Otomasyon Teknolojisinde “İletişime” Giriş

“Değirmenin veya şirket grubunun iletken seviyesi üzerinde yani PC’nin kontrol odasında iletken kontrol sistemiyle veri paylaşımında bulunduğu yerde aktarım hızı artık sadece ikinci sırada bir rol üstlenir. Daha ziyade önemli olan çok büyük veri miktarlarının (mega byte alanına kadar) güvenli bir şekilde aktarılmış olması. Burada da bir endüstriyel Ethernet gerekirse teknolojinin dünya çapındaki internet güncelliğine bağlanır.”

Uwe Schulz
Yüksek Mühendis ve Doçent. Dr.
German Müllerschule, Bad Harzburg
Otomasyon tekniğinde mikro işlem teknolojisi 70’li yıllarda ağırlıklı olarak bellek çözümlerinde yerleşmeye başladıktan sonra 1983 yılında endüstriyel alanda kullanılan iletişim çözümleri devreye girmeye başlamıştır. Bu birbirine bağlı bileşenler ortak ara yüzler ve aktarım araçları üzerinden (örneğin bakır tel) iş yeri ve ana bilgisayar, programlanabilen lojik kontrolörler (SPS) ve ölçüm sistemlerinden oluşur. Katılımcılar aktarım araçlarıyla beraber bir iletişim sistemi kurmaktadırlar. Bu tür sistemler örneğin kişisel bilgisayar gibi elbette ki cihazın içerisinde bulunur ancak bu makale çerçevesinde dikkate alınmayacaktır.

SERİ VE PARALEL VERİ AKTARIMI
Aktarım sırasında prensip olarak seri ve paralel işlemler uygulanır. Tablo I’de IBM şirketi tarafından geliştirilen kişisel bilgisayarın (PC) “ana sürüme” ait standart ara yüzler gösterilmiştir.

Transfer hattının uzunluğu elektrik özellikleri nedeniyle sınırlıdır. Daha büyük mesafelerde sinyaller güçlendiriciler aracılığıyla (“Repeater” diye adlandırılır) hazırlanması gerekir. Paralel süreçlerde bunların sayıları veri bitine ve kontrolör hattına eşdeğer ve bundan dolayı külfetli olduğundan paralel süreç sanayi ortamlarında hemen hemen hiç kullanılmaz.

RS 232
RS-232 standardı iki katılımcının noktadan noktaya (Point – to – point) bağlantıyı tanımlamaktadır. Sanayi sektöründe genel anlamda pek çok cihazın ağla bağlanması yani diğer deyişle birden fazla ara yüz noktasıyla bağlantı istenir. Bunlara laboratuvar cihazlarında ve özel cihazlarda (örneğin tarayıcılar) oldukça sık rastlanır.

İLETİŞİMDE STANDARTLAR YA DA NORMLAR
Her bir iletişim görevi kabaca aktarım odaklı ve kullanıcı odaklı kısımlar olarak iki parça halinde ayrılabilir.

Örnek olarak bir laboratuvar cihazını örneğin rastgele sayı metresi ele alalım: ölçüm bitiminde cihazdan sonuçları içeren bir veri telgrafı, seri bir standart ara yüze çıkartılır. Bu verileri alabilmek ve değerlendirebilmek için alıcı cihazda (kişisel bilgisayar) aktarım hatalarını fark edebilmek ve başarılı bir iletişimi sağlamak adına aynı ara yüz aynı ayarlarla (aktarım hızı, veri bit sayısı, vs.) ve aynı sürecin işliyor olması olmazsa olmazdır.

Kullanıcı odaklı kısımda asıl bilgileri oluşturmak ve tüm veri aktarımının eksiksiz ve hatasız bir şekilde gerçekleşip gerçekleşmediğini kontrol etmek için bir yazılım programı veri bitlerini yorumlamak zorundadır. Ardından başka bir programla bu şekilde alınan ölçüm verileri işlenebilir.

Endüstriyel iletişimde esasen standartlaştırılan ve onların kullanım odaklı kısımları (protokol) aynı şekilde standartlaştırılan veya üreticiye özel aktarım süreçlerinden oluşan farklı süreçler olarak kendini göstermiştir (bkz. Tablo 2).

Aktarım hattının uzunluğu çoğu zaman tersine bit olarak saniye başına bildirilen aktarım hızına (Baudrate) bağlıdır, yani diğer bir deyişle veri iletişim hızı arttıkça ağın olası esnemesi bir o kadar düşüktür.

