หัวใจหลักของระบบอุตสาหกรรมยุคใหม่คืออุปกรณ์ควบคุมแบบอัตโนมัติ ซึ่งทำหน้าที่เชื่อมโยงส่วนประกอบต่างๆ เช่น เซ็นเซอร์ ตัวควบคุม และแอคชูเอเตอร์ เข้าด้วยกัน เพื่อให้สายการผลิตทำงานได้อย่างราบรื่น ข้อมูลทางสถิติสนับสนุนเรื่องนี้ด้วย โดยโรงงานหลายแห่งรายงานว่าความผิดพลาดลดลงประมาณ 40% เมื่อเปลี่ยนจากการทำงานด้วยมือมาเป็นระบบอัตโนมัติ ตามการวิจัยจาก ARC Advisory เมื่อปีที่แล้ว ไม่ว่าจะเป็นการควบคุมอุณหภูมิในเครื่องปฏิกรณ์เคมีขนาดใหญ่ หรือการทำให้แขนหุ่นยนต์ทำงานร่วมกันอย่างไร้รอยต่อ ระบบเหล่านี้สามารถควบคุมตามข้อกำหนดได้แม่นยำถึงหนึ่งในพันของมิลลิเมตร และตอนนี้สิ่งต่างๆ กำลังกลายเป็นอัจฉริยะมากยิ่งขึ้น เนื่องจากผู้ผลิตชั้นนำเริ่มนำเครื่องมือทำนายผลที่ใช้ปัญญาประดิษฐ์ (AI) มาผสานไว้ในหน่วยควบคุมโดยตรง ทำให้โรงงานสามารถประมวลผลข้อมูลได้ทันที และปรับการทำงานได้เองโดยไม่ต้องรอการวิเคราะห์จากภายนอก
การเดินทางของระบบอัตโนมัติในอุตสาหกรรมเริ่มต้นขึ้นจริงๆ ในช่วงทศวรรษ 1960 เมื่อรีเลย์แบบอิเล็กโทรเมคานิคัลรุ่นเก่าทำได้เพียงแค่เปิดและปิดสิ่งต่างๆ พอมาถึงยุค 90s เราได้เห็นควบล์ลอจิกโปรแกรมได้ หรือที่เรียกกันสั้นๆ ว่า PLC เข้ามาครอบคลุมโรงงานผลิตสินค้าที่แยกชิ้นส่วนได้แทบทุกแห่ง อุปกรณ์ขนาดเล็กแต่แข็งแกร่งเหล่านี้สามารถจัดการจุดอินพุต/เอาต์พุตได้ประมาณ 1,000 จุดต่อวินาที ปัจจุบัน คอนโทรลเลอร์อัจฉริยะรุ่นใหม่ได้พัฒนาไปไกลมาก มันสามารถสื่อสารกับอินเทอร์เน็ตอุตสาหกรรม (Industrial Internet of Things) พร้อมประมวลผลคำสั่งได้มากถึง 15 ล้านคำสั่งต่อวินาที โดยใช้พลังงานน้อยลงถึง 30% เมื่อเทียบกับรุ่นก่อน และอย่าลืมโมดูลการประมวลผลแบบเอจ (edge computing) ด้วย อุปกรณ์ตัวเก่งเหล่านี้ทำให้เครื่องจักรสามารถคิดวิเคราะห์ได้เองทันที ณ จุดเกิดข้อมูล ลดการพึ่งพาเซิร์ฟเวอร์คลาวด์ที่อยู่ไกลออกไปได้เกือบครึ่งหนึ่ง ในการดำเนินงานที่สำคัญ เช่น การผลิตชิปเซมิคอนดักเตอร์ ตามรายงานของเดโลอิตต์เมื่อปีที่แล้ว
ระบบสมัยใหม่ทำหน้าที่สามประการที่จำเป็น:
