TEKNİK YAZI

Uzaktan Denetimde Daha Hesaplı, Daha Pratik Bir Alternatif: Hücresel Haberleşme

İçindekiler

    Uzak, izole bölgelerde konumlanmış dağıtım altyapılarında insansız denetim sistemlerinin en büyük sorunu daima uzun mesafe haberleşmenin kısıtları olmuştur. Buna karşı üretilmiş çözümlerin başında ise kablosuz iletişim gelmiştir. Ancak bu haberleşme aracı genellikle maliyet etkin olarak kabul görse de, mevcut veri aktarım hızlarının kısıtlayıcı olması, uzun aktarım süreleri ve veri kaybı olasılığının aktarım mesafesi arttıkça yükseliyor olması, kablosuz iletişimin kayda değer dezavantajlarını oluşturur.

    İleri hücresel haberleşme teknolojisindeki gelişmeler, uzaktan denetim çözümlerinde ortaya çıkardığı potansiyel sayesinde sistem entegratörlerini bu kısıtlamaların her birinden serbest bıraktı. Denetim ve kontrole yönelik haberleşmenin hücresel bağlantı üzerinden sağlanabilir duruma gelmesiyle, uzaktan yönetim platformları kurmak da çok daha kolay ve ekonomik hale geldi. Böylece konfigürasyon ve bakım amaçlı saha ziyaretleri en aza indirilebilirken, hem video gözetim gibi yüksek bant aralıklı uygulamaların, hem de düşük bant aralıklı ama kritik olan alarm uygulamalarının gerçek zamanlı iletimi mümkün oldu.

    Zorluklar ve Çözümleri

    Uzaktan veri toplamanın da her uygulamada olduğu gibi bazı zorlukları vardır. Özellikle mesafelerin oldukça uzak olabildiği boru hattı, pompalama ve yol kenarı ekipmanlarını da içeren uygulamalarda veri kontrol ve denetiminde çeşitli zorluklar ortaya çıkabilir. Bu zorlukların çözümlenebilmesi için ise, uzaktan denetime yönelik hücresel haberleşme sistemleri kurulumunda hangi faktörlerin önemli rol oynadığını ve hangi kritik özellikler ile söz konusu zorlukların üstesinden gelinebildiğine yakından bir göz atmak gerekir. Bu anlamda, kablosuz iletişime iyi bir alternatif sunan hücresel bağlantının avantajlarını incelemek, kullanılan IP tipi, aktif veri aktarımlarında bant aralığı, bağlantı kopması, veri toplama katmanları ve bakım masrafları ile veri bütünlüğüne ilişkin zorlukların nasıl üstesinden gelinebileceğine ışık tutmak gerekiyor.

    Neden Hücresel Bağlantı?

    Boru hattı yönetiminde kablosuz haberleşme kullanıldığında, lokal depolama cihazlarına veri girişi için sistem yöneticileri genellikle uzak terminal birimler (Remote Terminal Unit, RTU) yapılandırırken, girilen verilerin toplanması için ise bakım personelini sahaya gönderir. Verinin gerçek zamanlı aktarılamıyor oluşu ise uzak sahalardan veri toplanması ve ayrıştırılması için kayda değer bir kaynak aktarımı gerektirir. Bu durum, özellikle video gözetim gibi yüksek bant aralıklı uygulamaların kurulumu söz konusu olduğunda kaynak yönetiminde önemli zorluklar ortaya çıkarır. Dolayısıyla, son dönemde sistem tasarımında gittikçe daha esnek ve etkili bir haberleşme platformu sunan kablosuz, hücresel bağlantı tercih edilmeye başlanmıştır.

    Hücresel teknolojinin bir güzelliği de IP tabanlı bir ağ sağlamasıdır. Çoğu saha cihazı da günümüzde IP tabanlı çalışabildiğinden, her türlü saha verisini hücresel bağlantılar yoluyla taşımak mümkündür. Ancak bant aralığı ve gecikme süreleri de veri aktarımında büyük önem taşıdığından, tek başına IP tabanlı haberleşme de yeterli olmaz.

