พิชิต จินตโกศลวิทย์
pichitor@yahoo.com

จากบทความตอนที่แล้วได้กล่าวถึงเกี่ยวกับภาพรวมของระบบสื่อสารที่ใช้ในงานอุตสาหกรรม แต่ในบทความฉบับนี้จะกล่าวเกี่ยวกับภาพรวมของปัญหา เหตุขัดข้องและวิธีการแก้ไขปัญหาของระบบสื่อสารในงานอุตสาหกรรม เมื่อมีปัญหาเหตุขัดข้องเกิดขึ้นที่ต้องรับการแก้ไขในระบบสื่อสารข้อมูล วิศวกรหรือช่างเทคนิคต้องพยายามใช้วิธีการบำรุงรักษามาตรฐาน เพื่อจะทำให้การแก้ไขปัญหาสามารถทำสำเร็จภายในเวลารวดเร็วที่สุด  

แต่อย่างไรก็ตามการแก้ไขระบบสื่อสารข้อมูลในงานอุตสาหกรรมไม่จำเป็นต้องดำเนินตามวิธีการแก้ไขและการตรวจสอบที่ตั้งไว้ล่วงหน้าเสมอไป เพราะในระบบสื่อสารในงานอุตสาหกรรมมีส่วนที่เกี่ยวข้องกับอินพุตเอาต์พุตที่เป็นฮาร์ดไวร์หรือระบบอื่น ๆ ข้างเคียงที่อาจติดตั้งมาภายหลังจากการติดตั้งระบบสื่อสารข้อมูลแล้ว

ในบทความนี้จะกล่าวถึงการแก้ไขในระบบสื่อสารข้อมูลในงานอุตสาหกรรมดังต่อไปนี้
* ปัญหาและการแก้ไขปัญหาทั่วไป
* ข้อแนะนำในการแก้ไขปัญหาทั่วไป
* วิธีการแก้ไขตรวจสอบเฉพาะทาง
* การต่อลงดินและทำชีลด์ป้องกันสัญญาณรบกวน

รายการเหตุขัดข้องทั่วไปที่อาจจะเป็นปัญหาในระบบสื่อสารข้อมูลในงานอุตสาหกรรมได้แก่
* ไม่มีไฟเลี้ยงให้กับอุปกรณ์สื่อสาร ส่งผลเป็นที่แน่นอนว่าทำให้ระบบสื่อสารบางส่วนหรือทั้งหมดหยุดทำงาน
* ระบบสายสัญญาณล้มเหลวเนื่องจากอาจจะเกิดความเสียหาย ขาดหรือชำรุด ทำให้ระบบสื่อสารถูกขัดจังหวะหรือหยุดทำงาน

* ปัญหาการต่อลงดินซึ่งอาจส่งผลทำให้ระบบสื่อสารล้มเหลวชั่วขณะเป็นช่วง ๆ ไม่แน่นอน ขึ้นอยู่กับสภาพแวดล้อม ณ เวลานั้น ๆ
*.ปัญหาที่เกิดจากอิเล็กโตรสเตติกหรือประจุไฟฟ้าซึ่งสามารถทำความเสียหายต่อพอร์ตสื่อสารหรือวงจรอิเล็กทรอนิกส์โดยเฉพาะในช่วงฤดูหนาว

*.ซอฟต์แวร์หรือเฟิร์มแวร์ทำงานไม่ปกติในอุปกรณ์สื่อสารหรือโหนด ซึ่งอาจจะส่งผลทำให้ระบบสื่อสารล้มเหลว การทำงานไม่ปกติของซอฟต์แวร์และเฟิร์มแวร์อาจเกิดจากการป้อนค่าเซตติ้งหรือพารามิเตอร์ไม่เหมาะสม หรืออาจจะเกิดจากส่วนจัดเก็บข้อมูลและคำสั่งของซอฟต์แวร์และเฟิร์มแวร์เกิดความผิดพลาดหรือชำรุดทำให้ฟังก์ชันการทำงานไม่ปกติ

* ปัญหาการรบกวนจากอิเล็กโตรสแตติกและอิเล็กโตรแมกเนติกต่อสายสัญญาณหรือพอร์ต โดยเฉพาะในงานที่มีสนามแม่เหล็กและสนามไฟฟ้าสูง

* โหลดสื่อสารหรือข้อมูลที่ถูกส่งมีมากเกินความสามารถของระบบสื่อสารซึ่งทำให้ระบบสื่อสารล้มเหลวเป็นช่วง ๆ ตามสภาพโปรไฟล์การเข้าใช้งานของระบบ (Network Load Profile)

* เสิร์จทางไฟฟ้าหรือการเปลี่ยนแปลงทางค่าไฟฟ้าอย่างรวดเร็วทะลุเข้าทำลายระบบสื่อสารข้อมูล ทำให้ระบบสื่อสารข้อมูลเสียหาย ตัวที่มักทำความเสียหายมากที่สุดนั้นคือการเกิดฟ้าผ่านั้นเอง

ผลกระทบของเหตุขัดข้องต่อระบบสื่อสารอาจจะเป็นความเสียหายอย่างที่ต้องใช้เวลาแก้ไขเป็นเวลานาน จนถึงระบบสื่อสารล้มเหลวเป็นช่วง ๆ หรือ ชั่วครู่ ขึ้นอยู่กับระดับการถูกรบกวนหรือปริมาณโหลดสื่อสาร โดยทั่วไปแล้วสามารถกล่าวได้ว่าปัญหาเกี่ยวกับการล้มเหลวของการสื่อสารเป็นช่วง ๆ ไม่แน่นอนเป็นปัญหาที่วิเคราะห์และแก้ไขยากที่สุดหรือที่กล่าวในทางเทคนิคว่า None Deterministic คือไม่สามารถคาดการณ์ว่าการล้มเหลวของระบบสื่อสารข้อมูลจะเกิดขึ้นเมื่อไร

เป็นที่แน่ชัดว่าไม่มีขั้นตอนที่ตายตัวในการแก้ไขปัญหาด้านการสื่อสารซึ่งการแก้ไขปัญหาขึ้นอยู่กับสภาพแวดล้อมและประวัติการใช้งานของระบบสื่อสารและการติดตั้งระบบอื่น ๆ ข้างเคียง อย่างไรก็ตามก็มีวิธีการที่มีประโยชน์ที่ช่วยในการแก้ไขปัญหาให้มีประสิทธิภาพมากขึ้น

.

