Endüstriyel İletişim Protokolleri

Bildiğiniz üzere endüstri insansız (unmanned) üretim teknolojilerine doğru gün geçtikçe daha da yönelmektedir. Tabi öteki yandan insansız herhangi bir AI sistemin stabil çalışması da pek olası değildir. Bildiğiniz gibi birinin bu sistemin kurulum, dizayn, bakım, işletim ve en sonunda tekrar söküm işlemini yapması gerekmektedir.

Şimdi bu sistemler nasıl haberleşir buna biraz göz atalım daha sonraki yazılarımızda bu haberleşme protokollerinden bahsedeceğiz ve belki bazılarında aktif olarak kullanacağız.

Otomasyon sisteminde sensör, aktüatör, valf, röle vb. elemanlar, PLC ve bilgisayarlarla haberleşmektedir. Böylece bilgi akışı sağlanarak veri toplama (data acquisition), veri işleme, veri analizi işlemleri gerçekleştirilmektedir. Veri akışı sinyallere bindirilerek yapılır. Burada 2 tür sinyalden bahsedeceğiz.

1. Dijital Sinyal

Elektronikte tüm veri haberleşme standardı temel olarak “1” ve “0” rakamlarından oluşmaktadır. Bu sistem ile oluşturulabilen anlamlı en küçük veri yığını BIT (İkili Değer) olarak adlandırılır. BIT sistemi ile herhangi bir anahtarlama elemanının AÇIK (1) veya KAPALI (2) konumları tanımlanarak örneğin pnömatik bir valfi kumanda eden röle elemanının durumu belirlenebilir.

PLC tarafından kumanda edilen bir pnömatik valf grubunun açma/kapama bilgileri de “1” ve “0” rakamlarından oluşan bilgiler olarak transfer edilir. Bir valfin açılıp kapanması aynı zamanda o valfe gerekli enerjinin gönderilmesi veya voltajın kesilmesi anlamını da taşır. Eğer valf 24V DC voltaj ile çalışıyorsa “0” konumu “0 V” veya düşük (LOW) sinyal, “1” konumu “24 V” veya yüksek (HIGH) sinyal olarak değerlendirilir.

Tüm elektronik haberleşme sistemi elbette ki sadece açık/kapalı kombinasyonundan oluşmamaktadır. İçerik olarak sadece iki olasılıktan daha başka bilgilerin kullanıldığı durumlarda “0” ve “1” rakamlarının çeşitli kombinasyonlarından oluşan veri yığınları oluşturulur. 8 BIT ile oluşturulan BYTE ve iki BYTE ile oluşturulan WORD veri yığınları bunlara örnektir.

Sadece “1” ve “0” rakamlarından oluşan 8 parçalık veri yığını (8 BIT = 1 BYTE) 0-255 aralığında bir değer içerebilmektedir. Bu rakam, 8 parçalık veri paketi ile ifade edilebilecek bilginin alt ve üst sınırlarını ve verinin çözünürlüğünü belirler.

Bir örnek ile bu durumu akılda kalıcı hale getirelim; 0 – 6 bar aralığında basınç regülasyonu yapabilen elektropnömatik oransal basınç kontrol valfimizin 8 BIT kontrol sistemi olduğunu kabul edelim. Bu arada valf sistemlerine yabancı olanlar için elektropnömatik elektriksel aktüatörlü pnömatik tahrikli valf anlmına gelmektedir. Regülatörümüzün 2.59 bar basınç üretebilmesi için; Pset değeri “255×2,59/6,0 = 110” olarak sisteme gönderilmelidir. Ancak öncelikle onluk düzendeki bu değer ikili düzene çevrilmeli ve 8 basamaklı bir sayı olan “0110 1110” rakamı olarak cihaza gönderilmelidir.

2. Analog Sinyal

Doğrudan elektriksel olmayan basınç, sıcaklık veya pozisyon gibi değişkenleri çeşitli algılama elemanları ile ölçerken elde edilen veriler genellikle akım veya voltaj cinsinden analog değerler olarak ölçülür. Analog veri, belirli bir değer aralığında süreklidir ve teorik olarak sonsuz sayıda değer alabilir. Dijital veri ise analog verinin aksine aynı ölçme aralığı içinde sadece belli değerleri alabilir ve kesintili ölçümler verir. Kullandığımız kontrol sisteminin ve ölçüm cihazının BİT değeri, ölçümü yapılan değerin çözünürlüğünü ve dolayısıyla ölçüm yapabileceğimiz minimum değer aralığını tayin eder.

