TEKNİK YAZI

DNP3 Destekli Bağlantıları Yenilerken Göz Önünde Bulundurulması Gerekenler

dnp3 protokolüHangi çözümün bir ağ mimarisi için en iyisi olacağını bulmak, bağlantıların yenilenmesi söz konusu olduğunda sistem entegratörleri için oldukça zahmetli bir iş haline gelebilir. Çoğu zaman entegratörlerin protokoller hakkında yeterli bilgiye sahip olmaması bu işi daha da karmaşıklaştırabilir. Doğal olarak entegratörlerin aklına sıkça şu soru gelir: “Otomasyonda sorunsuz işletimi güvenceye almak için protokol dönüşümünü nasıl basitleştirebiliriz?” Bu soru, özellikle de Distributed Network Protocol (DNP3) destekli bağlantıları yenilemek isteyen entegratörleri ilgilendiren bir konudur. Dahası birçok entegratör, ağ bağlantılarının nerede ve neden kesildiğine işaret edecek yeterli yerleşik mekanizmaların yokluğundan da muzdarip olduğundan, güvenilir bir çözüm bulmanın önemi artmaktadır. ​
 
Endüstriyel Nesnelerin İnterneti (IIoT veya Endüstri 4.0) çağında protokol dönüşümü, farklı üreticilerden alınan veya eski tip cihazların ağa bağlanmasının anahtarıdır. Entegratörler seri cihazlarını Ethernet tabanlı ağlara bağlarken genellikle cihaz sunucuları (device server), protokol ağ geçitleri (protocol gateway) veya gömülü bilgisayar (embedded computer) tercih eder. Fakat kullanımda olan çok sayıdaki farklı protokole aşina olmadıklarından, hangi seçeneğin ağları için en iyi çözüm olduğuna karar vermeleri zor olabilir. Bu yazı, seri tabanlı DNP3 cihazlarının Ethernet tabanlı ağlara bağlantısı için mevcut olan çeşitli seçenekleri incelerken, bu seçimden önce göz önünde bulundurulması gereken bazı temel meseleleri detaylandırmaktadır.

DNP3: Gelişimi ve Faydaları

 
1993’te standardize edilmiş olan DNP3, uzak telemetri için tasarlanmış bir protokoldür. Genellikle enerji uygulamalarında tercih edilir. DNP3 öncesinde enerji sektöründe kullanılan RTU (Remote Terminal Unit) ve IED (Intelligent Electronic Device) gibi cihazlar, ancak seri ara yüzler kullanarak haberleşebiliyordu. Bu cihazlar ya RS-232 ya da RS-485 ara yüzünden lokal denetim ve kontrol için yine lokal bir HMI (Human Machine Interface)’e, mühendislerin trafo merkezi ve enerji dağıtım durumunu denetleyebilmeleri ve kontrol edebilmeleri için ise kontrol merkezine bağlanıyordu. 

Uzak mesafeler üzerinden veri aktarılabilmesi için, genellikle ya genel aktarmalı telefon şebekesine (PTSN, Public Switched Telephone Network) bağlı bir modem, ya da kablosuz haberleşme için telsiz kullanılırdı. Seri cihazlar enerji istasyonundaki çevirmeli modem veya telsiz üzerindeki seri porta bağlanır, bu da veriyi kontrol merkezindeki modem veya telsize aktarırdı. Daha sonra veri, kontrol merkezindeki SCADA sistemine iletilirdi. Bu tarz bir kurulum için aktarım hızının göreceli olarak yavaş olmasının yanı sıra, bir modem üzerinden veri aktarımı da son derece maliyetliydi.

DNP3 haberleşme protokolünün sunulması, başta veri aktarım maliyetlerinin önemli ölçüde düşmesi olmak üzere birçok olumlu gelişmeye vesile oldu. DNP3, slave cihazlardan SCADA sistemine istenmemiş yanıtları da aktarmak üzere tasarlanmıştır, bu nedenle SCADA sisteminin saha cihazlarına çok sık istek göndermesine gerek kalmayacağından daha az bant genişliği kullanımı, dolayısıyla da daha düşük maliyet ortaya çıkarır. İkincisi DNP3, modem bağlantısı beklenmedik biçimde kesildiğinde veri kaybı yaşanmasını engellenebilir hale getirdi. DNP3 ile, kesinti durumunda geçici bir veri depolama alanı görevi görecek bir tampon bölge sunulur. Haberleşme devam ettiğinde, tampon bölgede depolanan veri kolaylıkla uzak kontrol merkezine iletilebilir. Üçüncüsü, DNP3 zaman damgalı veri kayıtlarını destekler. Veri uç cihazlardan gönderildiğinde tüm kontrol merkezleri aynı saat referansını kullandığından, zaman senkronizasyonu fonksiyonuyla da birlikte, etkinlikler bir zaman sekansı üzerinden tespit edilebilir.

