตามรูปคือจุดที่ 1 และจะยังคงสภาวะ ON (จุดที่ 2) จนกระทั่ง Error เข้าถึงจุด + E (จุดที่ 3) ในเวลาเดียวกันนั้นตัวควบคุมจะ OFF และยังคงสภาวะ OFF (ผ่านจุดที่ 4) จนกระทั่ง Error ลดลงมาถึง - E (จุดที่ 5) และจะทำงานซ้ำเป็นรอบเหมือนเดิม เราเรียกกราฟของ Dead Band นี้ว่าฮีสเตอรีซิส (Hysteresis) หมายความว่าปฏิกิริยาของระบบที่ได้จะขึ้นอยู่กับการกระทำก่อนหน้า

      ตัวควบคุมแบบ ON/OFF เหมาะสำหรับการประยุกต์ใช้งานสำหรับงานที่มีการเปลี่ยนแปลงอย่างรวดเร็ว , ขนาดใหญ่ ถ้า Error Dead Band ของตัวควบคุมมีค่าน้อย ค่า Error ของระบบจะน้อย แต่อย่างไรก็ตามความถี่ในการ ON/OFF ของตัวควบคุมจะมีมากขึ้น ถ้า Error Dead Band มีค่ามากความถี่ในการ ON/OFF ของตัวควบคุมจะมีค่าน้อยลง แต่ Error ของระบบจะมีค่ามากขึ้น

 เพราะฉะนั้นแล้วในการประยุกต์ใช้งานเราต้องพิจารณาถึงอุปกรณ์ควบคุม (วาล์ว, คอมเพรสเซอร์ เป็นต้น) และอุปกรณ์อื่น ๆ ที่อาจเกิดความเสียหายถ้ามีการ ON/OFF อย่างรวดเร็ว เราจะต้องเปรียบเทียบกันระหว่าง Error ที่ยอมรับได้กับความถี่ของการ ON/OFF 

- ตัวควบคุมโหมดไม่ต่อเนื่องแบบสามตำแหน่ง
      ตัวควบคุมแบบสามตำแหน่งจะมีเอาต์พุตสามระดับ โดยจะรวมการ ON 50% ของช่วงพิกัดเต็ม 100% ของการ ON เข้ามา การนำตัวควบคุมแบบสามตำแหน่งมาใช้เพื่อลดไซเคิลของตัวแปรกระบวนการ เพราะว่าเอาต์พุตไม่ได้มีการเปลี่ยนแปลงอย่างทันทีทันใด
    

รูปที่ 15 เอาต์พุตของตัวควบคุมแบบสามตำแหน่งกระทำโดยตรงที่ตอบสนองต่อ Error

     รูปที่ 15 แสดงตัวควบคุมแบบสามตำแหน่ง โดยที่เอาต์พุตของตัวควบคุมสามารถแสดงทางคณิตศาสตร์ได้ดังนี้
     CV = 100% ถ้า Error > + E
     CV = 50% ถ้า - E < Error < + E
     CV = 0% ถ้า Error < - E

     ตัวควบคุมแบบสามตำแหน่งนั้นเราจะพบไม่บ่อย พีแอลซีนั้นสามารถนำมาใช้เป็นตัวควบคุมโดยการใช้คอนแทกต์เอาต์พุตมาเป็นตัวตัดต่อ

 

รูปที่ 16 การเชื่อมต่อโมดูลเอาต์พุตของพีแอลซี

 

       รูปที่ 16 แสดงโมดูลเอาต์พุตของพีแอลซีที่ใช้คอนแทกต์ในการเชื่อมต่อสัญญาณ 0%, 50% และ 100% ตามลำดับ โดยคอนแทกต์ของพีแอลซีนั้นสามารถนำไปเชื่อมต่อสำหรับสัญญาณอะนาลอกที่กำหนดไว้ที่ 0%, 50%, และ 100% ของพิกัดเต็มของอุปกรณ์ควบคุม อย่างไรก็ตามแล้วตัวควบคุมโหมดไม่ต่อเนื่องนั้นสามารถเพิ่มตำแหน่งได้มากกว่าสามตำแหน่งขึ้นอยู่กับการประยุกต์ใช้งานในการควบคุม

ตัวอย่างรูปที่ 17 การเชื่อมต่อโมดูลเอาต์พุตของพีแอลซี 5 ตำแหน่ง

 

รูปที่ 18 เอาต์พุตของตัวควบคุมแบบห้าตำแหน่งกระทำโดยตรงที่ตอบสนองต่อ Error

 