* เอกสารหรือแบบการติดตั้งเป็นเรื่องสำคัญ

การจัดเก็บเอกสารและรายละเอียดในเรื่องการโยงสายสัญญาณหรือแม้กระทั่งตำแหน่งที่ตั้งอุปกรณ์ ต้องมีรายละเอียดมากที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ นั้นหมายความว่า ไดอะแกรมการโยงสายเข้าสายจุดเชื่อมต่อต้องถูกต้องชัดเจนเพื่อให้แน่ใจว่าเรารู้ระบบนั้นจริง ว่าอุปกรณ์ใดต่อตรงไหนอย่างไร และยังต้องรู้จุดต่อถัดไปที่ต่อไปยังระบบอื่น ๆ อีกด้วย

รายงานข้อมูลและสถิติพื้นฐานของระบบสื่อสารคือการบันทึกประวัติการทำงานของเครือข่ายสื่อสาร เช่น จำนวนแพ็คเก็ตรับส่ง/เวลาการตอบสนอง/อัตราการเข้าใช้งาน (Utilization Rate) ดังนั้นเราสามารถทำการเปรียบเทียบสภาวะหรือสถานะการทำงานของระบบได้ ยกตัวอย่างเช่น ถ้าในระบบเครือข่ายมีปัญหาในเรื่องการสื่อสารข้อมูลระหว่างกัน หลังจากนั้นได้ทำการตรวจสอบในระบบพบว่าค่ายูทิไลเซชั่น (Utilization) เฉลี่ยอยู่ที่ 25% และมีจำนวนแพ็คเก็ตที่เสียหายเกิดขึ้นทุก ๆ 10 วินาทีประมาณ 100 แพ็คเก็ต

เป็นที่แน่ชัดว่าเรายังสรุปสาเหตุของปัญหาได้ ถ้าเราไม่มีข้อมูลพื้นฐานของระบบเรายังไม่สามารถประเมินได้ว่าปัญหาอยู่ที่ตรงไหน แต่ถ้าเรามีข้อมูลพื้นฐานซึ่งมีรายงานค่าเฉลี่ยอัตรายูทิไลเซชั่น 10% และมีแพ็คเก็ตเสียหายประมาณ 100 แพ็คเก็ตทุกวินาที

ดังนั้นเราสามารถสันนิษฐานได้ว่า ปัญหาน่าจะเกิดจากศักยภาพของระบบสื่อสารไม่เพียงพอกับสภาพโหลด ณ ปัจจุบัน ยิ่งมีปัญหามากเท่าไร เครือข่ายยิ่งถูกจัดการลำบากขึ้นเท่านั้น เช่นปัญหาที่เกิดจากการหมดเวลาในการตอบรับข้อมูลหรือ ไทม์เอาต์ (Time Out) อันเนื่องจากประสิทธิภาพของระบบสื่อสารไม่เพียงพอกับโหลด โหนดหรือสเตชั่นที่สภาพเป็นปกติก็จะอาจถูกตีความว่าไม่ทำงานหรือทำงานไม่ปกติไปด้วย สืบเนื่องจากระยะเวลาไทม์เอาต์ที่ตั้งไว้ไม่เพียงพอ หรือเหมาะสมกับสภาพระบบสื่อสารข้อมูล               

การทำเครือข่ายให้ง่ายที่สุดเท่าที่เป็นไปได้ พยายามเอาอุปกรณ์ใด ๆ ที่ไม่มีความจำเป็นในระบบออกมากที่สุด ตัวอย่างคือ ถ้าเรามี 2 อุปกรณ์สื่อสารส่งข้อมูลซึ่งกันและกัน และยังมีรีพีตเตอร์ (Repeater) ที่ต่อเข้ากับเครือข่ายสำหรับการสื่อสารระยะไกลที่ไม่ได้ใช้งานมันเลย ให้เอามันออกซะเพราะถ้ามันเสียมันอาจจะส่งสัญญาณเข้ามารบกวนระบบสื่อสารส่วนอื่น ๆ ได้

เฝ้าดูการเปลี่ยนแปลงในเครือข่ายอย่างระมัดระวัง ถ้าจำนวนแพ็คเก็ตจากอุปกรณ์หนึ่งเพิ่มขึ้นจากรายงานข้อมูลและสถิติพื้นฐานแสดงว่าอุปกรณ์ตัวนั้นต้องถูกตรวจสอบว่าทำไมมีสภาพการทำงานเช่นนั้น

* ตรวจสอบว่าทุกโหนดทุกสเตชั่นและอุปกรณ์เครือข่ายหรืออุปกรณ์สื่อสารเปิดใช้งานหรือมีไฟเลี้ยงอุปกรณ์หรือไม่ ตัวอย่างง่าย ๆ คือการตรวจสอบดูที่หลอด LED (Light Emitting Diode) เปล่งแสงหรือไม่ หลังจากนั้นให้มองหาที่ตัวอุปกรณ์ที่ไม่ทำงานโดยตรวจสอบหลอด LED ที่เป็น ฮาร์ตบีต (Heart Beat)ที่บ่งบอกสภาวะการทำงานว่ากระพริบหรือไม่ การตรวจสอบไฟเลี้ยงบางครั้งอาจจะใช้มัลติมิเตอร์วัดระดับไฟเลี้ยงว่าอยู่ในช่วงที่เหมาะสมหรือไม่ด้วยก็ได้