Analog sinyale örnek vermek gerekir ise; 4-20 mA ya da 0 – 5V veri taşımaları bu sınıfa girer.
0 – 100 santigrat derecede ölçüm yapan 0 – 5V çıkış veren bir thermocouple ınız için ( bildiğiniz üzere thermocouple lar Voltaj çıkışı veren sıcaklık ölçüm sensörleridir.) 60 santigrat dereceyi 3 VDC taşıyan bir kablo ile taşıyabiliriz. Bu analog sinyal taşıma örneğidir.

3. Veri Aktarım

Elektronik sistemlerde veri kablolar üzerinden aktarılır. Kablolar sinyal iletimi için gerekli iletişim ortamını sağlar. Haberleşme amacıyla kullanılacak kablo seçilirken aşağıdaki kriterler esas alınır.

• Aktarılacak verinin miktarı (aktarım hızı)
• Aktarım yöntemi (voltaj seviyesi)
• Aktarım mesafesi (kablo uzunluğu)
• Elektromanyetik gürültü (EMC güvenliği)
• Mekanik tasarım kriterleri

Elektronik veriler fiziksel olarak yukarıda belirtilen ortamlar üzerinden taşınır. Ancak taşınan verinin aktarım yöntemi farklı olabilir. Sinyallerin asimetrik veya simetrik olarak kablolar üzerinden voltaj değeri cinsinden iletildiği durumlarda sinyal iletim mesafesi oldukça sınırlıdır. Optik haberleşme ve fiber-optik kablo kullanımı durumunda sinyal mesafesi oldukça artacaktır.

3.1 Veri Aktarım Yöntemleri

Veri aktarımı temel olarak iki alternatif yöntemle gerçekleştirilir.
Gönderilecek sinyaller paralel veya seri olarak taşınır. Bu ayrım yapılırken taşınacak verinin kaç adet kablo ile yapılacağı ile ilgili herhangi bir sınıflandırma yapılmaz.

3.1.1 Paralel haberleşme

Verici ve alıcı taraflarında 8 adet bağlantı noktası bulunmaktadır. Bu tür bir bağlantı ile 8 BIT / 1 BYTE büyüklüğünde bir veri aktarımı yapılabilir. Sinyal aktarıldıktan belli bir süre sonra kesilerek bir başka sinyal moduna geçilmesi mümkündür.

Verici bölümü, herhangi bir PLC ünitesinin 8 adet çıkış verebilen çıkış modülüdür. Bu 8 adet vericinin karşılığında 8 adet alıcı mevcuttur. Konvansiyonel paralel kablolama olarak adlandırılabilecek olan bu yöntemde PLC ünitesinin her bir çıkış noktası ayrı bir selenoid valfi kumanda eden röle kontaklarını kumanda eder. Bu durum, özellikle çıkış sayısı arttıkça problem teşkil etmeye başlar. Herhangi bir verici ucunda sinyal olduğunda 24V DC enerji kumanda edilen valfi çalıştırarak belirli bir işlevi yerine getirecektir. Tüm bobinlerin ortak bir geri dönüş (-) hattı mevcuttur. Tüm çıkışlar PLC tarafından her çevrim sonunda tekrar değerlendirilerek gerektiği taktirde değiştirilecektir. Valflerin enerjide kalma süresi yapılan programın içeriğine ve gönderilen sinyalin tipine ve süresine bağlıdır.

