// บทที่ 20.16 · Sensors & Transducers · Fieldbus & Industrial Ethernet

ฟิลด์บัสและ Industrial Ethernet: จาก PROFIBUS ถึง Ethernet-APL

เมื่อหนึ่งคู่สายต่อเครื่องมือวัดได้หลายสิบตัวและส่งทั้งค่าวัด สถานะ และการวินิจฉัย ปริมาณสายในโรงงานลดลงมาก แต่ทศวรรษ 1990 ก็กลายเป็น "สงครามฟิลด์บัส" ระหว่างค่ายยุโรปกับอเมริกา ผลลัพธ์คือมาตรฐาน IEC 61158 ที่รวมหลายโปรโตคอลไว้ด้วยกัน หน้านี้ช่วยให้รู้ว่าแต่ละตัวมาจากไหน เหมาะกับงานแบบใด และคำนวณเซกเมนต์ได้

เขียนโดย อาจารย์มดอัปเดต 14 ต.ค. 2569

ตารางเปรียบเทียบ PROFIBUS FOUNDATION Fieldbus คำนวณเซกเมนต์ IO-Link Ethernet · APL

สรุปใน 30 วินาที

PROFIBUS (เยอรมนี): DP บน RS-485 ถึง 12 Mbit/s · PA บน MBP 31.25 kbit/s จ่ายไฟบนสาย
FOUNDATION Fieldbus H1 (สหรัฐฯ): ชั้นกายภาพเดียวกับ PA แต่รันบล็อก PID ในอุปกรณ์ภาคสนามได้
เซกเมนต์: $V_\text{end} = V_\text{ps} - I_\text{tot}R_\text{trunk} \ge 9\ \text{V}$ · สาย Type A 44 Ω/km · ยาวรวม ≤ 1900 m
อนาคต: IO-Link สำหรับเซนเซอร์ในเครื่องจักร และ Ethernet-APL 10 Mbit/s สองสายสำหรับเครื่องมือวัดกระบวนการ

ภาพรวม: ใคร มาจากไหน ใช้ที่ไหน พื้นฐาน

เครือข่าย	ต้นกำเนิด · ผู้ดูแล	ชั้นกายภาพ	ความเร็ว	ไฟบนสาย	งานหลัก
Modbus RTU/TCP	Modicon สหรัฐฯ 1979 · Modbus Organization	RS-485 · Ethernet	≤ 115.2 kbit/s · 100 Mbit/s	ไม่	มิเตอร์ อินเวอร์เตอร์ อุปกรณ์ทั่วไป
PROFIBUS DP	เยอรมนี ปลายทศวรรษ 1980 · PI (Karlsruhe)	RS-485	9.6 kbit/s – 12 Mbit/s	ไม่	รีโมต I/O ไดรฟ์ งานโรงงานผลิต
PROFIBUS PA	เยอรมนี · PI	MBP (IEC 61158-2)	31.25 kbit/s	ใช่ · Ex i	ทรานสมิตเตอร์ วาล์ว ในกระบวนการ
FOUNDATION Fieldbus H1	สหรัฐฯ 1994 · FieldComm Group	MBP (IEC 61158-2)	31.25 kbit/s	ใช่ · Ex i	กระบวนการ ควบคุมในภาคสนาม
HART	สหรัฐฯ กลางทศวรรษ 1980 · FieldComm Group	FSK บน 4–20 mA	1.2 kbit/s	ใช่	ตั้งค่าและวินิจฉัยทรานสมิตเตอร์
AS-Interface	เยอรมนี ทศวรรษ 1990 · AS-International	สายแบนสองเส้น	รอบ ≈ 5 ms	ใช่	สวิตช์ เซนเซอร์ไบนารี
CANopen · DeviceNet	CAN จาก Bosch เยอรมนี · CiA / ODVA สหรัฐฯ	CAN (ISO 11898)	≤ 1 Mbit/s	DeviceNet ใช่	เครื่องจักร ยานยนต์ หุ่นยนต์
IO-Link	กลุ่มผู้ผลิตยุโรป 2006 · IEC 61131-9	จุดต่อจุด 3 สาย ≤ 20 m	4.8 / 38.4 / 230.4 kbaud	ใช่ (24 V)	เซนเซอร์อัจฉริยะในเครื่องจักร
PROFINET	เยอรมนี · PI	Ethernet (+ APL)	100 Mbit/s ขึ้นไป	ผ่าน APL	โรงงานและกระบวนการ เวลาจริง
EtherNet/IP	สหรัฐฯ · ODVA	Ethernet (+ APL)	100 Mbit/s ขึ้นไป	ผ่าน APL	PLC กลุ่ม CIP
EtherCAT	Beckhoff เยอรมนี 2003 · ETG	Ethernet	100 Mbit/s	ไม่	โมชันคอนโทรล รอบระดับไมโครวินาที
Ethernet-APL	ความร่วมมือ PI · ODVA · FieldComm · OPC Foundation (ออกสู่ตลาดราว 2021–2022)	IEEE 802.3cg 10BASE-T1L	10 Mbit/s	ใช่ · Ex i	ทรานสมิตเตอร์ยุคใหม่