* ตรวจสอบจุดเชื่อมต่อหรือคอนเน็กเตอร์ ว่าอยู่ในสภาพปกติหรือสะอาดหรือไม่ บางครั้งอาจจะมีคอนเน็กเตอร์ที่แตกเสียหายเป็นเหตุของปัญหาในการสื่อสารเนื่องจากอาจจะมีการลัดวงจรของสัญญาณหรือสามารถถูกรบกวนจากสัญญาณภายนอกได้ง่าย ยิ่งกว่านั้นปัญหาที่พบบ่อยคือการคายตัวของตัวยึดเช่น นอต ที่อาจทำให้การสื่อสารล้มเหลวหรือขัดข้องได้

* ตรวจสอบระบบกราวด์หรือระบบดินถูกติดตั้งหรือไม่ มีจุดต่อกราวด์ที่ถูกเปลี่ยนแปลงหรือไม่ ค่าความต้านในดินหรือกราวด์เปลี่ยนแปลงเนื่องจากมีการเปลี่ยนแปลงหรือติดตั้งระบบหรืออะไรบางอย่างในโรงงานเพิ่มเติมหรือไม่

* บางอุปกรณ์หรือเครื่องมือที่ถูกติดตั้งใหม่และใช้แหล่งจ่ายไฟฟ้าเดียวกันกับระบบสื่อสารข้อมูล บางครั้งมันอาจเป็นสาเหตุของปัญหาในการสื่อสารก็ได้ ยิ่งถ้าเป็นอุปกรณ์ประเภทที่มีผลกระทบต่อค่าเพาเวอร์แฟกเตอร์ (Power Factor) เช่นคาปาซิเตอร์ หรือ มอเตอร์ความเร็วสูงจะสามารถเป็นตัวกำเนิดสัญญาณรบกวนต่อระบบสื่อสารข้อมูลได้เป็นอย่างดี

* ตรวจสอบว่ามีความเสียหายของฉนวนหุ้มสายสัญญาณหรือไม่ ยิ่งอัตราการส่งข้อมูลสูง ความเสียหายของฉนวนยิ่งส่งผลกระทบมากเพียงแค่มีฉนวนถลอกเป็นพื้นที่ไม่กี่มิลลิเมตร

* ตรวจสอบระดับแรงดันไฟเลี้ยงอยู่ในช่วงที่ถูกต้องหรือไม่ ตัวอย่างเช่นถ้าอุปกรณ์ที่ตรวจสอบเป็นฮับ ให้ตรวจสอบแรงดันไฟเลี้ยงว่าอยู่ในช่วงที่ฮับต้องการหรือไม่ ถ้าเป็นอุปกรณ์ที่ใช้โปรโตคอล DeviceNet ให้ตรวจสอบว่าแรงดันไฟฟ้าในสายสัญญาณไม่ตกต่ำไปกว่าค่าเทรชโชลด์ (Threshold) ที่ถูกกำหนดตามมาตรฐานของโปรโตคอล DeviceNet

* ใช้เครื่องมือประเภทเบรกเอาต์ (Break Out) โดยปกติจะเป็นตัวเปลี่ยนสัญญาณระดับฟิสิคอล เช่น RS-232 เป็น RS-485 ซึ่งทำให้เราสามารถใช้คอมพิวเตอร์ตรวจสอบสัญญาณที่วิ่งไปมาภายในระบบเครือข่ายได้

* ใช้ซอฟต์แวร์สำหรับวิเคราะห์ปัญหาซึ่งส่วนใหญ่แล้วจะมาพร้อมกับระบบที่เราจัดซื้อและตรวจสอบดูจำนวนแพ็คเก็ตที่ถูกส่งและจำนวนแพ็คเก็ตที่เสียหาย อาจจะนำมาเทียบการรายงานข้อมูลและสถิติพื้นฐานของระบบสื่อสารก็ได้ถ้ามี

* เอาอุปกรณ์ที่ไม่เกี่ยวกับปัญหาที่เรากำลังวิเคราะห์ออกเพื่อให้การวิเคราะห์ง่ายและสะดวกขึ้น ลดจำนวนข้อสงสัยหรือข้อสมมุติฐาน ตัวอย่างเช่น ระบบเครือข่าย PLC ให้เอา PLC ที่เราไม่ได้วิเคราะห์ออกจากการทดสอบ ถ้าทดสอบแล้วยังไม่สามารถหาสาเหตุได้เราอาจหันกลับมาทดสอบ PLC ตัวที่เราเอาออกไปก็ได้

* ใช้เครื่องมือทดสอบหรือโปรแกรมทดสอบพื้นฐานซึ่งปกติจะติดมาพร้อมระบบปฏิบัติการอยู่แล้วไม่ว่าจะเป็นตระกูล Windows หรือตระกูล Unix เช่น คำสั่ง Ping และคำสั่ง Netstat เพื่อตรวจหาสาเหตุและปัญหาในระบบเครือข่าย

* ใช้เครื่องมือทดสอบเฉพาะที่ซับซ้อน เช่นโปรโตคอลอนาไลเซอร์ เพื่อวิเคราะห์ว่ามีอะไรเกิดขึ้นบนเครือข่าย อันที่จริงวิธีนี้คือหนึ่งในการตรวจสอบขั้นสุดท้ายเนื่องจากผู้ตรวจสอบหรือผู้วิเคราะห์ปัญหาต้องเป็นผู้ที่มีความรู้ในตัวโปรโตคอลนั้น ๆ อย่างลึกซึ้ง ตัวโปรโตคอลอนาไลเซอร์ที่เป็นที่นิยมและทรงประสิทธิภาพตัวหนึ่งคือ ASE2000     

