โมดูล PLC รุ่นใดที่เข้ากันได้กับระบบเซอร์โวหลักๆ

การทำความเข้าใจหน้าที่ของโมดูล PLC ในระบบควบคุมเซอร์โว

บทบาทของโมดูล PLC ในการทำงานโดยรวมของระบบ

โมดูล PLC เป็นหัวใจหลักของระบบควบคุมเซอร์โว โดยทั่วไปจะเปลี่ยนรหัสคำสั่งให้กลายเป็นการเคลื่อนไหวจริงบนพื้นโรงงาน โมดูลเหล่านี้รับสัญญาณจากเซ็นเซอร์ต่างๆ เช่น เอนโคเดอร์ และสวิตช์ลิมิตที่เราติดตั้งไว้ทุกที่ จากนั้นจึงส่งคำสั่งไปยังไดรฟ์เซอร์โวอย่างรวดเร็วเกือบในทันที ส่วนควบคุมการเคลื่อนไหวจะดูแลให้หลายแกนทำงานร่วมกันอย่างราบรื่น ในขณะที่ส่วน I/O แบบแอนะล็อกจะจัดการกับการตรวจสอบสิ่งต่างๆ เช่น แรงบิดที่ถูกใช้งาน และความเร็วในการเคลื่อนที่ของชิ้นส่วน ทั้งหมดนี้เกิดขึ้นอย่างรวดเร็วมากจนเครื่องจักรสามารถจัดตำแหน่งชิ้นส่วนได้อย่างแม่นยำภายในช่วงประมาณ 0.01 มิลลิเมตร การควบคุมความแม่นยำระดับนี้มีความสำคัญอย่างยิ่งเมื่อใช้งานเครื่อง CNC เพราะเพียงข้อผิดพลาดเล็กน้อยก็อาจทำให้ผลิตภัณฑ์ทั้งชุดเสียหายได้

คุณสมบัติฮาร์ดแวร์หลักที่กำหนดโมดูล PLC รุ่นใหม่

โมดูล PLC รุ่นใหม่ถูกกำหนดโดยความก้าวหน้าทางฮาร์ดแวร์สามประการหลัก ได้แก่

• ความเร็วในการประมวลผล : โปรเซสเซอร์ 32 บิต ที่ประมวลผลคำสั่งในรอบ 10 นาโนวินาที
• ความหนาแน่นของ I/O : การออกแบบที่กะทัดรัดรองรับช่องสัญญาณดิจิทัลมากกว่า 32 ช่อง หรืออินพุตแอนะล็อก 16 ช่อง
• อินเทอร์เฟซการสื่อสาร : พอร์ตในตัวสำหรับ EtherCAT, PROFINET หรือ Ethernet/IP

คุณสมบัติเหล่านี้ช่วยให้สามารถจัดการโปรไฟล์การเคลื่อนไหวแบบอินเตอร์โพลเลตได้อย่างซับซ้อน ในขณะที่ยังคงรักษางานที่แน่นอน (deterministic performance) โมดูลเคาน์เตอร์ความเร็วสูง ซึ่งจำเป็นสำหรับแอปพลิเคชันเซอร์โว สามารถประมวลผลสัญญาณเอ็นโค้ดเดอร์ได้ในอัตราที่สูงกว่า 1 MHz

การรวมโมดูลการสื่อสารและโมดูล I/O ไว้ในแชสซีเดียวกัน

PLC แบบมอดูลาร์รวมฟังก์ชันการสื่อสารและ I/O เข้าด้วยกันผ่านแบ็กเพลนแบบรวมศูนย์ ซึ่งทำให้มั่นใจได้ถึงการถ่ายโอนข้อมูลอย่างแน่นอน (deterministic data transfer) แชสซีเดียวอาจบรรจุ:

การรวมศูนย์นี้ช่วยลดความซับซ้อนของระบบสายไฟได้ 40% เมื่อเทียบกับสถาปัตยกรรมแบบกระจาย และรองรับรอบเวลาไม่เกิน 2 มิลลิวินาที ทำให้สามารถควบคุมเซอร์โวได้อย่างแม่นยำสูง

การประเมินความเข้ากันได้ระหว่างโมดูล PLC กับระบบนิเวศของเซอร์โว

ความเข้ากันได้ของฮาร์ดแวร์: การปรับให้สอดคล้องกันระหว่างแรงดันไฟฟ้า กระแสไฟฟ้า และข้อกำหนดของโมดูล

การให้ทุกอย่างทำงานร่วมกันได้อย่างราบรื่นเริ่มต้นจากการตรวจสอบว่าการเชื่อมต่อไฟฟ้าและการติดตั้งทางกายภาพระหว่างโมดูล PLC และเซอร์โวตรงกันหรือไม่ โดยทั่วไประบบ PLC อุตสาหกรรมส่วนใหญ่ใช้แรงดันไฟฟ้ากระแสตรง 24 โวลต์ แม้ว่าจะสามารถรองรับกระแสไฟฟ้าได้ตั้งแต่ 2 แอมป์ ไปจนถึง 20 แอมป์ ขึ้นอยู่กับภาระงานที่ต้องจัดการ ตามข้อมูลจาก PR Newswire เมื่อปีที่แล้ว ปัญหาการควบคุมการเคลื่อนไหวประมาณหนึ่งในสี่เกิดจากค่าแรงดันที่ตั้งผิดหรือความจุของกระแสไฟฟ้าไม่เพียงพอ ในการติดตั้ง สิ่งสำคัญมากสำหรับวิศวกรคือต้องตรวจสอบขีดจำกัดกระแสไฟฟ้าของแผงวงจรย้อนกลับ (backplane) อีกครั้ง ตรวจสอบให้แน่ใจว่าโมดูลติดตั้งพอดีในตำแหน่งที่กำหนดไว้ และยืนยันว่าทุกอย่างสามารถยึดติดกับราง DIN ได้อย่างถูกต้อง มิฉะนั้นอาจเกิดปัญหาร้ายแรง เช่น ชิ้นส่วนร้อนเกินไปหรือหลุดการเชื่อมต่อระหว่างการทำงาน ตัวอย่างเช่น โมดูลอนาล็อกอินพุต/เอาต์พุตแบบความหนาแน่นสูง (high density analog input/output modules) ต้องการพื้นที่เพิ่มเติมภายในตู้ประมาณ 10 ถึง 15 เปอร์เซ็นต์ เมื่อเทียบกับโมดูลดิจิทัลทั่วไป เนื่องจากโมดูลเหล่านี้สร้างความร้อนมากกว่าและต้องการการระบายอากาศที่ดีขึ้น

โปรโตคอลการสื่อสารที่เข้ากันได้: EtherNet/IP, Modbus TCP และ PROFINET

การเลือกใช้โปรโตคอลที่เหมาะสมมีความสำคัญอย่างมากต่อการแลกเปลี่ยนข้อมูลระหว่าง PLC และเครื่องขยายสัญญาณเซอร์โวให้เป็นไปอย่างราบรื่น ในปัจจุบัน เครือข่ายอุตสาหกรรมประมาณสามในสี่ใช้ EtherNet/IP หรือ PROFINET ซึ่งโดยทั่วไปสามารถให้เวลาตอบสนองต่ำกว่า 1 มิลลิวินาที ถือว่าเร็วมาก ในทางกลับกัน Modbus TCP ยังคงมีการใช้งานอยู่ในระบบเก่า ๆ แต่มักจะช้ากว่า โดยมีความล่าช้าในการซิงค์ที่มักเกิน ±5 มิลลิวินาที ซึ่งไม่ดีนักหากเราต้องการควบคุมความแม่นยำของการเคลื่อนไหวอย่างแน่นหนา เมื่อต้องจัดการกับแกนหลายแกนที่ทำงานร่วมกัน ผู้ใช้ส่วนใหญ่จึงเลือกใช้โปรโตคอลที่รองรับ CIP Motion หรือ PROFIdrive เพราะสามารถทำให้แกนต่าง ๆ ทำงานแบบซิงโครไนซ์กันภายในเศษส่วนของมิลลิวินาทีทั่วทั้งระบบ

การรวมระบบ PLC-เซอร์โว: แบบกรรมสิทธิ์เฉพาะ vs. แบบสถาปัตยกรรมเปิด

ระบบที่เป็นกรรมสิทธิ์ เช่น CC-Link IE มักมีประสิทธิภาพที่ดีกว่า เนื่องจากผู้ผลิตสามารถปรับแต่งให้เหมาะสมกับฮาร์ดแวร์ของตนเองได้อย่างแม่นยำ แต่มาตรฐานแบบเปิดอย่าง OPC UA และ MQTT ให้อิสระมากขึ้นแก่ผู้ผลิตในการทำงานข้ามแพลตฟอร์มต่างๆ รายงานอุตสาหกรรมล่าสุดระบุว่าประมาณสองในสามของผู้เชี่ยวชาญด้านระบบอัตโนมัติเลือกใช้ระบบ PLC แบบโมดูลาร์ที่สามารถทำงานร่วมกับสถาปัตยกรรมทั้งสองประเภทได้ การรวมกันนี้กำลังขับเคลื่อนการเติบโตอย่างต่อเนื่องของโมดูลการสื่อสารแบบไฮบริดที่ประมาณ 14 เปอร์เซ็นต์ต่อปี ข้อได้เปรียบที่แท้จริงคือสามารถอัปเกรดระบบเครือข่ายเซอร์โวเดิมไปสู่โครงสร้างพื้นฐาน IIoT สมัยใหม่อย่างค่อยเป็นค่อยไป โดยไม่จำเป็นต้องทิ้งทุกอย่างและเริ่มต้นใหม่ทั้งหมด

การกำหนดขนาดอินเทอร์เฟซ I/O และการสื่อสารสำหรับแอปพลิเคชันเซอร์โว

การกำหนดขนาดอินเทอร์เฟซ I/O และการสื่อสารอย่างเหมาะสม จะช่วยให้มั่นใจได้ถึงการทำงานร่วมกันอย่างเสถียรระหว่างโมดูล PLC และระบบเซอร์โว โดยสามารถตอบสนองความต้องการในปัจจุบันพร้อมทั้งรองรับการขยายตัวในอนาคต

การประเมินความต้องการด้านดิจิทัล อนาล็อก และ I/O พิเศษสำหรับงานอัตโนมัติ

แอปพลิเคชันเซอร์โวต้องมีการจำแนกประเภท I/O อย่างระมัดระวัง:

• I/O แบบดิจิทัล จัดการสัญญาณแบบดิสครีต เช่น สวิตช์ลิมิตและสถานะรีเลย์
• I/O แบบแอนะล็อก จัดการสตรีมข้อมูลต่อเนื่องรวมถึงข้อมูลย้อนกลับของแรงบิดและอุณหภูมิ โดยแนะนำความละเอียด ¬12 บิตสำหรับงานที่ต้องการความแม่นยำ
• โมดูลเฉพาะทาง , เช่น เคาน์เตอร์ความเร็วสูงสำหรับสัญญาณเข้าจากเอนโค้เดอร์ หรือเอาต์พุต PWM สำหรับสเต็ปเปอร์มอเตอร์ ซึ่งตอบสนองความต้องการเฉพาะของแอปพลิเคชัน ตามรายงานการวิจัยด้านระบบอัตโนมัติปี 2023 พบว่า 27% ของการล้มเหลวในการติดตั้งเกิดจากข้อกำหนด I/O ที่ไม่ตรงกัน ซึ่งเน้นย้ำถึงความสำคัญของการวางแผนอย่างรอบคอบ