RS485
RS485 standardı bir hattan aynı yetkilere sahip (master) birden fazla cihazın bağlanmış olduğu (bkz şekil 4, Bus) çoklu nokta yeteneğine sahip bir ağı tanımlar (multipoint). RS485 aynı zamanda veri yolu sistemi “PROFIBUS” ve Siemens firmasının şirkete özel MPI için fiziksel temeli oluşturur. Pek çok makine ve cihaz sadece fiziksel bağlantıya olanak tanıyan RS485 ara yüze sahipler. Bu cihazla iletişime geçebilmek için ilgili protokol uygulanması gerekir.

ETHERNET
IEEE 802-Standartı (daha ziyade Ethernet olarak bilinir) 80’li yıllardan gelen Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE)’nin bir projesi olup ofis ortamlar içerisindeki yerel ağların (LAN) standardını oluşturur. Donanımlarda ve yazılım programlarındaki sürekli devam eden gelişmeler sayesinde bu arada çok sayıda aktarım araçları ve erişim süreçleri standartlaştırılmıştır (örneğin Wireless LAN; IEEE802.11 uyarınca WLAN).

AÇIK VERİ YOLU SİSTEMLERİ
Üretici tarafından tarafsız yani standartlaştırılan veri yolu sistemleri aynı zamanda “açık” olarak tanımlanır (tablo 3). Böylesi bir alan veri yolu sistemi (örneğin PROFIBUS DP) endüstriyel müdahaleler için farklı üreticilerden gelen tüm bileşenleriyle beraber geliştirilmiş olan bir veri aktarım sistemidir. Üreticiler kapsayıcı veri yolu sistemleri genel olarak kullanıcı bir gruptan örneğin PROFIBUS kullanıcı organizasyonu, PNO tarafından temsil edilir.

İLETİŞİM AKIŞI
İletişimlere katılanlar farklı tipte ve miktarda veriler içeren telgraflar gönderirler. Telgraflar doğrudan bir gruba (Multicast) veya tüm katılımcılara (Broadcast) başka bir katılımcıya yöneltilmiştir. Telgrafların uzunluğu sınırlıdır bu yüzden büyük veri miktarları blokajlarla birden fazla telgraflara dağıtılır. Esas itibariyle iletişim süreci üç bölümden oluşmaktadır:
• Bağlantı yapılandırması
• Veri aktarımı
• Bağlantı süreci

Bağlantıyı kuracak olan katılımcı “Client” (hizmet talep edici) diğer katılımcı “Server” (hizmet sağlayıcı) olarak anılır.

Veri yolu sistemlerinden beklenenler
Müdahale alanlarına bağımlı olarak doğasına göre aktarım teknolojisi, aktarım hızı ve veri miktarı ile ilgili farklı beklentiler mevcuttur. Endüstriyel alanlarda arıza güvenliği, elverişsiz ortam koşulları (sallantılar, ısı, vs.) bakımından beklenenler ve aktarım hızında belirgin olarak aktarılacak veri miktarının daha ziyada ön planda durduğu ofis ortamlarına göre farklılık gösterir.

Açık veri yolu sistemlerde müdahale örneği
Değirmen işletmesi içerisinde de kullanılan veri yolu sistemlerinden farklı beklentiler mevcuttur. Bunu üç farklı örnekle açıklayalım.

Sensor – Reaktör – Seviyesi
SPS tarafından yönetilen küçük ambalajlar için ön görülen bir ambalajlama sisteminde yüksek çevrim oranları istenir. Tam detektörler, yığılma detektörleri, vs. gibi sensorların ikincil bilgileri hızlı bir şekilde kaydedilmeli ve vanalara örneğin iletilen komutların hızlı bir şekilde çıkartılması gerekir. Veri miktarı sade birkaç düzine Bit ile sınırlıdır. Bu tür bir uygulama için söz konusu olan bir veri yolu sistemi Reaktör – Sensor – Arayüz (AS-1) dür. Böylelikle yüksek bir hızda (azami 5 ms) verileri çevrimsel olarak münferit algılayıcılar tarafından okunur ve münferit rektörlere yazılır. Çoğu veri yolu sistemlerine kıyasla AS-I’de veriler veri yolu sistemine ait besleme gerilimine modüle edilerek iyileştirilir ve bağlantı hattına iletilir. Veri hatlarının ve enerji besleme hatları genel olarak ayrı bir şekilde döşenir.

SPS’nin merkezi olmayan gelişimi (alan çevresi)
Bir SPS için değirmenin münferit zeminlerinden verileri periyodik olarak aktaran (bkz. 1/2008 baskısı alan veri yolu sistemi (örneğin PROFIBUS DP) yaklaşık 100 Byte (1 Byte = 8 Bit) büyüklüğünde bir veri miktarına ulaşır. Aktarım hızıyla ilişkin beklenenler SPS’nin merkezi birimine ait program işlem süresi tarafından belirlenir. Büyüklük bakımından 10 ms. civarındadır.

İletken seviyesi
Toplam işletim içerisinde hafızayı programlayabilen yönetimler kısmi görevleri dikkate alır. Üretim verileri karşılıklı olarak bilgi alışverişinde bulunabilmesi için birbirleriyle ağ olarak bağlıdır. Söz konusu bu veri paylaşımı normal şartlarda sadece ihtiyaca göre yani periyodik olmadan gerçekleşir. Aktarım hızıyla ilgili beklenenler bu yüzden daha azdır. Ancak oldukça yüksek bir veri miktarı mevcuttur (birkaç yüz kilo byte). Bunun için günümüzde genelde endüstriyel Ethernet kullanılır.

Değirmenin veya şirket grubunun iletken seviyesi üzerinde yani PC’nin kontrol odasında iletken kontrol sistemiyle veri paylaşımında bulunduğu yerde aktarım hızı artık sadece ikinci sırada bir rol üstlenir. Daha ziyade önemli olan çok büyük veri miktarlarının (mega byte alanına kadar) güvenli bir şekilde aktarılmış olması. Burada da bir endüstriyel Ethernet gerekirse teknolojinin dünya çapındaki internet güncelliğine bağlanır.

Yani temelde Sensor / Kontrolör –alanı ya da merkezi olmayan çevredeki aktarım hızında beklenenler yüksek değildir ve veri miktarı düşüktür. Buna karşılık iletken seviyesindeki iletişimde aktarım süresi düşük ama veri miktarı yüksektir.

Veri aktarım araçları
Aktarım araçları olarak büklümlü bakır hatlar (iki veya çoklu telli) veya külfetli kurulumu nedeniyle daha nadiren ortak eksenli hatlar kullanılır. Işık dalgası iletkenleri (LWL) elektro manyetik arızalara karşı duyarlı değildir ve bu yüzden arızaya duyarlı ortamlara yerleştirilir. Telsiz bağlantılar cihazlara mekanik bağlantı ihtiyacı duymaz bu yüzden de taşıma araçlarının iletişimi veya uzakta kurulu olan dolum seviyesi ölçüm sistemleri gibi spesifik uygulamalarda kullanılır.

Topoloji

Ağların olası fiziksel kablolaması (topoloji) şekil 4’de gösterilmiştir. Genelde tüm kullanıcılar için bir aktarım aracı olan veri aktarım topolojisi (PROFIBUS) bilinmektedir, yani ağaç (Repeater üzerinden birden fazla veri aktarım yolunun bağlantısı, örneğin PROFIBUS) ve aynı şekilde bir ağa bağlanabilecek yıldız şeklindeki düğüm bağlantısı (endüstriyel Ethernet).

Veri aktarım bileşenleri arasındaki bağlantı genel olarak soket bağlantılarıyla gerçekleşir (bkz. şekil %)

Veri aktarım yolu yetki süreci
Veri aktarım yolunda aktarım aracı (veri hatları) tüm kullanıcılara açık olması gerektiği için yetkilerin düzenlenmesi gerekir. Eğer tüm kullanıcıları aynı yetkiye sahipse, örneğin PC çalışma alanlarının ağ olarak bağlanması gibi, o zaman Multi – Master – Bus’dan söz edilir. Şayet cihazlar arasında hiyerarşik farklılıklar mevcutsa (örneğin SPS ve giriş model grupları) Master – Slave – Bus diye bir sistemden bahsedilir. bilinen yetki süreçleri aşağıda açıklanmıştır.

Token süreci
Token iletişime yetkili olan kullanıcılar (Master) arasında belirlenmiş bir sıraya göre ve belirli bir sürenin bitiminden sonra çoğalmaya devam eden bir giriş yetkilendirmesidir. Token’e sahip olan kullanıcı diğer tüm kullanıcılarla iletişime geçebilir.

