TEKNİK YAZI

Endüstriyel Ethernet Anahtar Kullanıcılarını Bekleyen 5 Önemli Potansiyel Sorun

IP yakınsamanın artan verimlilik, iyileşen yönetim kabiliyeti ve daha düşük toplam alım-kurulum maliyeti gibi faydaları, uzun zamandır denetim ve kontrol seviyesi uygulamalarda endüstriyel Ethernet kurulumu sayısındaki etkileyici büyümenin itici gücü olmuştur. IMS Research tarafından yapılan çalışmalara göre, dünyadaki denetim ve kontrol seviyesindeki endüstriyel Ethernet noktalarının 2010 ile 2015 arasında yılda ortalama %15 büyümüş olacağı tahmin edilmektedir. Öte yandan, endüstriyel Ethernet’in saha düzeyi noktaları sayısının ise ortalama yaklaşık %36 oranında büyümüş olacağı tahmin edilmektedir.

Bu projeksiyonlar endüstriyel Ethernet teknolojisinin tüm sanayiler çapında istikrarlı benimsenişini teyit etmekle beraber, endüstriyel ağ kullanılabilirliği üstünde saha düzeyi koşulların doğasından kaynaklanan gizli tehlikelerin varlığını da ortaya koymaktadır. Peki, gelecekte endüstriyel Ethernet ağları bizi endüstriyel anahtar güvenilirliği, bant genişliğinde kullanılabilirlik, anahtar güvenliği, anahtar yönetimi ve ağ yedekliliği gibi alanlarda ne gibi yeni zorluklarla baş başa bırakabilir?

1.    Anahtarlar Saha Düzeyindeki Çevresel Koşullara Dayanıklı Olmalıdır

Endüstriyel Ethernet teknolojisi gittikçe daha fazla uzak sahalarda kuruluyor ise, endüstriyel Ethernet anahtarların zorlu saha koşullarını kaldırabilecek dayanıklılığa sahip olması gerekir. Gerilimde ani yükselmeler, aşırı darbe ve titreşim ile uç sıcaklıklar bu koşullar arasında yer alır.

Ani gerilim yükselmeleri ESD, akım dalgalanması veya patlaması, EFT ve yıldırımdan kaynaklanabilir. Endüstriyel anahtarlar, bu tür ani yükselmeleri yüksek elektromanyetik koruma özelliğiyle karşılayabilmelidir.

Elektrostatik Boşalma (ESD)

ESD, farklı elektrik potansiyeline sahip iki obje arasında gerçekleşen ani statik elektrik transferidir. Örneğin, lastik çizme ve eldiven kullanan fabrika işçileri kolaylıkla yüksek miktarda statik elektrik toplayabilir. Anahtar cihazlarıyla fiziksel temasları durumunda bir miktar kilovolt (kV) statik elektrik boşalabilir ve dâhili devre sistemine kalıcı zarar verebilir.

Akım Dalgalanması/ Elektriksel Hızlı Geçici Rejim/Patlaması (EFT)

Anahtarlamadaki arıza ve kısa devreler yüksek düzey voltaj sıçramaları yaratarak anahtar cihazlarına ciddi zarar verebilir. Endüstriyel yüksek güçlü donanım/makineler, motor ve hidrolik sistemler gibi bileşenleri açıp kapatmak için büyük miktarda enerjiye ihtiyaç duyabilir. Bu anahtarlama, yüksek miktarda anlık güç akışına neden olabilir. İstikrarlı voltaj akımını kesen bu durum, devre sistemine anlık zarara veya bu sistemin zaman içinde bozulmasına neden olacak şiddette olabilir.

Elektriksel Alan Emisyonu (Işınım)

Elektromanyetik gürültü neşri (conducted electromagnetic emission) ile karıştırılmaması gereken elektriksel alan emisyonunun neredeyse tüm cihazları etkilemesi mümkündür. Elektromanyetik ışınım,  çevreleyen cihazlarda RF akımları oluşturacak şekilde tek bir cihaz tarafından yayılabilir. Bu durum, elektromanyetik parazite, hatta cihaz hasarına bile neden olabilir. Metal cihaz kasaları gibi RF kalkanları bu tür elektriksel alan emisyonlarını etkisiz hale getirebilir.

