PI Denetleyici İle Sıvı Seviye Kontrolünün Gerçek Zamanlı Olarak PLC İle Gerçeklenmesi

Transkript

1 Otomatk Kontrol Ulusal oplantısı, OK'205, 0-2 Eylül 205, Denzl PI Denetley İle Sıvı Sevye Kontrolünün Gerçek Zamanlı Olarak PLC İle Gerçeklenmes Real me PI Implementaton on Lqu Level Control by means of PLC Fath Erol, Mehmet Emren 2, Sıtkı Öztürk 3,Melh Kunan 4,2,3 Elektronk ve aberleşme Mühenslğ Bölümü Koael Ünverstes, İzmt 4 Mekatronk Mühenslğ Bölümü Koael Ünverstes, İzmt Özetçe Bu çalışmaa sıvı sevyesnn PI enetley le stenlen sevyeye en kısa zamana ulaşması ve bu eğere sabt kalması amaçlamaktaır. Denetm parametrelern sstemn özellklerne uygun br şekle seçeblmek çn sstemn gekmes kullanılarak gerekl olan PID parametreler hesaplanmıştır.bu çalışmaa, Semens S7-300 PLC kullanarak sıvı sevyesnn kontrolü gerçek zamanlı olarak yapılmıştır. Denetley olarak Smat Manager yazılım programı çersne bulunan FB4 PID bloğu, ata toplamak çn ultrasonk sensör, sıvı beslemes çn pompa kullanılmıştır. Abstrat In ths stuy, man purpose s the esre level n the shortest tme by the PI ontroller of the lqu level an s ntene to reman onstant at ths value. PID parameters requre usng the elay system for hoosng Control parameters are alulate n aorane wth the haratersts of the system. Semens S7-300 PLCusng the lqu level ontrol stuy was onute n real tme. Loate n the Smat Manager software program FB4 PID Controller blok, ultrason sensors to ollet the ata was use for the lqu fee pump.. Grş Sanaye teknolojnn gelşmes le brlkte nsan güüne olan gereksnmn azalmış, yern maknelere bırakmıştır. Bu eğşm le brlkte sanaye stenlen ve planlanan bçme üretm başlamış, buna zleneblme özellğ eklenmş, ayrıa kşleren olayı oluşableek hatalara bu gelşm le azalmıştır. Makneleşme ve otomasyon teknolojler hızlı ve güvenlr üretm özellklern e beraberne getrmştr. Bu neenle mkroşlem tabanlı gerçeklenen kontrol yöntemler le hayata geçen makneler sanaynn vazgeçlmez br parçası olmuşlarır[]. PLC ler çok grş ve çok çıkışa sahp karmaşık sstemlern kontrolü çn üşük malyetl çözüm sunmaktaırlar. Ayrıa sstemlere çabuk ve kolay uygulanablrlk, elektrksel gürültülere ve mekank ttreşmlere karşı etklenmemeler kullanımını gün geçtkçe aha a artırmaktaır. Otomatk kontrolün amaı br ssteme br veya bren fazla parametrenn ölçülerek, ölçülen parametre ya a parametrelern belrl eğer ya a eğerlere tutulmasını sağlamaktır. Böylelkle makne, alet, araç, tess ve sstemlern stenmeyen koşullaran uzak, güvenlkle çalışmaları sağlanığı gb, şletme koşullarının a yleştrlmes mümkün olmaktaır. Enüstryel alanak enetm şlemlern yapablme yöntemler çeştllk göstermekter. Bunlaran br kaçı geleneksel On-Off, P, PI, PD, PID, bulanık mantık tabanlı, oğrusal olmayan uyarlanır eğşken yapı, moel referans uyarlamalı kontrol, yapay snr ağları, ler beslemel hesaplanmış moment enetm yöntemler v.s. PID kontrol teknğ, namk sstemlern kontrolüne yaygın olarak kullanılmaktaır. Dnamk kontrollern %85 PID kontrol tabanlıır[2]. Bu çalışmaa a PI kontrol nelenmş ve uygulamaa,şekl e verlen, br sıvı tankının sevyes PLC kullanarak PI enetley le kontrolü gerçekleştrlmştr. PLC Sürüüsü Bozuu Etk Boşaltım ankı Şekl : Sstemn Genel Yapısı Sevye sensörü Sevye ankı asarlanan enetleynn, PI parametreler sstemn ölü zamanı bulunarak hesaplanmıştır. PI enetleynn ürettğ kontrol şaret uygun formata önüştürülerek, 0 0 volt arasına, oğrusal çalışan br pompanın sürüü evresne uygulanarak sıvı sevye kontrolü gerçekleştrlmştr. 506

