PLC PWM Modülasyonu ile DC Motor Hiz

T.C.
KARABÜK ÜNİVERSİTESİ
MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ
MEKATRONİK MÜHENDİSLİĞİ
PLC PWM MODULASYONU İLE DC MOTOR HIZ
KONTROL UYGULAMASI
LİSANS BİTİRME TEZİ
Hazırlayanlar
Beytullah DÖNMEZ
2013210226008
Celal ACAR
2013210226005
Proje Danışmanı
Yrd.Doç.Dr. Bektaş ÇOLAK
KARABÜK-2017
İÇİNDEKİLER
Sayfa
İÇİNDEKİLER ...................................................................................................................... 1
ŞEKİLLERİN LİSTESİ......................................................................................................... 3
KABUL VE ONAY............................................................................................................... 4
ÖNSÖZ .................................................................................................................................. 5
ÖZET ..................................................................................................................................... 6
BÖLÜM 1 .............................................................................................................................. 7
1.1. Giriş ............................................................................................................................ 7
1.2. PLC Tarihçesi ............................................................................................................. 8
1.3. PLC Program Yazılım Dilleri………..………….……………………….…………11
1.3.1. Kontak Plan (LADDER Plan) …………………………...…….……...…....…11
1.3.2. Fonkiyon Plan (FBD)…………………………………………………………..12
1.3.3. Deyim Listesi (STL)……………………………………………………….…..12
1.4. Siemens S7-1200 Serisi PLC …………………………………………………….. 13
1.4.1. PLC PWM Modulasyonu………………………………………………………14
1.5. Scada Sistemleri……………………………………………………………………15
1.5.1. Siemens SCADA Sistemleri: Simatic WinCC……………………...…………..17
1.6. Fırçalı DC Motor ……………………………………………………….…………18
1.6.1. Stator………………………………………..……………………...…………..18
1.6.2. Endüvi (Rotor)……………………………..……………………...….………..19
1.6.3. Fırça………………………..……………………………………...…………...19
1
1.6.4. Kollektör…….……………………………..………………………..…………..19
1.6.5. Encoder……………………………………………………………...…………..20
1.6.6. Projede Kullanılan Motorun Genel Özellikleri……………………..…………..21
BÖLÜM 2 ............................................................................................................................ 22
2.1. Güç Bileşenlerinin Tanımlanması ............................................................................ 22
2.1.1. H Köprüsü ......................................................................................................... 22
2.1.2. Güç Transistörleri .............................................................................................. 23
2.1.3. Optakuplor ......................................................................................................... 24
2.1.4. Diyot .................................................................................................................. 25
BÖLÜM 3 ............................................................................................................................ 26
3.1 Sistemin Modellenmesi Ve Proje Çizimleri .............................................................. 26
3.1.1. DC Motor Hız Kontrol Diyagramı .................................................................... 26
3.1.2. DC Motor Tork Analizi ..................................................................................... 27
3.2. PID Kontrolü ............................................................................................................ 27
3.3. Sistemin Elektriksel Eşdeğeri ................................................................................... 28
3.3.1. Kontrol Paneli .................................................................................................... 29
3.4. Sonuç ........................................................................................................................ 30
BÖLÜM 4 ............................................................................................................................ 31
4. 1 Kaynakça .................................................................................................................. 31
4.2. Ekler ......................................................................................................................... 32
ÖZGEÇMİŞ……………………………………………………………………….……….38
2
ŞEKİLLERİN LİSTESİ
Şekil
Sayfa
Şekil 1.1.................... Allen Bradley Plc 3 .......................................................................... 7
Şekil 1.2.................... Ladder Diyagram Örneği ............................................................... 11
Şekil 1.3.................... FBD Program Örneği. .................................................................... 12
Şekil 1.4.................... STL Program Örneği ...................................................................... 12
Şekil 1.5.................... Simens S71200 1211C ................................................................... 14
Şekil 1.6.................... PWM Modulasyonu ....................................................................... 15
Şekil 1.7.................... Scada .............................................................................................. 15
Şekil 1.8.................... Dc Motorun Genel Yapısı .............................................................. 18
Şekil 1.9.................... Enkoder .......................................................................................... 20
Şekil 1.10...................Artırımlı Enkoder Yapısı ............................................................... 20
Şekil 1.11...................47:1 Redüktörlü DC Motor. ........................................................... 21
Şekil 2.1.................... Motor Sağ Yön Çalışma ................................................................. 22
Şekil 2.2.................... Motor Sol Yön Çalışması ............................................................... 22
Şekil 2.3.................... H Köprüsü Tasarımı……………………………………………... 23
Şekil 2.4.................... Güç Transistörleri Yapısı ............................................................... 23
Şekil 2.5.................... Optakuplor Yapısı ......................................................................... .24
Şekil 2.6.................... Sürücü Devrelerinde Diyotların Kullanımı……………….………25
Şekil 3.1.................... Dc Motor Kontrol Akış Şeması. .................................................... 26
Şekil 3.2.................... DC Motor Tork Grafikleri……………………………………….. 27
Şekil 3.3.................... Güç Transistörleri Yapısı ............................................................... 27
Şekil 3.4.................... PID Parametleri ............................................................................. 28
Şekil 3.5.................... Sistemin Elektrik Devresi ……………….…………………….…28
Şekil 3.6.................... Kontrol Paneli ................................................................................ 29
3
4
ÖNSÖZ
Günümüzde hızla gelişen ve değişen , endüstriyel otomasyon alanında çok yaygın olarak
kullanılan PLC teknolojisi kullanıcılara birçok farklı çözüm üretmektedir.
Seri üretim hatlarında, analog ve dijital giriş çıkışlara sahip PLC’ler yüksek performans,
ortamdaki olumsuz şartlardan (nem, elektro manyetik alan,ısı) etklilenmemeleri, giriş ve
çıkışlarındaki değişimlere çok hızlı cevap vermeleri, programlama arayüzünün birkaç
farklı programlama seçeneği sunması vb avantajlarından dolayı endüstriyel otomasyon
teknolojisinde son derece kullanışlı mikrodenetleyicilerdir.
Bu proje çalışmasında PLC kullanılarak bir Dc motorun hız kontrolü PID parametleri
kullanılarak yapılmıştır.
Bu konuda çalışma yapmamıza olanak sağlayan, çalışmanın her aşamasında yoğun ilgisini
değerli destek ve önerilerini eksik etmeyen kıymetli hocamız Doç. Dr. Bektaş Çolak'a ve
Elektrik Mühendisi Ercan Sever’e teşekkürü borç biliriz.
Haziran 2017, KARABÜK
Beytullah DÖNMEZ
Celal ACAR
5
PLC PWM MODULASYONU İLE DC MOTOR HIZ
KONTROL
ÖZET
Bu proje çalışmasında PLC kullanılarak bir DC motorun hızı değişen yükler altında kontrol
edilmiştir.
Motorun hız bilgisi mile bağlı bir encoderden alınmıştır.Giriş ve çıkış değerleri arasında
oransal kontrolü PID parametresi kullanılarak dengelenmiştir.PID sürücü devresine
uygulanan giriş değeri ile encoderden gelen gerçek hız bilgisini sürekli olarak karşılaştırıp,
çıkış değerini değişen yüklere karşı dengelemektedir.
Pojede motorun güç devresi güç transistörleri kullanılarak bir H köprüsü ile
oluşturulmuştur.Kontrol ve güç katı birbirinden optacuplor ile ayrılmıştır.
Proje S71200-1211C Siemens PLC kullanılmıştır.PWM, PID parametleri Tia Portal
proğramı ile programlanmıştır.
Anahtar Sözcükler: Pwm, DC Motor Hız Kontrol, PLC, H Köprüsü, PID denetleyicisi
6
BÖLÜM 1
1.1 GİRİŞ
Sistemde kullanılan motor her iki yöndede çalışacağı için, PLC çıkışlarının iki tanesi
PWM modulator olarak atanır.Motorun ideal çalışması frekansı her iki yönde atanan PLC
çıkışlarına uygulanır.
PLC çıkışları doğrudan güç devresine uygulanamaz.Güç ve kontrol katı bir optacuplor
aracılığı ile birbirinden elektriksel olarak ayrılır.
Motorun hızı devir/dk cinsinden ifade edilir.Motorun hız bilgisini okumak için kullanılan
sensor iki kanala sahip encoder (hall sensoru) frekans cinsinden saniyede 48 CPR bir
sinyal üretir.
PLC’lerin çevrim süresi encoderin çok hızlı değişen frekansını yakalayamaz.Ancak ozel
bir komut olan HSC High speed counter, (Yüksek hızlı sayıcı) komutu kullanılarak
encoderin çok hızlı değişen frekansını okuyabilir.
7
1.2 PLC Tarihçesi
Şekil 1.1 Allen Bradley Plc 3
PLC’ler ilk olarak 1960’lı yılların sonunda ortaya çıktı. Böyle bir cihazın dizayn
edilmesinin temel nedeni röle tabanlı makine kontrol sistemlerinde bozulan rölelerin
değiştirilmesi işlemlerinin çok masraflı olmasıdır. İlk olarak Bedford Associates
(Bedford, MA) firması Modular Digital Controller (MODICON) adlı bir cihazı Amerikan
araba üreticilerine tanıttı.Başka diğer firmalar da o sıralarda bilgisayar tabanlı sistemlerini
ilan ettiler (örn. PDP-8). Ancak MODICON 084 dünyanın ilk ticari PLC’si olarak
piyasaya girdi.
Eskiden üretim gereksinimleri değiştikçe kontrol sistemleri de değişirdi .Değişim çok sık
olduğu zaman kontrol sistemlerinin de değiştirilmesi çok pahalıya mal oluyordu. Mekanik
elemanlar olan rölelerin sınırlı ömürlere sahip olması yüzünden devamlı olarak bakım ve
onarıma ihtiyaç duymaları dezavantajlarıydı.
Üretilecek yeni tip kontrollörler bakım ve işletme mühendisleri tarafından bile kolayca
programlanabilmeliydi. Ömürleri uzun olmalı ve program değişiklikleri ise kolayca ve
çabucak
yapılabilmeliydi.Ayrıca
çalışacaklardı.Bütün
bu
bu
ihtiyaçlara
cihazlar
cevap
çok
kötü
verebilmek
endüstriyel
için
üreticiler
ortamlarda
herkesin
anlayabileceği bir dilde programlanacak ve mekanik parçalar yerine katıhal elemanları
kullanacak cihazları geliştirdiler.
8
1970’li yılların ortalarında PLC’lerde kısmen ardışık durum makinaları diye adlandırılan
bir teknik, kısmen de düşük bitli mikroişlemciler kullanılıyordu.AMD 2901 and 2903
mikroişlemcileri o zamanın Modicon ve A-B marka PLC’lerinde en sık kullanılan
işlemcilerdi.Ancak bu eski işlemciler, küçük PLC lerin haricindeki diğer büyük PLClerde
ihtiyaçlara cevap veremiyorlardı.Bu işlemciler de geliştikçe orta ve büyük çaplı tüm
PLC’ler mikroişlemci tabanlı olmaya başladılar. Ancak buna rağmen A-B PLC3 serisi
hala eski AMD2903 işlemcisini kullanmaya devam etmektedir.
PLC’ler ilk olarak 1973’te haberleşme yeteneklerine sahip olmaya başladı.Böyle ilk
sistem Modicon’un MODBUS sistemidir .Artık bir PLC başka PLC’lerle konuşabiliyor ve
kontrol ettikleri makinalardan uzakta bulunabiliyorlardı. Ayrıca değişik mertebelerde
gerilim gönderip alarak da analog dünyaya giriş yapmışlardı. Ancak ne yazık ki, hızla
değişen teknolojide uyulacak bir standartın olmaması PLC haberleşmeleri konusunda çok
sayıda ve birbirleriyle uyumsuz protokollerin ve fiziksel ağların ortaya çıkmasına neden
olmuştur.
1980’lerde General Motors’un çıkardığı MAP adlı üretim otomasyon protokolü ile ilk
standartlaştırma adımı atıldı .Bu yıllar PLC’lerin boyutlarının da düşürüldüğü yıllardı.
Yine bu yıllarda, PLC’lerin programlanması için programlama terminalleri veya el
terminalleri yerine bilgisayar tabanlı sembolik programlama yazılımları da ortaya çıktı.
1990’lı yıllarda ise yeni protocol tanıtımlarının azaldığı ve 80’lerden kalan popüler bir
takım protokollerin fiziksel katmanlarının modernize edildiği yıllardır. En son çıkan IEC
1131-3 standartı tüm PLC programlama dillerinin tek bir uluslararası standart çatısı
altında toplamayı hedeflemektedir. Günümüzdeki PLC’ler aynı anda fonksiyon blok
diyagramları yöntemi, komut listesi yöntemi, ladder, C ve yapısal metin programlama
yöntemleri gibi tüm tekniklerle programlanabilmektedirler.
PLC’ler fabrika kontrolünde popülerliğini artırmaya devam etmektedir ve muhtemelen de
belirli bir süre de hakim unsur olarak kalacaktır. Bunun nedeni de PLC’lerin sunduğu
avantajlardır.
9
• Karmaşık sistemlerin kontrolünde en ekonomik çözüm sunması.
• Esnek yapıya sahip ve başka sistemlere kolay ve çabucak uygulanabilir.
• Hesaplayıcı ünitelere sahip olmasından ötürü sofistike kontrolleri gerçekleştirebilir.
• Programlaması ve arıza takibi kolaydır.
• Güvenilir parçalardan oluştuğu için yıllarca sorunsuz çalışabilir.
Bir PLC kabaca bir CPU (Merkezi İşlemci Birimi), bellek alanları ve giriş/çıkış bilgilerini
alıp verecek uygun devrelerden oluşur. PLC’yi yüzlerce veya binlerce adet ayrı röleler,
sayıcılar, zamanlayıcılar ve veri saklama yerlerinden oluşmuş bir kutu gibi düşünebiliriz.
Bu kadar eleman aslında fiziksel olarak mevcut değildir. Sadece simule edildiklerini ve
sanal olarak yazılımca yaratıldıklarını düşünebiliriz. Bu dahili röleler registerlarda
(yazmaç) bulunan bit konumlarında simüle edilirler.
Dahili Röleler (Kontaklar); Bunlar dış dünyaya bağlanır.Fiziksel olarak vardırlar ve
switch (anahtar), sensor (algılayıcılar) vs gibi elemanlardan sinyal alırlar.Röleden çok
transistor olarak imal edilirler.
Dahili Yardımcı Röleler (Kontaklar); Ne fiziksel olarak vardırlar ne de dışarıdan bir
sinyal alırlar. Simüle edilmiş veya sanal röleler diyebiliriz. Bunlar sayesinde PLC’nin
harici rölelere olan ihtiyacı azaltılmış olur. Bazen de, sadece bir tek özel iş için ayrılmış
röleler vardır. Bazı röleler her zaman açık, bazıları da kapalı olabilir. Bir kısmı da sadece
enerji verilmesi anında çalışırlar. Bunlar genellikle ilk başlatma işlemlerinde kullanılır.
Sayıcılar; Bunlar da aslında yokturlar. Pulse (darbe) sayabilmek için yazılımca
oluşturulan sanal sayaçlardır.Standart olarak yukarı, aşağı ve hem aşağı hem yukarı
sayabilme yetenekleri vardır. Yazılımca oluşturuldukları için sayma hızları sınırlıdır.Bazı
üreticiler donanım tabanlı yüksek süratli sayıcılar üretirler.Bu durumda onları fiziksel
olarak var sayabiliriz.
Zamanlayıcılar; Fiziksel olarak yokturlar. Değişik tiptedirler. En yaygın kullanılanı ondelay (açmada gecikmeli) tipidir. Diğerleri kapamada gecikmeli, kalıcı ve kalıcı olmayan
olarak adlandırılabilir. Artış miktarları 1 ms ile 1 s aradındadır.
10
Çıkış Röleleri (Bobinler); Bunlar dış dünyaya bağlanan fiziksel bağlantılardır.Selenoid,
lamba vs gibi elemanlara sinyal gönderirler. Transistör, röle veya triyak gibi elemanlardan
imal edilebilirler.
Veri Saklama; Bir veriyi saklamak için yazmaçlar kullanılır. Bu yazmaçlar matematiksel
işlemler ve veri işlemleri için geçici saklama yerleridir. Ayrıca enerji gittiğinde bilgileri
saklamak için de kullanılabilirler. Enerji geri geldiğinde kesintiden önceki bilgileri
saklarlar.
1.3 PLC Program Yazılım Dilleri
1.3.1 Kontak Plan (LADDER Plan)
Ladder plan, röle ve kontaktörlerlerle yapılan klasik kumanda devrelerinin çizimlerine
benzeyen grafiksel bir programlama şeklidir. Ladder plan gerçek elektrik devrelerinde
olduğu gibi bir enerji kaynağından kontaklar aracılığıyla akan enerjiyi sembolize etmek
şeklinde kullanıcıya kolay gelebilecek bir programlama mantığına sahiptir. Ladder
programında sol tarafta gösterilen dikey çizgi enerji kaynağını gösterir. Kapalı kontaklar
enerji akışına izin verirken açık kontaklar enerji akışına izin vermezler. Ladder plan
yöntemi daha çok elektrik eğitimi almış kişiler ve yeni başlayanlar için uygundur. Şekil
1.2’de LADDER yöntemiyle yazılmış program örneği görülmektedir.
Şekil 1.2 Ladder Diyagram Örneği
11
1.3.2 Fonkiyon Plan (FBD)
FBD yöntemi, lojik kapıların kullanımına dayanan ve şematik bir gösterim şekli sunan
programlama şeklidir. Burada kullanılan lojik semboller kutular şeklinde gösterilir.
Sembollerin sol tarafında giriş sinyalleri, sağ tarafında ise çıkış sinyalleri bulunur. Bu
yöntem dijital elektronik eğitimi almış kişilerce daha rahat kullanılabilir. Şekil 1.3’te FBD
yöntemiyle yazılmış program örneği görülmektedir.
Şekil 1.3 FBD Program Örneği
1.3.3 Deyim Listesi (STL)
STL yönteminde PLC’nin türüne ve markasına göre aynı işlevi gören fakat yazılım
şeklinde küçük farklılıklar olan komutlar kullanılır. Bir komut yapılan işlemi belirten
Mnemonic ve üzerinde işlem yapılan hafıza alanlarını gösteren operantlardan oluşur. Bu
yöntem cihazın, makina koduna en yakın gösterim şekli olduğundan çok geniş
programlama imkanları sunar. STL yöntemi bilgisayar teknolojisine yatkın kişilere hitap
eder.STL, FBD ve LADDER yöntemiyle yazılan programlar hatasız yazılmış ve
derlenmiş olmak şartıyla birbirinin stillerine dönüştürülebilir. Şekil 1.4’te STL yöntemiyle
yazılmış program örneği görülmektedir.
Şekil 1.4 STL Program Örneği
12
1.4 Siemens S7-1200 Serisi PLC
Yapılan çalışmada S7-1200 serisi 1211C DC/DC/DC PLC kullanılmıştır. PLC’lerin genel
çalışması yapısı programlama mantıklarından kısaca bahsetmekmek gerekirse;
PLC (Programlanabilir Mantıksal Denetleyici, İngilizce: Programmable Logic Controller)
fabrikalardaki imalat hatları veya makinelerin kontrolü gibi işleçlerin denetiminde
kullanılan özel bilgisayar.
Genel kullanımlı bilgisayarların aksine PLC birçok girişi ve çıkışı olacak şekilde
düzenlenir ve elektriksel gürültülere, sıcaklık farklarına, mekanik darbe ve titreşimlere
karşı daha dayanıklı tasarlanırlar. PLC'lere denetleyeceği sistemin işleyişine uygun
programlar yüklenir. PLC programları, giriş bilgilerini milisaniyeler mertebesinde hızla
tarayarak buna uygun çıkış bilgilerini gerçek zamanlıya yakın, cevap verecek şekilde
çalışırlar.
Günümüzde diğer programlanabilir bilgisayarlarla arasındaki farklılıklar giderek
azalmaktadır. PLC bir bakıma monitörü ve klavyesi bulunmayan bir bilgisayar gibidir.
Mikroişlemcilerin maliyeti daha düşük olmasına rağmen, PLC'lerin tercih edilmelerinin
sebebi; elektronik tasarım için harcanacak zamanı en aza indirmesidir. Aynı zamanda
endüstriyel ortamların sahip olduğu koşullardan (manyetik alan, büyük sıcaklık farkları,
toz vb.) etkilenmeden çalışabilen hazır çözümler olmalarıdır.
Bir fabrikanın tüm otomasyon işlerini yüklenebilecek kadar Giriş/Çıkış sayısına sahip
PLC'ler bulunmaktadır. Günümüzde geliştirilen modüler yapıdaki PLC'lere gerektiğinde ek
giriş-çıkış modülleri, RS232, RS485, modem, ethernet gibi haberleşme modülleri
eklenebilmektedir. Bu gibi özelliklerle mevcut yapı geliştirilebilmektedir. Ayrıca birçok
modelde proses kontrolüne yönelik hazır on-off (aç-kapa), PID, Fuzzy (Bulanık) vb.
tiplerdeki kontrolörler standart olarak bulunmaktadır.
13
Şekil 1.5 Simens S71200 1211C
Projede Şekil 1.5’te gösterilen 1211C serisi PLC kullanılmıştır. 6 dijital girişe (I) 4 dijital
çıkışa (Q) ve iki analog girişe (AI) sahip 25Kb program hazıfazasına, (harici hafıza kartı
takılarak hafıza boyutu yükseltilebilir) DC giriş ve çıkışlara sahip, transistor çıkışlı
yapıdadır.
1.4.1 PLC PWM Modulasyonu
PWM (Pulse Width Modulation-Darbe Genlik Modülasyonu) tekniği, iki durumlu dijital
sinyalleri kullanarak analog bir ortalama değer oluşturmaya yarar. Üretilen bir kare
dalgada ON-OFF süreleri ayarlanarak sisteme verilen güç ayarlanabilir. PWM analog
olarak elde edilebileceği gibi mikrodenetleyiciler üzerinden de elde edilebilir.
PWM sinyali anahtarlama ile elde edilir. Burada önemli olan iki kavram vardır. Bunlar
frekans ve duty cycle (görev döngüsü) dır.
Duty Cycle: Sinyalin ON süresinin sabit T periyoduna oranıdır. Yüzde olarak ifade
edilebilir ve her zaman 0-1 arası bir değer alır. Bir PWM sinyalinin ortalama değeri, duty
cycle ile doğru orantılıdır ve D * Vmax + (1-D) * Vmin olarak bulunur.
14
Şekil 1.6 PWM Modulasyonu
Frekans: PWM frekansı sürülecek elemana göre özenle seçilmelidir. Transformatör, DC
motor gibi elemanlar anahtarlanırken frekansın insan kulağının duyma frekansları olan
20Hz-20kHz dışında seçilmesi gerekir. Aksi taktirde devre çalışırken rahatsız edici sesler
çıkarabilir. DC motorlarda frekans arttıkça tork azalır. Bu durumda tork ile gürültü
arasında uygun bir seçim yapmak gerekir. Anahtarlamalı güç kaynaklarında frekans bobin
değerlerini küçültürken anahtarlama kayıplarını artırır bu yüzden yine burada da frekans
konusunda uygun bir seçim yapmak gerekir.
1.5 Scada Sistemleri
Şekil 1.7 Scada
15
Bir sistemi tek bir merkezden denetlemek, izlemek ve kontrolünü sağlamak günümüzde
oldukça önemlidir. Bu sebeple SCADA sistemleri, enerji yönetimindeki en önemli
etkenlerden biridir. SCADA sistemleri, endüstriyel tesislerde veya işletmelerdeki tüm
ekipmanların kontrolünü, tesise veya işletmeye ait tüm birimlerin otomatik kontrolünü ve
yönetimini sağlar. Siemens bu konuda Simatic WinCC SCADA Sistemi ile kullanıcılara
büyük kolaylıklar sağlıyor.
PLC’ler endüstriyel otomasyonun her alanında genel amaçlı kumanda ve otomasyon
işlemleri için kullanıcılara çok etkili çözümler sunmaktadır. SCADA sistemleri ise
endüstriyel tesis veya işletme içinde geniş alana yayılmış cihazların bir merkezden
bilgisayarlar aracılığıyla kontrol edilmesini, gözetlenmesi ve yönetimini sağlar. Böylece
sistem, programlanmış veya tasarlanmış bir mantık çerçevesinde işletilir ve geçmiş zamana
ait bilgiler saklanır.
SCADA sistemleri ile bir tesisin, santralin, fabrikanın, işletmenin veya bir binanın kontrolü
tek bir merkezden sağlanabilmektedir. Bir sistemi tek bir yerden kontrolünü sağlamak, o
sistemin yönetimi için büyük avantajlar sağlar. Üretim ve tüketim verileri her an kayıt
altına alınır ve analiz edilebilmektedir. Sistemin enerji takibi yapılır. Bu sayede enerji
tasarrufu sağlanabilir. Yani SCADA sistemlerinin enerji verimliliğine katkısı büyüktür.
Enerji yönetilerek enerji tasarrufu yapılır. Enerji yönetimini de SCADA sistemleri
yapmaktadır.
Ayrıca SCADA sistemleri sayesinde endüstriyel tesislerde meydana gelebilecek bir
durumdan önce haber alınması ve anında müdahale edilmesi sağlanabilir. Bu müdahaleler
kayıt altına alınabilmektedir. Arıza riski olan bölgeler tespit edilebilir. Kompanzasyon vb.
sistemlerde tesislerin ceza alması önlenebilir.
16
1.5.1 Siemens SCADA Sistemleri: Simatic WinCC
Enerji yönetiminde ve otomasyon alanında önde gelen firması Siemens, Simatic WinCC
SCADA yazılımı ile SCADA sistemlerinde en çok tercih kullanılan ürünüdür. Çok yönlü
ve çok dilli uygulamaları ile dünyanın farklı yerlerinde kullanılabilen bir yazılım olan
Simatic WinCC, Windows işletim sisteminin olanaklarını kullanarak otomasyon
konusunda endüstriyel uygulamalarda verimli arayüzü ile önemli ayrıcalıklar sağlar.
Çoklu dokunmatik uygulaması, tasarım şablonları, mobil olarak çözümler sunabilmesi ve
her türlü donanıma entegre olabilmesi gibi birçok avantajı barındıran Simatic WinCC
SCADA yazılımı kullanıcılara büyük kolaylıklar sağlamaktadır. Sürekli güncellenen ve
geliştirilen WinCC SCADA yazılımının birçok versiyonları mevcuttur. Kullanıcılara
yapmak istedikleri tüm işlem akışının kolay bir yoldan tüm yönleriyle otomatik olarak
gözleyip, kontrol edilmesine imkan tanır.
Simatic WinCC, güçlü arşivleme ve yüksek veri güvenlik sistemini etkin bir mühendislikle
birleştirerek işletmelerde üretkenliğin ve verimliliğin artmasını sağlar. Etkili kontrol
sistemi ve akıllı üretim analizi ile kullanıcılara kolaylık sağlar. Böylece sistem
operatörlerinin endüstriyel tesislerdeki kritik noktaları tespit dilmesi sağlanır. Düşük
maliyet ve verimlilik açısından tesis için optimizasyon çalışmalarının yapılması sağlanır
Simatic WinCC yazılımının yeni versiyonları geliştirilmektedir. WinCC, herhangi bir
zamanda herhangi bir yerde mobil olarak SCADA çözümleri de sunabilmektedir. Mobil
uygulamalar tabletler ve akıllı telefonlar içinde geçerlidir. Ayrıca çoklu dokunmatik
operatör kontrol konsepti, yakınlaştırma ve ekran kaydırma gibi sezgisel işlemler, operatör
işlemlerini daha kolay getirir..
Simatic WinCC sisteminin ölçeklenebilmesi en büyük avantajlarındandır. Sistem kontrolü,
tek kullanıcılı bir istasyondan, sunuculu/istemcili çözümlere kadar her türlü sistemin
gereksinimi sağlanacak şekilde genişletilebilir.Simatic WinCC, esnekliği, açıklığı, çok
yönlü ve çok dilli konfigürasyonları ile dünyanın en çok kullanılan SCADA sistemidir. Var
olan her donanıma kolayca entegre olabilen WinCC, merkezi olarak değiştirilebilen
tasarım şablonları ile kullanımı kolaydır.
17
1.6 Fırçalı DC Motor
Elektrik enerjisini, mekanik enerjiye çeviren elektrik makinasına doğru akım motoru
denir. Doğru akım motorlarına DA motor veya DC motor da denilmektedir. Buna bağlı
olarak doğru akım makinası, doğru akım genaratörü yada doğru akım motoru olarak da
çalıştırılabilir.
Şekil 1.8 Dc Motorun Genel Yapısı
Herhangi bir iletkene doğru akım uygulandığında iletken, sabit bir manyetik alan
meydana getirir. N ve S kutuplarından meydana gelen bu sabit manyetik alan etki alanının
içindeki iletken cisimlere yada farklı manyetik alanlara sabit mıknatısın gösterdiği etkiyi
gösterir. İletken cisimleri çeker, aynı kutuplu manyetik alanları iter; farklı kutuplu
manyetik alanları çeker. N kutbundan S kutbuna doğru meydana gelen bu kuvvete
manyetik akı adı verilir. Doğru akım motorları, duran ve dönen kısımlardan meydana
gelir. Duran kısım stator, dönen kısım ise rotordur.
1.6.1 Stator
Stator makinanın dış tarafında kalan, duran kısmıdır. Karkas üstüne yerleştirilen ana ve
yardımcı kutuplar ve bunlar üstündeki sargılardan meydana gelir. Mıknatıs 18lanine
sağlar. Makinadaki sargılar doğru akımla beslenir. Doğru akım motorlarında manyetik
alan endüktörde oluşur. Aynı zamanda endüktöre kutup da denir.
18
1.6.2 Endüvi (Rotor)
Endüvi, iletkenleri taşıyan ve gerilim indüklenen bölümdür. Doğru akım motorlarının
dönen kısmına endüvi denir. Endüvi milinden mekanik enerji alınır. Rotor mıknatıs
alanında döner. Stator ile rotorun bir ortak yönü vardır. Her ikisinde de saç paket ve
bobinler bulunur. Endüvi, çelik bir mil üzerine preslenmiş rotor sac paketlerinden, bu sac
paketi oluklarına döşenmiş endüvi sargılarından ve sargı uçlarının bağlandığı bir
kollektörden oluşur. Rotor akımı, fırça adını verdiğimiz (yayların bastırdığı) kömür
çubuklarla kollektör denilen bakır lamalardan meydana gelen kısımdan verilir.
1.6.3 Fırça
Dış devrede ki akımı, fırçalar yardımı ile endüviye ileten sistemde doğru akım motorları
kullanılır. İletimi iyi sağlayan ve aşınmayı asgariye indiren fırça kullanılır. Yani aşınmayı
fazlalaştıran saf bakır kullanılmaz. Kolektör ile elektriksel bağlantıyı sağlayan kömürden
yapılmış fırçalar, fırça tutucuları ve fırça taşıyıcıları monte edilmiştir. Fırçalar, makinanın
akım ve gerilimine göre sert, orta, yumuşak karbonlardan imal edilirler. Bazen iletkenliği
arttırmak için karbon bakır alaşımlı yapılırlar.
1.6.4. Kollektör
Kollektör sayesinde doğru akım motorlarında endüviye gerilimin iletilmesi sağlanır.
Statorda üretilen alternatif gerilim kolektör tarafından doğrultulur ve kolektör üzerine
temas eden fırçalar yardımı ile dış devreye iletilir. Kollektör birbirinden tek tek yalıtılmış
sert bakır levhalardan oluşur. Bu levhalar bakalit dökümü veya mekanik bir sıkıştırma
yöntemi ile birleştirilmiştir. Endüvide üretilen alternatif gerilim, kollektör tarafından
doğrultulur ve kollektör üzerine temas eden fırçalar yardımıyla dış devreye
iletilir. Kollektör dilimleri yüksek ısıya dayanıklı sert bakırdan yapılır.
19
1.6.5 Enkoder
Şekil 1.9 Encoder
Encoder dönme hareketini ardışık sayısal sinyallere çevirerek dönme hızı ve dönme sayısı
hakkında bilgi verir. Manyetik veya optik olarak çalışır. Doğrusal ve döner olmak üzere
ikiye ayrılır.
Döner encoderlar da konum bilgisinin veriliş tarzına göre artımlı ve mutlak olmak üzere
ikiye ayrılır. Optik sensörlerde ışık kaynağı, alıcı ve üzerinde yarık ya da çizgiler kullanılır.
Artımlı (incremental) encoderda disk yarıklı ise ışık, yarıktan geçerek alıcıya gelir.
Yansımalı tipte ise ışık, üzerine siyah ve beyaz çizgiler çizilmiş disk üzerinden yansır.
Şekil 1.10 Artırımlı Enkoder Yapısı
20
Dönüş yönü için iki sıra hâlinde dizilmiş yarıklar kullanılır. Alttaki yarıkla üstteki yarık
arasında çeyrek açıklık vardır. Üstteki yarıktan gelen sinyale A, alltan gelen sinyale B
kanalı denir. Mil döndükçe mil hızıyla orantılı bir frekansta bu kanallarda pulse üretilir. Bu
iki sinyal arasındaki faz farkı dönme yönü konusunda bilgi verir. Örneğin A kanalı B’ye
göre önde ise mil saat yönünde döner. Disk üzerindeki yarık sayısı encoderin
çözünürlüğünü verir. Diskte 1024 yarık ya da iz var ise bu encoderın çözünürlüğü 1024
adım/tur olarak verilir. Her bir kanaldaki pulse sayısı ve çözünürlük bilinirse milin açısal
konumu tayin edilir. Encoderlarda çoğunlukla üçüncü bir kanal daha bulunur. Z ya da
indeks kanalı denilen bu kanal, her turda bir pulse üretirek milin dönme sayısı hakkında
bilgi verir. Ayrıca mekanizmalarda başlangıç konumuna gelmek için bir referans sinyali
olarak da kullanılır.
1.6.6 Projede Kullanılan Motorun Genel Özellikleri
Şekil 1.11 47:1 Redüktörlü DC Motor
Çalışma Voltajı: 12V
Hız: 210 Rpm
Boşta Çektiği Akım: 300mA
Zorlanma Akımı: 5.6A
Redüktör Çapı: 25mm
Mil: 4mm D Şaft Ortadan Çıkışlı
Mil Uzunluğu: 12.5mm
Zorlanma Torku: 12 kg- cm
21
BÖLÜM 2
2.1 Güç Bileşenlerinin Tanımlanması
2.1.1 H Köprüsü
H köprüsü DC motor yön ve hız control devrelerinde mutlaka kullanılması gereken
sürücülerdir.Genel olarak 4 adet güç transistörü, mosfet ,JFET kullanılarak istenilen güçe
uygun H köprüsü tasarımları yapılabilir.
Şekil 2.1 Motor Sağ Yön Çalışma
Şekil 2.2 Motor Sol Yön Çalışma
Şekil 2.1. ve şekil 2.2’de bir Dc motor sürücü H köprüsü devresinde, collektörler arasına
bağlanan bir Dc motorun sağ-sol çalışma prensibi gösterilmiştir.Burada dikkat edilmesi
gereken husus motoru kısa devre etmemektir.Bu yüzden hem sağ hem sol yön sinyalleri
birlikde güç transistörlerine uygulanmamalıdır.
22
Şekil 2.3 H Köprüsü Tasarımı
Projemizde Şekil 2.3’de devre şeması gösterilen H köprüsü tasarlanmış ve simulasyonu
ISIS programında yapılmıştır.Devrede güç transistörleri doğrudan optacuplerin çıkışından
değil bir düşük güçlü 2N2222 tip NPN transistor ile sürülmüştür.Devredeki diyotlar
parazitleri engellemek ve ters EMK’ları ortadan kaldırmak için kullanılmıştır.
2.1.2 Güç Transistörleri
Projede iki adet TIP142 NPN, ve TIP147 PNP darlington güç transistörü kullanılmıştır.
Darlington bağlantısı ya da Darlington çifti, aynı tür iki ya da üç BJT'nin (Bipolar
Jonksiyonlu Transistör) birbirlerine doğrudan bağlanmaları ile oluşturulan elektronik devre
yapısıdır.
Şekil 2.4 Güç Transistörleri Yapısı
23
Darlington bağlantısı ile üretilmiş transistörler, genellikle güç kuvvetlendiricilerinin çıkış
katlarında tercih edilirler. Darlington çiftinin akım kazancı, yaklaşık olarak her iki
transistörün akım kazançları çarpımına eşittir. Örneğin 1. transistörün ileri yönde akım
kazancı βF1 = 50, 2. transistörün ileri yönde akım kazancı βF2 = 80 ise Darlington çiftinin
ileri yönde akım kazancı yaklaşık olarak;
βFD ~= βF1 x βF2 = 50 x 80 = 4000 'dir.
Görüldüğü gibi, aynı tür iki transistör Darlington yöntemiyle bağlandığında, çok büyük
akım kazançlarına ulaşırlar.
2.1.3. Optakuplor
Şekil 2.5 Optakuplor Yapısı
Elektriksel bir bağlantı olmadan düşük gerilimlerle, yüksek gerilim ve akımları kontrol
edebilen, yalıtım amaçlı kullanılan devre elemanına denir. Optokuplörün çalışması şekil
2.5’te görüldüğü gibi bir iletişim sistemi olarak düşünülebilir. Led’e bir giriş işareti
uygulandığında, yayılan ışık Fototransistör tarafından alınır ve tekrar elektriksel işarete
dönüştürülür.
Projede optakuplor 2 amaç için kullanılmıştır; ilk amaç olarak güç katı ve sinyal katını
birbirinden elektriksel olarak soyutlamak için kullanmıştır.PLC PWM outputundan 0-10V
arası üretilen PWM sinyali optakuplorun led ucuna bağlanmıştır.PWM sinyalin
frekansına göre led enerjilendikçe fototransistör iletime geçmiş optakuplor çıkışına bağlı
anahtarlama transistörü güç transistörlerini iletime geçirmiştir.PWM frekansına göre çok
hızlı olarak anahtarlama yapabilmesi için 4N25 tipi optakuplörler kullanılmıştır.
24
İkinci bir amaç olarakda motorun miline bağlı encoderin çalışma voltajı 3-20V arası
olarak datasheetde belirtilmiştir.Encoderin A ve B kanalı doğrudan PLC inputlarına
bağlanmıştır.Ancak PLC input, +24V seviyesindeki voltajları algılayabilmektir.Bizim
encoder çıkışlarından maksimum alabileceğimiz voltaj +20V’dur.Encoder çıkışlarından
alınan voltajı ayrı bir devre kullanarak +24V seviyesine yükseltmek yerine, encoder A ve
B kanalı 4N35 tip optakuplorın led anot ucuna bağlanmış, fototransitörün kollektör ucuna
+24V DC uygulanmış emiter ucuda PLC inputuna aktarılmıştır.Bu durumda encoder
çıkışları bir optakuplor yapısı içerisinde bir fototransistörü sürmüş, fototransistörün
Collektor-Emıter ucları arasıda +24V DC seviyesinde PLC’nin algılayabileceği voltaj
inputlara uygulanmıştır.Bölüm 3’de yapılan deneysel çalışmalar kısmında bu bölümün
elektriksel şeması detaylı olarak gösterilecektir.
2.1.4 Diyot
Şekil 2.6 Sürücü Devrelerinde Diyotların Kullanımı
Güç devresi uygulamalarında teoride öngörülemeyen ama uygulamada ortaya çıkan en
önemli problemlerin başında parazitler ve ters endüktif gerilimler gelir.Motorun durması
sırasında motor uçları arasındaki akım aynı anda sıfırlanamayacağı için, bir endüktif
gerilim meydana gelebilir ve bu gerilim transistörlere zarar verebilir.Bu nedenle sürücü
devresi tasarımlarında bu değişimlere hızlı cevap verebilen diyotlar ilave edilir.Böylece
güç devresi bileşenleri korunur, kaçak akımlar diyotlar üzerinde yok edilir.
25
BÖLÜM 3
3.1 Sistemin Modellenmesi ve Proje Çizimleri
3.1.1 DC Motor Hız Kontrol Diyagramı
Şekil 3.1 Dc Motor Kontrol Akış Şeması
DC
motor
kontrol
tasarlanmıştır.Sistemin
modeli
PID
blok
diyagramı
parametleri
TIA
Şekil
portal
3.1’de
gösterildiği
program
arayüzü
gibi
ile
programlanmıştır.Sürücü devreye uygulanan set değeri ve encoderden gelen hız bilgisi
sürekli olarak örneklenip karşılaştırılmıştır.
Dc motorlar yüke bindiklerinde güç devresinden çektikleri akım artar ama ters orantılı
olarak voltaj değeri düşer. Voltaj değeri düştüğünde motor hızı uygulanan voltaj ile doğru
orantılı olduğu için, motorun hızı da düşer. Bu durumda PID devreye girerek düşen hız
girişte uygulanan değere çıkarmak için PWM frekansını yükseltir.
26
3.1.2 DC Motor Tork Grafikleri
Şekil 3.2 DC Motor Tork Grafikleri
3.2. PID Grafikleri
Şekil 3.3 Motorun Yük Altında PID Grafiği
Şekil 3.3’de motor %60 ile çalışırken yük uygulanmış ve encoder çıkışından şekilde
görüldüğü gibi yük altında motorun hızının %56 seviyesine düştüğü gözlenmiştir.
27
Bu durumda PİD parametresi devreye girerek motora uygulanan set değerini %65’lere
çıkararak motorun %60 ile çalışmaya devam etmesini sağlamıştır.Sistemin yerleşme
süresi yaklaşık 3 saniyedir.
Şekil 3.4 PID Parametleri
3.3. Sistemin Elektriksel Eşdeğeri
Şekil 3.5 Sistemin Elektrik Devresi
28
Şekil 3.5’de sistemin bütün elektriksel bağlantıları Eplan Electric P8 programında
çizilmiştir.Sistemin bütün güç ve kontrol bağlantıları açıkca gösterilmiştir. E plan
elektriksel bağlantıları projelendirmek ve isimlendirmek için kullanılan bir arayüz olduğu
için H köprüsünün içerisindeki bağlantılar Şekil 3.5’da gösterilmiştir.
3.3.1 Kontrol Panel Ekranı
Şekil 3.6 Kontrol Paneli
Sistem TIA Portal programı içerisinde bulunan, WinnCC Scada panel tasarım
programıyla tasarlanan Şekil 3.6’da gösterilen sanal panel ile kontrol edilmektedir.WinCC
dünyada ilk IHMI (insan arayüz makine bütünleşmesi) yazılım sistemidir.Tasarladığımız
bir sistemi görsel olarak takip etmeyi, gerektiğinde müdahale etmeyi sağlayan çok amaçlı
bir yazılımdır.Bütün Siemens marka PLC’ler hem sanal hemde fiziki olarak WinCC ile
tasarlanan panellerle kolayca iletişimlendirilebilir.
Şekil 3.6’de gösterilen kontrol ekranında Dc motoru ileri geri yönde çalıştıracak butonlar,
PWM frekansı ayarlayabileceğimiz ve motoru istediğimiz değerde çalıştırabileceğimiz
skala, encoderden gelen bilgiyi ekrana yansıtan skala, PİD çıkışını gösteren skala
bulunmaktadır.Bunun yanında PWM frekansını, encoder frekansını, ve PİD çıkışını
29
grafiksel olarak gösteren bir ekran tasarlanmıştır.Siemens marka bir panele tasarımımız
yüklenerek sistem panel üzerinden fiziki olarak kontrol edilebilir.
3.4 Sonıçlar
DC Motor Plc Pwm Modulasyon hız kontrol uygulamalarında, Plc’den sürücü devreye
uygulanacak Pwm frekansı ilk olarak hesaplanmalı, güç devresindeki güç elemanlarının
güç harcamaları da hesaba katılmalıdır.Sürücü devrelerde ortaya çıkan elektriksel
parazitler, diyot kondansatör gibi devre elemanlarıyla ortadan kaldırılmalıdır.Plc ile güç
devresini birbirinden ayıran optakuplörün çalışma frekansı, Pwm frekansı ile çalışmaya
uyumlu olmalıdır.
Plc ile bir motorun hızını panel üzerinden veya yazılım üzerinden kontrol ederken,
potansiyometre
kullanırak
yapılan
hız
kontrol
devrelerini
kullanmaya
gerek
kalmamaktadır.Hız kontrol devrelerine oranla Plc Pwm modülasyonu ile hız kontrol çok
daha hassas hız kontrolü sağlamaktadır.
Endüstriyel otomasyon alanında Plc ile hız kontrol uygulamaları çok yaygın olarak
kullanılmaktadır.Amaca uygun olarak seçilen Plc’ler ile bir fabrikadaki bütün sistemler
hassas olarak kontrol edilebilir.
30
BÖLÜM 4
4.1 Kaynakça
[1] Yavuz Eminoğlu
‘‘ Plc Programlama ve S7 1200’’ Birsen Yayınevi, İstanbul 2015
[2] Ali Aktuna , Mustafa Uzun
‘‘Fırçasız Doğru Akım Motorunun PLC ile Hız Kontrolü ’’ Trabzon 2012
[3] Pololu DC Motor Sürücü Sitesi (2016)
https://www.pololu.com/product/3217
[4] Siemens Endüstriyel Çözümler Sitesi (2016)
http://www.siemens.com.tr/web/1293-11663-11/siemens_urunler___cozumler/siemens_urunler___cozumler/endustri/end_252stri_otomasy
onu
[5] S. Akpınar
‘‘Özel Elektrik Makinaları Ders Notları’’ Karadeniz Teknik Üniversitesi, Trabzon 2010
[6] MEGEP
‘‘Scada Sistemleri’’ Ankara 2007
31
4.2 Ekler
Plc ladder diyagramı ile programlanmıştır.
Network 1: Yön değiştirmede bekleme süresi
Network 2: İleri ve Geri Çıkışlarının Data Bloklarına Atanması
32
Network 3: İleri ve Geri Yönde Aynı Anda Çalışmayı Engelleme
Network 4: PWM
Network 5: Scada Ekranında Pwm Frekansının Skala Olarak Atanması
33
Network 6: PWM Parametlerini İleri-Geri Yönde Atama
Network 7: Rampa Fonksiyonu
Network 8: Skala
34
Network 9: Encoder
Network 10: Encoder minimum ve maksimum değerlerin atanması
Network 11: Encoder Skalasının Atanması
35
Network 12: Encoder Frekansını Skalaya Atama
Network 13: PID Skalasının Atanması
Network 14: PID Bloğu
36
Network 15: PID
Network 16: PID
Network 17: Çıkışların PLC’ye Atanması
37
ÖZGEÇMİŞ
Celal ACAR 1993 yılında Kastamonu’da doğdu, ilköğrenimi ve
ortaöğrenimini Fatih İlköğretim Okulun da, lise öğrenimini ise
Haydarpaşa
Teknik
Lisesinde
tamamladı.
2011
yılında
Kastamonu Üniversitesi Mekatronik bölümünü kazandı. 2013
yılında DGS (dikey geçiş sınavı) ile Karabük Üniversitesi
Mühendislik Fakültesi Mekatronik Mühendisliği bölümünü
kazandı ve öğrenim hayatına devam etmektedir.
İletişim Bilgileri
Adres: Fatih mah. Sümer cd. No:12/2
Sultanbeyli/İSTANBUL
E-posta: [email protected]
Telefon: +90 539 561 46 12
38
ÖZGEÇMİŞ
Beytullah
Dönmez
1992
yılında
Karabük’te
doğdu,
ilköğrenimi ve ortaöğrenimini Penyelüks Hasan Gürel
İlköğretim Okulun da, lise öğrenimini ise Nahit Menteşe
Endüstri Meslek Lisesinde tamamladı. 2011 yılında Tekirdağ
Namık Kemal Üniversitesinde Kontrol ve Otomasyon
Teknolojisi bölümünde önlisans eğitimini tamamladı. 2013
yılında DGS (dikey geçiş sınavı) ile Karabük Üniversitesi
Mühendislik Fakültesi Mekatronik Mühendisliği bölümünü
kazandı ve öğrenim hayatına devam etmektedir.
İletişim Bilgileri
Adres: Tevfikbey mahallesi Gökmen sokak.Yeni Özbirlik sitesi No:12
Küçükçekmece / İSTANBUL
E-posta: [email protected]
Telefon: +90 554 713 13 98
39