শিল্প অটোমেশনে বাস এবং প্রোটোকল: এটি কীভাবে কাজ করে

নিশ্চয়ই আপনারা অনেকেই জানেন বা এমনকি দেখেছেন যে কীভাবে বড় স্বয়ংক্রিয় বস্তুগুলি নিয়ন্ত্রণ করা হয়, উদাহরণস্বরূপ, একটি পারমাণবিক বিদ্যুৎ কেন্দ্র বা অনেকগুলি উত্পাদন লাইন সহ একটি কারখানা: প্রধান ক্রিয়াটি প্রায়শই একটি বড় ঘরে ঘটে, একগুচ্ছ স্ক্রিন, আলোর বাল্ব সহ। এবং রিমোট কন্ট্রোল। এই কন্ট্রোল কমপ্লেক্সটিকে সাধারণত প্রধান কন্ট্রোল রুম বলা হয় - উত্পাদন সুবিধা নিরীক্ষণের জন্য প্রধান নিয়ন্ত্রণ প্যানেল।

আপনি নিশ্চয়ই ভাবছেন যে হার্ডওয়্যার এবং সফ্টওয়্যারের ক্ষেত্রে এটি কীভাবে কাজ করে, কীভাবে এই সিস্টেমগুলি প্রচলিত ব্যক্তিগত কম্পিউটার থেকে আলাদা। এই নিবন্ধে, আমরা দেখব কীভাবে বিভিন্ন ডেটা প্রধান নিয়ন্ত্রণ কক্ষে যায়, কীভাবে সরঞ্জামগুলিতে কমান্ড পাঠানো হয় এবং একটি কম্প্রেসার স্টেশন, একটি প্রোপেন উত্পাদন কেন্দ্র, একটি গাড়ি সমাবেশ লাইন বা এমনকি একটি নিয়ন্ত্রণ করার জন্য সাধারণত কী প্রয়োজন হয়। নর্দমা পাম্পিং প্ল্যান্ট।

সর্বনিম্ন স্তর বা ফিল্ডবাস যেখানে এটি শুরু হয়

শব্দের এই সেটটি, অপ্রচলিতদের কাছে অস্পষ্ট, যখন মাইক্রোকন্ট্রোলার এবং অধস্তন সরঞ্জামগুলির মধ্যে যোগাযোগের মাধ্যমগুলি বর্ণনা করার প্রয়োজন হয়, উদাহরণস্বরূপ, I/O মডিউল বা পরিমাপ ডিভাইসগুলি ব্যবহার করা হয়। সাধারণত এই যোগাযোগ চ্যানেলটিকে "ফিল্ড বাস" বলা হয় কারণ এটি "ক্ষেত্র" থেকে নিয়ামকের কাছে আসা ডেটা প্রেরণের জন্য দায়ী।

"ক্ষেত্র" হল একটি গভীর পেশাদার শব্দ যা এই সত্যকে বোঝায় যে কিছু সরঞ্জাম (উদাহরণস্বরূপ, সেন্সর বা অ্যাকচুয়েটর) যার সাথে নিয়ামক যোগাযোগ করে তা কোথাও দূরে, দূরে, রাস্তায়, মাঠে, রাতের আড়ালে অবস্থিত। . এবং এটি কোন ব্যাপার না যে সেন্সরটি নিয়ামক থেকে আধা মিটারে অবস্থিত হতে পারে এবং পরিমাপ করতে পারে, বলুন, একটি অটোমেশন ক্যাবিনেটের তাপমাত্রা, এটি এখনও বিবেচনা করা হয় যে এটি "ক্ষেত্রে"। প্রায়শই, I/O মডিউলে আগত সেন্সর থেকে সংকেত এখনও দশ থেকে শত মিটার (এবং কখনও কখনও আরও বেশি) দূরত্ব ভ্রমণ করে, দূরবর্তী সাইট বা সরঞ্জাম থেকে তথ্য সংগ্রহ করে। প্রকৃতপক্ষে, এই কারণেই এক্সচেঞ্জ বাস, যার মাধ্যমে নিয়ামক এই একই সেন্সরগুলি থেকে মানগুলি গ্রহণ করে, তাকে সাধারণত ফিল্ড বাস বা কম সাধারণভাবে, একটি নিম্ন-স্তরের বাস বা একটি শিল্প বাস বলা হয়।

একটি শিল্প সুবিধার অটোমেশনের সাধারণ স্কিম

সুতরাং, সেন্সর থেকে বৈদ্যুতিক সংকেত তারের লাইন বরাবর একটি নির্দিষ্ট দূরত্ব ভ্রমণ করে (সাধারণত একটি নির্দিষ্ট সংখ্যক কোর সহ একটি নিয়মিত তামার তারের সাথে), যার সাথে বেশ কয়েকটি সেন্সর সংযুক্ত থাকে। সংকেত তারপর প্রক্রিয়াকরণ মডিউল (ইনপুট/আউটপুট মডিউল) প্রবেশ করে, যেখানে এটি নিয়ামকের কাছে বোধগম্য ডিজিটাল ভাষায় রূপান্তরিত হয়। এরপরে, ফিল্ড বাসের মাধ্যমে এই সংকেতটি সরাসরি নিয়ামকের কাছে যায়, যেখানে এটি শেষ পর্যন্ত প্রক্রিয়া করা হয়। এই ধরনের সংকেতের উপর ভিত্তি করে, মাইক্রোকন্ট্রোলারের অপারেটিং যুক্তি নিজেই নির্মিত হয়।

শীর্ষ স্তর: একটি মালা থেকে একটি সম্পূর্ণ ওয়ার্কস্টেশন পর্যন্ত

উপরের স্তরটিকে এমন সবকিছু বলা হয় যা প্রযুক্তিগত প্রক্রিয়া নিয়ন্ত্রণ করে এমন একজন সাধারণ নশ্বর অপারেটর দ্বারা স্পর্শ করা যায়। সহজ ক্ষেত্রে, উপরের স্তর হল লাইট এবং বোতামগুলির একটি সেট। লাইট বাল্বগুলি অপারেটরকে সিস্টেমে ঘটছে এমন কিছু ঘটনা সম্পর্কে সংকেত দেয়, বোতামগুলি নিয়ামককে কমান্ড ইস্যু করতে ব্যবহৃত হয়। এই সিস্টেমটিকে প্রায়শই "মালা" বা "ক্রিসমাস ট্রি" বলা হয় কারণ এটি দেখতে অনেকটা একই রকম (যেমন আপনি নিবন্ধের শুরুতে ফটো থেকে দেখতে পাচ্ছেন)।

যদি অপারেটর আরও ভাগ্যবান হয়, তবে শীর্ষ স্তরের হিসাবে তিনি একটি অপারেটর প্যানেল পাবেন - এক ধরণের ফ্ল্যাট-প্যানেল কম্পিউটার যা নিয়ামক থেকে প্রদর্শনের জন্য কোনও না কোনওভাবে ডেটা গ্রহণ করে এবং এটি স্ক্রিনে প্রদর্শন করে। এই জাতীয় প্যানেল সাধারণত অটোমেশন ক্যাবিনেটেই মাউন্ট করা হয়, তাই আপনাকে সাধারণত দাঁড়িয়ে থাকার সময় এটির সাথে যোগাযোগ করতে হয়, যা অসুবিধার কারণ হয়, এছাড়াও ছোট-ফরম্যাট প্যানেলে চিত্রের গুণমান এবং আকার পছন্দসই হতে পারে।

এবং অবশেষে, অভূতপূর্ব উদারতার একটি আকর্ষণ - একটি ওয়ার্কস্টেশন (বা এমনকি বেশ কয়েকটি সদৃশ), যা একটি সাধারণ ব্যক্তিগত কম্পিউটার।

উপরের স্তরের সরঞ্জামগুলি অবশ্যই মাইক্রোকন্ট্রোলারের সাথে কোনওভাবে ইন্টারঅ্যাক্ট করতে হবে (অন্যথায় কেন এটির প্রয়োজন?) এই ধরনের মিথস্ক্রিয়া জন্য, উচ্চ-স্তরের প্রোটোকল এবং একটি নির্দিষ্ট ট্রান্সমিশন মাধ্যম ব্যবহার করা হয়, উদাহরণস্বরূপ, ইথারনেট বা UART। "ক্রিসমাস ট্রি" এর ক্ষেত্রে, এই জাতীয় পরিশীলিততা অবশ্যই প্রয়োজনীয় নয়; হালকা বাল্বগুলি সাধারণ শারীরিক লাইন ব্যবহার করে আলোকিত হয়, সেখানে কোনও পরিশীলিত ইন্টারফেস বা প্রোটোকল নেই।

