แทนที่ไดรฟ์แบบแกนเดียวแบบดั้งเดิม! โซลูชัน EtherCAT แบบหลายแกนสามารถช่วยประหยัดต้นทุนให้กับองค์กรได้มากน้อยเพียงใด?

เหตุใดสถาปัตยกรรมไดรฟ์เซอร์โวแบบมัลติแอ็กซิสถึงให้ผลประหยัดโครงสร้างพื้นฐานทันที

การตัดส่วนประกอบที่ซ้ำซ้อนออก: ไม่จำเป็นต้องใช้สวิตช์ภายนอก ฮับ หรือรีพีทเตอร์แบบเชื่อมต่อแบบห่วงโซ่ (daisy-chain)

ไดรฟ์เซอร์โวแบบหลายแกนรวมฟังก์ชันการควบคุมทั้งหมดเหล่านี้ไว้ในแพ็กเกจเดียว แทนที่จะต้องใช้อุปกรณ์เครือข่ายเสริมจำนวนมากซึ่งมักมาพร้อมกับระบบเซอร์โวแบบแกนเดียวแบบดั้งเดิม เมื่อทุกอย่างถูกรวมเข้าด้วยกันแล้ว ก็ไม่จำเป็นต้องใช้สวิตช์ ฮับ หรือตัวขยายสัญญาณแบบเชื่อมต่อแบบสายโซ่ (daisy chain repeaters) ที่สร้างความยุ่งยากอีกต่อไป เนื่องจากองค์ประกอบเหล่านี้ทำให้ระบบซับซ้อนขึ้น มีจุดที่อาจเกิดข้อผิดพลาดเพิ่มมากขึ้น และส่งผลให้บริษัทต้องเสียค่าใช้จ่ายเพิ่มขึ้นอย่างมีนัยสำคัญในระยะยาว การบรรจุแกนควบคุมหลายแกนไว้ภายในไดรฟ์อัจฉริยะตัวเดียวช่วยให้ผู้ผลิตประหยัดค่าชิ้นส่วนได้ประมาณ 15 ถึง 20 เปอร์เซ็นต์ โดยในขณะเดียวกันยังทำให้ระบบมีแนวโน้มเกิดปัญหาการเชื่อมต่อลดน้อยลงอย่างมาก รายงานประสิทธิภาพระบบอัตโนมัติบางฉบับระบุว่า ระบบแบบรวมศูนย์นี้สามารถลดจำนวนการเชื่อมต่อทางไฟฟ้าลงได้ประมาณสามในสี่ เมื่อเทียบกับวิธีการแบบดั้งเดิม ซึ่งส่งผลโดยตรงให้การติดตั้งดำเนินการได้รวดเร็วขึ้น และไม่ต้องกังวลอีกต่อไปเกี่ยวกับการบำรุงรักษาอุปกรณ์เครือข่ายเสริมทั้งหลาย นอกจากนี้ โครงสร้างที่เรียบง่ายยังช่วยลดเวลาในการตรวจสอบและยืนยันความถูกต้อง (validation) ระหว่างการตั้งค่าระบบลงได้ประมาณ 40 เปอร์เซ็นต์ เมื่อเทียบกับวิธีการก่อนหน้า

พื้นที่ตู้และจำนวนสายไฟลดลง: ไดรฟ์แบบสองแกนและสี่แกนช่วยลดขนาดพื้นที่ตู้ได้สูงสุดถึง 60%