โดยทั่วไปแหล่งกำเนิดสัญญาณรบกวนก็คืออุปกรณ์ที่เปลี่ยนแปลงระดับค่าทางไฟฟ้าอย่างรวดเร็ว (Spike) รวมทั้งการเปลี่ยนแปลงไปมาอย่างรวดเร็วเช่นกัน เช่น
* มอเตอร์ขนาดใหญ่ที่กำลังเริ่มทำงาน
* หลอดไฟฟ้าแบบฟลูออเรสเซนต์
* ฟ้าผ่า
* เสิร์จทางไฟฟ้า อันเนื่องจากการทำสวิตชิ่งระบบไฟฟ้าแรงสูงหรือฟอลต์
* อุปกรณ์เชื่อมโลหะ 

แต่ถ้ามองในมุมทั่วไปจะมีแค่สามปัจจัยที่ก่อให้เกิดปัญหาจากสัญญาณรบกวนทางไฟฟ้าในระบบสื่อสารข้อมูลนั้นคือ
* แหล่งกำเนิดสัญญาณรบกวน
* สภาพการแพร่กระจายหรือคัปปลิ้ง (Coupling) ไปยังวงจรไฟฟ้าอิเล็กทรอนิกส์รอบข้าง
* ความไวของวงจรไฟฟ้าหรืออุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ต่อสัญญาณรบกวน

มี 4 รูปแบบของการคัปปลิ้งที่มีผลต่อการสื่อสารข้อมูลที่มีความไวต่อสัญญาณรบกวนนั้นคือ
* อิมพีแดนซ์คัปปลิ้ง (Impedance Coupling)
* อิเล็กโตรสแตติคคัปปลิ้ง (Electrostatic Coupling)
* แมกเนติกหรืออินดักตีฟคัปปลิ้ง (Magnetic หรือ Inductive Coupling)
* การแพร่กระจายของความถี่วิทยุ (Radio Frequency Radiation)

สำหรับเหตุการณ์ที่วงจรไฟฟ้ามากกว่าสองวงจรไฟฟ้าใช้ตัวนำไฟฟ้าร่วมกัน เหล่านี้สามารถทำให้เกิดการคัปปลิ้งระหว่าง 2 วงจรได้ โดยจะมีผลกระทบทั้ง 2 วงจร สิ่งที่ต้องพิจารณาอย่างยิ่งนั้นคือกระแสไฟฟ้าของสัญญาณจากวงจรหนึ่งที่ไหลกลับไปหาแหล่งจ่ายที่ใช้ร่วมกัน อาจเกิดการรวมกระแสกับอีกวงจรหนึ่ง ส่งผลทำให้มีระดับแรงดันที่ไม่ต้องการเกิดขึ้นบนตัวนำไหลกลับหรือรีเทิร์นบัส (Return Bus) ดังรูปที่ 1         

รูปที่ 1 อิมพีแดนซ์คัปปลิ้ง

เป็นที่ชัดเจนว่าวิธีง่าย ๆ ในการลดแรงดันไฟฟ้าที่ไม่ต้องการคือการลดค่าความต้านทานหรืออิมพีแดนซ์ให้ต่ำที่สุดในรีเทิร์นบัส โดยวิธีง่าย ๆ คือการดับเบิลสายหรือการใช้สายซ้อนกันหลาย ๆ เส้น แต่วิธีการที่ดีที่สุดคือการใช้วงจรส่งสัญญาณแบบสมดุลพร้อมกับใช้สายรีเทิร์นไวร์ในวงจรใครวงจรมัน 

รูปที่ 2 วงจรส่งสัญญาณแบบสมดุล

รูปแบบการคัปปลิ้งเปลี่ยนแปลงแบบอัตราส่วนหรือแปรตามกับค่าความเป็นตัวเก็บประจุของแหล่งกำเนิดสัญญาณรบกวนและสายสัญญาณ

รูปที่ 3 วงจรส่งสัญญาณแบบสมดุล

ระดับของสัญญาณรบกวนขึ้นอยู่กับอัตราการเปลี่ยนแปลง (Rate of Change) ของระดับแรงดันไฟฟ้าของสัญญาณรบกวน และค่าการเก็บประจุระหว่างวงจรที่กำเนิดสัญญาณรบกวนและวงจรสื่อสารที่ถูกรบกวน ในรูปที่ 3 ค่าระดับแรงดันของสัญญาณรบกวนได้ถูกพ่วงหรือคัปปลิ้งเข้าสู่สายสัญญาณสื่อสารโดยผ่านตัวเก็บประจุ โดยมีอากาศเป็นตัวไดอิเล็กตริก C1 และ C2 และระดับแรงดันไฟฟ้ารบกวนจะถูกสร้างคร่อม

ตัวต้านทานในวงจรสื่อสาร ขนาดหรือแรงดันรบกวน (ระดับความผิดพลาด) ในสายสัญญาณเป็นไปตามอัตราส่วนกับค่าปัจจัยดังนี้
* ระยะทางส่วนกลับของแรงดันไฟฟ้ารบกวนจากสายสัญญาณแต่ละเส้น
* ความยาว (หรือความต้านทานอิมพีแดนซ์) ของสายสัญญาณที่ถูกเหนี่ยวนำโดยสัญญาณรบกวน
* ระดับของแรงดันไฟฟ้ารบกวน
* ความถี่ของแรงดันไฟฟ้ารบกวน

มีสี่วิธีการสำหรับการลดสัญญาณรบกวนจากการเหนี่ยวนำของอิเล็กโตรสเตติกคัปปลิ้งนั้นคือ
* การชีลด์สายสัญญาณ (Shielding)
* การแยกออกห่างจากแหล่งกำเนิดสัญญาณรบกวน
* การลดระดับแรงดันสัญญาณรบกวนรวมกระทั้งความถี่ไฟฟ้าด้วย
* การทำการบิดเกลียวของสายสัญญาณ