รายละเอียดประเทศและองค์กรของมาตรฐานทั้งหมดอยู่ใน ฐานข้อมูลมาตรฐาน ส่วนลำดับเหตุการณ์อยู่ใน ประวัติและวิวัฒนาการ

PROFIBUS DP และ PA กลาง

PROFIBUS (Process Field Bus) เริ่มจากโครงการวิจัยที่รัฐบาลเยอรมนีสนับสนุนร่วมกับบริษัทและสถาบันจำนวนมากตั้งแต่ปี 1987 กลายเป็นมาตรฐานเยอรมัน (DIN 19245) ยุโรป (EN 50170) และต่อมาอยู่ใน IEC 61158/61784 ผู้ดูแลคือ PROFIBUS & PROFINET International (PI) ที่เมือง Karlsruhe

DP (Decentralized Periphery): RS-485 ความเร็วเลือกได้ตั้งแต่ 9.6 kbit/s (ระยะได้ราว 1200 m ต่อเซกเมนต์) จนถึง 12 Mbit/s (ราว 100 m) แอดเดรส 0–125 ไม่เกิน 32 สถานีต่อเซกเมนต์ถ้าไม่มี repeater มาสเตอร์ส่งโทเคนต่อกันและแต่ละมาสเตอร์โพลสเลฟของตัวเองแบบวนรอบ คอนเน็กเตอร์ DB9 สีม่วงพร้อมสวิตช์ terminator ในตัวคือภาพที่คุ้นตา
PA (Process Automation): ชั้นกายภาพ MBP (Manchester coded, Bus Powered) ตาม IEC 61158-2 ที่ 31.25 kbit/s อุปกรณ์รับไฟจากสายและสื่อสารด้วยการมอดูเลตกระแส จึงเดินสายเหมือนลูป 4–20 mA เดิมแต่ต่อหลายตัว และออกแบบเป็นแบบปลอดภัยในตัวตามแนวคิด FISCO ได้
DP/PA coupler หรือ link แปลงระหว่างสองความเร็ว ให้ PLC ตัวเดียวคุมทั้งเครื่องจักรและเครื่องมือวัด

B1 MBP physical layer (IEC 61158-2) ชั้นกายภาพ MBP

31.25\ \text{kbit/s} \;\Rightarrow\; T_\text{bit} = 32\ \mu\text{s} \qquad \text{Manchester: ทุกบิตมีขอบเปลี่ยนกลางบิต → ไม่มีค่าเฉลี่ย DC}

การเข้ารหัสแมนเชสเตอร์ทำให้สัญญาณข้อมูลมีค่าเฉลี่ยเป็นศูนย์ ไฟ DC ที่เลี้ยงอุปกรณ์จึงอยู่ร่วมกับข้อมูลบนสายเดียวได้ — หลักการเดียวกับ HART ที่ซ้อนบน 4–20 mA

