โมดูล 1/5 · สัปดาห์ 1–3 · 27 ชม.

ระบบอัตโนมัติ

DRT 344 ระบบอัตโนมัติ หุ่นยนต์ และการควบคุมอัจฉริยะ

เวลาเรียนประมาณ 80 นาทีร่าง รอตรวจปรับปรุงล่าสุด 26 กันยายน 2569

เมื่อเรียนจบโมดูลนี้ ผู้เรียนจะสามารถ

อธิบายองค์ประกอบของระบบอัตโนมัติ ตั้งแต่เซนเซอร์ ตัวควบคุม จนถึงตัวขับเร้า
จัดวางอุปกรณ์และซอฟต์แวร์ในลำดับชั้นของ ISA-95
อธิบายรอบการทำงานของ PLC และภาษาโปรแกรมตาม IEC 61131-3
คำนวณเวลาตอบสนองที่แย่ที่สุดจากรอบ scan และแบนด์วิดท์ของข้อมูล IoT
เปรียบเทียบโพรโทคอล MQTT และ OPC UA สำหรับเชื่อมโดรนกับระบบอัตโนมัติ

ความรู้พื้นฐานที่ควรมี: DRT 113 (ไฟฟ้าและอิเล็กทรอนิกส์พื้นฐาน) · DRT 341 โมดูล 3 (สถาปัตยกรรมออโตไพลอต)

ทำไมต้องรู้

โดรนสมัยใหม่ไม่ได้ทำงานลำพัง โดรนตรวจคลังสินค้าต้องคุยกับระบบจัดการคลัง สถานีจอดอัตโนมัติ (drone-in-a-box) ต้องสั่งเปิดฝา ชาร์จแบตเตอรี่ และรายงานสถานะให้ศูนย์ควบคุม ผู้ที่ทำงานด้าน UAS และระบบอัตโนมัติจึงต้องเข้าใจภาษาของโลกอุตสาหกรรม ทั้ง PLC เซนเซอร์ ตัวขับเร้า และโพรโทคอลสื่อสาร

ระบบอัตโนมัติเปรียบได้กับร่างกายคน เซนเซอร์คือประสาทสัมผัส ตัวควบคุมคือสมอง ตัวขับเร้าคือกล้ามเนื้อ และเครือข่ายสื่อสารคือเส้นประสาทที่ส่งข้อมูลระหว่างกัน

องค์ประกอบของระบบอัตโนมัติ

องค์ประกอบ	หน้าที่	ตัวอย่างในงานโดรน
เซนเซอร์	วัดสภาพจริงแล้วแปลงเป็นสัญญาณ	สวิตช์ตรวจฝาสถานีจอด เซนเซอร์อุณหภูมิแบตเตอรี่ กล้อง
ตัวควบคุม	ตัดสินใจตามโปรแกรมหรือกฎควบคุม	PLC ของสถานีจอด ไมโครคอนโทรลเลอร์ flight controller
ตัวขับเร้า (actuator)	เปลี่ยนคำสั่งเป็นการกระทำทางกายภาพ	มอเตอร์เปิดฝา รีเลย์ชาร์จไฟ มอเตอร์ใบพัด
ระบบฝังตัว (embedded system)	คอมพิวเตอร์ขนาดเล็กที่ฝังในอุปกรณ์เพื่องานเฉพาะ	บอร์ด flight controller คอมพิวเตอร์ประมวลผลภาพบนโดรน
การสื่อสาร	ส่งข้อมูลระหว่างอุปกรณ์และระบบ	fieldbus ในโรงงาน MQTT ไปยังคลาวด์

คำว่า Industrie 4.0 ถูกนำเสนอต่อสาธารณะที่งาน Hannover Messe ในเดือนเมษายน 2011 เพื่ออธิบายการเชื่อมเครื่องจักร ข้อมูล และอินเทอร์เน็ตเข้าด้วยกัน ซึ่งเป็นบริบทที่โดรนและหุ่นยนต์เข้ามาเป็นส่วนหนึ่งของระบบอัตโนมัติ

ลำดับชั้นตาม ISA-95

มาตรฐาน ISA-95 (หรือ IEC 62264) แบ่งระบบอัตโนมัติขององค์กรเป็นระดับ ช่วยให้รู้ว่าอุปกรณ์และข้อมูลแต่ละอย่างอยู่ตรงไหน และต้องเชื่อมกับใคร