সাধারণভাবে, এই উপরের স্তরটি ফিল্ড বাসের তুলনায় কম আকর্ষণীয়, যেহেতু এই উপরের স্তরটি একেবারেই নাও থাকতে পারে (সিরিজ থেকে অপারেটরের দেখার মতো কিছুই নেই; নিয়ামক নিজেই বুঝতে পারবেন কী করা দরকার এবং কীভাবে )

"প্রাচীন" ডেটা ট্রান্সফার প্রোটোকল: মডবাস এবং হার্ট

খুব কম লোকই জানে, কিন্তু পৃথিবী সৃষ্টির সপ্তম দিনে ঈশ্বর বিশ্রাম নেননি, বরং মডবস তৈরি করেছেন। HART প্রোটোকলের সাথে, Modbus সম্ভবত প্রাচীনতম শিল্প তথ্য স্থানান্তর প্রোটোকল; এটি 1979 সালে ফিরে আসে।

সিরিয়াল ইন্টারফেসটি প্রাথমিকভাবে একটি ট্রান্সমিশন মাধ্যম হিসাবে ব্যবহার করা হয়েছিল, তারপর TCP/IP এর মাধ্যমে Modbus প্রয়োগ করা হয়েছিল। এটি একটি সিঙ্ক্রোনাস মাস্টার-স্লেভ (মাস্টার-স্লেভ) প্রোটোকল যা অনুরোধ-প্রতিক্রিয়া নীতি ব্যবহার করে। প্রোটোকলটি বেশ কষ্টকর এবং ধীরগতির, বিনিময় গতি রিসিভার এবং ট্রান্সমিটারের বৈশিষ্ট্যের উপর নির্ভর করে, তবে সাধারণত গণনা প্রায় শত শত মিলিসেকেন্ড হয়, বিশেষ করে যখন সিরিয়াল ইন্টারফেসের মাধ্যমে প্রয়োগ করা হয়।

তাছাড়া, Modbus ডেটা ট্রান্সফার রেজিস্টার হল 16-বিট, যা অবিলম্বে বাস্তব এবং দ্বৈত প্রকারের স্থানান্তরের উপর নিষেধাজ্ঞা আরোপ করে। এগুলি হয় অংশে বা নির্ভুলতা হারানোর সাথে প্রেরণ করা হয়। যদিও Modbus এখনও এমন ক্ষেত্রে ব্যাপকভাবে ব্যবহৃত হয় যেখানে উচ্চ যোগাযোগের গতির প্রয়োজন হয় না এবং প্রেরিত ডেটা হারানো গুরুতর নয়। বিভিন্ন ডিভাইসের অনেক নির্মাতারা অ-মানক ফাংশন যোগ করে তাদের নিজস্ব একচেটিয়া এবং খুব আসল উপায়ে Modbus প্রোটোকল প্রসারিত করতে পছন্দ করে। অতএব, এই প্রোটোকলের আদর্শ থেকে অনেক মিউটেশন এবং বিচ্যুতি রয়েছে, তবে এখনও আধুনিক বিশ্বে সফলভাবে বসবাস করে।
হার্ট প্রোটোকলটি আশির দশক থেকেও রয়েছে, এটি একটি দুই-তারের বর্তমান লুপ লাইনের উপর একটি শিল্প যোগাযোগ প্রোটোকল যা সরাসরি 4-20 mA সেন্সর এবং অন্যান্য HART-সক্ষম ডিভাইসগুলিকে সংযুক্ত করে।

HART লাইন পরিবর্তন করতে, বিশেষ ডিভাইস, তথাকথিত HART মডেম ব্যবহার করা হয়। এমনও কনভার্টার আছে যা ব্যবহারকারীকে আউটপুটে Modbus প্রোটোকল প্রদান করে।