FOUNDATION Fieldbus: ย้ายการควบคุมไปที่ภาคสนาม กลาง

Fieldbus Foundation ก่อตั้งในสหรัฐฯ ปี 1994 จากการรวมกลุ่มที่แข่งขันกันก่อนหน้า ปี 2015 รวมกับ HART Communication Foundation เป็น FieldComm Group จุดต่างจาก PROFIBUS PA คือแนวคิด function block: ทรานสมิตเตอร์มีบล็อก AI วาล์วมีบล็อก AO และ PID ซึ่งทำงานบนอุปกรณ์ใดก็ได้ในเซกเมนต์ ตัวจัดตาราง LAS (Link Active Scheduler) กำหนดเวลาส่งข้อมูลแต่ละรอบ (macrocycle) ลูปควบคุมจึงทำงานต่อได้แม้ DCS หยุดสื่อสาร

รูป 1 · โทโพโลยีแบบ trunk และ spur ที่ใช้กับ H1 และ PROFIBUS PA

สาย Type A: คู่บิดเกลียวมีชีลด์ประมาณ 18 AWG อิมพีแดนซ์ 100 Ω ที่ 31.25 kHz ความต้านทานลูป 44 Ω/km ความยาวรวม trunk + spur ไม่เกิน 1900 m
เทอร์มิเนเตอร์: สองตัวที่ปลายทั้งสองของ trunk (RC 100 Ω อนุกรม 1 µF) ไม่มีหรือมีเกินทำให้สื่อสารผิดพลาดเป็นระยะ
แหล่งจ่ายต้องมี power conditioner (อิมพีแดนซ์สูงที่ความถี่สัญญาณ) แหล่งจ่าย DC ธรรมดาจะลัดวงจรสัญญาณทิ้ง
จำนวนอุปกรณ์: ทฤษฎีสูงสุด 32 ตัว แต่ในทางปฏิบัติจำกัดด้วยงบกระแส ความเร็วรอบ และ Ex มักออกแบบ 8–16 ตัวต่อเซกเมนต์

คำนวณเซกเมนต์: กระแส แรงดันปลายสาย และความยาว ขั้นสูง

B2 Segment voltage at the far end แรงดันที่ปลายเซกเมนต์

V_\text{end} = V_\text{ps} - I_\text{tot}\,r_\text{loop}\,L \;\ge\; V_\text{dev,min} \approx 9\ \text{V}

B3 Maximum trunk length by voltage ความยาวสูงสุดตามแรงดัน

L_\text{max} = \frac{V_\text{ps} - V_\text{dev,min}}{I_\text{tot}\,r_\text{loop}} \qquad \text{และ } L \le 1900\ \text{m (รวม spur)}

ตัวอย่าง B-1

เซกเมนต์ H1: อุปกรณ์ 12 ตัว ตัวละ 20 mA แหล่งจ่าย 28 V trunk 600 m

กระแสรวมเผื่อ 20 %: $12 \times 20 \times 1.2 = 288\ \text{mA}$
B2: $28 - 0.288 \times 44 \times 0.6 = 20.4\ \text{V}$ ≥ 9 V ผ่าน
B3: $L_\text{max} = 19/(0.288 \times 44) = 1.50\ \text{km}$ — ข้อจำกัดด้านแรงดันยังหลวม แต่ถ้าเป็นเซกเมนต์ Ex แหล่งจ่ายแบบปลอดภัยในตัวให้กระแสได้น้อยกว่ามาก จำนวนอุปกรณ์จะถูกจำกัดด้วยกระแสก่อน

