EtherCAT tabanlı endüstriyel bilgisayar tasarımı
EtherCAT based industrial computer design
Yazar: YUNUS DÖNMEZ
Danışman: DOÇ. DR. ALİ SAYGIN
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Elektrik Elektronik Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Endüstriyel otomasyon ve kontrol uygulamalarının gerçekleştirilmesinde saha veri yolu sistemler, nesnelerin interneti tabanlı haberleşme protokolleri ve endüstriyel Ethernet tabanlı iletişim ağları kullanılmaktadır. Yüksek hızlara ulaşılması gereken, haberleşmenin gerçekleştirildiği cihazlar arasındaki gecikmenin önemli olduğu, veri güvenliği için özel önlemlere ihtiyaç duyan sistemlerde haberleşmenin sağlanması için kullanılan EtherCAT mimarisi; EtherCAT efendi ve EtherCAT köle cihazlar kullanılarak sağlanmaktadır. EtherCAT efendi cihazın geliştirilmesi için kullanılan işlemciye ait çekirdek ve iş parçacığı sayısı, işlem gücü, bellek alt yapısı ve sağladığı fiziksel ara yüzler endüstriyel haberleşme için önemlidir. Tez kapsamında tasarımı gerçekleştirilen endüstriyel bilgisayar tasarımında Intel Xeon-D serisi işlemci ve AMD Ultrascale+ serisi FPGA, EtherCAT efendi ve EtherCAT köle uygulamalar için ihtiyaç duyulan gereksinimleri karşılamak için kullanılmıştır. Donanımda bulunan AMD Radeon serisi grafik işlemcisi diğer uygulamalardan farklı olarak kullanıcıların hem görüntü işleme uygulamaları geliştirmelerine hem de endüstriyel kontrol uygulamaları sırasında grafiksel ara yüzlerden yararlanmalarına olanak tanımaktadır. Endüstriyel tesislerde kullanılan cihazlar yüksek sıcaklık, nem ve elektromanyetik etkileşim gibi çevresel etkilerden etkilenmektedir. Tasarımda kullanılan malzemelerin seçimi aşamasında endüstriyel bilgisayarın uzun süreli aşırı çevresel etkilerden korunabilmesini sağlamak için endüstriyel seviye elektronik malzemeler seçilmiştir. PCB yığın tasarımında, malzeme yerleşiminde ve layout tasarımında alınan önlemlerle birlikte gerçekleştirilen sinyal bütünlüğü ve güç bütünlüğü analizleri ile tasarım doğrulanmış ve Linux veya Windows ortamında açık kaynak kodlu yazılımların kullanılabileceği EtherCAT mimarisinin uygulandığı endüstriyel bilgisayar tasarımı gerçekleştirilmiştir.

Abstract:
Fieldbus systems, IoT communication protocols, and industrial Ethernet communication networks are used in the realisation of industrial automation and control applications. EtherCAT architecture is used to ensure communication in systems that require high speeds, where the delay between devices with which communication is carried out is significant, and in systems that require special measures for data security; it is provided using EtherCAT master and EtherCAT slave devices. The number of cores and threads of the processor used to develop the EtherCAT master device, processing power, memory, and the physical data interfaces it provides are important for industrial communication. In the industrial computer design within the scope of the thesis, an Intel Xeon-D series processor and an AMD Ultrascale+ series FPGA were used to meet the requirements needed for EtherCAT master and EtherCAT slave applications. Unlike other applications, the AMD Radeon series graphics processor included in the hardware allows users to both develop image-processing applications and use it as a graphical interface during industrial control applications. Devices used in industrial facilities are affected by environmental effects such as high temperatures, humidity, and electromagnetic affect. During the selection of electronic components used in the design, industrial level electronic components were selected to ensure that the industrial computer can be protected from long-term extreme environmental effects. The design was verified with signal integrity and power integrity analyses carried out together with the precautions taken in PCB Stack-Up design, component placement, and layout design, and an industrial computer design was realised in which the EtherCAT architecture, in which open source software can be used in a Linux or Windows environment, was implemented.