    Hücresel ağlar alışılagelmiş Wi-Fi ve mikrodalga haberleşme ara yüzlerine nazaran çok daha uzun mesafeler arası aktarım yapabildiğinden, bu ağlarda gerekli haberleşme aktarım noktası sayısı da Wi-Fi veya mikrodalga sistemlerine kıyasla daha azdır. Buna ek olarak hücresel bağlantıların çok daha geniş bant aralıklarına ve parazite karşı gelişmiş dirence sahip olması, ve halihazırda hücresel bağlantı sağlayıcılar tarafından kurulmuş olan haberleşme altyapısının kullanılması da bu ağlarda çok daha az aktarım noktasına ihtiyaç duyulmasının nedenlerindendir. Bu durum altyapı masraflarını daha da düşürür.  

    Son dönemde GPRS’den HSPA’e geçişle, hücresel teknoloji ile aktarımda bant aralığı ve gecikme sürelerinde kayda değer bir gelişme görüşmüştür. Hücresel bağlantı çıkış yolunda maksimum bant aralığı an itibariyle 5,76 Mbps’e ulaşabilirken, iniş yolunda ise bant aralığı 14,4 Mbps’e kadar çıkabilmektedir. Hücresel aktarım gecikme süresi de, bazı ağlarda 100 milisaniyeye dahi düşecek kadar, önemli derecede azaltılmıştır. Sonuç olarak günümüzde hücresel bağlantı performansı her açıdan, mevcut her uzun mesafeli haberleşme teknolojisi alternatifini geride bırakmaktadır.

    Uzaktan Veri Toplamada Dinamik ve Statik IP Karşılaştırması

    Çift yönlü haberleşmenin doğru biçimde sağlanabilmesi, böylece merkezin veri toplayıcılara ve veri toplayıcıların da merkeze doğrudan sorgulama yapabilmesi için, hem sahadaki hücresel modemlere, hem de SCADA sunucusuna statik açık IP atanması gerekir. Ancak, hücresel bağlantı sağlayıcılar özel dinamik IP adreslerine göre statik IP’lere daha yüksek ücret talep ettiğinden, bu kurulum oldukça pahalı bir hal alabilir. 

     
    Öte yandan gerekli özellikleri barındıran bir OPC yazılımı kullanılırsa, uzak bir cihazı sabit bir IP kullanan merkezi SCADA’ya otomatik kaydolacak biçimde yapılandırmak mümkün olur. Böylece SCADA uzak cihazın IP adresini alarak kaydedip, etiket güncellemelerini doğru biçimde teslim edebilir ve kayıt alabilir. Bu düzenleme, uzak cihazları hücresel bağlantı üzerinden oldukça kolay ve maliyet etkin bir yönetme biçimidir. OPC sunucusu ile cihaz kaydı yapmanın yanı sıra, uzak cihazların dinamik veya özel IP’lerini URL gibi bir DNS sunucu ismine çevirdiği dinamik DNS kaydı da kullanılabilir. Böylece, merkezi yazılım uzak bir HSPA cihazıyla bağlantı kurabilmek için yalnızca bir URL veritabanına ihtiyaç duyacaktır.
     

    Aktif Veri Aktarımı Bant Aralığı Kullanımını Optimize Eder, Bağlantı Süre Aşımını Engellemeye Yardımcı Olur

    Hücresel haberleşmede karar kılındıktan sonra kullanıcının aklına gelecek ilk soru “Ne kadara mal olacak?” sorusudur. Tipik bir otomasyon ortamında, operatörler veriye erişmede PLC gibi cihazlar kullanır. Bu durumda PLC’ler genellikle yerel, kablolu bir altyapının bir parçası olduğundan bant aralığı önemli bir mesele teşkil etmez. Öte yandan hücresel bağlantı üzerinden uzak uygulamalarda bant aralığı masraflı hale gelir. Bu nedenle bant aralığının önemli hale geldiği sorgulama (polling) yapıları için hücresel ağlar uygunsuz kalabilir. 

    Aktif push (itme) teknolojisi, bu durumda ağ aktarım yükünü önemli derecede azaltarak hücresel bir sistem kurulumunun maliyetlerini düşürür. Push ile haberleşme, ağ aktarım yükünü sistemde sunucu tarafından sorgulama ihtiyacını ortadan kaldırarak azaltır. Sorgulama olmadan, uzak cihazlar merkezi sunucuya aktif ve gerekli görülen zamanlarda veri yollar. Böylece, sensörler veya alarm sistemlerinden sadece sahada bir olay meydana geldiğinde veri alınır. Verilerdeki değişiklik cihaz tarafından algılandığında bu değişiklik kontrol sistemi veritabanına “itilir”, ve böylece operatörler bu spesifik olayı kayda alabilir.