Trafo merkezi ve dağıtım otomasyonu uygulamalarına ek olarak, DNP3 Kuzey Amerika, Avustralya, Yeni Zelanda ve bazı Asya ülkelerinde su işleme, atık su ve petrol-doğal gaz sektörlerinde de yaygın olarak kullanılmaktadır. 

dnp3,modbus,protocol gateway,iiot,endüstri 4.0 dnp3

DNP3 Seri Cihazları Ethernet Tabanlı Ağlara Taşımanın En Kolay Yolu

Ağ haberleşme teknolojilerinin hızlı gelişimi boyunca, birçok haberleşme ortamı Ethernet’e geçiş yaptı. Artık SCADA sistemlerinin master tarafında, entegre bir yerel Ethernet tabanlı DNP3 sürücüsü olan bir Ethernet ara yüzüne yer verilir hale geldi. Slave tarafındaysa değişen pek bir şey olmadı. Mevcut  DNP3 saha noktaları (slave) , bu tür sistemlerin değişimi çok pahalı olabildiğinden, hala işletimde tutuluyor. Bu nedenle kullanıcılar, seri tabanlı DNP3 cihazlarının Ethernet tabanlı bir DNP3 master ile bağlantısını etkinleştirebilecek daha hesaplı çözümleri bulmak konusunda gittikçe artan bir baskıya maruz kalıyor.

Bu konuda akla gelen ilk çözüm, cihaz sunucularıdır. Cihaz sunucularında ham soket (raw socket) modu, seri protokoller için bir seri ara yüzden Ethernet ara yüzüne fiziksel dönüşüm sağlar. Ethernet tabanlı DNP3 protokolü standart TCP/IP header ile DNP3 seri frame içerir, bu “DNP3 over TCP/IP” olarak da ifade edilir. Aynı zamanda cihaz sunucuları seri tünelleme teknolojisi kullanarak, seri tabanlı protokol frame’lerini standart TCP/IP paketlerine de ekleyebilirler, böylece DNP3-seri paketler ile DNP3-over-TCP/IP paketler arasında protokol dönüşümünü de sağlarlar.
Bir sistem yenilendiğinde – sistemin seri tabanlı ve eski tip donanımları Ethernet tabanlı ağlara taşınsa dahi – genellikle eski donanım yazılımı hala kullanılmaya devam eder, bu da cihaz sunucularının sanal COM teknolojisinin etkinleştirilmesini gerekli hale getirir. İşin zor tarafı, entegratörlerin farklı işletim sistemleriyle uğraşması gerekebilir, bu da cihaz sunucularının her bir işletim sistemi için farklı sürücü desteklemesi gerekeceği anlamına gelir. Bu teknoloji seri-Ethernet tünellemeyi uygulamak için gerekli temel gereksinimleri desteklese de, seri cihazlardan geçen veri denetlenemez. Bu durum ise veri aktarımı sırasında meydana gelen anormalliklerin temel sebebini tespit etmeyi son derece zorlaştırır.

Protokol Dönüşümünü Denetleme

Aksama ve anormallikleri tespit etmek için protokol veri aktarımını denetlemede daha kesin bir yöntem arayan kullanıcılar, bir protokol ağ geçidi kullanabilir. Protokol ağ geçitleri, seri tabanlı DNP3 veri paketlerini Ethernet tabanlı paketlere dönüştürmekle kalmaz, ayrıca bu veri paketlerini web konsola yerleşik bir araç üzerinden denetleyerek kayıt da eder. Bu araç hata ayıklama ve bakım fonksiyonlarını da destekler. Buna ek olarak kullanıcılar ham veriyi ve yönlendirme yönünü görüntüleyebilir, böylece işletime geçiş süresi ile sistem çalışır halde iken hata ayıklama sürecini önemli ölçüde kısaltır.

Protokoller Arası Dönüşüme Ne Zaman İhtiyaç Duyulur?

Akıllı şebekeler ve IIoT çağında bir akıllı sistemin, özellikle de enerji otomasyonu ve süreç otomasyonu sektörlerinde, çok çeşitli ağlara entegre edilmesine ihtiyaç duyulur. Bir ağa daha çok akıllı sensör ve cihaz eklendikçe, ve daha fazla veri toplandıkça, çok sayıda farklı protokolü entegre etme ihtiyacının ortaya çıkması da daha muhtemel hale gelir. Endüstriyel uygulamalarda en yaygın kullanılan haberleşme protokolü olan Modbus, muhtemelen DNP3 destekli bir ağa entegre etmeye en sık ihtiyaç duyulacak protokoldür.

