Ana sayfa OTOMASYON OKULU Analog Proses Kontrol Eğitim Seti

Analog Proses Kontrol Eğitim Seti

PAYLAŞ

Denetim sistemleri kendisini veya başka bir sistemi yönetmek için özelleşmiş yapılar bütünüdür. Denetim sistemleri denetim elemanları ve sistemlerinin bir araya gelmesi ile oluşturulan yapılardır. Bir elemanın çıktısı başka bir elemanın girdisi olarak alınır ve denetim döngüsünü sağlamak için veri iletimi gerçekleştirilir.

Denetim sistemleri hayatımızın her kademesinde kullanılan vazgeçilmez sistemler arasında yer almaktadır. Denetim sistemlerinin her alanda kullanılması insan hayatını doğrudan veya dolaylı şekilde etkilemektedir. Evde kullanılan iklimlendirme sistemleri, otomobil stabilizasyon sistemleri, askeri uygulamalar insan odaklı biyomedikal ürünler bunlara örnek gösterilebilir. Ayrıca endüstride kullanılan temel proses kontrol ve robotik uygulamalarda bu başlık altında geniş bir yer almaktadır.

Denetim sistemleri mevcut teknolojiyi ve tüm mühendislik alanlarını içerisine almaktadır. Bu nedenlerden dolayı multi disipliner yaklaşımlar gerektirmektedir. Günümüzün hizmet ve ürün gamı düşünüldüğünde bu doğal olarak gelişmiş bir süreçtir. Temel mühendislik konuları olarak mekanik, hidrolik, pnömatik, elektrik, elektronik, bilgisayar ve kontrol alanları gösterilebilir. Burada istenen değişkenleri istenilen değerler ve şekilde tutmak amaç edinilmiştir.  Bu kadar çok alanla ilişkisi bulunan sistemler şüphesiz ki çok büyük bir bilgi birikimi, deneyim ve uzman ihtiyacını doğurmaktadır.

Sistem bir bütünü oluşturan elemanlar ve alt sistemlerden oluşur. Sistem içerinde her bileşenin kendine ait özellikleri ve işlem yapıları bulunmaktadır. Sistemlerin esas amacı istenilen şartları sağlamak için gereken müdahalelerle cevap verebilecek yapıda olmasıdır.

Denetim sistemleri kendisini veya başka bir sistemi yönetmek için özelleşmiş yapılar bütünüdür. Denetim sistemleri denetim elemanları ve sistemlerinin bir araya gelmesi ile oluşturulan yapılardır. Bir elemanın çıktısı başka bir elemanın girdisi olarak alınır ve denetim döngüsünü sağlamak için veri iletimi gerçekleştirilir. Sistemin her üyesinin kendi iç özellikleri bulunmaktadır. Bir sistemde kontrol değişikliklerinin insan müdahalesi ya da sistem tarafından gerçekleştirilmesi otomatik kontrol denetimini seviyesini belirlemektedir.

Kontrol sistemlerinin esas amaçları:

  • Süreçlerin çıktılarını denetim altına almak.
  • Süreç çıktılarının istenilen formu takip etmesini sağlamak.
  • Olayların belirli bir sıra dahilinde oluşmasını sağlamak.

Kontrol sistemleri topolojileri bakımında iki kısımda incelenir. Bunlar “Açık Döngü Sistemler” ve “Kapalı Döngü Sistemler”. Açık döngü kontrol sistemi terimi, istenilen sonucu verecek biçimde, bir önceki verinin baz alınarak, sisteme girilecek girdinin seçilebildiği sistemler için kullanılır.Sistem üç temel elemana sahiptir: Kontrol, düzeltme ve bir değişkenin kontrol edildiği süreç.

  • Kontrol elemanı, sisteme verilen girdinin sonucuna göre uygulanacak müdahaleyi belirler.
  • Düzeltme elemanı, kontrolör çıktısını girdi olarak alır ve kontrol edilen değişkeni değiştirmek için dizayn edilmiş bir takım olaylar dizisinin sonucunu çıkıt olarak veriri.
  • Bir değişkenin kontrol edildiği süreci süreci gösterir.

Açık döngü kontrol sisteminin en büyük sınırlılığı dış etkileri sönümleme yapılarının olmamasıdır.

Kapalı döngü kontrol sistemi, kontrol edilen değişkenin geri beslendiği sistemler için kullanılmaktadır. Sistemin en büyük özelliği istenilen çıktıya ulaşmak için girişinin düzenlenebilir olmasıdır. Kapalı döngü kontrol sistemleri temel beş elemana sahiptir. Bunlar: Karşılaştırma, kontrol, düzeltme, ölçülen değerin geri beslemesi ve değişkenin kontrol edildiği süreçtir. Karşılaştırma elemanın görevi istenilen değer ile mevcut geri besleme değerini karşılaştırmaktır. Burada çıkan hata oranı düzeltme elemanına gönderilir. Düzeltme elemanı mevcut iç sistem ve algoritmasına bağlı olarak düzeltme sinyalini etki organlarına ileterek sistemde değişikliğe yol açar. Sistemden uygun şekil ve yöntemlerle alınan veriler sisteme geri besleme olarak verilir ve sürecin devamı sağlanır.Geri besleme elemanı sistemin değişkenini kontrol edilmesini sağlar. Ölçüm sırasında elde edilen verinin türü, örnekleme sayısı sitemin başarımını etkilemektedir. Sayısal olarak sistem kazancına doğrudan etkiye sahiptir. Kararlı koşullar altında, sabit kazanç çıktının girdiye oranı olarak ifade edilir. Sabit kazancı “G “olan bir sisteme kazancı “H” olan bir geri besleme sinyali eklemek, ileri elemanın  hata “e” şeklinde bir girdiye, tepki “y” şeklinde bir çıktıya sahip olduğu ve böylece kazancının G=y/e olduğu anlamına gelir. Hata girilen set değeri (x) ile geri besleme değerinin farkı olduğundan sistemin toplam kazancıBir sistemde geri besleme sinyalinin bulunması o sistemin kararlılığını doğrudan etkilemektedir. Bir denetim sistemi sınırlı girdiler için sınırsız çıktılar alabiliyorsa bu sistem kararsız sistem sınıfında değerlendirilebilir. GH=-1 için sistem kararsız hale gelebilmektedir. Bu yönüyle bakıldığında geri besleme sinyalinin yapısal olarak değişikliği önceden kararlı olarak kabul edilebilecek bir sistemi kararsız hale getirebilmektedir.

Geri besleme sinyali sistem cevabını ve kararlılığını değiştirdiği gibi dış etkiler altında sistem istenmeyen etkilerde ekleyebilir. Bu gibi olumsuz etkileri ortadan kaldırmak için sistem donanımı ve veri edinimi cihazlarının doğruluğundan emin olunmalı ve gerekliyse uygun filtreleme yöntemlerine başvurulmalıdır.

Kontrol sistemlerinin günlük hayatta kullanımı ayrık verili kontrol sistemleri olarak karşımıza çıkmaktadır. Sürekli veri kontrol sistemleri sinyalin zaman fonksiyonlarından oluştuğu sistemlerdir. Ayrık veri kontrol sistemi, sistemdeki sinyalin örneklenmesi temeline dayanmaktadır. Dijital veriler sayesinde kontrol algoritmaları koşturulduktan sonra uygun yöntem ve donanımla zamanın fonksiyonu şekline çevrilir.

Kapalı döngü denetim sistemleri genel olarak denetlenen sistem ve denetim elemanları olmak üzere iki kısımda incelenebilir. Denetlen sistem komplike yapılarda karşımıza çıkabileceği gibi basit yapılardan da oluşabilir. Sistemin modelini çıkarılması için bilinen sistemler üzerinden gidilebileceği gibi deneysel sonuçlardan elde edilen verilerde kullanılabilmektedir. Burada tasarımcının esas problemi uygun kontrol donanımını tasarlamak ve kullanılan teknoloji seviyesine uygun donanımı gerçeklemektir. Kontrol tasarımlarının başarısı çoğu kez bu ikilinin uyumu ile sağlanmaktadır. Günümüzdeki endüstriyel standartlaşma ve kontrol uygulamalarında genişleyen ürün yelpazesi uygulama çeşitliliğini arttırmakta tasarımcılara yeni fikirler sunmaktadır.

Kontrol uygulamaları tarihte mekanik elemanlarla başlamıştır. Bu sistemlerin kayıpları ve uygulamadaki güçlükleri bu alandaki gelişimi belirli bir seviyeye getirmiştir. Kontrol sistemlerinin verimli olarak kullanılması pnömatik ve elektropnömatik sistemlerin kullanılmasıyla hız kazanmıştır. Mekanik sistemlerden en önemli üstünlüğü kontrol edilebilirliliğinin yüksek olmasıdır. İlk uygulamalar askeri alanda başlamış ve yaygınlaşmıştır. Pnömatik sistemler her ne kadar hidrolik sistemlerle benzerlik gösterseler de pnömatik sistemlerin en büyük farkı sıvı akışkan yerine gaz akışkanı kullanmasıdır. Bu da steril koşulların bulunduğu ilaç, kimya ve gıda endüstrisi için pnömatik uygulamaları vazgeçilmez haline getirmiştir.

Havanın sıkıştırılabilirliliğinin ihmal edildiği durumlar için pnömatik sistemlerin matematiksel modelleri ve dinamik modelleri çıkartılabilmektedir. Pnömatik sitemlerde gerçek modelleme havanın sıkıştırılabilirliliğinin hesaba katıldığı modellerdir. Bu modellerin çıkarılması oldukça zor olmasından dolayı mevcut bilinen sitemler üzerinden model çıkarıldıktan sonra optimizasyon işlemleri uygulanabilir.

Pnömatik sistemler ayrıca geçmişte elektronik denetçilerin yaygın olmadığı dönemlerde proses ortamlarında sinyal dönüştürme, aktarma ve denetim işlemlerinde de kullanılmaktaydı. Endüstride kullanılmakta olan basınç yoluyla kontrol elemanları bulunmaktadır. Bunlara temel elemanlar olarak plaka-lüle valfi ve körükler örnek gösterilebilir.

Günümüz kontrol uygulamalarında sıkça kullanılan uygulamalardan olan PID kontrol sistem üzerine entegre edilmiştir. PID denetim tanım olarak orantı, integral ve türev işlemlerinin gerçekleştiren sürekli denetim yordamıdır. Yapısal olarak basit yapılıdır ve kullanıcı tarafından müdahaleye açıktır. Denetlenen sistemin özellikleri ve dinamik yapılarına bağlı olarak temel elemanlar en basit yapıda kullanılırlar. Bunlar P, PI, PID dir. Sistemin basit yapılardan kurulması hesap yükünü azaltmakta ve kolaylaştırmaktadır. Buradaki esas amaç pnömatik ve kontrol sistemlerinin bir arada kullanıldığı ortamlar yaratmaktır. Analog Proses Kontrol deney setinde bu uygulamalar çok rahatlıkla gerçekleştirilebilmektedir. Set üzerinde Siemens S7-313 DP PLC, 331-1KF02-0AB0 analog input, 331-5HD01-0AB0 12 bit analog output, basınç dönüştürücüler, Peltiyer hücreleri, Siemens KTP 1000 Touch panel, uygun şartlarda kon figüre edilmiş PC , PT 100 ,Pompa, basınç fark sensörleri ve solenoidler bulunmaktadır. Deney seti üzerinde kullanılan malzemeler gereken endüstriyel standartlara sahiptir.

Bu yazıda amaç oransal basınç valfini kullanarak endüstride sıkça kullanılan sıvı seviyesi kontrol sistemini gerçeklemektir. Bunun için sistem üzerinde bulunan 1 ve 2 numaralı tanklar seçilmiştir.1 numaralı tank depolama ve 2 numaralı tankta işlem tankı olarak hazırlanmıştır. Sistem içerisinde sıvı olarak su kullanılmıştır. Bunun nedenlerinin başında suyun özelliklerinin iyi bilinmesi ve kararlı olması gelmektedir.

Sistem depolama tankında bulunan akışkanı kapasite olarak kullanarak kullanmış, oransal basınç valfi vasıtasıyla da 2. tanktaki sıvı seviyesine etki etmektedir. Bu işlemi gerçekleştirirken P kontrol PI kontrol PID kontrol ve Fuzzy Kontrol yöntemlerini kullanmaktadır. Set üzerine yerleştirilmiş modüler PID kontrolcüleri endüstride kullanılan ürünlerden seçilmiştir. Ayrıca sistem üzerinde donanımın kalbini oluşturan Siemens S7 313 DP PLC bulunmaktadır. Sistem gereksinimlerin karşılamak amacıyla analog modüllerde eklenmiştir. Sistem üzerine kurulan OMRON KepServer SCADA sayesinde sistem parametrelerine müdahale edilebilmekte ve veri kaydı yapılabilmektedir. Ayrıca SCADA içerisinde yazılmış menüler sayesinde kullanıcı istediği kontrol çeşidini seçmiş olduğu donanımla ve kendi girebildiği parametrelerle uygulayabilmektedir. Sonuçlarını grafiksel olarak alabilmekte ve süreç içerisinde anlık olarak gözlemleyebilmektedir.

Sıvı seviyesi kontrol deneyinde 2. Tankta bulunan sıvı seviyesi SMC PSE550 basınç fark sensörü sayesinde sıvı seviyesi bilgisi 1-5V analog verisine dönüştürülür. Bu veri PLC veya kullanıcı tarafından seçilen donanım aracılığı ile P,PI, PID algoritmalarına sokulur. Hesaplanan düzeltici sinyal SMC ITV 2030 oransal basınç valfine uygulanarak sürme işlemi gerçekleştirilir. Oransal basınç valfi elektriksel sinyal oranına göre hava oranını ayarlayan elemanlardandır. Kullanım olarak çeşitli endüstriyel uygulamalarda sıkça kullanılmaktadır. Bunların başında kimya, gıda ve ilaç sanayi gelmektedir. Bu yönüyle bakıldığında deney seti amacına uygun olarak tasarlanmıştır. Oransal basınç valfinin çıkışı 1. Depolama tankına gönderilerek burada bir basınç değişikliği sağlanır. 1.depolama tankı ve 2. İşlem tankı arasındaki bağlantı sayesinde 2. tankta bulunan sıvı seviyesine müdahale edilebilmektedir.

Yapılan deneyler sırasında oransal valfe etki eden düzeltici sinyal çıkışı PLC içerisinde sakallandırılmıştır. ITV oransal basınç valfinin 2 barlık çıkışı 0-10 V sinyal seviyesiyle oranlanmıştır. Set üzerindeki tanklar bu basınç değerlerine güvenle cevap vermektedir.

Yapılan deney verileri MATLAB ortamında değerlendirilmiştir. Bunun için sistem üzerinde kurulu olan OPC server üzerinden veri alışverişi gerçekleştirilmiştir. Sisteme girilen parametreler Kp=4 Kı=1.8Kd=0.005 olarak bulunmuştur. Parametreler tespit edilirken salınım yöntemi kullanılmıştır.

Ziegler ve Nichols tarafından geliştirilen ve kullanılan bu yöntem geri beslemeli, kapalı döngü bir sistemin basamak giriş ile sürekli salınımla test edilmesine dayanır.

Hazırlayan;

Entek Teknoloji ve Geliştirme Eğitim Danışmanlık Otomasyon A.Ş.

www.entekteknikegitim.com.tr