สัญญาณมาตรฐานเพื่อสื่อสารข้อมูลของระบบคอมพิวเตอร์ (บทความ) โดย ดร.ยุทธพงศ์ ทัพผดุง และ อาจารย์สุรัตน์ ศรีน้อย

   ปัจจุบันกระบวนการผลิตต่างๆจำเป็นต้องใช้เครื่องวัดและควบคุมต่างๆ ซึ่งในการติดต่อสื่อสารระหว่างเครื่องมือวัดและควบคุมหรือคอมพิวเตอร์นั้นก็จะมีสัญญาณมาตรฐานเพื่อให้อุปกรณ์ดังกล่าวสามารถติดต่อสื่อสารกันได้อย่างมีประสิทธิภาพสูงสุด แต่ถึงอย่างไรก็ตามสัญญาณมาตรฐานต่างๆก็มีคุณลักษณะที่แตกต่างกันและมีข้อดีข้อเสียที่ต่างกันไป ดังนั้นบทความนี้จะเป็นการนำเสนอสัญญาณมาตรฐานที่มีใช้อยู่ในปัจจุบัน คือ แรงดันไฟฟ้า,กระแสไฟฟ้า และ แสง เพื่อให้ท่านผู้อ่านเข้าใจถึงคุณสมบัติและการเลือกสัญญาณมาตรฐานเพื่อใช้งานที่เหมาะสมกับสภาวะแวดล้อมและประเภทงานของคุณ

ในการเลือกสัญญาณเพื่อส่งข้อมุลการวัดของเครื่องมือหรืออุปกรณ์ต่างๆไปยังระบบคอมพิวเตอร์นั้นจะมีปัจจัยหลายอย่างที่ควรพิจารณา แต่ถึงอย่างไรก็ตามการส่งข้อมูลต่างๆนั้นจะต้องไม่มีความไว (Insensitive) กับสัญญาณรบกวนทางไฟฟ้า

สัญญาณมาตรฐานแรงดันไฟฟ้า

โดยทั่วไปแล้วสายเคเบิลไฟฟ้าได้มีการแสดงค่าความต้านทานต่อหน่วยความยาวของสายเคเบิลนั้นๆซึ่งถ้าอิมพีแดนซ์ของอินพุทของตัวรับสัญญาณไม่มีค่าสูงเป็น Infinite ก็จะทำให้เกิดกระแสไฟฟ้าไหลในสายเคเบิลไฟฟ้าและมีผลทำให้เกิดแรงดันไฟฟ้าตกคร่อมในสานเคเบิล และเมื่อมีการเปลี่ยนแปลงระดับสัญญาณก็จะทำให้เกิดค่า Capacitive Current ระหว่างตัวนำของเคเบิลไฟฟ้า สำหรับแรงดันไฟฟ้าที่เกิดตกคร่อมในสายเคเบิลนั้นเราก็สามารถคำนวณได้ ดังนั้นความต้องการที่จะได้อินพุทของตัวรับสัญญาณที่มีค่าความต้านทานเป็น Infinite ก็จะทำให้มีความไวต่อสัญญาณรบกวนทางไฟฟ้าสูงเช่นกันเพราะฉะนั้น การใช้สัญญาณมาตรฐานที่เป็นแรงดันไฟฟ้าเพื่อส่งข้อมูลจึงจะไม่เหมาะสมอย่างยิ่งที่จะใช้ในสภาวะหรือสถานที่ที่มีสิ่งรบกวนทางไฟฟ้าที่สูง

สัญญาณมาตรฐานแรงดันไฟฟ้าที่ใช้ในอุตสาหกรรมนั้นส่วนใหญ่จะไม่นิยมใช้สายเคเบิลที่ที่มีความยาวมากและมีสัญญาณรบกวนทางไฟฟ้าที่สูง ดังนั้นจากเหตุผลดังกล่าวสัญญาณมาตรฐานแรงดันไฟฟ้าจึงได้มีการนิยมไปประยุกต์ใช้ในงานของเครื่องมือหรืออุปกรณ์ต่างๆสำหรับขยายสัญญาณ,การกรองสัญญาณ และรูปแบบการประมวลผลของสัญญาณต่างๆ และถ้ามีตัวรับสัญญาณหลายชุดที่ต้องการข้อมูลที่ถูกส่งด้วยสัญญาณมาตรฐานแรงดันไฟฟ้าเพียงสัญญาณเดียวก็สามารถทำได้ง่ายโดยดำเนินการต่อขนานกันได้เลย และที่สำคัญระดับสัญญาณมาตรฐานแรงดันไฟฟ้าจะมีหลายระดับเพื่อส่งข้อมูลดังได้แสดงดังต่อไปนี้โดยอ้างอิง IEC 381

+1 to +5 V

0 to +5 V

 

0 to +10 V

 

-10 to +10 V

สัญญาณมาตรฐานกระแสไฟฟ้า

การส่งสัญญาณหรือข้อมูลที่มีระยะทางไกลมากๆนั้นสัญญาณมาตรฐานกระแสไฟฟ้าก็เป็นทางเลือกที่ดีที่ทางหนึ่งมากกว่าการใช้สัญญาณมาตรฐานแรงดันไฟฟ้าเพื่อส่งข้อมูล เหตุผมก็เนื่องจากค่ากระแสไฟฟ้าก็จะยังมีค่าคงที่เมื่อไหลผ่านสายเคเบิล แต่ขณะที่แรงดันไฟฟ้าจะเกิดการตกคล่อมที่สายเคเบิลและจะเกิดขึ้นมากหรือน้อยก็จะขึ้นอยู่กับระยะทางหรือความยาวของสายเคเบิล และเมื่อถึงปลายของวงจรนั้นสัญญาณมาตรฐานกระแสไฟฟ้าก็จะถุกแปลงไปเป็นค่าแรงดันไฟฟ้าโดนค่าความต้านทานขนานที่มีค่าความถูกต้องสูง(High precision shunt resistor) ดังรูปที่ 1

 

 

 

รูปที่ 1

การส่งข้อมูลแบบอนาล็อก ด้วย Current loop จะเริ่มต้นด้วยชุดแปลงแรงดันไฟฟ้าเป็นกระแสไฟฟ้า

โดยสามารถส่งข้อมูลได้ไกลหลายร้อยเมตรและสุดท้ายก็จะมี Shunt Resistance มีค่าเท่ากับ 250 โอห์ม

 

เพื่อแปลงค่ากระแสไฟฟ้าเป็นค่าแรงดันที่ถูกต้อง

สำหรับการส่งข้อมูลด้วยสัญญาณมาตรฐานกระแสไฟฟ้านั้นตัวรับสัญญาณในอุดมคติจะมีค่าอิมพีแดนซ์มีค่าเป็น 0 และในความเป็นจริงนั้นค่าอิมพีแดนซ์สามารถหาได้โดยค่า Shunt resistor ซึ่งโดยทั่วไปแล้วจะมีค่าอยู่ประมาณ 200-300 โอห์ม สำหรับค่ากระแสไฟฟ้า 20 mA ค่า Shunt resistances จะเป็น 250 โอห์ม โดยจะมีค่าแรงดันตกคร่อมเป็น 5 โวล์ท ถ้าสัญญาณแหล่งจ่ายเอาท์พุทมีค่าอิมพีแดนซ์สูง ก็จะทำให้การเกิดสิ่งรบกวนขึ้นก็คือทำให้ค่าแรงดันตกคร่อมที่ shunt resistor มีค่าลดลงเล็กน้อยแต่สิ่งที่เกิดขึ้นดังกล่าวก็สามารถย่อมรับได้

การส่งข้อมูลด้วยกระแสไฟฟ้านั้นส่วนใหญ่จะให้สำหรับสัญญาณความถี่ต่ำ(สูงจนถึง 10 Hz) โดยเอาท์พุทของเซนต์เซอร์จะเป็นแรงดันไฟฟ้าและถูกแปลง(วงจร Op-Amp)เป็นกระแสไฟฟ้าและจากข้างต้นจึงสามารถสร้างโพรบเซนต์เซอร์ที่มีการกระตุ้นด้วยสัญญาณไฟฟ้าแยกกับสายสัญญาณดังรูปที่ 2 และที่ค่ากระแสมีค่าคงที่และมีการแยกในทางอุดมคติ ดังนั้นค่ากระแสทั้งหมดจากแหล่งจ่ายจึงสามารถไหลไปยังตัวรับได้ทั้งหมดโดยไม่มีผลกระทบจากค่าความต้านทานในสายเคเบิล แต่เมือมีการเปลี่ยนแปลงระดับการไหลของกระแสไฟฟ้าก็จะทำให้เกิดผลกระทบจาก Capacitiveขึ้นและทำให้เกิดการสูญเสียกระแสไฟฟ้าในสายเคเบิลขึ้นทั้งในส่วนของสายเคเบินที่ให้กระแสไฟฟ้าไหลย้อนกลับและสายดิน และมาตรฐาน IEC 381 ได้แน่นำให้ใช้ระดับสัญญาณมาตรฐานกระแสไฟฟ้าในย่านระหว่าง 4-20 mA ซึ่งการกำหนดเช่นนี้ก็เพื่อว่าถ้าเกิดสายเคเบิลขาดหรือหลุดซึ่งเป็นสภาวะผิดปกติ(กระแสไฟฟ้าที่มีค่าเป็น 0 mA)ทำให้เราสามารถตรวจสอบสถานะของระบบได้

 

 

รูปที่ 2

เซนต์เซอร์กับสัญญาณกระแสไฟฟ้าเอาท์พุท และสายเคเบิลเพื่อส่งข้อมูล 2 เส้นซึ่งมีการกระตุ้นด้วย

สัญญาณไฟฟ้าแยกจากโพรบ

 

 

ข้อได้เปรียบของการส่งข้อมูลด้วยสัญญาณมาตรฐานกระแสไฟฟ้าก็คือกำลังไฟฟ้าและสัญญาณสามารถถูกส่งด้วยสายชุดเดียวกัน ซึ่งจะใช้สายตัวนำเพียง 2 เส้นเท่านั้น แต่ในทางตรงกันข้ามการส่งข้อมูลด้วยสัญญาณมาตรฐานแรงดันไฟฟ้าจำเป็นต้องใช้สายตัวนำอย่างน้อย 3 เส้น เมื่อกระแสไฟฟ้าอยู่ใน Loop จะมีค่ากระแสไฟฟ้าเท่ากับผลรวมของกระแสไฟฟ้าสำหรับเป็นแหล่งจ่ายไฟฟ้าและกระแสเพิ่มเติมขึ้นมาเล็กน้อยเพื่อว่าใน Loop นั้นสามารถมีค่าเพียงพอสำหรับการวัดค่าดังกล่าว ดังนั้นการกำหนดค่าสัญญาณกระแสไฟฟ้าในย่านระหว่าง 4 ถึง 20 mA นั้นจะทำให้เมื่อค่ากระแสไฟฟ้ามีค่าต่ำกว่า 4 mA การวัดก็จะแสดงการเกิดความผิดพลาดขึ้น

ระบบการวัดที่ได้ใช้สัญญาณมาตรฐานกระแสไฟฟ้าและมีการแยกโพรบอิสระจากสัญญาณเอาท์พุทนั้นมีข้อได้เปรียบหลายข้อดังนี้

 

    • สามารถให้กับระบบส่งข้อมูลที่ใช้สายเคเบิลที่มีความยาวมากได้
    • ง่ายสำหรับการตรวจสอบสอบความผิดพลาดเช่นเมื่อวัดค่ากระไฟฟ้าได้ 0 mA ขึ้นอาจจะแสดงว่าเซนต์เซอร์ไม่มีการ On line อยู่หรือไม่มีการวัดสัญญาณขึ้น
    • ป้องกันการรบกวนจากสัญญาณไฟฟ้าภายน้องได้ดี
    • ใช้สายเคเบิลเพียง 2 เส้นซึ่งทำให้ลดค่าใช้จ่ายได้มาก

 

การส่งสัญญาณด้วยแสง

ถ้าสัญญาณแรงดันไฟฟ้าถูกแปลงเป็นสัญญาณ Pulse จากการกระทำดังกล่าวก็จะทำให้เกิดสัญญาณรบกวนขึ้น แต่อย่างไรก็ตามค่า Bandwidth ของสัญญาณก็จะต่ำกว่าสำหรับการใช้เทคนิคแบบอนาล็อก ซึ่งข้อจำกัดที่จะเกิดขึ้นในลำดับความถี่หลายร้อน Hertz ดังนั้นการส่งข้อมูลโดยใช้ไฟเบอร์ออฟติกจึงได้มีการนำมาประยุกต์ใช้ในระบบการวัดของระบบสื่อสารและโทรคมนาคมเป็นอย่างมาก โดยจะใช้ไดโอดเปล่งแสง(Light-emitting diode, LED) ซึ่งสัญญาณดิจิตอลจะถูกแปลงให้เป็น Pulse ของแสงและส่งผ่านสายใยแก้วนำแสง เมื่อถึงปลายทางหรือตัวรับสัญญาณ Pulseของแสง ก็จะถูกแปลงกลับเป็นสัญญาณดิจิตอลโดยใช้ Phototransistors

การส่งข้อมูลด้วยแสงนั้นทำให้รอดพ้นการรบกวนจากสนามแม่เหล็กและสนามไฟฟ้า จากการส่งข้อมูลในรูปแบบนี้ไม่เพียงแต่จะมีความเหมาะสมกับการส่งข้อมูลมีระยะทางไกลๆ(มากกว่า 1 กิโลเมตร)แต่ยังสามารถอยู่ในสภาวะแวดล้อมที่ยากต่อการวัดได้ดีเช่นการติดตั้งใกล้กับมอเตอร์ไฟฟ้าและตัวแปลงความถี่ ดังนั้นการใช้วิธีการส่งข้อมูลด้วยแสงมิได้มีการนิยมใช้เนื่องจากปริมาณการส่งข้อมูลเป็นหลักแต่จะเนื่องจากปราศจากสิ่งรบกวนต่างๆจากภายนอกได้ดี

 

สรุป

การส่งข้อมูลเพื่อควบคุมกระบวนการต่างๆในระบบเครื่องมือวัดและควบคุมในงานอุตสาหกรรมนั้นจะเห็นได้ว่าจะมีมาตรฐานการส่งข้อมูลหลายรูปแบบดังได้อธิบายข้างต้น ซึ่งแต่ละรูปแบบก็จะมีข้อได้เปรียบเสียเปรียบที่แตกต่าง ดังนั้นถ้าท่านอ่านมีความเข้าใจหลักการเบื้องต้นและจุดเด่นจุดด้อยของมาตรฐานการส่งข้อมูลแต่ละรูปแบบก็จะทำให้ท่านสามารถออกแบบ,วิเคราะห์,ป้องกันและแก้ไขปัญหาที่เกิดขึ้นในกระบวนการของท่านได้อย่างถูกต้องและรวดเร็ว สวัสดีครับ

เรียบเรียงจาก :

 - OLSSON, G. and PIANI, G., “Computer System for Automation and Control,” Prentice Hall, 1992

                 **สงวนลิขสิทธิ์ ตาม พ.ร.บ.ลิขสิทธิ์ ห้ามลอกเลียนแบบหรือทำซ้ำไม่ว่าส่วนใดส่วนหนึ่ง นอกจากจะได้รับอนุญาต