Bu farklı haberleşme protokollerini entegre etmek için iki yöntem kullanılabilir. İlk yöntem gömülü bilgisayar kullanarak, kullanıcıların özelleştirme taleplerini karşılayacak spesifik görevlere yönelik yazılım geliştirip derlemelerine imkan verir. Ancak bu tür çözümler, kapsamlı bir protokol bilgisi gerektirir. İkinci yöntem ise protokol ağ geçitlerine dayanır, Modbus ve DNP3 protokolleri için yapılandırılmış ara yüzlerin tak-çalıştır entegrasyonu söz konusudur. Bir protokol ağ geçidi ile, kullanıcıların yalnızca ilgili Modbus komutları, DNP3 komutları ve hafıza değişim yapılandırmasını ayarlaması gerekir. Sistem yapılandırması tamamlandığında farklı protokoller arası veri değişimi kolayca gerçekleştirilebilir. Tek sıkıntı, protokol ağ geçidi çözümünün ön yapılandırmaya sahip olmasıdır, bu da yeni işlevler eklemek gerektiğinde cihazın bu konuda çok esnek olmadığı anlamına gelir.

Veri Toplama

Otomasyon sistemleri daha entegre hale geldikçe, SCADA sistemlerinin gittikçe artan sayıda cihazı denetlemesi ve çok daha yüksek hacimde veri trafiği ile başa çıkabilmesi gerekir. Normalde, çok katmanlı bir yapıda, veri yoğunlaştırıcı (data concentrator) adı verilen bir cihaz alt katmandaki cihazlardan veriyi toplayarak SCADA sistemine düzenli aralıklarla gönderir. Bir veri yoğunlaştırıcı kullanmanın avantajı, sadece veri yoğunlaştırıcı ile haberleşmesi yeterli olacağından, SCADA sisteminin sahadaki tüm cihazları doğrudan yönetmesine gerek kalmamasıdır. Verinin veri yoğunlaştırıcı üzerinden yollanması haberleşme frekansını önemli ölçüde azaltır, böylece ağ trafiğini ve dolayısıyla SCADA sistemi üzerindeki yükü de hafifletir. 

Gömülü bilgisayarlar kolaylıkla veri yoğunlaştırıcı rolünü üstlenebilir. Kullanıcıların programlama yetisi bulunduğu sürece gömülü bilgisayarlar sadece veri toplama değil, aynı zamanda analiz ve filtreleme için de kullanılabilir, böylece SCADA sistemine yalnızca işlem görmüş verinin aktarılması sağlanabilir.

Öte yandan gömülü bilgisayarlar, gerekli programlama yetisi yoksa veya sistemlerin çabucak uygulamaya geçmesi gerekiyorsa,  en doğru çözüm değildir.  Bu tür senaryolarda agent mode destekleyen protokol ağ geçitlerinin kullanımı, bu cihazlar aktif ve sürekli olarak bağlı cihazlardan veri toplayacağından, daha doğru bir seçim olur. Güncellenmiş veri ağ geçidinin yerleşik hafızasında depolanır, ve SCADA sistemi bu veriyi doğrudan ağ geçidinin hafızasından alabilir. 

dnp3,modbus,protocol gateway,iiot,endüstri 4.0 dnp3
Tablo 1. Farklı protokol dönüşümlerini sağlamada kullanılan farklı çözümlerin dayandığı teknolojiler arasında bir kıyaslama

Moxa, DNP3 destekli uygulamaların yenilenmesi için gerekli şartlara cevap verebilen, böylelikle daha kolay uzak/telemetri haberleşmesi sağlayan geniş bir ürün yelpazesine sahiptir. Moxa’nın NPort ürünleri, çeşitli seri tünelleme gereksinimlerini de karşılayarak kolaylıkla seri tabanlı DNP3 paketlerini Ethernet tabanlı DNP3 paketlerine dönüştürür. Buna ek olarak MGate 5109 ağ geçitleri, DNP3 ve Modbus için ön yapılandırmalı bir kullanıcı ara yüzü ile heterojen ağ dönüşümüne olanak verir. Dahası, yerleşik tanılama araçları ağ durumunu ve protokollerin aldığı ham veriyi denetlemede kullanılabildiğinden, hata ayıklama ve sistem bakım gereksinimlerini de kolayca karşılar. UC-8100 gömülü bilgisayarlar, kullanışlı bir programlama platformu için Cortex-A8 RISC prosesör kullanır, farklı uygulamaların geliştirme gereksinimlerine yönelik seri, Ethernet ve hücresel dahil çok çeşitli haberleşme ara yüzü sağlar.

Moxa  “Using DNP3 with the NPort Series” yazısında, NPort 5000 ve 5000A serileri ile DNP3’ün nasıl kullanılabildiğini anlatıyor. Moxa’nın protokol dönüştürücüleri hakkında daha fazla bilgi için tıklayınız. Endüstriyel Nesnelerin İnterneti ve saha üstündeki somut uygulamaları için ise diğer teknik yazılarımızı inceleyebilirsiniz. 

Kaynak: Hsu, K. ve Lin, E. (2016) “Key Considerations When Upgrading DNP3-Supported Communications”, Moxa Inc. 

Projeniz mi var? Size yardımcı olalım: