โปรโตคอลการสื่อสารคืออะไร และเหตุใดจึงเป็นที่นิยมอย่างมาก

โปรโตคอลการสื่อสารกำหนดว่าอุปกรณ์ภาคสนาม เช่น เซ็นเซอร์ แอคชูเอเตอร์ หรือหุ่นยนต์ แลกเปลี่ยนข้อมูลกับคอนโทรลเลอร์ เช่น PLC หรือ Edge Computer ได้อย่างไร โปรโตคอลเหล่านี้ช่วยลดการเดินสายไฟ ประหยัดเวลาในการติดตั้ง และลดความเสี่ยงของข้อผิดพลาด พร้อมทั้งช่วยให้อุปกรณ์มีความอัจฉริยะและเชื่อถือได้มากขึ้น ด้วยโปรโตคอล อุปกรณ์ต่างๆ จะแบ่งปันข้อมูลการวินิจฉัย สถานะ I/O และข้อมูลประสิทธิภาพ เพื่อสนับสนุนการตรวจสอบระยะไกล การวิเคราะห์ที่ขับเคลื่อนด้วย AI บริการคลาวด์ และรูปแบบธุรกิจใหม่ๆ ที่ขับเคลื่อนประสิทธิภาพและนวัตกรรมบริการ

ประวัติโดยย่อของ PLC และโปรโตคอลการสื่อสาร

ในตอนแรก PLC อาศัยลิงก์อนุกรม RS232 เพื่อเชื่อมต่ออุปกรณ์ต่างๆ เช่น จอภาพหรือเครื่องพิมพ์ ในช่วงปลายทศวรรษ 1980 เทคโนโลยีฟิลด์บัสได้เข้ามาแทนที่การเดินสายแบบขนานที่ซับซ้อนด้วยการส่งสัญญาณดิจิทัล ซึ่งต่อมาได้มีการกำหนดมาตรฐานใน IEC 61158 นับตั้งแต่ 1999 เป็นต้นมา ระบบฟิลด์บัสที่หลากหลายได้รับการใช้กันอย่างแพร่หลาย โดยมี โปรโตคอลที่ใช้ อีเทอร์เน็ต ซึ่งเป็นโปรโตคอลแบบเรียลไทม์บางส่วน ที่เป็นรุ่นถัดไป ปัจจุบัน การเชื่อมต่อคลาวด์ ดาต้าเลค และการหลอมรวม IT/OT เป็นตัวกำหนดการสื่อสารทางอุตสาหกรรมยุคใหม่ โดยที่ความปลอดภัยกลายเป็นข้อกังวลหลัก

การหลอมรวม IT/OT เชื่อมต่อ Office Ethernet และ Industrial Ethernet

เทคโนโลยีสารสนเทศ (IT) จัดการข้อมูลและแอปพลิเคชัน เช่น ระบบข้อมูล คอมพิวเตอร์สำนักงาน และเครือข่าย เทคโนโลยีการปฏิบัติงาน (OT) เฝ้าติดตามและควบคุมอุปกรณ์ทางกายภาพ เช่น อุปกรณ์การผลิต การผสานรวม IT/OT จะบูรณาการทั้งสองเข้าด้วยกัน โดยมักจะใช้โปรโตคอลทั่วไป อย่างไรก็ตาม เทคโนโลยีมีความแตกต่างกัน: Industrial Ethernet ต้องทนทานต่อสภาพที่รุนแรงกว่า เช่น การสั่นสะเทือน ฝุ่น และความร้อน ซึ่งต้องใช้ความทนทานสูงกว่า ได้รับการออกแบบมาเพื่อป้องกันข้อผิดพลาดและตอบสนองต่อการหยุดชะงักได้อย่างรวดเร็ว โดยใช้โปรโตคอลที่สร้างขึ้นสำหรับอัตราข้อมูลสูง การจัดการการชน และที่สำคัญที่สุดคือ การสื่อสารแบบกำหนดได้ เพื่อให้แน่ใจว่าข้อมูลถูกส่งตรงเวลา และหลีกเลี่ยงความล้มเหลวในการผลิต
แต่เทคโนโลยี ชั้นนำ 10 ใดบ้างที่กำลังกำหนดรูปแบบของระบบอัตโนมัติในอุตสาหกรรมในปัจจุบัน

มาตรฐานฟิลด์บัสรุ่นที่ 1

มีการพัฒนาโปรโตคอลมากกว่า 30 รายการในยุคแรก แต่มาตรฐานต่างๆ เช่น Profibus, Interbus, CANopen, DeviceNet และ CC-Link ก็จำกัดขอบเขตเหลือผู้เล่นหลักเพียงไม่กี่รายในไม่ช้า

