Zamana Duyarlı Ağlar ve ​Endüstri 4.0’da Başarı İçin Birlikte Çalışabilirlik

İşletmelerin küresel anlamda rekabet edebilir olması için imalat stratejilerinin de evirilme ihtiyacı, günümüzde açıkça ortadadır. Günümüzde müşteriler gittikçe daha çeşitli taleplerle üreticinin karşısına çıkarken, üreticiler de bu yeni ve gelecek talepleri karşılamanın, aynı zamanda da operasyonel verimliliği artırmanın yollarını arıyor. İşletmeler küresel rekabet edebilirliklerini korumak için mümkün olduğu kadar atik, verimli ve duyarlı olmaya çalışıyor. Üreticilerin sırf satış öngörülerine bakarak üretim ölçeğine karar verdikleri günler geride kaldı. Yerine, müşteri taleplerine gerçek zamanlı cevap verebilecek, üretimi de daha düşük maliyetlerde optimize edecek analizleri sunması için büyük veriye başvurulabiliyor. Bu, üreticilerin nasıl son teknolojiyi kullanarak “Endüstri 4.0”a yaklaşabilecekleri ve karlı çıkabileceklerine yalnızca bir örnek. Donanımlar, elektronik cihazlar ve insanlar karmaşık ve küresel operasyonlarda hiç olmadıkları kadar birbiriyle bağlantılı. Bu bağlantıları da endüstrilerin dijitalleşme, otomatize ve yenilikçi olmaya devam etmelerine borçlular. Nihayetinde endüstriyel ağların piyasa ve sektörel gelişmeleri yakalaması gerekiyor. Böylece işletmeler, daha güvenilir ve ölçeklendirilebilir bir ağ sayesinde mümkün hale gelen verimlilik, esneklik ve kullanılabilirliği daha iyi performans, daha yüksek çalışan ve müşteri memnuniyeti ve daha fazla büyümeye dönüştürebilir.

Mevcut Purdue modeli, veya “otomasyon piramidi”, parçalı kalan ve özellikle de uzun vadede bakımı zor olan ve pek güvenilir olamayabilecek bir yapıdaki farklı haberleşme katmanlarının ana hatlarını çıkarır. Endüstrinin talepleri, piyasa ve işletim koşullarına gerçek zamanlı cevap verebilecek bir “otonom piramit”e doğru yönelme isteğini ortaya koymuştur. Bu öngörülen yeni mimaride izole otomasyon adacıkları ve ağdaki veri akışı, ortak semantik ve birleştirilmiş bir altyapı üzerinden birbiriyle iletişim kurabilir hale gelir.

Şekil 2’de sunulan şema, kısıtsız olarak bağlanmış bir sistem olarak endüstriyel otomasyonun geleceğini gösteren yeni bir “otonom piramit” öngörüyor. Bu sistemde;

• Küçük ölçekli, statik, izole kontrol döngüleri büyük ölçekli, dinamik ve açık kontrol döngülerine evriliyor. Siber-fiziksel sistemler (SFS) olarak da bilinen bu döngüler yazılımsal ve fiziksel bileşenleri birleştiriyor.
• Önceden kapalı olan döngülerin verileri açık biçimde ortak bir temel üzerinde iletilebiliyor, böylece yeni, birbiriyle akıllı biçimde etkileşebilen çift yönlü veri akışlarının önü açılıyor.
• Ekipmandan personele tüm işletme varlıkları birleştirilmiş bir altyapıda akıllı biçimde birbirine bağlanıyor. Böylece, hepsi “doğru zamanda” gerçekleşen uçtan uca “otonom” haberleşme, tepki, adaptasyon ve optimizasyon yoluyla müşterilerin çok çeşitli talepleri karşılanabiliyor.