Token sürecinin avantajı iletişim süresinin biliniyor olmasıdır zira her bir kullanıcı sadece belirli bir süre Token’e sahip olabilmektedir. Dezavantajı ise yeni kullanıcıların bağlanması ve Token’in yönetimi oldukça fazla külfetli olmasıdır. PROFIBUS’daki veri aktarım yolu girişi bir yandan Token süreci esasına dayanır.

Teilnehmer: Kullanıcı / Tokenumlauf (logischer Ring): Token dönüşümü (mantıksal halka)

CSMA / CD – Süreci
“Klasik” Ethernet’de IEEE 802.3 altında standardı bulunan CSMA / CD sürecinde veri aktarım yolundaki tüm katılımcılar birlikte duyarlar ve veri aktarım yolu açık olduğu sürece iletişimle başlayabilirler. Telgraf uzunluğunun sınırlandırılmasıyla beraber katılımcı iletimini sonlandırması gerekir ve aktarım aracı tekrar serbest hale gelir. CSMA – CD – sürecinde bir katılımcı fiziksel olarak veri aktarım yoluyla bağlandıktan sonra doğrudan iletişime katılabilir.

Sinyal patlama sürelerine bağlı olarak (yaklaşık % 70 ışık hızı) nadir durumlarda iki katılımcının aynı anda iletimde denemeye çalışıyor olabilirler. Bu telgraf yapısı nedeniyle her iki katılımcı tarafından fark edilecek olan bir çarpışmaya neden olur. İletişimi yarıda keserler ve rasgele sürenin bitiminden sonra tekrardan başlatırlar. Yani bu durumda çok yüksek veri gelişiminde çarpışma olasılığı artar ve artık aktarım hızı belirlenemez düzeye ulaşır. 90’lı yıllara kadar çarpışma hatlarının kullanımı altındaki süreç ofis ve endüstriyel ağlar arasında standardı (örneğin SINEC H1). Daha sonraları bugünkü normal yapı olarak bilinen ve dağıtıcılara (Switch) iletilen münferit saplama kablolarıyla yıldız şeklindeki bağlantı geçerlidir. Çarpışmalar burada tamponlu aktif dağıtıcıların kullanımı sayesinde engellenir. Süreç endüstriyel alanda günümüzde endüstriyel Ethernet’de ya da PROFINET’de ortam alanlarında kullanılır.

Sorgulama
Kontrollü bir ulaşım Master – Slave – Sisteminde mevcuttur. Yardımcı ve merkezi olmayarak örneğin değirmen zeminlerinde makinelerin verilerini kaydeden veya dolum seviyesi ölçüm cihazını okuyan kurul katılımcı (Slave) ancak onlar tarafından yapılmasını istediği zaman verileri Master – Yapı grubuna (örneğin SPS) gönderir. Master – Slave – Süreci örneğin PROFIBUS DP’de mevcuttur.

PROFIBUS DP
Şimdilerde EN 50170 esasına dayanan PROFIBUS DP (PROcess FIeldBUS, merkezi olmayan periferik) 80’yılların sonunda açık veri aktarım yolu sistemi olarak Almanya’daki endüstriyel otomasyon için geliştirilmiş olup 1991 yılında DIN 19245 altında standarda kavuşmuştur. O zamanki üç farklı standartlaşan şekillendirmelerden (FMS, DP ve PA) günümüzde dünya çapında kesintisiz yardımcı periferik SPS ağlarının standardı olan (giriş ve çıkış yapı grupları, frekans dönüştürücüleri, kontrol sistemleri, vs.) ve PROFIBUS PA patlama tehlikesi ortamlarda yaygın olarak kullanılır. Şekil 9’da Busmaster (SPS) ve Slaves’den oluşan tipik bir PROFIBUS konfigürasyonu gösterilmiştir. Neredeyse tüm otomasyon tekniğindeki cihazlar PROFIBUS-DP-ara yüz olarak kullanıma sunulabilir.

Şekil 10 bir değirmendeki otomasyon hiyerarşinde açıklanan veri aktarım yolları sistemindeki kullanım alanlarını gösterir.

Bir önceki yazımız olan Kontrollü atmosfer, geleneksel fumigasyona bir alternatif mi? başlıklı makalemizi de okumanızı öneririz.

Kontrol edin

O kepekte çok fazla nişasta var!

“Kepekte nişasta kalıntı miktarının fazla olması değirmenciler için kârdan feragat etme anlamına geliyor. Bühler, online …