Endüstriyel Kumanda ve Otomasyon Sistemleri |
2. Bölüm

Endüstriyel kumanda ve otomasyon sistemleri, endüstri dünyasında PLC uygulamaları ve avantajlı bir takım tasarım yöntemleri ile gelişim göstermektedir. Yazı dizimizin bu bölümünde sektörde sıklıkla kullanılan PLC çeşitlerinden bahsettikten sonra tasarım detaylarına ineceğiz.

A- A+

01.05.2016 tarihli yazı 13119 kez okunmuştur.

SIMATIC S7-200 Kontrol Birimi

Endüstriyel otomasyon uygulamalarında en çok tercih edilen PLC olarak karşımıza çıkan SIMATIC S7-200 CPU 22x işlemcili bir lojik kontrolördür. Maksimum 128 giriş ve 120 çıkışlı bir sistemin tasarımında kullanılabilmektedir. Bu özelliğiyle PLC seçimi esnasında emsallerine göre avantaj sağlamaktadır.

Şekil 1: SIMATIC S7-200

PLC seçimi konusunu daha da detaylandırmak gerekirse; giriş-çıkış sayısı, program ve veri boyutu, sayıcı ve zamanlayıcı sayısı gibi kriterler oldukça önem taşımaktadır. Örnek olarak, geri beslemeli kontrol uygulamaları için analog giriş çıkış sayısı, kesmeli çalışma yeteneği, matematik işlem yeteneği ve hızı kritiktir. Yüksek hızlı işaretlere bağlı kumanda sistemlerinin gerçeklenmesinde ise yüksek hızlı sayıcı, iletişim gerektiren uygulamalarda iletişim yeteneği, tarihe bağlı kumanda uygulamalarında da gerçek zaman saati bir ihtiyaç halini almaktadır.

Şekil 2: SIMATIC S7-200’ün Genel Özellikleri

►İlginizi Çekebilir: HVAC Sistemlerinde-Otomasyon ve Enerji Verimliliği

S7-200 giriş birimi, çıkış birimi ve işlemci-bellek birimi olmak üzere üç temel birimden oluşmaktadır. Giriş biriminin görevi, kontrol edilen sistemle ilgili algılama ve kumanda elemanlarından gelen elektriksel işaretleri ikilik mantıksal gerilim seviyelerine dönüştürmektir. Sisteme ilişkin veriler 0 veya 1 şeklinde bu birim üzerinden alınmaktadır. Çıkış birimi ise PLC ünitesinde üretilen ikili lojikteki işaretleri kumanda elemanları sürmek için gereken elektriksel işaretlere dönüştürmektedir. Son olarak işlemci birimi PLC sistem programı altında kullanıcı programını yürüten, PLC’nin çalışmasını düzenleyen ve bu işlemleriyapmak için gerekli donanıma sahip olan birim olarak karşımıza çıkmaktadır. Aşağıda sıralanan bölümlerden oluşmaktadır:

► Bellek
► Sistem Belleği
► Program Belleği
► Veri Belleği
► Giriş-Çıkış Görüntü Belleği
► Sayıcı ve Zamanlayıcı
► Özel İşlevli Bellek Alanı
► Analog İşaretlere İlişkin Bellek Alanı
► Yerel Bellek Alanı

PLC Programı Tasarlama ve Gerçekleme

Tasarlanan endüstriyel kumanda ve otomasyon uygulamalarında genellikle çıkış işaretleri girişlerin hem geçmişteki hem de o andaki değerlerine bağlı olmaktadır. Bu tipteki uygulamalarda aynı giriş kombinasyonu için farklı çıkış değerleri üretilebilmektedir.

Kumanda devrelerinin PLC ile gerçeklenmesinde, eş zamanlı ya da eşzamansız ardışıl devre yaklaşımında yararlanılabileceği gibi ayrık olay yaklaşımı da çözüm olarak kullanılabilmektedir. Sıkça kullanılan temel tasarım metotları aşağıdaki sıralanabilir:

Eş Zamansız Ardışıl Devre Yaklaşımı ile Gerçekleme

Bu yöntemle gerçeklenen devreler belirli koşullar ve varsayımlar altında tasarlanmaktadır. Devrenin isterleri vermesi için bahsedilen koşulları sağlaması gerekmektedir. Bunun yanı sıra eşzamansız ardışıl devrelerin tasarımında devrenin temel modda çalıştığı varsayımı yapılmaktadır.

Temel modda çalışan eşzamansız ardışıl devrenin tasarımda beş temel adım takip edilmektedir:

► Durum geçiş grafının çizilmesi
► Akış çizelgesinin oluşturulması veindirgenmesi
► Durum geçiş çizelgesinin elde edilmesi
► Durum geçiş çizelgesi yardımıyla giriş ve çıkış fonksiyonlarının elde edilmesi
► Elde edilen fonksiyonların PLC programına aktarılması

Durum Değişim Sırasını Denetleyerek Gerçekleme

Bu yöntem eşzamansız ardışıl devre yaklaşımının yetersizliğinden olduğu durumlarda tercih edilmektedir. Bilindiği gibi ardışıl devrelerde durum değişikliğinin ne zaman gerçekleşeceği, durumların tutulduğu bellek elemanlarının gecikme süreleri ve devre yapısına bağlı olduğundan belirsizdir. Bu nedenlerden dolayı tasarım güçleşmekte ve ancak PLC ile gerçekleme yapıldığında durum değişikliklerinin sırası gözlenebilmektedir. Durum değişim sırasının denetleyerek yapılan gerçeklemede çıkış işaretleri kararsız durumlarda üretilen devreler için ek işlem yapmayı gerektirmektedir.

Eş Zamanlı Ardışıl Devre Yaklaşımı ile Gerçekleme

Eşzamanlı zamanlı ardışıl devrelerde, girişlerdeki herhangi bir değişiklik doğrudan durum değişikliğine yol açmamaktadır. Bu tipteki devrelerde durum değişikliği belirli bir zamanda üretilen işaret ile gerçekleşmektedir. Bunun sonucu olarak da durumların önceki değerleri ve saat işaretlerinin alındığı andaki girişlere bağlı olarak belirlenmektedir.

Bu devrelerin tasarımında izlenen adımlar eşzamansız ardışıl devrelerin tasarımında izlenenler ile aynıdır. Tasarımda amaç en yalın fonksiyon grubunu elde edip başarılı sonuç almaktır.

Ayrık Olay Sistem Yaklaşımı İle Gerçekleme

Ayrık olay sistem yaklaşımında durum geçişleri, olay olarak tanımlanan anlık işaretler ile geçekleştirilmektedir. Bu tip sistemlerin davranışları kendisine özgü bir durum geçiş grafı (otomat) ile ifade edilmektedir.

Sistemin otomatı; o sisteme ait başlangıç durumunu, ara durumları, olayları, etkin olayları, işaretli durumları ve durum geçişlerini göstermektedir. Aşağıda verilen otomatta A başlangıç durumunu, A, B, C, D durumları, x, y, z olayları, D işaretli durumu belirtmektedir.

Resim: Genel Formu ile Otomat

►İlginizi Çekebilir: Kontrol ve Otomasyon Mühendisliği için En İyi 5 Mobil Uygulama

Etkin olaylar durum değişikliğine neden olan olaylardır. Yukarıdaki otomatta x olayı A ve D durumların, y olayı B ve D durumlarına, z olayı ise C ve D durumlarına ilişkin etkin olayları göstermektedir.

Ayrık olay sistem yaklaşımı uygulama kolaylığı ve karmaşık endüstriyel proseslere dahi uygulanabilmesi ile oldukça tercih edilen bir metottur. Bu yaklaşıma ait tasarım detayları aşağıdaki gibidir:

Durum Geçiş Fonksiyonlarının Elde Edilmesi: Durum geçiş grafında her duruma ilişkin mantık fonksiyonları, duruma götüren ve durumdan çıkaran koşullar olarak göz önüne alınmaktadır. Yukarıda hazırlanan örnek grafta A durumunu B durumuna götüren koşul ve D durumunu B durumuna götüren koşul x olayıdır. Bununla birlikte B durumu için durumda tutan koşul y olayının olamamasıdır. Buna göre B durumuna ilişkin mantık fonksiyonu aşağıdaki gibi yazılabilir:

B(t + T) = A(t) . x + D(t) . x + B(t) . y’

Buna göre herhangi bir Q_k durumuna ait durum geçiş fonksiyonun en genel haliyle aşağıdaki gibi yazılabilir:

∑s :Q_k durumuna getiren koşulların mantıksal toplamı

∑r:Q_k durumuna getiren koşulların mantıksal toplamı

q_k: Durumlarınönceki formu

Q_k = ∑s + q_k . ∑r’

Aşağıda 8 durumlu bir otomat verilmiştir:

Şekil 3: Otomat Örneği

Yukarıda yer alan otomata göre sırasıyla Q2, Q3, Q7 ve Q8 durumlarına ilişkin mantık fonksiyonları ise aşağıdaki gibidir:

Q2 = q7 . e1 + q1 . e2 + q6 . e3 + q2 . (e1 + e2 + e3)’

= q7 . e1 + q1 . e2 + q6 . e3 + q2 . e1’ . e2’ . e3’

Q3 = q2 . e1 + q8 . e3 + q3 . e1’

Q7 = q1 . e3 + q8 . e1’ . e2’

Q8 = q7 . e2 + q8 . e3’

Bu otomat yapısında Q1 başlangıç durumunu göstermektedir. Bu otomatın PLC biriminde gerçeklendiği düşünülürse, PLC’nin ilk devreye alındığını belirten veya devreyi başlangıç durumuna kuran işaretin Q1 olduğu söylenebilir.

Başlangıç durumu olaylardan bağımsız diğer durumlara bağlı olarak da tanımlanabilmektedir. Buna göre Q1 için “Devre hiçbir durumda değilse başlangıç durumundadır.” denilirse:

Q1 = q2 . q3 . q4 . q5 . q6 . q7 .q8

Mantık fonksiyonu yazılabilmektedir. Bu durum enerjisi kesintisi sonrasında devrenin gireceği durum olarak ifade edilebilmektedir.

Ayrık olay yaklaşımına göre elde edilen mantık fonksiyonlara tam olarak karşılık düşen program PLC’ye yüklenerek kumanda devresi rahatlıkla gerçeklenebilmektedir. Bu metot kullanıldığında belirli bir duruma getiren olay ile durumdan çıkaran olayın aynı olması ile ortaya çıkan çığ etkisi de önlenmiş olmaktadır.

Olay İşaretlerinin Elde Edilmesi: Ayrık olay yaklaşımına göre devre davranışını belirleyen olaylar anlık işaretlerdir. Anlık işaretlerden durum değişikliği sağlayacak kadar uzun süreli ve durum değişikliğinden sonra etkisiz olması beklenmektedir.

PLC ile gerçekleme durumunda oluşacak işaret yalnız 1 tarama çevriminde etkin olmasından ötürü anlık işaret tanımına uymaktadır. Bu işaretler komut veya mantıksal ifadeler ile elde edilmektedir.

Olaylar ise kumanda devresinin amacı ve işlevine bağlı olarak farklı şekillerde tanımlanabilmektedirler. Düğmeye basılması, basılı tutulması, sayıcının 5 saniye sayması gibi örnekler olay olarak gösterilebilmektedir.

Olayları belirlerken devrenin çalışma amacına uygunluk gözetilmelidir. Endüstriyel uygulamalardan örnek verilirse “Düğmeye Basıldı” ve “Düğme Serbest Bırakıldı” sıkça görülen olaylardır.

Dikkat edilmesi gereken bir diğer husus da belirlenen olayın devre davranışıyla üzerinde etkili olmasıdır. Eğer belirlenen olay kumanda davranışı üzerinde etkili değilse kontrol birimi tarafından değerlendirilmemektedir.

Kaynak:

►Endüstriyel Kumanda Sistemleri (2007). Salman KURTULAN