[บทความ] จากระบบสายสัญญาณแบบ Multi-Bus เป็นรูปแบบที่สอดคล้องกับ AIDA

แนวคิดที่ต่อเนื่องสำหรับระบบสายเคเบิลของทั้งพลังงาน สัญญาณและข้อมูล จะประกอบไปด้วยหัวต่อ V14 2 รูปแบบสำหรับใช้กับข้อมูลและสัญญาณ กับหัวต่อ Push-Pull Power สำหรับพลังงาน

ด้วยระบบการติดตั้งสำหรับการส่งผ่านพลังงาน สัญญาณและข้อมูลต่างๆ ในอุตสาหกรรมยานยนต์ ทำให้ผู้ใช้สามารถเลือกได้ระหว่างการใช้สายทองแดง (Copper Wire Bus) หรือสายใยแก้วนำแสง (Fiber Optic Bus) ซึ่งชุดอุปกรณ์ที่เหมาะสมสำหรับแต่ละประเภทตามมาตรฐาน Profinet นั้นจะถูกกำหนดไว้ในมาตรฐานการติดตั้งและถูกออกแบบมาตาม AIDA อยู่แล้ว


วงการอุตสาหกรรมยานยนต์ได้นำหุ่นยนต์ที่มีระดับการโหลดสูงๆ และมีความแม่นยำในการทำงานซ้ำๆ มากมาใช้ในการเชื่อม (Spot Welding) ผลิตตัวถังรถยนต์มาเป็นเวลาหลายปีแล้ว โดยหุ่นยนต์ที่มีความแม่นยำสูงเหล่านี้จะมีเซ็นเซอร์และ Actuator อยู่เป็นจำนวนมาก เพื่อให้มันสามารถทำงานได้อย่างแม่นยำและรวดเร็ว อย่างเช่นในการเชื่อมจุดที่ตัวถังรถยนต์เป็นต้น ซึ่งเครื่องมือที่สำคัญในการทำงานดังกล่าวนี้ก็คือ คีมเชื่อมของหุ่นยนต์ที่จะต้องได้รับทั้งพลังงานไฟฟ้า สัญญาณ น้ำระบายความร้อนหรือลมอัดมาเพื่อให้สามารถทำงานได้ ซึ่งการส่งผ่านสิ่งต่างๆ ข้างต้นนั้นจะทำผ่านชุดสายสัญญาณ 3 ชุดที่มีสายท่อต่างๆ อยู่ภายใน โดยชุดแรกจะเชื่อมต่อระหว่างแผงสวิทช์กับฐานของหุ่นยนต์ ชุดที่สองเชื่อมต่อระหว่างฐานของหุ่นยนต์กับแกนทั้งสามและชุดที่สามจะเชื่อมต่อระหว่างแกนกับส่วนหัวของหุ่นยนต์
             
เนื่องจากหุ่นยนต์จะมีพื้นที่จำกัด ดังนั้นการจะใช้สายท่อแยกต่างหากจึงไม่เพียงพอต่อการส่งผ่านพลังงาน สัญญาณและข้อมูลแต่ละอย่าง ดังนั้นจึงได้มีการรวม “เส้นเลือด”ทั้งสามของหุ่นยนต์เข้าไว้ด้วยกันเป็นระบบสายแบบ Multi-Bus แล้วใช้หัวต่อแบบ M23 ติดไว้ที่ปลายทุกๆ ด้าน ซึ่งด้วยวิธีนี้ทำให้ไม่จำเป็นต้องติดตั้งสาย Field Bus พิเศษตามความต้องการของลูกค้าไว้ในตัวหุ่นยนต์อีกต่อไปและผู้ใช้ก็สามารถเลือกใช้สายตาม FieldBus ที่มีอยู่ในระบบการผลิตได้เลย นอกจากนั้นด้วยสาย Multi-Busยังทำให้สามารถสร้างมาตรฐานการวางสายของหุ่นยนต์ขึ้นมาได้ด้วย

รูปที่ 1: ระบบการติดตั้งอย่างต่อเนื่องระบบแรกสำหรับส่งผ่านพลังงาน
สัญญาณและข้อมูลในการผลิตรถยนต์ (AIDA)