เมื่อพูดถึงระบบขับเคลื่อน การจัดวางแบบรวมศูนย์จะช่วยลดความจำเป็นในการติดตั้งโครงสร้างพื้นฐานทางกายภาพได้อย่างมาก รุ่นแบบสองแกนและสี่แกนนั้นโดยพื้นฐานแล้วจะบรรจุตัวควบคุมมอเตอร์หลายตัวไว้ในหนึ่งหน่วย ซึ่งสามารถเพิ่มพื้นที่ว่างภายในตู้ควบคุมได้ประมาณ 60% เมื่อเทียบกับการติดตั้งไดรฟ์แยกตัวแต่ละตัวอย่างอิสระ ด้วยระบบบัสกระแสตรง (DC bus) แบบใช้ร่วมกันและพอร์ตการสื่อสารในตัว จึงทำให้ลดปริมาณสายไฟที่จำเป็นลงอย่างมากทั่วทั้งระบบ โดยเราพูดถึงการลดจำนวนสายเคเบิลลงระหว่าง 70 ถึง 85 เปอร์เซ็นต์ ซึ่งหมายความว่าจะมีท่อร้อยสาย (conduits) ที่ต้องเดินผ่านผนังน้อยลง มีงานต่อปลายสาย (termination work) ที่จุดเชื่อมต่อน้อยลง และแน่นอนว่าช่วยประหยัดเวลาและค่าแรงติดตั้งได้อย่างเห็นได้ชัด จากรายงานของช่างเทคนิคภาคสนาม เวลาในการติดตั้งมักจะลดลงประมาณ 30% นอกจากนี้ยังมีประโยชน์ด้านต้นทุนอื่นๆ อีกด้วย ตู้ควบคุมที่มีขนาดเล็กลงส่งผลให้วัสดุสำหรับทำตู้มีราคาถูกกว่า ขณะที่การลดปริมาณความร้อนที่เกิดขึ้นก็ช่วยลดความต้องการระบบระบายความร้อนของสถานที่โดยรวม สำหรับผู้ผลิตที่ต้องทำงานในพื้นที่จำกัด โซลูชันไดรฟ์แบบกะทัดรัดเหล่านี้ช่วยให้บรรลุผลลัพธ์ที่โดดเด่นด้วยอัตราส่วน 3 แกนต่อพื้นที่ 1 ตารางฟุต ซึ่งทำให้การขยายสายการผลิตทำได้ง่ายขึ้นมาก โดยไม่จำเป็นต้องเปลี่ยนแปลงโครงสร้างพื้นฐานที่มีอยู่อย่างใหญ่หลวง

ประสิทธิภาพเชิงกำหนดเวลาของ EtherCAT ที่เป็นตัวขับเคลื่อนการลดต้นทุนโดยตรง

ความแปรปรวนของเวลา (jitter) ระดับย่อยไมโครวินาทีและการใช้ระบบนาฬิกาแบบกระจาย (distributed clocks) ที่ทำให้สามารถซิงค์ไดรฟ์เซอร์โวแบบหลายแกนได้อย่างแม่นยำ — ลดข้อผิดพลาดในการเคลื่อนที่และลดการทดลองออกแบบฮาร์ดแวร์ซ้ำที่มีค่าใช้จ่ายสูง

ระบบนาฬิกาแบบกระจายใน EtherCAT สามารถทำให้การซิงค์มีความแม่นยำสูงถึงน้อยกว่าหนึ่งไมโครวินาที ซึ่งโดยพื้นฐานแล้วจะกำจัดปัญหาความไม่สอดคล้องกันของเวลาที่ส่งผลต่อความเที่ยงตรงของการจัดแนวในระบบที่เคลื่อนที่แบบหลายแกนได้อย่างมีประสิทธิภาพ ด้วยความแม่นยำระดับนี้ ความคลาดเคลื่อนในการวางตำแหน่งของเซอร์โวจะลดลงประมาณ 90% เมื่อเปรียบเทียบกับเทคโนโลยีฟิลด์บัสรุ่นเก่า หมายความว่ามีการทดลองออกแบบฮาร์ดแวร์ซ้ำน้อยลง และสูญเสียวัสดุน้อยลงอย่างมีนัยสำคัญ ผลลัพธ์จากโลกจริงก็โดดเด่นไม่แพ้กัน บริษัทในอุตสาหกรรมบรรจุภัณฑ์รายงานว่ามีการหยุดทำงานที่เกิดจากปัญหาการเคลื่อนที่ลดลงประมาณ 40% หลังเปลี่ยนมาใช้ไดรฟ์เซอร์โวที่ขับเคลื่อนด้วย EtherCAT ซึ่งจากการศึกษาของสถาบันโปเนอมอน (Ponemon Institute) ในรายงานปี 2023 เรื่องต้นทุนการหยุดทำงานในระบบอัตโนมัติอุตสาหกรรม พบว่าสิ่งนี้ส่งผลให้ประหยัดค่าใช้จ่ายได้ประมาณเจ็ดแสนสี่หมื่นดอลลาร์สหรัฐต่อปี ต่อสายการผลิตหนึ่งสาย

การสื่อสารแบบสายเดียว กรอบเดียว ที่สามารถปรับขนาดได้ถึงมากกว่า 10,000 โหนด — ลดภาระงานด้านการสื่อสารต่อแกนลงประมาณ 70%