ตัวอย่างการควบคุมกระบวนการ
      จากหัวข้อของตัวควบคุมโหมดไม่ต่อเนื่องนั้นได้อธิบายถึงรายละเอียดของตัวควบคุม ทีนี้จะขอยกตัวอย่างเมื่อเรานำพีแอลซีมาทำหน้าที่เป็นตัวควบคุมโหมดไม่ต่อเนื่องสำหรับควบคุมกระบวนการโดยเราเลือกใช้โมดูลอินพุตแบบอะนาลอกสำหรับรับค่าจากอุปกรณ์เซนเซอร์สำหรับการใช้งานโมดูลอินพุตแบบอะนาลอกนั้นได้อธิบายไว้ในบทความทำงานด้วยพีแอลซี Allen Bradley ตอนที่ 8 การใช้งานอินพุตและเอาต์พุตแบบอะนาลอก (Analog Input/Output)
    

รูปที่ 19 ตัวอย่างการควบคุมอุณหภูมิของน้ำภายในถัง

     
     จากรูปที่ 19 เป็นตัวอย่างการควบคุมอุณหภูมิของน้ำภายในถังโดยอุณหภูมิที่ต้องการคือ 90 องศาเซลเซียส  (Set Point) Dead Band ที่กำหนด ?2 องศาเซลเซียส     

 

รูปที่ 20 เอาต์พุตของตัวควบคุมของระบบทำความร้อนตามตัวอย่างในรูปที่ 19

 

       จากตัวอย่างการควบคุมอุณหภูมิของน้ำในถังเราจะรับสัญญาณอะนาลอก 4-20mA จากเซนเซอร์วัดอุณหภูมิเชื่อมต่อกับโมดูลอะนาลอกอินพุตของพีแอลซี สำหรับเอาต์พุตจะเป็นแบบดิจิตอลสั่งงานเปิดปิดคอนแทกต์เตอร์เพื่อควบคุมการเปิดปิดฮีตเตอร์ ทีนี้เรามาเริ่มเขียนโปรแกรมเราเลือกใช้พีแอลซี MicroLogix1500 และโมดูลขยายอินพุตแบบอะนาลอก 4 ช่องสัญญาณ 1769-IF4 จาก I/O Configuration ที่เราเลือกนั้นแอดเดรสของอินพุตแบบอะนาลอกทั้งสี่ช่องจะเริ่มจาก I:1.0 ถึง I:1.3
     
     

     
     (ก) I/O Configuration
    

 

(ข) Data File
รูปที่ 21 I/O Configuration และ Data File

    
การกำหนดคุณสมบัติของโมดูลอะนาลอกอินพุต
      สิ่งที่มีความสำคัญอย่างหนึ่งในการใช้โมดูลอินพุตแบบอะนาลอกคือการกำหนดคุณสมบัติของโมดูลเพื่อความถูกต้องของข้อมูลที่รับมาจากเซนเซอร์
      

รูปที่ 22 Analog Input Configuration

     
- Enable/Disable Channel
      เราสามารถกำหนดเลือกใช้งานอินพุตแบบอะนาลอกได้โดยการเลือก Enable Channel ที่เราต้องการใช้งานและเลือก Disable ในกรณีที่เราไม่ต้องการใช้งาน

- Input Filter Selection
      การเลือกตัวกรองอินพุตนั้นเราสามารถเลือกตัวกรองความถี่อินพุตแต่ละ Channel ตัวกรองความถี่นี้จะส่งผลต่อคุณสมบัติในการกำจัดสัญญาณรบกวนซึ่งการพิจารณาเลือกตัวกรองความถี่นั้นจะอาศัยหลักการที่ว่าสามารถกำจัดสัญญาณรบกวนจนสามารถยอมรับได้และผลตอบสนองเวลาที่ยอมรับได้

- Noise Rejection
     การกำจัดสัญญาณรบกวน โมดูล 1769-IF4 ใช้ตัวกรองดิจิตอล (Digital Filter) สำหรับกำจัดสัญญาณรบกวนของสัญญาณอินพุตโดยที่ตัวกรองนี้สามารถโปรแกรมได้และอนุญาตให้เลือกความถี่ตัวกรองได้ 4 ค่าสำหรับแต่ละ Channel ถ้าเราเลือกความถี่ต่ำ (60Hz ถึง 250Hz) สามารถที่จะกำจัดสัญญาณรบกวนได้ดีแต่เวลาในการ Update ค่าของแต่ละ Channel ก็จะเพิ่มขึ้นตามด้วย สัญญาณรบกวนจากแหล่งจ่ายไฟของทรานสดิวเซอร์, สัญญาณรบกวนจากวงจรทรานสดิวเซอร์ หรือตัวแปรกระบวนการที่ไม่แน่นอนไม่คงที่ทั้งหมดที่กล่าวมานี้เป็นสัญญาณรบกวนปกติ (Normal Mode Noise)