Şok ve titreşim haberleşme, güç kaynağı veya röle çıkışı kablolarının bağlantılarını koparabilir. Şok ve titreşime uzun vadeli maruz kalma zamanla kısa devre, lehimli eklerde kırılma, gevşek PCB bileşenleri, PCB delaminasyonu ve cihaz kasalarında çatlamalara neden olur. Şok ve titreşim ayrıca bir anahtarın güç, veri veya yedeklilik kablolarını çıkartarak devre dışı kalmasına da neden olabilir. Hareketli ağır makineler veya yüksek araç trafiğine sahip uzak saha uygulamaları, yüksek miktarda şok ve titreşime dayanıklı endüstriyel anahtarlar gerektirir.

Uç sıcaklıklar bir cihazın iç devre sisteminin hızla bozulmasına neden olabilir. Uç dış mekân sıcaklıkları geceleri donma sıcaklıklarının da altına düşebilirken, gün içinde rahatlıkla 50°C’yi aşabilir. Yol kenarı kabinlerinin içindeki sıcaklıklar ise 60°C’nin üstünde uç sıcaklıklara ulaşabilir. Isıl gerilim/döngü, PCB’lerin genleşme ve büzüşmesine neden olarak lehimli eklerin kırılması ve PCB delaminasyonu ile sonuçlanabilir. Uzak saha uygulamalarında klima olma ihtimali düşük olduğundan, en yüksek ısı yayılımı ile yüksek sıcaklık toleransı, anahtar ömrünü uzatmak için şarttır.

2.    Genişbant Kullanılabilirliği Son Derece Ölçeklendirilebilir Olmalıdır

Uzak saha uygulamaları, özellikle video gibi yüksek bant genişliği isteyen uygulamalar tek bir ağ üzerinde yakınsadıkça, bant genişliği ve ağ kullanılabilirliği ağ tasarımında daha da fazla dikkate alınması gereken kritik unsurlar haline gelir. 100 Megabitlik kapasite genellikle (her biri 720p çözünürlükte az çok 3 Mbps’lik bant genişliği kullanan) 10 veya 15 kameralık bir ağ için yeterli olurken, 30’dan fazla kamera içeren büyük ölçekli bir gözetim ağının video aktarımında Gigabit bir kapasite gerektirmesi muhtemeldir. Endüstriyel anahtarlar, ağ tıkanıklığını önlemek ve uygulama sahasından kontrol merkezine uzun mesafeli veri aktarımına uygun opsiyonel fiber ara yüz sağlamak için Gigabit hız kabiliyetine sahip olmalıdır.

3.    Ağ Yedekliliğinde Kesinti Süresi Milisaniye Mertebesinde Kalmalıdır

Ağ yedekliliği de yüksek ağ kullanılabilirliği sağlamada elzem olacaktır. RSTP, birkaç saniyelik bir ağ gecikmesinin kabul edilebilir olduğu bir kurumsal ağ için uygundur. Ancak endüstriyel bir kontrol ağında, tek saniyelik bir ağ kesintisi dahi üretime ağır darbe vurabilir ve hatta saha personelinin güvenliğini bile tehlikeye atabilir. Yedeklilik için geliştirilen çoğu tescilli halka topolojileri 50 milisaniyenin altında kalan kesinti süresi garanti eder. Öte yandan, anahtar sayısı arttıkça kesinti süresi de yüzlerce milisaniyeye kadar çıkabilir. Turbo Ring, ağ kesintisini 20 milisaniyenin altına düşürdüğü sahada kanıtlanmış, hatta 250 anahtar ile test edildiğinde bile bu sonucu sağlamış bir yedekleme teknolojisidir. Saha düzeyi uygulamalar ağ üzerinde toplandıkça ağ yedekliliği, ağ güvenilirliğini güvenceye almada daha da kritik hale gelmektedir.

