PLC Ağ Performansı ve Yönetimi En İdeal Hale Nasıl Getirilir?

Geçmişte fieldbus ağları, geniş çaplı yerel denetim ve rutin saha üstü bakım gerektiren izole otomasyon sistemleriydi. Bazı fieldbus ağları halen bu izole yapıyı benimsemeye devam ediyor. Verimliliği artırmak ve işletim maliyetlerini düşürmek amacındaki çoğu üretici ve fabrika işletmecisi ise, bu izole fieldbus sistemlerini merkezden denetleyebilmek ve kontrol edebilmek için Ethernet’e aktarmak durumunda kalıyor. 

Sistemler arası işletim uyumluluğuna ek olarak fieldbus protokolleriyle haberleşen bölümler ile endüstriyel Ethernet ağlarının entegrasyonu, PLC ağ performansı ve yönetiminin optimizasyonuna da ihtiyaç duyar. Peki;

• PLC ağ optimizasyonunun yüksek ağ kullanılabilirliğini güvenceye alacak unsurlar nelerdir?
• Ağ denetim ve konfigürasyonunun günümüz teknolojisiyle mümkün en kolay hali nedir?
• Ağ esnekliği en yükseğe nasıl çıkarılır?

Gelin cevaplamaya çalışalım. 

“Otomasyon” terimi, ilk kez 1946’da kullanılmış, daha sonra 1948 yılında bir dergide yayınlanmıştı. Burada geçen tanım ise şöyleydi: “Mekanik cihazların… zamanlanmış bir sırayla söz konusu görevleri… stratejik istasyonlarda işlem düğmesi kontrolüyle yerine getirecek şekilde kurulmasıdır”1 Mühendislerin 1940’larda otomasyondan bekledikleri ile günümüzde otomasyon ile elde etmek istedikleri temelde aynıdır; üretime insan müdahalesini en aza indirirken üretim kapasitesini en yukarı çekmek, üretim hızını artırmak ve istikrarlı yinelemeyi garanti etmek.

İlk otomasyon sistemleri, izole yapılarının yanı sıra genellikle doğrudan PLC’lere bağlanan I/O cihazlarını içeriyordu. Bu PLC’ler ise lokal kontrol odalarındaki SCADA sistemlerine bağlıydı. Günümüzde, modern endüstriyel otomasyon ağlarının yapısında buna kıyasla önemli bir fark bulunuyor. Bu fark, uzaktan denetim/kontrol merkezlerini büyük ölçekli, yayılmış sistemlere bağlayan, gittikçe de daha fazla kullanılan bir teknolojiye dayanıyor: Endüstriyel Ethernet.

Endüstriyel Ethernet teknolojisi, yüksek maliyetli özel otomasyon sistemlerine sağlam bir alternatif getiren deterministik kabiliyetlerle geliştirilmiş, çok çeşitli Ethernet-bazlı protokolden oluşur. Daha da önemlisi, bu protokoller tüm ağ düğümlerini (nodlarını) yönetim, kontrol ve saha düzeyinde birleştirebilecek çok daha ölçeklendirilebilir ve tümleşik bir yapıya olanak verir. Çoğu gelişmiş endüstriyel otomasyon sistemi, verimli bir biçimde fieldbus I/O cihazları ve Ethernet tabanlı PLC’ler arasında etkin bir biçimde köprü kuran ağ geçitlerine (gateway) ve uzak bölgelerdeki PLC’ler ile kontrol merkezlerindeki SCADA terminallerini bağlayan anahtarlara (switch) sahiptir. Bu cihazlar, işletim maliyetlerini düşürmede ve genişleyen otomasyon ağlarının üretim verimliliğini artırmada da önemli rol oynar.

IMS Research tarafından yürütülen son araştırmalara göre en yaygın üç Ethernet tabanlı protokol, EtherNet/IP, PROFINET ve Modbus TCP, dünyanın mevcut endüstriyel otomasyon kurulumlarının %65’ine tekabül etmektedir. Bu protokollerin toplam büyüme hızına bakıldığında ise 2010 ile 2015 arasında bu protokollerde 18 milyon yeni düğüme ulaşacağı görülmektedir. 

Öte yandan dünya çapında mevcut fieldbus cihazlarının (tüm protokoller), 2010 yılında 183 milyondan 2015’te 326 milyonu aşan bir sayıya ulaşması bekleniyor. Endüstriyel Ethernetin gittikçe popülerleşmesine karşın fieldbusta görülen bu istikrarlı büyüme, endüstriyel Ethernete kıyasla fieldbus kullanımının hala saha düzeyi ağların kurulumu için daha kolay ve daha maliyet etkin bulunmasından kaynaklanıyor. Fieldbustaki bu büyümenin bir başka nedeni ise saha düzeyindeki ağlarda bulunan düğüm sayısının kontrol/denetim düzeyindeki ağlara göre kat kat daha fazla olduğu gerçeğidir. Büyüyen endüstriyel otomasyon ağları üretkenliği artırmak adına genişledikçe ve üretim sistemleri merkezî kontrole entegre edildikçe, çok çeşitli Ethernet tabanlı bu protokollerin entegrasyonu ve fieldbus sistemlerine cihaz köprüsü kaçınılmaz hale gelir. 

Ethernet tabanlı bir tekil ağ yapısı operatörlere daha yüksek ağ ölçeklendirilebilirliği ve ağ esnekliğine, daha yüksek bant genişliğine ve daha hızlı geri kazanıma sahip bir merkezî ağ yönetiminin verimini sunar. Sistem performansının optimizasyonu ve ağ yönetilebilirliğinin iyileştirilebilmesi için, anahtarlar ve ağ geçitlerinin merkezî SCADA kontrol ve denetimine yönelik endüstriyel otomasyon ağlarına pürüzsüz biçimde entegre olabilmesi gerekir. Ancak, endüstriyel fieldbus ile endüstriyel Ethernetin entegrasyonu, mühendis ve operatörler için iki dikkate değer zorluk ortaya koyar:

1. Anahtarlar dâhil tüm ağ düğümlerinin merkezî denetimi SCADA sistemleri üzerinde mevcut olmalıdır. Ancak, standart endüstriyel Ethernet anahtarları çok sayıdaki farklı endüstriyel otomasyon protokollerini tanımaz. Bu nedenle aynı SCADA üzerinden PLC’ler ve diğer I/O cihazlarıyla beraber denetimleri mümkün olmaz.
2. Mevcut fieldbus cihazları, bir firmanın varlıkları içinde önemli bir kısma tekabül edebilir ve bu cihazların endüstriyel Ethernet ağlarına entegrasyonu PLC modülleri yoluyla yapılabilir. Ancak büyük ölçekli kontrol sistemlerinde endüstriyel Ethernet ağ geçitlerinin kurulması, fieldbus cihazlarının entegre edilmesine kıyasla daha maliyet etkin bir çözüm olur. Bu çözüm ise manuel olarak her anahtar ve ağ geçidini konfigüre etmeyi gerektireceğinden oldukça fazla zaman alır.

Birçok üretici otomasyon sistemlerinin bütünleştirilmesine yönelik fieldbus-Ethernet haberleşmesi için, cihaz özellikleri ile bileşenler, ve PLC’lerle sistem uyumluluğu da vurgulanan anahtar ve ağ geçitleri sunuyor. Ancak bunlar sistemlerin bütünleşmesine dair yalnızca en temel gereksinimleri oluşturuyor. Günümüzde piyasadaki çoğu endüstriyel anahtar ve ağ geçidi, yalnızca otomasyon odaklı bir yaklaşımla tasarlanmıştır. Genel performans, konfigürasyon/yönetim verimliliği, ve uygulama esnekliği gibi açılardan PLC ağlarının optimizasyonu gözden kaçırılmış görünmektedir.

Endüstriyel otomasyon ağlarında performans optimizasyonu, en üst düzey üretkenlik ve güvenilirlik için son derece önemlidir. Yüksek bant genişliği, yüksek veri aktarım oranları, anahtar ASIC’leri (uygulamaya özel entegre devreler) ve donanım özellikleri yüksek bir ağ performansının olmazsa olmazlarıdır. Ancak, ağ ulaşılamaz durumda olduğu takdirde bu özelliklerin hiçbir önemi kalmaz. Yüksek ağ kullanılabilirliği sağlamak yalnızca güvenilir ağ cihazları değil, aynı zamanda ağ ve bileşenlerinin bakım veya kesinti sonrası hızlı geri kazanımını da gerektirir.

• Yüksek Hızlı Yedekleme
  Yedekleme, endüstriyel otomasyon güvenilirliğini sağlamanın olmazsa olmazlarından biridir. Sistemdeki kesintilerin uzaması saha üstü personelin güvenliğini tehlikeye sokabildiği gibi üretimi de önemli ölçüde etkileyebilir, pahalı ekipman ve makinelere de zarar verebilir. Yedekleme teknolojilerinde son zamanlarda gerçekleştirilen iyileştirmeler milisaniye düzeyinde ağ geri kazanımı sağlamanın yanında kurulum maliyetlerini de büyük ölçüde azaltabilir.
•  PLC’yi Aşan Sistem-Yeniden-Başlatma Hızı
  Anahtar ve PLC’lerde yeniden başlatma genellikle üretim hattı genelinde bakım güncellemeleri için gereklidir. Çoğu yönetilebilir anahtar göreceli olarak daha az işletim gücüne sahip olduğundan yaklaşık 3 dakika veya daha fazla zamanda sistemi yeniden başlatır. Öte yandan PLC’ler basit merdiven mantığı kullanarak çalıştığından yeniden başlatım genellikle 1 dakikadan daha az sürer. SCADA veya HMI gibi yönetim düzeyi düğümler, anahtarlarda POST (power-on self-test) tanılama ve önyükleme işlemi tamamlanana kadar kontrol düzeyi ve cihaz düzeyi nodlara erişime sahip değildir. PLC’ler ve anahtarların yeniden başlatım zamanları arasındaki fark bakım çalışmalarını ertelemekle kalmaz, daha eski, zaman hassasiyeti bulunan otomasyon sistemlerinde port kilitlenmesine dahi sebep olabilir. Gelişmiş yönetilebilir anahtarlar artık yeniden başlatımı 10 saniye içinde tamamlama kabiliyetine sahiptir.

• İşlem Gücü
  Tipik ağ geçitleri 16-bit işlem gücüne erişebilir, bu da ağ geçidini aynı anda en fazla 8 bağlantı kurmaya kısıtlar ve yanıt sürelerini geciktirir. Yeni geliştirilen 32-bit endüstriyel Ethernet ağ geçitleri, yanıt süresinden veya aktarım güvenilirliğinden taviz vermeden, SCADA/HMI/PLC’lerle kurulan 16 eş zamanlı bağlantıya kadar izin verir.
• Veri Önceliklendirme
  Çoğu anahtar hâlihazırda yönetim seviyesi (SCADA/HMI) ile kontrol seviyesi (PLC) cihazlar arasında paket önceliklendirme yapabilir. Buna ek olarak günümüzde bazı Ethernet ağ geçitleri hizmet kalitesini ve belirliliği artırmak için cihaz düzeyi (fieldbus I/O) veri önceliklendirme olanağı da sunar.

Endüstriyel otomasyonun temelinde SCADA, PLC ve I/O cihazları yatar. Anahtar ve ağ geçitleri, bu temel cihazlar arasında saha, kontrol ve yönetim düzeyinde ağ haberleşmesi sağlayarak fieldbus-Ethernet bütünlüğünü mümkün hale getirir. Büyük ölçekli endüstriyel otomasyon ağlarının performans optimizasyonu için her ağ bileşeninin birbirine bağlı ve zamanlı biçimde işlemesi zorunludur. 

Fieldbus-Ethernet entegrasyonunda anahtar ve ağ geçidi konfigürasyonunun verimli bir biçimde yapılabilmesi, önceden tamamen sistem entegratörlerinin deneyimlerine bağlıydı. Manuel girdi gerektiren ve deneme yanılma yoluyla sistemde doğrulanan ağ geçidi konfigürasyonu, çoğu kez son derece zaman alan bir iş haline gelir. Buna ek olarak, çetrefilli gerçek zamanlı endüstriyel otomasyon sistemlerinin eş zamanlı doğası gecikmeleri kaldırmaz. Ayrıca sistemlerin bu doğası gereği sistem hatalarını önlemek,  ağ geçidi yanıt süre aşımı ayarları gibi kritik parametrelerin hassas kalibrasyonunu da gerektirir. Tüm bunların yanı sıra PLC ağ yönetimi, ağ konfigürasyonu ve denetimi için bazı araçlar gerektirir. Bu araçlar yalnızca güvenilir işletim ve ani vaka bildirisi sağlamakla kalmaz, aynı zamanda sistem kesinti sürelerini en aza indirecek zahmetsiz bakım güncellemeleri de sunar.

• Bas-çalıştır Kolaylığı
  Üretim ağlarında kurulu anahtarlar aynı zamanda PROFINET, Modbus TCP ve EtherNet/IP gibi endüstriyel Ethernet protokollerini de destekliyor olmalıdır. Bu, anahtarların endüstriyel otomasyon sistemlerinde bulunan SCADA/HMI’lara entegre edilebilmesini, böylece de ağ konfigürasyonu, yönetimi ve kontrolünün ek konfigürasyon veya değişikliklere gerek kalmadan bütünleştirilebilmesini sağlar.
• Cihaz Parametreleri ve Denetimi
  Saha üzeri ağ performansı denetimine yönelik röle çıkış uyarılarının yanı sıra güç, port ve yedekleme durumları gibi anahtar parametrelerine de SCADA sistemleri üzerinden erişilebilmelidir. SCADA sistemlerinde anahtar durumunun görünür olması, sağlıklı PLC networkleri sağlanabilmesinde son derece önemlidir. Ayrıca cihaz parametrelerine erişim, anahtar bileşenlerinin uzaktan denetimine olanak vererek operatörlerin kontrol düzeyi ağ bilgisinin tamamına sahip olmasını sağlar.

• Akıllı Otomatik Tespit
  Ethernet ağ geçitlerindeki en son gelişmeler, en deneyimli sistem entegratörü için bile karmaşık olup vakit alan fieldbus parametre girdileri ve cihaz konfigürasyonları gibi meşakkatli işleri ortadan kaldırıyor. Bu gelişmeler, PROFIBUS I/O modülleri ve Modbus cihaz ayarlarının otomatik algılanmasını sağlayarak fieldbus-Ethernet haberleşmesinin çok kısa sürede gerçekleşmesine olanak tanıyor. Böylece manuel girdi hataları da önlenmiş oluyor.
• Denetleme ve Teşhis Araçları
  Ağ haberleşme hataları üretim hatlarında duraklamaya neden olduğunda, kontrol mühendisleri çabucak hata nedenini bulup sorunu çözmek durumundadır. Ağ geçitlerinin problemler ortaya çıktığında anında kontrol odasında bir alarmı veya fabrika bölümünde bir kapama mekanizmasını harekete geçirecek röle çıkışı uyarılarına sahip olması gerekir. Böylece sistem çöküşünün etkisi en aza indirilebilir. Çoğu akıllı ağ geçitleri aynı zamanda kontrol mühendislerine sorun gidermede yardımcı olması için tanılama yazılımlarına sahiptir. Haberleşme hatalarının sistem çöküşünün temel nedeni olduğu tespit edildiğinde, mühendisler zaman kaybetmeden ağ geçitlerinin veri aktarım kayıtlarına erişebilir, bu sayede hatalı fieldbus ayarlarını gözden geçirme ve analiz için filtreleyebilir.

I/O modülleri ve cihaz zaman aşımı ayarı girdilerinin elle girilerek tamamlanması saatler, hatta bazen günler alabilir. Akıllı anahtar ve ağ geçitleri, ağ içinde yer alan endüstriyel otomasyon kesitlerinin zahmetsizce kurulması, konfigürasyonu ve güncellenmesi için sistem entegratörleri ve kontrol mühendislerine yardımcı olur. Böylelikle üretim katında fazla zaman kaybedilmemiş olur.

Endüstriyel otomasyon ağlarının altyapısı, çok çeşitli endüstriyel ortamlarda çok farklı uygulamaların yürütüldüğü çeşitli uzak konumlardaki birçok fabrikayı kapsayabilir.  Anahtar ve ağ geçitlerinin esnekliği, operatörlerin PLC ağ kurulumlarını kimyasal tesis, atık su arıtımı, petrol rafinerileri gibi çeşitli uygulamalara yönelik tasarlanmış en iyi cihazlarla optimize edebilmelerine olanak verir.

Endüstriyel otomasyon ağları, farklı uygulamalar için farklı özelliklere sahip ağ geçitleri ve anahtarlar gerektirir. Bu uygulamalar farklı port yoğunluğu ve fiber, PoE, Fast Ethernetli SFP port, Gigabit, 10GbE bağlantı gibi farklı kombinasyonlardaki çok çeşitli port tiplerine ihtiyaç duyabilir. Buna ek olarak endüstriyel otomasyon uygulamaları, iç veya dış mekânda cihazların sınırını zorlayan, en çetrefilli koşulları ortaya çıkarabilir. Uç sıcaklıklar, titreme/darbe, aşınma, toz, nem, gerilim ve elektromanyetik parazit (EMI) gibi çevresel koşullar, sektöre özel sertifika ve uyumluluğa sahip endüstriyel tip cihaz kurulumunu gerektirecektir. Aşağıda, uygulamaya özel şartlardan bazıları listelenmiştir.

• Geniş sıcaklık aralıklarında işletim sıcaklığın gece -30°C altına düşüp gündüz 70°C üzerine çıkabildiği dış ortamlar için gereklidir.
• Gigabit PoE harici güç kablosu ihtiyacını da ortadan kaldıracak biçimde kontrol düzeyinde haberleşme ile üretim ortamlarının video gözetimini birleştirmek amacıyla kullanılabilir.
• Fiber, birbirinden uzak ağlar arasında uzun mesafe haberleşmeyi sağlamak için sıklıkla başvurulan bir iletişim türüdür. Ayrıca elektromanyetik parazite (EMI) karşı dayanıklılığı da fiberi birçok enerji uygulaması için ideal seçim haline getirir.
• 10GbE ve Layer 3 anahtarlama, büyük ölçekli gözetim sistemlerine sahip kontrol odalarında HD kalitesinde video görüntü aktarımı için gerekli veri oranlarını sağladığından tercih edilir.
• M12 konektörlere yüksek titreşim ve tozun ağ haberleşmesini kötü yönde etkileyebildiği maden ve ulaşım sektörü gibi çetin dış mekân uygulamalarında ihtiyaç duyulur.  
• Ingress protection (IP) atıklar ve yüksek nem oranlarının cihazların bozulmasına yol açabildiği koşullardaki uygulamalar için büyük önem taşır.

Çoğu üretici, otomasyon ağının tümünü nasıl etkileyeceği üzerine çok kafa yormadan, projeler için belirli bir uygulamaya yönelik tasarlanmış bir anahtar ve ağ geçidi yelpazesi önerir. Dolayısıyla operatörler uyumlu bir bütün halinde çalışmayan ve bu nedenle de genel ağ performans ve yönetilebilirliğine önemli derecede darbe vurabilecek bir çok-markalı ağ ile başbaşa kalır. PLC ağı içerisindeki çeşitli sistem ve uygulamalar, geniş bir anahtar ve ağ geçidi yelpazesi gerektirir. Bu cihazların her uygulamaya özel, maksimum kurulum esnekliği getirecek biçimde kalibre edilmesi ve tasarlanmış olması gerekir. Üstelik bu anahtar ve ağ geçitlerinin PLC ağı genelinde optimizasyonu da desteklemesi gereklidir.

Akıllı ve güvenilir bir endüstriyel kontrol sistemi, günlük işletimde yüksek performansa sahip, verimli ve esnek bir platform oluşturabilmeye yönelik ideal hale getirilmiş bir endüstriyel ağ tasarımına ihtiyaç duyar. PLC ağ performansı ve yönetimini en üste çekecek, EtherNet/IP, PROFINET ve Modbus TCP uygulamalarına özel tasarlanmış anahtar ve ağ geçitlerini de içeren güvenilir endüstriyel haberleşme ürünleri için çok uzağa bakmaya gerek yoktur. Yılların getirdiği tecrübeyle Moxa, PLC ağ performansı ve yönetimini en iyi hale getirecek, her ihtiyaca uygun, çetin koşullarla baş edebilen, özel uygulamaların gerektirdiği neredeyse tüm sertifikalara sahip bir haberleşme ürün portföyüne sahiptir. 

Moxa’nın yedeklilikte sektör lideri (< 20 ms geri kazanım süresi) endüstriyel Ethernet anahtarları, aynı zamanda hızlı başlatım kabiliyeti (< 10 start-up süresi), tam set durum parametreleri ve esnek topolojilere de sahiptir. Böylece Moxa’nın endüstriyel Ethernet anahtarları, endüstriyel kontrol sistemlerinde yüksek ağ güvenilirliği, kullanılabilirliği, yönetilebilirliği ve esnekliği sağlar.

Moxa’nın endüstriyel Ethernet ağ geçitleri ise eski saha cihazlarının kontrol ağlarıyla hızlı entegrasyonu için konfigürasyonu kolay, ve hızlı denetleme ile fieldbus haberleşmelerinde hızlı sorun giderme için bakımı kolay cihazlardır.

Ülkemiz de dâhil birçok bölgede profesyonel destek ve ihtiyaca özel tasarım hizmetleri ile Moxa, otomasyon haberleşme uygulamalarında endüstriyel Ethernet çözümleriyle sektörün yenilikçi lideri konumundadır. Türkiye’de de Moxa ürünlerine dair en iyi destek ve hizmet, 2003 yılından bu yana Ankara ve İstanbul ofisleriyle GSL Mühendislik tarafından koşulsuz müşteri memnuniyeti prensibiyle verilmektedir.