No.288

ศรีนคร นนทนาคร

Azbil (Thailand) Co., Ltd

 

 

การนำเทคโนโลยีดิจิตอลมาใช้งาน ทางเครื่องมือวัดและควบคุมในวงการอุตสาหกรรมการผลิตนั้น มีมากขึ้นสืบเนื่องมากว่า 10 ปีแล้ว อีกทั้งยังเป็นที่รู้จักและได้รับการตอบรับมาโดยตลอด คือ เทคโนโลยี ฟาล์วเดชั่น ฟิลด์บัส (Foundation Fieldbus) แต่เดิมอยู่ภายใต้ สมาคมฟิลด์บัส ฟาล์วเดชั่น ได้รับการรับรองมาตรฐาน IEC และเมื่อ ปีที่แล้ว (2015)

 

     ปัจจุบันได้ควบรวมกิจการกับสมาคม HART Communication Foundation และใช้ชื่อใหม่ว่า สมาคมฟิลด์คอมกรุ๊ป (FieldComm Group) เรียกกันย่อ ๆ ว่า FCG สำหรับประเทศไทย สมาคมการค้าฟิลด์บัสไทย ได้เปลี่ยนชื่อเป็น สมาคมการค้าฟิลด์คอมกรุ๊ปไทย (FieldComm Group Thai Association) โดยมีสัญลักษณ์ ตามรูปที่ 1b

 

 

รูปที่ 1a การเปลี่ยนแปลงของทั้งสองสมาคมคือ Fieldbus Foundation และ HART Communication Foundation

 

 

รูปที่ 1b สัญลักษณ์ สมาคมการค้าฟิลด์คอมกรุ๊ปไทย

 

          เรียกได้ว่าการรวมครั้งนี้ เป็นการสร้างบ้านให้ดิจิตอลเทคโนโลยีทั้งสองได้ร่วมกันอยู่ เพื่อพัฒนาระบบอัตโนมัติในอนาคตต่อไป แต่ทว่าโลโก้ของเทคโนโลยีทั้งสอง ยังคงใช้ต่อไปไม่เปลี่ยนแปลง มีเพียงชื่อและโลโก้ของสมาคมที่เปลี่ยนไป เสมือนหนึ่งว่าเกิดเป็นบ้านหลังใหม่ที่ชื่อ ฟิลด์คอมกรุ๊ปขึ้นเพื่อให้ทั้งสองเทคโนโลยีได้ใช้เพื่อพัฒนาต่อไป

 

 

รูปที่ 2 แสดงโครงสร้างบ้าน ของทั้งสองเทคโนโลยีที่อยู่ภายใต้บ้านใหม่ที่ชื่อว่า FieldComm Group

 

          สมาชิกของฟิลด์คอมกรุ๊ปไทย ประกอบด้วยผู้ผลิตที่มีช่องทางการจัดจำหน่ายในประเทศไทย อาทิเช่น ABB, Azbil, Beamex, Eaton-MTL, Emerson, Endress+Houser, Honeywell, Invensys, Krone, Moore Hawke, Pepperl+Fuchs, Phoenix Contact, Rockwell Automation, Stahl, Turck, Yokogawa เป็นต้น ฟิลด์คอมกรุ๊ปไทยได้มีการจัดงานสัมนา เพื่อเผยแพร่เทคโนโลยีและข่าวสาร ให้แก่ผู้สนใจในประเทศไทยเป็นประจำทุกปี โดย 3-4 ปีมานี้จัดขึ้นที่พัทยามาอย่างต่อเนื่องเพราะอยู่ระหว่างกรุงเทพ และระยอง มีผู้สนใจเข้าร่วมงานเกือบ 200 คนทุกปี ดังภาพบรรยากาศภายในงานปีที่ผานมา

 

รูปที่ 3 ภาพบรรยากาศภายในงานสัมนา FCG ที่ พัทยา ด้านซ้ายเป็นห้องจัดแสดงนิทรรศการ ด้านขวาเป็นห้องจัดสัมนา 

 

ฟิลด์บัส (Fieldbus) คืออะไร ?