ปิรามิดห้าระดับจากบนลงล่าง ระดับ 4 วางแผนธุรกิจ ERP ระดับ 3 บริหารการผลิต MES ระดับ 2 เฝ้าดูและควบคุม SCADA และ HMI ระดับ 1 รับรู้และสั่งงาน PLC และตัวควบคุม ระดับ 0 กระบวนการจริง เครื่องจักร เซนเซอร์ มอเตอร์ — ภาพที่ 1 ลำดับชั้นของระบบอัตโนมัติตาม ISA-95

ตัวอย่างการจัดวาง ภารกิจโดรนนับสินค้าในคลัง: โดรนและเครื่องอ่านบาร์โค้ดอยู่ระดับ 0–1 ซอฟต์แวร์สั่งภารกิจและจอแสดงสถานะอยู่ระดับ 2 ระบบจัดการคลังอยู่ระดับ 3 และระบบ ERP ที่ใช้ยอดสินค้าไปวางแผนจัดซื้ออยู่ระดับ 4

PLC และรอบ scan

PLC (Programmable Logic Controller) คือคอมพิวเตอร์อุตสาหกรรมที่ออกแบบให้ทนสภาพโรงงานและทำงานซ้ำอย่างคาดเดาได้ PLC ทำงานเป็นรอบซ้ำไม่รู้จบ คู่มือของ Siemens S7-1200 อธิบายว่าแต่ละรอบประกอบด้วย การเขียนเอาต์พุต การอ่านอินพุต การประมวลผลโปรแกรม และงานระบบเบื้องหลัง โดยอ่านและเขียนผ่าน process image ซึ่งเป็นสำเนาของสถานะ I/O ในหน่วยความจำ ทำให้โปรแกรมเห็นค่าอินพุตคงที่ตลอดหนึ่งรอบ

วงรอบสี่ขั้น อ่านอินพุตเข้า process image ประมวลผลโปรแกรมผู้ใช้ เขียนเอาต์พุตออกอุปกรณ์ และงานระบบและสื่อสาร แล้ววนกลับ ตรงกลางคือหนึ่งรอบ scan — ภาพที่ 2 รอบการทำงาน (scan cycle) ของ PLC

ภาษาโปรแกรมตาม IEC 61131-3

มาตรฐาน IEC 61131-3 ฉบับที่ 4 (2025) กำหนดภาษาโปรแกรม PLC ได้แก่

Ladder Diagram (LD) ภาษากราฟิกที่เลียนแบบวงจรรีเลย์ เหมาะกับช่างไฟฟ้า
Function Block Diagram (FBD) ต่อกล่องฟังก์ชันด้วยเส้น
Structured Text (ST) ภาษาข้อความคล้ายภาษาโปรแกรมทั่วไป เหมาะกับการคำนวณ
Sequential Function Chart (SFC) ใช้จัดลำดับขั้นตอนของกระบวนการ

ภาษา Instruction List (IL) ซึ่งเคยอยู่ในมาตรฐาน ถูกตัดออกจากฉบับที่ 4 แล้ว แม้ผู้ผลิตบางรายยังรองรับอยู่

ตัวอย่างที่ 1 วงจรสตาร์ต/สต็อปของฝาสถานีจอดโดรน

ตรรกะแบบ ladder ที่ใช้บ่อยที่สุดคือวงจรคงสถานะ (seal-in) เขียนเป็น ST ได้ว่า

Motor := (Start OR Motor) AND NOT Stop AND NOT Fault;

กด Start มอเตอร์ทำงาน และค้างสถานะไว้เอง (OR Motor) แม้ปล่อยปุ่ม
กด Stop หรือมีสัญญาณ Fault เช่น เซนเซอร์ตรวจพบมือคนในช่องฝา มอเตอร์หยุดทันที
การต่อ Stop และ Fault แบบ AND NOT ทำให้สัญญาณหยุดมีลำดับความสำคัญสูงกว่าการสั่งเดินเสมอ ซึ่งเป็นหลักความปลอดภัยพื้นฐาน

