PLC และลอจิกควบคุม

ทำไมต้องรู้

PLC (programmable logic controller) คือคอมพิวเตอร์อุตสาหกรรมที่ทนร้อน ฝุ่น และสัญญาณรบกวน ออกแบบมาให้ทำงานต่อเนื่องหลายปี เครื่องจักรในโรงงานเกือบทุกแห่งควบคุมด้วย PLC และสถานีเปลี่ยนแบตเตอรี่โดรนก็เช่นกัน ช่างและวิศวกรที่อ่านและเขียนลอจิกของ PLC ได้ จึงเป็นที่ต้องการทั้งในงานอุตสาหกรรมและงานโดรน

รอบการทำงานของ PLC

PLC ไม่ได้ตอบสนองทันทีที่อินพุตเปลี่ยน แต่ทำงานเป็นรอบวนซ้ำ ตามคู่มือของ Siemens S7-1500 แต่ละรอบมีสี่ขั้น

1. อ่านอินพุตทั้งหมดเก็บไว้ใน ภาพอินพุต (process image)
2. รันโปรแกรมจากบนลงล่างโดยใช้ภาพอินพุตนั้น
3. เขียนผลไปที่เอาต์พุต
4. ทำงานระบบแล้วเริ่มรอบใหม่

ผลคือ อินพุตที่เปลี่ยนกลางรอบจะถูกเห็นในรอบถัดไป เวลาตอบสนองที่แย่ที่สุดจึงประมาณสองรอบ และสัญญาณที่สั้นกว่าหนึ่งรอบอาจไม่ถูกเห็นเลย

Ladder logic

Ladder logic เขียนโปรแกรมเป็นขั้นบันได (rung) คล้ายแผนผังวงจรรีเลย์ ตามคำอธิบายของ Rockwell

• หน้าสัมผัสปกติเปิด (NO) เป็นจริงเมื่อบิตเป็น 1
• หน้าสัมผัสปกติปิด (NC) เป็นจริงเมื่อบิตเป็น 0
• ขดลวด (coil) เป็นเอาต์พุต
• ต่อ อนุกรม คือ AND ต่อ ขนาน คือ OR

วงจร start–stop แบบคงสถานะ (seal-in) ในภาพที่ 2 เมื่อกดปุ่ม START มอเตอร์ติด และหน้าสัมผัส M ที่ต่อขนานทำให้มอเตอร์ติดต่อไปแม้ปล่อยปุ่ม จนกว่าจะกด STOP หรือ E-STOP ซึ่งต่อสายแบบปกติปิด เหตุผลคือ ถ้าสายของปุ่มหยุดขาด วงจรจะหยุดเอง ปลอดภัยกว่าการต่อแบบปกติเปิดที่สายขาดแล้วกดหยุดไม่ได้

ตัวจับเวลาหน่วงเปิด (TON) ให้เอาต์พุตเป็นจริงเมื่ออินพุตเป็นจริงต่อเนื่องนานถึงเวลาที่ตั้ง ใช้กรองสัญญาณสั่นหรือรอให้วัตถุเข้าที่

DT = 0.1


def inputs_at(t):
    start = 0.5 <= t < 0.7 or 6.0 <= t < 6.2           # กดปุ่มสั้น ๆ
    stop_ok = not (8.0 <= t < 8.2)                        # NC: เป็น True เมื่อไม่ได้กด
    estop_ok = not (4.0 <= t < 4.5)
    battery = 2.0 <= t < 5.5 or 6.5 <= t < 7.0
    return start, stop_ok, estop_ok, battery


state = {"motor": False, "ton": 0.0, "grip": False}
previous = None
for k in range(100):
    t = round(k * DT, 1)
    start, stop_ok, estop_ok, battery = inputs_at(t)                              # 1 อ่านอินพุต
    motor = (start or state["motor"]) and stop_ok and estop_ok                     # 2 rung 1
    state["ton"] = state["ton"] + DT if (battery and motor) else 0.0               #   rung 2 (TON)
    grip = state["ton"] >= 1.0 - 1e-9
    state["motor"], state["grip"] = motor, grip                                    # 3 เขียนเอาต์พุต
    if (motor, grip) != previous:
        print(f"t = {t:4.1f} s  motor {'ON ' if motor else 'OFF'}  gripper {'ON' if grip else 'OFF'}")
        previous = (motor, grip)

t =  0.0 s  motor OFF  gripper OFF
t =  0.5 s  motor ON   gripper OFF
t =  2.9 s  motor ON   gripper ON
t =  4.0 s  motor OFF  gripper OFF
t =  6.0 s  motor ON   gripper OFF
t =  8.0 s  motor OFF  gripper OFF

ภาษาตาม IEC 61131-3 และความปลอดภัย

มาตรฐาน IEC 61131-3 ฉบับที่ 4 (2025) กำหนดภาษาเขียนโปรแกรม PLC ได้แก่ Ladder Diagram (LD) Function Block Diagram (FBD) Structured Text (ST) ซึ่งคล้ายภาษา Pascal และ Sequential Function Chart (SFC) สำหรับงานเป็นลำดับขั้น ภาษา Instruction List ที่เคยมีถูกยกเลิกไปแล้วในฉบับล่าสุด ในห้องปฏิบัติการใช้ CODESYS Development System ซึ่งใช้ได้ฟรีและมี PLC จำลองบน Windows

ปฏิบัติการประจำโมดูล

ข้อผิดพลาดที่พบบ่อย

สรุป

• PLC ทำงานเป็นรอบ อ่านอินพุต รันโปรแกรม เขียนเอาต์พุต แล้ววนใหม่
• Ladder logic ใช้หน้าสัมผัส NO/NC และขดลวด ต่ออนุกรมคือ AND ขนานคือ OR
• วงจรคงสถานะทำให้มอเตอร์ติดค้าง ตัวจับเวลา TON รอให้อินพุตเป็นจริงต่อเนื่อง
• IEC 61131-3 มี LD, FBD, ST และ SFC และหยุดฉุกเฉินต้องออกแบบตามมาตรฐานความปลอดภัย

แบบฝึกตรวจความเข้าใจ

1. PLC มีรอบการทำงาน 10 ms เวลาตอบสนองที่แย่ที่สุดโดยประมาณเท่าใด
2. หน้าสัมผัส A และ B ต่ออนุกรม ขดลวดติดเมื่อใด
3. ทำไมปุ่ม STOP จึงต่อแบบปกติปิด
4. ตัวจับเวลา TON ตั้ง 2 วินาที อินพุตเป็นจริงนาน 1.5 วินาทีแล้วดับ เอาต์พุตเป็นอย่างไร
5. การหยุดแบบ Category 0 ตาม IEC 60204-1 คืออะไร