Bu sistem birçok işletmede aktif olarak kullanılır. Açıkcası çok da kullanışlı bir sistemdir fakat alıcı veya yapılan işlem arttığı zaman hem PLC yi yorar hem de her alıcıya farklı işlemler için farklı sinyal kablosu çekilmesi gerekir. Örneğin PLC kumandalı elektrik motoru çalıştırmak istiyorsunuz. Bu elektrik motora PLC start sinyali göndermeniz için bir kablo ve motorun start motorun paneline süre belirlemek için başka bir kablo devir belirlemek için başka bir kablo çekmeniz gerekmektedir. Bir de bunu 2000-3000 elektrik motoru çalıştıran bir fabrika için düşünün. =)

3.1.2 Seri haberleşme

Seri veri aktarımı durumunda da esasında bilgi paralel veri yongaları (BIT) olarak üretilir. Ancak bu bilgi tek bir veri hattına indirgenerek iletilecektir. Bu amaçla iletmek istediğimiz bilgi kodlanarak tek bir hat üzerinden iletilebilecek şekle getirilmelidir. Bu işleme paralel-seri data dönüşümü adı verilir. Bu dönüşüm ve iletim işleminin hızı (BIT/s = BAUD) aynı zamanda veri aktarım hızını belirler.

Seri haberleşme yönteminde sadece kontrol bilgilerinin yanısıra start/stop bilgileri, kontrol verileri ve bazı özel uygulamalarda güvenlik bilgileri de aynı hat üzerinden taşınır. Böylece birden fazla kablo kullanımının önüne geçilir. Ancak tek bir veri hattı üzerinden taşınabilecek verinin miktarı ve hızı sınırlı seri haberleşme kaba bir ifadeyle KODLAMA ve KOD ÇÖZME esasıyla verici ve alıcı konumundaki cihazların aynı ortak dili konuşarak anlaşmasıdır. Verinin kodlanması, gönderilmesi, çözülmesi ve kontrol işlevinin yerine getirilmesi belirli bir süre gerektirir. İlk bakışta bu dezavantajdan dolayı seri haberleşme, paralel haberleşmeye göre yavaş gibi görünebilir.

Ancak söz konusu gecikme, kodlama – kod çözme işlemleri kullanılan BUS sisteminin mimarisine ve kullanıcıların sayısına bağlı olmakla birlikte milisaniye mertebesinde (0.1-2ms) olduğu için pratik olarak ihmal edilebilir.

3.2 Haberleşme Standartları

Tüm dünyada kabul edilen ve uluslararası standart haline gelmiş bazı haberleşme ara yüzleri vardır. Bütün üreticiler bu standartlar üzerinden haberleşme yaparak farklı marka ürünlerin birbirleriyle haberleşmelerine olanak tanır. RS , “Recommended Standard” yani tavsiye edilen standart kelimelerinin kısaltmasıdır.

3.2.1 RS232 standardı

RS232 genellikle iki nokta arasında asimetrik haberleşme yapıldığı durumlarda kullanılmaktadır. +3/+15V aralığı yüksek (HIGH) sinyal, -3/-15V aralığı düşük(LOW) sinyal olarak kabul edilir. Bu standart genellikle kişisel bilgisayarlarda kullanılmaktadır.

3.2.2 RS485 standardı

RS485 simetrik ve çok noktalı bağlantıya ihtiyaç duyulan uygulamalarda kullanılır. Simetrik haberleşmede iki veri hattı arasındaki diferansiyel gerilim ölçülür. Sinyal aktarımı yapılan bir noktadan gelen voltaj farkı negatif olduğunda sinyal yüksek (HIGH), pozitif olduğunda düşük (LOW) olarak kabul edilir. RS485 ile teknik olarak 32 alt sisteme bağlantı yapılabilir. Bundan daha fazla noktaya bağlantı yapılması tavsiye edilmemektedir.

Otomasyonun karmaşıklaşmasıyla birlikte kullanılan tahrik/kontrol ve algılama elemanlarının sayısı artmış ve buna bağlı olarak konvansiyonel terminal kablo bağlantılı projeler hem işçilik bakımından yüksek maliyetli, hem de operasyon esnasında hata bulma / giderme açısından verimsiz olmaya başlamıştır. Daha az kablo ile daha fazla veri taşıyabilen ve veriyi sadece iletmekle kalmayıp durum/konum bilgisini de aynı hat üzerinden gönderebilen seri haberleşme protokolleri bu ihtiyaca cevap olarak karşımıza çıkmaktadır.

