Endüstriyel Haberleşme Protokolleri

Son yıllarda IoT ekosisteminin gelişimiyle birlikle hemen hemen tüm sektörlerde kullanılan akıllı cihazlar ile izleme ve kontrol işlemleri icra edilirken bu süreçlerde oluşan verilerde otomatik olarak kayıt altına alınmaya başlandı. Kullanılan endüstriyel cihazlar farklı uygulamalar ve farklı protokoller kullanmaktadır fakat gerçek anlamda hangisi benim ihtiyacım olan enstrüman sorusu bu gelişimle beraber en çok sorulan soru oldu. Bu yazıda nasıl bir tercih yapmanız yada hangi yol ve yöntemin doğru olduğunu anlatmaya çalışacağız.

 

First things first

 

Haberleşme

Öncelikle en çok karıştırılan konuların başında gelen fiziksel bağlantı tipleri ve haberleşme protokolleri arasındaki farkı anlatmak istiyorum.
Fiziksel Katman (Layer 1), Bunun anlamı en basit tabiriyle uçtan uca bağlanmış haberleşme hattıdır ve bu hatta elektrik sinyalleri hareket eder. Bu haberleşme hattının üzerinde protokoller çalışırlar. Örnek vermek gerekirse Modbus RTU RS485 fiziksel katmanında, Modbus TCP/IP ise Ethernet bağlantılarını kullanır. Örnekle anlatmak gerekirse, iki adet telefon kablosunun uçlarının birbirine bağlanması bize fiziksel bağlantıyı örnekler. Bu iki telefon arasında yapılan görüşmede haberleşme protokolü olarak tanımlanabilir. Her iki tarafta Türkçe konuşursa veri haberleşmesi sağlanır. Partilerden biri Türkçe diğeri farklı bir dil kullanırsa veri haberleşmesi sağlanamaz.

 

Çok fazla sayıda haberleşme prokolü bulunmaktadır. Modbus, OPC, Fieldbus, Uart, Profibus, As-i, Canbus, Rs, Devicenet, Controlnet, Hart, BACNet, Ethernet, Profinet, CANopen. Bu haberleşme protokollerinde en yaygın olarak kullanılan Modbus ve OPC den bahsedeceğiz. Ayrıca ihtiyaçların artması ile burada bahsetmediğim ama yok da saymadığım yeni nesil protokollerin geliştirilmesi devam etmektedir.

 

Farkılaştırılmış Üretici Tescilli Protokoller

Çoğunlukla RS232 yada RS485 üzerinde çalışan ve üreticinin kendine özel ürettiği haberleşme protokolleri olarak sınıflandırılabilir. Siz bu üreticicilerin ürünlerinden veri okumak isterseniz üretici bu durumdan büyük mutluluk duyacaktır. Size verilen iki seçenekten biri üreticinin uygulamasını kullanmaktır ama bu uygulamalar hiçbir zaman istenilen performansta çalışmazlar. Diğer seçenek ise eğer kullandığınız bir SCADA sisteminiz yoksa kendi yazılımınızı geliştirmek olacaktır.

 

OPC

Cihazlardan veri toplamak için OPC başka bir enstrüman aracıdır. Farklı dilde konuşan endüstriyel PLC leri ortak bir dil katmanında buluşturur. OPC uyumlu herhangi bir istemci uygulaması ile istenilen veriler elde edilir. OPC nin ana hedefi, üreticilerin kendi protokollerini üretme ihtiyacından vazgeçirerek OPC uyumlu cihazlar üretmeye yönlendirmek ve farklı markaların enstrümanlardan da kolayca veri okuyabilmektir.

 

 

Üstteki diagramdan anlaşılacağı gibi, OPC Sunucu Katmanı en uç noktadaki OPC uyumlu cihazlarla haberleşir ve okuduğu verileri kendisine üye olmuş istemcilere yayınlar. İstemcilerden gelen istekleri de ilgili cihaza gönderir. Bu senaryoda istemci haberleşme protokolleriyle uğraşmaz ve her işlevini OPC sunucu üzerinden yapar.