แนวทางแบบบูรณาการนี้สนับสนุนการทำงานต่อเนื่องถึง 99.95% ในสายการเชื่อมรถยนต์ และอัตราผลิตภัณฑ์ชำรุดต่ำกว่า 0.1% ในการบรรจุภัณฑ์ยา (McKinsey 2023 Manufacturing Benchmark Study) เมื่ออุปกรณ์ควบคุมกระบวนการพัฒนาขึ้น ระบบเหล่านี้สามารถตรวจสอบสภาพการบำรุงรักษาด้วยตนเองได้มากขึ้น โดยทำนายความล้มเหลวของมอเตอร์ได้ล่วงหน้าสูงสุดถึง 800 ชั่วโมงการใช้งาน
การเลือกตัวควบคุมที่เหมาะสมหมายถึงการพิจารณาปัจจัยหลายประการก่อนอื่น เวลาตอบสนองมีความสำคัญอย่างมากสำหรับการใช้งาน เช่น การหยิบและวางด้วยความเร็วสูง ซึ่งความคลาดเคลื่อน ±10 มิลลิวินาที อาจทำให้เกิดความแตกต่างอย่างมาก จากนั้นยังมีข้อกำหนดด้านความแม่นยำอีกด้วย โดยงานในอุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์มักต้องการค่าความคลาดเคลื่อนต่ำกว่าหนึ่งมิลลิเมตร และอย่าลืมเรื่องความสามารถในการขยายขนาดด้วย ผู้เชี่ยวชาญส่วนใหญ่แนะนำให้เหลือกำลังการใช้งานเพิ่มเติมไว้ประมาณ 30 ถึง 50 เปอร์เซ็นต์ เพื่อรองรับการเติบโตของธุรกิจ ตามข้อมูลอุตสาหกรรมล่าสุดจากปีที่แล้ว พบว่ามากกว่าครึ่งหนึ่งของเหตุการณ์ที่ทำให้การผลิตหยุดชะงักในสภาพแวดล้อมการผลิตแบบผสมเกิดจากการใช้ตัวควบคุมที่ไม่สอดคล้องกับความต้องการของเครื่องจักร สิ่งนี้ชี้ให้เห็นอย่างชัดเจนถึงความสำคัญของการจับคู่ข้อกำหนดทางเทคนิคให้ตรงกับสิ่งที่เกิดขึ้นจริงบนพื้นโรงงาน เพื่อให้การดำเนินงานเป็นไปอย่างราบรื่นโดยไม่มีการหยุดชะงักที่ไม่คาดคิด
คอนโทรลเลอร์แบบโปรแกรมได้ (PLCs) มีอยู่เกือบทุกที่ที่ต้องตัดสินใจในเสี้ยววินาที เช่น สายการผลิตที่ต้องตอบสนองภายในไม่กี่มิลลิวินาที คอนโทรลเลอร์เหล่านี้ช่วยให้เครื่องจักรทำงานได้อย่างราบรื่น เช่น เครื่องปิดฝาขวดที่สามารถจัดการได้ประมาณ 400 ขวดต่อนาที หรือหุ่นยนต์เชื่อมที่มีความแม่นยำสูงถึง 0.05 มม. ในทุกครั้ง อะไรทำให้พวกมันเป็นที่นิยม? การเขียนโปรแกรมด้วยลอจิกแบบรูปบันได (ladder logic) ทำให้การตั้งค่าสายพานลำเลียงให้ทำงานร่วมกัน และการติดตั้งระบบล็อกความปลอดภัยที่จำเป็นทั่วโรงงานเป็นเรื่องง่ายขึ้น อุตสาหกรรมหลายภาคส่วนชี้ให้เห็นถึงข้อมูลน่าสนใจจากสถิติในหนังสือ Process Control Handbook ฉบับล่าสุด — เมื่อเทียบกับระบบคอมพิวเตอร์ทั่วไป PLC ช่วยลดเวลาการติดตั้งลงได้ประมาณ 40% ในโรงงานผลิตรถยนต์ ประสิทธิภาพในระดับนี้อธิบายได้ว่าทำไม PLC จึงยังคงเป็นตัวเลือกอันดับต้นๆ แม้มีเทคโนโลยีใหม่ๆ ที่ทันสมัยเข้ามา
