Akıllı Fabrikalar ve Uygulamaları

Günümüzde Endüstriyel Ağ kurmaya gelince, dünya çağındaki birçok fabrika ve proses kontrol tesisi yönetilebilir Ethernet ağlarını güncellemeye odaklanmıştır. Endüstriyel tesislerde kullanılan cihazların kullanışlı ve uzun ömürlü olması nedeniyle aktif hizmet halinde bulunan ve aynı zamanda  eski sanayi protokollerini kullanan yığınla cihazları bulunmaktadır. Gerçekten de işimizin büyük kısmını bu mevcut tesislerin yapılandırılması sürecinde  güvenilir ve bakımı kolay endüstriyel Ethernet altyapı sistemlerine güncellemekle geçmektedir. Hatta bu gerçek göz önüne alındığında, varolan zorluklardan uzaklaşmak Fabrikanın Geleceğine doğru bakmak ders verici olur. Şimdiden 5-20 yıl sonrasında endüstriyel üretim nasıl olacak? “Fabrikalar, bugün benim kararlarımı nereye götürecek?” bunu anlamak için neye ihtiyacım var? Benim fabrikam gelecek nesil iletişim sistemleri ve konseptleri kullanan yepyeni fabrikalarla nasıl yarışacak? Endüstriyel Nesnelerin İnterneti (IIOT) nereye kadar uyum sağlar? “Endüstri 4.0″ Almanya merkezli büyük bir kamu tarafından finanse edilen projenin parçası, bu tartışmayı bilgilendirmek için Akıllı Fabrikanın ne olduğuna ve onun iletişim sistemlerini karakterize eden nedir bir inceleyelim.

Akıllı Fabrikayı Tanımlama

“Akıllı fabrika”, ”Akıllı Üretim”, ”Zeki Fabrika” ve “Geleceğin Fabrikası” terimlerinin hepsi endüstriyel üretimin gelecekte nasıl olacağının bir vizyonudur.

Bu vizyonda, Akıllı Fabrika çok daha zeki, esnek ve dinamik olacaktır.

Üretim süreçleri-sağlayıcıdan lojistiğe bir ürünün yaşam döngüsü yönetimine – tüm üretim zincirleri ile, kurumsal sınırların ötesine sıkıca bağlantılı olacak bir şekilde organize edilecek.

Bireysel üretim aşamaları sorunsuzca bağlantılı olacak. Gömülü prosesler şunları içerecek:

• Fabrika ve üretim planlaması
• Ürün geliştirme
• lojistik
• kurumsal kaynak planlama (ERP)
• İmalat yürütme sistemleri (MES)
• kontrol teknolojileri
• alanda bireysel sensörler ve aktüatörler

Bir Akıllı Fabrikada, makine ve ekipmanlar kendi kendini optimizasyon  edebilecek şekilde özerk karar verme yoluyla süreçleri geliştirme yeteneğine sahip olacaktır.Bu durum günümüzde olduğu gibi çalışan sabit operasyonlara tamamen karşıt kalmaktadır.

İlginizi Çekebilir: Endüstriyel Ethernet Çözümüne Ne Zaman İhtiyacınız Olur?

Gelecek Endüstriyel Ağ kurma Çözümlerinin Anahtar Özellikleri

Bunu yapmak için, fabrikaların gelecekteki yapısı çok daha farklı olacak: zeki üretim teknolojilerinin birbirine bağlı kombinasyonu , yeni yüksek performanslı bilgi ve iletişim teknolojilerine sahip olacaktır.

Bu, dikey entegrasyon ve üretimin tüm seviyeleri boyunca bağlanabilirlik, ek olarak  dijital olarak entegre edilmiş mühendislik ve tüm değer zinciri boyunca yatay bütünleşme sağlayacaktır.

