ENDÜSTRİYEL İLETİŞİM PROTOKOLLERİ NEDİR?

Veri iletişimi nedir ? Haberleşme protokolleri nedir ? Paralel seri haberleşme nedir ? RS-232 ve RS-485 standartları nedir ? Açık kapalı haberleşme protokolleri nedir ? Bu ve benzeri sorulara cevap aradığımız Endüstriyel İletişim protokolleri nedir adlı yazımızla karşınızdayız.

Başlayalım.

ENDÜSTRİYEL İLETİŞİM PROTOKOLLERİ

Otomasyon alanında kullanılan sensör , valf vb. komponentler Plc ve ya bilgisayarla haberleşmektedir.Bu durum bize data akışını sağlayarak verileri toplama , değerlendirme , işleme , analiz etme gibi işlemlere olanak verir.

Veri İletişimi Nedir ?

Dijital Sinyal olarak veri iletişimi ;

Elektrik Elektronik alanında hemen hemen tüm veri haberleşmesi ‘1’ ve ‘0’ rakamlarından oluşmaktadır.

Ve bu şekilde oluşturulan ve bir anlama sahip en küçük veri yığınına Bit denir.Bit’ler herhangi bir anahtarlama elemanının Açık(1) veya kapalı(2) konumlarını tanımlamak üzere örnek vermek gerekirse ; pnömatik bir valfi kumanda eden röle elemanının durumunu belirlememize yardımcı olurlar.

Pnömatik bir valf grubunun açılıp kapandığı bilgiside 1 ve 0 olarak transfer edilir.24 VDC olarak valfi düşünecek olursak , ‘0’ konumu düşük (low) 0VDC’i , ‘1’ konumu yüksek (high) 24VDC’i ifade eder.

Sadece 0 ve 1 olarak düşünmeyiniz.Örnek olarak  ;8 bitden meydana gelen Byte ve iki Byte’dan meydana gelen WORD veri yığınları vb. de vardır.

1 ve 0’lardan oluşan 8 parçalık bir veri yığını (8 Bit=1 Byte) 0-255 aralığında bir değer içerebilmektedir.

Bu ifade aslında 8 parçalık veri paketi ile ifade edilebilecek alt ve üst sınır veri çözünürlüğünü ifade eder.

Örnek olarak : 0….6 bar aralığında basınç regülasyonu yapabilen elektropnömatik oransal basınç kontrol valfinin 8 bit kontrol sistemi olduğunu düşünelim .

Regülatörün 2.59 bar basınç üretebilmesi için ; Pset değeri “255 x 2,59 /6,0 =110” olarak sisteme gönderilmelidir.Onluk düzendeki bu değer de binary olacak şekilde 8 basamaklı bir sayı olan “0110 1110” olarak cihaza gönderilmelidir.

Analog Sinyal :

Doğrudan elektriksel olmayan basınç,sıcaklık ve pozisyon gibi değişkenleri çeşitli algılama elemanları ile ölçerken elde edilen verilerin akım veya voltaj cinsinden analog değer olarak ölçülmesi gerekmektedir.

Analog veri , belirli bir değer aralığında süreklidir ve teorik olarak sonsuz sayıda değer alabilir.

Veri Aktarım Ortamları :

Veri kablolar üzerinden aktarılır ve kablo seçiminde dikkat etmeniz gereken kurallar ;

Aktarılacak verinin miktarı (aktarım hızı) , aktarım yöntemi (voltaj seviyesi) , aktarım mesafesi (kablo uzunluğu) , elektromanyetik gürültü (emc güvenliği) , mekanik tasarım kriterleri

Veri Aktarımı Yöntemleri :

Temel olarak iki alternatif yöntem kullanılır.Paralel ve Seri.

Paralel haberleşme :

Verici ve alıcı taraflarında 8 adet bağlantı noktası bulunmaktadır.Bu tip bir bağlantı ile 8 Bit/1 byte büyüklüğünde bir veri aktarımı yapılabilir.

Verici bölüm ; herhangi bir plc ünitesinin 8 adet çıkış verebilen çıkış modülüdür.Karşılığında da 8 adet alıcı mevcuttur.