ลดรูปแบบ ด้วยสายสัญญาณเส้นเดียวสำหรับระบบ Field Bus ที่ใช้บ่อย              
ด้วยสายสัญญาณเดียวสำหรับระบบ Field Bus ที่ใช้บ่อย ทำให้ผู้ผลิตหุ่นยนต์สามารถลดรูปแบบของชุดสายลงไปได้ เพราะเพียงแค่สายเส้นเดียวและหัวต่อเดียวก็สามารถส่งผ่านทั้งพลังงาน สัญญาณและข้อมูลทั้งหมดได้ วิธีนี้ทำให้ระบบสายภายในหุ่นยนต์เป็นมาตรฐานเดียวกันหมดและไม่ขึ้นอยู่กับระบบ Filed Bus ที่ใช้ในระบบการผลิตด้วย นอกจากนี้การใช้งานที่ง่ายขึ้นและการจัดเก็บที่ลดลง ก็ยังทำให้สามารถลดต้นทุนการผลิตลงไปได้อีก ถึงแม้ว่าราคาของสายสัญญาณแบบ Multi-Bus จะสูงกว่าสายแบบปกติแบบเดิมเล็กน้อย แต่ก็สามารถชดเชยได้ด้วยข้อได้เปรียบของการเป็นมาตรฐานเดียวกันได้ แต่อย่างไรก็ตาม ระบบดังกล่าวนี้ก็ยังคงมีข้อด้อยอยู่ด้วยเหมือนกันกล่าวคือ การรวมสายเข้าด้วยกันของหัวต่อ M23 ที่มีอยู่ 3 รูปแบบ (A1, D6, F6) โดยมีลักษณะรูปแบบ Pin ที่แตกต่างกัน 4 แบบ (9, 12, 16, 17) นั้นจะใช้เวลาค่อนข้างนานและมีราคาแพง เช่นเดียวกับการรวมสายที่หน้างานก็มักจะมีปัญหา ใช้เวลานานและอาจจะมีข้อผิดพลาดเกิดขึ้นได้
             
นอกจากนั้นจากมาตรการการวิเคราะห์และควบคุมคุณภาพยังทำให้มีความต้องการใหม่ๆ เกี่ยวกับคุณสมบัติของสายสัญญาณเกิดขึ้นอีก นั่นคือความเร็วในการส่งผ่านข้อมูลที่เพิ่มขึ้นและจะต้องเชื่อถือได้ด้วย ซึ่งองค์กรผู้ใช้ Profibus (PI) ได้ศึกษาและหาแนวทางเพื่อตอบสนองความต้องการดังกล่าว จนในที่สุดก็ได้พัฒนามาตรฐาน Profinet ตัวใหม่ขึ้นมา
             
เนื่องจากความต้องการทางด้านระบบสายสัญญาณของหุ่นยนต์มีลักษณะที่พิเศษกว่า ทำให้ผู้ผลิตรถยนต์ชั้นนำของประเทศเยอรมนีอย่างเช่น Volkswagen, Audi, Porsche, Daimler และ BMW ได้รวมตัวกันเป็นกลุ่ม Automation Initiative of German Domestic Automobile Manufactors หรือที่เรียกสั้นๆ ว่า AIDA ขึ้นมา เพื่อกำหนดมาตรฐานสำหรับเทคโนโลยีระบบอัตโนมัติในการผลิตรถยนต์ ภายใต้แนวความคิด ในการวางสายสัญญาณสำหรับสายการผลิตรถยนต์ที่สอดคล้องกับ AIDA ขึ้นมา ด้วยการใช้มาตรฐานจาก Profinet เพื่อเป็นมาตรฐานสำหรับระบบสายในหุ่นยนต์ต่อไป


 ระบบติดตั้งต่อเนื่องสำหรับการส่งผ่านข้อมูลและพลังงาน
ที่ผ่านมาทั้งผู้ผลิตหุ่นยนต์และผู้ใช้ในภาคอุตสาหกรรมยานยนต์ยังไม่มีแนวความคิดเรื่องการวางสายต่อเนื่อง ที่สามารถส่งผ่านได้ทั้งพลังงาน สัญญาณและข้อมูลในการผลิตรถยนต์ให้ใช้งานได้ตามมาตรฐาน AIDA ตัวใหม่ ดังนั้นกลุ่มผู้ผลิตใน AIDA จึงได้ช่วยกันกำหนดการวางสายอย่างต่อเนื่องขึ้นมาสำหรับอนาคต โดยมีการกำหนดความต้องการสำหรับระบบติดตั้งของการวางสายในหุ่นยนต์ไว้อย่างชัดเจนดังนี้

- ต้องมีความทนทานและเหมาะกับการใช้ในงานของภาคอุตสาหกรรม
- ต้องถูกออกแบบมาอย่างต่อเนื่องและเป็นไปตามมาตรฐานระบบสายสำหรับ Profinet
- ควรช่วยลดความยุ่งยากในการติดตั้ง
- ควรส่งผ่านได้ทั้งพลังงาน สัญญาณและข้อมูล
- ควรใช้ได้ทั้งสายทองแดงและใยแก้วนำแสง (LWL)
- หัวต่อหรือส่วนของ Connector ควรใช้งานได้ง่าย (ได้ยิน เห็นหรือสัมผัสการต่อได้) แม้กระทั่งที่หน้างาน
- สิ่งสกปรกและหยดน้ำต้องไม่เป็นปัญหากับการทำงานและการใช้ส่วนการเชื่อมต่อ
- หัวต่อข้อมูลและไฟฟ้า ควรมีตัวล็อกแบบเดียวกัน เพื่อให้สามารถเปลี่ยนชุดสายได้ง่าย
             
จากข้อกำหนดต่างๆ ข้างต้นทำให้เกิดเป็นระบบติดตั้งอย่างต่อเนื่อง ตามมาตรฐานระบบสาย Profinet สำหรับหุ่นยนต์ โดยระบบสายจะประกอบไปด้วยชุดสายสัญญาณจำนวน 3 ชุดสำหรับส่งผ่านพลังงาน สัญญาณและข้อมูล โดยระบบการติดตั้งนี้จะช่วยลดความยุ่งยากในการติดตั้งลงไปเกือบ 50 เปอร์เซ็นต์เพราะมันประกอบไปด้วยชิ้นส่วนย่อยๆ ที่ถอดประกอบได้ตามมาตรฐาน Plug & Play ทำให้สามารถเลือกถอดหรือประกอบตามต้องการได้สะดวก

รูปที่ 2 : ตัวทวนสัญญาณ Profinet POF สำหรับการวิเคราะห์สัญญาณแสง จะตรวจสอบอย่างแม่นยำว่าเมื่อใดที่ค่า Damping สูงเกินเกณฑ์ พร้อมทั้งแสดงให้เห็นว่าสายสัญญาณชุดใดที่สมควรจะเปลี่ยน

ช่วยลดความยุ่งยากได้ ตั้งแต่เริ่มทำการติดตั้ง              
แนวคิดของการติดตั้งนี้มีข้อดีมากมาย ยกตัวอย่างเช่นมันช่วยลดความยุ่งยากลงได้ตั้งแต่การติดตั้ง และการดูแลรักษาหลังจากนั้นก็สามารถเปลี่ยนชุดสายสัญญาณได้โดยง่าย ด้วยหัวต่อที่เป็นแบบ Push-Pull ไม่ว่าจะเป็นสำหรับพลังงาน สัญญาณหรือข้อมูลก็ตาม นอกจากนั้นหัวต่อดังกล่าวนี้ก็ยังด้วยโลหะที่แข็งแรงทนทาน สามารถใช้งานได้แทบทุกสภาพแวดล้อมและมีอายุการใช้งานที่ยาวนาน
             
ตัวต่อแบบ Push-Pull และปลั๊กแบบใหม่จะเป็นส่วนประกอบสำคัญของมาตรฐานการติดตั้งระบบสายแบบใหม่ของ Profinet ในอุตสาหกรรมยานยนต์ (รูปที่ 1) โดยหัวต่อ Profinet Push-Pull (IEC61076-3-117 แบบ 14)จะประกอบไปด้วยหัวต่อ 2 แบบสำหรับข้อมูลและสัญญาณ และตัวต่อ Push-Pull Power สำหรับการจ่ายพลังงาน
             
นอกจากนี้ในระบบยังมีช่องต่อคู่สำหรับพลังงาน (24V) และข้อมูล Ethernet รวมทั้งช่องต่อปกติสำหรับสัญญาณ ทั้งหัวต่อและช่องต่อจะมีหัวต่อแบบ RJ45 ซึ่งด้วยโมดูลนี้และเทคนิค Steadytec ก็ทำให้สามารถเพิ่มจำนวนช่องต่อในช่องสัญญาณหนึ่งๆ ระยะทางในการส่งผ่านทั้งหมดระหว่าง 2 อุปกรณ์ได้สูงสุดถึง 6 ตำแหน่ง อย่างไรก็ตามแต่ละช่องต่อที่เพิ่มขึ้นมาในช่องสัญญาณ Category-5นั้นก็จะทำให้มีการสูญเสียกระแสไฟมากขึ้นและส่งผลต่อระยะทางในการส่งผ่านโดยรวมด้วย ด้วยเหตุนี้ Weidmüller จึงได้ใช้ส่วนประกอบ RJ45 แบบ Category-6 เพราะเมื่อเทียบกันแล้วมันจะมี System Reserve ที่สูงกว่ากันอย่างเห็นได้ชัด โดยหัวต่อ Push-Pull สำหรับสายพลังงานจะมี 5 Pin สำหรับแบบ 16A ส่วนหัวต่อ Push-Pull สำหรับสัญญาณจะมี 10 Pin สำหรับการใช้งานแบบผสม

รูปที่ 3 : เครื่องมือสารพัดประโยชน์ HTX-IE-POFที่สามารถทำได้ทั้งปอกสาย ตัดสายและเข้าหัว โดยใบมีดหมุนของมันจะทำการตัดสาย POF ตรงตำแหน่งที่เรียกว่า Ferrule พอดี

ถ้าระยะทางมากกว่า 100 เมตรจะใช้สายเคเบิลใยแก้วนำแสง              
ข้อดีอีกประการหนึ่งของ CAT-6 ก็คือ มันสามารถเข้ากันได้กับการติดตั้งที่มีอยู่เดิมแบบ 100 เปอร์เซ็นต์ทั้ง Switch และการ์ดเน็ตเวิร์กตั้งแต่ความเร็ว 10Mb/s ไปจนถึงความเร็ว 10Gb/s ซึ่งในกรณีของ Ethernetความเร็ว 10Gb/s (10GbE) นั้นก็ได้มีการกำหนดไว้ในมาตรฐาน IEEE802.3 โดยเฉพาะอย่างยิ่งข้อกำหนดสำหรับการส่งผ่านข้อมูลผ่านในสายทองแดง Twisted Pair ที่ได้ออกมาเมื่อปี 2006 และกำหนดความเร็วสูงสุดในการส่งผ่านข้อมูลผ่านคู่ตัวนำทั้งสี่ของสายเคเบิลข้อมูลในโหมด Full Duplex ผ่านระยะทาง 100 เมตร (10 GBaseT) เอาไว้
             
ในกรณีที่ระยะทางที่ต้องการส่งผ่านนั้นมากกว่า 100 เมตรจะใช้สายเคเบิลใยแก้วนำแสงแทน ซึ่งทำให้ Steadytec Building Kit สามารถแสดงความสามารถของมันได้อย่างเต็มที่ ผู้ใช้สามารถเลือกใช้ตัวต่อระหว่าง RJ45 หรือ LWL ได้ โดยเฉพาะอย่างยิ่งในส่วนของการควบคุมคุณภาพที่จะต้องมีการประมวลผลภาพ ซึ่งต้องการภาพที่มีความละเอียดสูงมากขึ้นเรื่อยๆ และประมวลผลได้เร็วขึ้นกว่าเดิม เทคนิค Steadytec สามารถที่จะใช้กับความเร็วได้ตั้งแต่ 10Mb/s ไปจนถึง 10Gb/sตามมาตรฐาน IEEE802.3 แม้ไม่ปรับปรุงอะไร ผู้ใช้ก็ยังสามารถใช้ความเร็ว 10 Gb/sได้ ทำให้มั่นใจได้ถึงการใช้งานต่อไปในอนาคต


ส่วนประกอบของหัวต่อแบบ Active & Passive ตาม Profinet              
ระบบการติดตั้ง AIDA นั้นสามารถใช้ได้ทั้งสายทองแดงและใยแก้วนำแสง ซึ่งมันได้ถูกออกแบบมาอย่างต่อเนื่องสำหรับระบบสายภายในหุ่นยนต์ โดยประกอบไปด้วยส่วนประกอบหัวต่อ Active & Passive (ตามมาตรฐานระบบสายสำหรับ Profinet หรือ Ethernet/IP) มากมาย รวมทั้งอุปกรณ์เสริมที่จะสร้างการเชื่อมต่อตั้งแต่แผงควบคุมไปจนถึงตัวหุ่นยนต์ ซึ่งที่ผ่านมาส่วนใหญ่ก็จะนิยมใช้สายทองแดงมากกว่า แต่เนื่องจากระบบอัตโนมัติในปัจจุบันมีความต้องการปริมาณข้อมูลที่เพิ่มขึ้นมาก โดยที่ยังคงต้องมีความต้านทานต่อการรบกวนจากคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าภายนอกตามเดิม ดังนั้นสายเคเบิลใยแก้วนำแสงพลาสติก (POF)จึงได้รับความนิยมมากขึ้นเรื่อยๆ
             
