การแสดงฟังก์ชันควบคุมด้วยแผนผัง SAMA (ตอนที่ 1)
ทวิช ชูเมือง

    ในการควบคุมกระบวนการผลิตโดยใช้ระบบควบคุมแบบ PLC (Programmable Logic Controller) หรือ DCS (Distributed Control System) ลักษณะเฉพาะพิเศษของฟังก์ชันควบคุมจะต้องถูกทำการจัดเตรียมขึ้นภายในระบบควบคุมเหล่านี้ เพื่อให้มีความเหมาะสมกับการนำไปใช้งานควบคุมกระบวนการผลิต ดังตัวอย่างฟังก์ชันควบคุมเช่น การควบคุมแบบ Override, การเชื่อมโยงระหว่างลูปควบคุม, การติดตามสัญญาณอินพุตและเอาต์พุต, การคำนวณย้อนหลัง, การจัดเตรียม Low/High Selection และตัวควบคุมแบบ PID

ดังนั้นในการจัดเตรียมฟังก์ชันควบคุมเหล่านี้โดยผู้ผลิตหรือผู้จำหน่ายระบบควบคุมจึงต้องมีเอกสารที่ใช้แสดงสัญลักษณ์หรือรูปแบบแผนผัง (Diagram Format) ที่ใช้ในการแสดงการวัด, การควบคุมและระบบประมวลผลต่าง ๆ เพื่อสำหรับใช้อ้างอิงในการจัดทำ โดยภายในเอกสารดังกล่าวจะประกอบไปด้วยสัญลักษณ์พร้อมกับรายละเอียดต่าง ๆ และสัญลักษณ์ที่สร้างขึ้นต้องสอดคล้องกันและสามารถทำได้ในแผนผังการควบคุม

ดังเช่น ระบบในรูปแบบการควบคุมพื้นฐาน การเปลี่ยนแปลงได้ของรูปแบบและสัญลักษณ์ ทำให้การจัดเตรียมมีการพัฒนาของรูปแบบที่แสดงในแผนผังและมีความง่ายต่อการเข้าใจในความสัมพันธ์ของอุปกรณ์ สำหรับทั้งแบบอะนาลอกและระบบดิจิตอล เอกสารที่ใช้ในการแสดงรายละเอียดดังกล่าวรูปแบบหนึ่งที่นิยมใช้ในการแสดงฟังก์ชันการควบคุมในโรงงานผลิตไฟฟ้า นั่นคือ แผนผัง SAMA (Scientific Apparatus Maker Association)

  ย้อนหลังไปในปี 1981 แผนผัง SAMA ได้ถูกนำเสนอครั้งแรกบน Function Diagram of Instrument and Control System หลังจากนั้นก็ไม่ได้มีการดำเนินการปรับปรุงหรือกระจายมาตรฐานนี้ออกไป จึงทำให้ SAMA เป็นมาตรฐานที่ไม่ได้มีการหมุนเวียนและโฆษณาอย่างเหมาะสม จึงทำให้เป็นมาตรฐานที่ไม่ได้มีการปรับปรุง องค์กรไม่อนุญาตให้มีชื่อมาตรฐานไปปรากฏบนเอกสารที่เกี่ยวข้อง

 การแสดงความชัดเจนชนิดของแผนผัง ซึ่งเกี่ยวข้องกับมาตรฐานนี้มีการสันนิษฐานว่าในการออกแบบการวัดที่ซับซ้อน, การควบคุมหรือการประมวลผล มีความต้องการข้อมูลที่เป็นแผนผังชนิดต่าง ๆ ดังนี้
- แผนผังฟังก์ชัน (Function Diagrams)
- รายละเอียดของแผนผัง (Detailed Schematic Diagrams)
- การเชื่อมโยงระหว่างแผนผัง (Interconnection Diagrams)
- แผนภาพกระบวนการผลิต (Piping & Instrument Diagram)
    

  มาตรฐานมีความเกี่ยวข้องเฉพาะกับแผนผังฟังก์ชันปกติที่ถูกจัดเตรียมในช่วงแรก ๆ ของกรอบความคิดระบบควบคุมจากเอกสารการไหลของกระบวนการ (Process Flow Sheet) หรือทางกล (Mechanical Flow heet)โดยปกติเอกสารเหล่านี้จะถูกปรับปรุงให้เป็นปัจจุบันอยู่ตลอดเวลาไปตามความก้าวหน้าของการออกแบบผ่านช่วงเวลาต่าง ๆ ดังนี้
- ช่วงต่อรอง (Negotiation)
- เสนอราคา (Quotation)
- ยืนยันการจ้างงาน (Contract Award)
- การลดอุปกรณ์ (Reduction to Final Element)
- การตรวจสอบความพร้อมระบบ (System Checkout)
- การติดตั้ง (Installation)

