TEKNİK YAZI
Endüstriyel Ağ Geçitlerinde En İyi Performans için Uzmanından Tüyolar
İçindekiler
Üretim, işletim maliyetleri ve verimliliğin optimize edilmesi için, sistem yöneticileri akıllı cihazların kontrolünde endüstriyel ağlardan faydalanır. Bu optimizasyon gereksinimi sonucunda günümüzde gittikçe artan sayıda operatör, saha cihazlarının dünyanın en popüler endüstriyel Ethernet protokolü olan Modbus TCP’ye entegrasyonu için endüstriyel ağ geçitleri (gateway) kullanıyor. Modbus TCP’nin açık kaynaklı oluşu, kullanıcıların kendi programlarını çabucak uzaktan kontrol uygulamalarına göre ayarlayabilmelerine de imkân tanıyor.
İşletimin bağımlı olduğu, petrol ve doğalgaz gibi kritik endüstriyel uygulamalarda tek bir bağlantıdaki bir kesinti bile işletim verimliliğini etkileyebilir. Bu nedenle, güvenilir performans ve yönetim proses otomasyonu için son derece önemlidir. Bu yazı, birden çok akıllı cihazın entegrasyonunun en iyi biçimde yapılmasına yönelik uzman önerilerinin yanında, cihaz performansı ve yönetiminin de en iyi seviyeye getirilebilmesine dair tavsiyeler de sunuyor.
Endüstriyel Ağ Geçitlerine Genel Bakış
Günümüzde gittikçe artan sayıda endüstriyel uygulamada, müdahale süresinin iyileştirilmesi ve işletim maliyetlerinin düşürülmesi amacıyla gerçek zamanlı verinin merkezi kontrolü için EtherNet/IP, PROFINET ve Modbus TCP gibi endüstriyel ağ protokolleri kullanılıyor. Modbus TCP, kamuya açık ve kurulumu kolay olması nedeniyle en çok tercih edilen endüstriyel Ethernet protokolü konumunda bulunuyor.
Endüstriyel uygulamaların işletiminde, her biri kendi özel protokolüyle çalışan farklı cihazlar kullanılır. Artan sayıda operatör ise maliyetleri en aza indirebilmek için eski cihazları kullanmaya devam ederken, bu cihazların Modbus TCP’ye entegrasyonunda endüstriyel ağ geçitlerinden faydalanıyor. Endüstriyel ağ geçitleri ile PROFIBUS veya Modbus RTU/ASCII gibi farklı fieldbus protokollerinden gelen trafik, tek bir Modbus TCP ağı üzerine, minimum maliyet ve entegrasyon gayretiyle yönlendirilebiliyor.
Modbus TCP, master’ın slave’e istek gönderdiği, slave’in ise veri ileterek cevap verdiği devamlı bir döngü olan master-slave tekniği kullanır.
Belirli durumlarda bu cevap önceden tanımlanmış bir zaman aralığında gönderilecek, öbür türlü zaman aşımına uğramış ve bağlantı hatasına neden olmuş sayılacak biçimde ayarlanır. Farklı protokollere sahip iki veya daha fazla cihazın birbiriyle haberleşmesini sağlayan bir köprü görevi gören ağ geçitleri, gelen istekleri olabildiğince çabuk gerçekleştirmek için yeterli işlem gücüne sahip olmalı, aynı zamanda da kolay yönetilebilmelidir. Öte yandan, özellikle de petrol ve doğalgaz gibi işletimin bağımlı olduğu kritik endüstriyel uygulamalarda tek bir bağlantıdaki kesinti, döngüde neden olacağı gecikme ile tüm uygulamanın verimliliğini etkileyebilir. Bu nedenle güvenilir performans ve yönetim, proses otomasyonu için son derece önemlidir.
En İyi Performans için Ağ Geçitlerine Ne Gerekir?
İşlem Gücü
Ağ geçidi endüstriyel Ethernet arayüzlerini de desteklediği ve birden çok bağlantıyı hem master hem de slave olarak idare edebilmesi gerektiği için, bu cihazların işlem gücü büyük önem taşır. Slave olarak ağ geçidi yöneticilerin çeşitli master cihazlardan aynı anda veri toplamalarına izin verirken master olarak ise birden fazla slave cihazı arasında köprü kurarak bu cihazlar arasında haberleşmeyi sağlar. Bu kadar geniş bir ağ bağlantısını idare eden ağ geçidi, birden çok bağlantıyı desteklerken tüm istekleri önceden kararlaştırılmış bir zaman aralığında yönlendirecek ve tepki süresini etkilemeyecek kadar yüksek işlem gücüne sahip olmalıdır.
Bazı ağ geçitleri yalnızca 16-bit işlem gücüne sahiptir. Bu durum, cihaz desteği ve tepki süresi açısından ağ geçidinin yeterliliğini kısıtlar. Daha yüksek bir işletim gücü ile ağ geçitleri daha fazla cihaz destekleyebilir, bu sırada veri aktarımının güvenilirliğini veya tepki süresini riske atmaz. Bu nedenle bazı ağ geçitleri 16’ya kadar dışarıdan bağlantı destekleyebilirken, bazıları yalnızca 8 bağlantı destekleyebilmektedir.
Akıllı Mekanizma
İşletim gücüne ek olarak, ağ geçitlerinin acil istekleri öne alabilen ve olabildiğince çabuk işlenmelerini sağlayan bir akıllı mekanizma da destekliyor olması gerekir. Bir isteğin önceliği, Modbus TCP komut fonksiyon kodu, slave kimliği veya IP adresi/TCP portu tarafından belirlenebilir. Çeşitli cihazlardan birden çok isteğin geldiği bir ağ bağlantısında, ağ geçidi bir sürücüyü durdurmak için kullanılacak acil “ertele” komutu gibi belirli bir Modbus TCP komutunu “acil” olarak filtreleyecek ve kuyruğun önüne gönderecek şekilde kurulabilir. Ayrıca yöneticiler belirli bir slave kimliğine, o slave cihazının sistem güvenliğine dair önemli I/O sinyalleri aktarması gibi durumlar söz konusu olduğunda en yüksek önemi atayabilir.