จากแนวความคิดของภาคอุตสาหกรรมที่ใช้เทคโนโลยี Steadytec ก็ได้มีการพัฒนารูปแบบของแพล็ตฟอร์มขึ้นมา โดยที่มันสามารถใช้ได้กับทั้งระบบสายทองแดงและสายใยแก้วนำแสง ทำให้ผู้ใช้สามารถที่จะเลือกใช้ระบบสายที่เหมาะสมกับหน้างานของตนได้โดยอิสระ เช่นถ้าต้องการใช้แสงใยแก้วนำแสงพลาสติก ก็สามารถใช้ตัวทวนสัญญาณ Freecon Active (รูปที่ 2) ตรวจสอบระบบสายใยแก้วของตนได้แบบ Real-Time เนื่องจากเทคโนโลยีใหม่นี้ได้ถูกกำหนดกรอบสำหรับ Profinet เอาไว้โดยองค์กรผู้ใช้ Profibus และนอกจากนั้นคุณลักษณะเฉพาะของตัวทวนสัญญาณดังกล่าวก็ยังเป็นไปตามข้อกำหนดของ AIDA ด้วย
             
โดยปกติแล้วสายเคเบิลใยแก้วนำแสงพลาสติกจะมีการเสื่อมสภาพไปตามเวลา ซึ่งจะทำให้การ Damping ของใยแก้วสูงขึ้นอย่างต่อเนื่อง ดังนั้นเพื่อให้การส่งผ่านข้อมูลเป็นไปอย่างเรียบร้อย ตัวทวนสัญญาณจะทำการตรวจสอบการส่งผ่านข้อมูลแบบ isochronousตลอดเวลาสำหรับทั้งระยะทางส่ง เช่นตั้งแต่แผงควบคุมไปจนถึงหัวหุ่นยนต์ ซึ่งเมื่อค่า Damping สูงกว่าเกณฑ์ที่กำหนดไว้ วงจรควบคุมก็จะแจ้งเตือนผ่าน Profinet ขึ้นมาทันที
             
ก่อนอื่นตัวทวนสัญญาณ Profinet POF (รูปที่ 3) จะทำการตรวจสอบว่า สายสัญญาณชุดใดจะต้องถูกเปลี่ยนเมื่อใด และในระหว่างการทำงาน แค่กดปุ่มมันก็สามารถให้ข้อมูลอย่างละเอียดเกี่ยวกับค่า Damping และความยาวของสายออกมาได้เลย ไม่ต้องเสียเวลาวัดหรือจดบันทึกให้ยุ่งยาก นอกจากนี้ตัวทวนสัญญาณ Freecon Active นี้ยังได้ถูกติดตั้งลงไปในโมดูลสำหรับการส่งผ่านข้อมูลและพลังงาน เพื่อช่วยเพิ่มประสิทธิภาพของระบบและเป็นประโยชน์ในการติดตั้งด้วย
             
สำหรับการต่อหัวต่อ SC-RJ เข้ากับสาย POF นั้นก็มีเครื่องมือที่ช่วยให้ทำงานได้อย่างสะดวกอย่างเช่นเครื่องมือ HTX-IE-POF (รูปที่ 4)สำหรับใช้ในการปอกและตัดสายใยแก้วนำแสงที่มีความหนา 1 มิลลิเมตรที่ถูกออกแบบมาเป็นพิเศษสำหรับ Profinet และหัวต่อ Ethernet/IP SC-RJ ซึ่งการตัดสายใยแก้วนำแสงให้ตรงตำแหน่งที่เรียกว่า Ferrule พอดีนั้นจะทำโดยใช้มีดหมุน ทำให้ไม่จำเป็นต้องทำการขัดมันเพิ่มเติมอีก และด้วยเครื่องมือสารพัดประโยชน์นี้ก็ทำให้ผู้ใช้สามารถมั่นใจได้ในประสิทธิภาพการส่งผ่านของสายและค่า Damping ที่ต่ำสม่ำเสมอกัน

ที่มา : mmthailand.com