HART সম্ভবত এই কারণে উল্লেখযোগ্য যে 4-20 mA সেন্সরগুলির এনালগ সংকেত ছাড়াও, প্রোটোকলের ডিজিটাল সংকেতটিও সার্কিটে প্রেরণ করা হয়, এটি আপনাকে একটি তারের লাইনে ডিজিটাল এবং এনালগ অংশগুলিকে সংযুক্ত করতে দেয়। আধুনিক HART মডেমগুলি কন্ট্রোলারের USB পোর্টের সাথে সংযুক্ত করা যেতে পারে, ব্লুটুথের মাধ্যমে সংযুক্ত করা যেতে পারে, অথবা একটি সিরিয়াল পোর্টের মাধ্যমে পুরানো পদ্ধতিতে। এক ডজন বছর আগে, Wi-Fi-এর সাথে সাদৃশ্য অনুসারে, ISM পরিসরে কাজ করা WirelessHART ওয়্যারলেস স্ট্যান্ডার্ড উপস্থিত হয়েছিল।

দ্বিতীয় প্রজন্মের প্রোটোকল বা পুরোপুরি শিল্প বাস নয় ISA, PCI(e) এবং VME

Modbus এবং HART প্রোটোকলগুলি ISA (MicroPC, PC/104) বা PCI/PCIe (CompactPCI, CompactPCI সিরিয়াল, StacPC), পাশাপাশি VME এর মতো শিল্প বাসের দ্বারা প্রতিস্থাপিত হয়েছে।

কম্পিউটারের যুগ এসেছে যে তাদের নিষ্পত্তিতে একটি সর্বজনীন ডেটা বাস রয়েছে, যেখানে একটি নির্দিষ্ট ইউনিফাইড সিগন্যাল প্রক্রিয়া করার জন্য বিভিন্ন বোর্ড (মডিউল) সংযুক্ত করা যেতে পারে। একটি নিয়ম হিসাবে, এই ক্ষেত্রে, প্রসেসর মডিউল (কম্পিউটার) তথাকথিত ফ্রেমে ঢোকানো হয়, যা অন্যান্য ডিভাইসের সাথে বাসের মাধ্যমে মিথস্ক্রিয়া নিশ্চিত করে। ফ্রেম, বা, সত্যিকারের অটোমেশন বিশেষজ্ঞরা এটিকে "ক্রেট" বলতে চান, প্রয়োজনীয় ইনপুট-আউটপুট বোর্ডগুলির সাথে সম্পূরক হয়: এনালগ, বিচ্ছিন্ন, ইন্টারফেস, ইত্যাদি, বা এই সমস্ত কিছু ছাড়াই একটি স্যান্ডউইচ আকারে একত্রিত করা হয়। একটি ফ্রেম - অন্যটির উপরে একটি বোর্ড। এর পরে, বাসে এই জাতটি (ISA, PCI, ইত্যাদি) প্রসেসর মডিউলের সাথে ডেটা বিনিময় করে, যা এইভাবে সেন্সর থেকে তথ্য গ্রহণ করে এবং কিছু যুক্তি প্রয়োগ করে।

একটি PCI বাসে একটি PXI ফ্রেমে কন্ট্রোলার এবং I/O মডিউল। উৎস: জাতীয় যন্ত্রপাতি কর্পোরেশন

এই ISA, PCI(e) এবং VME বাসগুলির সাথে সবকিছু ঠিক থাকবে, বিশেষ করে সেই সময়ের জন্য: বিনিময় গতি হতাশাজনক নয়, এবং সিস্টেমের উপাদানগুলি একটি একক ফ্রেমে অবস্থিত, কমপ্যাক্ট এবং সুবিধাজনক, গরম-অদলবদলযোগ্য নাও হতে পারে I/O কার্ড, কিন্তু আমি সত্যিই এখনও চাই না।

