Dijital Şalt Sahası Nedir?

Dijital Şalt Sahası, elektrik tesislerinde akıllı elektronik cihazlar arasında yapılan haberleşmeyle saha sisteminin yönetilmesinin genel tanımıdır. Bu yazımızda bu yönetimin nasıl gerçekleştiğini inceledik.

A- A+

21.07.2018 tarihli yazı 9225 kez okunmuştur.

Günümüzde trafo merkezi ortamlarında bilgisayar teknolojillerinin kullanımı mümkün hale gelmiştir. Mikroişlemciler, koruma cihazları gibi elekrik tesislerinde önemli görevlere sahip ekipmanların kontrolünü sağlamaktadır. Geliştirilmiş doğruluk ve kararlılık sistemlere entegre edildi ve iletişim imkanları gelişti. SCADA ekipmanına bağlantı sağlamak için kablo tesisatında düzenlemeye gidildi. Bu sayede kişisel bilgisayarlar üzerinde çalışan operatörlere yazılım paketleri yardımıyla kullanışlı arayüz uygulamaları sağlandı.

Daha da önemlisi farklı elektrik tesisleri arasında bilgi transferi mümkün oldu. Bilgisayarların iletişim gücü arttıkça sistemlerin kurulum maliyetleri azaldı ve çoklu fonksiyonların uygulanması mümkün hale geldi. Dijital trafo merkezleri, tasarım ve mühendislik anlamında büyük avantajlar getirmektedir. Modifikasyonlar kolayca yapılabilir, kablolama ciddi bir düzeyde azaltılabilir.

Haberleşme

İletişim, bir vericiden bir alıcıya olan bilginin iletilmesidir. 1949'da C.E. Shannon ve W. Weaver, Şekil 1'de gösterildiği gibi iletişim için bir matematiksel model üretti.

Model, kaynaktan hedefe bilgi aktarılması için her ikisinin de bir kanal ile birbirine bağlı olduğu bir verici ve alıcıya ihtiyaç duyulduğunu göstermektedir. Ayrıca gürültü kaynaklarının bu sürece müdahale edebileceğini de gösterir. İki kişi arasındaki iletişim düşünüldüğünde, iletişim kaynağı mesajı iletmek isteyen kişinin beynidir, verici bu kişinin sesi ve iletişim kanalı ise atmosfer olarak tasvir edilebilir.

Diğer taraftan mesajın iletildiği ikinci birey için alıcı o kişinin kulağı ve hedef ise onun beyni olacaktır. Sistemde duyulabilir gürültü oluştuğu zaman mesajın istenildiği şekilde iletimi gerçekleşmeyecek ve iletişimin bozulmasına sebep olacaktır. Benzer şekilde konuşan iki kişi ortak dili paylaşmıyorsa yani protokoller uyuşmuyor ise iletişim gerçekleşmez. Başarılı iletişim, kaynak ve hedef arasında ortak bir anlayış gerektirir.

Bilgisayar İletişimi için OSI Modeli

Trafo merkezi otomasyonu bağlamında iletişim, bir bilgi işlem cihazından diğerine bilgi aktarımıdır, ancak yukarıdaki örnekte olduğu gibi, senkronizasyon, dil ve protokol ile ilgili sorunların hepsi iletişim hatasına neden olabilir.

Trafo merkezi iletişimi, iki cihaz arasında özel bir bağlantı şeklinde olabilir veya bir çeşit iletişim ağı üzerinden olabilir. Uluslarası Standartlar Örgütü, cihazlar arası veri iletişimi için gerekli olan genel bir çerçeve oluşturulmasını kabul etti ve 1984 yılında "Açık Sistemler Ara Bağlantısı" (OSI) modelini tanıttı. Bu model sayesinde oluşturulan protokoller yardımıyla cihazlar arasında yaşanan ortak dil problemi çözülmüş oldu.

OSI modeli, veri iletişim sürecini yedi farklı katmana ayırır. Yedi katmanın her biri, verinin farklı iletim aşamalarında nasıl ele alınacağını tanımlar. Her katman, hemen üstündeki katman için bir hizmet sağlar. Şekil 2’de OSI modelinin yedi katmanı gösterilmiştir.

1. Fiziksel Katman

Her veri mesajı bazı ortamlarda iletilir. Bu ortam genellikle kablolar veya optik fiberler olabilir. Ancak elektromanyetik dalgalar üzerinde taşınma yoluyla kablosuz da gerçekleşebilir. Özellikle Ethernet sistemlerinde, RJ45 konnektörlerle sonlandırılmış dört renk kodlu bükülmüş tel çiftinden oluşan CAT 5 UTP kablosu çok yaygın bir iletim ortamıdır. Bu tür kablolar elektromanyetik parazite karşı korumalı değildir.

Elektromanyetik koruma sağlayan kablo ise CAT 5 STP ‘dir. Bu tip kablo genellikle trafo merkezi gibi gürültülü ortamlarda kullanılır. CAT 5 yerini zamanla daha iyi koruma sağlayan CAT 6 ve CAT 7 gibi kablolara bırakmıştır.

2) Veri Bağlantı Katmanı

Fiziksel katman, veri bağlantısı katmanını bitlerle sağlar. Veri bağlantısı katmanı veri çerçevelerini tanımlayarak bu bit dizisine bilgi sağlar. Bu veri çerçeveleri, iletilecek verileri ve iletimi yöneten bazı kontrol bilgilerini içeren veri paketleridir. Kontrol bilgisi, mesajın başlangıcını ve sonunu belirten bayraklar içerir. Bu katmanda kullanılan standartlar, kontrol bayraklarının veriyle karıştırılmamasını ve veri çerçevelerinin hatalar durumları için kontrol edilmesini sağlamalıdır. Yaygın olarak kullanılan bir veri bağlantı protokolü Ethernet'dir.

►İlginizi Çekebilir: TCP/IP Nasıl Çalışır?

3. Ağ Katmanı

Ağ katmanı, veri paketinin teslimatı ile ilgilidir. Paketin nereden geldiğini ve paketin nereye gittiğini belirleyen veri çerçevesine bilgi ekleyerek, gönderme ve alma ekipmanı arasında mantıksal yollar oluşturulur. Her bir bilgi paketi için mantıksal bir kaynak ve hedef adres formuna dönüşür. Yaygın olarak kullanılan bir Ağ protokolü IP'dir (İnternet Protokolü).

4. İletim Katmanı

İletim katmanı veri paketlerini yönetmek ve sıralamakla ilgilenmektedir. Gelen veriyi kabul eden ve paketlerin doğru bir şekilde dizilimini kontrol eder. Bu katmanda basit bir protokol örneğü olarak UDP (Kullanıcı Datagram Protokolü) verilebilir. Daha daha kompleks ve yaygın olarak kullanılan protokol ise TCP'dir.

5. Oturum Katmanı

İlk dört katman, iki IED (Intelligence Electronic Device-Akıllı Elektronik Cihaz-Bilgisayar) arasında güvenilir bir iletişim kanalı oluşturur, ancak iletişimin akıllı yönetimi ile ilgilenmezler. Bu yönetim oturum katmanında yapılır. Oturum katmanı kullanıcıyla temasın gerçekleştiği ilk katmandır. Her bir iletişim oturumu, oturumla ilgili kriterlere tabidir. Bir iletişim oturumu bir web sitesinden bir dosya indirirken, diğeri uzak bir sunucuda bulunan bir dosya üzerinde çalışıyor olabilir.

6. Sunum Katmanı

Sunum katmanında verilerin nasıl sunulduğu önemlidir. Buna iyi bir örnek olarak ASCII verilebilir. (Amerikan Standart Kodu). ASCII kodu, metin üretmek için kullanılan karakter kümesini tanımlayan 8 bitlik bir ikili koddur. Örneğin, "A" karakteri, 41 onaltılık(hexadecimal) veya 65 ondalıklık (decimal) olan ikili kod 01000001 ile tanımlanır. Sunum katmanı, ASCII formatıyla uyumluysa, bunu yorumlayabilir.

7. Uygulama Katmanı

Uygulama katmanı, kullanıcıyla etkileşime giren katmandır. Kullanıcının iletişimi tanımlamasına izin veren ana yazılımı içerir. Uygulama düzeyi protokollerinin örnekleri dosya aktarım protokolü (FTP-File Transfer Protocol), hiper metin aktarım protokolü (HTTP-Hypertext Transfer Protocol) veya basit posta aktarım protokolü (SMTP-Simple Mail Transfer Protocol) olabilir.

IED'ler Arasındaki İletişim

OSI modeli, bilgisayarlar (IED’ler- Trafo merkezlerindeki akıllı elektronik cihazlar-Bilgisayar) arasındaki tüm arasındaki uyumluluk ihtiyacını ortadan kaldırmaktadır. Bu bölüm en düşük iki katmanı inceler: fiziksel ve veri bağlantısı katmanlarını.

2.1 Trafo Merkezi için IED'lere Fiziksel Bağlantı

Trafo merkezlerinde, otomasyon ve kontrol sistemleri OSI referans modelinin fiziksel katmanlarında bulunan üç tip standarttan biriyle bağlantı kurulur;

► EIA 232
► EIA 485
► Ethernet

EIA (Electronic Industries Association) elektronik cihazları birbirine bağlamak için tanımlanmış bir standartlar bütünüdür. Önerilen standart günümüzde çoğu insan tarafından RS232 veya RS485 olarak bilinmektedir.

2.1.1 EIA 232 (ex. RS 232)

EIA 232, iki cihaz arasında tam çift yönlü iletişime izin veren bir elektrik bağlantısıdır. USB bağlantı noktasının geliştirilmesinden önce, çoğu bilgisayarda bulunan tipik seri bağlantı noktasıydı.

Tablo-1

EIA 232, bilgisayarların modem bağlantısı gerçekleştirmesi için tasarlanmıştır ve sadece noktadan noktaya bağlantı için uygundur. Trafo merkezi ortamında sürekli kalıcı bir bağlantı sağlanması için indüklenmiş geçici akımlardan kaynaklanabilecek hasarları önlemek için optik izolasyon ünitelerinin kullanılması gereklidir. Daha uzun mesafelerde iletim gerekirse, fiber optik dönüştürücü ve fiber optik iletişim bağlantısı için bir çeşit EIA 232 kullanılmalıdır.

2.1.2 EIA 485

EIA 485, aşağıdaki Tablo 2 ile karakterize edilen bir elektrik bağlantısıdır.

Tablo-2

EIA 485 iki adet half dublex bağlantıya sahiptir ve otomasyon şemaları için EIA 232'den daha uygundur.

►İlginizi Çekebilir: Endüstri 4.0 için Haberleşme Ağları

EIA twisted pair kablolarda diferansiyel sinyal kullanır ve bu kablolar izole edilebilir. Multi-drop bağlantısının limiti 1 km'dir. Bağlı cihazların sayısı sınırlı olmamakla (teorikte) , pratikte 32 ile sınırlandırılır. İletişim hızı saniyede 64 kb'tir. EIA 485 basit ağların çok verimli ve düşük maliyetle üretilmesini sağlar.

2.1.3 Ethernet

Ethernet, bilgi işlem cihazlarının yerel alan ağlarına (LAN) bağlanmasını tanımlayan bir standarttır. IEEE 802.3'e göre standart sinyal hızları 10Mbps, 100Mbps veya 1Gbps'dir. En yaygın LAN teknolojisidir.

2.2 Ağ Topolojileri

Bir bilgisayar ağı oluşturmak için birden fazla cihazı birbirine bağlarken, cihazların fiziksel bağlantısına ek olarak, bilginin değişiminde kullanılan protokol de dikkate alınmalıdır. Erken merkezileştirilmiş sistemlerde, bilgi edinme ve sürecinde cihazların veriyi aşağıdan yukarı doğru iletmesi ve karşılığında komutlar alması için hiyerarşik bir dizi bağlantı gerekir. Bu ağaç tipi yapı, noktadan noktaya EIA 232 iletişiminin sağlayabileceği bağlantı türünü tanımlar.

EIA 485 ağ yapısında bir adet sunucu ve buna bağlı çok sayıda istemci bulunmaktadır.Bundan dolayı EIA 485, kontrolün dağıtımında daha çok öne çıkmaktadır. Ethernet teknolojisine dayalı sistemler, anahtarlar, hublar, köprüler ve yönlendiriciler gibi donanımlar sayesinde farklı topolojiler için daha fazla kapsam sağlar.

2.3 Seri Haberleşme

Seri haberleşmede verinin sahip olduğu bitler seri bir şekilde tek tek iletilirken, paralel haberleşmede aynı anda tüm bitler iletilmiş olur.

Paralel iletişimin bir örneği, bilgisayarlarda, yazıcılarda ve ofis ekipmanlarında kullanılan LPT yazıcı bağlantı noktasıdır. EIA 232, EIA 485 ve Ethernet, seri haberleşme biçimleridir. Ethernet'in çok daha yüksek hızı onu diğerlerinden ayırır. Sonuç olarak, trafo merkezi otomasyonu alanında, EIA 232 ve EIA 485'e dayanan iletişim, “seri” iletişim olarak adlandırılır.

2.3.1 Seri Haberleşme Protokolleri

Bir iletişim protokolü, bir iletişim kanalı üzerinden bilgi aktarımını tanımlayan veri temsili, sinyalleme, kimlik doğrulama ve hata tespiti için bir dizi standart kuraldır.Başka bir deyişle, cihazların birbirleriyle konuşabilmeleri için ortak bir dili ve katılım kurallarını paylaşmaları gerekiyor.

Bilgisayar tabanlı koruma cihazlarına dijital iletişim sistemleri eklendiğinde, bu iletişim için standart bir protokol mevcut değildi. Üreticiler, iletişim arayüzlerinin faydalarından yararlanmak için kendi özel çözümlerini geliştirdiler.

Şekil 5'de gösterildiği gibi, A, B ve C gibi farklı üreticilerin ortaya koyduğu, akıllı cihazların bir kontrolöre bağlı olduğu basit bir sistem düşünelim.

Bu üç akıllı cihazın hepsinde kontrol sisteminin uygulanabilmesi için, ya ana kontrolcü şekilde gösterildiği gibi üç ayrı iletişim protokolünü desteklemesi gereklidir yada akıllı cihazlar bazı protokol dönüştürücü cihazlarını kullanmalıdır.

Her iki durumda da, farklı protokollerin kullanımının maliyetleri arttırdığı görülmektedir. Bundan dolayı üreticiler tarafından standart protokol belirleme yoluna gidilmiştir. Standart bir çözüm geliştirmek için çaba sarf edildi ve mevcut protokollerden, IED seri iletişim için üç açık standart ortaya çıktı: Modbus, IEC 60870-5-103, DNP3

Modbus

Modbus 1979'da Modicon tarafından yayınlandı.Orjinal olarak programlanabilir lojik kontrolcüler için tasarlanmıştır. Modbus master-slave(yönetici-yönetilen cihaz) protokolüdür ve burada master , slave üzerindeki kaydediciye yazma ve silme yetkisine sahiptir.

IEC 60870-5-103

IEC 60870-5-103, Uluslararası Elektro Teknik Komitesi tarafından geliştirilmiştir. Alman VDEW haberleşme standardına dayanır. Koruma teçhizatı ve kontrol sistemi cihazları arasındaki iletişim standartlarını tanımlamaktadır. Basit elektrik bağlantısının yanı sıra, standart ayrıca optik fiber üzerinden uygulanan doğrudan iletişim arabirimini de tanımlar.

DNP3

DNP3, 1990'larda Harris tarafından geliştirilmiştir. Modbus gibi, Ethernet ve basit seri bağlantılarda da desteklenir. Genelde, Modbus, IEC60870-5-103 ve DNP3'ün açık standartları OSI modelinin 1-4 katmanlarını kapsar. Otomasyon sistemleri mühendislerinin farklı üreticilerin IED'lerini (akıllı cihazlarını) aynı protokolle birleştirmelerine ve eşleştirmelerine izin verir, müşterilerin korunma ihtiyaçlarını karşılar.

Bilgi işlem ve iletişim alanındaki sürekli yaşanan gelişmelere bağlı olarak, etkili, verimli trafo merkezi otomasyonu için farklı üreticilerin cihazları arasında "tak ve çalıştır" bağlantısına olanak tanıyan açık bir iletişim mimarisine ihtiyaç duyulmaktadır.

2.4 Ethernet Haberleşmesi

Ethernet, bilgisayarların yerel alan ağlarına (LAN) bağlantısını tanımlar. En yaygın LAN teknolojisidir. IEEE 802.3 ile standartlaştırılmıştır, OSI modelinin katman 1 ve katman 2'ye göre ağ bağlantısı için gereksinimleri tanımlar. Ethernet iletişimleri için standart sinyal hızları 10Mbps, 100Mbps, 1Gbps ve 10Gbps'dir.

Veri bağlantı katmanında (OSI modelinin 2. katmanı), MAC (Medya Erişim Kontrolü) adresleri, ağdaki cihazların fiziksel adreslemesine dikkat eder. Bu fiziksel adresler üretim sürecinde ayarlanır. MAC, üretilen her ekipman için benzersiz bir adrese izin veren 48 bit adresleme şemasını kullanır.

En yaygın olarak kullanılan ağ protokolü (OSI modelinin 3. katmanı) İnternet Protokolü (IP) olup, en yaygın kullanılan iletim katmanı mekanizması ise (4. katman) İletim Kontrol Protokolüdür (TCP-Transmission Control Protocol). Bunlar genellikle "TCP / IP" olarak bir araya getirilirler. Ethernet ve internet ile eşanlamlıdırlar.

Ağ katmanında, IP, veri paketlerini ağ üzerinde ve ağ sınırları boyunca kaynaktan hedefe aktarmak için kullanılır. Bunu yapmak için, cihazlara IP adresleri atanır ve bu adreslerin iki amacı vardır: Birincisi, ana bilgisayar ağını tanımlamaktır (alt ağlara ayrılabilir), ikincisi ise aygıtı ağda veya alt ağda (alt ağ) tanımlamaktır. IP adresi nnn.nnn.nnn.nnn biçiminde yazılabilen bir 32 bit binary (ikili) sayıdır, burada nnn bir binary octet (sekizli) temsil eder ve 0 ile 255 arasında bir tamsayıdır.

Bu nedenle tipik bir IP adresi, 192.168.0.2'dir. Ağdaki her aygıt benzersiz bir IP adresine sahip olur ve bu bir ağ sunucusu, sistem yöneticisi veya bir otomatik adres yapılandırmayla konfigüre edilebilir.

3. IEC 61850

1990'ların başında ABD'deki Elektrik Enerjisi Araştırma Enstitüsü (EPRI) bir yardımcı İletişim Mimarisi (UCA) üzerinde çalışmaya başladı . Hedef , trafo merkezi cihazlarının kontrolü, koruması ve veri toplaması ile ilgili endüstri konsensüsü oluşturmaktı. Bu çalışmaların neticesinde trafo merkezi otomasyonunda devrim yaratan IEC61850 ortaya çıktı

IEC 61850, trafo merkezlerinde ethernet tabanlı iletişim için kullanılan uluslararası bir standarttır. Bir şalt sahası içindeki tüm koruma, kontrol, ölçüm ve izleme fonksiyonlarının entegrasyonunu sağlar.

Kaynak:

►electrical-engineering-portal.com