Yüksek performans, güvenilir iletişim teknolojisi için gereklilikler arttıracaktır. Bu teknoloji şunları yapmayı mümkün kılacaktır:

• Geniş miktarda gerçek zamanlı veri transferi ve minimum gecikme
• Çok sayıda bireysel cihazla çok güvenilir bir usulle ve en yüksek standartta veri güvenliğiyle bağlantı kurmak
• Gitgide daha fazla kablosuz teknolojiden yararlanma, hem tesis dahilinde hem uzak bağlanabilirlik için.
• Enerji-verimli yöntemle işlem yapma

Kulağa harika geliyor, öyle değil mi? Şu anda size gerçek dışı gelebilir fakat  umuyorum ki bir kere Akıllı Fabrikayı iletişim bileşenlerine parçaladığımızda, bunun erişilir olduğunu görebileceksiniz.

Geleceğin Endüstriyel Otomasyon Sistemlerinin Yapısı

Bugünün endüstriyel otomasyon sistemleri açıkça ayrıştırılmış sıklıkla piramid ile temsil edilen seviyelerden oluşmaktadır:

• Saha seviyesi aktüatörler ve sensörler
• Kontrol seviyesi kontrol cihazları,  I/O modülleri ve operatör terminalleri
• Mühendislik için bilgisayarlarla süreç yönetim seviyesi , merkezi denetim ve veri toplama (SCADA) ve MES sistemleri.
• Bir işletme seviyesi için iş süreçleri ve ERP sistemleri ile birlikte, tipik olarak IT veri merkezi içindeki sunucularda yerini buldu.

Bu seviyelerin herbiri ilişkisel olarak oldukça iyi yapılandırılmıştır ve bireysel cihazlar anlaşılır bir biçimde seviyeler arasında birbirlerine eşleştirilebilirler.

Endüstri 4.0 ile sistem yapısı değişir. Saha düzeyi ayrı özel bir düzey olarak kalır, şu anda olduğu gibi, fakat üzerindeki cihazlar gitgide daha fazla zeka ile gömülü sistem haline gelecektir. Ve bunlar, siber-fiziksel sistemlerin parçası olarak, özerk çok sayıda işlem yapacaktır. Saha seviyesindeki cihazların sayısı da artacaktır.

Saha seviyesinin üzerinde yer alan tüm fonksiyonlar potansiyel olarak sunucu kümesinde ,veri merkezi ve bir “bulut” içinde yer alan yüksek performanslı sunuculara hareket edecektir . Sanallaştırma, belirli fonksiyonların ve işleyen donanımın bölünmesi,  Bilişim dünyasında ki teknoloji harikası olan bu ürünler geleceğin fabrikasında sıradan olacaktır.

Bu yapının avantajı daha kolay yönetim, kaynakların daha iyi kullanımı ve net maliyet tasarrufu olarak sonuçlanmasıyla, cihazların çeşitliliğini azaltmasıdır.

Bu yaklaşım henüz otomasyona uyarlanmadı (çünkü gerekli determinizm, güvenilirlik ve hız yoksunluğu , alan düzeyine sunucularından düşük ve gecikmeli iletişim,  performans  gibi ilişkili meseleler sebebiyle). Yine de bu meseleler yeni ve çıkmak üzere olan sistemlerde ele alınacaktır.

Siber-Fiziksel Sistemlerin Örnekleri

Endüstri 4.0 siber-fiziksel sistemlerle inşa edileceği için, bir dakikamızı bu sistemlerin ne olduğunu düşünmeye ayıralım.

Bir websitesi bu sistemleri aşağıdaki gibi tanımlıyor:

….. hesaplamaların, ağ bağlantılarının (networking) ve fiziksel proseslerin entegrasyonudur. Gömülü bilgisayarlar ve ağlar fiziksel prosesleri,  fiziksel proseslerin hesaplamaları etkilediği ve etkilemediği yerde geribildirim döngüleriyle gözlemler ve denetler.

Bugün böyle bir sisteme örnek olarak taksi filosunun Boston meydanında gerçek zamanlı trafik bilgisi toplandığı MIT’deki CarTel projesi verilebilir. Bu bilgi günün belirli zamanlardındaki en hızlı rotayı hesaplamak için tarihsel veri ile birleştirilir.