4.    Endüstriyel Ağlar Kritik Sistemleri Koruyabilecek Güvenlik Seviyesine Sahip Olmalıdır

Çoğu endüstriyel ağın güvenlik açıkları ve boşlukları, maalesef, ancak bir güvenlik ihlali söz konusu olduktan sonra keşfedilir. Mevcut sistemler uzak bir bağlantı üzerinden önceden izole edilmiş ve erişilemez hale getirilmiştir. Ancak, bu sistemlerin IT veri ağları ile entegrasyonu büyük ihtimalle yeni ağ riskleri ve açıkları ortaya çıkaracaktır. Saha düzeyinde kurulan endüstriyel Ethernet noktalarının hızla büyümesiyle, mevcut hassas/gizli bilgilerin ağ düzeyinde VPN (virtual private network) ve güvenlik duvarları gibi kimlik doğrulama prosedürleri ile korunması gerekecektir. Bu prosedürler ağ izinsiz erişimi engelleyecektir.

Kullanıcı erişimi kimlik doğrulaması için Radius ve TACACS+, port tabanlı erişim için IEEE 802.1X ve veri şifreleme için HTTPS, SSH, SNMPv3 gibi anahtar düzeyinde güvenlik önlemleri, sağlıklı bir ağ durumunu güvenceye almada gerekli olan izinsiz erişim önleme için şarttır.  Rol tabanlı hesap yönetimi de, çoklu erişim izni seviyeleri kullanarak farklı yetki derecesindeki kullanıcılara farklı anahtarlara
erişim izni veren önemli bir güvenlik önlemidir.

5.    Anahtar Yönetimi Kolay İşletime Elverişli Tasarlanmalıdır

Anahtar yönetilebilirliği, büyük ölçekli ağların kontrolünde önemli bir mevzudur. Operatör ve mühendisler, anahtarları saha üstünde ve uzak kontrol odalarından verimli biçimde yönetebilmek için de araçlara ihtiyaç duyarlar. İlk kurulum, yapılandırmanın yedeklenmesi, yazılım güncellemesi veya yapılandırma geri dönüşünde hızlıca bu görevlerin tamamlanabilmesini sağlayacak verimli bir çözüm demek, piyasaya ulaşma süresinin kısalması ve sistem çalışma süresinin de iyileştirilmesi demektir.

Saha üstü lokasyonlarda, ilk kurulum sırasında manuel olarak anahtar yapılandırması, büyük ölçekli ağlarda son derece uğraştırıcı bir iş haline gelir. İlk yapılandırmanın emek maliyeti bir yana, konfigürasyonun manuel olarak yapılmasından kaynaklanacak muhtemel giriş hataları teşhis ve sorun giderme için de ek süre gerektirir. Toplu bir yapılandırma aracı, bakım mühendislerinin ağ anahtarlarını yapılandırmak için ihtiyaç duyacağı zamanı en aza indirebilmek için şarttır. Günümüzde bazı ağ yapılandırma araçları, manuel giriş hataları ihtimalini ortadan kaldıracak ağ bağlantı sekans tespitini etkin hale getirmek için akıllı konfigürasyon yöntemleri desteklemekte, böylece toplam maliyeti de azaltmaktadır.

Uzak anahtar kontrolü için etkili bir ağ yönetim yazılımı olmadan, endüstriyel operatörler ağ sorunlarını denetleme, teşhis etme veya bu sorunlara derhal müdahale etme imkânından yoksun kalacaklarından, ağ sorunlarının üretim kaybı ve güvenlik ihlalleri ile sonuçlanması olasıdır. Kompleks özellikler ve karmaşık kullanıcı ara yüzlerine sahip tipik bir kurumsal ağ yönetim yazılımı ise dik bir öğrenim eğrisine sahip olmasının yanında endüstriyel ortamlarda kullanmaya uygun değildir. Etkili bir endüstriyel ağ yönetim yazılım aracı, otomatik olarak ağ cihazlarını tespit edebilir ve operatörlerin ağ cihazlarını ve etkinliklerini gerçek zamanlı olarak denetleme, yönetme ve teşhis etmelerine izin verecek sanal bir fiziksel ağ topolojisi sunabilir.