คุณสมบัติการประมวลผลแบบเรียลไทม์ (on the fly) ของ EtherCAT ทำให้สามารถเชื่อมอุปกรณ์เข้าด้วยกันเป็นห่วงโซ่ได้สูงสุดกว่า 65,000 ชิ้น โดยใช้สายเคเบิลเพียงเส้นเดียวในแต่ละครั้งที่เชื่อมต่อกันแบบปลายต่อปลาย (end to end) ซึ่งแทนที่โครงสร้างเครือข่ายแบบดาว (star-shaped) อันซับซ้อนด้วยวิธีการที่เรียบง่ายกว่ามาก และต้องการอุปกรณ์โดยรวมน้อยลงอย่างเห็นได้ชัด บริษัทต่างๆ รายงานว่าสามารถประหยัดค่าใช้จ่ายด้านสายเคเบิลได้ระหว่าง 60 ถึง 80 เปอร์เซ็นต์ เมื่อเทียบกับการเชื่อมต่อแบบจุดต่อจุด (point-to-point) แบบดั้งเดิม ขณะเดียวกันยังลดระยะเวลาที่ข้อความใช้ในการเดินทางผ่านระบบอีกด้วย ความล่าช้าในการสื่อสารลดลงเหลือประมาณ 30 ไมโครวินาที ต่อหนึ่งพันจุดอินพุต/เอาต์พุต (I/O points) และวิศวกรใช้เวลาในการติดตั้งเครือข่ายเหล่านี้น้อยลงประมาณครึ่งหนึ่งเมื่อเทียบกับแต่ก่อน ผู้ผลิตรายใหญ่ก็ได้รับผลลัพธ์ที่น่าประทับใจเช่นกัน โดยบางรายระบุว่าภาระงานด้านการสื่อสารลดลงประมาณเจ็ดสิบเปอร์เซ็นต์ แม้จะขยายระบบให้มีโหนดเกิน 10,000 โหนด โดยไม่จำเป็นต้องใช้อุปกรณ์เสริม เช่น สวิตช์หรือรีพีเตอร์ เพิ่มเติม การปรับปรุงเหล่านี้ส่งผลโดยตรงต่อการประหยัดค่าใช้จ่ายจริง ตัวอย่างหนึ่งคือโรงงานแห่งหนึ่งรายงานว่าสามารถประหยัดเงินได้เกือบสองล้านดอลลาร์สหรัฐฯ ภายในระยะเวลาห้าปี ภายหลังนำระบบหุ่นยนต์แบบหลายแกน (high axis robotic systems) มาใช้งาน

ต้นทุนรวมในการเป็นเจ้าของ: ไดร์ฟเซอร์โวแบบหลายแกนเทียบกับการติดตั้งไดร์ฟเซอร์โวแบบแกนเดียวผ่านระบบฟิลด์บัส

การประหยัดค่าใช้จ่ายด้านสายเคเบิลและการติดตั้ง: ใช้สายเคเบิล ท่อกล่องสาย และงานขั้วต่อ น้อยลง 60–80% เมื่อเทียบกับ CANopen/PROFIBUS

เมื่อพูดถึงไดร์ฟเซอร์โวแบบหลายแกน ระบบเหล่านี้รวมการควบคุมสำหรับแกนประมาณ 2 ถึง 4 แกนไว้ภายในหน่วยที่มีขนาดกะทัดรัดเพียงหนึ่งหน่วย ซึ่งโครงสร้างนี้ช่วยลดความจำเป็นในการใช้อุปกรณ์โครงสร้างพื้นฐานทางกายภาพลงอย่างมาก โดยการติดตั้งระบบที่ใช้ไดร์ฟเซอร์โวแบบหลายแกนจะต้องใช้สายเคเบิลน้อยลงถึง 60% ถึง 80% เมื่อเทียบกับระบบที่ใช้ CANopen หรือ PROFIBUS รุ่นเก่า แล้วสิ่งนี้หมายความว่าอย่างไร? นั่นหมายความว่าไม่ต้องลากท่อร้อยสายยาวหลายไมล์อีกต่อไป ไม่ต้องจัดการจุดต่อปลายสาย (termination points) นับร้อยจุด และไม่ต้องยุ่งยากกับชุดสายไฟที่ซับซ้อนซึ่งแต่ก่อนต้องใช้เวลานานมากในการประกอบ ยกตัวอย่างเช่น ไลน์การผลิตที่มีจำนวนแกนทั้งหมด 50 แกน การประหยัดในกรณีนี้มีความชัดเจนมาก โดยเฉพาะค่าใช้จ่ายเพียงอย่างเดียวสำหรับสายทองแดง ซึ่งสามารถประหยัดได้ประมาณ 18,000 ดอลลาร์สหรัฐฯ และยังไม่รวมเวลาแรงงานที่ประหยัดได้อีกด้วย ขณะนี้ช่างติดตั้งจำเป็นต้องจัดการเพียงสายไฟเลี้ยงกำลังหนึ่งเส้นและสาย EtherCAT หนึ่งเส้นต่อไดร์ฟเท่านั้น แทนที่จะต้องเดินสายแยกต่างหากสำหรับมอเตอร์แต่ละตัวเหมือนที่เคยทำกับระบบรุ่นเก่า กระบวนการประกอบตู้ควบคุม (cabinet assembly) ก็เสร็จสิ้นเร็วขึ้นอย่างเห็นได้ชัด โดยลดระยะเวลาการประกอบลงได้ระหว่าง 40% ถึง 65% ซึ่งหมายความว่าระบบสามารถเริ่มดำเนินการได้เร็วกว่าที่เคยเป็นมา