2 Otomatk Kontrol Ulusal oplantısı, OK'205, 0-2 Eylül 205, Denzl 2. Sstem Çalışması ve Deney Düzeneğ Şekl 'e verlensstemn genel yapısının Şekl 2'e e çalışma anınak resm verlmştr. Ssteme br alt kısıma, ğer üst kısıma olmak üzere k aet sıvı tankı bulunmaktaır. Ssteme alt sıvı tankı epo/boşaltım tankı olarak kullanılmaktaır. Bu tanktak sıvı, 0-0 volt aralığına çalışan br aet pompa le üst sıvı sevye tankına, sıvı sevye kontrolü çn olurulmaktaır. Sevye tankının üst bölümüne yerleştrlen br aet 4-20 ml amper arası çıkış üreten ultrasonk sevye ölçer sensör le sıvı sevyes okunmaktaır. Bu sensör, tank boş ken PLC 32, tank tamamen sıvı le olu ken e eğernokumaktaır. Sıvı sevye tankınak sıvı sevyes, stenen set eğerne karşılık, PLCyazılan FB4 PID enetley yapısı kullanılarak stenlen set sevyesne ulaşması sağlanmıştır. Ssteme sıvı sevye tankınan boşaltım tankına sıvı akışını kontrol etmek çn br aet elle kontrol elen vana kullanılmıştır. Bu vanale ssteme bozuu etk yaptırılarak yan vananın açıklık mktarı eğştrlerekboşaltım tankına sıvı akışı sağlamaktaır. Böylee sıvı sevye tankınak sıvının sevyes bozularak enetley bu sevyey koruması amaçlanmıştır. b(şaretsıvı sevyesnnstenen sevye blgs r(referans şaretyle karşılaştırılarak enklem- e verlen e(hata şaret ele elmştr. Denetley bu hata şaretn sıfır yapaak u( çıkış kontrol şaretn üreteektr. Kısaa enetleynn görev, hata şaretn her türlü bozuu etk karşısına en kısa süree sıfır olmasını sağlamaktır. Bu a enetleyparametrelernn ssteme uygun belrlenmesyle mümkünür. e( r( b( () Şekl 3'e verlen PID enetley yapısı Şekl 4 PID parametrelernn etks kkate alınarak çzlmştr. Şekl 4 enyararlanarak enklem-2 yazılablr. Referans İşaret Ger Besleme şaret ata PID Çıkışı Şekl 4: PID enetleysnn blok yagramı P( K. e( p t I ( K e(. ( u( P( I ( D( 0 D( K e( t (2) Denklem-2 e ele elen kontrol şaret u (, k farklı şekle enklem-3 ve 4 everlmştr[4]. Şekl 2:Sstem Görünümü 3.PID Denetm PID enetley, oransal K p, entegral ve türev olmak üzere üç parametrelern hangsnn ya a hanglernn kullanılaağı ssteme veya stenlen uruma göre eğşr. Şekl 3 e PID enetleyle kontrol elen sstemn blok yapısı verlmştr[3].şekl 3 tek enetley çıkışı u(, sstem çıkışına y( olarak ele elmekter.y(,sıvı sevye blgs olup ultrasonk sensörle alınan ver yükseklk-voltaj önüşümü yapılarak ger besleme şaret b(ele elmekter. PID Kontrolör ALGILAYICI UltrasonkSensör SİSEM Şekl 3:Sstemn kontrol blok yapısı. t u( K. e( K e(. ( K. e( p 0 t (3) Denklem-3 eenetleyparametreler her brnn K p, K ve K kazançları brbrnen bağımsız olarak fae elmştr. Benzer şekle ISA (Inustry Stanar Arhteture) stanarına göre enetley parametrelernn kazançlarının brbrne bağımlı olarak a enklem-4 verlmştr. Buraa,K enetley çevrm kazanını, ntegral zamanı, türev zamanı olarak verlr[5]. t u( K e( e(. (. e( 0 t 3.. PID Parametre esabı PID parametrelernn belrlenmes çn sstemn avranışının blnmes gerekr. Bu neenle öne sstemaçık çevrm çalıştırılmıştır. Bu amaçla Şekl 3 ekkapalı çevrm blok yapısı yenen üzenlenmştr.açık çevrm olarak evre Şekl 5 ek blok yapıya önüştürülmüştür. r ( olarak brm basamak şaret uygulanmıştır. (4) 507