Aşina olabileceğiniz diğer bir örnek Smart Grid’dir. Bunun bir tanımı, U.S Enerji Departmanı çalışmaları kaynaklı olarak, şu şekildedir:

Otomatik bir şekilde bilgiyi edinmek ve ona göre davranmak için bilgi ve iletişimleri kullanan modernize edilmiş elektrik şebekesi… elektrik verimliliği, güvenilirlik, ekonomik ve sürdürülebilirlik üretim ve dağıtımını geliştirmek için.

Son olarak, bir fabrika için bir örnek değişen sistemlerdir böylelikle araç montaj hattındaki enerji tüketimi hat çalışmıyor olduğunda azaltılır. Günümüzde, birçok üretim hattında çalışma, mesai aralarında ve hafta sonlarında da  çalışmaya  devam eder. Mesela lazer kaynak teknolojisinde  haftalar boyunca Pazartesi günü kolayca başlayabilsin diye güç hafta sonu açık bırakılıyor.Bu uygulama montaj bandının toplam enerji tüketiminin %12 ye kadar bir kısmını tüketmesine yol açar.

Endüstri 4.0 ve siber fiziksel sistemlerle birlikte, robotlar kısa üretim araları süresince doğal olarak standby moda geçecektir ve daha uzun aralarda güç kapatılacaktır. Makineleri çalıştırmak için gerekli enerjiyi azaltan hız-kontrollü motorlar çok daha yaygın olacaklar.Bu gibi değişiklikler enerji tüketimini belirgin olarak azaltacak ve Akıllı Fabrika dizayn uygulamalarının parçası olarak en ön planda tutulacaktır.

Sistemlerin daha zeki ,esnek ve dinamik olduğu bir üretim vizyonunu anlatıyordu. Gelecekte, makineler ve ekipmanlar kendi kendine optimizasyon ve otonom karar-verme yoluyla proses geliştirme yetisine sahip olacaklar. Bu çalışmakta olan sabit program işlemlerine zıt bir konumdadır, bugün olduğu gibi.

Endüstriyel otomasyon yapısı da ayrıca değişecek. Hala aktüatörler ve sensörler ile birlikte ayrıca atanmış bir saha düzeyi (field level) bulunacak , fakat büyük ihtimalle uzun vadede yukarıda yer alan birçok fonsiyon , bir sunucu kümesinde veya bir “cloud” içerisinde yer alan yüksek-performans sunuculara geçiş yapacaktır.

Fiziksel sistemlerin operasyonel programları etkilediği- tam tersi de olabilir- geri bildirim döngüleriyle birlikte , siber-fiziksel sistemler önemli olacak. Binlerce veri noktası toplamak ve onlar üzerinde yazılım yönetim araçlarını kullanarak etkileme yoluyla güvenilirlik ve elektriksel grid sisteminin verimliliğini geliştirmeyi amaçlayan “Smart Grid” siber-fiziksel sistemin bir örneğidir.

Şimdi üretim LAN’ı ve onun iletişim sistemlerini inceleyelim. Zeki Fabrika vizyonunu gerçekleştirmek için nasıl değişmesi gerekir?

İlginizi Çekebilir: POE Ne Demektir?

Fazla Sayıda Bağlantılı Cihaz Endüstriyel Ethernet Protokollerini Kullanıyor

Çok sayıda bağlantılı cihaz gelecek nesil Akıllı Fabrika ağının (LAN) da bugün olduğundan açıkça daha fazla sayıda olacak . Bunun nedeni sürece ilişkili ve olabildiğince çok sayıda gerçek zamanlı veri toplamaya olan ihtiyaçtır. Öyle ki bağlantılı cihazların sayısının 2 katı yahut 3 katı olacağı tahmin ediliyor.

Bu meydan okuyuş alan seviyesindeki bu fazla sayıda cihazı basit, fiyat-etkin bir yöntemle bağlantılıyor olacak. Elbette ki performans ve güvenilirlik için zorlu şartların hala yerine getirilmesi gerekecek. Saha haberleşmelerinin (busses) kullanımı belirgin bir şekilde ethernet ağı üzerinden tutarlı ve birleşik iletişim için yol vermeyi azaltacak.