ปัจจัยที่ซ่อนอยู่ซึ่งส่งผลต่อต้นทุนรวมตลอดอายุการใช้งาน (TCO): เวลาในการออกแบบวิศวกรรม รอบการตรวจสอบและรับรอง คลังสินค้าอะไหล่ และการบำรุงรักษาในระยะยาว

นอกเหนือจากการประหยัดต้นทุนด้านฮาร์ดแวร์แล้ว ไดรฟ์เซอร์โวแบบหลายแกนยังช่วยลดต้นทุนที่ซ่อนอยู่ทั่วทั้งวงจรการดำเนินงาน:

• ภาระงานด้านวิศวกรรม ลดลง 30–50% โดยใช้โครงสร้างพื้นฐานที่เป็นมาตรฐานและลดการเขียนโปรแกรมเฉพาะทาง
• รอบการตรวจสอบและรับรองสั้นลง เนื่องจากไม่จำเป็นต้องจัดการความเสี่ยงด้านความสมบูรณ์ของสัญญาณที่เกิดจากการเชื่อมต่อแบบต่อเนื่อง (daisy-chained connections)
• คลังสินค้าอะไหล่ลดลง 60% — ไดรฟ์หนึ่งตัวสามารถแทนที่ไดรฟ์แบบเดี่ยว 2–4 ตัว
• การบำรุงรักษาเชิงคาดการณ์ทำได้ง่ายขึ้นผ่านการตรวจสอบสุขภาพแบบรวมศูนย์ผ่านระบบวินิจฉัย EtherCAT

สถานประกอบการรายงานว่ามีต้นทุนการบำรุงรักษาประจำปีลดลง 35% เนื่องจากจุดล้มเหลวน้อยลง ขณะที่เวลาหยุดทำงานโดยไม่ได้วางแผนไว้จากปัญหาการกัดกร่อนของขั้วต่อหรือความเสียหายของสายเคเบิลลดลงอย่างมาก — ซึ่งมีความสำคัญยิ่งต่ออุตสาหกรรมที่ต้องการเวลาทำงานต่อเนื่องสูง เช่น อุตสาหกรรมบรรจุภัณฑ์ ที่เวลาหยุดทำงานแต่ละครั้งมีต้นทุนเฉลี่ยประมาณ 740,000 ดอลลาร์สหรัฐต่อชั่วโมง (Ponemon Institute, รายงานมาตรฐานต้นทุนการหยุดทำงานในระบบอัตโนมัติอุตสาหกรรม , 2023)

การเอาชนะอุปสรรคในการนำเทคโนโลยีมาใช้: เหตุใดผู้ผลิตเครื่องจักรดั้งเดิม (OEMs) จึงลังเล — และจะปิดช่องว่างนี้ได้อย่างไร