 

          ฟิลด์บัส คือ อุปกรณ์เครื่องมือวัดแบบดิจิตอล ที่มีการสื่อสารร่วมหลายตัวในคู่สายเดียวกัน แบบ 2 ทิศทาง ระหว่าง Host System และตัวอุปกรณ์ โดยเรียกชื่อว่า H1 มีความเร็วในการสื่อสาร 31.25 KB ต่อวินาทีตามรูปที่ 4 และมี HSE ที่เป็นการสื่อสารด้วยความเร็วสูง 100 MB ต่อวินาที สำหรับติดต่อกันระหว่างตัวควบคุมต่าง ๆ หรือ PLC หรือ Data Server หรือ Workstation ตามรูปที่ 4 ซึ่งเป็นเทคโนโลยีภายใต้มาตรฐาน IEC 61158 ของกลุ่ม (Technical Committee คณะที่ 65) IEC TC 65

 

 

รูปที่ 4 โครงสร้างของระบบฟิลด์บัส

 

ประโยชน์ของการใช้เทคโนโลยีฟิลด์บัส

 

1. คือสามารถรองรับตัวอุปกรณ์ได้หลายตัวในสายคู่เดียวกัน ดังรูปที่ 5 ทำให้ประหยัดระยะสายสัญญาณลงได้ จากการนำ H1 มาแทน สัญญาณ 4-20 mA
2. สามารถสื่อสารได้ 2 ทิศทาง (2 Way Communication) ระหว่างอุปกรณ์กับ Host System ทำให้ Host System สามารถเข้าถึงตัวอุปกรณ์แต่ละตัวได้ ไม่ว่าจะเป็น Setting ค่าต่าง ๆ จากเดิมที่จะรับรู้ค่า PV ได้เท่านั้น หรือนอกจากจะส่งสัญญาณ ไปสั่ง Positioner แล้วยังสามารถรับรู้สถานะภาพของ Positioner ได้ด้วย
3. สามารถสื่อสารได้พร้อมกันหลาย ๆ ค่า (Multi Parameter) เช่น Diagnostic, Alarm ต่าง ๆ ที่อะนาลอกทำได้แค่ค่า PV 4-20 mA เท่านั้น ทำให้ข้อมูลมีการนำไปใช้ได้อย่างรวดเร็ว
4. ความแม่นยำของการสื่อสารด้วยดิจิตอลจะสูงกว่าอะนาลอก และลดการใช้ A/D และ D/A ลง เพราะประมวลผลด้วยดิจิตอลแล้วก็สื่อสารด้วยดิจิตอลเลย

 

 

รูปที่ 5 เปรียบเทียบการสื่อสารของระบบอะนาลอก กับ ฟิลด์บัส (2 Way Communication)

 

          นอกจากนี้ ระบบฟิลด์บัส ยังมีการออกแบบและสร้างให้มี Block ต่าง ๆ ภายใน คือ Function Block, Transducer Block, Resourse Block ในส่วนของ Function Block ยังสามารถสร้างการควบคุมได้ดังรูปที่ 6 ให้มีการนำ AI, AO และ PID จาก Function Block ของแต่ละตัวอุปกรณ์มาใช้เพื่อการควบคุม ดังที่เรียกว่า Control in the Field ทำให้ลดการใช้ Controller ลงได้ และได้การควบคุมที่หน้างานเลย ส่งผลให้การใช้ Hardware ต่าง ๆ ลดลง

 

          ด้วยมาตรฐาน IEC 61158 กำหนดให้อุปกรณ์ทุกตัว ในแต่ละโครงข่าย ต้องมีชื่อที่ไม่ซ้ำกัน เรียกว่า PD_TAG (กำหนดได้ 32 ตัวอักษรตามต้องการ) แตกต่างจาก Device ID (DEV_ID) ที่มี 32 ตัวเหมือนกัน แต่กำหนดมาจากผู้ผลิตที่จะไม่มีโอกาสซ้ำกันเลย เและกำหนด NODE_ADDRESS ให้แต่ละ Node เพื่อใช้ในการติดต่อสื่อสารระหว่างกันในเครือข่าย ในทางปฎิบัตจะตั้งชื่อ ทั้ง PD_TAG และ NODE_ADDRESS ไว้ล่วงหน้าตอนออกแบบแล้ว โดยให้ผู้ผลิต ตั้งมาให้เลยก็ได้ แต่ก็สามารถมาเปลี่ยนภายหลังได้ และมีตัวที่ทำหน้าที่ควบคุมหรือกำหนดเวลา คล้ายกับการควบคุมการจราจรของระบบการติดต่อสื่อสาร Link Active Schedule (LAS) เรียกว่า Link Master เหมือน Device ตัวอุปกรณ์อื่น ๆ จะเรียกว่า Link Basic Device ที่ไม่สามารถควบคุม การติดต่อสื่อสารได้ มีการออกแบบให้ Link Master Device มีตัวที่ทำงานสำรองได้ (Redundance)

 

 

รูปที่ 6 การใช้ Control in the Field ของระบบฟิลด์บัส

 

          การทำงานของ H1 จะใช้ Fieldbus Power Supply 9–32 Volts ดังรูปที่ 7 โดยสัญญาณ Fieldbus H1จะขี่อยู่บน Power Supply 9-32 V และมีขนาด 0.75–1.0 V peak to peak

 

 

รูปที่ 7 สัญญาณ Wave Shape ของ H1 และ Power Supply ที่ใช้ในระบบ H1

 

          ในการสื่อสารของ H1 มีพื้นฐานมาจาก SMKP ( System Management Kernel Protocol) ดังรูปที่ 8 จากรูป FMS คือ Fieldbus Message Specification และ FAS คือ Fieldbus Access Sub Layer ตัว Devices แต่ละตัวจะมี File ประจำตัวเรียกว่า DD File (Device Description) และ CFF File (Common File Format) ที่จะสามารถ Download ได้จากผู้ผลิต อุปกรณ์ หรือเรียกจากผู้ผลิต Host System หรือ www.fieldcommgroup.com โดย DD File จะให้การทำงานของ Device ร่วมกับ Devices อื่นภายใต้ Host System เดียวกันได้ CFF File จะให้การเชื่อมต่อ DD File กับ Host System ทำการ Configure ได้ ลักษณะของ CFF จะเป็นมาตรฐาน ASCII text file Link Master Device จะเริ่มส่งสัญญาณ (PN) ไปยัง Devices ต่าง ๆ ใน Segment นั้น ๆ อุปกรณ์ต่างจะตอบสนองกลับมา (PR) เพื่อให้รู้ว่าทำงานอยู่ หลังจากนั้น Link Master Device จะส่งสัญญาณกลับ (PT) เพื่อให้ Devices นั้น ๆ เข้าร่วมสื่อสารได้ ลักษณะของสัญญาณ (Physical Layer) ใช้หลักการของ Manchester Bi-phase L ดังรูปที่ 9

 

 

รูปที่ 8 แสดงลักษณะ Kemel Protocal

 

          Link Master Device จะส่งสัญญาณ Request ออกไปในโครงข่ายของ H1 (Probe Node) แล้ว Basic Device จะตอบสนอง (Probe Response) กลับมา หลังจากนั้น Link Master จะ Activation ส่งผลให้ Basic Device เริ่มต้นติดสื่อสารกันในโครงข่ายได้

 

 

รูปที่ 9 แสดงสัญญาณ Manchester Bi-Phase L

 

          จากรูปที่ 10 จะพบว่าคุณสมบัติของการสื่อสาร Foundation Fieldbus H1 ที่ 31.25 KBPS นี้จะรองรับการต่ออุปกรณ์ได้สูงสุด 32 ตัว Devices และต่อได้ไกลสุด 1,900 เมตร แต่สามารถใช้ตัวเชื่อมต่อได้อีก 4 ตัวทำให้ต่อได้รวมไกลสุดที่ 5.7 กิโลเมตร และใช้ Supply ได้ที่ 9–32 Volt แต่นี่คือทีกรณีใช้สายไฟแบบ A (Type A) AWG18 Twisted pair with individual shield ลักษณะการต่อ Power Supply และจำนวนตัว Device ส่งผลต่อระยะทางของสายที่สามารถต่อได้ไกลสุด

 

 

รูปที่ 10 แสดง คุณลักษณะของ H1 และสาย Type A

 

          Interoperability เป็นพื้นฐานข้อกำหนดของ Foundation Fieldbus ในการรับรองว่าอุปกรณ์ Devices ที่ต่างผู้ผลิตกัน และ Host ทำงานร่วมกันได้อย่างไม่มีปัญหา ทั้งการสื่อสาร การเข้าถึงบล็อกภายใน Function Block และ Resource Block โดย สมาคม ทำการทดสอบให้ และอนุญาตให้ใช้ Logo ติดที่ตัวอุปกรณ์ได้ รวมถึง สาย Cable, Power Supply, Junction Block ด้วย

 

          จาก OSI Model ( Open System Interconnect) ที่เป็นมาตรฐานของการสื่อสาร ที่ได้แบ่งแยกชั้นของการสื่อสารไว้ดังรูปที่ 11 ไว้ 7 ชั้น ของการสื่อสารทั่วไป จาก Layer 1 ถึง Layer 7 โดย Foundation Fieldbus จะใช้ Layer 1, Layer 2, Layer 7 และ User Application Layer ใน Layer 1 ก็คือโครงสร้างทางกายภาพ (Physical Layer) ของการสื่อสารรวมถึงสาย Layer 2 (Data Link Layer) เป็นการจัดลำดับความสำคัญ ตรวจสอบความปลอดภัยของการรับส่งข้อมูล จากไหนถึงไหน Level 7 (Specification Message) เป็นเรื่องของภาษาที่ใช้ (DD Language) ข้อมูลที่รับส่งกัน จะมีการควบคุมโดย Network Management และ System Management

 

 

รูปที่ 11 แสดงการสื่อสาร OSI Model เปรียบเทียบกับ Foundation Fieldbus และ Block ต่าง ๆ

 

          จาก OSI Model จะพบว่า Foundation Fieldbus ที่มีการกำหนดมาตรฐาน IEC ก่อนการประกาศ OSI Model แต่ได้มี Application Layer ซึ่งก็คือ Function Block รวมถึงการควบคุมโดยตัวอุปกรณ์ (Device) ที่เรียกว่า Control in the field นั่นเอง ในการสื่อสาร จึงต้องมีตัวที่ทำหน้าที่จัดการการสื่อสาร ใน Data Link Layer เรียกว่า Link Active Schedule (LAS) ซึ่งอาจอยู่ที่ตัว เชื่อมต่อระหว่าง H1 กับ HSE Link Master หรือที่ตัว Device ตัวใดตัวหนึ่ง ขึ้นอยู่กับชนิดของตัวอุปกรณ์ ตัวที่ทำงาน LAS ได้เราเรียกว่า Master Device แบะตัวอื่นเราเรียกว่า Basic Device ในขณะทำงานจะมี LAS แค่ตัวเดียวทำงานอยู่ ตัว Master Device อื่น ๆ จะไม่ทำหน้าที่ LAS จนกว่า ตัวเชื่อมต่อ (Linking Device) จะไม่สามารถทำงานได้ ทั้งนี้ ต้องมีผู้ทำหน้าที่ LAS ตลอดเวลา เหมือนผู้ควบคุมจราจรของการสื่อสาร บางครั้งเรียกว่า Bus Master Function เพื่อควบคุมว่าใครสามารถสื่อสารข้อมูลให้ผู้อื่นได้  และในเวลาใดสามารถสื่อสารได้ และทำหน้าที่ตรวจเช็คสถานะภาพของอุปกรณ์ (Health check or Live check list) LAS สามารถเปลี่ยนสถานะภาพระหว่าง Master และ Basic ได้ตลอดเวลา จึงมีการ Backup หรือ Redundant ได้ ตามตัวอย่าง Loop 110 ในรูปที่ 12 กำหนดให้ Macro Cycle 1 วินาที จะใช้ในการสื่อสารปกติ 0.5 วินาที และให้อีก 0.5 วินาที ไว้สำหรับกรณีฉุกเฉิน รับส่ง Input (AI) จาก Function Block ของตัว Transmitter ให้ Positioner ประมวลผล PID ที่ Function Block และ รับส่ง Output (AO) จาก Function Block ของตัว Positioner ตามลำดับและตามการควบคุมของ Master Device ทั้งหมดจะอยู่ในช่วงเวลาที่เรียกว่า Scheduled ตามรูปที่ 12 ส่วนอีกครึ่งจะเรียกว่า ช่วง Unscheduled มีไว้สำหรับ กรณีฉุกเฉิน เช่น Alarm, Diagnostic หรืออื่น ๆ