การจับคู่พอร์ต I/O กับอุปกรณ์ภาคสนาม: เซนเซอร์ อุปกรณ์ขับเคลื่อน และไดรฟ์

การกำหนดค่าความสามารถของอินพุต/เอาต์พุต (I/O) ให้ถูกต้องเมื่อเชื่อมต่อกับอุปกรณ์ภาคสนามมีความสำคัญอย่างยิ่งในการหลีกเลี่ยงความช้าในสภาพแวดล้อมการผลิตที่ดำเนินไปอย่างรวดเร็ว ตัวอย่างเช่น สายการบรรจุภัณฑ์ทั่วไป เซนเซอร์โฟโต้ไฟฟ้ามักทำงานได้ดีที่สุดกับอินพุตแบบ 24V DC sinking ในขณะที่วาล์วแบบ proportio nal โดยทั่วไปจำเป็นต้องใช้เอาต์พุตแบบอะนาล็อก 4 ถึง 20 มิลลิแอมแปร์แทน ส่วนผู้ผลิตอุปกรณ์ชั้นนำหลายรายได้ตระหนักถึงปัญหานี้และเริ่มผลิตช่องสัญญาณ I/O ที่สามารถตั้งค่าได้ ซึ่งสามารถรองรับสัญญาณหลายประเภทได้ การมีความยืดหยุ่นในลักษณะนี้ช่วยลดปัญหาความเข้ากันไม่ได้ระหว่างโมดูลและอุปกรณ์ต่างๆ ที่เคยสร้างความยุ่งยากให้กับทีมติดตั้งเป็นอย่างมากในอดีต

การรับประกันความสามารถในการขยายตัวและรองรับการขยายในอนาคต

เมื่อออกแบบเพื่อการขยายขนาดได้ ผู้เชี่ยวชาญส่วนใหญ่แนะนำให้ออกแบบให้มีความจุการรับ-ส่งข้อมูลมากกว่าที่ต้องการในปัจจุบันประมาณ 10 ถึง 20 เปอร์เซ็นต์ ตามมาตรฐานระบบอัตโนมัติล่าสุดของปี 2024 การติดตั้ง PLC แบบโมดูลาร์ที่มาพร้อมกับแผงวงจรขยายได้นั้นเหมาะอย่างยิ่งในกรณีนี้ เพราะช่วยให้ผู้ผลิตสามารถอัปเกรดทีละส่วนตามเวลาที่ต้องการได้ หากต้องการการเชื่อมต่อไดรฟ์เพิ่มเติม เพียงแค่เสียบการ์ด PROFINET เพิ่มเข้าไป แทนที่จะต้องรื้อระบบทั้งหมด สิ่งที่ทำให้วิธีนี้ดีมากคือ ช่วยให้ระบบยังคงทำงานได้อย่างรวดเร็วเพียงพอสำหรับการทำงานแบบเรียลไทม์ โดยรักษาระยะเวลาไซเคิลที่รวดเร็วสุดๆ ต่ำกว่าหนึ่งมิลลิวินาที แม้ความต้องการและปริมาณการผลิตจะเปลี่ยนแปลงและเพิ่มขึ้น