แม้ว่าการศึกษาจะแสดงให้เห็นว่ามีการประหยัดต้นทุนรวมระหว่างร้อยละ 35 ถึง 42 เมื่อนำระบบขับเคลื่อนเซอร์โวแบบหลายแกนมาใช้งาน แต่ผู้ผลิตรายอื่น (OEMs) จำนวนมากยังคงประสบปัญหาในการนำระบบนี้ไปใช้ทั่วทั้งกระบวนการผลิตของตน ซึ่งโดยพื้นฐานแล้วมีอุปสรรคหลักสี่ประการที่ขัดขวางการดำเนินการดังกล่าว ประการแรกคือความยุ่งยากในการบูรณาการเทคโนโลยีใหม่เข้ากับอุปกรณ์เก่าที่ใช้มาตรฐานการสื่อสารที่แตกต่างกัน ประการที่สองคือคำถามเรื่องงบประมาณ ซึ่งเป็นประเด็นที่ไม่มีใครอยากพูดถึงล่วงหน้า — โดยเฉพาะการลงทุนครั้งแรกที่ดูเหมือนสูงมาก ทั้งที่ยังไม่สามารถมองเห็นผลตอบแทนจากการลงทุน (ROI) ได้ในทันทีภายในระยะเวลาเพียงไม่กี่เดือน ประการที่สาม ทีมงานด้านการบำรุงรักษาบ่อยครั้งขาดการฝึกอบรมที่เหมาะสมเกี่ยวกับเทคโนโลยี EtherCAT ซึ่งก่อให้เกิดอุปสรรคเพิ่มเติมอีกประการหนึ่ง และประการสุดท้าย อย่าลืมว่าสิ่งที่ทุกคนหวาดกลัวที่สุดคือการหยุดการผลิตชั่วคราวขณะพยายามปรับปรุงเครื่องจักรที่มีอยู่แล้วให้รองรับเทคโนโลยีใหม่นี้ ปัจจัยทั้งหมดเหล่านี้เมื่อรวมกันจึงก่อให้เกิดความลังเลอย่างรุนแรง แม้ว่าจะมีประโยชน์ทางการเงินในระยะยาวรออยู่ปลายอุโมงค์ก็ตาม

แนวทางที่ดีที่สุดคืออะไร? เริ่มต้นด้วยการปรับใช้การเปลี่ยนแปลงในสายการผลิตที่มีความสำคัญน้อยกว่าก่อนเป็นลำดับแรก วิธีนี้ช่วยให้บริษัทสามารถทดสอบประสิทธิภาพของการดำเนินงานก่อนจะขยายการใช้งานอย่างเต็มรูปแบบ ซึ่งจะช่วยลดความเสี่ยงที่อาจเกิดขึ้นได้ การทำงานร่วมกับพันธมิตรที่ผ่านการรับรองก็เป็นทางเลือกที่สมเหตุสมผลเช่นกัน เหล่าพันธมิตรเหล่านี้มีความเชี่ยวชาญเฉพาะด้านในการผสานรวมระบบใหม่และฝึกอบรมบุคลากรอย่างเหมาะสม ประสบการณ์ของพวกเขาในด้านการควบคุมการเคลื่อนที่ (motion control) สามารถเร่งกระบวนการทั้งหมดให้รวดเร็วขึ้นได้อย่างมาก เมื่อพิจารณาค่าใช้จ่ายโดยรวมในระยะยาว มีประเด็นหนึ่งที่น่าสนใจเกี่ยวกับไดรฟ์เซอร์โวแบบหลายแกน (multi-axis servo drives) เมื่อเทียบกับแบบแกนเดียว (single-axis options) งานวิจัยชี้ว่าสามารถประหยัดค่าใช้จ่ายด้านสายเคเบิลและแรงงานได้ถึงร้อยละ 60–80 เพียงอย่างเดียว ซึ่งเมื่อสะสมแล้วจะเห็นผลอย่างชัดเจนอย่างรวดเร็ว โครงการนำร่อง (pilot projects) ส่วนใหญ่ที่เราพบเห็นมักคืนทุนภายในระยะเวลาประมาณหนึ่งปีครึ่ง ด้วยเหตุผลหลักสองประการ คือ ความต้องการสินค้าคงคลังที่ลดลง และจำนวนชั่วโมงการบำรุงรักษาที่ใช้ในการแก้ไขปัญหาลดลง นอกจากนี้ อย่าลืมพิจารณาการออกแบบไดรฟ์แบบโมดูลาร์ (modular drive designs) ด้วย เพราะการออกแบบลักษณะนี้ช่วยให้สามารถเปลี่ยนชิ้นส่วนได้อย่างสะดวกในช่วงเวลาที่กำหนดสำหรับการบำรุงรักษาตามปกติ โดยไม่จำเป็นต้องหยุดการดำเนินงานทั้งหมด และยังสามารถใช้งานร่วมกับอุปกรณ์รุ่นเก่าได้ด้วย จึงไม่จำเป็นต้องทิ้งอุปกรณ์ที่มีอยู่แล้วในขณะนี้