Otomasyon, bakım, analiz gibi çok sayıda birbiriyle alakasız uygulama için birleşik bir ağ altyapısı kullanmak, üreticilere şu gibi faydalar sağlayabiliyor:

1. Farklı uç cihazlar gerçek zamanlı olarak birbiriyle konuşabilir hale geldikçe sistemleri, cihazları ve uygulamaları gerçek zamanlı bir geri bildirim döngüsü sağlayacak şekilde yapılandırmak çok daha kolay hale geliyor. Birleşmiş, bağlama dayalı bir ağ altyapısı makine öğreniminin gerçekleşmesine de olanak tanıyor, böylece uzun vadede büyük veri analizinden yararlanmak ve buna göre eyleme geçmek mümkün oluyor. Sonuçta, sipariş üzerine üretim esnekliği ve veriminde artış sağlanıyor.
2. Veriye erişimin iyileştirilmesi, üretim sürecinin gerçek zamanlı denetimine izin veriyor, böylece daha yüksek kalite, daha detaylı ana performans göstergeleri farklı senaryolarda hedeflenebiliyor.
3. Daha dayanıklı bir ağ altyapısı üretimde kullanılan ekipmanların sayım, ayırma, kalite kontrolü, video gözetim gibi daha fazla görevini destekleyebilir. Makineler artık izole halde çalışmaz, üretkenliği artırmak için diğer makinelerle birlikte çalışırlar. Bunların hepsi sisteme gönderilen gerçek zamanlı veriler sayesinde mümkün olur. Hızla gelişen robotik teknolojiler ile hareket güdüm, artırılmış gerçeklik, yapay görme, dokunma bilimi gibi makine algı teknolojileriyle de birleşince üretim varlıkları, daha düşük maliyetlerde optimum performans sunabilir.
4. Standardize teknolojiler ve ölçeklenebilir bir yapı (örneğin Ethernet standartlarına dayalı olanlar), çok daha yüksek esnekliği kaldırabilir. Altyapı teknolojileri ve protokollerinin standardizasyonu sayesinde, geçmişte ağ konfigürasyonunda ciddi zorluklar çıkaran topolojik farklılıklar diğer modüler birim veya eklentilerdekine benzer yollarla yönetilebilir. İnşa etmek, bakımını yapmak ve bir katmanı kaldırmak çok daha maliyet etkin ve daha az zaman harcayan işler haline gelir.

Gerçekten de, günümüzdeki Purdue modelinin otomasyon adacıklarını ayıran engelleri ortadan kaldırabilecek birleşik bir altyapı, bağlantılı fiziksel endüstriyel nesnelerden bir sistem oluşturacak, bu nesnelerin veri alışverişi ve analizine izin vererek katma değerli bilgi üretmenin önünü açacaktır. Böylece Endüstriyel Nesnelerin İnterneti doğru kararların doğru yer ve zamanda alınabilmesini etkinleştirmiş olacak, sonuçta geçmişte önceden tanımlanmış süreçler tam anlamıyla dinamik süreçlere dönüşecektir.

En nihayetinde endüstriyel otomasyon ve kontrol sistemlerinin geleceği, bilgi ve internet teknolojilerinin entegrasyonuyla bağlantılıdır. Bu teknolojiler yüksek kullanılabilirlik ve gerçek zamanlı iletişim taleplerine cevap vermeye devam edecek şekilde gelişimini sürdürüyor. Bu teknolojilerin entegrasyon ihtiyacı ise maliyet ve faydanın optimum dengesine dayanan yeni ürün ve yenilikçi çözümlerin gelişmesini destekliyor. Daha net ifade etmek gerekirse; geleceğin birleşik ağ altyapısı en az günümüz otomasyon adacıklarını izole eden özel geliştirilmiş protokoller kadar, hatta daha da iyi performans ve QoS (hizmet kalitesi) güvencesi veren deterministik iletişim kabiliyetleri gerektiriyor. Neyse ki standart organizasyonları ve bağımsız üreticiler Endüstri 4.0’ın potansiyel faydalarının farkında, bu yüzden de endüstriyel ağlarda yeni, birleşik bir temel geliştirmek için işbirliği yapıyorlar: Zamana Duyarlı Ağlar (TSN).

Birleşik ama deterministik bir altyapı ihtiyacına cevap veren TSN, standart Ethernet ağları üzerinde deterministik mesajlaşmayı etkinleştiren bir standartlar bütünüdür. Elektrik ve Elektronik Mühendisleri Enstitüsü (IEEE)’nün tanımına göre TSN, uçtan uca aktarım gecikmelerine ithafen değişmez zaman dilimlerini garantiye almak için, bir ağ trafiği yönetim şeklini kapsıyor. Bu nedenle tüm TSN cihazlarının endüstriyel kontrol uygulamalarında gerçek zamanlı iletişimi destekleyebilmesi için, saatlerini birbirleriyle senkronize etmesi ve ortak bir zaman referansı kullanması şart koşuluyor. TSN standartları en başta IEEE tarafından geliştirilmiş olsa da, TSN’in ana IEEE standartlarının da ötesine geçtiği, birçok uluslararası organizasyon ve işletmenin ortak çaba ve çalışmasının ürünü olduğunu da belirtmek gerekiyor.
​
Önceki standart Ethernet ağları verinin hedefe ulaşmasını garanti edemezdi, bu ağlarda yüksek gecikme süreleri mümkündü.  Bunun sonucunda, yüksek ağ güvenilirliği ve kullanılabilirliğine ihtiyaç duyan endüstriler endüstriyel kontrol sistemleri ve otomasyonu için kendi özel, tescilli ağ çözümlerini geliştirdiler (Ör. modifiye edilmiş Ethernet ağları, fieldbus’lar).  İmalata yönelik endüstriyel uygulamaların yüksek kullanılabilirlik ve düşük gecikme taleplerini karşılayabilmek için, eskinin en iyi performanslı Ethernet teknolojilerinin dahi daha deterministik bir yapıya evrilmesi gerekti. TSN’in standart Ethernet teknolojilerinin evriminde bir sonraki aşama olmasının bir nedeni de, TSN’in Ethernet üzerinden deterministik hizmetlere yönelik bir standartlar bütünü olmasının yanı sıra, çok farklı organizasyon ve piyasa liderlerini aynı ortak amaçta bir araya getirmesiydi: Endüstri 4.0’ın tam potansiyeline erişmek ve dijitalleşmek.

TSN teknolojileri standart Ethernet üzerinden işleyen deterministik ağlara ölçeklenebilir ve öngörülebilir bir yaklaşım sunar. Ancak TSN tek bir kapsayıcı çözümden ziyade bir alet çantası olduğundan, sistem entegratörleri her bir endüstriyel uygulamanın spesifik gereksinimlerini karşılayabilmek için önünde sonunda çok sayıda üreticiye ve çok sayıda protokole ihtiyaç duyacaktır. İşte TSN’in benimsenmesindeki başarının anahtarının birlikte çalışabilirlik olmasının nedeni, tam da bu açmazdan kaynaklanır. Nihayetinde TSN’e dayalı birleşik bir altyapı, temelde iki açıdan birlikte çalışabilirlik gerektirir:

1. Layer 2 ağlar ve mesaj iletimi için TSN uyumlu ortak bir ağ mimarisi
2. Çok sayıda protokol arasında iletişim için ortak semantik​ ​

Deterministik bir Ethernet standardı olarak TSN, esasen bilgisayar ağlarının Open Systems Interconnection (OSI) modeli içinde yer alan bir Layer 2 teknolojisidir. Data Link katmanı da denilen Layer 2, Ethernet çerçevelerini iletmeye programlanan teknolojileri kapsar. Bir başka deyişle TSN yeni bir teknoloji değildir, IEEE 802.1’in, yani Ethernet’in bir uzantısıdır. Ethernet gerçek zamanlı veri aktarımına güvence verebilir, ancak verinin tam olarak ne zaman hedefe varacağını garanti edemez.

Endüstri 4.0, düşük gecikmeli ağlar üzerinde deterministik iletişimi, yüksek hacimli ağ trafiğine rağmen dayanıklı bağlantıları ve hem bilgi teknolojileri (IT), hem de operasyonel teknolojilerde (OT) veri iletiminin yakınsamasını kapsar. Endüstri 4.0’ın tüm gerektirdiklerini karşılayabilmek için bir IEEE çalışma grubu, açık TSN standartlarını geliştirmiştir.

TSN’e uyumlu Ethernet anahtarlarıyla, sistem entegratörleri Endüstri 4.0’ın yüksek bant genişliği gerektiren gerçek zamanlı gereksinimlerini, mevcut uygulama programlarını değiştirmeden karşılayabilir. Dahası, yalnızca standart IEEE Ethernet anahtarları kullanarak bunların hepsini yapmanın yanında, yakınsayan ağlara “tak-üret” cihazları da ekleyebilirler.

IIoT’nin sunduğu tüm avantajlardan tam olarak faydalanabilmek için, geleceğin otonom piramidi içinde yer alan cihazlar bağımsız üreticiler tarafından geliştirilse bile, her parça donanım, sistemin tüm diğer parçalarıyla iletişim kurabilir olmalıdır. Bu şart, yalnızca Layer 2 cihazları da kapsamaz. Layer 2 seviyesinde otomasyonun tipik adacıklarını izole eden engelleri ortadan kaldırmanın yanı sıra, başarılı bir TSN uygulaması protokollerin katmanlar arasında birlikte çalışabilirliğini şart koşar: böylece daha esnek topolojiler mümkün olur, endüstriyel uygulamalar için yeni fırsatlar da ortaya çıkabilir.

Dünyanın dört bir yanında CC-Link Partner Association (CLPA), EtherCAT Technology Group (ETG), Ethernet Powerlink Standardization Group (EPSG), Mechanical Engineering Industry Association (VDMA), Open DeviceNet Vendors Association (ODVA) ve PROFIBUS & PROFINET International (PI) da dahil endüstri organizasyonları, OPC Unified Architecture (OPC UA) çatısı ve gerektirdiği teknik özellikler altında bir araya geliyor. Bu organizasyonlar, farklı üretici ve standartlar arasında ortak bir semantik oluşturmayı hedefliyor.

IIoT endüstriyel kontrol sistemlerinde gerçek zamanlı iletişimi etkinleştirmek için yüksek bant genişliği, düşük gecikme süreleri ve deterministik ağlar gerektirirken, TSN en iyi durumda sağlanabilen haberleşmenin bile alışıldık kısıtlarının ötesine evrilerek, deterministik hizmetler sağlayabilen standart Ethernet teknolojilerini önümüze getiriyor. İmalatçıların artık uygulamalarını izole kontrol sistemi ve otomasyon adacıklarıyla sınırlamalarına gerek kalmıyor. Bunun yerine endüstriyel uygulamalar eski Purdue modelinin yatay ve dikey bölümlerinin ötesine geçen ikili haberleşme akışlarına sahip entegre bir geleceğe  kendilerini hazırlayabilir.
​
Uluslararası standart organizasyonları ve Moxa gibi cihaz üreticileri TSN çevresinde bir araya gelirken, standart Ethernet teknolojilerinin endüstriyel ağların gelecekteki temelini oluşturacağını öngörmek zor değil. Moxa’nın son 20 yılda Ethernet teknolojilerinin gelişimine beraber tanıklık etmiş distribütörü GSL olarak biz de zamana duyarlı ağlarla ilgili gelişmeleri yakından takip ediyor olacağız.

Kaynak: Moxa Inc. (Kasım 2019) “Enabling Interoperability to Ensure the Success of TSN in Industry 4.0″, https://bit.ly/2Rsb1wC
Lin, J. (2019) “How Time-Sensitive Networking Is Revolutionizing Industrial Automation” Moxa Inc. 
​