การรวมระบบในโลกจริง: ประสิทธิภาพการสื่อสารในเครือข่าย PLC-Servo

การซิงโครไนซ์การไหลของข้อมูลเรียลไทม์ระหว่าง PLC และไดรฟ์เซอร์โว

เมื่อพูดถึงระบบอัตโนมัติในอุตสาหกรรม การส่งข้อมูลที่เชื่อถือได้ระหว่างโมดูล PLC และไดรฟ์เซอร์โวถือเป็นสิ่งสำคัญมาก จังหวะเวลาต้องแม่นยำด้วย โดยจากรายงานประสิทธิภาพการอัตโนมัติเมื่อปีที่แล้วระบุว่า ความผิดพลาดในการซิงค์ต้องไม่เกินบวกหรือลบ 50 ไมโครวินาทีสำหรับเครื่องจักรที่ทำงานด้วยความเร็วสูง ปัจจุบัน ผู้ใช้งานต่างพึ่งพาโปรโตคอลการสื่อสารขั้นสูง เช่น EtherNet/IP และ PROFINET เพื่อส่งคำสั่งแบบเรียลไทม์ สิ่งนี้หมายความว่าอย่างไรในทางปฏิบัติ? มอเตอร์จะหยุดได้แม่นยำเกือบเป๊ะตามตำแหน่งที่กำหนด โดยปกติคลาดเคลื่อนไม่เกินประมาณหนึ่งในสิบขององศา ยกตัวอย่างเช่น เครื่องกดขึ้นรูปโลหะ เมื่อผู้ผลิตเชื่อมต่อ PLC โดยตรงกับเครือข่ายเซอร์โวแทนที่จะใช้สัญญาณพัลส์แบบเดิม พวกเขาจะเห็นสิ่งที่น่าทึ่งเกิดขึ้น การจัดแนวเครื่องมือที่เคยใช้เวลานานกลับเร็วขึ้นถึงสี่เท่า ซึ่งเข้าใจได้เมื่อพิจารณาถึงความสำคัญของจังหวะเวลาที่แม่นยำในระดับความเร็วการผลิตเช่นนี้

กรณีศึกษา: การนำระบบควบคุมพีแอลซี-เซอร์โวโดยใช้ PROFINET มาประยุกต์ใช้ในสายการบรรจุภัณฑ์

โรงงานบรรจุลูกอมแห่งหนึ่งในเขตมิดเวสต์ของสหรัฐฯ ได้ปรับปรุงระบบควบคุมการเคลื่อนที่อย่างมีนัยสำคัญ โดยเปลี่ยนเทคโนโลยี CANopen เดิมที่ล้าสมัยมาเป็น PROFINET IRT สิ่งนี้หมายความว่าอะไรในทางปฏิบัติ? ระยะเวลาตอบสนองลดลงอย่างมาก จาก 8 มิลลิวินาที เหลือเพียง 1.2 มิลลิวินาที พร้อมทั้งรักษาความซิงโครไนซ์ระหว่างแกนการทำงานทั้ง 12 แกนไว้อย่างแม่นยำ ผลลัพธ์พูดแทนทุกอย่างได้เป็นอย่างดี - ปัญหาผลิตภัณฑ์ติดขัดลดลงเกือบสองในสาม (67%) และความเร็วในการผลิตโดยรวมเพิ่มขึ้น 25% ผลงานที่น่าประทับใจมาก ภายใต้ฉากหลัง ซีพียูควบคุมการเคลื่อนไหวพิเศษของพีแอลซีจัดการจุดอินพุต/เอาต์พุตไม่น้อยกว่า 1,200 จุด ที่กระจายอยู่ในตู้เซอร์โวสามตู้แยกจากกัน ประสิทธิภาพในลักษณะนี้แสดงให้เห็นถึงความก้าวหน้าของเทคโนโลยีโมดูลพีแอลซี ที่สามารถรองรับงานได้มากเพียงใดในปัจจุบัน