- Channel Step Response
     เมื่อเราเลือกความถี่ของตัวกรองนั้นจะส่งผลกับผลตอบสนอง ผลตอบสนอง Step คือเวลาที่ใช้สำหรับค่าอินพุตแอนนะลอกเขาสู่ 100% ของค่าสุดท้ายนั่นหมายความว่าถ้าสัญญาณอินพุตเปลี่ยนแปลงเร็วกว่าผลตอบสนอง Step ค่าของสัญญาณอินพุตจะเปลี่ยนแปลงช้าตามตัวกรอง

ตารางที่ 1 ความถี่ของตัวกรองและผลตอบสนอง Step

 

- Channel Cut off Frequency
      ความถี่ที่ -3dB คือความถี่ตัด (Cut off Frequency) ความถี่ตัดคือจุดบนกราฟผลตอบสนองความถี่เมื่อความถี่ประกอบของสัญญาณอะนาลอกอินพุตผ่าน 3dB ความถี่ประกอบที่ต่ำกว่าความถี่ตัดสามารถผ่านตัวกรองดิจิตอลได้
      

รูปที่ 23 กราฟผลตอบสนองความถี่

- Input Type/Range Selection
     เราสามารถเลือกชนิดของอินพุตได้ทั้งแบบกระแสและแรงดันได้อิสระกันแต่ละ Channel

- Input Data Selection Format
     การกำหนดรูปแบบของข้อมูลของสัญญาณอินพุตแบบอะนาลอกนั้นสามารถกำหนดได้ดังนี้

- Raw/Proportional Data รูปแบบของข้อมูลนั้นจะแสดงถึงสัดส่วนของอินพุต สเกลไปจนถึงค่าสูงสุดของข้อมูล
- Engineering Unit รูปแบบของข้อมูลจะแปลงเป็นหน่วยทางวิศวกรรมของกระแสหรือแรงดันอินพุตขึ้นอยู่กับ Range ที่เราเลือก
- Scaled for PID รูปแบบของข้อมูลจะแสดงเป็นจำนวนเต็มมีเครื่องหมายตั้งแต่ 0 ไปถึง 16383
- Percent Range รูปแบบของข้อมูลจะแสดงเป็นเปอร์เซ็นต์ 0-100%

ตารางที่ 2 แสดงรูปแบบข้อมูล

 

     หลักจากที่เราเข้าใจถึงการกำหนดคุณสมบัติของโมดูลอินพุตแบบอะนาลอกแล้ว ทีนี้เราจะเริ่มต้นเขียนโปรแกรม จากตัวอย่างเรากำหนดให้สัญญาณจากเซนเซอร์วัดอุณหภูมิเป็นสัญญาณ 4-20mA โดยช่วงจะอยู่ระหว่าง 0 องศาเซลเซียส –100 องศาเซลเซียส  และเชื่อมต่อกับโมดูลอินพุตแบบอะนาลอก Channel 0 โดยที่แอดเดรส คือ I:1.0 เรากำหนดรูปแบบข้อมูลเป็นแบบ Engineering Unit

 นั่นหมายความว่าเมื่อสัญญาณอินพุตเข้ามา 4mA หรือ 0 องศาเซลเซียส  ค่าที่แสดงคือ 4000 และเมื่อสัญญาณอินพุตเข้ามา 20mA หรือ 100 องศาเซลเซียส ค่าที่แสดงคือ 20000 โดยที่เราจะเห็นว่าค่าที่แสดงนั้นคือค่าที่สามารถบ่งบอกจำนวน mA ได้

     สำหรับโปรแกรมตัวอย่างนั้นขั้นตอนแรกเราจะแปลงค่าจาก 4000–20000 ที่รับจากอินพุตแบบแอนนะลอกให้เป็นค่าอุณหภูมิเพื่อใช้ในโปรแกรมโดยแปลงเป็นค่าอุณหภูมิจริงตามพิกัดของเซนเซอร์เราสามารถเลือกใช้คำสั่ง Scale witch Parameter, SCP โดยจากแลดเดอร์ในรูปที่ 24 อินพุตของคำสั่งคือ I:1.0 เป็นค่าจากอินพุตอะนาลอก Input Min. คือค่าต่ำสุดของอินพุตในที่นี้คือ 4000