Seri Haberleşme ; Seri veri aktarımında paralel veri yongaları (Bit) olarak üretilirler ve tek bir veri hattına indirgenerek iletilmelidirler.Bu amaçla iletilmek istenen bilgi kodlanarak tek bir hat üzerinden  iletilebilecek duruma gelmelidir.İşte bu işleme paralel-seri data dönüşümü adı verilir.

Bu dönüşüm ve iletişim işleminin hızı (Bit/s = Baud) aynı zamanda veri aktarım hızını belirleyecektir.

Haberleşme Standartları :

RS -> Recommended Standart (Tavsiye edilen standart)

RS232 Standartı ;

RS232 iki nokta arasında asimetrik haberleşme yapıldığı durumlarda kullanılmaktadır.

+3/+15V aralığı High(Yüksek) sinyal , -3/-15V aralığı Low(Düşük) sinyal olarak kabul edilir.Genelde kişisel bilgisayarlarda kullanılır.

RS485 Standartı ;

Simetrik ve çok noktalı bağlantıya  ihtiyaç duyulan uygulamalarda kullanılır.

Burada iki veri hattı arasındaki diferansiyel gerilim ölçülür.Aktarım yapılan bir noktadan gelen voltaj farkı negatif ise sinyal yüksek(high) , pozitif olduğunda düşük (low) olarak kabul edilir.

RS485 ile teknik olarak 32 alt sisteme bağlantı yapılabilir.Fazlası tavsiye edilmemektedir.

Haberleşme Protokolleri :

Haberleşme ile ilgili kuralların belirlenmesi ile haberleşme protokolü belirlenmiş olur.

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

Fieldbus (Alansal veriyolu) ise ; sahadaki alanlarda kullanılan tüm protokollerin genel adıdır.

Fieldbus Protokolü ; dünyadaki otomasyon sistemi üzerine çalışan ve %80’lik bir paya sahip olan 140 şirketin bir araya gelmesi ile oluşturulan “Fieldbus Foundation” tarafından desteklenmektedir.

Teknolojisi ise ; Fiziksel katman , haberleşme çatısı  ve kullanıcı katmanından meydana gelmektedir.

Haberleşme protokolleri açık ve kapalı olarak ikiye ayrılırlar ;

Açık Sistem Haberleşme Protokolü : Markaya bağlı olmaksızın aynı amaç için üretilmiş tüm cihazların birbiriyle haberleşebilmesidir.

Örnek olarak ; Omron’un profibus ürünleri ile Phonix’in profibus ürünleri birbiriyle sorun olmadan haberleşebilirler.

Kapalı Sistem Haberleşme Protokolü : Her üreticinin sadece kendi ürünleri arasında haberleşme sağlayacak şekilde geliştirdiği haberleşme türüdür.Mitsubishinin Melsec’i , Omronun Phoenix Contact Interbus-S Compobus’ı gibi.

Açık Sistem Haberleşme Protokollerine Genel Bir Bakış Atalım ;

Interbus-S Protokolü : Phoenix Contact tarafından geliştirilmiştir.Açık mimarili ve DIN normlara göre standartlaştırılmış bir BUS sistemidir.Sistem kapalı halka topolojisi ile haberleşir.Veri iletişimi olarak çift yönlü bir iletişim gerçekleştirilir ve asıl haberleşme hattı alt seviye gruplara ayrılarak ölçeklendirilir.

Profibus Protokolü : Bağımsız açık saha hat protokolüdür.Uluslararası EN 50170 , EN 50254 ve IEC 61158 standartlarının üzerine kurulmuştur.Haberleşme için özel bir arabirime ihtiyacı yoktur ve yüksek hızlı önemli uygulamalar veya kompleks haberleşme işlemleri adına yaygın olarak kullanılan bir veri yolu sistemidir.

Modbus Protokolü : Master/Slave ilişkisine sahip bir protokoldür.Bir master ve maksimum 247 slave aynı bus (yol) üzerine bağlanabilir.Modbus haberleşmesi her zaman master tarafından başlatılır.Slaveler ise master tarafından bir emir almadığı sürece asla veri iletimi yapmazlar.Slave düğümler hiçbir şekilde kendi aralarında haberleşemezler.Master tek bir zamanda tek bir modbus iletişimi kurabilir.

