Evaluation of ethernet-serial protocol converter for SCADA systems using raspberry Pi

Abstract

Internet of Effects ağ topolojisi, mevcut teknolojinin gelişmiş bir şeklidir. Bu ağ, sensör ağları ve karar verme devrelerinin bir karışımıdır. Mevcut teknolojilerden farklı olarak, dünyanın her yerinden aygıtlar üzerinde kontrol sahibi olabiliriz. Denetleyici Kontrol ve Veri Toplama (SCADA) sistemleri, endüstriyel sistemlerin verimliliğini arttırmada bu sistemlerin kullanılmasının yararlarına göre, endüstriyel sistemler için çok önemlidir. Ancak, bu sistemlerin yüksek maliyeti ve karmaşık kurulumuna göre, bir sistemin yıllarca kullanılabileceği uzun ömür için tasarlanmıştır. Dahası, Uzak Terminal Birimleri (RTU'lar) önemli ölçüde daha ucuzdur ve organizasyon büyüdükçe endüstriyel bir kuruluşa eklenebilir. Bu nedenle, modern RTU'lar nispeten eski SCADA sistemlerinde kullanılmaktadır. Bilgisayar ağlarının kullanılabilirliğindeki son büyüme, orijinal seri tabanlı iletişim protokolleri yerine, RTU'larda Ethernet tabanlı protokollerin uygulanmasını teşvik etmiştir. Bu güncelleme, modern RTU'larla iletişim kurabilmek için SCADA donanım ve yazılımında pahalı yükseltme gerektirir. Bu nedenle, bu çalışmada, tek kartlı bir bilgisayar olan Raspberry Pi kullanılarak bir protokol dönüştürme yöntemi önerilmiştir. Çalışmada iki yaklaşım değerlendirilmiştir. İlk yaklaşımda, Raspberry Pi, SCADA sunucusu olarak görev yapar ve RTU'larla iletişim kurar ve tüm verileri yerel olarak tamponlar, böylece SCADA tarafından istenen veriler derhal iletilir. İkinci yaklaşımda, Raspberry Pi, SCADA ile RTU arasında paylaşılan mesajların sadece bir protokolden diğerine dönüştürüldüğü bir tercüman olarak hareket eder. SCADA'nın bakış açısından en yüksek güncelleme oranına sahip olan yaklaşım teklif yöntemi için seçilecektir. Raspberry Pi, çalıştığı ortama bağlamak için çeşitli arayüzlere sahip küçük ve tek kartlı bir bilgisayardır. Bu cihazda bulunan Ethernet ve SPI arayüzleri ve farklı iletişim ortamları kullanarak farklı uygulamaları uygulamak için kullanılmıştır. Bu çalışmada, Raspberry Pi, eski SCADA sisteminin pahalı donanım ve yazılım genişletmeleri kurulmadan RTU'larla iletişim kurmasına olanak sağlayan bir protokol dönüştürücü uygulamak için kullanılacaktır. SCADA sistemlerini kullanarak, vanaları ve anahtarlara yetkisiz erişim, bir insanı döngüde tutarken daha sıkı kontrol edilebilir; yani, insan denetimi ve etkileşimi SCADA sistemlerinin bir parçasıydı ve hala da öyle. Bununla birlikte, teknolojik gelişmeler ve Raspberry Pi'nin olgunlaşması, denetleyici işlevlerin daha fazlasını modern SCADA sistemlerini oluşturan bilgisayar sistemlerine itti. Cihaz bir elektrik kırıcıysa ve SCADA operatörü elektrikli bir yardımcı olsaydı, bu anahtarı açmak Ethernet seri protokolünün dönüştürülmesi sırasında güç sistemlerini aşırı yükleyebilir.

The network topology of Internet of Effects is an advanced form of the existing technology. This network is a mixture of sensor networks and decision-making circuits. Distinct the existing technologies, we can have control over devices from anywhere in the world. Supervisory Control and Data Acquisition (SCADA) systems are crucial for industrial systems, according to the benefits of using these systems in increasing the efficiency of the industrial processes. However, according to the high cost and complex installation of these systems, they are designed for long lifetime, where a system may be used for decades. Moreover, Remote Terminal Units (RTUs) are significantly less expensive and may be added to an industrial organization as the organization grows. Thus, modern RTUs are being used with relatively older SCADA systems. The recent growth in the availability of computer networks has encouraged the implementation of Ethernet-based protocols in the RTUs, instead of the original serial-based communication protocols. Such update requires expensive upgrade to the SCADA hardware and software in order to be able to communicate with the modern RTUs. Thus, a protocol conversion method is proposed in this study, using a single-board computer, Raspberry Pi. Two approaches are evaluated in the study. In the first approach, the Raspberry Pi acts as the SCADA server and communicate with the RTUs and buffer all the data locally, so that, the data requested by the SCADA is delivered immediately. In the second approach, the Raspberry Pi acts as an interpreter, where the messages exchanged between the SCADA and the RTU are only converted from one protocol to another. The approach with the highest update rate, from the SCADA's point of view, is going to be selected for the propose method. Raspberry Pi is a small single-board computer that has a variety of interfaces to connect it to the environment it is working it. Ethernet and SPI interfaces present in this device, and has been used to implement different applications using different communication mediums. In this study, the Raspberry Pi is going to be used to implement a protocol converter that allows older SCADA system to communicate with the RTUs, without the installation of expensive hardware and software expansions. Using SCADA systems, unauthorized access to valves and switches could be more tightly controlled while keeping a human in the loop; that is, human supervision and interaction were, and still are, part of SCADA systems. However, technological advances and the maturation of Raspberry Pi has pushed more of the supervisory function onto the computer systems that make up modern SCADA systems. If the device were an electrical breaker and the SCADA operator was an electric utility, then turning that switch on might overload the power systems during conversion of Ethernet serial protocol.