3.3 Haberleşme Protokolleri

Verici ve alıcı arasında hızlı, güvenli ve anlaşılabilir veri iletişimi gerçekleştirilebilmesi için kullanılan yazılım ve donanıma göre bazı unsurların belirlenmesi gerekir. Haberleşme ile ilgili kuralların belirlenmesi ile haberleşme protokolü belirlenmiş olur. Herhangi bir protokolde bilgi aktarımı ve kontrolü ile ilgili tüm detaylar belirlenmiş ve sabitlenmiştir. Alıcı ve verici cihazların belirli bir protokol üzerinden haberleşecek şekilde üretilmiş olması gerekmektedir.

Protokol, kontrol edilen sistemin tüm elemanlarının haberleştiği ve birbiriyle anlaştığı ortak konuşma dili olarak değerlendirilebilir.

Örneğin PLC belirli bir işlevi yerine getirmek üzere oluşturduğu çıkış bilgilerini kodlayarak kullanılan protokol üzerinden diğer çevre birimi aygıtlarına gönderir. Kullanılan protokole ve kodlamaya uygun elektronik donanımı bulunan valf grubu gönderilen kodlanmış veriyi çözümledikten sonra içeriğine göre bazı silindirleri hareket ettirir. Daha sonra silindirler veya pozisyon ölçer cihazlardan gelen konum bilgileri aynı mantık ile kodlanarak geri gönderilir ve PLC bu geri besleme bilgilerini çözüp işleyerek kontrol işlemlerini devam ettirir.

Fieldbus (Alansal Veriyolu) sahada yani fabrika içi ve dışındaki alanlarda kullanılan tüm protokollerin genel adıdır.

Fieldbus protokolu dünyadaki otomasyon sistemlerinde yaklaşık % 80 ‘lik bir pazara sahip olan 140 şirketin biraraya gelmesi ile oluşturulan “Fieldbus Foundation” tarafınan desteklenmektedir. Özellikle dağıtılmış proses kontrol uygulamaları için tasarlanmıştır. Teknolojisi fiziksel katman, haberleşme çatısı ve kullanıcı katmanından meydan gelmektedir.

Haberleşme protokolleri açık va kapalı sistem olmak üzere ikiye ayrılmaktadır.

Açık sistem haberleşme protokolü: Markaya bağlı olmaksızın aynı amaç için üretilmiş tüm cihazların birbiriyle haberleşebilmesidir. Bu türde, Omron firmasının profibus ürünleri ile Phonix firmasının profibus ürünleri birbiriyle sorunsuz haberleşebilir.

Kapalı sistem haberleşme protokolü: Her üreticinin sadece kendi ürünleri arasında haberleşme sağlayacak şekilde geliştirdiği haberleşmedir. Mitsubishi Melsec, Omron Phoenix Contact Interbus-S Compobus gibi. Bu tip haberleşme sistemlerine anahtar teslim projelerde eğer tüm sistemler bir firma tarafından sağlanıyor ise karşılaşabilirsiniz. Bana bencillik gibi geliyor açıkcası fakat siz ‘ Adamlar o kadar para harcamışlar tabiki açık protokol kullanmayacaklar ‘ da diyebilirsiniz =)

3.3.1 Açık Sistem Haberleşme Protokollerine Genel Bakış

Interbus-S Protokolu: Interbus-S protokolu, Phoenix Contact tarafından geliştirilen ve özellikle Almanya’da çok yaygın olan açık mimarili ve DIN normlarına göre standartlaştırılmış bir BUS sistemidir. Sistem kapalı halka topolojisi ile haberleşir. Veri iletişimi çift yönlü olarak gerçekleştirilir ve asıl haberleşme hattı alt seviye gruplara ayrılarak ölçeklenebilir.

Profibus Protokolu: Profibus geniş kapsamlı üretim ve proses otomasyonu için tasarlanmış üreticiden bağımsız açık saha hat protokoludur. Üretici bağımsız oluşu ve açıklığı uluslararası standartlar olan EN 50170, EN 50254 ve IEC 61158 üzerine kurulmuştur. 650’ye yakın üyesi bulunan ve birçok araştırma enstitüsü tarafından desteklenen Profibus, farklı üreticilerin cihazları arasında haberleşme sağlayan ve bunu yaparken herhangi özel bir arabirime ihtiyacı olmayan bir veri yolu olmakla birlikte, yüksek hızlı kritik uygulamalar veya kompleks haberleşme işlemleri gibi kullanım alanlarında yaygın olarak uygulanan bir veri yolu sistemidir.

