Fırat Üniversitesi-Elazığ DÜŞÜK MALİYETLİ WEB KONTROLLÜ DOĞALGAZ SCADA SİSTEMİ TASARIMI THE DESIGN of A LOW COST WEB CONTROLLED NATURAL GAS SCADA SYSTEM Murat IŞIK 1, Ahmet Turan ÖZCERİT 2, 1 2 Ahi Evran Üniversitesi, MYO Elektrik Bl. [email protected] [email protected] Sistem maliyetinin önemli olduğu kadar bulunabilirlik durumu da önemlidir. Mevcut incelenen sistemlerde kullanılan donanımlara ait tedarikçi firma sayısı oldukça azdır ve bu yüzden gerekli rekabet şartlarını sağlayamamaktadır. Bununla beraber, sistemde yapılacak hızlı bir revizyon için SCADA sistemini kullanan kişinin devamlı olarak elinde yedek ekipman bulundurması gerekmektedir. ÖZET Bu bildiride, gelişen teknoloji ile beraber sayıları hızla artan doğalgaz şebekelerinde kullanılmak üzere tasarlanan, benzer sistemlere göre maliyeti çok daha düşük ve kolay kullanılabilir bir Web Tabanlı SCADA sisteminin tasarımı ve analiz sonuçları sunulmaktadır. Ayrıca tasarlanan bu sistem, Ankara EGO firmasının kullandığı doğalgaz SCADA sistemiyle kıyaslanmış ve performans değerlendirmesine ait sonuçları analiz edilmiştir. 2. TASARLANAN SİSTEMİN YAPISI Sistem tasarımı üç ana birimden oluşmaktadır. İlki sahada bulunan sinyalleri toplamak amacıyla saha kontrol devrelerini barındıran saha kontrol ünitesidir. İkinci kısım ise sahadan toplanan bilgilerin analiz-incelenmesinin yapıldığı merkez kısmıdır. Üçüncü kısım ise bir Internet tarayıcı programı vasıtasıyla sistem kullanıcılarının bağlanacağı web tabanlı arayüz kısmıdır. Anahtar Kelimeler: SCADA, Kablosuz veri okuma, Web Kontrollü SCADA sistemi, PHP ile SCADA 1. GİRİŞ Sanayi ve konut enerji ihtiyaçlarını sağlamada kullanılan doğalgazın dağıtımında büyük rol oynayan doğalgaz dağıtım şebekeleri, sayılarının hızla artması, arıza takiplerinin zorluğu ve yeni teknolojik gelişmelere açık olmamaları gibi daha birçok sorunla iç içedir [1]. Hizmette kaliteden ödün vermeme ve bu sorunların en aza indirgenmesi kontrol, denetleme, arızaya müdahale gibi işlemlerin düzenli, hatasız ve seri bir şekilde yapılmasıyla mümkündür. Bu çözümler ise ancak sistemin her adımında kontrol edilmesiyle mümkün olur. Bu şekilde bir kontrol yapısı planlanırken, daha az insan gücü ile kolay, akıllı ve kaliteli bir izleme sistemi için en iyi yardımcı SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition - Veri Tabanlı Kontrol ve Gözetleme) sistemleri olacaktır. SCADA sistemleri merkezi veri toplamanın kontrol kadar önemli olduğu yerlerde dağıtık verileri kontrol etmek için kullanılır[2]. SCADA bir şehrin içme suyu şebekesi, elektrik şebekesi, doğalgaz şebekesi, yüzlerce kilometre uzunluğunda doğalgaz ve petrol boru hatları gibi geniş alanlara yayılmış şebekelerin insan denetiminde gözlemlenmesi ve elde edilen veriler doğrultusunda gerekli müdahalenin yine insan eliyle yapılmasını sağlayan sistemlerdir [3]. Bir SCADA sisteminin temelinde bir merkez istasyon, bu istasyona bağlı çevre istasyonlar ve bu iki birim arası denetim, kontrol işini gerçekleştiren bir yazılım bulunur [4]. Bu sistemin en önemli özelliği, kullanıcıya kolaylık sağlaması bakımından, görsel ve kolay kullanımlı olmasıdır [5]. Mevcut sistemlerde kullanılan yazılım ve donanımların çoğu yabancı kaynaklıdır ve maliyetleri oldukça fazladır. Maliyetin çok yüksek olması birçok küçük çaplı şirketlerin SCADA sisteminin getirdiği faydalardan mahrum kalmasına sebep olmaktadır. Günümüz SCADA sistemi ihtiyacını karşılayabilmek için maliyetleri daha düşük bir çözüm aramak gerekmektedir. Sakarya Üniversitesi, Teknoloji Fakültesi Bilgisayar Müh. 2.1. Saha Kontrol Ünitesi Şekil 1: Saha Kontrol Ünitesi Blok Diyagramı 51 Saha kontrol ünitesinin genel amacı iç ve dış sahada bulunan bilgileri toplayıp sayısal sinyale çevirerek merkeze iletmektir. Şekil 1’de Saha Kontrol Ünitesine ait blok diyagramı görülmektedir. Blok diyagramda da görüldüğü gibi iç saha elemanlarından toplanan sinyaller doğrudan kontrol devresine bağlanmıştır. Dış saha elemanlarından toplanan sinyaller ise bir yalıtım işleminden sonra kontrol devresine bağlanmıştır. Yalıtımın amacı, dış saha ortamında meydana gelebilecek aşırı gerilim-akım artışından-dalgalanmasından veya kısa devre gibi istenmeyen durumlardan kontrol devresini korumaktır. Ayrıca sistemin girişine şebekeden dolayı gerilim dalgalanmasını engellemek bir gerilim düzenleyici Fırat Üniversitesi-Elazığ (regülatör) bağlanmıştır. Sistemin kesintisiz olarak çalışması içinse bu gerilim düzenleyiciye bir akü eklenmiştir. Toplanan sinyaller RF, GPRS veya 3G gibi farklı haberleşme sistemleri ile merkeze aktarılmıştır. 2.2. Merkez Sunucu Merkez kısmında istasyon bilgileri, değerleri ve kullanıcı bilgileri gibi verilerin saklandığı bir web sunucu kurulmuştur. Şekil 4’de merkezde kurulan sistemin blok diyagramı görülmektedir. Buradaki sunucu devamlı olarak haberleşme hattını kontrol eder ve bir web sunucu olarak çalışarak kullanıcıların isteklerine yanıt verir. Haberleşme hattında herhangi bir veri olduğunda önce bu veriyi analiz eder sonra veri tabanında uygun tablolara yerleştirir. Sistem, kullanıcılarının eski istasyon değerlerine ihtiyaç duyma ihtimaline karşı merkez sunucu veri tabanında bulunan tabloları aylık olarak yedekler. Şekil 2: Saha Kontrol Devresi Blok Diyagramı Şekil 2’de sistemde kullanılan Saha Kontrol Devresinin blok diyagramı görülmektedir. Bu kontrol devresinde, maliyeti düşük, kolay bulunabilen, yardım ve teknik dokümanları oldukça fazla olan PIC serisi mikrodenetleyiciler kullanılmıştır. Şekilde PIC-2 ve PIC-3 olarak isimlendirilen PIC devreleri dış saha ortamından yalıtım görevi yapmaktadır. DO ile isimlendirilen devre ise sayısal çıkışı sağlamaktadır. PIC-1 isimli devre ise dış ortam ile haberleşmeden ve bilgilerin Eeprom ’a yazılmasından sorumludur. Eeprom, herhangi bir enerji kesilmesinde bilgilerin kaybolmasını engellemek amacıyla kullanılmıştır. Şekil 4: Merkez Santral Blok Diyagramı Merkez sunucu kısmında ücretsiz işletim sistemleri içinde en çok kullanılan ve en önde gelen LINUX işletim sistemi tercih edilmiştir. Veri tabanı olarak ise ücretsiz, kaynak kodları kolay bulunabilir, taşınabilir olan MySQL veri tabanı seçilmiştir. 2.3. SCADA Arayüz Dış ortamda, yetkili kullanıcı her hangi bir internet tarayıcı vasıtasıyla merkez sunucuya bağlanıp, istasyon verilerini kontrol edebilir ve gerekli işlemleri gerçekleştirebilir. Şekil 5’de SCADA arayüzün çalışma prensibini gösteren bir blok diyagram görülmektedir. Şekilde görüldüğü gibi yetkili kullanıcı herhangi bir internet tarayıcı vasıtasıyla SCADA arayüzünü kullanarak merkez sunucuya bağlanır ve istasyonla ilgili bilgileri kontrol edip değiştirebilir. Şekil 3: Tasarlanan Saha Kontrol Devreleri Şekil 3’de tasarlanan devrelerin resmi görülmektedir. Tasarlanan bu devreler ayrı ayrı ana devreye monte edilmiştir. Bu şekilde kontrol devrelerinin modüler yapıda olması sağlanmıştır. Kolaylık açısından basit bir şekilde takılabilir çıkarılabilir özellikte olan bu devreler oluşabilecek bir arızada onarım süresinin kısaltabilir. Her hangi bir arıza durumunda sistemin enerjisi kesilmeden modüller rahatlıkla yenisi ile değiştirilebilir. Şekil 5: Kullanıcının sisteme bağlanması 52 Sistemin web ortamına açılmasıyla kullanıcılar için herhangi bir zaman veya mekân kısıtlamasının ortadan kalkması amaçlanmıştır. Arayüz tasarımında sistemde oluşabilecek ataklara karşı çeşitli güvenlik önlemleri almakla beraber kolay kullanılmasına, hızlı Fırat Üniversitesi-Elazığ öğrenilebilmesine ve fazla karmaşık yapıya sahip olmamasına dikkat edilmiştir. Arayüz tasarımı için PHP dili tercih edilmiştir. PHP özellikle WEB için tasarlanmış olan, sunucu taraflı bir script dilidir. PHP, Açık Kaynak (Open Source) tabanlı bir üründür. Yani kaynak koduna erişilebilir, hiçbir ücret ödemeden kullanılabilir, değiştirilebilir ve dağıtılabilir [6]. PHP, özellikle mysql veri tabanıyla birlikte ve Linux işletim sistemi altında iyi bir performans sergilemektedir [7]. PHP, günümüzde en fazla kullanılan WEB için tasarlanmış script dillerinden bir tanesidir. PHP’nin en önemli özelliklerinden biriside yapısında kullanılmak üzere birçok güvenlik fonksiyonları barındırmasıdır. SCADA arayüz tasarımında güvenlik önemli bir noktadır. Çünkü WEB üzerinde çalıştırılacak bir kontrol sisteminin ölçme, analiz ve kontrol işlemlerini; en iyi, güvenilir, doğru, hatasız ve etkin şekilde yapabilmesi istenir. Bu ise gerekli güvenlik ve kontrol işlemleri sağlandıktan sonra mümkün olacaktır. Kullanıcı isimlerini-şifrelerini alma, saklama ve sunucuya gönderme gibi her aşamada eğer gerekli güvenlik önemleri alınmazsa sistem dış ortam tehditlerine açık bir vaziyete gelecektir. Ayrıca iletişim hattında güvenlik önlemleri alınmadığı zaman ağa ve üzerinden geçen verilere yönelik değişik saldırılar yapılabilir. Örneğin, bazı ataklar giriş verisi içerisine zararlı kod gömülmesi ile yapılır. Zararlı kod içerisinde ( . , ; , < , > , | vs.) gibi özel karakterler ve (DELETE, UPDATE, vs.) gibi özel kelimeler bulunabilmektedir. Özel karakterlerden (.) karakteri directory traversal atağında, (;) karakteri komut çalıştırma atağında sıklıkla rastlanan karakterlerdir [8]. Şekil 7: SCADA arayüz menüleri Kolay kullanılabilir ve hızlı öğrenilebilir bir arayüz tasarlamak için, SCADA sisteminde sık yapılabilir işlemler menülere ayrılmıştır. Bir WEB tarayıcı ile SCADA sistemine giriş yapıldıktan sonra Şekil 7’de ekran karşımıza gelmektedir. Burada göze çarpan ilk nokta, ekran ortasında o an içerisinde alarm durumuna bulunan istasyonların listesi sıralanmaktadır. Böylelikle kullanıcının tek tek istasyonlara bakıp hangilerinde alarm olduklarını araştırmalarına gerek kalmamaktadır. Kullanıcıların, bilinçsiz kullanımdan dolayı kazayla istasyon alarm aralıklarını değiştirmek veya istasyon ID’lerini değiştirmek gibi istenmeyen durumların önüne geçmek için SCADA arayüz sistemine operatör ve yönetici olmak üzere iki türlü giriş seçeneği oluşturulmuştur. Operatör olan kullanıcı sadece istasyon değerlerini kontrol edip gerekli inceleme ve analizleri yapma yetkisine sahiptir. İstasyonlar veya kullanıcılar hakkında herhangi bir değişiklik yapamaz. Yönetici ise sistemden sorumludur ve her türlü değişiklik yapma yetkisine sahiptir. 3. MEVCUT SCADA SİSTEMİ İLE TASARLANAN SİSTEMİN KARŞILAŞTIRILMASI Tasarlanan sistem ile aynı amaca hizmet eden Ankara EGO firmasının kullandığı mevcut doğalgaz SCADA sistemi tasarım, performans ve maliyet açısından karşılaştırılmıştır. Şekil 6: SCADA arayüz giriş ekranı Mevcut sistemle tasarlanan sistem performans ve tasarım açısından karşılaştırılarak aşağıdaki sonuç tablosu çıkarılmıştır (Tablo 1). Tabloda bulunan „+‟ lar avantaj düzeyini göstermektedir. „+‟ ların sayısı ne kadar fazla ise sistem, karşılaştırılmış olduğu kriter açısından sistem o kadar başarılıdır. Şekil 6’da görüldüğü gibi SCADA arayüz giriş ekranında şifrelerini unutanlar için veya sistem hakkında bilgi almak isteyenler için “Bize Ulaşın” ve “Yardım” bağlantıları eklenmiştir. Bu bağlantılar kullanılarak sistem yöneticileri ile iletişime geçilebilir. 53 Fırat Üniversitesi-Elazığ Tablo 1: Mevcut SCADA sistemi ile Tasarlanan SCADA sisteminin karşılaştırılması Mevcut Tasarlanan SCADA SCADA Sistemi Sistemi ++ +++ + ++++ ++++ + + ++++ +++ + ++ ++++ ++++ + ++ ++++ Analog veri okuma süresi Sayısal veri okuma süresi Toplanan verileri merkeze gönderme süresi Toplanan verileri merkeze gönderme başarısı İletişim protokolleri ile uyumluluk Hata analizi ++++ + +++ ++ +++ ++ ++++ + ++++ + ++++ ++ Sayısal veya Analog giriş değişimlerine tepki süresi Kaybolan verileri tekrar gönderme başarısı Haberleşme hattı meşguliyet derecesi ++++ +++ ++++ + ++ ++ Karşılaştırılan Tasarım Açısından Kriter Montaj Kolaylığı Malzeme bulunabilirlik düzeyi Satış sonrası teknik destek Sistem maliyet düzeyi Sonradan revizyon kolaylığı SCADA Arayüz öğrenile bilirlik düzeyi Yazılım ve mühendislik çalışmaları kolaylık düzeyi Çalışma Performansı Açısından SCADA Arayüz kullanışlılık düzeyi Mevcut sistem ile tasarlanan SCADA sisteminin belirli yazılım-donanımlarının maliyet analizi Tablo 2’de bulunmaktadır. 2011 yılı itibariyle incelenen EGO doğalgaz SCADA sistemine bağlı beş yüzün üzerinde istasyon vardır. Toplam sistem maliyetine etki eden ve bu bildirinin konusu olmayan birçok yazılım-donanım bulunmaktadır. Tablo 2’de bulunan yazılım-donanımlar toplam SCADA sistemi maliyetinin yaklaşık %30-%40’ını oluşturmaktadır. Tasarlanan sistemin kullanılmasıyla maliyette yaklaşık %30’luk bir azalma olması beklenebilir. Bu fark tasarlanan sistemin maliyet açısından gerekliliğini ortaya koymaktadır. 4. SONUÇLAR Yukarıdaki analiz sonuçları incelendiğinde tasarlanan SCADA sisteminin mevcut incelenen sisteme göre maliyet, kolay bulunabilirlik ve kolay öğrenilebilme avantajlarının yanında birçok dezavantajı olduğu görülmektedir. Fakat şu hiçbir zaman unutulmamalıdır ki; bütün sistemlerin ilk tasarımında bulunan hata oranları fazla olabilir. Sistemler kullandıkça ve geliştirildikçe hataları giderilir. 2011 yılı itibariyle Türkiye’de bulunan SCADA sistemlerinin çoğu yabancı sermaye tarafından kurulmuştur. Bu sistemlerin tüm parçaları ve işçiliklerinin büyük bölümü yine yurtdışı şirketler tarafından yapılmaktadır. Dolayısıyla bu da maliyetini doğrudan etkilemektedir. Ayrıca dış şirketlere bağımlılığı da beraberinde getirmektedir. Bu bildiri çalışmasında Ankara EGO firmasının kullandığı mevcut doğalgaz SCADA sistemleri incelenmiş ve aynı amaca hizmet etmesi hedeflenen örnek bir SCADA sistemi uygulaması yapılmıştır, yapılan uygulama ile kullanılan uygulamalar yaklaşık aynı sonuçlara ulaşılmış ve paralellik arz etmiştir. Tasarlanan sistemle beraber: • Oasys yazılım gibi yazılım sistemi için lisans ücreti ödenmez, • Saha kontrol merkezinde bulunan ve sahadaki cihazlardan bilgileri toplayıp merkeze ileten sistem modüler bir yapıya sahip olmuştur ve böylece her hangi bir arıza veya revizyon durumunda müdahale süresi düşürülmüştür. • Seçilen ve kullanılan yazılımlarda birbirine uyumluluk birinci hedef olarak alınmıştır, böylece sistemin uyumlu çalışması sağlanmıştır. Ayrıca SCADA sistemi arayüz tasarımının yazılımı ve sahadaki cihazlar üzerine geliştirilecek olan yazılımlar tamamen bağımsız bir şekilde tasarlanarak yapılmıştır. Böylece işletim sistemlerine, veri tabanlarına ve diğer yan yazılımlara bağımlılık ortadan kaldırılarak sistem daha kullanışlı hale getirilmiştir. • Sistemin WEB ortamına açılması sağlanarak kullanışlılığının arttığı görülmüştür. • SCADA arayüzünün basit tasarımı sayesinde operatörler açısından hızlı öğrenilmesi ve kolay kullanılması sağlanmıştır. Tablo 2: Mevcut SCADA sistemi ile tasarlanan sistem arası maliyet analizi Mevcut Sistem Oasys ve ara 42000TL yazılımları lisans (28000$) ücretleri MOSCAD RTU 6000TL (4000$) Windows Server 2008 Lisans Ücreti 1600TL (1029$) Tasarlanan Sistem PHP MySQL vt. Tasarlanan Kontrol Devreleri LİNUX Server Lisans Ücreti Ücretsiz 60TL (40$) Ücretsiz 54 Ne yazık ki her sistemin avantajı ile beraber dezavantajı da vardır. Uygulamada karşılaşılan istenmeyen durumları ve problemleri aşağıdaki gibi sıralayabiliriz: • Sistemin yazılım kısmı, kullanılan mevcut SCADA sistemlerinde bulunan yazılımlarına göre çok daha zordur bu sebepten dolayı normalden fazla zaman ve mühendislik faaliyeti gerektirir. Ayrıca yazılım Fırat Üniversitesi-Elazığ • • • • • • [4] Boyer, S. A. , “SCADA Supervisory Control and Data Acquisition 2nd Edition” IS-The Instrumentation, Systems, and Automation Society, New York, 38-84 (1999) [5] Telvent DTN, “Crude Oil Pipeline and Terminal”, Canada, (2010). [6] WELLING, L. and THOMSON, L., PHP ve MySQL, alfa yayıncılık, 2009 [7] “PHP programlama dili”, http://tr.wikipedia.org /wiki/PHP, Eylül 2011 [8] TAKCI, H., AKYUZ, T., SOGUKPINAR, Ġ., “Web atakları için metin tabanlı anormallik tespiti” (Wamtat), Aralık 2006 kısmındaki bu zorluk hata analizini zorlaştırır ve birçok sorunlarını da beraberinde getirebilir. İncelenen mevcut SCADA sistemlerinde saha kısmında kullanılan RTU’ların kolay programlanması için Toolbox gibi arayüz araçları mevcuttur. Bu sayede programlama daha kolay ve görsel olabilmektedir. Gerektiğinde sanal simülasyon ortamında sistem test edilebilmektedir. Ayrıca hata analizi kısmında program kullanılmadan önce analizi yapılarak, hata kodları rahatlıkla incelenebilmektedir. Bu gibi avantajlar tasarlanan uygulamada bulunmamaktadır. Buda büyük bir kayıp olarak görülmelidir. Arayüz programları sayesinde RTU’ların uzaktan programlanması mümkündür. Tasarlanan sistemde şu an için böyle bir şey yapabilmek mümkün değildir. Mevcut kullanılan SCADA sistemlerinde yazılım kısmında birçok iletişim protokolü bir seçenek olarak sunulmaktadır, mühendisin tek yapması gereken sadece uygun protokolü seçip birkaç basit parametreyi ayarlamaktır. Tasarlanan sistemde ise mühendisin kullanacağı iletişim protokolünü detaylı olarak bilmesi zorunludur. Çünkü ilgili iletişim protokolü ile ilgili gerekli yazılımı baştan yazması gerekmektedir. RTU’lar haberleşme kısmında çok başarılı olarak çalışırlar ve detaylı hata kodları üretebilirler. Tasarlanan sistemde ise hata kodları sınırlı ve geneldir. Ayrıca haberleşme kısmında çok başarılı bir performans sergileyememiştir. Tasarlanan sistemde hem yazılımsal hem de donanımsal bir değişiklik sonucu ancak bir I/O değişimi söz konusudur. Yani tasarlanan sistemde eğer bir port Dijital Giriş olarak ayarlanmış ise bunu Analog Giriş veya Dijital Çıkış olarak değiştirmek neredeyse imkânsızdır. PHP dinamik bir dil olmadığı için veri tabanındaki değişmeleri algılayamaz. İstasyona ait değerleri güncellemek için sayfayı sürekli yenilemeye sağlayan bir “güncelle” butonu kullanılmak zorunda kalınmıştır. Tasarlanan sistemin çalıştırılmasıyla arayüz yazılımının ve saha kontrol merkezi için kullanılan kartların amaçlarına hizmet sağladığı fakat yukarıda bahsedilen bazı dezavantajlarının da ortadan kaldırıldıktan sonra rekabet düzeyinin artabileceği görülmüştür. Tasarlanan sistemin maliyeti incelendiği zaman mevcut kullanılan SCADA sistemlerine göre oldukça düşük olduğu fakat buna rağmen özellikle yazılım-mühendislik kısmı ve haberleşme konusunda karşılaşılan problemlerin biraz daha arttığı izlenmiştir. Bildirinin konusu olan sistem kişisel olarak çalışılarak tasarlandığı için sistemin dezavantajları biraz fazladır. Fakat bir şirket veya çalışma gurubuyla karşılaşılan problemlerin doğru teknik ve yöntemlerle analizleri yapıldıktan sonra çözüm yöntemleri geliştirilebilir. Böylelikle sistem daha kullanışlı ve verimli hale getirilerek rekabet düzeyi artırılabilir. 5. KAYNAKLAR [1] “Eğitim Notları-33”, Scada Sistemi ve İGDAŞ Uygulaması, Ekim 2005 [2] Bailey, David, and Wright, Edwin, Practical SCADA for Industry, IDC Technologies, 2003 [3] GÖNÜL, S., ST. Proses Otomasyonu Dergisi, “Kontrol merkezindeki yazılımlar açık mimariye sahip olmalı”, Mayıs 2010 55