สุดท้ายแผนผังที่ถูกจัดเตรียมไว้จะไปเป็นส่วนหนึ่งของวิธีการใช้งานระบบ,แสดงฟังก์ชันของระบบตลอดเวลา

  รายละเอียดแบบแผนผังจะถูกกำเนิดจาก แผนผังฟังก์ชันและจะแสดงรายละเอียดของอุปกรณ์จริงที่ต่ออยู่ในระบบ แผนผังการเชื่อมต่อจะแสดงรายละเอียดการเชื่อมต่อกับอุปกรณ์ภายนอก แผนผังของฟังก์ชันสามารถใช้เป็นส่วนหนึ่งเพื่อทำให้ แผนภาพกระบวนการผลิตมีความชัดเจนมากขึ้น

 สัญลักษณ์จะถูกทำให้ง่ายมากที่สุดและมีความหลากหลายเพื่อให้มีความซับซ้อนน้อยที่สุด สำหรับใช้แสดงการทำงานระบบโดยการควบรวมของสัญลักษณ์เบื้องต้นเหล่านี้

การออกแบบแผนผัง (Layout of Diagram)
     แผนผังที่ถูกพัฒนาขึ้นมีการวางรูปแบบทั้งจากซ้ายไปขวาหรือจากบนลงล่าง ในขณะที่รูปแบบถูกใช้ทั่วไปสำหรับเฉพาะ Discrete Control Logic สำหรับตัวอักษรจะถูกใช้สำหรับ Regulatory Control ทั้งแบบมีและไม่มีฟังก์ชันลอจิก

- Discrete Logic
   การวางแผนผังโดยทั่วไปจะวางในแนวนอนที่มีสัญญาณอินพุตอยู่ทางด้านซ้ายและสัญญาณเอาต์พุตจะออกทางด้านขวา สัญญาณอินพุตและเอาต์พุตจะใช้สัญลักษณ์รูปแบบ  ตามลำดับ เส้นสัญลักษณ์สามารถเป็นเส้นทึบตลอดภายในแผนผังลอจิก ดังแสดงได้ดังรูปที่ 1 ข้อสังเกตจะเห็นว่าการวางแผนผังจะถูกใช้เฉพาะกับสัญญาณ Discrete จริงเท่านั้น ส่วนที่ใช้แสดงสัญญาณอะนาลอกจะใช้เป็นแผนผัง Regulatory Control ซึ่งแสดงรายละเอียดในหัวข้อถัดไป

รูปที่ 1 แผนผัง Discrete Logic

- Regulatory Control
     สำหรับแผนผังที่รวมกันทั้งสัญญาณอะนาลอกและดิจิตอลในแผนภาพเดียวกัน แผนภาพจะถูกจัดวางจากบนลงล่าง โดยสัญญาณอินพุตจะอยู่ด้านบน ฟังก์ชันควบคุมจะอยู่ตรงกลางและเอาต์พุตไปยังอุปกรณ์ควบคุมจะอยู่ทางด้านล่าง ดังแสดงได้ดังรูปที่ 2 สัญญาณที่เป็น Discrete Hardwired จะใช้สัญลักษณ์ เป็นสัญญาณอินพุต และใช้สัญลักษณ์  เป็นสัญญาณเอาต์พุต ส่วนเส้นแสดงสัญญาณจะใช้เป็นเส้นประเพื่อทำให้เกิดความแตกต่างจากสัญญาณอะนาลอกที่เป็นเส้นทึบ

รูปที่ 2 แผนผัง Regulatory Control

- Safety System
     แผนผังสำหรับระบบ Process Safety ควรจะถูกจัดเตรียมในเอกสารที่แยกออกจากระบบ Process Control ส่วนเชื่อมโยงระหว่างระบบทั้งสองควรจะถูกกำหนด ทั้งที่เป็นเอาต์พุต/อินพุต แบบ Hardwired หรือสัญญาณ Soft-link

รายละเอียดตัวอักษร (Descriptive Text)
     แผนผังควรจะรวมไปด้วยรายละเอียดตัวอักษรทั้งหมด ดังต่อไปนี้
- Instrument Tag: Hardwired หรือ Soft Tag พร้อมกับรายละเอียดสั้น ๆ และตัวเลขที่ใช้แสดงชื่อโครงการ ดังเช่น “Air Flow FT-100”