Eski teknoloji cihazlar, PLC’ler ve SCADA’lar hala saha düzeyindeki uygulamalarda yaygın olarak kullanılmaktadır. Bu mevcut cihazların etkin bir biçimde dönüştürülmesi ve yönetilebilmesi için anahtarların Modbus TCP, PROFINET ve EtherNet/IP gibi endüstriyel Ethernet protokollerini desteklemesi gerekir. Böylece operatörler, daha yüksek ağ esnekliği ve ölçeklenebilirliğine sahip merkezi bir ağ yönetiminin sağlayacağı verimliliğe sahip olur. Sistem performansını optimize etmek ve ağ yönetilebilirliğini artırmak için anahtarlar pürüzsüzce endüstriyel otomasyon ağlarıyla entegre edilebilmelidir. Bu entegrasyon, merkezi SCADA kontrol ve denetimine de izin verir.

Endüstriyel Ağlar Teknolojik Gelişmelere Uyumlu Anahtarlar Gerektirir

Büyük ölçekli endüstriyel Ethernet ağlarının teknolojik gelişmelere ayak uydurabilmesi için endüstriyel operatörler, endüstriyel ağ yönetilebilirliği ve kontrolünün yanı sıra endüstriyel Ethernet anahtarlarının birkaç temel gereksinimini de mutlaka göz önünde bulundurmalıdır. Bu gereksinimler aşağıdaki tabloda özetlenmektedir.

Teknolojik Gelişmelere Uyumlu Anahtarlar için Dikkate Alınması Gerekenler

endüstriyel ethernet anahtar
EDS-510E Serisi
EDS-510E Serisi

Yukarıdaki kritik unsurların da işaret ettiği üzere, endüstriyel anahtarlar yüksek düzeyde elektromanyetik parazit, ciddi ölçüde şok ve titreşim ve uç sıcaklıklara karşı dayanıklı olmalıdır. Ölçeklenebilirlik ve kümelenme gereksinimlerine göre, özellikle de yüksek çözünürlüklü video uygulamalarında endüstriyel anahtarların Gigabit hızında çoklu port içermesi gerekir. Endüstriyel Ethernet anahtarlarında sağlıklı bir ağ yedekliliği için ise ağ bağlantısında kesinti süresinin yüzlerce anahtarı kapsayan bir ağda bile milisaniye mertebesinde kalması gerekir. Anahtar güvenliği de atlanmaması gereken bir mevzudur: Hem erişim kimlik doğrulama (IEEE 802.1X, RADIUS, veya TACACS+), hem de güvenli veri aktarımı (SNMPv3, HTTPS, SSH) rol tabanlı bir hesap yönetimi kurulumunda göz önüne alınması gereken kritik unsurlardır. Son olarak, endüstriyel operatörlerin ağdaki anormalliklere ne kadar çabuk ve verimli biçimde müdahale edebildiği, dolayısıyla sistem kesinti süresini ne kadar en azda tutabildiği de nihayetinde toplam maliyet üzerinde doğrudan etkiye sahip olacaktır.

Söz konusu bu 5 potansiyel soruna cevap veren, dolayısıyla da endüstriyel Ethernet ağlarınızın teknolojik gelişmelere açıklığını güvenceye alan çözümler, Moxa’nın EDS-510E/G500E serisi Ethernet anahtarlarında bulunmaktadır. Anahtarlar üst düzey Level 4 EMS korumasının yanı sıra yüksek hızda veri aktarımı için 12’ye kadar Gigabit bakır port ve 4’e kadar SFP fiber port destekler. Otomatik konfigürasyon, yedekleme ve yeniden yükleme, ABC-02 USB dongle ile sağlanırken, DIN-ray kurulumuna yönelik yeni tasarım şiddetli titreşime karşı ekstra dayanıklılık sağlar. Gelişmiş termal kulakçık tasarımıyla ise cihazlar uç sıcaklıklara karşı maksimum toleransa sahip olur.

Teknolojik gelişmelere açık akıllı şebekeler ve bu şebekelerde kullanılan endüstriyel Ethernet anahtarları hakkında daha fazla bilgi için tıklayınız

Kaynak: Chang, G. (2013) “Five Future Challenges for Industrial Ethernet Switches”, Moxa Inc.

Projeniz mi var? Size yardımcı olalım: