ในการควบคุมกระบวนการ เรามีความจำเป็นต้องรู้ว่าตอนนี้กระบวนการของเรามีพฤติกรรมเป็นอย่างไร ซึ่งการจะทราบได้ จำเป็นต้องวัดออกมา เพื่อนำข้อมูลหรือค่าที่ได้ ไปปรับค่าที่จะใช้ควบคุมกระบวนการให้เหมาะสมและไม่กระทบกับผลิตภัณฑ์ หรือของที่เรากำลังผลิตอยู่ ซึ่งเรากำลังพูดถึง Instrumentation
✍Instrumentation เป็นวิศวกรรมสาขาหนึ่งที่ว่าด้วยการวัดและการควบคุม (บางที่ก็เรียกรวมกันไปเลยว่าสาขาการวัดคุม) พารามิเตอร์ของกระบวนการ เช่น อุณหภูมิ ความดัน ระดับของเหลว ความเร็ว ฯลฯ โดยมีเป้าหมายเพื่อแปลงสัญญาณทางกายภาพให้เป็นสัญญาณไฟฟ้า (เพื่อให้ระบบควบคุมเข้าใจ) และในทางกลับกันก็คือแปลงคำสั่งไฟฟ้าให้กลับไปควบคุมอุปกรณ์ทางกายภาพได้อย่างแม่นยำ
จากนิยามข้างต้น ก็จะเห็นได้ว่ามีความแตกต่างจากที่หลายคนเข้าใจว่า Instrumentation เป็นการวัดเพียงอย่างเดียว
หน้าที่ของ Instrumentation ในระบบ Automation มี 2 ข้อ ได้แก่
1️⃣Data Acquisition
รับสัญญาณจากกระบวนการ เช่น อุณหภูมิ, ความดัน, ระดับน้ำ แล้วแปลงเป็นสัญญาณไฟฟ้า (4–20 mA หรือ 0–10 V) ส่งให้ระบบควบคุม2️⃣Control Execution
รับสัญญาณควบคุมจากระบบ (เช่นจาก PLC หรือ Controller) แล้วแปลงให้เป็นแรงดันไฟฟ้า/สัญญาณกล ที่สั่งการอุปกรณ์ เช่น วาล์ว มอเตอร์ หรือ actuator ต่างๆอยากให้ดูภาพนี้อีกครั้ง (ซึ่งมาจากโพสต์ก่อนหน้านี้ Automation System Structure) ประกอบซึ่งแสดงให้เห็นถึงความสัมพันธ์ระหว่างระบบควบคุมและกระบวนการ โดยมี Instrumentation เป็นตัวเชื่อมระหว่าง 2 ระบบ
Instrumentation Device มีกี่ประเภท?
เครื่องมือวัดแบ่งได้เป็น 5 ประเภทตามลักษณะของสัญญาณ
1️⃣Continuous/Analog Devices
รับสัญญาณแบบ Analog และเปลี่ยนค่าจาก Physical เช่น ความดัน อุณหภูมิ เป็นในรูปแบบสัญญาณ Electronic
ค่าที่วัดได้จากกระบวนการจะถูกประมวลผลโดย 3 ส่วนได้แก่
🔹Sensor แปลงสัญญาณ Analog ที่อ่านได้จาก Physical device ให้อยู่ในรูปแบบของสัญญาณทางไฟฟ้า (หรืออิเล็คทรอนิกส์)
🔹Signal Conditioner เป็นขั้นตอนการปรับแต่งสัญญาณให้มีความเหมาะสมสำหรับกระบวนการถัดไปเนื่องจากค่าของสัญญาณที่อ่านได้จาก Sensor อาจจะอ่อนหรือมีสัญญาณอื่นรบกวน (Noise) ซึ่งเราอาจจะต้องใช้เทคนิคการปรับแต่งสัญญาณเช่น Linearization, Amplify, Filter เป็นต้น
🔹Driver เป็นการขยายสัญญาณและส่งออกไปยังชุดควบคุมเพื่อทำการประมวลผลต่อไป
โดยทั่วๆไปเราเรียกทั้ง 3 ส่วนรวมๆว่า Sensor, Transducer หรือ Transmitter ซึ่งจะมีความแตกต่างกันในสัญญาณที่ส่งออกมา (Current หรือ Volt) และความแรงของสัญญาณด้วย
🔹ตัวอย่างของอุปกรณ์ประเภทนี้ที่ใช้ทั่วไปในอุตสาหกรรมเช่น Temperature, Flow, Level หรือ Pressure เป็นต้น
เมื่อส่วนของ Control ประมวลผลสัญญาณแล้วก็ส่งสัญญาณออกมาให้กับ Instrumentation device ที่จะแปลงสัญญาณดังกล่าวในรูปของ Analog Signal เพื่อกลับไปสั่งและควบคุมกระบวนการต่อไป
2️⃣Discrete/Digital Devices
เป็น Instrumentation Device ที่สัญญาณที่ทั้งขาเข้าและขาออกเป็น Digital Signal หรือแบบ On/Off หรือ 0/1
ส่วนโครงสร้างของ Device ประเภทนี้จะเหมือนกับแบบแรกนั่นคือมีชุด Sensor, Signal Conditioner ที่ทำหน้าที่เหมือนกัน แต่ต่างกันที่จะมีชุด Level Converter ที่ปรับระดับของสัญญาณให้เข้ากับอุปกรณ์ปลายทาง
🔹ตัวอย่างของอุปกรณ์ประเภทนี้ได้แก่ Switch และ Relay เช่น Limit Switch, Proximity Switch และ Supervision Relay เป็นต้น
3️⃣Pulsating/ Pulse Devices
เป็นอุปกรณ์ที่ใช้ในการรับส่งสัญญาณระหว่าง Process และ Control ในลักษณะแบบ Pulse ซึ่งจริงๆแล้วการทำงานของอุปกรณ์ประเภทนี้จะคล้ายกับ Instrumentation แบบ Digital Devices แต่ต่างกันเพียงมีการเปลี่ยน State ของสัญญาณที่บ่อยกว่า
4️⃣Switching Devices
เป็นเครื่องมือวัดที่รับค่าเป็น Analog (Physical) และส่งค่าออกเป็น Digital โดยจะมีการเปลี่ยน State ของสัญญาณก็ต่อเมื่อเกิดค่าที่ตั้งไว้
จะเห็นว่าโครงสร้างของเครื่องมือวัดประเภทนี้คล้ายกับ Analog และ Digital Devices แต่มีชุด Comparator เพื่อเปรียบเทียบกับค่าที่ตั้งไว้ก่อนที่จะปรับระดับของสัญญาณให้เหมาะสมหรือเข้ากับอุปกรณ์ปลายทาง โดยอุปกรณ์ประเภทนี้ดูเผินก็จะเหมือนกับระบบควบคุมอัตโนมัติเป็น Stand Along เพราะการทำงานจะถูกตัดเมื่อเกินค่าที่ตั้งไว้
ยกตัวอย่างเทียบเคียงกับเครื่องใช้ไฟฟ้าในบ้านเช่น หม้อหุงข้าวแบบควบคุมแรงดันที่เมื่อแรงดันที่ค่าที่ตั้งไว้ก็จะหยุดการทำงานและปล่อย Steam ออกเป็นต้น
🔹สำหรับตัวอย่างของเครื่องมือวัดประเภทนี้ที่มีใช้ทั่วๆไปในอุตสาหกรรม เช่น Flow Limit Switch, Level Limit Switch, Voltage Switch เป็นต้น
5️⃣Integrating Devices
สำหรับอุปกรณ์แบบสุดท้ายเป็นอุปกรณ์ที่รับสัญญาณแบบ Analog และ generate สัญญาณแบบ Pulse ออกมาและส่งให้กับชุด Control
โครงสร้างจะคล้ายกับแบบ Devices แบบ Analog และ Digital แต่มี Integrator ที่ทำหน้าที่รวมผลรวมของสัญญาณในช่วงเวลาหนึ่งเพื่อคำนวณหาผลรวมของกระบวนการทางกายภาพในช่วงเวลาหนึ่ง (เหมือนการอินทิเกรตพื้นที่ใต้กราฟ) และไปผ่านชุด Driver เพื่อขับสัญญาณออกไปหาชุด Control
🔹ตัวอย่างของอุปกรณ์ประเภทนี้เช่น Water Meter , Energy Meter เป็นต้น
มาตรฐานการสื่อสารระหว่างกัน (Signal Interfacing Standard)
และสุดท้ายแต่ไม่ท้ายสุด ก่อนจบโพสต์นี้
เพื่อให้เครื่องมือวัดสามารถร่วมกับระบบควบคุมได้นั้นจำเป็นต้องมีมาตรฐานการสื่อสารระหว่างกัน (Signal Interfacing Standard) ซึ่งมาตรฐานที่นิยมใช้กันโดยทั่วไปได้แก่
🔹Analog Signal: 4–20 mA
🔹Digital Signal: 24 VDC
นอกจากนี้ยังมีเรื่อง Isolation & Protection ซึ่งเป็นเรื่องที่ว่าด้วย Safety เพราะโดยส่วนใหญ่ในโรงงานอุตสาหกรรมโดยทั่วๆไปนั้น Control Room จะไม่ได้อยู่ใกล้กับ Instrumentation เพราะมันต้องไปอยู่ในใกล้กระบวนการแล้วเราจะคำนึงถึงเรื่องเหล่านี้อย่างไร เช่น กรณีที่เกิด fault หรือการเกิดประกายไฟ เป็นต้น
ซึ่งทั้งสองเรื่องคือ Signal Interfacing Standard และ Isolation & Protection เราไว้มาว่ากันในโพสต์ถัดไปและรายละเอียดอื่นๆเพิ่มเติมของ Instrumentation ด้วย
#WeConnectAutomationEngineer
#Instrumentation101
#IndustrialAutomation
#ระบบอัตโนมัติจากหน้างานจริง
