สอนการเขียน PID Control ใน PLC พร้อมตัวอย่าง PWM และทฤษฎี

การเขียน PID Control ใน PLC

การควบคุม PID (Proportional-Integral-Derivative) เป็นเทคนิคสำคัญในระบบอัตโนมัติ ในบทความนี้จะสาธิตการเขียน PID Control ทั้งทฤษฎีและปฏิบัติด้วยตัวอย่างการต้มน้ำร้อนให้ได้อุณหภูมิ 50 องศาเซลเซียส

ระบบควบคุมพื้นฐาน

องค์ประกอบของระบบ

ระบบการต้มน้ำประกอบด้วย 3 ส่วนหลัก:

1. Controller (PLC): รับค่า Set Value (SV) และออก Output ไปควบคุม Process
2. Process (Heater): ตัวต้มน้ำที่ถูกควบคุม
3. Sensor: อ่านค่า Process Variable (PV) ส่งกลับไปยัง Controller

การเชื่อมต่อวงจร:

• ใช้ PT-100 Sensor แบบ 3-wire เชื่อมต่อกับ PLC
• Output ใช้ Transistor ขับ SSR (Solid State Relay) ควบคุม Heater
• สำหรับ HMI ใช้ Twin1 รุ่น 4.3" หรือ 7" กับ Module FX4BT

PWM (Pulse Width Modulation)

หลักการทำงาน

PWM เป็นเทคนิคการออก Output ที่มีค่าอยู่ระหว่าง 0-100% โดยการปรับ Duty Cycle:

• Duty Cycle 25%: Output ติด 25% ของเวลา
• Duty Cycle 75%: Output ติด 75% ของเวลา
• Duty Cycle 100%: Output ติดตลอด

การเขียน PWM Code

ladder
// กำหนด Period = 2000 ms (2 วินาที)
TON T0, K20  // 20 x 100ms = 2000ms

// ควบคุม Duty Cycle
CMP D14, T0  // เปรียบเทียบค่า D14 กับเวลาปัจจุบัน
OUT Y0       // Output ตาม Duty Cycle

ตัวอย่างการใช้งาน:

• D14 = 0: Output ปิดตลอด (0%)
• D14 = 1000: Output ติด 1 วิ ปิด 1 วิ (50%)
• D14 = 2000: Output ติดตลอด (100%)

การควบคุมแบบ On-Off

ปัญหาของ On-Off Control

การใช้วิธี On-Off Control พื้นฐาน:

ladder
// ถ้าอุณหภูมิต่ำกว่า Setpoint -> เปิด Heater เต็ม
CMP< D12, D10    // PV < SV
MOVD K2000, D14  // Output 100%

// ถ้าอุณหภูมิสูงกว่า Setpoint -> ปิด Heater
CMP> D12, D10    // PV > SV
MOVD K0, D14     // Output 0%

ปัญหาที่เกิด:

• เกิด Overshoot (อุณหภูมิสูงเกิน Setpoint)
• ระบบไม่เสถียร เกิดการแกว่งขึ้นลง
• ไม่เหมาะกับระบบที่มี Thermal Mass สูง

ทฤษฎี PID Control

การคำนวณ Error

สิ่งแรกที่ต้องคำนวณคือค่า Error:

Error = SV - PV

เช่น: SV = 50°C, PV = 45°C → Error = 5°C

P-Control (Proportional)

สูตร: P = KP × Error

ladder
SUBD D10, D12, D20  // Error = SV - PV
DTOF D20, D22       // แปลง Error เป็น Float
MULF D22, D6200, D24 // P = Error × KP

คุณสมบัติ:

• ง่ายต่อการเข้าใจ
• มี Steady State Error (ไม่สามารถลู่เข้าสู่ Setpoint ได้)
• KP สูงเกินไป จะทำให้ระบบไม่เสถียร

I-Control (Integral)

สูตร Continuous: I = KI × ∫Error dt

สูตร Discrete: I(k) = I(k-1) + (KP/TI) × Error

ladder
// คำนวณ Integral Term
MULF D22, D6200, D26    // Error × KP
DIVF D26, D6400, D26    // หารด้วย TI
ADDF D26, D28, D26      // บวกกับ I ตอนก่อน
MOVF D26, D28          // เก็บค่าสำหรับรอบต่อไป

คุณสมบัติ:

• แก้ปัญหา Steady State Error
• ทำให้ระบบลู่เข้าสู่ Setpoint ได้
• อาจทำให้เกิด Overshoot

D-Control (Derivative)

สูตร Continuous: D = KD × dError/dt

สูตร Discrete: D = KP × TD × (Error(k) - Error(k-1))

ladder
// คำนวณ Derivative Term
SUBF D22, D32, D34      // Error ปัจจุบัน - Error ก่อน
MULF D34, D6200, D34    // คูณ KP
MULF D34, D6600, D34    // คูณ TD
MOVF D22, D32          // เก็บ Error ปัจจุบันไว้ใช้รอบต่อไป

คุณสมบัติ:

• ลดการ Overshoot
• ปรับปรุงการตอบสนองของระบบ
• ทำให้ระบบเสถียรขึ้น

การเขียน PID แบบครบถ้วน

โครงสร้าง Main Program

ladder
// เริ่ม PID Control
LD M2          // สวิตช์เริ่ม PID
PULSE M5       // สร้าง Pulse เริ่มต้น
CALL P_SELF_PID // เรียกใช้ Subroutine

Subroutine Self PID

ladder
// การกำหนดค่าเริ่มต้น
LD M5
RST T10        // Reset Timer
MOVF K0, D28   // Clear Integral term
MOVF K0, D32   // Clear Previous Error

// Cycle Timing (ทุก 1 วินาที)
TON T10, D6000
LD T10
SET M6

// การคำนวณ PID
LD M6
// คำนวณ Error
SUBD D10, D12, D20  // SV - PV
DTOF D20, D22       // แปลงเป็น Float

// P Term
MULF D22, D6200, D24 // Error × KP

// I Term (ถ้า M7501 ปิด)
LDN M7501
MULF D22, D6200, D26
DIVF D26, D6400, D26
ADDF D26, D28, D26
MOVF D26, D28

// D Term (ถ้า M7502 ปิด)
LDN M7502
SUBF D22, D32, D34
MULF D34, D6200, D34
MULF D34, D6600, D34
MOVF D22, D32

// รวม P+I+D
ADDF D24, D26, D30
ADDF D30, D34, D30

// จำกัดค่า Output (0-2000)
CMPF> D30, K2000
MOVF K2000, D30
CMPF< D30, K0
MOVF K0, D30

// Output สุดท้าย
FTOD D30, D14  // แปลงเป็น Integer สำหรับ PWM

การตั้งค่าพารามิเตอร์

ค่าพารามิเตอร์สำคัญ

• D6000: Sampling Time (ms) - แนะนำ 1000 (1 วินาที)
• D6200: KP - ค่าความแรงของ Proportional
• D6400: TI - Integral Time (วินาที)
• D6600: TD - Derivative Time (วินาที)

เทคนิค Auto-Tuning

ใช้วิธี Ziegler-Nichols หรือ Auto-Tuning:

1. เซ็ต I และ D เป็น 0
2. เพิ่ม KP จนระบบเริ่มแกว่ง
3. บันทึกค่า KP critical และ Period การแกว่ง
4. คำนวณพารามิเตอร์ตามสูตร Ziegler-Nichols

การแก้ปัญหาที่พบบ่อย

ระบบไม่เสถียร (Oscillation)

สาเหตุ:

• KP สูงเกินไป
• TI น้อยเกินไป (KI สูงเกินไป)

วิธีแก้:

1. ลด KP ลง 20-30%
2. เพิ่ม TI (ลด KI)
3. เพิ่ม TD เล็กน้อย

มี Steady State Error

สาเหตุ:

• ไม่ได้ใช้ I-Control
• TI สูงเกินไป (KI ต่ำเกินไป)

วิธีแก้:

1. เปิดใช้ I-Control (ปิด M7501)
2. ลดค่า TI

เกิด Overshoot มาก

สาเหตุ:

• KP หรือ KI สูงเกินไป
• ไม่ได้ใช้ D-Control

วิธีแก้:

1. เปิดใช้ D-Control (ปิด M7502)
2. เพิ่มค่า TD
3. ลด KP หรือเพิ่ม TI

ระบบตอบสนองช้า

สาเหตุ:

• KP ต่ำเกินไป
• TI สูงเกินไป

วิธีแก้:

1. เพิ่ม KP
2. ลด TI (เพิ่ม KI)

เคล็ดลับการปรับแต่ง

1. เริ่มต้นด้วย P-Control: ตั้ง I และ D เป็น 0 ก่อน
2. ปรับทีละตัว: อย่าปรับหลายพารามิเตอร์พร้อมกัน
3. บันทึกค่า: เก็บค่าที่ได้ผลดีไว้เป็นอ้างอิง
4. ทดสอบ Disturbance: ลองเปลี่ยนภาระหรือสภาวะแวดล้อม
5. ใช้ Data Logging: เก็บข้อมูลเพื่อวิเคราะห์ผลการควบคุม

สรุป

การเขียน PID Control เองใน PLC ช่วยให้เข้าใจหลักการทำงานของระบบควบคุมอย่างลึกซึ้ง แม้จะซับซ้อนกว่าการใช้ Function Block สำเร็จรูป แต่ให้ความยืดหยุ่นในการปรับแต่งและแก้ไขปัญหา

ข้อดีของการเขียนเอง:

• เข้าใจหลักการทำงานอย่างถ้วนถี่
• สามารถปรับแต่งได้ตามความต้องการ
• แก้ปัญหาได้อย่างตรงจุด
• ไม่ต้องพึ่งพา Function Block ของผู้ผลิต

ข้อควรระวัง:

• ต้องทำความเข้าใจทฤษฎีก่อน
• การ Debug ใช้เวลามากกว่า
• ต้องระวังการ Overflow ของตัวแปร
• จำเป็นต้องมีการป้องกันค่าผิดปกติ

การฝึกฝนด้วยตัวอย่างการต้มน้ำเป็นจุดเริ่มต้นที่ดี เพราะสามารถทำได้ง่ายและเข้าใจผลการทำงานได้ชัดเจน