কিন্তু মলমের মধ্যে একটি মাছি আছে, এবং একাধিক। এই ধরনের কনফিগারেশনে একটি ডিস্ট্রিবিউটেড সিস্টেম তৈরি করা বেশ কঠিন, এক্সচেঞ্জ বাসটি স্থানীয়, আপনাকে অন্যান্য স্লেভ বা পিয়ার নোডের সাথে ডেটা আদান-প্রদানের জন্য কিছু নিয়ে আসতে হবে, টিসিপি/আইপি বা অন্য কোনও প্রোটোকলের উপর একই মডবাস, সাধারণ, পর্যাপ্ত সুবিধা নেই। ঠিক আছে, দ্বিতীয়টি খুব আনন্দদায়ক নয়: I/O বোর্ডগুলি সাধারণত ইনপুট হিসাবে এক ধরণের একীভূত সংকেত আশা করে, এবং তাদের ক্ষেত্রের সরঞ্জাম থেকে গ্যালভানিক বিচ্ছিন্নতা নেই, তাই আপনাকে বিভিন্ন রূপান্তর মডিউল এবং মধ্যবর্তী সার্কিটরি থেকে একটি বেড়া তৈরি করতে হবে, যা উপাদান বেসকে ব্যাপকভাবে জটিল করে তোলে।

গ্যালভানিক বিচ্ছিন্নতা সহ মধ্যবর্তী সংকেত রূপান্তর মডিউল। উৎস: ডেটাফোর্থ কর্পোরেশন

"শিল্প বাস প্রোটোকল সম্পর্কে কি?" - আপনি জিজ্ঞাসা করুন. কিছুই না। এটি এই বাস্তবায়নে বিদ্যমান নেই। তারের লাইনের মাধ্যমে, সিগন্যাল সেন্সর থেকে সিগন্যাল কনভার্টারে ভ্রমণ করে, কনভার্টারগুলি একটি পৃথক বা এনালগ I/O বোর্ডে ভোল্টেজ সরবরাহ করে এবং বোর্ড থেকে ডেটা ইতিমধ্যেই OS ব্যবহার করে I/O পোর্টগুলির মাধ্যমে পড়া হয়। এবং কোন বিশেষ প্রোটোকল নেই।

আধুনিক শিল্প বাস এবং প্রোটোকল কিভাবে কাজ করে

এখন কি? আজ অবধি, স্বয়ংক্রিয় সিস্টেম নির্মাণের শাস্ত্রীয় আদর্শ একটু পরিবর্তিত হয়েছে। অটোমেশন সুবিধাজনক হওয়া উচিত এই সত্য থেকে শুরু করে এবং একে অপরের থেকে দূরবর্তী নোড সহ বিতরণ করা স্বয়ংক্রিয় সিস্টেমের দিকে প্রবণতার সাথে শেষ হওয়া অনেকগুলি কারণ একটি ভূমিকা পালন করেছিল।

সম্ভবত আমরা বলতে পারি যে আজ অটোমেশন সিস্টেম তৈরির জন্য দুটি প্রধান ধারণা রয়েছে: স্থানীয়করণ এবং বিতরণ স্বয়ংক্রিয় সিস্টেম।

স্থানীয় সিস্টেমের ক্ষেত্রে, যেখানে ডেটা সংগ্রহ এবং নিয়ন্ত্রণ একটি নির্দিষ্ট স্থানে কেন্দ্রীভূত করা হয়, একটি সাধারণ দ্রুত বাস দ্বারা আন্তঃসংযুক্ত ইনপুট/আউটপুট মডিউলগুলির একটি নির্দিষ্ট সেটের ধারণা, যার নিজস্ব বিনিময় প্রোটোকল সহ একটি নিয়ামক সহ, চাহিদা রয়েছে। এই ক্ষেত্রে, একটি নিয়ম হিসাবে, I/O মডিউলগুলি একটি সংকেত রূপান্তরকারী এবং গ্যালভানিক বিচ্ছিন্নতা উভয়ই অন্তর্ভুক্ত করে (যদিও, অবশ্যই, সবসময় নয়)। অর্থাৎ, স্বয়ংক্রিয় সিস্টেমে কী ধরনের সেন্সর এবং মেকানিজম থাকবে তা বোঝার জন্য শেষ ব্যবহারকারীর পক্ষে যথেষ্ট, বিভিন্ন ধরনের সংকেতের জন্য প্রয়োজনীয় ইনপুট/আউটপুট মডিউলের সংখ্যা গণনা করুন এবং নিয়ামকের সাথে একটি সাধারণ লাইনে সংযুক্ত করুন। . এই ক্ষেত্রে, একটি নিয়ম হিসাবে, প্রতিটি প্রস্তুতকারক I/O মডিউল এবং কন্ট্রোলারের মধ্যে তার প্রিয় বিনিময় প্রোটোকল ব্যবহার করে এবং এখানে অনেকগুলি বিকল্প থাকতে পারে।