Bütün iletişimler IP protokol ailesi bazlı olacak ve ethernet öncelikli iletişim protokolü olacak, bağlantının kablolu olup olmadığına bakmaksızın.

Yıldız Ağ Topolojisinde Artış

Bugün uygulamada en iyisi olduğu gibi , çok sayıda cihazlarla gelecek ağları ağ yönetimi ve operasyonunu basitleştirmek için hiyerarşik olmalıdır. Saha seviyesi, üretim üniteleriyle veya herhangi diğer mantıksal fiziksel gibi ünitelerle yönetilebilir iletişim hücreleri içerisine bölünmüş olmalıdır. Farklılık şu olacaktır, hücrelerdeki üretilen veri miktarı bugün olduğundan belirgin olarak daha fazladır.

Ağ hala yıldız, doğrusal veya halka topolojileri veya karışım bir topolojiyi kullanacaktır. Buna rağmen, yıldız topolojilerinin kullanımı diğer topolojilerle kıyaslandığında artacaktır, avantajları olduğu için artacaktır-daha az gecikme ve daha yüksek güvenilirlik gibi.

Yıldız topolojisinin dezavantajı şudur: bir switchin hata vermesi tüm ilişkili cihazların bağlantısını kesecektir. Yine de, simülasyonlar açıkça şunu göstermiştir ki küçük anahtarlardan oluşan bir sistemle karşılaştırıldığında daha büyük bir switch daha yüksek bir total güvenilirliğe sahiptir- daha açıkçası , daha yüksek bir Mean-Time-Between Failure (MTBF-Arıza arasındaki ortalama süre)- birçok kademeli. İşte bu yıldız topolojilerinin bugün veri merkezlerinde kullanılmasının nedenidir.

Doğrusal veya halkalarda kullanılacaktır, çünkü belirli topolojiler kablolamada avantaj sahibi olabilirler. Dahası, daha kompleks yapıların kullanımı , yoğun olarak örgülü ağ topolojileri gibi, artacaktır.

Yeni protokollerin edinilmesiyle beraber, bu ağlar daha az yönetim çabasına ihtiyaç duyacaktır.

Kablolu ya da Kablosuz Sistemler

Gelecekte tüm cihazlar kablolar ve tellerle bağlantılı mı olacak yoksa her şey kablosuz mu olacak? Geçmişin endüstriyel uygulamalarında, iletişimler neredeyse özelikle kablolu ağlar üzerineydi.

Son yıllarda, nasıl olduysa, kablosuz sistemler artan kullanım alanı buldu. Konfigürasyon ve izleme gibi , periferik veri transferi ve mobil çalışan uygulamalar için sıklıkla kritik olmayan endüstriyel uygulamalara uyarlandılar.

Radyo ile olan sıkıntı şudur ki radyo “paylaşılan medya” dır, yani, tüm cihazlar belirli bir frekans aralığı paylaşır. Eğer bir cihaz gönderim yapıyorsa, kanal meşguldür. Radyo iletişimi aynı zamanda hataya yatkın olabilir. Diğer radyo sistemleri , diğer elektromanyetik etkiler veya nesnelere aktarımı etkileyebilir ve belirgin olarak kaliteyi, bant aralığını ve gecikme süresini(latency) bozabilir.

Veri paketlerinin ara sıra kaybı bazı radyo sistemlerinde norm haline gelmiştir ve uygulamalar aracılığıyla üstesinden gelinmelidir. Bu, işlem hacmi ve gecikme süresi pahasına yapılır. Kurumsal kablosuz dağıtım ortamlarında bu kabul edilebilir olsa da (ofislerde ve işyerlerinde olduğu gibi), endüstriyel kablosuz ürünlerin güvenilir performans için en baştan tasarlanması gerekir.

İyi tasarlanmış endüstriyel kablosuz ürünlerin şu an kullanmakta oldukları teknikler şöyledir:

• Tehlikeli ortamlar için gelişmiş elektrostatik deşarj (ESD) koruması
• Hızlı ağ yeniden yapılandırma ve servis güvencesi için kablosuz ağ teknolojisi,
• Kablosuz iletişim için Paralel Yedekleme Protokolü (PRP) gibi yedekleme protokolleri.