- รายละเอียดสัญญาณ: สัญญาณเครื่องมือวัด, สัญญาณจากแผนผังอื่น ๆ สัญญาณที่กำหนดฟังก์ชัน ดังเช่น Output Tracking, โหมดตัวควบคุม “1=Auto”

- ตัวควบคุม (Controller)
I. ตัวเลขลูป ประกอบไปด้วย P&ID, ดังเช่น “FIC-222”.
II. กิริยาของตัวควบคุม, “Direct Acting” หรือ  “Reverse Acting”
III. ชนิดของตัวควบคุม ถ้านอกเหนือจากมาตรฐาน Proportional Integral Derivative (PID), ดังเช่น Manual/Auto Station, Manual Loader; Primary or Secondary, Primary or Override

- ตำแหน่งผิดพลาดของอุปกรณ์ควบคุมสุดท้าย, สำหรับวาล์วควบคุม (Control Valve) กำหนดเป็น “FO” สำหรับ Failed-open, “FC” สำหรับ Failed-closed, และ “FL” สำหรับ Failed-last สำหรับโซลินอยด์วาล์วกำหนดเป็น “EO” สำหรับ Energized-open, และ “EC” สำหรับ Energized-closed

- ตัวแปรอื่น ๆ ของฟังก์ชัน ดังเช่น การตั้งเวลา, จุดจำกัด ค่าสูงและค่าต่ำ

- ตารางหรือแผนการที่ใช้แสดงฟังก์ชันที่ไม่เป็นเชิงเส้นหรือเวลา ดังเช่น Split Range Control, BTU Compensation 

-รายละเอียดสำหรับความต้องการของฟังก์ชันหรือการอ้างอิงไปถึงแผนผังหรือเอกสารอื่น ๆ

แผนผังปกติ (Simple Diagram)
  แผนผังฟังก์ชัน SAMA ปกติสำหรับการควบคุม Override จะถูกแสดงได้ดังแผนภาพในรูปที่ 3 พร้อมกับสมมุติฐานว่าการ Override รวมเข้าไปในระบบควบคุมผ่านการเลือกค่าสูงหรือค่าต่ำและฟังก์ชันควบคุม PID

รูปที่ 3 Simple Diagram

แผนผังรายละเอียด (Detailed Diagram)
     แผนผังที่มีรายละเอียดมากขึ้นควรจะต้องถูกพัฒนาขึ้นถ้ารายละเอียดของฟังก์ชันมีความจำเป็นในการจัดทำระบบควบคุมดังแสดงในรูปที่ 4 แผนภาพนี้จะใช้สัญญาณ Discrete หลายสัญญาณและลอจิกในการแสดงการทำงานประสานกันของลูปควบคุม การกระทำดังนี้จะทำให้สามารถเพิ่มคำแนะนำในการควบคุมว่าทำอย่างไร สำหรับระบบควบคุมที่ไม่ได้ควบรวมการทำงานประสานกันที่เด่นชัด แผนผังรายละเอียดอาจจะเป็นความต้องการที่กำหนดรายละเอียดของฟังก์ชันสำหรับการควบคุม
                 

รูปที่ 4 Detailed Diagram

หมายเหตุ 
1. เมื่อลูปควบคุมหลักอยู่ใน Manual Mode, สัญญาณเอาต์พุตของลูป Override จะตามรอยสัญญาณเอาต์พุตของลูปควบคุมหลัก (Primary Loop)

2. เมื่อลูปควบคุมหลักอยู่ใน Auto Mode, สัญญาณเอาต์พุตของทั้งสองจะถูกเปรียบเทียบผ่านตัวเลือกค่าต่ำ ลูปที่ไม่ได้ถูกเลือกจะอยู่ในตำแหน่ง Integral Tracking (INT) เพื่อป้องกันการ wind-up

3. การตามรอยสัญญาณเอาต์พุตหนึ่งรอบสำหรับ Bumpless Transfer, โดยเฉพาะในกรณีเมื่อลูป Override ถูกเลือกสำหรับการควบคุมก่อนที่ลูปควบคุมหลักจะถูกเปลี่ยนไปยัง Manual Mode

ตัวอย่างรายการควบคุม (Typical Control Scheme)
   ตัวอย่างการควบคุมกระบวนการผลิตได้ถูกเลือกมาแสดงในแผนผัง SAMA ตามหัวข้อด้านล่าง รายละเอียดอย่างย่อได้ถูกแสดงไว้ในแต่ละรายการเพื่อกำหนดความต้องการในการออกแบบแต่ไม่ได้ถูกรวมอยู่ในแผนผัง

