TEKNİK YAZI

Fabrika Otomasyonunda Güvenilir Kablosuz Haberleşme Mümkün Mü?

Günümüzde kablosuz haberleşme, dünyanın dört bir yanında evler, iş yerleri, kafeler, oteller ve birçok diğer tesisin stratejik biçimde konumlandırılmış Wi-Fi hotspot’larla kolay internet erişimi sağlaması sonucu sıradan hale gelmiş olsa da, endüstriyel otomasyon uygulamaları için nereden bakarsak bakalım hala ulaşılması güç bir hedeftir. Öte yandan sunduğu avantajlar, endüstriyel fabrika otomasyonu uygulamalarında kablosuz haberleşmenin tercih edilmesi için kesinlikle yeterli cazibeyi sağlar:

Maliyet: Kablosuz haberleşme; kablolama, kurulum ve bakım gibi alanlarda çok daha az yatırım gerektireceğinden kablolu ağlara göre daha az maliyetlidir.
Hareket Kabiliyeti: Kablolaması zor uygulamalar için (ör. Ardiyelerde kullanılan otomatik güdümlü araçlar) kablosuz haberleşme ideal çözümdür.
Ölçeklendirilebilirlik: Kablosuz haberleşme, ek kablolamaya ihtiyaç duyulmayacağından mevcut uygulamaların genişletilmesini çok daha kolay hale getirir.

Endüstriyel otomasyon uygulamalarında kablosuz haberleşme kullanımının dezavantajı ise, kati olarak gerekli güvenilirliğin sağlanmasının kablolu haberleşmeye göre çok daha zor olmasıdır. Rutin bir ofis uygulamasında kısa, saniyelik hizmet kesintileri sadece can sıkıcı bir durum olarak görülebilirken, aynı kesinti kritik otomasyon uygulamalarında, örneğin bir fabrikanın faaliyetinde kabul edilemez bir sekteye neden olabilir.

Güvenilirlik, bu nedenle çok önemlidir. Kablosuz ağların geçmişe kıyasla çok daha sık kuruluyor olması sonucu, operatörler ağlarının güvenilirliğinden son derece emin olmak zorundadır. Ağ kesintisi uygulamaların hem güvenliği hem de verimliliği üzerinde kayda değer bir etki yaratarak büyük finansal kayıplara neden olabilir. Peki, kablosuz ağınızın güvenilirliğinden emin olmak için hangi kritik faktörleri göz önünde bulundurmalısınız? Kritik uygulamalara uygun ne gibi çözümler önerilebilir?

Kritik Unsur ve Çözümler

Fabrika koşullarında kablosuz haberleşme altyapısı kurulması, bazı unsurların göz önünde bulundurulmasını gerektirir. Modern fabrikalar üretim hattında dayanıklı endüstriyel tip robot kolları, otomasyon için çeşitli sensör ve aktüatörler ve hatta insansız otomatik güdümlü araçlar (Automatic Guided Vehicle, AGV) dahil çok sayıda donanım kullanarak üretimde verimi artırır. Çoğu donanım kompleks elektronik malzemeleri koruyacak endüstriyel sağlamlıkta metalden yapıldığından bu ortamın pürüzsüz kablosuz haberleşme sağlamada bir dizi engel ortaya çıkarmasına şaşırmamak gerekir.

Operatörlerin özellikle bilgi bozulması veya paket kaybına yol açacak bir girişime neden olabilen çok yollu etkilerle (multipath effects) nasıl başa çıkacağını öğrenmesi gerekir. Buna ek olarak kablosuz aktarımda kesintiden kaçınmak için toprak döngüsü (ground loop) gibi elektriksel bozulmaların da üstesinden gelmek gerekir. Son olarak, daha yüksek verim için hareket kabiliyeti gereken durumlarda, hareket eden objenin güvenilir biçimde veri alıp verebilmesi için pürüzsüz bir dolaşım (roaming) mekanizması sağlamak şarttır.