1 Profibus Profibus ได้รับการกำหนดมาตรฐานสากล (เช่น EN 50170) และใช้เชื่อมต่อคอนโทรลเลอร์ เซ็นเซอร์ และแอคชูเอเตอร์ รูปแบบต่าง ๆ เช่น Profibus DP และ PA ตอบสนองความต้องการระบบอัตโนมัติที่แตกต่างกัน เป็นหนึ่งในโปรโตคอลระบบอัตโนมัติยุคแรกที่มีการใช้งานอย่างแพร่หลายที่สุด

2 Interbus Interbus ซึ่งเป็นมาตรฐานอุตสาหกรรมยุคแรก เชื่อมต่ออุปกรณ์ในโทโพโลยีแบบวงแหวนเพื่อการส่งข้อมูลที่รวดเร็วและเชื่อถือได้ในสภาพแวดล้อมทางอุตสาหกรรม

3 CANopen และ 4 DeviceNet ทั้งสองอย่างใช้พื้นฐาน CAN ซึ่งเดิมได้รับการพัฒนาสำหรับการสร้างเครือข่ายในยานยนต์ DeviceNet ช่วยให้สามารถบูรณาการได้ง่ายและรวดเร็ว ซึ่งเป็นที่นิยมในสหรัฐอเมริกา ขณะที่ CANopen นำเสนอความยืดหยุ่นที่มากกว่าและคุณสมบัติการจัดการขั้นสูง

5 CC-Link CC-Link เป็นโอเพนฟิลด์บัสความเร็วสูงแบบเรียลไทม์ที่ใช้กันอย่างแพร่หลายและได้รับการกำหนดมาตรฐานในเอเชีย

ระบบ Fieldbus ที่ใช้ Ethernet รุ่นที่ 2

6 Profinet Profinet ถูกใช้กันอย่างแพร่หลายในระบบอัตโนมัติทางอุตสาหกรรมเนื่องจากมีประสิทธิภาพสูง ความสามารถในการปรับขนาด และความเข้ากันได้กับอีเทอร์เน็ต รองรับการถ่ายโอนข้อมูลแบบมาตรฐาน TCP/IP, เรียลไทม์ (RT) และเรียลไทม์แบบไอโซโครนัส (IRT) ซึ่งเหมาะสำหรับการใช้งานที่ซับซ้อนและมีความสำคัญด้านเวลา Profinet ยังช่วยให้อุตสาหกรรม 4.0 เป็นจริงได้ด้วยการบูรณาการระบบอัตโนมัติเข้ากับระบบ IT ซึ่งสนับสนุนการวินิจฉัย การกำหนดค่า และการบำรุงรักษา

7 EtherNet/IP EtherNet/IP ถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในระบบอัตโนมัติทางอุตสาหกรรมสำหรับความสามารถในการทำงานร่วมกัน ความสามารถในการปรับขนาด และการพึ่งพามาตรฐานอีเทอร์เน็ต (TCP/IP) สร้างขึ้นบนโปรโตคอล Common Industrial Protocol (CIP) โดยนำเสนอเฟรมเวิร์กการสื่อสารที่สม่ำเสมอสำหรับอุปกรณ์ต่างๆ เช่น เซ็นเซอร์ แอคชูเอเตอร์ และคอนโทรลเลอร์ รองรับทั้งการสื่อสารแบบเรียลไทม์และไม่เรียลไทม์ จึงเหมาะสำหรับการใช้งานตั้งแต่การควบคุมง่ายๆ ไปจนถึงการผลิตที่ซับซ้อน

8 EtherCAT EtherCAT (Ethernet for Control Automation Technology) เป็นฟิลด์บัสอีเทอร์เน็ตประสิทธิภาพสูงแบบเรียลไทม์ที่ออกแบบมาสำหรับระบบอัตโนมัติทางอุตสาหกรรม EtherCAT ประมวลผลข้อมูลในทันทีขณะที่เฟรมเคลื่อนผ่านอุปกรณ์ ซึ่งช่วยลดความล่าช้าและเพิ่มประสิทธิภาพสูงสุด EtherCAT เป็นที่รู้จักในด้านความหน่วงต่ำ การซิงโครไนซ์ที่แม่นยำ และความสามารถในการปรับขนาด จึงเหมาะอย่างยิ่งสำหรับการควบคุมการเคลื่อนไหว หุ่นยนต์ และการผลิตความเร็วสูง