ค่ามาตรฐานประสิทธิภาพของโมดูลพีแอลซีสำหรับการควบคุมเซอร์โวความเร็วสูง

โมดูล PLC ที่ดีที่สุดในท้องตลาดในปัจจุบันสามารถจัดการกับรอบเวลา (cycle times) ได้น้อยกว่า 2 มิลลิวินาที สำหรับระบบซึ่งมีได้ถึง 32 แกน นอกจากนี้ยังสามารถควบคุมระดับจิตเตอร์ (jitter) ให้ต่ำกว่า 5 ไมโครวินาที แม้ในสถานการณ์ที่เกิดการหยุดฉุกเฉิน (emergency stop) ตามผลการทดสอบจาก Motion Control Lab ในปี 2023 ระบบที่ทันสมัยเหล่านี้ใช้การออกแบบแบบหน่วยประมวลผลคู่ (dual processor) โดยหน่วยหนึ่งทำหน้าที่จัดการการสื่อสารทั้งหมด ในขณะที่อีกหน่วยหนึ่งรับผิดชอบการรันลอจิกจริง การแยกฟังก์ชันเช่นนี้ช่วยให้สามารถอัปเดตเซอร์โวได้ในอัตรา 1 กิโลเฮิรตซ์ โดยไม่รบกวนค่าการอ่านข้อมูลจากช่องสัญญาณเข้าแบบแอนะล็อก การจับคู่โมดูลเหล่านี้กับโมดูล I/O แบบกระจาย (distributed I/O) ยังช่วยให้การทำงานราบรื่นอีกด้วย แม้ในระยะทาง 100 เมตรโดยใช้การเชื่อมต่อผ่าน EtherCAT อัตราการสูญเสียแพ็กเก็ตยังคงต่ำกว่า 0.01% ความน่าเชื่อถือระดับนี้ทำให้ระบบที่ใช้โมดูลเหล่านี้ทำงานได้ดีในสภาพแวดล้อมอุตสาหกรรมที่เข้มงวด ซึ่งการหยุดทำงานถือเป็นสิ่งที่ยอมรับไม่ได้

คำถามที่พบบ่อย

โมดูล PLC มีบทบาทอย่างไรในระบบควบคุมเซอร์โว?

โมดูล PLC มีความสำคัญอย่างยิ่งในการแปลงรหัสคำสั่งให้กลายเป็นการเคลื่อนไหว และรับประกันความแม่นยำในระบบควบคุมเซอร์โว โดยโมดูลเหล่านี้ประมวลผลสัญญาณจากเซนเซอร์และส่งคำสั่งไปยังไดรฟ์เซอร์โว เพื่อรักษาระบบควบคุมการเคลื่อนไหวให้มีความราบรื่น พร้อมทั้งตรวจสอบพารามิเตอร์ต่างๆ เช่น แรงบิดและความเร็ว

ทำไมการจัดแนวโปรโตคอลจึงมีความสำคัญในระบบ PLC-เซอร์โว?

การจัดแนวโปรโตคอล เช่น EtherNet/IP หรือ PROFINET ช่วยให้มั่นใจได้ถึงการแลกเปลี่ยนข้อมูลที่รวดเร็วและราบรื่นระหว่าง PLC และแอมพลิฟายเออร์เซอร์โว ซึ่งมีความสำคัญต่อการรักษารูปแบบการเคลื่อนไหวและความซิงโครไนซ์ให้แม่นยำ

ระบบ PLC สามารถรับประกันการขยายตัวในอนาคตได้อย่างไร?

การออกแบบโดยมีความสามารถของช่องสัญญาณขาเข้า/ขาออกเพิ่มเติม และการใช้ระบบที่เป็นแบบโมดูลาร์พร้อมเบรกแบลนที่สามารถขยายได้ จะช่วยให้สามารถขยายระบบในอนาคตและอัปเกรดระบบได้อย่างสะดวก

เหตุใดผู้ใช้งานจึงอาจเลือกการรวมระบบ PLC แบบสถาปัตยกรรมเปิดแทนระบบที่เป็นกรรมสิทธิ์?

ระบบสถาปัตยกรรมเปิดมีความยืดหยุ่นที่มากกว่าเมื่อใช้งานข้ามแพลตฟอร์มต่างๆ และกำลังได้รับความนิยมเพิ่มขึ้นเนื่องจากสามารถเชื่อมต่อกับระบบหลากหลายประเภทได้โดยไม่จำเป็นต้องปรับปรุงระบบใหม่ทั้งหมด