เวลาตอบสนองจากรอบ scan

ถ้าอินพุตเปลี่ยนหลังจากที่ PLC เพิ่งอ่านอินพุตไปพอดี ต้องรอรอบถัดไปจึงเห็นการเปลี่ยนแปลง และอีกช่วงหนึ่งกว่าเอาต์พุตจะถูกเขียน เวลาตอบสนองที่แย่ที่สุดจึงประมาณได้เป็น

t_{resp} \approx 2 t_{scan} + t_{I/O}

ตัวอย่างที่ 2 สายพานส่งกล่องให้โดรนขนส่ง

PLC มีรอบ scan 10 ms ความหน่วงของอินพุตและเอาต์พุตรวม 4 ms สายพานเคลื่อน 0.5 m/s

$t_{resp} \approx 2 \times 10 + 4 = 24$ ms
ระหว่างนั้นกล่องเคลื่อนไป $0.5 \times 0.024 = 0.012$ m หรือ 12 mm

ถ้าตำแหน่งที่โดรนหยิบกล่องต้องแม่นกว่า 12 mm ต้องลดรอบ scan ใช้อินพุตแบบ interrupt หรือชะลอสายพานก่อนถึงจุดหยิบ

IoT และโพรโทคอลสื่อสาร

MQTT เป็นโพรโทคอลแบบ publish/subscribe ผ่านตัวกลาง (broker) น้ำหนักเบา เหมาะกับอุปกรณ์จำนวนมากและเครือข่ายที่แบนด์วิดท์จำกัด (อ่านหน่วยความรู้เจาะลึก MQTT และ Eclipse Mosquitto) มาตรฐาน MQTT 5.0 ของ OASIS (2019) กำหนดระดับการส่งมอบสามระดับ

QoS	ความหมายตามมาตรฐาน	เหมาะกับ
0	ส่งอย่างมากหนึ่งครั้ง (at most once) ข้อความอาจหายได้	telemetry ที่ส่งถี่ ข้อมูลใหม่มาแทนได้
1	ส่งอย่างน้อยหนึ่งครั้ง (at least once) ถึงแน่แต่อาจซ้ำ	เหตุการณ์ที่ต้องไม่หาย และผู้รับจัดการข้อความซ้ำได้
2	ส่งครั้งเดียวพอดี (exactly once)	คำสั่งที่ซ้ำไม่ได้ เช่น การตัดยอดสินค้า

OPC UA (IEC 62541) เป็นมาตรฐานการแลกเปลี่ยนข้อมูลอุตสาหกรรมที่มีแบบจำลองข้อมูลและความปลอดภัยในตัว นิยมใช้เชื่อมเครื่องจักรกับระบบระดับ 2–3 ส่วน MQTT นิยมใช้ส่งข้อมูลขึ้นคลาวด์และระหว่างอุปกรณ์ IoT จำนวนมาก

ตัวอย่างที่ 3 แบนด์วิดท์ telemetry ของฝูงโดรน

โดรน 10 ลำ ส่ง telemetry ข้อความละ 200 byte ความถี่ 5 ครั้งต่อวินาที ผ่าน MQTT

$B = N \cdot f \cdot s = 10 \times 5 \times 200 = 10000$ byte/s $= 80$ kbit/s

ตัวเลขนี้ยังไม่รวมส่วนหัวของโพรโทคอลและการเข้ารหัส TLS ซึ่งเพิ่มขนาดจริง ถ้าลิงก์ในพื้นที่ห่างไกลรองรับได้น้อยกว่านี้ ต้องลดความถี่หรือบีบอัดข้อมูล

กิจกรรมในชั้นเรียน

กิจกรรม: ออกแบบตรรกะสถานีจอดโดรนอัตโนมัติ

เขียนรายการเซนเซอร์และตัวขับเร้าของสถานีจอดที่เปิดฝา รับโดรนลงจอด และชาร์จแบตเตอรี่
เขียนตรรกะแบบ ST หรือ ladder สำหรับขั้นเปิดฝา ให้หยุดทันทีเมื่อมีสัญญาณอันตราย
จัดวางอุปกรณ์และซอฟต์แวร์ทั้งหมดลงในลำดับชั้น ISA-95
เลือก QoS ของ MQTT สำหรับข้อความ telemetry สถานะแบตเตอรี่ และคำสั่งปล่อยโดรน พร้อมเหตุผล