    Aktif raporlama sayesinde merkezi sunucu veya SCADA, veri için saha cihazlarını sürekli sorgulamak yerine verinin kendisine gelmesini bekler. Aktif raporlama yalnızca bant aralığı kullanımını düşürmekle kalmaz, gerçek zamanlı alarm sistemini de mümkün hale getirir. Aktif raporlamanın en az bu kadar önemli bir başka özelliği ise şebekenin kesinti toleransı karşılanacak biçimde haberleşme sınırlarının dinamik olarak ayarlanabilmesi, böylece bağlantı kesintilerinin tamamen önlenebilmesidir.

    Hücresel bağlantılarda kesinti, kolaylıkla yüksek masraflı bir sorun haline gelebilir. Hem Ethernet hem de seri saha cihazları veri toplama için uzak sorgu kullanır. Bağlantı kesinti süresi LAN bağlantı hızlarına uyumlu biçimde ayarlanmış bir cihaz, hücresel bir ağa kurulduğunda kesintilerle karşı karşıya kalacaktır. Tekrarlanan bağlantı kesintileri sistemin çökmesine neden olacak ve her yeniden bağlanma denemesinde ek bant aralığı ücreti yansıtacaktır. Veri raporlaması oluşturabilen bir aktif push yapısı, veri sorgusunun yerine aktif raporlar getirerek sistemin bağlantı kesintisi olasılığını ortadan kaldıracağından bu problemi çözecektir.

    Aktif Raporlar Veri Toplama Katmanlarını Düzenler, Bakım Masraflarını Düşürür

    Tipik bir sorgulama sistemi, genellikle birden fazla veri toplama katmanı gerektirir. Bu çok katmanlı yapı, sistem yükünü dağıtmak ve sorgulama döngüsünü kısaltmak için tasarlanmıştır. Fakat, çok katmanlı sistemler yönetimi zor ve tasarım ile bakımı karmaşık sistemlerdir. Büyük sistemlerde orta aktarım noktalarından birinde ortaya çıkan bir sorunun konum tespiti ve giderilmesi oldukça çok zaman alır. Buna ek olarak çok katmanlı bir sistem genellikle farklı donanım ve protokoller kullanan farklı sistem entegratörleri tarafından bir araya getirilir. Yalnızca protokollerin birleştirilmesi bile tüm sistemi felce uğratmaya yetecek kadar sorun çıkarmaya yeter.

    Aktif raporlama teknolojisini kullanan hücresel veri toplama ve alarm sistemlerinin gelişimi, neredeyse tüm orta veri toplama katmanlarından kurtulmayı olası hale getirmiştir. Hücresel ağlar IP tabanlı olduğundan, bu ağların alışılagelmiş Wi-Fi veya mikrodalga haberleşme arayüzlerine kıyasla neredeyse hiçbir mesafe kısıtı yoktur. Bunun yanı sıra gerekli haberleşme aktarım noktası sayısı da hücresel ağlarda daha azdır. Sistem hâlihazırda hücresel bağlantı sağlayıcılar tarafından kurulmuş haberleşme altyapısını kullandığı için altyapı maliyetleri de önemli derecede azalmış olur. Tüm bunlara ek olarak, hücresel ağ bant aralığı RF’e kıyasla çok daha geniş ve dış parazite çok daha dayanıklıdır. Bu nedene de çok daha az veri toplama noktasına ihtiyaç duyulur.

    Daha İyi Uzaktan Denetim İçin Verimli, Etkili Programlama

    Karmaşık algoritmalar için hiçbir şey etkili bir programlama platformu kadar esneklik sağlayamaz. Programlama platformu, özel tasarım protokoller, karmaşık hesaplamalar ve veri depolama gibi en yüksek programlama kabiliyeti isteyen uygulamalarda kullanılır. C/C++ veya IEC 61131-3 uyumlu (Linux araç zinciri dahil) programlama desteği sağlayan programlanabilir hücresel RTU’lar, çok geniş bir yelpazede kullanıcı ihtiyaçlarına kolayca cevap verecek verimli bir biçimde kişiselleştirilebilir. Programlama ortamı, çeşitli alanlarda programlama yükünü hafifleterek kullanıcılara kurulum ve konfigürasyon sürelerini optimize etmede yardımcı olabilir. SMS ve hücresel bağlantının yanında mevcut SCADA/DB sistemleriyle uyumluluk da I/O kontrolü, alarm ve ağ bağlantı kontrollerinin de dâhil olduğu bu alanlarda önemli rol oynar. Diğer programlama platformuna kıyasla Linux ve IEC 61131-3 uyumlu hücresel RTU’lar maksimum kodlama esnekliği sağlar. Ayrıca kullanıma hazır SDK’ler ile optimize edildiklerinde I/O kontrolü ve alarm kurulumu çok daha hızlı ve kolay hale gelir.