ระบบควบคุมแบบกระจาย (DCS) มีบทบาทสำคัญในสภาพแวดล้อมอุตสาหกรรมที่ทุกอย่างต้องทำงานร่วมกันทั่วทั้งสถานประกอบการ ตัวอย่างเช่น โรงกลั่นปิโตรเลียม ระบบนี้สามารถรักษาอุณหภูมิให้คงที่ภายในช่วงครึ่งองศาเซลเซียส แม้จะต้องจัดการจุดนำเข้า/ส่งออกมากกว่า 5,000 จุดทั่วทั้งโรงงาน ระบบเหล่านี้ใช้วิธีการควบคุมขั้นสูงเพื่อจัดการกระบวนการที่ซับซ้อน เช่น การแตกตัวด้วยตัวเร่งปฏิกิริยา พร้อมทั้งรักษาระดับการทำงานต่อเนื่องเกือบสมบูรณ์แบบที่ประมาณ 99.8% ในช่วงการดำเนินงานต่อเนื่อง รุ่นใหม่ล่าสุดของ DCS มาพร้อมฟีเจอร์บำรุงรักษาอัจฉริยะที่สามารถทำนายความล้มเหลวของอุปกรณ์ได้ก่อนที่จะเกิดขึ้นจริง โรงงานที่ใช้ระบบสมัยใหม่เหล่านี้รายงานว่าการหยุดทำงานกะทันหันลดลงประมาณ 57% เมื่อเทียบกับระบบรุ่นเก่า ซึ่งส่งผลอย่างมากต่อทั้งความปลอดภัยและประสิทธิภาพในการผลิต
คอนโทรลเลอร์อัตโนมัติแบบโปรแกรมได้รวมฟีเจอร์การควบคุมที่เชื่อถือได้ของ PLC แบบดั้งเดิมเข้ากับประสิทธิภาพการประมวลผลอันทรงพลังของคอมพิวเตอร์ทั่วไป ทำให้มันเหมาะมากสำหรับการจัดการงานที่ซับซ้อน เช่น สายการบรรจุภัณฑ์แบบปรับตัวที่ต้องจัดการสินค้ามากกว่า 15 ประเภทพร้อมกัน ระบบเหล่านี้สามารถรันโปรแกรมลอจิกแบบแล็ดเดอร์ (ladder logic) และภาษาเขียนโค้ดขั้นสูงอย่าง C++ ได้ในเวลาเดียวกัน ความสามารถสองด้านนี้ช่วยให้ผู้ผลิตสามารถเชื่อมต่อกับระบบทัศน์เครื่องจักร (machine vision) ขั้นสูงที่ตรวจจับข้อบกพร่องได้อย่างแม่นยำถึง 120 ภาพต่อวินาที การศึกษาบางชิ้นเมื่อปีที่แล้วพบว่า เมื่อบริษัทนำเทคโนโลยี PAC มาใช้ในการดำเนินงานด้านการแปรรูปอาหาร โดยทั่วไปจะเห็นประสิทธิภาพโดยรวมของเครื่องจักร (Overall Equipment Effectiveness) เพิ่มขึ้นประมาณ 22 เปอร์เซ็นต์ เนื่องจากการตรวจสอบคุณภาพที่ดีขึ้นแบบเรียลไทม์