Bu akıllı teknolojiler endüstriyel kablosuz uygulamaların radyo kanalı performans sorunlarını adapte etmekte ve çok daha fazla güvenilir sistemleri teslim etmekte yardımcı olacaktır.

Yine de, güvenilirlik gereksinimleri sonucunda kablolu veya kablosuz haberleşmeyi Akıllı Fabrikada iletişim teknolojisi belirleyecek. Kablolu iletişimlerin önemli bir şekilde kullanılması beklenebilir, ancak kablosuz bağlantı kurulumunun esnekliği, uygun endüstriyel kablosuz ürünlerin kullanımını artıracaktır.

Endüstriyel üretim ve otomasyon sistemleri günümüzden 10,20 ve 50 yıl sonra nasıl bir görünüm sergileyeceklerdir? Bugün planını yönlendirirken geleceğin fabrikasının iletişim gereksinimlerini anlamak için ihtiyacım olan nedir? Geleceğin Akıllı Fabrikası/Endüstriyel Nesnelerin İnternetinin (Industrial IOT) akıllı fabrika vizyonunun bir parçası şöyledir; daha hızlı ve daha akıllı kararlara öncülük ederken tüm ilgili verilere gerçek zamanda ulaşılabilir olması. Bu da daha esnek ve etkin süreçlerin dizayn edilmesine yol açacaktır.

Akıllı Fabrika Veri Hızları: Gigabit Ethernet Standart 

Söylemeye gerek duymaksızın, geleceğin Akıllı Fabrikasının sinyal iletim hızlarını kullanarak iletişim kuracağı anlaşılıyor. Günümüzde saniyede 100 Mbyte (mbps)’li fast Ethernet, endüstriyel uygulamalar için standarttır.

Bilgi teknolojileri dünyasında, Gigabit Ethernet (1000 mbps) oldukça uzun süredir son teknoloji ürünüdür. Günümüzde çoğu PC bu yüksek veri hızını desteklemektedir. Hızlı Ethernet, bir otomasyon cihazı tarafından üretilen veri miktarı için yeterince iyi olsa da, yakın gelecekte eğilim Gigabit’i kullanmak yönünde olacaktır.  Neyse ki yeni çipler zaten Gigabit Ethernet arayüzlerine entegre ediyorlar, böylece daha hızlı bir bağlantı için maliyet düşüyor.

Ayrıca, yarı iletken süreçlerdeki ilerlemeler daha az güç tüketimine öncülük edecek, böylece bugünün fiyat ve güç tüketimi parametreleri çok yakında konu dışı kalacak.

Kablolu ağ hızları ile birlikte, kablosuz ağ hızları da artıyor. Yeni WLAN teknolojileri, IEEE 802.11ac ve .11ad gibi, kablolu iletişimlerdeki performans boşluğunu çabucak kapatacak şekilde kablosuz olanağı veriyor. Bu tür teknolojiler şu anda kurumsal kullanımlarda mükemmelleştiriliyor.

IoT ve  Siber Güvenlik

Bağlantıların artması ve endüstriyel ağlarda açık standartların kullanılmasının sakıncası, siber güvenlik vakaları için önemli derecede yüksek bir risktir. Kasti olmayan insan hataları ve aygıt çakışmalarının yanısıra kasti saldırıları (Olayların yaklaşık% 20’sini oluşturduğu tahmin edilmektedir) da içine alır.

Akıllı Fabrika ağı şunları da içeren güvenlik fonksiyonlarını desteklemelidir:

• Şifreleme Verilerin gizliliğini sağlamak ve yetkisiz olarak veri almasını engellemek için, özellikle de kamuya açık ağlar üzerinden çalışan veri trafiği için önemlidir.
• Erişim Kontrolü İşletim sırasında yetkisiz erişimi önlemek için yalnızca birbirleriyle iletişim kurmasına izin verilen cihazların bunu yapabileceğinden emin olmak için,
• Doğrulama yetkilendirilmemiş cihazları ve kullanıcıları bloke eden giriş kontrolünün bir diğer elementi olarak

Geleceğin Derinlik katmanlarında benzer güvenlik gereksinimlerine (ISA IEC 62443 uyarınca) sahip ekipman bölgelerinin oluşturulması veya sürecin kritik ekipmanlarının korunması yer alacaktır.