9 Powerlink Powerlink เป็นโปรโตคอลอีเทอร์เน็ตแบบเปิดและเรียลไทม์สำหรับระบบอัตโนมัติทางอุตสาหกรรม ซึ่งนำเสนอการสื่อสารแบบกำหนดเวลาได้และมีความเร็วสูง ใช้กลไกหลัก-รองที่กำหนดเวลาไว้ เพื่อให้มั่นใจในการแลกเปลี่ยนข้อมูลที่แม่นยำด้วยความหน่วงและ Jitter ต่ำ ซึ่งเหมาะสำหรับงานต่างๆ เช่น การควบคุมการเคลื่อนไหวและหุ่นยนต์

10 CC-Link IE CC-Link IE เป็นโอเพนฟิลด์บัสที่ใช้ อีเทอร์เน็ต ความเร็วสูง ซึ่งพัฒนาโดย CC-Link Partner Association โปรโตคอลนี้นำเสนอความเร็วระดับกิกะบิตและการสื่อสารแบบเรียลไทม์และกำหนดเวลาได้สำหรับระบบอัตโนมัติทางอุตสาหกรรม มีการใช้งานอย่างแพร่หลายในเอเชีย โดยช่วยให้สามารถรวมอุปกรณ์เข้าด้วยกันได้อย่างราบรื่นผ่านเครือข่ายที่ซับซ้อน และสนับสนุนการใช้งานในอุตสาหกรรม 4.0 เช่น โรงงานอัจฉริยะและ IIoT

รุ่นที่ 3 ที่ใช้ IT/OT, IoT/IIoT และเทคโนโลยีที่ใช้คลาวด์

นอกเหนือจากโปรโตคอลระบบอัตโนมัติทางอุตสาหกรรม 10 อันดับแรก ยังมีส่วนเพิ่มเติมที่สำคัญอีกสี่รายการที่โดดเด่น

• ModbusTCP Modbus TCP เป็นโปรโตคอลอีเทอร์เน็ตที่เรียบง่าย เปิด และเข้ากันได้อย่างกว้างขวางสำหรับงานที่ไม่สำคัญด้านเวลา เป็นที่นิยมสำหรับการเฝ้าติดตามและการควบคุม โดยรองรับทั้งระบบดั้งเดิมและระบบสมัยใหม่ แม้ว่าจะไม่เป็นแบบเรียลไทม์ แต่ความง่ายในการใช้งานและความสามารถในการทำงานร่วมกันทำให้โปรโตคอลนี้มีความสำคัญสำหรับการบูรณาการ SCADA และ อุตสาหกรรม 4.0
• OPC-UA OPC UA (Open Platform Communications Unified Architecture) เป็นสถาปัตยกรรมที่ไม่อิงแพลตฟอร์มและมุ่งเน้นบริการ สำหรับการแลกเปลี่ยนข้อมูลที่ปลอดภัยและเชื่อถือได้ในระบบอัตโนมัติทางอุตสาหกรรม กุญแจสำคัญของ อุตสาหกรรม 4.0 และ IIoT ช่วยให้การบูรณาการ IT/OT เป็นไปอย่างราบรื่นด้วยความสามารถในการปรับขนาด ความปลอดภัย และการรองรับข้อมูล เหตุการณ์ และการเข้าถึงข้อมูลย้อนหลังที่ซับซ้อน OPC UA ส่งเสริมการสื่อสารที่ไม่ขึ้นอยู่กับผู้ขายและสถาปัตยกรรมที่ยืดหยุ่น ซึ่งขับเคลื่อนนวัตกรรมโรงงานอัจฉริยะ วิวัฒนาการแบบเรียลไทม์ของโปรโตคอลนี้คือ OPC UA over TSN (Time-Sensitive Networking)
• MQTT MQTT เป็นโปรโตคอลการรับส่งข้อความแบบ Publish-Subscribe ที่มีน้ำหนักเบา ซึ่งออกแบบมาสำหรับการสื่อสารที่มีประสิทธิภาพในเครือข่ายที่มีข้อจำกัดหรือไม่น่าเชื่อถือ ใช้กันอย่างแพร่หลายใน IoT และระบบอัตโนมัติทางอุตสาหกรรม โดยช่วยให้สามารถแลกเปลี่ยนข้อมูลแบบเรียลไทม์ แบนด์วิดท์ต่ำ และเชื่อถือได้ระหว่างเซ็นเซอร์ อุปกรณ์ และแพลตฟอร์มคลาวด์ MQTT รองรับการสื่อสารที่ปรับขนาดได้และปลอดภัย และการบูรณาการอุปกรณ์ Edge เข้ากับระบบองค์กรได้อย่างราบรื่น ทำให้มีความสำคัญต่ออุตสาหกรรม 4.0และการผลิตอัจฉริยะ
• IO-Link® IO-Link® เป็นโปรโตคอลแบบ Point-to-Point แบบเปิดและได้มาตรฐาน ซึ่งเชื่อมต่อเซ็นเซอร์และแอคชูเอเตอร์เข้ากับระบบอัตโนมัติ ช่วยให้สามารถสื่อสารได้แบบสองทิศทางสำหรับข้อมูลกระบวนการ การวินิจฉัย และการกำหนดค่าผ่านสายไฟ DC 24 V แบบธรรมดาได้ IO-Link® ช่วยเสริมสร้างโรงงานอัจฉริยะด้วยการปรับปรุงความโปร่งใสของอุปกรณ์ การบำรุงรักษาเชิงคาดการณ์ และการผลิตที่ยืดหยุ่น ความง่ายในการใช้งาน ความสามารถในการทำงานร่วมกัน และความคุ้มค่า ทำให้มีการนำมาใช้อย่างแพร่หลายสำหรับการจัดการระบบอัตโนมัติและอุปกรณ์ที่มีประสิทธิภาพ