Ağ Geçitleri Cihazları Nasıl Verimli Yönetir?
Akıllı ağ geçitleri, güç kesintisi veya Ethernet bağlantı sorunu gibi herhangi bir bağlantı hatasına, hata oluştuğu sırada cevap verebilmelidir. Buna ek olarak, izinsiz erişim veya giriş hatası söz konusu olduğunda ağ geçidi, sorun gidermede de kullanılabilecek bir etkinlik kaydı tutar.
Röle Çıkışı
Güç kaynağı ve ağ bağlantısı etkinlikleri gibi acil donanım sorunları için bildirim almanın en iyi yolu, saha üzeri sorun gidermeye yönelik bir röle çıkışı üzerindendir. Yönetici, bu röle çıkışını bir hata durumunda alarmı tetiklemek üzere I/O kontrolünde kullanabilir. Buna ek olarak, güvenilirlik açısından ağ geçidi çift güç girişi bulundurmalıdır – birincisi ana güç kaynağı, ikincisi ise yedek güç kaynağı (pil vb. ile) olarak kullanılır. Ana güç kaynağı kesildiğinde pil, ağ geçidine yöneticiye ana güç kaynağının kesildiğini belirten bir sinyal gönderebilecek kadar güç sağlar.
Bir diğer donanımsal mevzu ise Ethernet bağlantısıdır. Kablo kalitesi, ve hatta Ethernet anahtarlar gibi unsurlar kesintiye neden olabilir. Ağ geçidi, yöneticiye bu durum gerçekleştiğinde problem tüm sistemi etkilemeden önce olabildiğince erken bildirim yapabilmelidir.
Etkinlik Kaydı
Çoğu ağ cihazı gibi ağ geçidi de sorun gidermede kullanılmak üzere bir etkinlik kaydı tutar. Bu kayıt, izinsiz erişim, giriş hatası, protokol sorunları, ağ sorunları, güç döngüleri ve sistem yeniden başlatma gibi önemli etkinlikleri içerir. Ağ geçidi, muhtemelen yazılımsal sorunlardan kaynaklı bir güç döngüsünden geçtiğinde sorun gidermeyi kolaylaştıracak biçimde bu etkinliğin kaydını da almalıdır.
Konsol veya Kullanıcı Aracı (Utility Tool)
Başlangıçta, ağ geçidinin kurulum veya konfigürasyonu sırasında da protokol ayarlarıyla alakalı sorunlarla karşılaşabilirsiniz. Yanlış slave kimliği, yanlış veri adresi, hatta hatalı baudrate kullanımı bile ağ geçidi ile cihazlar arasında bir bağlantı kurulamamasına neden olabilir. Çoğu durumda, bir bağlantı hâlihazırda sağlandığında dahi iki ağ arasında aktarılan I/O verisinin doğru olduğunu teyit etmek gerekir. Veri doğruluğunun sağlamasını cihazın I/O verisini değiştirerek ve ağ geçidinin doğru veriyi gösterip göstermediğini kontrol ederek yapmak mümkündür.
Ağ geçidi, tüm trafik bilgisini kaydeder ve en son I/O verisini deşifre edilmiş bilgi halinde gösterir. Bu fonksiyonlar oldukça karmaşık olduğundan, detaylı etkinlik bilgisini gösteren ve birçok sorunu araştırmada kullanılabilecek daha iyi bir kullanıcı arayüzü sunan bir araç tercih etmek daha yararlı olabilir.
Nasıl Bir Çözüm Sunulabilir?
Bu yazıda Modbus TCP master ve saha cihazları arasındaki performans ve yönetimi optimize etmeye yönelik çeşitli tüyolar öne çıkardık. Bahsi geçen özelliklerin büyük çoğunluğu, Moxa’nın MGate MB3000 serisi veya MGate 5101-PBM-MN serisi gibi ağ geçidi ürünlerinde bir araya getirilmiştir.
- Yüksek işletim gücü çok sayıda bağlantıyı idare eder. Moxa’nın ağ geçidi ürünleri, aynı anda 16 bağlantıyı slave modunda idare etmeyi ve SCADA, HMI ve PLC gibi cihazlarla haberleşmeyi sağlayan güçlü bir 32-bit ARM işlemcisi ile tasarlanmıştır. Master olarak kurulduğunda, saha cihazlarıyla 32’ye kadar bağlantı idare edebilir.
- Otomatik tespit, manuel veri girişi gereksinimini ortadan kaldırır. Moxa’nın ağ geçidi ürünleri, veri denetimini optimize ederek her bir farklı protokol ile ayrı uğraşma yükünü ortadan kaldırır. MGate 5101-PBM-PN ağ geçidinin AutoScan fonksiyonu, bağlı PROFIBUS slave cihazlarının ve bu cihazların I/O modüllerinin otomatik taranmasını sağlayarak manuel olarak veri girişi ihtiyacını elimine eder, hata payını sıfıra indirir. MGate MB3000 serisi ağ geçitlerinin auto response time-out fonksiyonu, ağ geçitlerinin bağlı her cihazda cevaplama zaman aşımını otomatik olarak tespit etmesini sağlar.
Kaynak: Yang, C. (2012) “Insider Tips for Optimized Industrial Gateway Performance and Management” Moxa Inc., Product Management