Component of Process Control System

การอธิบายและการใช้คำศัพท์ในบทความนี้ เป็นไปพื่อเหตุผลในการอธิบายให้ผู้อ่านเข้าใจหลักการของระบบControlได้ง่ายขึ้น ดังนั้นหลังจากผู้อ่านเข้าใจหลักการการทำงานของระบบ control โดยพื้นฐานในบทความนี้แล้ว ผู้อ่านควรศึกษาเพิ่มเติม เพื่อให้เข้าใจถึงรายละเอียดทางวิชาการที่ถูกต้องแม่นยำจากตำราเรื่อง Process Control ที่เชื่อถือได้อีกครั้ง เพื่อความเป็นสากลในการสื่อสารกับวิศวกรและผู้ร่วมงานคนอื่นในการทำงานต่อไป

ส่วนประกอบของระบบควบคุมกระบวนการ

Components of a Process Control System

แต่ละส่วนประกอบจะมีหน้าที่สำคัญแตกต่างไป โดยทั่วไปได้แก่  กระบวนการ ( Process ), อุปกรณ์วัดค่า ( Sensors) ,ตัวส่งสัญญาณ (Transmitter ) ,ตัวควบคุมประมวลผล (Controllers ),Control Valve

กระบวนการ (Process)

หมายถึง ระบบหนึ่งๆ ที่เราสามารถออกแบบควบคุมให้ทำหน้าที่หนึ่งๆได้ เช่น เตาปฏิกรณ์ ( reactor) หรือ สายกระบวนการผลิต (Manufacturing line)  โดยมีตัวแปรที่ถูกควบคุมได้แก่ อุณหภูมิ ความดัน และ อัตราการไหลของของเหลว ตัวแปรเหล่านี้ถูกควบคุมเพื่อให้ได้ผลลัพธ์ปลายทางจาก Process ตามต้องการ

ตัววัดค่า (Sensor) 

เป็นอุปกรณ์สำหรับตรวจจับ วัดค่าตัวแปร ปัจจัยต่างๆ ของกระบวนการ และ ส่งค่าเหล่านี้ไปให้กับตัวควบคุมประมวลผล (controller) Sensor นั้นมีความสำคัญอย่างยิ่งสำหรับการควบคุมกระบวนการให้มีประสิทธิภาพ เพราะ sensor ทำหน้าที่ส่งข้อมูลที่ต้องการเพื่อใช้ในการตัดสินใจต่างๆของกระบวนการความแม่นยำและน่าเชื่อถือของข้อมูลจากsensorจึงมีความจำเป็นอย่างยิ่ง

Sensor จะวัดค่ากายภาพ ในรูปแบบการวัดปริมาณ เช่น วัดอุณหภูมิ ความดัน ค่าอัตราการไหล ค่าระดับของเหลวแล้วแปลงค่ากายภาพเหล่านั้นให้เป็นสัญญาณไฟฟ้า ที่ Controller สามารถนำเอาไปใช้ต่อได้

ความแม่นยำและน่าเชื่อถือของ sensor จึงถือเป็นสิ่งสำคัญสำหรับการ control process อย่างมีประสิทธิภาพ เนื่องจากส่งผลต่อคุณภาพของข้อมูลที่จะป้อน controller เพื่อเอาไปคิดตัดสินใจกระทำการอย่างใดอย่างหนึ่งต่อไปใน process 

Sensor ที่ใช้ในปัจจุบันมีหลากหลายชนิด โดยแต่ล่ะชนิดจะถูกออกแบบมาเพื่อวัดค่าเฉพาะ ของแต่ละตัวแปรใน Process ( Specific Process variable )

ตัวอย่างเช่น 

Thermocouple และ Resistance temperature detectors (RTD) เป็นอุปกรณ์ที่ใช้เพื่อวัดค่าอุณหภูมิใน Process

Pressure transducer ใช้สำหรับวัดค่าความดัน

Flow meter ใช้วัดค่าอัตราการไหล

การเลือกใช้ Sensor ขึ้นอยู่กับความต้องการของแต่ละ process รวมถึงขึ้นกับช่วงค่าของตัวแปรในprocess ที่รับได้ (Process variable range)  ความแม่นยำที่ต้องการ และ สภาพแวดล้อมที่เกี่ยวข้อง

ตัวส่งสัญญาณ ( Transmitter )

นอกจาก Sensor แล้ว อีกตัวที่มีบทบาทในการส่งสัญญาณจากการสังเกตุการณ์ก็คือ Transmitter  โดยทั้งคู่จะทำหน้าที่ส่งค่าสังเกตการณ์ Process variable หรือ PV แล้วป้อนค่าเหล่านั้นไปให้กับ controller

Transmitter ทำหน้าที่แปลงสัญญาณและส่งสัญญาณที่ได้จาก sensor ไปที่ controllerในรูปแบบไฟฟ้ามาตรฐานที่เหมาะกับ controller รูปแบบสัญญาณไฟฟ้ามาตรฐานที่กล่าวถึงได้แก่ 4-20 mA โดยมาตรฐานนี้ จะสามารถส่งสัญญาณออกไปได้แม่นยำ ถูกต้อง และ ส่งได้ในระยะไกล

ในอีกแง่มุมหนึ่ง การวัดค่า PV  ทั้งตัว sensor และ transmitter นั้นมีบทบาทสำคัญในเรื่องของความปลอดภัยด้วย เนื่องจาก มันสามารถตรวจเจอสภาวะผิดปกติใน process ได้ เช่นอุณหภูมิที่สูง หรือ ความดันที่สูงผิดปกติ ทำให้การริเริ่มระบบป้องกันอุบัติเหตุเกิดขึ้นได้ทันท่วงที ดังนั้น การออกแบบ และ การเลือกชนิด ของ sensor และ transmitter จึงเป็นสิ่งสำคัญในการทำ process control เพราะ มีผลโดยตรงต่อประสิทธิภาพ และ โดยอ้อมในเรื่องของความปลอดภัยของระบบโดยรวม

ตัวควบคุมประมวลผล  (Controller ) 

เป็นแกนหลักของระบบควบคุมต่างๆ โดยจะได้รับข้อมูลประกอบการตัดสินใจมาจาก sensor กล่าวคือ controller จะนำข้อมูลที่ได้จาก sensor  (PV) มาเปรียบเทียบกับค่าคาดหวัง (Setpoint หรือ SP) แล้วทำการตัดสินใจสั่งให้อุปกรณ์ใน process กระทำอย่างใดอย่างหนึ่งเพื่อที่ลดค่าความต่างระหว่าง PV กับ Setpoint ให้มีช่วงกว้างลดลง (ลด error) โดยการไปควบคุม Manipulate Variable หรือ MV  ดูเพิ่มเติมในหัวข้อ PID Control with Process Control

Controller จะประมวลผลโดยการตัดสินใจตามชุดตรรกะในแบบต่างๆ ตัวอย่างเช่น ชุดตรรกะที่ได้ยินบ่อยๆ อย่าง PID โดยนำข้อมูลที่ได้รับมาประมวลผลตามชุดตรรกะที่โปรแกรมไว้ล่วงหน้านั้นๆ

Controller สามารถนำมาใช้เดี่ยวเป็นรายตัว หรือใช้แบบเป็นชุด แบบ Programmable Logic Controllers (PLC)  หรือ นำเอาไปรวมชุดเพิ่มขึ้น แล้วใช้ในระบบที่ใหญ่ขึ้นไปอีก ที่เรียกว่า DCS (Distributed Control System) หรือ SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition) ซึ่งจะสามารถประมวลผลข้อมูลการควบคุมแบบรวมศูนย์และสามารถเฝ้าสังเกตุการณ์ระบบกระบวนการต่างๆในอุตสาหกรรม ที่มีขนาดใหญ่และซับซ้อนได้

การเลือกใช้ชนิดของ controllerและ ตรรกะในการควบคุม process จะขึ้นอยู่กับความต้องการเฉพาะของแต่ละprocess ความแม่นยำของผลที่ต้องการ รวมทั้งสิ่งรบกวนและความไม่แน่นอนต่างๆที่มีผลกระทบต่อ process ด้วย ดังนั้นการออกแบบและปรับจูนตัว Controller จึงเป็นสิ่งจำเป็นสำหรับการทำ Process control เพราะจะส่งผลกระทบโดยตรงกับผลงานของระบบที่ทำได้

Actuator & Control Valve 

เป็นอุปกรณ์ควบคุม input ที่ป้อนเข้า Process  เป็นตัวปรับแต่ง input ให้เข้า process ตามที่ปริมาณ เงื่อนไขที่เราคาดการณ์ โดยอุปกรณ์ข้างต้นจะรับคำสั่งมาจาก Controller โดยปกติ Actuator จะใช้กับ Control valve แต่ก็สามารถใช้กับ Heater ได้ด้วย 

Control valve สามารถปรับอัตราการไหลของสื่อกลางกระบวนการ ( Process medium ) เช่น แก๊ส ของเหลว หรือ ไอน้ำ ซึ่งจะไปมีอิทธิพลต่อ ค่าความดัน อุณหภูมิ หรือ ระดับของเหลว

Control valve มี สองส่วนหลัก ได้แก่ ตัววาล์ว (Valve body) และ ชุดขับวาล์ว (Actuator)

Valve body จะเป็นตัวกำหนดทิศทางของการไหลของ Process medium โดย Valve body ในที่นี้รวมถึง Valve seat และ Valve plug ซึ่งช่วยเคลื่อนที่เพื่อควบคุมการไหลด้วย

ในขณะที่ Actuator จะเป็นอุปกรณ์ที่ ขับ Valve plug อีกที  โดยพลังงานที่เป็นแรงขับของ Actuator มาได้จากหลายแหล่งได้ แก่ ระบบ pneumatic ระบบ hydraulic หรือ ระบบไฟฟ้าในโรงงาน

การทำงานของ Control valve จะทำงานตามสัญญาณที่ได้รับมาจาก Controller โดย Controller จะคิดคำนวณค่า Action ที่จำเป็นและส่งสัญญาณไปที่ Actuator หลังจากนั้น Actuator จะ เคลื่อน Valve plug ไปที่ตำแหน่งที่ต้องการ เพื่อปรับอัตราการไหลของ Process medium

Control valve มีหลายชนิด แต่ละชนิดมีลักษณะการทำงานแตกต่างกัน เช่น

Globe vale ใช้เมื่อต้องการ ความแม่นยำในการควบคุมการไหล 

Butterfly valve ใช้เมื่อการไหล มีขนาดใหญ่  

ตัวเลือกการใช้ Control valve ขึ้นอยู่กับความต้องการเฉพาะในแต่ละกระบวนการ รวมถึง ช่วงค่าของตัวแปรกระบวนการที่รับได้ ( Process variable range ) ค่าความถูกต้องแม่นยำ และ สภาพแวดล้อมรอบๆ Process ด้วย

นอกจากนี้บทบาทของ Control valve ยังมีผลกับเรื่องความปลอดภัยด้วย เพราะสามารถใช้เป็นอุปกรณ์หยุดการไหล ของ Process medium ในกรณีที่เกิดอุบัติเหตุ หรือ ป้องกันอุบัติเหตุได้ด้วย 

การเลือก Control valve ที่ถูกต้องจึงมีผลโดยตรงต่อ ภาพรวมของการ ทำ Process control ทั้งในแง่ของประสิทธิภาพ และ ความปลอดภัย  

Reference & Article Reference

www.wevolver.com/article

www.realpars.com/blog

PID Control             PID Tuning         AZBIL Controller SDC36 AZBIL AZBIL Controller การตั้งค่า           Process Control Basic        ISA symbol           P&ID