ডিস্ট্রিবিউটেড সিস্টেমের ক্ষেত্রে, স্থানীয় সিস্টেমের সাথে সম্পর্কিত যা বলা হয় তা সত্য, উপরন্তু, এটি গুরুত্বপূর্ণ যে পৃথক উপাদান, উদাহরণস্বরূপ, ইনপুট-আউটপুট মডিউলগুলির একটি সেট এবং তথ্য সংগ্রহ এবং প্রেরণের জন্য একটি ডিভাইস - একটি নয় খুব স্মার্ট মাইক্রোকন্ট্রোলার যেটি মাঠের একটি বুথের কোথাও দাঁড়িয়ে থাকে, তেল বন্ধ করে দেওয়া ভালভের পাশে - একই নোডের সাথে এবং একটি কার্যকর বিনিময় হারের সাথে একটি দুর্দান্ত দূরত্বে প্রধান নিয়ামকের সাথে যোগাযোগ করতে পারে।

কিভাবে ডেভেলপাররা তাদের প্রকল্পের জন্য একটি প্রোটোকল নির্বাচন করবেন? সমস্ত আধুনিক এক্সচেঞ্জ প্রোটোকল মোটামুটি উচ্চ কর্মক্ষমতা প্রদান করে, তাই এক বা অন্য প্রস্তুতকারকের পছন্দ প্রায়ই এই খুব শিল্প বাসের বিনিময় হার দ্বারা নির্ধারিত হয় না। প্রোটোকলের বাস্তবায়ন নিজেই এত গুরুত্বপূর্ণ নয়, কারণ, সিস্টেম বিকাশকারীর দৃষ্টিকোণ থেকে, এটি এখনও একটি কালো বাক্স হবে যা একটি নির্দিষ্ট অভ্যন্তরীণ বিনিময় কাঠামো সরবরাহ করে এবং বাইরের হস্তক্ষেপের জন্য ডিজাইন করা হয়নি। প্রায়শই, ব্যবহারিক বৈশিষ্ট্যগুলিতে মনোযোগ দেওয়া হয়: কম্পিউটারের কার্যকারিতা, প্রস্তুতকারকের ধারণাটি হাতে হাতে প্রয়োগ করার সহজতা, প্রয়োজনীয় ধরণের I/O মডিউলগুলির উপলব্ধতা, ভাঙ্গা ছাড়াই গরম-অদলবদলযোগ্য মডিউল করার ক্ষমতা বাস, ইত্যাদি

জনপ্রিয় সরঞ্জাম সরবরাহকারীরা শিল্প প্রোটোকলগুলির নিজস্ব বাস্তবায়নের প্রস্তাব দেয়: উদাহরণস্বরূপ, সুপরিচিত কোম্পানি সিমেন্স তার প্রোফিনেট এবং প্রোফিবাস প্রোটোকলের সিরিজ তৈরি করছে, B&R পাওয়ারলিংক প্রোটোকল তৈরি করছে, রকওয়েল অটোমেশন ইথারনেট/আইপি প্রোটোকল তৈরি করছে। উদাহরণগুলির এই তালিকায় একটি ঘরোয়া সমাধান: রাশিয়ান কোম্পানি ফাস্টওয়েলের FBUS প্রোটোকলের একটি সংস্করণ।

এছাড়াও আরও সার্বজনীন সমাধান রয়েছে যেগুলি একটি নির্দিষ্ট নির্মাতার সাথে আবদ্ধ নয়, যেমন EtherCAT এবং CAN। আমরা নিবন্ধের ধারাবাহিকতায় এই প্রোটোকলগুলি বিশদভাবে বিশ্লেষণ করব এবং এর মধ্যে কোনটি নির্দিষ্ট অ্যাপ্লিকেশনের জন্য আরও উপযুক্ত তা নির্ধারণ করব: স্বয়ংচালিত এবং মহাকাশ শিল্প, ইলেকট্রনিক্স উত্পাদন, অবস্থান ব্যবস্থা এবং রোবোটিক্স৷ সাথে থাকুন!

উত্স: www.habr.com