โปรโตคอลการสื่อสารในโรงงานอัจฉริยะ

โรงงานอัจฉริยะใช้เทคโนโลยีดิจิทัล ระบบอัตโนมัติ และการแลกเปลี่ยนข้อมูล เพื่อสร้างการผลิตที่ยืดหยุ่น มีประสิทธิภาพ และเชื่อมโยงถึงกัน โรงงานอัจฉริยะบูรณาการ IoT, AI, หุ่นยนต์, บิ๊กดาต้า และระบบไซเบอร์-กายภาพ สำหรับการเฝ้าติดตามแบบเรียลไทม์ การตัดสินใจด้วยตนเอง และการสื่อสารที่ราบรื่นระหว่างเครื่องจักร ระบบ และมนุษย์ โปรโตคอลการสื่อสารรุ่นที่ 2 และ 3 เป็นรากฐานทางเทคนิคสำหรับการวิเคราะห์ข้อมูลและรูปแบบธุรกิจใหม่ สถาบันต่างๆ เช่น โรงเรียนธุรกิจและมหาวิทยาลัยใช้โรงงานไซเบอร์-กายภาพจาก Festo Didactic เพื่อฝึกอบรมเกี่ยวกับเทคโนโลยีเหล่านี้

ผลิตภัณฑ์อัจฉริยะ

ผลิตภัณฑ์อัจฉริยะคือสินค้าทางกายภาพที่ได้รับการปรับปรุงด้วยเซ็นเซอร์ ซอฟต์แวร์ การเชื่อมต่อ และความอัจฉริยะ เพื่อรวบรวม ประมวลผล และแลกเปลี่ยนข้อมูล สิ่งนี้ช่วยให้มีคุณสมบัติต่างๆ เช่น การเฝ้าติดตามระยะไกล การวินิจฉัยตนเอง พฤติกรรมที่ปรับตัวได้ และการบูรณาการเข้ากับระบบนิเวศดิจิทัล ตัวอย่างในช่วงแรก ได้แก่ Festo Motion Terminal VTEM, โมดูลประสิทธิภาพพลังงาน (MSE6-E2M) และเทอร์มินัลวาล์วอัจฉริยะ (CPX/MPA, CPX/VTSA, VTUX) ที่รองรับ MQTT และ OPC UA แอป AI อุตสาหกรรม Festo AX ช่วยให้สามารถวิเคราะห์ขั้นสูงได้แม้กระทั่งสำหรับผู้ใช้ที่ไม่มีความเชี่ยวชาญด้าน AI

บทสรุปและข้อเสนอแนะ

โรงงานและผลิตภัณฑ์อัจฉริยะเป็นแกนหลักของ อุตสาหกรรม 4.0 ซึ่งขับเคลื่อนผลิตภาพ ลดเวลาหยุดทำงาน ปรับปรุงคุณภาพ และเร่งการตอบสนองต่อตลาด สิ่งเหล่านี้ช่วยให้สามารถผลิตได้อย่างยั่งยืน ส่งเสริมนวัตกรรม และปลดล็อกรูปแบบธุรกิจใหม่ ๆ
Edge computer, PLC และโปรโตคอลการสื่อสารขั้นสูง ช่วยให้วิศวกรมีเครื่องมือในการสร้างรากฐานที่แข็งแกร่งสำหรับการวิเคราะห์ข้อมูลที่มีประสิทธิภาพและโซลูชันที่พร้อมสำหรับอนาคต ผู้นำด้านนวัตกรรมเช่น Festo เร่งแนวโน้มนี้ด้วยการนำเสนอโซลูชันแบบครบวงจรที่ครอบคลุม