ZAMAN KONSEPTİNİ KÖKTEN DEĞİŞTİREN TEKNOLOJİ

Sanayi 4.0 ile birlikte akıllı fabrikalar için iletişimi kolaylaştıran ağ teknolojileri daha da önemli hale geldi. Zaman Duyarlı Ağ (TSN-Time Sensitive Network) teknolojisi ise geleceğin fabrikalarına yönelik endüstriyel ethernet için kilit rol oynuyor. TSN’nin bir ağ bünyesinde senkronizasyonu nasıl sağladığına ve bunun endüstriyel otomasyon uygulamalarına nasıl bir fayda sunduğuna ilişkin açıklamalarda bulunan CLPA Türkiye Müdürü Tolga Bizel, CC-Link IE TSN’nin açık endüstriyel ethernet ağ teknolojilerinin öncüsü olduğuna ve bu teknolojiyi tercih eden üreticilerin rekabet gücü elde edebileceklerine dikkat çekti.

Zaman Duyarlı Ağ (TSN), çok kısa bir süre içinde endüstriyel otomasyonun popüler bir kavramı haline dönüştü. TSN teknolojisi, endüstriyel ethernetin güvenilir ve zamanı öngörülebilir bir haberleşme sunmasına yardımcı olarak Endüstriyel Nesnelerin İnternetinin (IIoT) hayata geçirilmesinde kilit bir teknoloji rolü oynuyor. TSN teknolojisinin ilk adımının senkronize sistemlerin oluşturulmasından geçtiğini belirten CLPA Türkiye Müdürü Tolga Bizel, TSN’nin bir ağ bünyesinde senkronizasyonu nasıl sağladığına ve bunun endüstriyel otomasyon uygulamalarına nasıl bir fayda sunduğuna ilişkin açıklamalarda bulundu.

TSN’nin ilk etapta Elektrik ve Elektronik Mühendisleri Enstitüsü (IEEE) tarafından profesyonel ses-görüntü sistemlerinde ses ve video köprülemesine yönelik bir dizi açık teknik standart olarak geliştirildiğini dile getiren Tolga Bizel, “Sonuç olarak IEEE 802.1 standartlarıyla belirlenen ISO/OSI (Uluslararası Standardizasyon Kuruluşu/Açık Sistemler Ara Bağlantı) Data Link – Katman 2 teknolojisi oldu. Deterministik gerçek zamanlı mesaj alışverişi sunan IEEE 802.01’in kapsamı süratli bir şekilde diğer alanlara genişletildi. Özellikle zaman-kritik çevrimsel verilerin belirlenmiş zaman aralıkları içinde alınmasının son derece önemli olduğu otomotiv ve imalat sektörlerinde kullanılan kontrol ağlarında yaygınlaştı” dedi.

TSN’nin en önemli fonksiyonu cihaz senkronizasyonu

Endüstriyel ethernet ağlarında sınırlanmış en düşük gecikmeyle determinizmin uygulanabilmesi için zaman senkronizasyonunun irdelenmesi gereken kilit bir konu olduğunu vurgulayan Bizel, “Ağ cihazlarının gerekli işlemleri birlikte, doğru zamanda ve işlem yerinden bağımsız yürütebilmesini sağlayan bu özellik, dağıtık sistemlerde yüksek düzeyde hassasiyetin sağlanması için bir gereklilik. Buna ek olarak, tüm komponentlerin ortak zaman konseptine, örneğin evrensel saate sahip olmaları halinde belirli bir makinede bir olayın ne zaman meydana geldiğinin, bir ağdaki farklı komponentlerde meydana gelen iki olay arasındaki zaman aralığının veya farklı cihazlarda meydana gelen olayların rölatif kronolojisinin belirlenmesi için hassas bir analiz mümkün hale geliyor. Ağ senkronizasyonunun uygulanması için TSN, IEE 802.1AS onaylı ‘Zamana Duyarlı Uygulamalar için Zamanlama ve Senkronizasyon’ Standardı ve ‘IEEE 1588 – Ağ Tabanlı Ölçüm ve Kontrol Sistemleri için Hassas Saat Senkronizasyonu Protokolü Standardı”nda belirtildiği üzere bir Master-Bağımlı Zaman Protokolü (PTP) üzerinden benzersiz bir saat sistemi kuruyor.Bu protokollere göre ‘Grandmaster’ olarak bir ağ saati masteri, zaman bilgilerini ethernet paketleri olarak ağdaki her bir noda veya ‘Zaman Duyarlı Sisteme’ gönderiyor. Kullanılan bazı zaman mesajı türlerinin amacı zaman bilgilerini ve ağdaki farklı saatleri senkronize etmek. Ayrıca gecikmelerin etkisini azaltmak için iletişim araçları boyunca gecikmeleri de ölçüyor. Bir saat hiyerarşisi oluşturmak, grandmasteri belirlemek, bir PTP-tabanlı sistemi yapılandırmak, izlemek ve bakımını yapmak için ek fonksiyonlar da geliştirilmiş durumda. Bu sayede nodlardaki tüm gerçek zamanlı saatler, 1μs veya daha yüksek bir hassasiyet düzeyine kadar senkronize edilebiliyor ve çevrim süreleri birkaç μs kadar kısa olan hassas hareket kontrol uygulamalarının ihtiyaçları karşılanabiliyor. Üstelik bir hata oluştuğunda, işlem kayıtlarının kontrol edilerek soruna yol açan olayların kronolojik sırada ve net bir şekilde takip edilebilmesi mümkün.Sonuç olarak, operatörler hata tespitini ve düzeltme görevlerini daha hızlı ve kolay bir şekilde yapabiliyor. Böylelikle beklenmedik arıza süreleri ve ilgili maliyetler düşürülüyor. Diğer taraftan ise geleneksel Ethernet ağlarında küresel bir saat veya ortak bir zaman anlayışı mevcut değil. Gerçekte her cihaz kendisine ait bir saate, yani kendisine özgü bir zaman konseptine sahiptir. Hatalar ise zaman içinde birikerek işlemcilerin senkronizasyonunu bozan zaman kaymalarına neden olabiliyor” diye konuştu.

Senkronizasyondan daha fazlası

TSN’nin, tüm zamana duyarlı ağ cihazları arasında güvenilir bir zaman senkronizasyonu oluşturmak adına tüm diğer kilit fonksiyonları için gerekli temeli sağladığını vurgulayan Bizel, “Özellikle IEEE 802.1AS, IEEE 802.1Qbv- ‘Planlanmış Trafik için Geliştirmeler’ standardını destekleyen güçlü bir mekanizma sunuyor. Bu da veri trafiği kuyruklarının verimli bir şekilde planlanmasının yolunu ve zaman-kritik çerçevelerin ‘tam zamanlı’ teslimat önceliklendirilmesinin nasıl yapılacağını tanımlıyor. Bu süreç ise her bir çerçevenin VLAN etiket öncelik alanını kontrol eden ve bir plan dahilinde tanımlanmış uygun bir öncelikli kuyruğa mesaj atayan zaman duyarlı şekillendiricilere (TAS) dayanıyor. Planlanmış zaman aralıklarında kuyrukta bekleyen verilerin aktarımı sağlanırken diğer kuyruklarda aktarım engelleniyor. Bu sayede de TAS, çevrimsel mesajların çevrim-harici trafiğin müdahalesine karşı korunmalarını sağlarken, bir uygulamayı ve hatta tüm üretim sürecini aksatabilecek herhangi bir gecikmenin veya zaman-kritik mesajların gönderilmemesi riskinin önüne geçiyor. Dahası, benzer önceliklere sahip farklı çerçevelerin eş zamanlı iletilebilmesinden dolayı iletişim çevrim sürelerini de optimize edebiliyor. Sonuç itibariyle TAS ve sabit trafik programları, determinimizin önüne geçen geleneksel Ethernet’in kullandığı çarpışma algılama yöntemli geleneksel taşıyıcı-algılamalı çoklu erişimin (CSMA/CD) yerine geçebiliyor” dedi.

Başarılı bir TSN Uygulaması

CLPA tarafından hayata geçirilen CC-Link IE TSN’nin, açık endüstriyel ethernet ağ teknolojilerinin öncüsü olduğuna dikkat çeken Tolga Bizel, bu teknolojinin IEEE 802.1AS ve IEEE 802.1Qbv Katman 2 standartlarını benimseyen ISO/OSI Katman 3-7’ye dayandığını belirtti. CC-Link IE TSN’nin iletişim fonksiyonlarını ve senkronizasyon hassasiyetini iyileştirerek halihazırda dünyanın ilk açık gigabit endüstriyel etherneti CC-Link IE tarafından sunulan avantajları optimize ettiğini söyleyen Bizel, sözlerini şöyle tamamladı: “Örneğin bu yenilikçi çözüm, 31,25 μs kadar düşük çevrim süreleri elde edebilirken, gigabit bant genişlikleri sayesinde çevrim-harici trafiğin sorunsuz bir şekilde üstesinden gelebiliyor. Bu sayede dördüncü sanayi devrimi yani Sanayi 4.0 yaygınlaşırken giderek daha fazla artış gösterecek çevrim-harici trafik ve gerçek zamanlı kontrol trafiği için ideal bir ortak iletişim kanalı sunuluyor. Bu teknolojiyi tercih eden üreticiler ise açık endüstriyel ethernet ağlarında performans, bağlantı ve zekayı destekleyen giderek popülerliği artan açık sistem sayesinde rekabet güçlerini artırabiliyor.”