ISSN : 2407 - 6511 DESAIN SISTEM TRANSLASI PROTOKOL KOMUNIKASI INDUSTRI KE PROTOKOL INTERNET (TCP/IP) Catur Wirawan Wijutomo1 1,3
Prodi S1 Teknik Informatika, Fakultas Teknik, Universitas Telkom 1
[email protected],
Abstrak Protokol komunikasi industri (Industrial Communication Protokol) merupakan salah satu kebutuhan utama pada lingkungan industri manufaktur yang telah mengimplementasikan automasi. Implementasi roda berjalan membutuhkan konsep sistem terdistribusi diimplementasikan untuk setiap sistem dibagi beban pekerjaan dan begitu pula area kerjanya. Kebutuhan tersebut membutuhkan suatu protokol komunikasi industri yang dikembangkan oleh masing-masing vendor perangkat automasi. Perkembangan Internet dan tren ubiquitous computing ikut mempengaruhi area automasi industri yang dampaknya adalah kemampuan monitoring dan control yang selama ini hanya dapat diakses di lingkungan pabrik dapat diakses di mana saja menggunakan internet. Persoalan ini tentunya tidak semudah mengganti protokol industri dengan protokol internet karena ada persoalan vendor locking terkait protokol perangkat sehingga perlu dibuat suatu strategi untuk dapat mengakses perangkat melalui protokol internet. Protokol IP dibutuhkan untuk memungkinkan komunikasi perangkat automasi industri untuk dapat diakses melalui internet untuk dapat membentuk ekosistem perangkat yang disebut IoT (internet of things). Pada paper ini dibahas mengenai langkah-langkah desain sistem transalsi protokol menghubungkan perangkat-perangkat industri yang menggunakan protokol standar industri untuk dapat terhubung ke Internet. Kata kunci : MODBUS, TCP/IP, IoT Pendahuluan Area industri manufaktur khususnya pabrik yang terkait produksi produk dalam jumlah besar dari zaman revolusi industri hingga abad 20 merupakan ekosistem yang terbatas dan rigid dengan maksud memperoleh produktivitas yang tinggi. Walaupun sudah banyak yang berubah dalam industri tersebut khususnya terkait penggunaan teknologi pada area tersebut. Penggunaan bantuan robot atau bahkan robot secara total untuk meningkatkan produktivitas khususnya di produk yang membutuhkan presisi merupakan tren di abad 20 yang dampaknya telah kita rasakan di abad 21. Perkembangan teknologi tidak berhenti di automasi industri, tren keterhubungan, pervasive dan ubiquitous computing juga mempengaruhi area ini. Di awali dengan telekomunikasi, perkembangan internet bahkan social media manusia mulai menuntut untuk informasi dapat diakses di mana saja. Interaksi saat ini tidak dibatasi oleh jarak dan waktu, tren tersebut tidak akan mundur dan yang pasti satu dekade terakhir kita dapat melihat tren perilaku seorang pekerja tidak perlu lagi hadir di kantor ada suatu sistem yang memungkinkan pekerja mengakses data pekerjaan dan dapat menyelesaikan pekerjaannya di mana saja. Salah satu data yang dibutuhkan adalah data lapangan yang dapat diperoleh dari pabrik yang telah memanfaatkan automasi. IoT merupakan salah satu tren yang pada akhirnya akan memprediksi bahwa jumlah perangkat terhubung akan melebihi populasi manusia [2]. Dengan keterhubungan tersebut dapat meningkatkan kualitas hidup manusia yang lebih baik dengan diperolehnya data secara otomatis secara terus menerus. Keterhubungan informasi di area manufaktur industri sendiri memiliki kelemahan terkait protokol komunikasi yang digunakan. Kelemahan dari protokol industri adalah proses penciptaan protokol ini tidak berdasarkan standar terbuka (open standard), protokol ini dibangun untuk memenuhi kebutuhan vendor perangkat. Fakta ini membuat area manufaktur menjadi silo-silo tersendiri yang membutuhakan mekanisme khusus yang tidak standar untuk dapat mengakses informasi. Perancangan Untuk dapat menghubungkan protokol industri dengan sistem yang berstandar terbuka (open standard) seperti internet dibutuhkan beberapa pengetahuan terkait rancangan dan karakterisitk dari dua dunia
251
ISSN : 2407 - 6511 yaitu dari protokol industri dan protokol internet dan perlu diketahui di bagian mana dapat dihubungkan baik secara logic level maupun implementation level. a. Karakteristik Protokol Industri Protokol industri dirancang dengan maksud untuk dapat menghubungkan perangkat-perangkat menggunakan suatu media komunikasi. Salah satu protokol industri adalah MODBUS yang merupakan protokol yang menyediakan mekanisme komunikasi klien / server antara perangkat yang terhubung pada berbagai jenis bus atau jaringan. Seri de facto standar industri sejak tahun 1979, MODBUS terus memungkinkan jutaan perangkat otomatisasi untuk berkomunikasi [3]. Modbus merupakan standar komunikasi industri untuk automasi yang banyak diterapkan di PLC (Programmable Logic Controller). Modbus merupakan salah satu standar open pada protokol industri sehingga umumnya didukung oleh banyak PLC disamping protokol proprietary dari vendor PLC. Arsitektur dari Modbus sendiri dapat dilihat di gambar berikut
Gambar 40. Arsitektur Modbus [3] b. Karakteristik protokol internet Internet dibangun di atas protokol TCP/IP. TCP/IP sendiri adalah singkatan dari Transmission Control Protokol/Internet Protokol . Protokol utama itnernet adalah gabungan dari protokol TCP (Transmission Control Protokol) dan IP (Internet Protokol) sekelompok protokol ini yang mengatur komunikasi data dalam proses tukar-menukar data dari satu komputer ke komputer lain di dalam jaringan internet yang akan memastikan pengiriman data sampai ke alamat yang dituju. Untuk dapat mengetahui arsitektur dari protokol tersebut digunakan salah satu model referensi OSI layer yang ditunjukkan pada gambar di bawah ini :
Gambar 2. OSI layer c. Domain pada IoT IoT (Internet of Things) adalah interkoneksi perangkat komputasi embedded diidentifikasi secara unik dalam infrastruktur internet yang ada. Biasanya, IOT diharapkan untuk menawarkan konektivitas canggih
252
ISSN : 2407 - 6511 perangkat, sistem, dan jasa yang melampaui mesin-ke-mesin komunikasi (M2M) dan mencakup berbagai protokol, domain, dan aplikasi[1]. Definisi ini perlu untuk lebih didetailkan lebih lanjut terutama bagaimana suatu perangkat yang diproduksi awalnya tidak mendukung protokol internet atau bahkan tidak mampu untuk mendukung protokol tersebut terkait processing power yang terbatas dapat terhubung ke internet. Untuk memahami hal tersebut perlu dipahami dalam suatu batasan domaindomain yang didefinisikan di IoT. Device domain merupakan area yang berfokus pada perangkat, pada domain ini diihat bagaiman karakterisitk dari perangkat. Yang menjadi focus utama adalah metode untuk berkomunikasi. Jika device ini tidak mampu untuk menggunakan protokol internet maka digunakan protokol yang lebih primitive atau mungkin jika ada kebutuhan khusus seperti hemat daya maka digunakan protokol yang hemat daya.Gateway domain meupakan area yang berfokus pada perangkat khusus berupa gateway yang merupakan translator untuk perangkat dengan protokol khusus ke protokol internet. Sedangkan Application domain merupakan area yang berfokus pada interaksi antara user dengan platform yang terhubung melalui internet untuk dapat berinteraksi dengan perangkat yang berada di device domain. 5. Desain sistem Sistem yang dirancang bermaksud untuk dapat melakukan translasi dari protokol industri ke protokol internet menggunakan suatu perangkat berbasis computer baik menggunakan suatu sistem general purpose seperti PC atau sistem embedded berbasis microcontroller. Perbedaan dari dua platform tersebut tidak dibahas lebih detail dalam paper ini, namun pada analisisnya keduanya dimodelkan sebagai black box yang mempunyai interface komunikasi. 3.6. Analisis Per layer Untuk kebutuhan translasi tentunya perlu dianalisis bagaiaman implementasi layer per layer. Protokol industri lebih dikhusukan untuk machine to machine communication sehingga layering protokolnya tidak akan sebanyak layer pada protokol internet. Untuk kebutuhan translasi cukup menganalisa layer 1 dan layer 2. Pada layer 1 yang merupakan physical layer, Detail protokol industri pada layer ini biasanya cukup kompleks karena terdapat persoalan dari robustness dan keamanan yang lebih dibandingkan untuk kebutuhan end-user. Namun untuk kebutuhan translasi ini perlu diketahui beberapa informasi yang ditunjukkan pada tabel berikut : Tabel 20Informasi layer 1 Konektor Kabel Logic Level Duplex level
Standar Konektor apakah berbasis pin atau menggunakan interface seperti DB-9 atau DB-25 Media fisik yang digunakan apakah fiber atau copper Voltase yang digunakan untuk standar logic 0 dan 1 Apakah mendukung simplex atau Full duple
Setelah diketahui property dari layer 1 suatu protokol selanjutnya perlu dirancang sebua perangkat untuk dapat mengkonversi ke standar serial RS-232 yang dapatditerima oleh platform yang kita gunakan, karena menggunakan standar PC maka standar ini yang kita gunakan. Contohnya jika logic levelnya berbeda maka dibutuhkan serial converter seperti chip MAX232 yang akan mengubah logic level yang dapat dipahami oleh PC. Pada layer 2 perlu dipahami bagaimana frame data disusun. Untuk kebutuhan ini tentunya diperlukan suatu dokumen standar dari pembuat protokolnya. Jika tidak ditemukan maka perlu digunakan suatu level analyzer untuk melihat bagaimana behavior dari frame yang dikirim dan diterima. Adapun informasi yang perlu diperoleh adalah :
253
ISSN : 2407 - 6511
Tabel 2 Informasi layer 2 Sinkronus atau asinkronus Clock Data
Perilaku ini akan sangat signifikan Terkait sistem tersebut sinkronus Bagaimana data dikirimkan dalam media kabel yang diimplemtasikan dalam susunan 0 dan 1
3.7. Strategi translasi Pada sistem perlu dikembangkan suatu subrutin program yang memperoleh frame data dari protokol industri untuk kemudian dapat dibungkus ke dalam frame Ethernet. Ada dua pendekatan yang dapat digunakan yaitu secara murni pada transport layer atau menambahkan application layer. Jika menggunakan transport layer maka frame data dari protokol tersebut secara natural disusun sesuai yang diterima lalu dibungkus dalam frame untuk kemudian dikirimkan menggunakan UDP atau TCP. UDP digunakan jika membutuhkan response waktu dan kinerja tinggi sedangkan TCP digunakan jika lebih mementingkan reliabilitas dan keutuhan data. Jika menambahkan application layer maka digunakan suatu aplikasi perantara dapat menggunakan pooling dengan periodie waktu mengirim atau menggunakan event loop yaitu saat data diterima langsung diproses.
data
data
Translator app Polling
Translator app Event loop
Gambar 3. Strategi translasi 3.8. Penggunaan Domain IoT Domain IoT digunakan sebagai model referensi untuk mengetahui bagaimana interaksi tiap komponen untuk kemudian dapat diakses oleh penggunan di application domain. Untuk kebutuhan sistem translator ini perangkat yang menggunakan protokol industri ditaruh di device domain lalu translator ditaruh di gateway domain yang bertanggung jawab untuk melakukan translasi sekaligus menyediakan interface untuk akses user di application domain menggunakan protokol internet. 6. Kesimpulan Kesimpulan dari paper ini adalah translasi protokol dapat dirancang dengan menggunakan strategi di layer 1 dan 2 untuk kemudian di translasikan di layer aplikasi dan menggunakan pembagian domain IoT sebagai model analisis untuk bagaiman data dialirkan dan diakses. Dengan menggunakan analisis pembahasan tersebut maka model yang dihasilkan untuk kebutuhan protokol industri ke internet ditunjukkan pada gambar berikut
254
ISSN : 2407 - 6511
PC/laptop untuk akses
Application domain
Ethernet
PC translator
Gateway domain
RS232 Modbus
Kabel Pin IO
Sensor
Kabel Pin IO
Actuator
PLC
Device Domain
Gambar 4. Desain sistem translator Daftar Pustaka: [1] [2] [3]
J. Höller, V. Tsiatsis, C. Mulligan, S. Karnouskos, S. Avesand, D. Boyle 2014. From Machine to machine to the internet of things : introduction to a new age of intellegence : Elsevier. Gartner. 2003. Gartner says the internet of things installed base will grow to 16 billion units by 2020 [online] available at http://www.gartner.com/newsroom/id/2636073 .[accesed 17 December 2014] Modbus, 2013, Modbus Application Protokol V1.1b3. Modbus Organization inc
255