IO-Link และ AS-Interface: ดิจิทัลถึงเซนเซอร์ตัวเล็กที่สุด กลาง

IO-Link (IEC 61131-9 ชื่อทางการ SDCI) ไม่ใช่บัส แต่เป็นการเชื่อมต่อจุดต่อจุดระหว่างพอร์ตของ IO-Link master กับเซนเซอร์หนึ่งตัว ใช้คอนเน็กเตอร์ M12 และสายสามเส้นไม่มีชีลด์แบบเดียวกับพร็อกซิมิตีสวิตช์ทั่วไป (ยาวได้ถึง 20 m) ความเร็ว COM1 4.8, COM2 38.4 และ COM3 230.4 kbaud สิ่งที่ได้คือค่าวัดหลายตัว พารามิเตอร์ และเหตุการณ์วินิจฉัยจากเซนเซอร์ราคาไม่แพง ไฟล์คำอธิบาย IODD บอก master ว่าเซนเซอร์มีข้อมูลอะไร และเมื่อเปลี่ยนเซนเซอร์ใหม่ master โหลดพารามิเตอร์คืนให้อัตโนมัติ

AS-Interface (IEC 62026-2) ใช้สายแบนสีเหลืองสองเส้นที่เสียบด้วยการเจาะฉนวน ส่งทั้งไฟและข้อมูลสำหรับสวิตช์และวาล์วไบนารีจำนวนมากในเครื่องจักรและสายพาน งานที่ต้องการเพียงสถานะเปิด/ปิดจึงลดสายได้มาก

Industrial Ethernet, OPC UA และ Ethernet-APL ขั้นสูง

อีเทอร์เน็ตธรรมดาไม่รับประกันเวลา ผู้ผลิตจึงเพิ่มกลไกเวลาจริงต่างกัน: PROFINET แยกระดับ RT และ IRT, EtherNet/IP ใช้ CIP บน TCP/UDP, EtherCAT ให้เฟรมเดียววิ่งผ่านทุกอุปกรณ์และแต่ละตัวอ่าน/เขียนขณะเฟรมผ่าน (processing on the fly) จึงได้รอบระดับสิบไมโครวินาทีสำหรับโมชันคอนโทรล แนวโน้มปัจจุบันคือ TSN (Time-Sensitive Networking ชุด IEEE 802.1) ที่ทำให้หลายโปรโตคอลแชร์สายเดียวกันได้

OPC UA (IEC 62541, OPC Foundation) ไม่ใช่ฟิลด์บัส แต่เป็นแบบจำลองข้อมูลและการสื่อสารที่ปลอดภัยระหว่างอุปกรณ์ เกตเวย์ และระบบ IT ใช้ทั้งแบบ client/server และ publish/subscribe — เป็นภาษากลางที่ทำให้ข้อมูลเซนเซอร์ "มีความหมาย" (หน่วย ช่วง สถานะ) เมื่อขึ้นไปถึงคลาวด์

Ethernet-APL แก้ปัญหาสุดท้ายของโรงงานกระบวนการ: อีเทอร์เน็ตทั่วไปต้องใช้สาย 4–8 เส้น ระยะ 100 m และไม่ปลอดภัยในตัว APL อิง IEEE 802.3cg (10BASE-T1L, 2019) ใช้สายคู่เดียวแบบ Type A เดิม 10 Mbit/s ส่งไฟและข้อมูล trunk ได้ราว 1000 m spur ราว 200 m และมีแนวคิด Ex สำหรับสองสาย (2-WISE, IEC TS 60079-47) ผลคือทรานสมิตเตอร์ในพื้นที่อันตรายพูด PROFINET, EtherNet/IP, HART-IP หรือ OPC UA ได้ตรงถึงระบบควบคุม