Donanım ve yazılımdan uygulamalara kadar olan cihazlar tarafından oluşturulabilen bir güvenlik zinciri de içeriyor olacak. Bu, sistemdeki her bileşenin – yazılım, bağlantı ve işlem – güvenilir, güvenli ve güvende olmasını sağlamaya yardımcı olacaktır. Bugünkü ICS siber güvenlik uygulamalarıyla kıyaslandığında bu ne kadar da kulağa hüsnü kuruntu gibi gelse de, Trusted Computing Group gibi sağlayıcı tarafında tarafsız kuruluşlar bunu başarmak için standartlar üzerinde çalışmaktadır.

Ağ yönetimi ve güvenlik araçları ağ davranışını ve trafiğini izlemek için kullanılabilir. Ayrıca, anormal trafik örüntüleri veya yetkisiz erişim girişimleri gibi potansiyel tehditleri tespit edebilir ve uygun önlemler alabilirler.

Güvenilirlik, Birden Fazla Yedeklilik Gerektirir

Akıllı Fabrika sisteminde güvenilirliğin bir yönü, ağ yedekliliği veya bir arıza durumunda şebekenin davranışıdır. İletişim ağındaki bozulmalar ve kesintiler hiçbir zaman tamamen önlenemez. Mekanik aşırı yük, bir güç kaynağı ünitesindeki arıza veya bakım sebebiyle kısa süreli kapanmalara bağlı olarak bir kablo veya konektör arızalanması, ağ trafiğini etkileyebilir.

Sistemin sadece mümkün olan en küçük parçasının etkilenmemesini garanti etmek için, alternatif bir yola trafiği yönlendiren yedeklilik kapasitelerine ihtiyaç duyulur. Yedeklilik protokolleri, birden fazla fiziksel yol olsa bile, herhangi iki cihaz arasında yalnızca bir mantıksal yol olmasını sağlar. Diğer yollar bekleme modundayken, yollardan yalnızca biri etkin olmalıdır ve veri aktarımı yapmalıdır.

Pazarda, geçiş süresi ve desteklenen topoloji açısından bir dizi protokoller bulunmaktadır. Bunlar arasında şunlar bulunur:

Şu anda mevcut olan veya çalışmaların içinde bulunan yaklaşımlar var, örneğin:

• dağıtılmış bağlantı toplama protokolü (Dağıtılmış Esnek Ağ Bağlantısı)
• En Kısa Yol Geçiş (SPB) protokolü (IEEE 802.1aq).

Akıllı Fabrika uygulamaları için, bir protokol seçilmeden önce gerekli ağ yedekliliği dikkatli bir şekilde analiz edilmelidir. Çoğu zaman, PRP’ye dayalı tam fazlalık kullanan ağ kesimlerinin bir karışımı olacaktır. Diğer kesimler için, RSTP, MRP veya bir dağıtılmış bağlantı toplama protokolü, ağ güvenilirliğini elde etmek için en iyi seçim olacak.

IoT Teknolojisi Yeniliği Akıllı Fabrikayı Gerçekliğe Dönüştürecek

Akıllı Fabrika/IIoT vizyonunun başarısı büyük ölçüde yüksek performans düzeylerine ulaşan temel iletişim teknolojileri bağlıdır. İletişim altyapısı talepkar gereksinimleri karşılayamazsa, birçok uygulama amaçlandığı gibi çalışmayacaktır.

Şu anda veri iletişim teknolojilerinde kalan boşlukları yeni, inovatif geliştirmelerle kapatmak için devam eden birçok çaba bulunuyor. Aşılması gereken bazı zorluklar var, fakat bugünün perspektifinden bakıldığında Akıllı Fabrika vizyonunu bir gerçeklik yapmak için gerekli tüm elemanları sağlamak günün birinde mümkün olacaktır.