จากรูปที่ 4 ชี้ว่ารูปแบบเหตุการณ์ที่เกิดขึ้นเมื่อมีการหุ้มชิลด์ป้องกันอิเล็กโตรสเตติกในสายสัญญาณ กระแสที่ถูกสร้างโดยแรงดันไฟฟ้ารบกวนจะชอบไหลไปยังเส้นทางที่มีค่าอิมพีแดนซ์ต่ำซึ่งในที่นี้ค่าอิมพีแดนซ์ของชิลด์จะต่ำกว่าของสายสัญญาณ ถ้ามีหนึ่งจุดของสายสัญญาณและชีลด์ถูกต่อเข้าหากันและเชื่อมต่อลงดินด้วยเพื่อจะให้แน่ใจว่าชีลด์และสายสัญญาณมีศักย์ไฟฟ้าเท่ากัน ข้อที่ควรระมัดระวังคือชีลด์ต้องเป็นวัสดุที่มีความต้านทานต่ำ เช่น       

อะลูมิเนียมหรือทองแดง สำหรับชีลด์ทองแดงแบบถัก (Braided) ค่าสกรีนแฟกเตอร์ (Screening Factor) ควรอยู่ที่ 100 เท่า หรือที่ 20dB ค่าของตัวเก็บประจุ C3 และ C4 ต้องประมาณ 1/100 ของ C1 หรือ C2 สกรีนสายแบบความต้านทานต่ำหลายชั้น (Low Resistor Multilayered) ค่าสกรีนแฟกเตอร์สามารถอยู่ที่ 35dB หรือที่ 3,000 เท่า

รูปที่ 4 การชีลด์เพื่อลดอิเล็กโตรสเตติกให้ต่ำที่สุด

การบิดเกลียวของสายสัญญาณจะสดแรงดันไฟฟ้าเหนี่ยวนำโดยการพยายามทำให้ค่าของ C1 และ C2 ใกล้กันมากที่สุด เพื่อลดแรงดันไฟฟ้ารบกวนที่เหนี่ยวนำเข้ามาในสายสัญญาณ วิธีการคือการทำให้แรงดันรบกวนเหล่านั้นหักล้างกันเอง 

ข้อควรจำ รายละเอียดข้อกำหนดของสายสัญญาณแบบหุ้มชีลด์ต้องมั่นใจแน่ว่าค่าการเก็บประจุระหว่างชีลด์และสายสัญญาณเท่ากันตลอดเส้น (Homogenous) ซึ่งจะช่วยให้สัญญาณหักล้างกันเองได้สมบูรณ์

เหล่านี้ขึ้นอยู่กับอัตราการเปลี่ยนแปลง (Rate of Change) ของกระแสไฟฟ้าของแหล่งกำเนิดสัญญาณรบกวนและจะเกิดการเหนี่ยวนำซึ่งกันและกัน (Mutual Inductance) ระหว่างระบบที่กำเนิดสัญญาณรบกวนกับสายสัญญาณหรือวงจรสื่อสารที่รับสัญญาณรบกวน

* ระดับของกระแสของสัญญาณรบกวน
* ความถี่ของกระแสของสัญญาณรบกวน
* พื้นที่ที่ครบรอบวงของสายสัญญาณ (หน้าตัดที่ทำให้แมกเนติกฟลักซ์ตัดผ่าน)
* ระยะทางส่วนกลับจากแหล่งกำเนิดสัญญาณรบกวนและสายสัญญาณ

รูปที่ 5 แมกเนติกคัปปลิ้ง

วิธีที่ง่ายที่สุดในการลดแรงดันไฟฟ้ารบกวนจากแมกเนติกคัปปลิ้งคือการทำบิดเกลียวสายสัญญาณ ผลของการบิดเกลียวทำให้ระดับสัญญาณรบกวนน้อยลงและยิ่งต่ำสุดถ้าพื้นที่หน้าตัดของคู่บิดเกลียวยิ่งเล็กในแต่ละลูป เหล่านี้หมายความว่ายิ่งหน้าตัดของแมกเนติกฟลักซ์ในแต่ละลูปน้อยเท่าไร ระดับแรงดันไฟฟ้ารบกวนจะน้อยลงเท่านั้น 

ข้อมูลเพิ่มเติม แรงดันไฟฟ้ารบกวนที่เหนี่ยวนำในแต่ละลูปจะพยายามหักล้างแรงดันรบกวนในลูปถัดไป ดังนั้นถ้าจำนวนลูปเป็นเลขคู่ การหักล้างแรงดันรบกวนจะหักล้างซึ่งกันและกันได้ดีกว่าจำนวนลูปที่เป็นเลขคี่ทำให้ผลกระทบของแรงดันไฟฟ้าน้อยลงต่อวงจรสื่อสาร ในการคำนวณหรือการวิเคราะห์จะตั้งสมมุติฐานว่าแรงดันไฟฟ้ารบกวนที่เหนี่ยวนำมีปริมาณเท่ากันในแต่ละเส้นของสายสัญญาณ เนื่องจากการบิดเกลียวของสายสัญญาณทำให้ระยะทางของสายแต่ละเส้นเท่ากัน หมายถึงแรงดันไฟฟ้ารบกวนในแต่ละเส้นมีโอกาสเท่ากันมาก ดังรูปที่ 6 

รูปที่ 6 การบิดเกลียวสายสัญญาณลดการเกิดแมกเนติกคัปปลิ้ง

วิธีการที่ 2 คือการใช้แมกเนติกชีลด์หุ้มสายสัญญาณ แมกเนติกฟลักซ์ที่ถูกสร้างโดยกระแสรบกวนจะเหนี่ยวนำสร้างกระแสเอ็ดดี้เคอร์เรนต์ (Eddy Current) ปริมาณเล็ก ๆ ในแมกเนติกชีลด์ กระแสเอ็ดดี้เคอร์เรนต์ นี้จะสร้างแมกเนติกฟลักซ์ Ø1 ซึ่งมีทิศทางตรงกันข้ามกับแมกเนติกฟลักซ์เริ่มต้น Ø2 นั้นหมายความว่าปริมาณฟลักซ์ที่มีผลต่อวงจรสื่อสารจะน้อยลง (Ø2- Ø1)