    Veri Tutarlılığını Sağlayan Verimli Veritabanı Yüklemeleri

    Operatörlerin kaynak dağılımı ve teslimatı etkileyecek kararları sağlıklı biçimde verebilmek için gerçek zamanlı bilgiye ihtiyacı olduğundan, mesafelerin uzun olduğu, güvensiz bir haberleşme altyapısına sahip bir ortamda gerçek zamanlı veri toplayabilmek önemlidir. Bu durumdaki operatörler genellikle olay bilgisi kaydı için saha ziyaretlerinde manuel olarak toplanan bilgi ile veri depolayıcıları kullanır. PLC’lerde depolanan veri ise, belirli bir zaman içerisinde sorgulamalardan sağlanan tüm veri setini içerir. Dolayısıyla özellikle de veri geri kazanımında çakışmaya neden olabildiği ve operatörlerin ayıklaması gerekecek birden fazla ağ katmanı oluşturduğu için, uzak sahaların bu biçimde yönetimi oldukça verimsizdir. 

    Hücresel bağlantı ile olay bazlı veri toplamanın birleştirilmesi ile operatörler tüm uzak saha verisine doğrudan, gerçek zamanlı erişime sahip olur. Bu nedenle etkili veri toplama sistemleri için veri tabanı optimizasyonu da önemli bir meseledir. OPC çözümleri için optimize edilmiş bir veri tabanı yönetim sistemi (DBMS) gerçek zamanlı veri toplamayı basitleştirmekle kalmaz, aynı zamanda geçmiş verilerin çeşitli formatlara ve okunabilir hale dönüştürülebilmesi için de saha verisi ile depolanmış veritabanı veya tablolar arasında bir köprü oluşturarak otomatize eder.

    Aktif bir saha cihazı depolanan verileri dönüştürüp merkezi veri tabanına yüklerken, optimize edilmiş bir veri toplamada DBMS, otomatik olarak her bir RTU’dan veya diğer uzak I/O cihazlarından etiketleri harmanlayarak sıralar ve bir veritabanı ya da tabloya dönüştürür. Böylece kullanıcılar veriyi yalnızca ham halinde değil, ayrıca hazır raporlar halinde de geri alabilme imkânına sahip olur. Son olarak, push haberleşme teknolojisi, aktif etiketleme ve uygun veritabanı optimizasyonu sayesinde bir RTU, bir ağ kesinti sırasında elde edilen veriyi otomatik olarak kesintisi sonrasında aktarabilmelidir.

    Hücresel Erişim Teknolojisi Gelişmiş Uzaktan Denetim Sistemlerini Mümkün Kılıyor

    Hücresel haberleşmedeki gelişmelerle uzaktan denetim sistemleri de değişime uğruyor. Hücresel IP teknolojisi sayesinde artık uzaktan denetim sistemleri sistemi karmaşıklaştırmadan, öncesine göre çok daha fazlasını başarabiliyor. Bu da daha düşük yönetim ve bakım masraflarıyla sonuçlanıyor.

    Moxa’nın yeni nesil, C/C++ ve IEC 61131-3 programlama destekli hücresel RTU, özel tasarım yazılım geliştirme paketi, DA-Center veritabanı yazılımı ve Aktif OPC sunucusunu kullanarak hızla ve etkin bir biçimde uzaktan veri toplama çözümü elde edebilirsiniz. Moxa tarafından geliştirilen bu çözümlerin hepsi tüm hücresel haberleşme kapasitesine sahip olup, veri bütünlüğü için en güçlü koruma, düşük maliyet ve gerçek zamanlı veri toplayabilme olanağı sunar. Moxa’nın aşağıda da detaylandırılan bu ürünlerine 2003 yılından beridir Moxa Türkiye ana distribütörlüğünü yapan GSL Mühendislik yoluyla ulaşabilirsiniz.

    Söz Konusu Ürünler

    Kaynak: Chen, W. (2013) “Real Time Remote Monitoring over Cellular Networks” Marketing Dept., Moxa Inc.