 

 

รูปที่ 12 แสดง Loop 110 Macro Cycle

 

          ในส่วนของ Application Layer ตามรูปที่ 11 Foundation Fieldbus ได้แบ่งออกเป็น 2 ส่วนย่อย (Sub Layer) คือ

1. Fieldbus Messaging Specification (FMS) Sub Layer เพื่อติดต่อกับ User Layer ต่าง ๆ
2. Fieldbus Access (FAS) Sub Layer เพื่อเชื่อมต่อ FMS กับ Data Link มี 3 แบบย่อยลงไปอีกคือ BNU (one to many-2 ), QUB (one to one) และ QUU (one to many-1)

 

          การใช้สัญญาณ Foundation Fieldbus ทั้งควบคุม และ Diagnostic แบบสมบูรณ์ ในระบบออโตเมชั่นทางอุตสาหกรรม ถือได้ว่าเป็นจุดเริ่มต้นในการก้าวสู่ยุคดิจิตอล และเป็นต้นทางแห่งการเกิดข้อมูล Big Data เพื่อการนำไปใช้งานในอนาคต เช่น วิเคราะห์หาสาเหตุที่เกิดขึ้น คาดการณ์แนวโน้มความเป็นไป ประเมินเรื่องอะไหล่ที่จะต้องใช้งาน เป็นต้น แต่แน่นอนว่า พื้นฐานความรู้ อะนาลอก สำหรับผู้ใช้จำเป็นต้องเพิ่มเติม โดยในประเทศไทย มีศูนย์ฝึกอบรมอยู่ที่ สถาบันเทคโนโลยีพระจอมเกล้า เจ้าคุณทหารลาดกระบัง เรียกว่า FCTP (Fieldbus Certified Training Program) หลักสูตร Foundation Certified Support Specialist โดยใช้เวลา 2 วัน เหมาะสำหรับผู้ใช้งาน หรือสนใจในเทคโนโลยีนี้ หลังจบหลักสูตรนี้แล้ว จะสามารถออกแบบ (Fieldbus Protocol, Fieldbus System) เลือกใช้อุปกรณ์ได้ถูกต้อง พร้อมฝึกอบรมกับ Host System, Devices และอุปกรณ์ต่าง ๆ จากหลากหลายผู้ผลิต ที่ให้การสนับสนุนศูนย์ฝึกแห่งนี้ และผู้อบรมจะได้ใบรับรองจากสมาคม FieldComm Group จากสหรัฐอเมริกาด้วย

 

รูปเมื่อครั้งทำพิธีเปิดศูนย์ฝึกอบรม