ข้อควรจำไว้ว่า ชีลด์ที่ไว้สำหรับการป้องกันคลื่นสนามแม่เหล็กไม่ต้องการการต่อเชื่อมลงกราวด์หรือลงดิน ค่าการซึมซาบคลื่นสนามแม่เหล็ก (Permeability) ของโลหะจะมีผลกับการเป็นชีลด์ว่าจะเป็นชีลด์ที่ดีหรือไม่ ยิ่งมีค่าการซึมซาบคลื่นสนามแม่เหล็กมากก็ยิ่งเหมาะสมกับระบบสื่อสารที่มีความพิเศษหรือแตกต่างจากระบบทั่วไป อย่างไรก็ตามในทางปฏิบัติ ท่อที่ทำด้วยโลหะเหล็กชุบกัลวาไนซ์ก็เพียงพอในการทำเป็นชีลด์ป้องกันคลื่นสนามแม่เหล็ก     

รูปที่ 7 การชิลด์แมกเนติกลดผลกระทบจากแมกเนติกคัปปลิ้ง

แรงดันไฟฟ้ารบกวนที่ถูกเหนี่ยวนำโดยอิเล็กโตรสเตติกและอินดักตีฟคัปปลิ้งดังที่กล่าวมาแล้วข้างต้น เป็นตัวการที่มีผลต่อพื้นที่ใกล้เคียงเนื่องจากอิเล็กโตรแมกเนติกมีความสามารถในการแพร่กระจายจากแหล่งกำเนิดสัญญาณรบกวน การรบกวนแบบนี้ยากในการกำจัดและต้องการความใส่ใจเป็นพิเศษสำหรับการตรวจสอบการต่อลงดินกับระบบกราวด์ของระบบไฟฟ้าข้างเคียงที่มีผลกระทบสำหรับวงจรสื่อสารแบบแบบปิดนำไปสู่การแพร่กระจายของอิเล็กโตรแมกเนติกมากขึ้น         

อันที่จริงแล้วผลกระทบของการแพร่กระจายอิเล็กโตรแมกเนติก สามารถถูกเพิกเฉยได้เว้นแต่ความเข้มของอิเล็กโตรแมกเนติกมีค่าเกิน 1 โวลต์/เมตร โดยสามารถคำนวณโดยใช้สูตรต่อไปนี้   

การใช้วัสดุทำเป็นชีลด์ที่ไม่เหมาะสมอาจจะทำให้ชีลด์นั้นกลายเป็นตัวรับคลื่นวิทยุได้ และจากจุดนี้เราควรตรวจสอบให้แน่ใจว่าเราได้ทำการชีลด์ถูกต้องหรือไม่ เพราะแทนที่จะเป็นการป้องกัน กลับกลายเป็นการเพิ่มปัญหาในระบบสื่อสารข้อมูลก็เป็นได้

สิ่งที่สำคัญการของป้องกันหรือการชีลด์อิเล็กโตรสเตติก คือมีเพียงหนึ่งจุดเท่านั้นที่ต่อลงดิน การต่อลงดินมากกว่า 1 จุดจะทำให้เกิดกระแสไหลวน (Circulating Current) ชีลด์ควรถูกหุ้มด้วยฉนวนไฟฟ้าเพื่อป้องกันการสัมผัสลงดินหลายจุดโดยบังเอิญ และอาจจะทำให้เกิดกระแสไหลวนได้ ชีลด์ไม่ควรถูกปล่อยให้ลอยเพราะอาจจะทำให้เกิดสภาพคาปาซิตีฟคัปปลิ้ง และทำให้การติดตั้งชีลด์นั้นไม่มีประโยชน์ใด ๆ เลย

 มี 2 เทคนิคที่มีประโยชน์คือการแยกวงจรออกจากอีกวงจรนั้นคือการใช้ ออปโต้ไอโซเลเตอร์ (Opto-Isolator) ดังตัวอย่างรูปที่ 8 และการใช้หม้อแปลงคัปปลิ้ง ในรูปที่ 9

รูปที่ 8 การใช้ออปโต้ไอโซเลเตอร์แยกวงจร

ถึงแม้ ออปโตไฮโซเลเตอร์จะแยกวงจรหนึ่งออกจากอีกวงจรหนึ่ง แต่มันไม่สามารถป้องกันสัญญาณรบกวนที่มีอัตราการเปลี่ยนแปลงสูงจากวงจรหนึ่งไปยังอีกวงจรหนึ่งได้ แต่อย่างไรก็ตามออปโต้ไอโซเลเตอร์ยังเป็นที่นิยมอันเนื่องจากมีราคาที่ไม่สูง

หม้อแปลงคัปปลิ้งสามารถใช้งานได้ดีกว่าออปโตไอโซเลเตอร์ ในกรณีเมื่อเกิดสภาพทรานเชี้ยนต์ความเร็วสูงในวงจรที่มีสภาวะคาปาซิตีฟคัปปลิ้งระหว่างตัว LED และขาเบสของทรานซิสเตอร์ของออปโตไอโซเลเตอร์ซึ่งการเกิดสภาวะทรานเชี้ยนต์นี้สามารถทะลุผ่านออปโตไอโซเลเตอร์จากวงจรด้านหนึ่งไปยังอีกวงจรอีกด้านหนึ่งได้ซึ่งสภาพแบบนี้ไม่เกิดในหม้อแปลงคัปปลิ้ง

รูปที่ 9 การใช้หม้อแปลงคัปปลิ้งแยกวงจร         

การใช้วัสดุที่มีความต้านทานต่ำหุ้มสายสัญญาณ ถือได้ว่าเป็นการชีลด์ที่ดีในเชิงปฏิบัติ สำหรับการลดผลกระทบจากอิเล็กโตรสเตติกเมื่อเปรียบเทียบกับการมีชีลด์กับไม่มีชีลด์ การลดผลกระทบจะอยู่ในช่วงอัตรา 100:1 (ในกรณีใช้ใยทองแดงถักหุ้มพื้นที่สายสัญญาณประมาณ 85% จนถึงอัตราส่วน 6000:1 ในกรณีใช้เทปอะลูมิเนียมไมลาร์และสายเดรนไวร์ (Drain Wire))

การบิดเกลียวสายสัญญาณจะลดสภาพอินดักตีฟคัปปลิ้ง ลดผลกระทบจากสัญญาณรบกวน (เปรียบเทียบระหว่างบิดเกลียวและไม่บิดเกลียว) โดยอัตราส่วนจะอยู่ในช่วงจาก 14:1 (ถ้าระยะบิดเกลียวอยู่ที่ 4 นิ้ว) ถึง 141:1 (ถ้าระยะบิดเกลียวอยู่ที่ 1 นิ้ว) เปรียบเทียบกับการใช้สายไม่บิดเกลียวใส่ท่อโลหะจะมีอัตราการป้องกันสัญญาณรบกวนอยู่ที่ 22:1    

 สำหรับวงจรที่มีความอ่อนไหวสูง การใช้สายโคแอกเชียลหรือสายดับเบิลชีลด์ สามารถลดผลกระทบที่มีต่อวงจรที่มีความไวต่อสัญญาณรบกวน พึงจำไว้ว่าสายที่มีดับเบิลชีลด์ ชีลด์ด้านนอกควรที่จะต่อลงดินหลาย ๆ จุดเพื่อลดขนาดลูปที่อาจจะได้รับผลกระทบจากสัญญาณรบกวนความถี่วิทยุ ระยะทางระหว่างจุดต่อลงดินควรอยู่ในช่วงที่น้อยกว่า 1/8 ของความยาวคลื่นของสัญญาณวิทยุรบกวน

ทางเดินสายสัญญาณมีประโยชน์ในการลดทอนระดับความแรงของสนามแม่เหล็กและสนามไฟฟ้า ยกตัวอย่างถ้าความถี่สนามแม่เหล็กอยู่ที่ 60 Hz และสนามไฟฟ้าอยู่ที่ 100 KHz ค่าการป้องกันที่ได้จะเป็นดังนี้

ในสภาพที่มีสายเคเบิลจำนวนมากและมีหลายระดับแรงดันไฟฟ้าหลายปริมาณกระแสไฟฟ้า มาตรฐาน IEEE 518-1982 ได้พัฒนาตารางเพื่อให้รายละเอียดของระยะทางระหว่างสายสำหรับสายเคเบิลหลาย ๆ ประเภท มี 4 กลุ่มตามระดับความไวในการแยกแยะ (Susceptibility)

สำหรับสายเคเบิลนั้นค่า Susceptibility คือตัวชี้ว่าวงจรสัญญาณสามารถแยกแยะระหว่างสัญญาณรบกวนที่ไม่ต้องการและสัญญาณสื่อสารที่ต้องการซึ่งจะถูกระบุในมาตรฐานการสื่อสารระดับฟิสิคอล เช่น RS-232E ซึ่งสามารถพูดได้ว่ามีระดับ Susceptibility สูง ส่วนสายเคเบิล 1000V, 200A AC นั้นมีระดับ Susceptibility ต่ำ

ถูกกำหนดว่าระดับสัญญาณอะนาลอกต่ำกว่า 50 โวลต์ และระดับสัญญาณดิจิตอลต่ำกว่า 15 โวลต์ ซึ่งระดับ Level 1 ครอบคลุมไปถึงในบัสแบบดิจิตอล และวงจรคู่สายโทรศัพท์ สายสัญญาณสื่อสารข้อมูลถูกจัดอยู่ในหมวดนี้

หมวดนี้ระบบสัญญาณอะนาลอกมากกว่า 50 โวลต์ และวงจรสวิตชิ่งไฟเลี้ยง

ระบุสัญญาณวงจรสวิตชิ่งมากกว่า 50 โวลต์ และสัญญาณอะนาลอกมีค่ามากกว่า 50 โวลต์ กระแสไฟฟ้าน้อยกว่า 20 แอมแปร์ จะถูกจัดลงในหมวดนี้

มาตรฐาน IEEE 518 ยังกำหนด 3 สถานการณ์สำหรับการคำนวณหาระยะห่างระหว่างสายที่มีระดับ Susceptibility ที่แตกต่างกัน ในการพิจารณาจะพิจารณากรณีที่สายเคเบิลหนึ่งสายเป็นสายที่มีค่า Susceptibility สูง ส่วนสายอื่น ๆ มีค่า Susceptibility แตกต่างกันไประยะห่างที่เหมาะสมจะอยู่ในช่วงดังต่อไปนี้

* สายเคเบิลทั้งคู่อยู่ในเทรย์คนละเทรย์แต่ไม่ได้ถูกร้อยอยู่ในท่อ
     - Level 1 กับ Level 2 – 30 mm.
     - Level 1 กับ Level 3 – 160 mm.
     - Level 1 กับ Level 4 – 670 mm.

* เคเบิลทั้งคู่อยู่บนเทรย์แต่มีเคเบิลหนึ่งถูกร้อยอยู่ในท่อ
     - Level 1 กับ Level 2 – 30 mm.
     - Level 1 กับ Level 3 – 110 mm.
     - Level 1 กับ Level 4 – 460 mm.

* ทั้ง 2 เคเบิลถูกร้อยอยู่ในท่อแต่คนละท่อ
     - Level 1 กับ Level 2 – 30 mm.
     - Level 1 กับ Level 3 – 80 mm.
     - Level 1 กับ Level 4 – 310 mm.

จากค่าข้างบนไม่ได้กล่าวถึงเกี่ยวกับรายละเอียดการติดตั้งเทรย์และประเภทท่อเดินสายมากนัก แต่ที่คาดหวังคือเทรย์ควรถูกสร้างด้วยโลหะและมีการต่อลงดินอย่างดีตลอดทั้งแนวความยาวของเทรย์ และเทรย์ควรถูกปิดด้วยฝาเพื่อปกป้องบริเวณที่ไม่มีชีลด์รวมทั้งความเสียหายเชิงกลของสายสัญญาณ

หัวข้อที่มีการอภิปรายถกเถียงกันเป็นอันมากในหลาย ๆ มาตรฐาน คือรายละเอียดเกี่ยวกับการติดตั้งระบบดินทั้งในเชิงทฤษฎีและปฏิบัติ
การออกแบบโดยทั่วไปจะอยู่บนพื้นฐานการแยกระบบดินออกเป็น 2 ระบบคือ

* เพื่อลดสัญญาณรบกวนทางไฟฟ้าให้ต่ำที่สุด
* เพื่อลดผลกระทบจากฟอลต์หรือกระแสลูปจากดินต่อระบบวัดค่าและสื่อสาร
* เพื่อลดอันตรายจากแรงดันไฟฟ้าบนตัวอุปกรณ์โดยเฉพาะในกรณีมีฟอลต์หรือลัดวงจร

ดินหรือเอิร์ธหรือกราวด์ถูกใช้เป็นระดับอ้างอิงสำหรับสัญญาณทุกสัญญาณโดยพิจารณาศักย์ไฟฟ้ามีค่าเท่ากับศูนย์ สำหรับระบบสื่อสารข้อมูลที่ใช้ความถี่ต่ำกว่า 10 MHz การต่อลงดินเพียงจุดเดียวเป็นวิธีเชิงปฏิบัติที่ดีที่สุดและใช้ได้ผล 2 วัตถุประสงค์หลักในการสร้างระบบดินคือ

* การลดผลกระทบจากอิมพีแดนซ์จากสภาพอิมพีแดนซ์คัปปลิ้งระหว่างวงจรหลายวงจรที่แตกต่างกัน (เช่นในกรณีที่มี 3 กระแสที่แตกต่างไหลผ่านตัวต้านทางหรือค่าอิมพีแดนซ์ที่ใช้ร่วมกัน)

มีระบบดิน 3 ประเภทที่เป็นไปได้แสดงในรูปที่ 10 การต่ออนุกรมโดยต่อลงดินจุดเดียว (Series Single Point) จะเกิดสภาพอิมพีแดนซ์คัปปลิ้ง ในขณะที่การต่อแบบขนานร่วมจุดเดียว (Parallel Single Point) น่าจะถูกต้องมากกว่าเนื่องจากแยกระบบดินเป็นกลุ่มของสัญญาณดังต่อไปนี้

* ระบบดินเพื่อความปลอดภัย
* ระบบดินสำหรับสัญญาณระดับต่ำเช่น เครื่องมือวัดค่า
* ระบบดินสำหรับสัญญาณระดับสูง เช่น การควบคุมมอเตอร์
* ระบบดินสำหรับอาคาร    

รูปที่ 10 รูปแบบการต่อลงดิน

เป็นวิธีที่เหมาะสมสำหรับการแก้ไขปัญหาจากสัญญาณรบกวนทางไฟฟ้า โดยการจำกัดสัญญาณรบกวนจากแหล่งกำเนิด วิธีการเหล่านี้ต้องการความรู้ทางด้านอุปกรณ์เครื่องมือไฟฟ้าว่าเป็นสาเหตุของสัญญาณรบกวนหรือไม่และพยายามลดสาเหตุของสัญญาณรบกวนนั้น ๆ มี 2 หลักการหลักแสดงในรูปที่ 11    

รูปที่ 11 การต่อ RC ขนานคอยล์

ในรูปที่ 11 การเหนี่ยวนำจะสร้าง EMF ย้อนกลับคร่อมหน้าสัมผัส เมื่อแรงดันไฟฟ้าจากแหล่งจ่ายถูกตัด วงจร RC จะรับ EMF ย้อนกลับ ดังนั้นสามารถลดความเสียหายของหน้าสัมผัสลงได้ แรงดันไฟฟ้าสามารถถูกกำจัดหรือลดได้หลายวิธี (ขึ้นอยู่กับประเภทของวงจร เช่น กระแสตรงหรือกระแสสลับ) ผู้ใช้วิธีการหรือเทคนิคเหล่านี้ควรระมัดระวังเกี่ยวกับเวลาการตอบสนองของคอยล์ที่สามารถถูกลดลงได้

สำหรับตัวอย่างคือเวลาดรอปเอาต์ของคอยล์อาจเพิ่มเป็น 10 เท่าของค่าปกติ ดังนั้นจึงควรยิ่งระมัดระวังสำหรับระบบงานที่ต้องการการควบคุมแบบความเร็วสูง อีก 2 ระบบที่น่าจะถูกพิจารณาคือ

SCR สามารถสร้างสัญญาณรบกวนทางไฟฟ้าได้ถ้าสวิตชิ่งกระแสไฟฟ้าเป็นปริมาณมาก วิธีการแก้ไขที่เป็นไปได้คือการติดตั้งขดลวดเหนี่ยวนำขนาดเหมาะสมต่ออนุกรมกับตัว SCR

สามารถป้องกันได้โดยใช้ตัวจำกัดแรงดันไฟฟ้าบางทีเรียกว่าวาริสเตอร์ (ต้องมีค่าที่เหมาะสม) ต่อคร่อมสายไฟฟ้าหรือสายสัญญาณข้อมูล

การกรองควรถูกทำใกล้กับแหล่งกำเนิดสัญญาณรบกวนมากที่สุดเท่าที่เป็นไปได้ ตารางข้างล่างสรุปแหล่งกำเนิดสัญญาณรบกวนและวิธีการกรองที่เป็นไปได้

เอกสารอ้างอิง

1. J.E Goldman and P.T. Rawles, Applied Data Communications. Addison-Wesley, New York,2001
2. J. Fulcher, an Introduction to Microcomputer Systems: Architecture and Interfacing. Addison-Wesley, Sydney,1989
3. S. Mackay, E. Wright, D.Reynders and .J Park, Practical Industrial Data Network: Design, Installation and Troubleshooting. IDC Technologies, Perth,2004