เตรียมความพร้อม ให้ระบบ SCADA ด้วย Fieldus

0

Basic RGBจากบทความระบบ SCADA เพื่อการผลิตสมัยใหม่ก้าวไกลสู้ระดับโลก ในฉบับที่ผ่านมา ผู้อ่านคงเข้าใจถึงระบบ SCADA พอสมควร ดังนั้นเพื่อเป็นการต่อยอดองค์ความรู้ ในตอนนี้ผู้เขียนขอแนะนำระบบเครือข่ายคอมพิวเตอร์อุตสาหกรรมอีกส่วนหนึ่ง ที่เรียกว่า Fieldbus   ซึ่งจะเป็นส่วนสำคัญที่จะทำให้ระบบ SCADA นั้นทำงานได้อย่างมีประสิทธิภาพ

Fieldbus คืออะไร   :  จริงๆ แล้วเจ้า fieldbus ก็เป็นเครือข่ายการสื่อสาร แบบดิจิตอลอย่างหนึ่งที่ใช้เชื่อมโยงข้อมูลต่างๆ จากอุปกรณ์ Field Device เช่น Switch, Sensors, Actuator ไปยังอุปกรณ์ในลำดับชั้นที่สูงกว่าอีกที เช่น DCS, PLC, SCADA ซึ่งเป็นการส่งข้อมูลแบบ Real-time distributed control โดยอ้างอิงจากมาตรฐาน ANSI/ISA-95 ที่แสดงถึงลำดับชั้นในการ ส่งข้อมูล Data Hierarchy Models ดังรูปที่ 1

22-23

 

โครงสร้างเครือข่ายของ Fieldbus มีด้วยกันหลากหลายรูปแบบ เช่น เครือข่ายรูปวงแหวน เครือข่ายรูปดาว เครือข่ายรูปต้นไม้ ซึ่งในช่วงเริ่มแรกของ Fieldbus นั้น มีปัญหาอย่างมากในเรื่องของมาตรฐานการเชื่อมต่อ เนื่องจาก มีหลากหลายผู้ผลิต จนกระทั่ง International Electrotechnical Commission (IEC) มีการประชุมแก้ปัญหาและออกเป็นมาตรฐาน IEC 61158 ซึ่งโครงสร้าง ของมาตรฐานตัวนี้ประกอบด้วย 6 ส่วน คือ IEC 61158-1 ถึง IEC 61158-6 มาตรฐาน IEC 61158 ในช่วงเริ่มแรก ประมาณปี 1999 – 2008 จะมีการแบ่ง Fieldbus ออกเป็นแบบต่างๆ ได้ 8 Type โดยแบ่งได้ดังนี้

22-23

ต่อมาในปี 2008 ก็ได้มีการปรับปรุงเพิ่มเติมตัว Fieldbus Protocol ต่างๆ โดยมีรูปแบบเทคโนโลยี ในการสื่อสารอยู่ 79 เทคโนโลยี และเปลี่ยนจากการ เรียก Type 1-8 เป็น Communication Profile Families (CPF) 1-15 โดยมีการอ้างอิงตามมาตรฐาน IEC 61784 – Industrial Communication Network – Profiles ดามตารางที่ 2 ดังนี้

22-23

เพื่อให้ง่ายต่อการศึกษา Fieldbus เราสามารถเปรียบเทียบ Layer การทำงานของ Fieldbus กับ Open Systems Interconnection (OSI) โดยจะดูที่ Physical Layer เป็นหลัก เนื่องจากบางมาตรฐานอาจจะใช้ Physical Layer เดียวกัน แต่อาจจะทำงานต่างกันในส่วนชั้น Application Layer ก็ได้ เช่น EtherCAT กับ PROFINET จะใช้ในส่วนของ Data Link Layer กับ Physical Layer แบบเดียวกัน นั่นก็คือ IEEE 802.3 Ethernet และเมื่อพิจารณาจาก รูปที่ 2 ซึ่งป็นการเปรียบเทียบ OSI 7 Layers กับ MODBUS RTU และ MODBUS TCP จะเห็นได้ว่า MODBUS TCP จะทำหน้าที่มองตัว MODBUS RTU เป็นเพียง Data ที่อยู่ใน Packet โดย MODBUS TCP ทำหน้าที่เพียง Encapsulation ตัว FRAME MODBUS RTU ทั้งหมดให้เป็น Application Layer ของ TCP/IP Packet และส่งข้อมูลเป็น Packets ซึ่งอาจจะใช้ Physical Layer ที่เป็น IEEE 802.11n ก็ได้ เพื่อส่งผ่านเครือข่ายไร้สาย และ


 

เมื่อปลายทางรับข้อมูล กลับมาก็จะทำการ De-capsulation ตัว Frame Header IP Packet ออก จนกระทั่งเหลือเป็น FRAME MODBUS RTU ที่อยู่นส่วน Application Layer เพื่อนำไปใช้งานอีกที ซึ่งด้วยวิธีการนี้เป็นการจัดการกำข้อจำกัดของ MODBUS RTU ในเรื่องของระยะทางในการสื่อสารผ่าน Physical Layer ที่เป็น RS-485 ซึ่งโดยปกติจะส่งได้อยู่ที่ 1.0 – 1.5km ขึ้นอยู่กับ Data Rate เพราะเมื่อเราเปลี่ยนเป็น IP Packet แล้ว ก็สามารถนำเข้าสู่เครือข่าย Internet ได้

22-23

ในแง่มุมของการนำไปประยุกต์ใช้งานนั้น ถ้าเรามองปัจจัยที่เป็นแรงพลักดันให้ผู้ใช้งาน หันมาใช้อุปกรณ์ที่ SMART มากขึ้น ก็ด้วยเหตุผลต่างๆ เช่น การขาดแคลนทรัพยากรบุคคล ต้องการลดต้นทุนการบำรุงรักษากระบวนการผลิตอย่างต่อเนื่อง สุดท้ายน่าจะเป็นเรื่องของการอยู่รอดในอุตสาหกรรมในอนาคต เนื่องจากปัจจุบัน บริษัทขนาดใหญ่ในอุตสากรรมต่างๆ เริ่มเป็นผู้นำในการติดตั้ง หรือใช้งาน Fieldbus ในกระบวนการผลิดแบบต่อเนื่องซึ่งพอจะสรุปออกเป็น กลุ่มๆ ได้ดังนี้

22-23

ท้ายที่สุด ถ้าพิจารณาดูจากมาตรฐานของ Fieldbus แล้ว จะเห็นได้ว่ามี Protocol ต่างๆ มากมายให้เลือกใช้ และดูเหมือนว่าเราคงจะหลีกเลี่ยงไม่ได้เลยว่า จะต้องเข้ามาเกี่ยวข้อง ซึ่งนั่นหมายความว่าถ้าเราไม่เริ่มเรียนรู้สิ่งเหล่านี้ เราก็จะถูกลืมไปจากระบบอุตสาหกรรม ซึ่งจากการสำรวจการติดตั้งอุปกรณ์ต่างๆ ในกระบวนการผลิตแบบต่อเนื่อง

Continuous Process Control ทั่วโลก ของ Arc Advisory Group ซึ่งเป็นบริษัทที่ทำวิจัยและเป็นที่ปรึกษาในระบบ อุตสาหกรรม พบว่าในปี 2007 มีอุปกรณ์ที่ถูกติดตั้งอยู่ที่ประมาณ 58 ล้านตัว ซึ่งในจำนวนนี้ เป็น Smart Device อยู่ 55% นอกนั้นเป็น Non-Smart Device   อยู่ 45% ซึ่งเห็นได้มีอุปกรณ์มากกว่าครึ่งที่เป็น Smart Device ดังนั้น เมือดูจากเทรนแล้ว คาดว่าในอนาคต จำเป็นต้องมีการอัปเกรด Non-Smart Device อย่างแน่นอน