Endüstriyel uygulamalar için linux tabanlı 3G haberleşme özellikli akıllı modbus mesaj önceliklendirme mekanizmalı Modbus Gateway tasarımı

Abstract

Bu çalışmada, SCADA sistemlerinde RTU'ların uzaktan izlenmesi ve kontrol edilmesi için kullanılan bir Modbus gateway cihazı tasarlanmıştır. Tasarlanan cihazda, haberleşme protokolü için Modbus, kablosuz olarak yüksek hızlarda veri haberleşmesi içinse 3G teknolojisi kullanılmıştır. Modbus protokolü kullanılarak yapılan sorgulama işlemlerinde gelen istekler için ID önceliklendirme mekanizması gerçekleştirilmiştir. Bu sayede, düşük ID'li RTU'ların sorgulanması hızlandırılmıştır. Kullanılan Modbus TCP ve Modbus RTU protokolleri, 3G teknolojisi ve gerçeklenen ID önceliklendirme mekanizmaları ile sistem tasarımının artan karmaşıklığı, açık kaynak kodlu gömülü Linux işletim sistemi kullanılarak kolaylaştırılmıştır.Bu çalışmada ARM9 tabanlı EP9302 işlemcisi kullanılmıştır. Tasarlanan cihazda donanım olarak dijital girişler, dijital çıkışlar, röle çıkışları ve RS485 çıkışı bulunmaktadır. Sunucu modunda çalışan Modbus gateway cihazı aynı anda birden fazla istemciye cevap verebilecek şekilde tasarlanmıştır. Modbus protokolünde sorgulama işlemi yapan bu istemciler Master olarak adlandırılırlar. Modbus gateway cihazına aynı anda birden fazla Master sorgulama işlemi yapabildiğinden Multi-Master (çok yöneticili) olarak çalışabilmektedir. Birden fazla istemciden gelen Modbus veri paketleri, ID ve kuyrukta kalma süresi parametrelerine göre iki farklı kuyrukta sıralanmaktadır. Daha sonra, kuyrukta belli bir sürenin üzerinde bekleyenlerin sıralandığı kuyruğa öncelik verilerek, istekler cevaplanmaktadır. Tasarlanan cihazın birden fazla istemciye cevap verebilmesi için işletim sisteminin çok izlekli (multi-thtread) özelliği kullanılmıştır.In this study, a Modbus gateway system is designed to remotely monitor and control the RTUs in SCADA systems. In the designed system, Modbus is used for communication protocol and 3G technology is utilized to provide high speed data wireless communication. An ID prioritization mechanism is implemented for query request by using Modbus protocol. In this way, the query process is become faster for the lower ID devices in question. The increased design complexity due to use of Modbus TCP and Modbus RTU protocols, 3G technology and implemented ID prioritization mechanisms, is simplified by using open source embedded Linux operating system.In this work, an ARM based EP9302 processor is used. The Modbus gateway device has digital inputs, digital outputs, relay outputs and RS485 outputs as hardware design components on it. In working server mode, Modbus gateway device is designed to respond multiple clients simultaneously. Clients or server devices that make query processing on Modbus protocol are called Masters. As more than one Master is capable of operating query processing on designed system, the Modbus gateway device can work as a Multi-Master. Data packets that came from more than one client are sorted in two different queues according to their Slave ID and duration of stay in the queue. Then, the queries are answered by prioritizing the queue that holds the queries waiting in line more than a predetermined time. In order to respond more than one client, the designed device uses the multi-threaded feature of the operating system.