การเริ่มเดินและหยุดปั๊ม (Pump Start/Stop)
 แผนผังมาตรฐานสำหรับการควบคุมปั๊มที่มีเอาต์พุต 2 สัญญาณแสดงได้ดังรูปที่ 5 แผนผังการควบคุมจะวางจากซ้ายไปขวา ในขณะที่หน้าสัมผัสสำหรับเริ่มเดินปั๊มจะเป็นแบบ Momentary หน้าสัมผัสสำหรับหยุดปั๊มจะเป็นแบบ “Fail-safe” คำสั่งในการหยุดปั๊มจะสัมผัสตลอดเวลาในขณะที่ปั๊มทำงาน และจะเปิดหน้าสัมผัสออกเมื่อได้รับคำสั่งหยุดทำงาน 

สิ่งสำคัญเป็นการ Reset สถานะที่คงค้างไว้ (Latch Logic) และการเลือกอัตโนมัติเมื่อปั๊มไม่สามารถเริ่มเดินได้ และสัญญาณเริ่มเดินยังคงอยู่ ผู้ปฏิบัติงานจะต้องทำการ Resets ปั๊มที่ผิดพลาดโดยกดปุ่ม STOP ก่อนที่จะทำการสั่งให้เริ่มเดินอีกครั้งหนึ่ง

คำสั่งหยุดจากกระบวนการจะเป็นการหยุดจ่ายไฟให้หน้าสัมผัสที่ไปยัง MCC อย่างไรก็ตามวงจรในส่วนนี้อาจจะถูกแยกออกจากระบบควบคุมโดยไปอยู่ในระบบ Safety

รูปที่ 5 Pump Start/Stop function

การควบคุมแบบ Feedforward (Feedforward Control)
 แผนการควบคุมแบบ Feedforward ถูกใช้ในการขยายสัดส่วนเอาต์พุตของตัวควบคุมที่ไปยังสัญญาณภายนอกสำหรับชดเชยกระบวนการผลิตที่ผิดปกติอย่างคาดไม่ถึง แผนผังที่แสดงในรูปที่ 6 เป็นสภาวะการควบคุมแบบ Feedforward ในการควบคุมอุณหภูมิของไอน้ำ De-superheater สัญญาณ Feedforward จะมีผลกระทบเฉพาะเมื่อกังหันไอน้ำ (Steam Turbine) หยุดทำงาน

การชดเชยทาง Dynamic ถูกแสดงโดยฟังก์ชัน Lead/lag และอัตราขยายถูกกำหนดจากบริเวณใช้งานโดยการทดลองสัญญาณ Discrete ที่ไปยัง Feedforward สามารถถูกละเลยออกไปได้ถ้า Feedforward ทำงานอยู่ตลอดเวลา

รูปที่ 6 การควบคุมแบบ Feedforward

 สัญญาณ Feedforward จะเป็นผลดีในการจัดเตรียมให้มีความชาญฉลาดที่เกี่ยวข้องกับการเปลี่ยนแปลงกระบวนการก่อนที่ตัวแปรที่ถูกควบคุมจะตรวจจับมันได้
    

ตัวอย่างการใช้งาน
     เป็นฟังก์ชันควบคุมการไหลไอน้ำที่มี สัญญาณ Feedforward ไปยังการควบคุมระดับใน Drum

ข้อดี 
-สามารถปรับปรุงการตอบสนองของลูปควบคุมที่ช้า

ข้อเสีย 
-ทำให้การควบคุมมีความซับซ้อน
- สามารถทำให้การปรับตั้งมีความยุ่งยาก
- Trim Controller

     สัญญาณเอาต์พุตของตัวควบคุมแบบนี้ถูกใช้ในการปรับสัญญาณความต้องการของตัวควบคุมหลัก สัญญาณเอาต์พุตของตัวควบคุมแบบนี้โดยทั่วไปมีจุดกึ่งกลางที่ศูนย์พร้อมกับค่าตัวแปร +/- ประมาณ 20 เปอร์เซ็นต์ถึง 30 เปอร์เซ็นต์ของย่านการควบคุมสัญญาณควบคุมหลักโดยปกติเป็นสัญญาณ Feedforward

ตัวอย่างการใช้งาน
- การควบคุมระดับใน Drum ในรูปแบบ 3 ตัวแปร
- คัวควบคุมออกซิเจน

รูปที่ 7 การควบคุมแบบ Trim Controller

การควบคุมแบบ Split Range (Split Range Control)
     การควบคุมแบบ Split Range สามารถถูกนำไปใช้สำหรับควบคุมปริมาณสูงสุดที่จะรับได้ในอุตสาหกรรมกระบวนการผลิต ดังตัวอย่างในรูปที่ 8 วาล์วควบคุม A จะเปลี่ยนแปลงจาก 0 ถึง 100% ในช่วงแรกก่อนที่สัญญาณเอาต์พุตของตัวควบคุมจะถึงจุด

“Splitting Point” (50% ในตัวอย่างข้างล่าง) หลังจากนั้นวาล์วควบคุม B เริ่มเปิดในช่วงที่สองถ้าสัญญาณเอาต์พุตของตัวควบคุมยังคงเพิ่มขึ้น ในแผนผังจะแสดงฟังก์ชันที่ไม่เป็นเชิงเส้น F(x) สำหรับแต่ละวาล์วควบคุม คุณลักษณะอื่น (Curves) นอกเหนือจากตัวอย่าง Split Range สามารถถูกใช้และปรับเปลี่ยนเพื่อให้แน่ใจว่ามีการสับเปลี่ยนที่ราบเรียบจากวาล์วควบคุมตัวหนึ่งไปยังอีกตัวหนึ่ง

รูปที่ 8 การควบคุมแบบ Split Range

การควบคุมแบบ Override (Override Control)
     ในหัวข้อนี้จะแสดงการควบคุมการไหลเป็นการควบคุมหลักพร้อมการ Override ด้วยความดันสูง การควบคุมหลักและการ Override ถูกแสดงอย่างชัดเจนอยู่บนแผนผังและทิศทางกิริยาของตัวควบคุม ดังแสดงในรูปที่ 9 การควบรวมการทำงานประสานกันของการควบคุมทำให้มีการคืนสภาพที่แตกต่างกันของตัวควบคุมหลักและ Override ในการป้องกันการ Windup และลดกิริยา Override ที่ซ่อนเร้นอยู่ภายใน

รูปที่ 9 การควบคุมแบบ Override

การควบคุมแบบ Cascade (Cascade Control)
     การควบคุมแบบ Cascade ต้องการประสานการทำงานระหว่างการควบคุมลำดับแรก (Primary) และการควบคุมลำดับสอง (Secondary) ด้วยเอาต์พุตของตัวควบคุมลำดับแรกจะไปทำหน้าที่เป็น Setpoint สำหรับตัวควบคุมลำดับสอง ในแผนการควบคุมแบบนี้มีความต้องการที่ว่าตัวควบคุมลำดับสองต้องทำงานเร็วกว่าตัวควบคุมลำดับแรก แผนผังอย่างง่ายถูกแสดงดังรูปที่ 10 โดยสันนิษฐานว่าระบบควบคุมจะสามารถรองรับการประสานงานกันเพื่อให้ได้การทำงานเป็น Bumpless Transfer และ Anti-windup

รูปที่ 10 การควบคุมแบบ Cascade

ตัวอย่างการใช้งาน
- Drum level Control
- Feedwater Flow Control

ข้อดี
- การรบกวนที่เกิดขึ้นภายในการควบคุมลำดับสองถูกแก้ไขโดยตัวควบคุมลำดับสองก่อนการรบกวนจะมีอิทธิพลต่อการควบคุมลำดับแรก

ข้อเสีย
- มีความซับซ้อน, มีการปรับตั้งมาก
- การควบคุมในแต่ละตัวแปรถูกสันนิฐานว่าเป็นแบบลูปเดี่ยวและถูกออกแบบให้ทำงานอย่างน่าพอใจ, ความไม่เสถียรภาพอาจเกิดขึ้นเมื่อลูปทั้งสองทำงานแบบอัตโนมัติ
- การควบคุมลำดับสองต้องมีความเร็วกว่าการควบคุมลำดับแรก

 เอกสารอ้างอิง
- ANSI Standard C35.1, Terminology for Automatic Control, Published by the American Society of Mechanical Engineer, Copyright 1963
- ISA S5.1, Instrumentation System and Identification, Published by the Instrument Society of American, Copyright 1963
- ISA S5.2, Binary Logical Diagrams for Process Operations, Published by the Instrument Society of American, Copyright 1976
- ISA S5.3, Flow Diagram Graphic Symbols for Distributed Control Shared Display Instrumentation Logic and Computer Systems (Submitted to ANSI-1981)
- ISA S5.4, Instrument Loop Diagrams, Published by the Instrument Society of American, Copyright 1976
- ISA S51.1, Process Instrumentation Terminology, Published by the Instrument Society of American, Copyright 1976 
- Functional Diagramming of Instrument and Control Systems, Analog and Digital Control Systems, 1981, The Scientific Apparatus Maker Association (SAMA)