 โดยกำหนดเป็นค่าคงที่แต่เราสามารถที่จะกำหนดเป็นแอดเดรสก็ได้ Input Max. คือค่าสูงสุดของอินพุตในที่นี้คือ 20000 กำหนดเป็นค่าคงที่เช่นกัน ค่า Scaled Min. คือค่าต่ำสุดที่เราต้องการหลังจากสเกลแล้วในที่นี้คือ 0 นั่นคือ 0องศาเซลเซียส  นั่นเอง ค่า Scaled Max. คือค่าสูงสุดที่เราต้องการหลังจากที่สเกลแล้วในที่นี้คือ 100 นั่นคือ 100 องศาเซลเซียส 

และ Output คือค่าผลลัพธ์ที่ได้จากการสเกลคือค่าที่เรานำไปใช้งานโดยค่าจะอยู่ในช่วง 0–100 จากคำสั่งเรากำหนดเป็น F8:0 โดยที่เป็นแอดเดรสของจำนวนจริงหรือจำนวนจุดทศนิยมนั่นเอง (Real Number, Floating Point)
      

รูปที่ 24 คำสั่งสเกล

     หลังจากที่เราสเกลค่าเรียบร้อยแล้วจากนั้นเรานำค่าที่ได้ F8:0 มาบวกกับค่า Dead Band โดยบวกทั้งค่าในทางด้านบวกและในทางด้านลบเพื่อต้องการค่า Set Point สำหรับสั่ง ON/OFF ฮีตเตอร์จากตัวอย่าง Dead Band ที่กำหนดคือ ?2 องศาเซลเซียส โดยที่ Dead Band ทางด้านบวกแสดงในรูปที่ 25 และ Dead Band ทางด้านลบแสดงในรูปที่ 26

รูปที่ 25 คำสั่งบวกค่า Dead Band ทางด้านบวก

รูปที่ 26 คำสั่งบวกค่า Dead Band ทางด้านลบ

 

     เมื่อได้ค่า Set Point ทั้งสองค่าแล้วคืออุณหภูมิที่ตัวควบคุมสั่ง OFF ฮีตเตอร์และอุณหภูมิที่ตัวควบคุมสั่ง ON ฮีตเตอร์เราก็นำค่าที่ได้มาใช้กับคาสั่งเปรียบเทียบกับค่าอุณหภูมิของกระบวนการซึ่งก็คืออุณหภูมิของน้ำภายในถัง ในรูปที่ 27 จะเปรียบเทียบอุณหภูมิของน้ำภายในถัง (F8:0) กับค่าอุณหภูมิสำหรับสั่ง ON ฮีตเตอร์โดยที่เมื่อค่าอุณหภูมิของน้ำภายในถังมีค่าต่ำกว่าหรือเท่ากับอุณหภูมิที่กำหนด (F8:5) จะสั่ง ON ฮีตเตอร์ คือคำสั่ง Latch เอาต์พุต O:0/0

 ในทำนองเดียวกันนั้นในรูปที่ 28 จะเปรียบเทียบอุณหภูมิของน้ำภายในถัง (F8:0) กับค่าอุณหภูมิสำหรับสั่ง OFF ฮีตเตอร์โดยที่เมื่อค่าอุณหภูมิของน้ำภายในถังมีค่ามากกว่าหรือเท่ากับอุณหภูมิที่กำหนด (F8:4) จะสั่ง OFF ฮีตเตอร์ คือคำสั่ง Unlatch เอาต์พุต O:0/0

 

รูปที่ 27 คำสั่งเปรียบเทียบน้อยกว่าหรือเท่ากับ 

 

 

รูปที่ 28 คำสั่งเปรียบเทียบมากกว่าหรือเท่ากับ

 

รูปที่ 29 แสดงกราฟจากโปรแกรม RSLogix500 แสดงการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิของน้ำภายในถัง

 

      จากตัวอย่างที่กล่าวมานั้นคงจะเป็นแนวทางในการประยุกต์ใช้งานพีแอลซีสำหรับควบคุมกระบวนการในโหมดไม่ต่อเนื่องหรือการควบคุมแบบ ON/OFF และสำหรับในตอนต่อไปเราจะนำพีแอลซีมาประยุกต์ใช้งานสำหรับการควบคุมกระบวนการโหมดต่อเนื่อง

เอกสารอ้างอิง
- MicroLogix? 1200 and MicroLogix 1500 Programmable Controllers Bulletins 1762 and 1764 Instruction Set Reference Manual, Rockwell Automation Technologies, Inc.
- Compact I/O Analog Module User Manual, Rockwell Automation Technologies, Inc.
- Dale E.Seborg, Thomas F. Edgar, Duncan A. Mellichamp, Process Dynamics and Control 2 nd ed, John Wiley & Sons Inc.2003
- Thomas E. Marlin, Process Control Designing Processes and Control Systems for Dynamic Performance, McGraw-Hill, Inc.
- IDC Technologies, Practical Process Control for Engineers & Technicians, http://www.idc-online.com