IIOT UYGULAMALARI İÇİN DOĞRU BİLGİSAYAR ÇÖZÜMÜ NASIL SEÇİLMELİ? | Otomasyon Dergisi
IIOT UYGULAMALARINDA TEK KART BİLGİSAYAR VEYA GELİŞTİRME KARTI KULLANMAK MI, ENDÜSTRİYEL TİP BİR IIOT GATEWAY ÇÖZÜMÜ TERCİH ETMEK Mİ DAHA İYİ BU YAZIDA DEĞERLENDİRİLİYOR.
Endüstriyel nesnelerin interneti (IIoT) için piyasaya sürülmüş envai çeşit gömülü bilgisayar çözümü bulunuyor. Çok çeşitli IIoT Edge Gateway’ler (uç ağ geçitleri), tek kart bilgisayarlar, geliştirme kartları ve IIoT uygulamalarında kullanılması için geniş bir yelpazede sunuluyor. Raspberry Pi gibi tek kart bilgisayarlar $40 gibi fiyatlara dahi alınabiliyor. Dolayısıyla bu tür geliştirme kartları arasından seçim yaparken en düşük fiyat vereni tercih etmek mantıklı gibi görünüyor.
Peki, IIoT uygulamalarının endüstriyelliği düşünüldüğünde, bu uygulamalara bir bilgisayar çözümü seçerken neleri göz önünde bulundurmak gerekiyor? Ucuz geliştirme kartları IIoT uygulamalarının karmaşık taleplerini karşılayabiliyor mu? Kritik endüstriyel faaliyetlerde güvenilir performans sağlayabilir mi? IIoT prototiplerini tüm programlama ihtiyaçlarını karşılayabilecek, özelleştirilmiş bir endüstriyel çözüm haline getirmenin en iyi yolu nedir? Bu yazıda IIoT uygulamalarında tek kart bilgisayar veya geliştirme kartı kullanmak mı, endüstriyel tip bir IIoT gateway çözümü tercih etmek mi daha iyi, buna cevap aranıyor. Her iki opsiyonun avantaj ve dezavantajlarını aşağıdaki gibi değerlendiriliyor:
Geliştirme kartları ile endüstriyel tip çözümler arasındaki farklar
Donanımsal açıdan bakışKuruluma hazır platform
Çoklu IO desteği
Endüstriyel güvenlik standartlarının uygunluk
IP (ingress protection) koruma sınıfı
Yazılımsal açıdan bakışYazılım hizmeti ve destek
Araç ve kütüphaneler
Uzun vadede destek
Açık platform avantajı
GELİŞTİRME KARTLARI VE ENDÜSTRİYEL TİP ÇÖZÜMLER
Qualcomm DragonBoard 410c, Raspberry Pi, Arduino, Intel Galileo, BeagleBone Black, ve Spark Core gibi geliştirme kartları, otomasyon fikirlerinizi test etmek için maliyet etkin bir yol sunuyor. Ancak bu fikirleri gerçek dünyaya taşıdığında, IIoT uygulamaları gibi endüstriyel senaryolar söz konusu olduğunda bu ortamlara uygun endüstriyel tip bir gateway çözümü tercih etmek daha doğrudur. Bunun en önemli nedeni bu donanımların test edilmiş ve onaylanmış olması, yüksek performans, istikrarlı çalışma ve güvenli bir sistem sağlaması. Bu özellikler, otomasyon ihtiyaçlarının büyük bölümüne halihazırda cevap veriyor.
Programlama platformları değerlendirilirken kullanıcıların ilk baktığı şey fiyat. Üstelik IIoT uygulamalarında haberleşme ağının dağınık mimarisi ve ağ üzerine kurulacak cihaz sayısının fazlalığı, kurulum masraflarının da yükselmesi anlamına geliyor. Geliştirme kartları, özellikle uygulamanızın kavram kanıtlama (PoC) aşamasında, bir prototip oluştururken önemli avantaj sağlayabiliyor. Ancak bu fikirleri endüstriyel bir ortamda uygulamaya koyduğunuzda işler değişebiliyor. Çoğu geliştirme kartı kurcalanmak için tasarlanmış olup, genellikle karmaşık endüstriyel tip uygulamalarda yetersiz kalıyor. Bunun nedenleri 5 başlık altında özetleniyor:
1. KURULUMA HAZIR PLATFORM
Geliştirme kartları genellikle temel bileşenlerden oluşan, kasasız uygulamaların özel ihtiyacına göre birleştirilmesi gereken parçalardır. Piyasadaki çoğu geliştirme kartı güç arayüzü, işletim sistemi, hafızası veya harici kasası olmayan bir bilgisayar kartı olarak sunuluyor. Bu kartlar projelerde kurmaya hazır olduğunuzda ihtiyaç duyulan tüm arayüzleri teker teker bir araya getirmek gerekiyor. Bu, zaman alıcı, emek gerektiren bir süreç. Endüstriyel programlama platformları ise genellikle kuruluma hazır şekilde geliyor:
Çeşitli montaj seçenekleri sunan, uç endüstriyel koşullara dayanıklı tasarım
Özel işletim sistemi, araçlar, kütüphaneler ve yazılımsal uygulamalar
Yerleşik uzaktan bağlantı özellikleri ile gelen çoklu I/O ve haberleşme arayüzüleri
Modbus gibi endüstriyel protokolleri destekleme, saha cihazlarından veri toplamaya yönelik optimizasyon
Kolay denetim ve sorun giderme kabiliyeti
Ek özelleştirme, diğer sistemlere entegrasyon ve uygulamalar için API
Uygulama ihtiyaçları ve projelerin ne kadar karmaşık olduğuna da bağlı olarak, bu tarz bir programlama platformunu kutusundan çıkarıp anında uygulamada devreye almak mümkün olabiliyor. Bu da, piyasaya sürüm süresini kısaltıyor.
2. ÇOKLU IO DESTEĞİ
Ucuz geliştirme kartları genellikle yalnızca bir Ethernet ve birkaç USB girişi ile sunuluyor. Saha enstrümanları ile uzaktan veri toplamada kullanılan kablosuz arayüzleri bağlamak için gerekli seri portlar genellikle bu kartlarda bulunmuyor. Ek olarak istenen her arayüzün bizzat yapılması, entegre, test ve optimize edilmesi gerekiyor. Endüstriyel bilgisayar çözümleri ise büyük ölçekli endüstriyel kurulumlarda maksimum esneklik sağlayabilmek için genellikle Ethernet, seri, GSM gibi çok sayıda haberleşme arayüzüyle sunuluyor.
3. ENDÜSTRİYEL GÜVENLİK STANDARTLARINA UYGUNLUK
UL ve CE sertifikaları, endüstriyel ortamlarda kurulmuş donanımlarda mutlaka bulunması gereken standartlardır. Bu sertifikasyon standartları yalnızca kullanıcılar değil, aynı zamanda donanım üreticileri için de geçerlidir. Geliştirme kartları genellikle bu standartlarla uyumlu olmuyor. Dolayısıyla, bu kartların zorlu endüstriyel ortamlarda çalışabileceğinin garantisi yok.
Endüstriyel bilgisayar çözümleri ise çeşitli sertifikasyon gereksinimlerini karşıladıklarını kanıtlayabilmek için zorlu testlerden geçiyor. Endüstriyel uygulamaların ihtiyaçlarına bağlı olarak, ilgili alanda güvenle kullanıma yönelik optimize edilmiş ve sertifikalandırılmış bir endüstriyel bilgisayar çözümü seçebilir.
4. IP KORUMA SINIFI
Endüstriyel donanımlar, yüksek düzeyde, düzenli olarak toz ve suya maruz kalma riski taşıyor. Endüstriyel toz ve suya karşı koruması olmayan herhangi bir donanımın arızalanması muhtemeldir. Çoğu geliştirme kartı bir kasaya sahip olmadığından, dolayısıyla koruyucu kaplaması bulunmadığından, elektriksel devreleri nem ve aşındırıcı öğelere karşı korunamıyor. Bu da bu kartların kullanım ömrünü kısaltıyor. Öte yandan endüstriyel bilgisayarların IP koruma gereksinimlerine uygun olması gerekiyor. Su ve toza karşı yüksek düzeyde koruma garanti eden bir IP sertifikası, bu bilgisayarları açık deniz, petrol, doğal gaz gibi uygulamalarda kullanabilmek için şart. IP standartlarına uyumluluk, bu tür endüstriyel PC platformlarının zorlu endüstriyel ortamlara dayanıklı olacağını ve uzun ömürlü olacağını güvenceye alıyor.
5. ÜRÜN GARANTİSİ
Geliştirme kartlarının garanti süresi genellikle 1 yıldır. Endüstriyel tip ürünlerin ise en az 5 yıl garanti vermesi gerekiyor. Endüstriyel donanımların yenilenmesinin yüksek maliyeti nedeniyle, bu alandaki kullanıcılar donanımlarının 10-15 yıl veya daha uzun süre sorunsuz çalışmasını bekliyor. Bu standart endüstriyel bilgisayar çözümleri için de geçerlidir. Geliştirme kartlarının, endüstriyel tip ürünler için konulan ürün ömrü şartlarına uyabilmesi mümkün değildir.
Özetle, geliştirme kartları ilk bakışta düşük maliyetleri ve popülerlikleri nedeniyle çekici gelebiliyor. Ancak, özellik ve işlev yetersizlikleri düşünüldüğünde bu tür geliştirme kartlarını IIoT uygulamalarında kullanmanın gerçek maliyetinin, test edilmiş ve onaylanmış bir endüstriyel bilgisayar çözümüne kıyasla çok daha yüksek olabileceği açık.
Bir IIoT sisteminde yazılım bileşenleri, bilgisayarlar da dahil olmak üzere endüstriyel donanımların kabiliyetlerini genişletmek için kullanılıyor. Bunun yapıldığı uygulamalara veri toplama, cihaz denetim ve kontrolü ile veri dönüşümü örnek verilebilir. Yazılım uygulamalarının yanı sıra bu uygulamaların yer aldığı işletim sistemlerini ve yazılımı özelleştirme veya yeni bir yazılım geliştirmede kullanılan paketleri de göz önünde bulundurmak gerekiyor. Aşağıdaki unsurlar yazılım geliştirme maliyetlerini düşürürken piyasaya sürüm süresini de kısaltıyor.
YAZILIM HİZMETİ VE DESTEĞİ
Yazılımların danışma ve destek hizmetleri, geliştiricilerin sistemdeki belirli yazılım bileşenleri hakkında yeterli bilgiye sahip olmadığı veya günlük olarak ortaya çıkan sorunları çözemediği zaman dayandığı yaşam hatlarıdır. Örneğin, bir geliştirici işletim sistemiyle alakalı bir sorunla karşılaştığında ve buna çabuk çözüm sağlayamadığında, tekerleği baştan icat etmek yerine ürün destek ekibine ulaşarak, benzer sorunları çözmede onların mevcut deneyim ve uzmanlığından yararlanabiliyor. Böylece yazılımcı, platformla alakalı sorunları çözmeye zaman harcayacağına geliştirmekte olduğu uygulamalara odaklanabilir. Bir geliştirme kartı kullanırken bu tarz sorunlarla karşılaşıldığında ise yapabilecek şey, soruları yazılımcı platformlarında paylaşmak ve başka bir kullanıcının da aynı sorunla karşılaştığını, çözüm bulduğunu ve paylaşımınıza yanıt vereceğini ummak oluyor. Bunun yanı sıra bir gömülü bilgisayar platformu geliştirmek bu tarz sistemlerin nasıl çalıştığına dair derinlemesine bilgi gerektiriyor. Örneğin, modern bir Arm tabanlı platform, kök dosya sistemi için bir NAND/NOR flash bellek ile geliyor. Deneyimsiz bir yazılımcının, gerekli onay olmadan sıkça veri okuyup yazan bir uygulama tasarladığına çokça rastlanıyor. Oysaki bu durum, hard drive performansının kısıtlanmasına neden oluyor. Buna ek olarak bu durum hard diskte bozuk (bad) sektörlerle ve niyahetinde başlatma hatasıyla (boot failure) sonuçlanabiliyor.
Eğer platform için bir yazılım desteği ve danışma firmasıyla anlaşılırsa, onlar uygulamayı daha iyi tasarlamaya yardımcı olabiliyor, geçici veriyi RAM dosya sisteminde nereye kaydedebileceğini veya en iyi uygulamalar konusunda önerilerde bulunabiliyor.
Çoğu endüstriyel PC platformu, aralarından seçebilecek farklı seviyelerde yazılım hizmet ve destek paketleriyle sunuluyor. GSL, IIoT uygulamaları için donanım ve AR-GE desteğinin yanı sıra sorun çözmede destek alabilecek yazılım hizmeti ve teknik destek de veren bir firmayla çalışmanızı öneriyor.
Donanım üreticileri çoğu zaman, donanım platformlarıyla paket halinde USB veya PCIe arayüzü gibi uç bileşenler entegre etmeye uğraşmıyor. Platformlarının bir parçası olarak genellikle üçüncü parti bileşenler kullanıyor, bileşenlerin uyumluluğunu da sıkı bir testten geçirmeyebiliyor. Donanım bileşenlerine ek olarak, üreticilerin donanım platformunun bütününü optimize edecek adımları da atması gerekiyor. Başlatma hızı, kernel ve cihaz sürücüsü entegrasyonu gibi öğeler bu adımlara dahildir. Cihaz sürücülerini ve indirilecek araçları parça parça sunmak çok kullanışlı değildir. Kullanıcılar özellikle çoklu cihaz sürücüleri söz konusu olduğunda, cihaz sürücülerinin işlevselliği konusunda sıkıntılarla bizzat başa çıkmak zorunda kalabilirler. Hatta bazı uç durumlarda bu sürücülerin işletim sistemini bozması bile mümkündür. GSL Mühendislik, test edilmiş ve onaylanmış, tam yazılım seçeneği sunan bir donanım platform sağlayıcısını öneriyor. Bu seçim kullanıcılara zaman kazandıracak, çok daha hızlı biçimde stabil uygulama ve çözümler geliştirmeye yardımcı olacaktır.
İşletim sistemi söz konusu olduğunda ise, kullanıcılara temel bir işletim sistemi veren bir firmadan ziyade ince ayarlı ve geliştirme ihtiyaçlarınıza yönelik optimize edilmiş bir sistem sunan firmaları seçmeyi öneriyor. Bu firmalar endüstriyel uygulamada kullanılmayan gereksiz süreç ve uygulamaları kaldırmaya yardımcı oluyor. Endüstriyel uygulamaya en uygun kernel’i inşa etmede kullanıcıyla birlikte çalışmalı, sürekli olarak sistem yamaları ve güvenlik iyileştirmeleri sağlamalı.
Yazılım araçları ve kütüphaneler, bir yazılımcının en büyük dostudur. Herhangi bir donanım platformu için başarının anahtarı, geniş bir kütüphane ve araç seti sunması, bunlarla platformu özelleştirilebilir ve daha kullanıcı dostu hale getirmesidir. Bu kütüphaneler olmadan yazılımcılar platformla alakalı işlevleri oluşturmak için çok zaman harcamak zorunda kalıyor. Onun yerine yeni uygulamalar yazmaya zaman harcamak çok daha mantıklıdır.
Donanımların otomatik tanılama işlevleri de endüstriyel ortamlar için son derece kullanışlıdır. Örneğin, endüstriyel ortamlarda kendini tanılamayı tetikleyen bir tuş basma işlevi, sahadaki olası problemleri hızla analiz etmeye yardımcı oluyor. Sistem kayıt, varsayılanı geri yükleme, otomatik çevirme gibi kullanışlı işlevler ile Wi-Fi ve GSM sinyallerini okuyabilen araçlar, bir yazılımcının sorun giderme konularına ayırması gerekecek zamanı, özellikle de sistem bölme (system partition) ile alakalı konular söz konusu olduğunda, önemli ölçüde kısaltıyor. Bu, aynı zamanda yazılımcıların tüm AT komutlarını ve farklı komut opsiyonlarını ezberleme ihtiyacını ortadan kaldırıyor.
Endüstriyel otomasyon uygulayan yazılım kütüphaneleri veya OpenSSLkütüphanesi, Modbus, Ethernet/IP, CANbus ve MQTT gibi IIoT’ye özel işlev ve protokoller, IIoT alanında çalışan yazılımcılara önemli avantaj sağlıyor. İyi bir platform sağlayıcısı, donanım platformlarını optimize etmede kullanılacak gerekli kaynakları, yazılım araçları ve kütüphaneler geliştirerek sağlıyor. Yazılımcılar tek satır kod yazmak zorunda kalmadan bu ek özelliklerden yararlanabiliyor.
Bir endüstriyel platformun ömrü genellikle 5 yıl veya daha uzundur. Dolayısıyla endüstriyel platform tedarikçilerinin yazılım ortamlarında uzun vadeli bakım desteği için gerekli kaynağı ayırmaları gerekiyor. Bir bilgisayar platformunun kernel veya kütüphanesine gelen tüm güncellemeler yayınlanmadan önce derinlemesine test edilmeli, böylece bu platform üzerinde yazılım hatalarından kaçınılmalıdır. Geliştirme kartı tedarikçileri genellikle bu şartlara uymaz, çünkü kartlar aslen yazılımcıların PoC oluşturmalarına yardım edecek eğitim araçları olarak tasarlanmıştır. Raspberry Pi Foundation gibi bazı organizasyonlar geniş ve aktif yazılım geliştirici topluluklarıyla ünlü olsa da, uzun vadeli destek genellikle birinci öncelikleri değildir.
Endüstriyel sistemlerin karşı karşıya kaldığı siber saldırıların son yıllarda artışta olduğu gözlemleniyor. IIoT ağları üzerinde gittikçe artan sayıda cihaz çevrim içi oldukça, sistem güvenliği hem kullanıcılar, hem de işletmeciler için bir kaygı odağı haline geliyor. Kritik endüstriyel ağlara izinsiz erişim, işletmecilerin ilgilenmesi gereken gerçek bir tehdit halini almıştır.
Gömülü uygulamalarınız, güvenlik özelliklerini sundukları uygulamalara da genişletebilecek güvenli bir platforma kurulu olmalıdır. Buna ek olarak IEC 62443-4 gibi siber güvenlik standartlarına uyumluluk, yüksek düzeyde güvenliği güvence altına almaktadır. Seçilen yazılım geliştirme platformunun, uygulamanın gerektirdiği siber güvenlik seviyesine ve standartlarına sahip olduğundan emin olunması gerekiyor. Güvenli başlatma gibi izinsiz erişime karşı koruma sağlayan ek işlevler, gömülü uygulamaların güvenliğini güçlendirmeye yardımcı oluyor.
AÇIK PLATFORM AVANTAJI
Açık kaynak yazılımı ve bir açık kaynaklı işletim sistemi, yazılım geliştiricilere maksimum esneklik sağlıyor. Bu modelde yazılımcılar yeni işlev ekleme ve mevcut sorunları çözmede eşit pay sahibidir, ki bu yazılımın sürekli geliştiği anlamına geliyor. Herhangi bir güvenlik sorunu açık kaynağı kullanan herkesi etkileyeceğinden, çözümler hızlı bulunur ve herkese açık olarak sunuluyor. Debian Linux, bu tarz popüler işletim sistemlerine iyi bir örnektir. Birçok firma, bu platform için kütüphane ve sürücü geliştiren ekiplere sahiptir. Bu gibi kütüphane ve sürücüleri geliştirirken temel kural, açık kaynak platformu için mevcut mimari ve prensipleri izlemektir.
Eğer bir bilgisayar platformu temel bir işlevi desteklemiyorsa, yazılımcıların buna geçici çözüm üretebilmek için çok zaman harcaması gerekiyor. Güvenlik zamanlayıcısı (watchdog timer) örneği ele alındığında; çoğu platform tedarikçisi kendi watchdog timer sürücülerini mevcut watchdog uygulamalarına uyumlu hale getirmedi, tam bir watchdog işlevselliğini anlayabilmek zor ve zaman alan bir işti.
Sonuçta yazılımcılar kendi işlev çağrılarının standart Linux’te bu tür watchdog fonksiyonlarının çalışması için yazılma şeklini değiştirmek zorunda kaldılar, buna ek zaman ve çaba harcamaları gerekti. Bu nedenle seçtiğiniz açık platformun sistemin gereksinimlerine uygun olduğundan, ister kendi ekipleriniz, ister dışarıdan anlaşacağınız bir firma ile bu kaynak üzerinde kütüphaneler ve araçlar geliştirilebileceğinden emin olunması gerekiyor.
MOXA’NIN IIOT EDGE GATEWAY ÇÖZÜMÜ
Endüstriyel otomasyon ve haberleşme alanında 30 yılı aşkın deneyime sahip olan donanım ve yazılım üreticisi Moxa da, IIoT uygulamalarınızda kullanabileceğiniz endüstriyel bilgisayar çözümleri sunan üreticiler arasında yer alıyor. -40 ila 85°C arasında uç sıcaklıklarda dahi sorunsuz işletim sağlamak üzere tasarlanmış Moxa UC Serisi IIoT Edge Gateway’ler, endüstriyel tip, kablosuz haberleşmeye hazır Arm-tabanlı bilgisayar platformları olarak öne çıkıyor. Bu cihazlar yüksek performanslı bir Linux dağıtımı da sunuyor. Moxa Industrial Linux (MIL). Debian tabanlı geliştirilmiş olan Moxa Industrial Linux, 10 yıl destek garanti ediyor. Bu sayede güneş ve rüzgar enerjisi, su ve atık su, petrol ve doğal gaz, ulaştırma ve fabrika otomasyonu alanlarında kullanılan bilgisayar sistemlerinin ihtiyaç duyduğu uzun sistem ömrünü güvenceye alıyor.
Kaynak: Chen, J. (2018) “How to Choose an Edge Gateway for Your IIoT Applications” Moxa Inc. Raspberry Pi Foundation (www.raspberrypi.org)
Debian Wiki (wiki.debian.org)
WINMAN LİNEER AKTÜATÖRLER VE LİNEER MODÜLLER