CANBus Protokolü : Bosch firması tarafından geliştirilmiştir.Seri Veri yolu sistemi olan Controller Area Network protokolüdür.Multimaster yani bütün CAN noktalarının data iletebildiği ve birkaçının da eş zamanlı olarak istekte bulunabildiği veri yolu sistemi olan CANBus herhangi bir adreslemeye sahip değildir ve öncelikli mesajın iletilmesi şeklinde bir yöntemle veri iletir.Sıklıkla Otomotiv ve Medikal endüstrisinde kullanım alanı bulunmaktadır.

DeviceNet Protokolü : Allen-Bradley tarafından geliştirilmiş olan akıllı sensör ve aktüatörler adına tasarlanmıştır.Open DeviceNet Vendors Association adı verilen üretici bağımsız bir kuruluş tarafından günümüzde halen gelişimini sürdürmektedir.Bu protokol ile limit anahtarları , barkod okuyucu , motor starterleri vb. düşük seviyeli aygıtlara bağlanılabilir ve pc-plc gibi üst seviyeli aygıtlarla haberleşme sağlanabilir.

AS-i Arayüzü : As-i (Aktüatör – Sensör Arayüzü) en alt düzeyde bir yapıyla tahrik ve algılama elemanları üzerinde bulunur.Paralel kablolamaya göre en basit yöntem kullanılmış olup halen geliştirilmeye devam edilmektedir.Son derece basit , ucuz bir sistemdir.Bir adet master ve master’a bağlı 31 adet alt düzey kontrol sistemi bağlanabilir.Özel veri dönüştürücüleri ile Profibus DP sinyalleri AS-i formatında çevrilerek kullanılabilir.

Endüstriyel Ağlar :

Popüler olanlardan bazıları ; Modbus , Profibus , DeviceNet’tiir.

Seri haberleşme standartları adına ise ; RS232 ve RS485’tir.

RS232 ; Asenkron iletişim sağlar.İlk olarak 1962 yılında ortaya çıkmıştır.1969 yılında RS232c standartı ortaya çıkmıştır.1987 yılında RS232C ile RS232D ortaya çıkmıştır.Bu standartlar EIA-232-D olarakta adlandırılmaktadır.

RS-232C standartında en çok kullanılan konnektör DB25 ve 25 pinli olan konnektördür.Günümüzde ise 9 pinli DB 9 yaygın olarak kullanımdadır.

Pin 1 : Data Carrier Detect

Pin 2 : Received Data

Pin 3 : Transmitted Data

Pin 4 : Data Terminal Ready

Pin 5 : Signal Ground

Pin 6 : Data Set Ready

Pin 7 : Request to Send

Pin 8 : Clear to Send

Pin 9 : Ring Indicator

RS-232 +/- 15VDC arasında iki voltaj seviyesini kullanarak 15 metreye kadar haberleşme sağlar.Gönderici belirli bir formatta hazırlanan veriyi hatta aktarır.Alıcı ise sürekli olar dinler ve ilgili işareti aldıktan sonra gelen  veriyi toplayarak karakteri oluşturur.

RS-232’de eksi voltaj seviyesi “1“ ve artı voltaj seviyesi “0” anlamındadır.Gönderilecek verinin artı (+) değere çekilmesi (0,başlangıç biti) ile ifade edilir.Her karakterin sonuna da bir bitiş biti “1” eklenir.

RS-485:

Seri haberleşme standartıdır.Kablolardan biri Tx , diğeri Rx uçlarına bağlanmalıdır.Rx ve Tx arası gerilime bakıldığından ve gürültü vb. iki adet kabloya  aynı oranda bindiğinden taşıdığı bilgi açısından bir sorun meydana gelmemektedir.RS-232’de referans gnd diye bir olay olduğundan burada gürültü kabloya binip sinyali azalttığından bilgi değişimi gözlemlenebilir.

Bu sayede RS-485 daha uzun mesafelerde güvenli bir haberleşme imkanı sağlar.

En temel problemi ise sinyal hattı üzerindeki gürültüden kolay etkilenir olmasıdır.Mesela RS232 protokolü için toprak hattındaki herhangi bir voltaj yükselmesi durumu kötü sonuçlar ortaya çıkaracaktır.Bu sebeple RS232 tetikleme seviyesi +/-3 volta ayarlanmıştır.