เลือกอย่างไรในโครงการจริง พื้นฐาน

เริ่มจากระบบควบคุมที่มี: PLC/DCS ยี่ห้อใดถนัดโปรโตคอลใด (ค่ายยุโรปมักเป็น PROFIBUS/PROFINET ค่ายสหรัฐฯ มักเป็น EtherNet/IP หรือ FOUNDATION Fieldbus)
พื้นที่อันตรายหรือไม่: ต้องการแบบปลอดภัยในตัว → 4–20 mA/HART, PROFIBUS PA, FF H1 หรือ Ethernet-APL
ต้องการความเร็วแค่ไหน: ลูปกระบวนการ (วินาที) ใช้ได้ทุกแบบ · โมชันคอนโทรล (มิลลิวินาที) ต้อง Industrial Ethernet แบบเวลาจริง
ใครดูแลหลังส่งมอบ: ทักษะของช่างในโรงงานและเครื่องมือวินิจฉัยสำคัญพอ ๆ กับสเปก ระบบที่ง่ายกว่ามักชนะในระยะยาว
ข้อมูลไปไหนต่อ: ถ้าต้องการวิเคราะห์ข้อมูลระดับองค์กร วางทาง OPC UA หรือ MQTT ไว้ตั้งแต่แรก — ดู เซนเซอร์อัจฉริยะและ IIoT

แหล่งอ้างอิง

IEC 61158 (ชุด) Industrial communication networks — Fieldbus specifications · IEC 61784 (ชุด) Profiles
IEC 61131-9 Single-drop digital communication interface for small sensors and actuators (SDCI, IO-Link) · IEC 62026-2 AS-i
IEEE 802.3cg-2019 (10BASE-T1L) · IEC TS 60079-47 2-WISE · Ethernet-APL
PROFIBUS & PROFINET International (PI) · FieldComm Group · OPC Foundation · IEC 62541 OPC UA

คำถามที่พบบ่อย

PROFIBUS DP กับ PROFIBUS PA ต่างกันอย่างไร?

ใช้โปรโตคอลชุดเดียวกันแต่ชั้นกายภาพต่างกัน DP ใช้ RS-485 ความเร็ว 9.6 kbit/s ถึง 12 Mbit/s สำหรับรีโมต I/O ไดรฟ์ และอุปกรณ์ในตู้ ส่วน PA ใช้ MBP ตาม IEC 61158-2 ความเร็ว 31.25 kbit/s จ่ายไฟให้อุปกรณ์บนสายคู่เดียวกันและออกแบบเป็นแบบปลอดภัยในตัวได้ จึงใช้กับทรานสมิตเตอร์ในพื้นที่อันตราย เชื่อมสองแบบด้วย DP/PA coupler

IO-Link ต่างจากฟิลด์บัสอย่างไร?

IO-Link (IEC 61131-9) เป็นการเชื่อมต่อแบบจุดต่อจุดระหว่างพอร์ตของ IO-Link master กับเซนเซอร์หรือแอคชูเอเตอร์หนึ่งตัว ใช้สายไม่มีชีลด์ 3 เส้นแบบเดียวกับเซนเซอร์ 24 V ทั่วไป ยาวได้ถึง 20 m ไม่ใช่บัส ตัว master เองจึงต่อขึ้นสู่ PROFINET EtherNet/IP หรือเครือข่ายอื่นอีกชั้นหนึ่ง จุดเด่นคือส่งค่าวัด พารามิเตอร์ และการวินิจฉัยของเซนเซอร์ราคาถูกได้ และเปลี่ยนเซนเซอร์แล้วโหลดพารามิเตอร์กลับอัตโนมัติ

Ethernet-APL คืออะไร?

Ethernet-APL (Advanced Physical Layer) คือชั้นกายภาพอีเทอร์เน็ตแบบสองสายสำหรับอุตสาหกรรมกระบวนการ อิงมาตรฐาน IEEE 802.3cg 10BASE-T1L ความเร็ว 10 Mbit/s ส่งทั้งข้อมูลและไฟเลี้ยงบนคู่สายเดียว ยาว trunk ได้ถึงราว 1000 m และออกแบบให้ปลอดภัยในตัวสำหรับพื้นที่อันตรายได้ ทำให้ทรานสมิตเตอร์ในภาคสนามใช้โปรโตคอลอีเทอร์เน็ตอย่าง PROFINET, EtherNet/IP, HART-IP หรือ OPC UA ได้โดยตรง