ข้อผิดพลาดที่พบบ่อย

ระวัง

คิดว่า PLC ตอบสนองทันที โดยไม่คิดรอบ scan
ให้คำสั่งเดินมีลำดับความสำคัญเหนือคำสั่งหยุด ในตรรกะ
ใช้ QoS 2 กับทุกข้อความ ทำให้เครือข่ายช้าโดยไม่จำเป็น
ส่ง MQTT โดยไม่เข้ารหัสและไม่ยืนยันตัวตน ในระบบที่สั่งงานอุปกรณ์จริง
อ้างว่า IL เป็นภาษามาตรฐานปัจจุบัน ทั้งที่ฉบับ 2025 ตัดออกแล้ว

สรุป

ระบบอัตโนมัติประกอบด้วยเซนเซอร์ ตัวควบคุม ตัวขับเร้า ระบบฝังตัว และการสื่อสาร
ISA-95 แบ่งระดับ 0–4 ตั้งแต่กระบวนการจริงถึงการวางแผนธุรกิจ
PLC ทำงานเป็นรอบ scan ผ่าน process image เวลาตอบสนองแย่สุดประมาณ $2 t_{scan} + t_{I/O}$
IEC 61131-3:2025 มีภาษา LD, FBD, ST และ SFC
MQTT มี QoS 0, 1, 2 ส่วน OPC UA เหมาะกับการเชื่อมเครื่องจักรในระดับอุตสาหกรรม

แบบฝึกตรวจความเข้าใจ

SCADA และ HMI อยู่ระดับใดของ ISA-95
ทำไม PLC จึงอ่านอินพุตเข้า process image ก่อนประมวลผล
PLC รอบ scan 20 ms ความหน่วง I/O 5 ms เวลาตอบสนองแย่สุดประมาณเท่าใด
โดรน 4 ลำ ส่งข้อความ 250 byte ที่ 10 Hz ต้องใช้แบนด์วิดท์กี่ kbit/s (ไม่รวมส่วนหัว)
ข้อความ telemetry ตำแหน่งที่ส่งถี่ ควรใช้ QoS ใด เพราะอะไร

เฉลย

ระดับ 2 (เฝ้าดูและควบคุม)
เพื่อให้โปรแกรมเห็นค่าอินพุตคงที่ตลอดหนึ่งรอบ ไม่เปลี่ยนกลางการประมวลผล
$2 \times 20 + 5 = 45$ ms
$4 \times 10 \times 250 = 10000$ byte/s $= 80$ kbit/s
QoS 0 เพราะข้อความใหม่มาแทนได้เร็ว ถ้าหายไปหนึ่งข้อความไม่เสียหาย และลดภาระเครือข่าย

สรุปสูตรสำคัญ

เวลาตอบสนองแย่สุดของ PLC (ประมาณ)	$t_{resp} \approx 2 t_{scan} + t_{I/O}$
แบนด์วิดท์ข้อมูล	$B = N \cdot f \cdot s$

แหล่งอ้างอิงหลัก

Groover, M. P. (2019). Automation, production systems, and computer-integrated manufacturing (5th ed.). Pearson.
Bolton, W. (2015). Programmable logic controllers (6th ed.). Newnes.
International Electrotechnical Commission. (2025). Programmable controllers – Part 3: Programming languages (IEC 61131-3:2025, Ed. 4.0). link
Siemens AG. (2009). SIMATIC S7-1200 getting started (A5E02486791-01). link
International Society of Automation. ISA-95 standard: Enterprise-control system integration (ANSI/ISA-95, IEC 62264). link
International Electrotechnical Commission. (2025). OPC unified architecture – Part 1: Overview and concepts (IEC 62541-1:2025). link
OASIS. (2019). MQTT version 5.0 (OASIS Standard, 7 March 2019). link
Wahlster, W. (2021). Ten years of INDUSTRIE 4.0 [Interview]. DFKI. link

อ่านเพิ่มเติม

ศึกษาหน่วยความรู้ที่กำหนดล่วงหน้า ดูสื่อประกอบ และทำ quiz ประจำโมดูล

อยู่ระหว่างพัฒนาD12