Modbus Protokolu: Modbus seri iletişim protokolü, master/slave ilişkisine sahip bir protokoldür. Sadece bir master düğümü (aynı zamanda olmak koşulu ile) ve maksimum 247 olmak üzere çeşitli sayılarda slave düğümü aynı bus (yol) üzerinde bağlanabilir. Modbus haberleşmesi her zaman master tarafından başlatılır. Slave düğümler Master düğüm tarafından bir istek emri almadığı sürece asla veri iletimi yapmaz. Slave düğümler kendi aralarında hiçbir şekilde haberleşemezler. Master düğüm aynı zaman içerisinde sadece tek bir Modbus iletişimi kurabilir.

CANBus Protokolu: Bosch firması tarafından geliştirilen (seri) veri yolu sistemi olan Controller Area Network protokolu, özellikle otomotiv sektörüne yönelik akıllı ağ, sensör ve aktüatörler için tasarlanmış ve kısa bir zamanda bu çalışmalarda standart hale gelmiştir. Multimaster yani bütün CAN noktalarının data iletebildiği ve birkaçının da eş zamanlı olarak istekte bulunabildiği veri yolu sistemi olan CANBus hiçbir abone ya da kullanıcı için herhangi bir adreslemeye sahip olmamakla birlikte öncelikli mesajın iletilmesi şeklinde veri iletir. Bu veri iletişim protokolu en sık Otomotiv ve Medikal endüstrisinde kullanım alanı bulmaktadır.

DeviceNet Protokolu: Allen-Bradley tarafından geliştirilen akıllı sensör ve aktüatörler için tasarlanmış endüstriyel iletişim protokolu olan DeviceNet “Open DeviceNet Vendors Association” adı verilen üretici bağımsız bir kuruluş tarafından günümüzde gelişimini sürdürmektedir. DeviceNet ile limit anahtar, fotoelektrik sensör, barkod okuyucu ve motor starterleri gibi düşük seviyeli aygıtlara bağlanılabilir ve PC veya PLC gibi daha üst seviyeli aygıtlarla haberleşme sağlanabilir.

AS-i Arayüzü: AS-i (Aktüatör – Sensör Arayüzü) olarak adlandırılan sistem en alt seviye otomasyon düzeyinde oldukça basit bir altyapıyla tahrik ve algılama elemanları üzerinde uygulanmaktadır. Paralel kablolamaya göre en basit alternatif olan sistem 11 farklı firma tarafından finanse edilen bir araştırma grubu tarafından geliştirilmiştir. Henüz tam anlamıyla standartlaşmaya gidilememiş olmakla beraber bu konudaki çalışmalar devam etmektedir. Yeni geliştirilen ürünlerle AS-i Bus üzerinden analog veri haberleşmesi de yapılmaya başlanmıştır AS-i son derece basit, ucuz ve aynı derecede güvenli bir sistemdir. Sistem merkezi kontrolör (master) ve buna bağlı maksimum 31 alt düzey kontrol sistemi bağlanabilir. AS-I denetleyicisi doğrudan ana otomasyon sistemine bağlanabildiği gibi bir başka sistemin alt sistemi olan mantıksal komponent grubu olarak ta bulunabilir. Özel veri dönüştürücüleri ile Profibus DP sinyalleri AS-i formatına çevrilerek kullanılabilir. AS-i sisteminde temel olarak algılayıcılardan gelen sinyaller işlenir ve aktüatörleri kumanda eden valfler kontrol edilir. Bu amaca hizmet eden standart giriş/çıkış modülleri vardır.

Evet , ilk yazımızın bu şekilde sonuna gelmiş bulunuyoruz. Haberleşme Protokollerinin genel olarak çalışma mantığı ve protokolleri tanıttık. Bu sistemler endüstride Elektrik ve Otomasyon Mühendisliğinin sorumluluk alanına girmektedir.