Çok Yollu Etkiler

İdeal şartlarda kablosuz vericilerden yayılan radyo dalgaları engellenmeden istenen alıcıya ulaşacaktır. Genellikle tipik bir ev, kafe veya ofis ortamında bu durum geçerlidir. Öte yandan endüstriyel otomasyon alanları, tipik bir fabrika ortamı bile sinyali ciddi biçimde düşürecek çok sayıda metal engel içerdiğinden, tamamen farklı bir vakadır. Büyük objeler üzerinden yansıma, küçük objeler nedeniyle dağılma, sivri objeler nedeniyle kırılma, katı objelerden kaynaklı gölgelenme ve hareketli objelerden kaynaklanan Doppler etkisi bu durumda ortaya çıkabilecek istenmeyen etkilere dahildir. Bunca engelle karşılaşıldığında ise çok yollu sönümlenme (multipath fading) ortaya çıkar.

Çok Yollu Sönümlenme

Çok yollu sönümlenme, radyo sinyali her biri çevresel koşullardan farklı biçimde etkilenen çok sayıda sinyale bölündüğünde ortaya çıkar. Bu farklı sinyallerden her biri, istenen alıcıya az da olsa farklı zamanlarda ulaşır. Ortaya çıkan sinyal, aktarım öncesinde mevcut bilgiyi alıcıya ulaştığında deşifre edilemeyecek hale getirecek kadar bozulmuş olabilir. Dolayısıyla bir kablosuz haberleşme sistemi tasarlanır veya geliştirilirken çok yollu sönümlenmenin dikkate alınması gereklidir. Çok yollu sönümlenme, çok yollu etkilere maruz kalan fabrika ortamlarında ve AGV’lerde olduğu gibi sinyal verici veya alıcıların hareketli olması gerektiğinde ortaya çıkar. Verici veya alıcıdan biri veya ortamdaki diğer objeler hareket halinde olduğunda, aktarılan sinyallerin farklı versiyonları birbirinden farklı fazlarda alıcıya varır. Bu da sinyal gücünün değişmesiyle ve sinyalin toplamında bozulmayla sonuçlanır.​

Çok Yollu Etkilerin Yol Açtığı Bozulma

Çok yollu sönümlenme, çok yollu etkilerin yol açtığı bozulma tiplerinden biridir. Diğer bir tip bozulma ise aynı sinyalin farklı versiyonlarının farklı uzunluktaki yollar üzerinden geçmesi, ve bu nedenle alıcıya farklı zamanlarda ulaşmasıyla ortaya çıkar. Farklı versiyonların frekanslarında küçük de olsa bir değişim yaşanacağından, bir araya gelen sinyal bozulmuş olacaktır. Semboller arası girişim (ISI, Inter-Symbol Interference) de dijital aktarımlarda ortaya çıkabilir. ISI, yansıyan sinyallerle ilgilidir, aynı veri sembolünün farklı bölümlerini içeren sinyaller alıcıya farklı zamanlarda ulaştığında ortaya çıkar.

fabrika otomasyonu,kablosuz haberleşme,factory automation,industrial wireless,wireless connectivity fabrika otomasyonu

Çok Yollu Etkilerle Nasıl Başa Çıkılabilir?

Kablosuz haberleşmenin fabrika otomasyonu koşullarında kullanımında, çok yollu etkilerin neden olduğu bozulmanın nasıl giderileceğinin anlaşılması son derece önemlidir. Büyük objeler ve yansımaya neden olarak çok yollu etkilere yol açan zemin veya duvarların yanı sıra alanda bulunan metal donanım da kablosuz sinyallerin çözünmesine neden olabilen ciddi engeller arasında yer alır. Ayrıca, otomasyon uygulamaları için hareketli donanım kullanımı, verimliliği artırmak için kaçınılmaz olduğundan, operatörler hareketli objeler üzerine yerleştirilen sinyal verici ve alıcılarının yaratacağı çok yollu sönümlenme etkisini de göz önünde bulundurmalıdır. Çok yollu etkilerin neden olduğu bozulmayı gidermenin iki yolu vardır: dikey frekans bölmeli çoklama (Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OFDM) ve çok girdili-çok çıktılı sistem (Multiple Input-Multiple Output, MIMO).

OFDM: OFDM (dikey frekans bölmeli çoklama), tek bir dijital sinyalin düşük veri oranlı sinyal taşıyıcılar üzerine farklı düşük veri oranlı bölümler halinde bölünmesidir. OFDM, girişimden kaçınabilmek için birbirine dikey taşıyıcılar kullanır, böylece çoklu sinyal taşıyıcılar kullanılarak OFDM ile verinin daha yüksek oranlarda aktarılması mümkün olur. Veri OFDM yoluyla aktarılacağı zaman, sinyal farklı taşıyıcılara dağılır, her bir taşıyıcı yükün bir kısmını üstlenir, böylece her taşıyıcıya düşen veri oranı düşürülmüş olur.  Daha düşük bir veri oranının avantajı, yansımalar sonucu ortaya çıkan girişimin boyutunu düşürmesidir.

OFDM sinyali yoluyla girişim olasılığını düşürmede esas rolü verinin yüksek sayıda taşıyıcıya dağıtılması oynar. Bunun nedeni, çok yollu etkiler nedeniyle bozulma bazı taşıyıcılar tarafından aktarılan sinyalleri etkilese bile, az sayıda taşıyıcının etkilenecek olmasıdır. Ayrıca, hata düzeltme kodu verininkinden farklı bir taşıyıcıyla aktarılabilir. Bu da, aktarım sırasında bozulan verinin alıcı tarafında tekrar bir araya getirilebilmesini sağlar.

OFDM, günümüz kablosuz veri aktarım teknolojisinde önemli bir rol oynar. Hatta bu yöntem 802.11n Wi-Fi, LTE (Long-Term Evolution for 3G cellular communications), LTE Advanced (4G), WiMAX ve diğer haberleşme teknolojilerinde de kullanılmaktadır.

MIMO: Çok girdili-çok çıktılı sistem anlamına gelen MIMO, kablosuz haberleşme performansını artırmak için birden fazla verici ve çok sayıda antene sahip birden fazla alıcı kullanır. Çok sayıda verici ve alıcı kullanıldığında, veri dizgileri eş zamanlı gönderilebilir, böylece aktarılan veri oranı artar. Buna ek olarak, çok sayıda verici ve alıcı daha geniş bir kapsama alanı ve cihazlar arasında daha uzun mesafelere de izin verir. IEEE 802.11n standardı, MIMO’yu kablosuz veri aktarım oranlarını 2 uzamsal veri dizgisi ve ötesiyle 300 Mbps’ye çıkarmak için kullanır. Bu teknoloji LTE ve diğer kablosuz haberleşme standartlarında da tercih edilir.

Anten çeşitliliği veya MIMO kullanan tipik bir haberleşme sisteminde çok yollu sönümlenme görülen ortamlarda çok yollu etkilerle başa çıkabilmek için sıkça 4 yönteme başvurulur. Bu yöntemler zaman çeşitliliği, frekans çeşitliliği, uzaysal çeşitlilik ve sinyal yolu çeşitliliğidir.

IEEE 802.11n teknolojisi, çok yollu etki sorununu gidermek için uzay çeşitlilik yöntemini kullanır. Eğer bir grup içindeki belli bir anten şiddetli bir aktarım kesintisi yaşarsa, uzaysal çeşitlilik yöntemi aktarım kesintisine en az maruz kalan anten sinyalini bir nevi ayırarak işlevini onarır. Bu yöntemin temelinde, aynı çevrede konumlandırılmış birden çok antenin birbirinden bağımsız olarak çalıştığı bir durumda her bir antenin kullandığı kanalın diğerleriyle ilintisiz olacağı inancı yatar. Her kanal çok yollu karışma veya ortak kanal karışmasına maruz kalabilir, ancak bu kanalların aynı tip varyasyona maruz kalma ihtimali çok düşüktür. Her kanaldaki varyasyon sorununun çözülebilmesi için, sistem her kanaldaki varyasyonu düşürebilen ve çok yollu sönümlemeyi gidermedeki etkisini önemli ölçüde artıran dahili bir algoritma kullanır.

Elektriksel Bozulmalar

Fabrika ortamları kablosuz cihazınıza zarar verebilecek ve kablosuz veri aktarımını kesintiye uğratabilecek zorlu koşullara sahiptir. Elektriksel bozulmaların sıkça karşılaşılan üç çeşidi, kritik uygulamalar için özellikle önemlidir: Toprak döngüsü, DC motorlarından kaynaklı girişimler ve ESD.

fabrika otomasyonu,kablosuz haberleşme,factory automation,industrial wireless,wireless connectivity fabrika otomasyonu

Toprak Döngüsü

Uygulamanızın bulunduğu ortamda farklı noktalarda elektrik potansiyelinde ortaya çıkan istenmeyen değişimlerin yol açtığı toprak döngüsü, haberleşme sinyalleri üzerinde olumsuz etki yaparken donanımlara da zarar verebilir. Etkileri özellikle tek bir araca farklı cihazların bağlı olduğu AGV donanımları gibi entegre sistemlerde daha belirgin olabilir. Böyle bir durumda toprak döngüsü tüm aracın faaliyetini durdurabilir. 

DC Motorlarından Kaynaklı Girişimler

DC motorları, araçlar, robot kolları, konveyörler ve endüstriyel uygulamalarda kullanılan bu tip donanımları harekete geçirme kuvvetini sağlar. Bu motorları döndüren elektrikli mıknatıslar ve elektrik akımları, başlangıç ve geçiş safhalarında kesintili akıma ve elektromanyetik girişime (EMI) neden olabilir. Bu durum ise güç kaynağının kalitesi, uygulamayı çevreleyen elektromanyetik ortam ve uç cihazların çalışmasını etkileyebilir.

fabrika otomasyonu,kablosuz haberleşme,factory automation,industrial wireless,wireless connectivity fabrika otomasyonu

ESD

Statik elektriğin farklı elektriksel potansiyele sahip iki obje arasında ani aktarımı ile ortaya çıkan elektrostatik boşalma (ESD, electrostatic discharge) da bir o kadar önemli bir konudur. Lastik çizme ve eldiven giyen fabrika işçileri kolaylıkla yüksek düzeyde statik elektrik biriktirebilir, ve birbirine sürtünen objeler de ESD’ye neden olabilir. Kablosuz cihazlarla fiziksel temas, büyük miktarlarda statik elektriğin boşalmasına ve dahili devrelerin kalıcı zarar görmesine neden olabilir.

fabrika otomasyonu,kablosuz haberleşme,factory automation,industrial wireless,wireless connectivity fabrika otomasyonu

Elektriksel Bozulmalarla Nasıl Başa Çıkılabilir?

Kablosuz bir bağlantının aktif olduğunu ve doğru çalıştığını güvenceye almak için kablosuz cihazların fabrika ortamlarındaki her türlü elektriksel bozulmalara karşı dayanıklı olması gerekir. Bu unsurların etkileri, galvanik yalıtım teknolojisiyle tasarlanmış ürünler kullanarak kablosuz cihazlara gelecek zararın önlenmesiyle düşürülebilir.

Galvanik Yalıtım: Galvanik yalıtım ile bir cihazın belli bir bölümündeki elektrik akımının başka bir bölümündeki elektrik akımından fiziki olarak ayrılması ve böylece iki bölüm arasında istenmeyen bir etkileşimin önlenmesi sağlanır. Galvanik yalıtım sağlanması için çok çeşitli yöntemler kullanılabilir olsa da, her yöntemin amacı bir sistemin birbirinden izole kalması istenen bölümleri arasındaki DC yollarının kalkmasını sağlamaktır. Öyle ki, çoğu yalıtım yöntemi 100 MΩ altındaki tüm DC yollarını ortadan kaldırır.  Galvanik yalıtımın sağladığı üç temel yarar vardır: devre koruması, gürültü azaltılması ve yüksek ortak mod geriliminin önlenmesi. Bu yalıtım, elektriksel bozulmalara karşı korunmanın en iyi yolu olarak kabul edilir. 

fabrika otomasyonu,kablosuz haberleşme,factory automation,industrial wireless,wireless connectivity fabrika otomasyonu

Devre Koruması: Haberleşme sisteminizin güvenilirliğini güvence altına almak için, cihazlarınızda ESD, aşırı akım ve EFT gibi elektromanyetik girişimlere karşı kalkan görevi görecek yüksek düzeyde bir EMS koruması kullanmayı tercih edebilirsiniz. Ara yüzlerin korunması veya enerjinin dağıtılması için devre veya bileşen yöntemi kullanılır, ancak koruma bileşenleri veya devreler de sık ve anormal elektromanyetik girişimlerin etkisiyle tahrip olabileceğinden elektriksel yöntemler yeterli değildir. Galvanik yalıtım, fazla elektrik enerjisinin akışını durdurmak için fiziksel bir boşluk kullanır. Bu boşluk, giriş yolunun çıkış yoluna temas etmediğini veya bu yola bağlanmadığını güvenceye alarak ESD, aşırı akım ve EFT’ya karşı en güvenilir koruma yöntemi sağlar.

Gürültü Azaltma: Toprak döngüsü veya DC motorundan kaynaklanan bir girişim, sadece farklı gerilim noktaları arasındaki teması keserek veya akım ve gürültüyü engelleyerek giderilebilir. Diğer yöntemler ise döngüyü azaltmak için kabloyu gruplama, veya sinyal koruma kablosunu kesmek, ya da direnç bağlamaktır. Ancak, bu çözümlerin hiçbiri sorunu tam olarak gideremez. İlk yöntem toprak döngüsü ve gürültü oluşmasını süresiz olarak önleyemez, ikinci yöntem ise toprak hattının kalkıp kalkmadığına özel olarak dikkat etmeyi gerektirir, bu da havada toprağa neden olarak daha da fazla gürültü yaratır. Sonuç olarak, bu durumda en iyi yaklaşımın galvanik yalıtım teknolojisi olduğunu söyleyebiliriz. Galvanik yalıtım teknolojisi, toprak döngüsü oluşmasını önleyebilmek için toprak hattını ve sinyali etkili biçimde kaldırabilir, böylece veri aktarımı sırasında gürültü oluşmasını önemli ölçüde azaltır veya tamamen engeller.

Yüksek Ortak Mod Gerilimin Önlenmesi: Belirli düşük voltajlı sinyallerin tespit edilebilmesi için, belli bir gerilim düzeyi gerekir, ve haberleşme ancak voltaj bu seviyeye çıkınca meydana gelebilir. Bu durumla uzak sensörler, motor kontrolü, veri toplama ve medikal denetleme uygulamalarında karşılaşılır. Örneğin bir RS-485 verici için ortak mod gerilim aralığı -7 V ila +12 V’dir, verici ancak voltaj bu aralık içinde bir seviyedeyken çalışır. Ortak mod gerilimi bu aralığın dışında olduğunda, haberleşmenin istikrar ve güvenilirliği olumsuz etkilenir. Öyle ki, voltaj dayanabileceğinden daha yüksek bir seviyeye ulaştığında cihazın zarar görmesi söz konusu olabilir. Cihazın ara yüzünün tasarımına galvanik yalıtımı dahil etmek, giriş ve çıkış arasında kilovoltlarca elektriğin izolasyonunu sağlamanın kolay bir yoludur. Bu yolla yüksek ortak mod gerilim seviyelerinden doğan sorunlardan da kaçınılmış olur.

Yüksek Hareket Kabiliyetinin Gerektirdikleri

AGV’ler, insansız araçlar ve diğer hareketli donanımlar, günümüzde fabrikalarda verimliliği artırmak amacıyla kullanılmaktadır. Buna ek olarak operatörler, hareketli uygulamalarını kontrol ve denetlemede kablosuz cihazlar kullanarak yer ve kablolama kısıtlarından bağımsız hareket edebilme şansı elde eder. Tüm bu durumlarda pürüzsüz kablosuz aktarım sağlanması, AGV’ler ve insansız araçların en yüksek düzeyde hareketlilik imkanına sahip olması için şarttır.

Çok sayıda erişim noktası (access point, AP) kullanan mobil uygulamalarda roaming (dolaşım, handover) bir istemcinin iki veya daha fazla AP arasında hareket etmesini ifade eder. Dolaşımın uygulanmasında kullanılan mekanizmanın hızı, kullanılabilir bir kablosuz ağın sürdürülebilmesinde kritik önem taşır. İstemci fiziki olarak bir AP’den diğerine hareket ettiğinde, ilk AP’nin sinyal gücü düşerken ikinci AP’ninki artacaktır. İlk AP’nin sinyal gücü ikincisinin sinyal gücünün altına düştüğünde, istemci ikinci AP’ye “dolaşmış” olur.

Erişim noktalarının topolojisi, anten kazancı ve kapsama alanı ile istemcinin dolaşım eşik ayarları, dolaşımın sorunsuz sağlanabilmesini etkileyen unsurlar arasında yer alır. Sorunsuz bir dolaşım için öncelikle hareket eden objenin rotasını göz önünde bulundurmak gerekirken, ikinci aşamada kablosuz AP yapılandırmasının dikkatlice planlanması gerekir.

Sorunsuz Dolaşım
Kritik kablosuz uygulamalarda en önemli konu, kablosuz istemci ve erişim noktaları arasında, kablosu istemci farklı AP’ler arasında göreceli olarak hızlı biçimde dolaşırken dahi kesintisiz haberleşme sağlanabilmesidir.

Standart bir dolaşım mekanizması, ikinci AP’nin taranmasına ancak birinci AP ile bağlantı koptuğunda başlar, ki bu durumun işlemden geçmesi 3 ila 5 saniye alabilir. Bu süre, kritik endüstriyel mobil uygulamalar için çok uzun bir süredir. Bu kadar uzun bir devir süresi paket kaybı ile, paket kaybı ise insansız otomatik araçların kontrol sinyaliyle bağlantısını geçici olarak yitirmesine ve bunun sonucunda rota dışına çıkmalarına neden olabilir.

İdeal şartlar altında, kritik mobil uygulamaların gerektirdiği devir süreleri, pürüzsüz kablosuz aktarımı güvence altına alabilmek için 150 ila 300 ms altındadır. Moxa tarafından geliştirilen istemci-tabanlı dolaşım mekanizması, devir süresiyle ilgili bu katı gereksinimini karşılayabilmek üzere tasarlanmış, tescilli bir teknolojidir. Paket kaybından kaçınmak için kablosuz istemci daha güçlü sinyal yayan AP’leri, tamamen kesinti olmasını beklemeden, aktif olarak arar. Bu önleyici tip dolaşım mekanizması dolaşım etkinliğine daha hızlı tepki verebildiğinden, standart devir sürelerine kıyasla çok daha kısa devir süresi sağlar.

fabrika otomasyonu,kablosuz haberleşme,factory automation,industrial wireless,wireless connectivity fabrika otomasyonu

Fabrika Otomasyonunda Kablosuz Cihazların Kullanılması, Kapsamlı Bir Çözüm Gerektirir

Fabrika ortamlarında çok çeşitli kritik unsur söz konusu olduğundan, sistem entegratörleri her zaman kablosuz ağ güvenilirliğini sağlayacak en iyi ve kapsamlı çözüm arayışındadır. Kablosuz cihazlar, güvenilir kablosuz veri aktarımı için bazı kritik özelliklere sahip olmalıdır:

  • Çok sayıda veri dizgisinin aktarımını iyileştirmek, çok yollu etkilerle başa çıkabilmenin yanında veri aktarım oranını 300 Mbps’ye kadar çıkarabilmek için 802.11n MIMO Teknolojisi
  • Cihazları tehlikeye sokacak ve bağlantıyı etkileyebilecek çok çeşitli elektriksel bozulma türü bulunduğundan, hem güç kaynağı hem de antenler için galvanik yalıtım
  • Bir AP’den diğerine 150 ms’nin altında sorunsuz kablosuz aktarım için pürüzsüz dolaşım

Moxa’nın bu alanda sunduğu güvenilir kablosuz haberleşme çözümleri hakkında bilgi almak için tıklayın. 

Kaynak:

  1. Shen, Zed (2014) “Enabling Reliable Wireless Communication for Factory Automation”, Moxa Inc.
  2. Industrial Wireless Guidebook, Moxa Online Literature
  3. Critical Components of Industrial-Grade Wireless Devices, Moxa White Paper
  4. Multipath Fading, on Radio-Electronics.com
  5. OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplexing Tutorial, on Radio-Electronics.com