GE IS420UCSCH1B UCSC Denetleyici

UCSCH1B kontrol cihazı, GE'nin UCSC kontrol cihazı ailesindeki temel bir model olup, zorlu yüksek performanslı endüstriyel uygulamalar için özel olarak tasarlanmıştır. Mark VIe ve Mark VIeS kontrol sistemlerinin merkezi işlem birimi olarak gaz türbinleri, buhar türbinleri, büyük kompresörler ve kritik proses endüstrileri gibi senaryolarda beyin görevi görür. Entegre endüstriyel veri yolu ağ geçitlerine (örneğin, UCSCH1A, UCSCH1C) sahip modellerin aksine, UCSCH1B, tüm hesaplama kaynaklarını yüksek hızlı, son derece güvenilir gerçek zamanlı kontrol görevlerini gerçekleştirmeye ve güçlü iletişim arayüzleri aracılığıyla çeşitli I/O ağlarına bağlanmaya adayan 'saf' bir kontrol çekirdeği olarak konumlandırılmıştır.

UCSCH1B'nin temel özellikleri, güçlü yerel bilgi işlem yeteneği ve esnek çoklu ağ iletişim mimarisidir. Ayrıca hem Mark VIe kontrol uygulamasını hem de Embedded Field Agent'ı aynı anda çalıştırmak için sanallaştırma teknolojisinden yararlanır. Bununla birlikte, Yüksek Hızlı Seri Bağlantı (HSSL) ve IONet aracılığıyla GE'nin özel I/O modülleri ile yüksek performanslı, deterministik veri alışverişinin sağlanmasına daha fazla önem verilmektedir. Bu tasarım, onu özellikle geleneksel türbin kontrolü ve büyük ölçekli proses kontrol uygulamalarında hakim olan, yüksek verimli, yüksek senkronizasyonlu hassas kontrol sistemleri oluşturmak için tercih edilen platform haline getiriyor.

Ayrıntılı Temel Fonksiyonlar ve Çalışma Prensipleri

UCSCH1B'nin işlevselliği ve ilkeleri, sağlam donanım temeli ve gelişmiş yazılım mimarisi üzerine kurulmuştur. Tasarım hedefi, karmaşık endüstriyel ortamlarda benzersiz determinizm, güvenilirlik ve veri işleme yeteneği sağlamaktır.

1. Sanallaştırılmış Mimari ve Kaynak Tahsis İlkeleri

İşlevsel Açıklama:
UCSCH1B, donanım kaynaklarını sanallaştırmak için gerçek zamanlı hipervizör teknolojisini kullanan, dört çekirdekli işlemciye dayalı gelişmiş bir denetleyicidir. Bu, tek bir fiziksel denetleyicinin, her biri diğerlerinden sıkı bir izolasyonla bir Sanal Makine (VM) olarak çalışan birden fazla bağımsız yazılım ortamını barındırmasına olanak tanır.

Çalışma Prensibi:

• Hipervizörün Rolü: Hipervizör, doğrudan donanım üzerinde çalışan en düşük seviyeli yazılım katmanıdır. CPU, bellek ve fiziksel cihazlar üzerinde doğrudan kontrole sahiptir. Temel sorumluluğu, bu fiziksel kaynakları hakemleştirmek ve üst katman VM'lere tahsis etmektir. Örneğin, belirli CPU çekirdeklerini belirli bir VM'ye ayırabilir veya her VM'nin deterministik, garantili hesaplama süresi almasını sağlamak için zaman dilimleme planlamasını kullanabilir.

• VM Yapılandırması ve Yalıtımı: UCSCH1B genellikle iki ana sanal makineyi çalıştırır:

• Mark VIe Control VM: Bu VM, QNX Neutrino Gerçek Zamanlı İşletim Sistemini (RTOS) çalıştırır. QNX'in mikro çekirdek mimarisi, çekirdeğinin çok küçük olduğu ve yalnızca en temel hizmetleri (örn. işlem planlama, işlemler arası iletişim) sağladığı ve diğer işlevlerin bağımsız kullanıcı modu işlemleri olarak çalıştığı anlamına gelir. Bu tasarım kararlılık ve gerçek zamanlı performans sunar. Çekirdek olmayan herhangi bir bileşendeki hata, çekirdeğin tamamının çökmesine neden olmaz. QNX tüm uygulama kontrol mantığını yürütür. Zamanlayıcısı öncelik odaklı ve önleyicidir; bu, yüksek öncelikli kontrol görevlerinin düşük öncelikli görevleri hemen kesintiye uğratabileceği anlamına gelir; böylece kritik kontrol döngülerinin her zaman hassas zaman aralıklarında hesaplanması sağlanır ve endüstriyel kontrolde determinizm için en yüksek talepler karşılanır.

• Gömülü Saha Aracısı (EFA) VM: Bu VM genellikle bir Linux işletim sistemini çalıştırır. Linux, zengin ağ hizmetleri ve geniş bir yazılım ekosistemi sunarak bulut platformu iletişimi, veri ön işleme ve web hizmetleri gibi gerçek zamanlı olmayan uygulamaları çalıştırmak için idealdir.

• Sanal Ağ İletişimi: Mark VIe Control VM ile EFA VM arasında veri alışverişini sağlamak için dahili olarak bir sanal Ethernet anahtarı kurulur. Bu anahtar fiziksel bir varlık değildir ancak hipervizör tarafından paylaşılan bellek teknolojisi kullanılarak simüle edilir. Mark VIe VM'nin EFA'ya gerçek zamanlı veri göndermesi gerektiğinde, esas olarak verileri her iki VM tarafından erişilebilen paylaşılan bir bellek alanına yazar; sanal anahtar daha sonra gelen verileri EFA VM'sine bildirir. Bu işlem tamamen bellekte gerçekleşir, son derece hızlıdır ve fiziksel ağ bağlantı noktaları aracılığıyla yapılan iletişime göre çok daha düşük gecikme süresine sahiptir. Ayrıca katı güvenlik duvarı kuralları, kontrol ağı verilerinin güvenliğini sağlayarak EFA VM'den Kontrol VM'sine yetkisiz erişimi önler.

Temel Değer: Bu mimari işlevsel güvenlik izolasyonuna olanak tanır. Linux tabanlı EFA VM, karmaşık ağ uygulamaları nedeniyle kararsız hale gelse veya aşırı kaynak tüketse bile, bu durum, QNX üzerinde çalışan kritik kontrol görevlerinin yürütme döngüsünü veya kararlılığını kesinlikle etkilemeyecektir. Bu, 'tek bir donanım platformunda birden fazla göreve' ulaşarak sistemin kullanılabilirliğini ve güvenliğini temel olarak artırır.

2. IONet ve Deterministik Kontrol Mekanizması

İşlevsel Açıklama:
Mark sisteminin standart iletişim omurgası olan UCSCH1B, endüstriyel kontrol için tasarlanmış deterministik bir Ethernet ağı olan IONet aracılığıyla çok sayıda dağıtılmış I/O modülüyle iletişim kurar.

Çalışma Prensibi:

• Ağ Kapatma ve Güvenlik: IONet fiziksel olarak standart Ethernet kullanır ancak özeldir ve protokol düzeyinde kapalıdır. Yalnızca GE Mark serisi kontrol cihazlarını ve I/O modüllerini tanır. Bu kapatma, tesis bilgi ağından (IT) gelen yaygın ağ saldırılarına (örn. virüsler, truva atları, yayın fırtınaları) etkili bir şekilde direnen ve kontrol ağının saflığını ve sağlamlığını garantileyen doğal bir güvenlik bariyeri oluşturur.

• IEEE 1588 Hassas Saat Senkronizasyonu: Bu, deterministik kontrolün temel taşıdır. Tüm IONet içerisinde UCSCH1B kontrol cihazı tipik olarak En İyi Ana Saat olarak yapılandırılır. Ağ üzerinde periyodik olarak senkronizasyon mesajları (Sync, Follow_Up) yayınlar. Bağlı tüm G/Ç modülleri, bu mesajların iletim gecikmesini hesaplayarak yerel saatlerini sürekli olarak ayarlayarak yardımcı saatler gibi davranır ve sonuçta ana denetleyici saati ile mikrosaniye düzeyinde senkronizasyon (±100 mikrosaniye) elde eder. Bu mekanizmanın derin sonuçları şunlardır:

• Küresel Zaman Referansı: Tüm kontrol sistemi için birleşik, kesin bir zaman damgası sağlar. Basamaklı bir arıza olayını analiz ederken, mikrosaniye ölçeğinde her bir G/Ç noktası için değişikliklerin tam sırası bilinebilir; bu, olay dizisi (SOE) kaydı ve kök neden analizi için çok önemlidir.

• Senkron Örnekleme ve Çıkış: Tüm I/O modülleri, giriş sinyallerini tam olarak aynı anda örnekleyebilir ve bu senkronize saati temel alarak çıkışları belirtilen zamanlarda güncelleyebilir. Bu, senkronize olmayan örnekleme zamanlarının neden olduğu sinyal fazı farklılıklarını ortadan kaldırır ve kontrol algoritmasına geçici olarak oldukça tutarlı bir 'dünya görüşü' sağlar.

• Hizalanmış Tarama Döngüleri: Denetleyicinin uygulama tarama döngüsü ve G/Ç veri güncelleme döngüleri, bu küresel saatle sıkı bir şekilde hizalanmıştır. Bu, her kontrol döngüsünün öngörülebilir, sabit bir zaman aralığında başlayıp bittiği anlamına gelir; geleneksel PC tabanlı kontrol sistemlerinin, görev planlama belirsizliğinden kaynaklanan zamanlama titremesi.

• Yedekli Mimari ve Veri Bütünlüğü: İkili veya TMR konfigürasyonlarında UCSCH1B, yüksek kullanılabilirlik tasarımını gösterir. Her bir G/Ç ağı (R, S, T), yedek setteki her denetleyiciye aynı anda bağlanır. Sonuç olarak, her kontrolör bağımsız olarak ve eş zamanlı olarak aynı giriş verilerini alır. Bu mimari, herhangi bir denetleyicinin bakım, hata ayıklama amacıyla veya beklenmedik bir arıza nedeniyle çevrimdışına alınması durumunda hiçbir giriş verisinin kaybolmamasını sağlar. Kontrolü devralan yedek kontrolör, en son ve eksiksiz giriş bilgilerine halihazırda sahiptir, bu da kesintisiz aktarımı mümkün kılar ve böylece iletişim seviyesinde proses sürekliliğini garanti eder.

3. Yüksek Hızlı Seri Bağlantı (HSSL) ve Paralel İşleme Yeteneği

İşlevsel Açıklama:
Bu, UCSCH1B'yi diğer modellerden ayıran önemli bir özelliktir. HSSL, kontrolör ile belirli G/Ç modülleri (örneğin, belirli köprü arayüz modülleri) arasında noktadan noktaya, senkronize yüksek hızlı veri kanalları oluşturmak için kullanılan, GE'ye ait yüksek performanslı bir iletişim protokolüdür.

Çalışma Prensibi:

• Protokol Özellikleri: HSSL, Ethernet fiziksel katmanını temel alan senkronize bir seri iletişim protokolüdür. IONet'in eşzamansız TCP/IP iletişiminden farklı olarak HSSL, denetleyici ile I/O modülü arasında özel, sabit zaman dilimli bir veri hattı oluşturur. Veriler çok düşük protokol yüküyle çok yüksek hızlarda iletilir.

• Paralel Veri Akışları: UCSCH1B denetleyicisi, 10'a kadar bağımsız HSSL kanalını destekler (ön panelde 3 adet: R/SL1, S/SL2, T/SL3, ayrıca UCECH1x genişletme modülü aracılığıyla kullanılabilen 7 genişletme bağlantı noktası). Bu, denetleyicinin 10 farklı HSSL cihazıyla aynı anda tam hızda iletişim kurabileceği, her kanalın bağımsız olarak çalışabileceği ve önemli miktarda toplam bant genişliği yaratabileceği anlamına gelir. Bu, karmaşık güç dönüştürme sistemleri gibi birden fazla bağımsız alt sistemle yüksek hızlı veri alışverişi gerektiren uygulamalar için özellikle uygundur.

• Deterministik Gecikme: Senkron iletişim olduğundan HSSL kanalındaki veri iletim gecikmesi sabit ve öngörülebilirdir. Bu, son derece hızlı yanıt süreleri gerektiren kapalı döngü kontrol döngüleri için çok önemlidir. Verilerin G/Ç modülünden denetleyiciye gitmesi için geçen sürenin sabit olması, kontrol algoritmalarının iletişim gecikmelerini hassas bir şekilde telafi etmesine olanak tanıyarak kontrol kalitesini artırır.

• Donanım Entegrasyonu: HSSL işleme genellikle denetleyici üzerindeki özel donanım (örneğin, bir FPGA) tarafından desteklenir; bu donanım, ana CPU'nun yükünü boşaltır ve kontrol mantığının yürütülmesine daha fazla odaklanılmasını sağlar.

4. Gömülü Saha Aracısı (EFA) ve Cloud-Edge İşbirliği

İşlevsel Açıklama:
EFA, UCSCH1B'nin Endüstriyel Nesnelerin İnterneti'ne (IIoT) açılan kapısıdır. Denetleyicinin Linux VM'sinde çalışır ve uç verileri bulutta güvenli bir şekilde toplamaktan ve yerelleştirilmiş bir uç bilgi işlem platformu sağlamaktan sorumludur.

Çalışma Prensibi:

• Güvenli Veri Hattı:

1. Veri Toplama: EFA salt okunur, dahili sanal ağ aracılığıyla Mark VIe Control VM'nin paylaşılan belleğinden gerekli gerçek zamanlı verilere abone olur. Sistem mimarisi, EFA'nın Control VM'ye herhangi bir veri yazamamasını sağlayarak doğası gereği güvenli bir tasarım oluşturur.

2. Kenar İşleme: Buluta veri göndermeden önce EFA, aşağıdakiler dahil bir dizi ön işleme işlemini yerel olarak gerçekleştirebilir: Veri Filtreleme (gürültüyü giderme), Veri Sıkıştırma (iletim bant genişliğini azaltma), Veri Önbelleğe Alma (ağ kesintilerini yönetme) ve Zaman Damgası Uygulaması (veri kronolojisini sağlama).

3. Şifreleme ve İletim: İşlenen veriler, endüstri standardı TLS/HTTPS protokolleri kullanılarak şifrelenir ve kontrol cihazının alt IICS Bulut Bağlantı Noktası aracılığıyla GE'nin Predix bulut platformuna veya desteklenen diğer bulut hizmetlerine güvenli bir şekilde aktarılır.

• Edge Intelligence: EFA'nın temel değerlerinden biri, uç bilgi işlem yeteneğidir. Kullanıcılar, Predix'te geliştirilen uygulamaları veya EFA'da özel kapsayıcılı uygulamaları dağıtabilir. Bu uygulamalar doğrudan veri kaynağında çalıştırılabilir, örneğin:

• Gerçek Zamanlı Veri Analizi: Mekanik ekipman arızalarının erken tespiti için titreşim ve sıcaklık sinyalleri üzerinde gerçek zamanlı FFT analizinin gerçekleştirilmesi.

• Yapay Zeka Çıkarımı: Gerçek zamanlı verilere dayalı tahmine dayalı bakımı etkinleştirmek için eğitimli makine öğrenimi modellerini çalıştırma.

• Yerel Mantık Optimizasyonu: Karmaşık, gecikmeye duyarlı optimizasyon algoritmalarının yürütülmesi ve sonuçların referans olarak sanal ağ aracılığıyla Mark VIe kontrol mantığına geri beslenmesi.

• Uzaktan Bağlantı ve Hizmetler: EFA, yetkili personele güvenli bir uzaktan erişim tüneli sağlar. Servis mühendisleri, gerçek zamanlı verileri görüntülemek, geçmişi indirmek veya teşhis gerçekleştirmek için dizüstü bilgisayarlar veya mobil cihazlar kullanarak internet üzerinden sahada konuşlandırılan UCSCH1B kontrol cihazına güvenli bir şekilde bağlanarak servis yanıt hızını ve verimliliğini önemli ölçüde artırabilir.

5. Artıklık Mekanizması ve Yüksek Erişilebilirlik Uygulaması

Fonksiyonel Açıklama:
UCSCH1B, Simplex'ten TMR'ye kadar çeşitli konfigürasyonları destekleyerek sistemin genel kontrolden can güvenliği seviyelerine kadar farklı kullanılabilirlik gereksinimlerini karşılayabilmesini sağlar.

Çalışma Prensibi:

• İkili Yapılandırmada Kalp Atışı ve Geçiş:

• İki UCSCH1B kontrol cihazı, IONet ve UDH ağları üzerinden 'kalp atışı' sinyalleri alışverişi yaparak birbirlerinin sağlık durumunu sürekli olarak izler.

• Aynı kontrol programlarını çalıştırırlar ve aynı giriş verilerini işlerler. Ancak yalnızca Birincil Denetleyici olarak belirlenen bir tanesi, saha aktüatörlerine komut gönderme yetkisine sahiptir.

• Yedek denetleyici, dahili durumunu (hesaplama sonuçları, ara değişkenler) sürekli olarak birincil denetleyiciyle karşılaştırır. Yedek denetleyici birincilin kalp atışı kaybını tespit ederse, kendi kendine teşhis yoluyla kendi durumunun üstün olduğunu belirlerse veya harici bir anahtar komutu alırsa sistem, geçiş mantığını tetikler. Geçiş işlemi milisaniyeler içinde tamamlanır. Yedek kontrolör, çıkış devrelerini etkinleştirir ve proseste minimum düzeyde rahatsızlık vererek sistem kontrolünü devralır ve kesintisiz aktarım sağlar.

• TMR Konfigürasyonunda Hata Tolerans Prensibi:

• Bu, en yüksek yedeklilik düzeyidir. Üç UCSCH1B kontrol cihazı tek bir mantıksal ünite oluşturur.

• Giriş verileri üçüne de aynı anda gönderilir. Her kontrolör bağımsız olarak mantığı yürütür ve bir çıktı sonucu üretir.

• Sistemin nihai çıktısı, bir donanım veya yazılım olan 'Çoğunluk Seçmeni' tarafından belirlenir. Seçmen 'üçte iki' ilkesini kullanıyor. Üç denetleyiciden herhangi ikisi tutarlı çıktılar ürettiği sürece sistem bu konsensüs çıktısını benimser. Bu, bir kontrolörde dahili bir arıza yaşansa ve hatalı bir çıkış üretse bile sistemin diğer iki kontrol cihazından gelen doğru çıkışlara bağlı olarak normal çalışmaya devam edebileceği anlamına gelir.

• TMR mimarisi yalnızca tek bir arıza noktasını tolere etmekle kalmaz, aynı zamanda tasarımı, ilk arıza onarılmadan önce belirli türdeki ikinci arızaların meydana gelmesi durumunda sistemin doğru çalışmaya devam etmesine bile izin vererek %100'e yakın kullanılabilirlik elde etmek için teorik ve teknik temeli sağlar.

---