Modbus Protokolü

 

Endüstriyel sektörde adını duymayan yoktur. 1979 yılında Modicon firması tarafından kendi PLC lerini yönetmek için geliştirilmiş olup bugün itibariyle Modbus Organizasyonu tarafından yönetilmektedir. Gelmiş geçmiş ve halen en yaygın endüstriyel haberleşme protokolüdür. Lisans hakkı ücreti olmaması ve basit dizaynı olmasından sebep hemen hemen tüm donanım üreticilerinin ürünlerinde Modbus desteği bulunmaktadır. Yapısı gereği haberleşmede 16 Bit integer veri tipi kullandığından, sağlıklı ve stabil haberleşmeye olanak sağlamaktadır.
Zaman içinde gelişim gösteren bu protokol en yaygın iki farklı standartta çalışmaktadır. ModBus RTU (Remote Terminal Unit) RS232/485 üzerinde haberleşirken ModBus TCP/IP Ethernet ara-birimini kullanır.

 

Peki ModBus RTU nasıl çalışır.

 

ModBus RTU ağında iki rol vardır. Master ve Slave. Master olan ModBus ağında çift yönlü tüm veriyi yöneten yada kontrol eden birimdir. Ağda bulunan cihazlara sorgular gönderir ve programlandığı işlevler için cihazları sürekli taciz eder. Slave rolünde olan cihazlar, Master rolündeki cihazın isteklerine sürekli cevap vererek kendi üzerindeki alarmlar, değerler vb. bilgileri gönderirler. Master ayrıca cihazlara komut gönderebilir, yeni ayarlar set edebilir. ModBus master genelde bir PLC yada SCADA sistemidir. Slave rolünde çalışanlar genelde enerji analizörleri, ısı yönetim panelleri gibi işlevler icra eden elementlerdir ve master dan komut beklerler. Modbus RTU küçük alanlar için idealdir, cihazları ModBus RS485 ağına bağlamak iki kablo vidalamak kadar basittir ve maliyetleri oldukça düşüktür.

 

Geniş alanlara yayılmış senaryolarda Modbus TCP/IP daha mantıklı bir çözüm olarak karşımıza çıkmaktadır. ModBus TCP/IP istemci-sunucu mimarisinde çalışmaktadır. ModBus RTU modelinde master haberleşmeden sorumlu olarak karşımıza çıkarken, ModBus TCP/IP modelinde veri akışı TCP/IP haberleşmesine sahip router tarafından sağlanmaktadır. TCP/IP başka bir endüstriyel protokol anlamına gelmez ama tüm haberleşmenin sağlıklı bir şekilde yapılmasını sağlar. Bu modelde veri akışı artık master tarafından yönetilmediği için RTU modeline göre farklılıklar oluşur. İstenilen bilgi artık birden fazla noktadan aynı zamanda talep edilebilir. Veri talep eden cihazlar client olarak adlandırılır. Aynı RTU daki master modelinde olduğu gibi bu client lar PLC ler yada SCADA sistemleri olabilir. RTU modelinde slave olarak anılan cihazlar TCP/IP modelinde server olarak anılırlar.

 

Common Industrial Protocol (CIP Protokolü)

Kendi PLC lerinde kullanılmak üzere Rockwell tarafından geliştirilmiştir. Tahminimce piyasa dominasyonu sağlamak için ModBus da olduğu gibi bu protokol lisanssız hale getirildi ve şu an ODVA tarafından yönetilmektedir. Otomasyon cihazlarında ve sistemlerinde Amerika da en çok kullanılan protokoldür. ModBus gibi haberleşme olarak RS485 ve TCP/IP üzerinde haberleşmektedir ama ModBus kullanım kolaylığı bu protokolde bulunmaz. Zorluk derecesi yüksek olmasına rağmen güçlü yetenekleri ile tercih sebebidir.

 

Son olarak da bina otomasyon ve kontrol ailesinin kullandığı protokol olan BACnet den bahsetmek istiyorum.

BACnet Protokolü

Bu protokol ile yangın söndürme sistemleri, iklimlendirme sistemleri (HVAC), hareket sensörleri, aydınlatma, güvenlik ve yangın sensörleri gibi elementler aynı ağ üzerinde çalışırlar. BACnet farklı fiziksel katmanların Telefon kablosu, RS232/485 yada koaksiyel kablo gibi bağlantılarla çalışabilmek için geliştirilmiştir. Günümüzde artık tamamen Ethernet olarak çalışması ağırlık kazanmıştır. BACnet endüstriyel bir işlem için icra yapan bir protokol değildir ama kullandığınız cihaz ailesi protokolünü kullanıyor olabilir.

 

Final
Bahsetmiş olduğumuz protokoller birbirleri arasında benzeşmeler gösterebilirler ama çalışma senaryoları büyük farklılıklar gösterir.