บริษัทเคมีภัณฑ์เฉพาะทางแห่งหนึ่งพบว่ารอบการผลิตแบบแบตช์ลดลงเกือบหนึ่งในสามเมื่อพวกเขาเปลี่ยนระบบรีเลย์เก่าเป็น PAC รุ่นใหม่ที่มาพร้อมฐานข้อมูล SQL ในตัวตั้งแต่ออกจากโรงงาน การเปลี่ยนแปลงนี้ทำให้สามารถตัดงานป้อนข้อมูลด้วยมือที่ต้องทำซ้ำๆ ไปได้ถึง 18 งาน และทำให้มั่นใจได้ว่าทุกอย่างสอดคล้องตามข้อกำหนดของ FDA อย่างเคร่งครัด (โดยเฉพาะข้อ Part 11) โดยผ่านบันทึกดิจิทัลที่ปลอดภัยและไม่สามารถแก้ไขได้ในภายหลัง ขณะเดียวกัน ที่โรงงานเหล็กซึ่งดำเนินการชุบสังกะสีตลอด 24 ชั่วโมง เจ้าหน้าที่วิศวกรสามารถรักษาระดับการทำงานให้ราบรื่นได้ถึง 99.95% แม้จะต้องจัดการกับปริมาณงานมหาศาลทุกวันโดยไม่หยุดพัก พวกเขาทำสำเร็จโดยการติดตั้งระบบควบคุมสำรองที่มีโมดูลอินพุต/เอาต์พุตพิเศษ ซึ่งสามารถเปลี่ยนได้ทันทีโดยไม่ต้องหยุดสายการผลิต ซึ่งถือว่าเป็นความสำเร็จที่น่าประทับใจมากเมื่อพิจารณาจากปริมาณการผลิตที่ประมาณ 1,200 ตันต่อวัน
การดำเนินงานอัตโนมัติที่มีประสิทธิภาพขึ้นอยู่กับระบบสัญญาณขาเข้า/ขาออก (I/O) ที่ถูกกำหนดค่าอย่างเหมาะสม และโปรโตคอลการสื่อสารที่มีความทนทาน ซึ่งทำให้มั่นใจได้ว่าเซ็นเซอร์ อุปกรณ์ขับเคลื่อน และตัวควบคุมสามารถทำงานร่วมกันได้อย่างราบรื่นในสภาพแวดล้อมที่เปลี่ยนแปลงตลอดเวลา
เมื่อทำงานกับระบบอุตสาหกรรม นักออกแบบจำเป็นต้องรู้ความแตกต่างระหว่างอุปกรณ์แบบไบนารีที่ทำหน้าที่เพียงแค่เปิดหรือปิดสิ่งต่าง ๆ กับอุปกรณ์แบบช่วงแปรผันที่จัดการกับกระแสข้อมูลอย่างต่อเนื่อง เช่น พิจารณา discrete I/O ซึ่งโดยพื้นฐานแล้วเกี่ยวข้องกับสัญญาณแบบใช่/ไม่ใช่ที่มาจากอุปกรณ์ต่าง ๆ เช่น limit switches หรือปุ่มกด ขณะที่ analog I/O จะทำงานกับค่าที่วัดได้อย่างต่อเนื่อง เช่น ค่าอุณหภูมิหรือระดับแรงดันตามช่วงเวลา ซึ่งต้องใช้อัตราการสุ่มตัวอย่างที่ละเอียดกว่ามาก เพื่อรักษารูปแบบของสัญญาณจริงไว้โดยไม่สูญเสียรายละเอียดสำคัญ วิศวกรที่มีประสบการณ์ส่วนใหญ่แนะนำให้เหลือจุด I/O เพิ่มเติมไว้ประมาณ 25 จุดในการออกแบบระบบ เพราะไม่มีใครสามารถคาดการณ์ได้อย่างแม่นยำว่าจะมีการเปลี่ยนแปลงอะไรบ้างในอนาคต เมื่อกระบวนการมีการปรับปรุงหรือขยายในภายหลัง
การติดตั้งตู้ I/O ไว้ใกล้ห้องควบคุมช่วยลดปัญหาสัญญาณรบกวนทางไฟฟ้า แม้ว่าการจัดวางแบบนี้มักจะทำให้เกิดสายยาวจำนวนมากที่เดินไปทั่วทุกทิศทาง ก็ตาม เมื่อผู้ผลิตติดตั้งโมดูล I/O แบบกระจายอยู่ใกล้กับอุปกรณ์จริง จะสามารถประหยัดพื้นที่สำหรับสายเคเบิลได้อย่างมาก รายงานบางฉบับระบุว่าสามารถประหยัดได้ตั้งแต่ 60 ถึง 80 เปอร์เซ็นต์ในโรงงานอุตสาหกรรมขนาดใหญ่ บริษัทหลายแห่งเริ่มหันมาใช้สถานี I/O ระยะไกลที่มีค่าการป้องกัน IP67 ซึ่งสามารถติดตั้งโดยตรงบนเครื่องจักรการผลิตได้เลย การจัดวางเช่นนี้ทำงานได้ดีเยี่ยมในการเก็บข้อมูลแบบเรียลไทม์จากเซ็นเซอร์ แม้ในสภาพแวดล้อมที่ค่อนข้างรุนแรงบนพื้นที่การผลิต
อีเธอร์เน็ต/ไอพี เป็นที่นิยมในติดตั้งระบบสมัยใหม่ด้วยแบนด์วิธ 100 Mbps และรองรับกับแพลตฟอร์ม IIoT โดยตรง Modbus TCP ยังคงถูกใช้อย่างแพร่หลายเพื่อรวมอุปกรณ์รุ่นเก่าเข้ากับเครือข่ายใหม่ แนวทางอุตสาหกรรมเน้นย้ำโปรโตคอลเหล่านี้เนื่องจากสามารถเชื่อมต่อได้อย่างราบรื่นกับระบบควบคุมระดับสูง เช่น SCADA และ MES
โรงงานหลายแห่งดำเนินการอุปกรณ์จากผู้ผลิตหลากหลายที่ครอบคลุมช่วงเวลาหลายทศวรรษ ตัวแปลงโปรโตคอลทำหน้าที่เชื่อมต่ออุปกรณ์ RS-485/Modbus RTU รุ่นเก่าเข้ากับเครือข่ายแบบอีเธอร์เน็ต การวางแผนโดยการแมปทอพอโลยีฟิลด์บัสที่มีอยู่จะช่วยป้องกันการปรับแต่งใหม่ที่มีค่าใช้จ่ายสูง โดย OPC UA เริ่มเป็นทางเลือกที่แนะนำสำหรับการรวมสภาพแวดล้อมที่ใช้หลายโปรโตคอลให้เป็นหนึ่งเดียว
เมื่อระบบ IIoT ถูกรวมเข้ากับขีดความสามารถของการประมวลผลแบบเอจ (edge computing) จะช่วยลดความล่าช้าของข้อมูลได้อย่างมาก — การวิจัยจาก Ponemon Institute แสดงให้เห็นว่าสามารถลดลงได้ประมาณ 70% สิ่งนี้หมายความว่าเครื่องจักรสามารถประมวลผลข้อมูลได้ทันทีในสถานที่จริง โดยไม่ต้องรอการตอบกลับจากคลาวด์ เมื่อเครือข่ายเหล่านี้ขยายตัวไปทั่วพื้นที่การผลิต กรอบการทำงาน IIoT ที่สามารถปรับขนาดได้จะรองรับการเติบโตโดยไม่เกิดปัญหา และยังคงอยู่ภายในขอบเขตข้อกำหนดตามมาตรฐานที่องค์กรต่างๆ เช่น ISO กำหนดไว้ผ่านกรอบ 55000 ยกตัวอย่างเช่น WoT Interoperability Layer การทดสอบในโรงงานอัจฉริยะจริงพบว่าสามารถเชื่อมต่อโปรโตคอลต่างๆ ได้สำเร็จประมาณ 98% ของเวลา แม้ว่าการได้มาซึ่งเปอร์เซ็นต์สุดท้ายนั้นมักต้องอาศัยการปรับแต่งอย่างละเอียด ขึ้นอยู่กับสภาพแวดล้อมเฉพาะของโรงงานและปัญหาความเข้ากันได้ของอุปกรณ์เดิม
การออกแบบแบบโมดูลาร์ช่วยให้สามารถอัพเกรดระบบได้เร็วกว่าสถาปัตยกรรมแบบคงที่ถึง 30% โดยอ้างอิงจากเกณฑ์มาตรฐานการผลิตในปี 2024 เทคโนโลยีดิจิทัลทวินช่วยให้วิศวกรสามารถจำลองการขยายการผลิตได้ก่อนดำเนินการเปลี่ยนแปลงจริง ผู้จัดจำหน่ายระดับที่หนึ่งรายงานว่ามีต้นทุนการปรับปรุงระบบใหม่ลดลง 40% เมื่อใช้ระบบที่ประกอบด้วยชิ้นส่วนซึ่งรองรับการอัพเกรด IIoT แบบขั้นบันได
แพลตฟอร์มการเขียนโปรแกรมรุ่นใหม่สามารถทำงานร่วมกับระบบเดิมได้ถึง 99% โดยใช้ไดรเวอร์การสื่อสารแบบสากล ซึ่งเป็นสิ่งสำคัญในโรงงานที่ใช้อุปกรณ์จากหลายผู้ผลิตร่วมกัน ชุดซอฟต์แวร์รุ่นล่าสุดสามารถเชื่อมต่อโดยตรงกับ HMI และ MES ทำให้เวลาในการรวมระบบลดลง 50% ในแอปพลิเคชันยานยนต์ (Ponemon 2023)
ผู้ผลิตที่มีวิสัยทัศน์ก้าวหน้าจัดสรร 25% ของงบประมาณด้านระบบอัตโนมัติไปยังโครงสร้างพื้นฐานที่ไม่ขึ้นกับโปรโตคอล โดยตระหนักว่ามาตรฐานการสื่อสารมีการเปลี่ยนแปลงทุกๆ 3–5 ปี (Ponemon 2024) ชั้นการเชื่อมต่อ WoT (Interoperability Layer) ทำให้สามารถเพิ่มความเร็วในการนำอุปกรณ์เข้าสู่ระบบได้เร็วขึ้นถึง 85% ผ่านการปรับมาตรฐานทางด้านเซมานติกส์ ซึ่งแสดงให้เห็นถึงความสำคัญในการรักษาระบบเข้ากันได้ย้อนหลัง ขณะเดียวกันก็สามารถนำเซ็นเซอร์และแอคทูเอเตอร์ IIoT รุ่นใหม่มาใช้งานได้
อุปกรณ์ควบคุมระบบอัตโนมัติทำหน้าที่ตรวจสอบกระบวนการ ตัดสินใจ และปรับแต่งระบบ เพื่อให้มั่นใจได้ว่าคุณภาพและประสิทธิภาพในการผลิตอยู่ในระดับที่เหมาะสมที่สุด
PLC เหมาะสมกับงานที่เป็นแบบแยกส่วนและต้องการความเร็วสูง ในขณะที่ DCS เหมาะกับกระบวนการขนาดใหญ่ที่ดำเนินต่อเนื่องและต้องการการประสานงานทั่วทั้งสถานประกอบการ
การตรวจสอบความเข้ากันได้และการรวมระบบช่วยป้องกันไม่ให้เกิดค่าใช้จ่ายสูงจากการปรับตั้งใหม่ และทำให้อุปกรณ์จากผู้ผลิตหลายรายสามารถทำงานร่วมกันได้อย่างราบรื่น
การรวมระบบ IIoT เพิ่มความเร็วในการประมวลผลข้อมูลในสถานที่จริง ลดความล่าช้า และขยายโครงสร้างพื้นฐานที่สามารถปรับขนาดได้เพื่อจัดการกับการเติบโตของเครือข่าย
ลิขสิทธิ์ © 2024 โดย Shenzhen QIDA electronic CO.,ltd
EN