Mesafe artarsa gürültü hızla artar ve RS485 adına ortak sıfır noktası kullanılmaz.

RS485 sinyalleri değişkendir ve her bir sinyal Sig+ ve Sig- hatları üzerinde iletilir.

RS485 haberleşmesinde 12Kohm giriş direnci ile 32 cihaza kadar , daha yüksek giriş direnci ile de 256 cihaza kadar haberleşme yapılabilir.Ve hatta tekrarlayıcılar ile de bağlanabilecek cihaz sayısı birkaç bine ve mesafeside birkaç kilometreye çıkarılabilir.

Başlıca Teknik Özellikleri ise ;

Max sürücü sayısı 32 , Half Duplex ,  Çok noktalı bağlantı , 1200 metreye kadar çalışma mesafesi , 12 metre kabloda 35 Mbps’e kadar hız , 1200 metre kabloda 100 Kbps’e kadar hız , 12 Kohm giriş direnci , +/- 200 mvolt duyarlılık , -7 / +12 VDC çıkış voltajı’dır.

Endüstriyel Anlamda Yaygın Olarak Kullanılan Bus Protokolleri :

Modbus : 1979 yılında Modicon tarafından geliştirilmiştir.Endüstriyel ağ sistemidir.Modbus ağı ile bir adet master’ı 247 slave ile haberleştirebilirsiniz.Modbus ile slaveler içerisinden veri alabilir , yazabilirsiniz.

Örnek ; Plc ile invertöre frekans yazmak ve akım okumak

Modbus açık bir protokoldür.

Seri haberleşme standartını kullanır.Orjinalde ise Modbus RS232 seri haberleşme standartını kullanır.Uzun mesafeler adına da RS-485 seri haberleşme standartını kullanabilmektedir.

Modbus’ta veriler 0 ve 1 olarak seri halde taşınmaktadır ve her bir bit bir voltaj seviyesi olarak aktarılır.

Voltaj seviyelerinin çok hızlı bir şekilde iletilmesi işleminde ki hıza BAUD denir.Örn ; 9600 Baud (bit/saniye)

Master Tarafından Gönderilen bir veri formatı :

| İstek yapılan aygıt adresi | modbus fonksiyon kodu | kaç byte haberleşilecek | gönderilen data|

Modbus fonksiyon kodları nedir ?

Bobin Durumu Oku (01H)

Tutucu registerleri oku (03H)

Sadece bir bobine yaz (05H)

Sadece bir register’a yaz (06H)

Birden fazla bobin’e yaz (0FH)

Birden fazla register’a yaz (10H)

Bobin Durumu Okuma ;

17 nolu adrese sahip 17. Bobinden itibaren 16 adet bobin durumunu Modbus RTU formatında yazalım ;

11 – 01 – 0011 – 000F – CRC ->>>

11 istek yapılan aygıt adresi (11 hex = 17 adres nolu aygıt)

01 bobin oku komut kodu

0011 okunması istenen ilk bobinin data adresi (11 hex = 17. bobin)

000F Durumu okunacak bobin adedi (F Hex = 16 adet bobin)

CRC (Dönüşsel artıklık denetimi)

Verilen Yanıta beraber bakalım ;

11 – 01 – 02 – CD6B – CRC

11 İstek yapılan aygıt adresi

01 bobin oku kodu

02 (16 Bobin / 8 Bit ) = 2 Byte

CD6B -> CD 17 ile 24 arası bobinlerin durumu , 6B 25 ile 32 nolu bobinlerin durumu

CRC dönüşsel atıklık denetim

Endüstriyel İletişim Protokolleri İnceleme Sonuç :

Bugünki yazımızda Endüstriyel İletişim Protokolleri İnceleme adlı yazıyı sizlerle paylaştık.Bu yazı sürekli kullanıyor olduğumuz sistemler adına çok önemli bir yer kaplamaktadır.İçiçe olduğumuz ve karşılaştığımız sistemleri anlamak ve onları mantığına uygun hareket ederek kullanmak bizim için çok daha anlamlı olsa gerek.

İyi Çalışmalar.