3 Otomatk Kontrol Ulusal oplantısı, OK'205, 0-2 Eylül 205, Denzl Sıvı sevye Referans Gerlm Şekl 5: PID katsayılarını belrlenmes çn blok yapı. Sstemn grşne sabt r( 3V DC şaret uygulanmıştır (Şekl 9).Bu şaret enklem-5 le fae eleblr. Bu şarete karşı sstem çıkış şaretşekl 0 a görülüğü gb ele elmştr. r( 3u( (5) Bu çıkış şaretnen sstemnavranışının brn ereeen oluğu görülmekter. Bu neenle enetley olarak PID kontrolör yerne PI kontrolü terh elmştr[6]. Sstemn kontrolü çn bu şaretn özellklernn aha y blnmes gerekr. Şekl 0 ak şaret ayrıntılı olarak Şekl 6 e brm genlkl olarak verlmştr. Bu şaretn matematksel faes enklem-6 le verlmştr SİSEM L u( Analog çıkış τ t r 3τ PLC Ultrasonk Sensör b( Analog grş Sıvı sevye blgs Şekl 6: Brm genlktek grşe brn ereeen ölü zamanlı sstemnçıkış şaret. Şekl 6, Şekl4 e verlen blok evree r( brm genlkl DC şaret oluğuna algılayıı çıkışınak b( nn eğşmn göstermekter. Buraa L, r( şaret sstemn grşne lk uygulanığı anan ultrasonk sensören lk vernn okunuğu ana kaar geçen sürer.b( nn lk okunuğu anan, maksmum genlğnn üne ulaştığı ana kaar geçen süre sstemn zaman sabt,τ olarak verlr. Bu verlerle çıkış şaret b( = V m ( e (t L)/τ ) olarak yazılır. Şekle V m = olarak alınmıştır. Sstem yaklaşık L + 3τ süresne b( nn 0,95V m ne ve L + 5τ süresne b( nn 0,99V m una ulaştığı kabul elr.sstemn t = a alaağı eğere, yaklaşık L + 5τ luk br süre sonuna ulaştığı kabul elr [7]. PI katsayılarını bulmak çn öne sstemn ölü zamanı L ve τ eğer hesaplanaaktır. Daha sonra a açık çevrm kazanı ve entegral zaman sabt bulunaaktır. Denklem-6 ak sstemn çıkış faesnen, sstemn transfer faes enklem 7 ek gb eleelmştr. t tl y( 2( e ). u( t L) (6) Denetley yazılımla gerçekleştrleektr. Bu neenle enetley, sstemnn çıkışını sürekl eğl örnek anlarına eğer alarak kontrolör şaret üreteektr. Yan sstem çıkışının s anlarınak eğerler alınarak sstem urumuna karar verleektr. Örnekleme zamanı sstemn üst kesm frekansı f bağlı olarak s 2f r.sstemnyükselme zamanı t r = 2.2τ = 2.2 faesnen 2πf s πτ olarak bulunur[8]. Örneklenen şaretlern br sonrak örnek zamanına kaar ( s ) tutulması gerekr[8]. utma şaretnnzaman ve s-üzlemnek faes enklem-8 ek gb yazılablr. (7) e ss p( u( u( t s ) P( s) (8) s Örnekleme evresyle beraber sstemn toplam s-üzlem transfer faes enklem-9 ve z-üzlem faes se enklem-0 le verlmştr. z e p s (. s sl e ) e p ( s) G( s) P( s) K.. ( s/ ) s jws e ( Z p ss ( s) L s z p ( K. z ( z )( z z s / e L z K z s p ( ). z s / e e z s ) / (9) (0) PIenetleynnz-üzlem transfer faes,şekl 3 ek PID enetley üzenlenerek ele elen Şekl 7 en ele eleblr [9]. ata Şekl 7. PI kontrolörün blok yagramı Şekl 7: PI enetleynnblok yapısı. PI Çıkışı Entegral alma şlem sürekl zamana enklem- e verlmştr.denklem- sayısal olarak se, sıfırını ereeen tutuu le Euler s forwar metou kullanılarak enklem-2 le verlmştr[0]. Entegral alıının z-üzlem önüşümü enklem-3 le;transfer fonksyonu se enklem-4 le verlmştr. Benzer 508

4 Otomatk Kontrol Ulusal oplantısı, OK'205, 0-2 Eylül 205, Denzl şekle oransal enetm çne transfer fonksyonu enklem -5 le verlmştr. K t u ( u(0) e( ) 0 () u ( k) K s e( k ) u ( k ) (2) U ( K s z z U ( (3) U ( K s (4) z U 2 ( K (5) PI enetleynn toplam transfer fonksyonu se enklem-4 ve enklem-5 kullanılarak enklem-6 le verlmştr. Sstemn transfer faes p (, enklem-0le; PI kontrolörün transfer faes (enklem-6kullanılarak, kontrolsstemn kapalı çevrm blok yagramını Şekl 8 everlmştr. Buraan sstemn kapalı çevrm transfer faes ( enklem-7ele elmştr. ransfer faesne sstemn grş olarak, referans şaret; çıkışı olarak a ultrasonk sensör çıkış şaret alınmıştır. Şekl 8 ek sstemn ayrık zaman açık çevrm transfer faes ( enklem- 8 e verlmştr. U( ( ) s z K (6) z / s L e ( ). s. s z K z K / s z e z s / s, L, E e s E z ( K. z. K z E z z ( K. K E. z z ( (8) Ayrık zamanasstemn kararlılığı, z-üzlemne sstemn karakterstk enklemnn kökler brm arenn çne olup olmasıyla anlaşılır. Eğer karakterstk enklemn kökler, ya a sstemn kutupları, z-üzlemne brm are çne kalıyorsa sstem asmptotk olarak kararlıır enr. Sstemn, kök yer eğrsnn gerçek eksenen ayrılma ve gerçek eksene gelş noktaları enklem- 8 enele eleblr[].gerçekleştrlen sstemn kararlılığı çn sstemn karakterstk faes enklem-8 kullanılarak enklem- 9 en kökler ele elr.sstemn kazanç eğer enklem-20 le verlmştr. z ( 0 0 z z 0 z zb z ( (9) z (20) z z Sonuç olarak gerçekleştrlen sstemn kararlı olması çn gerekl enetley kazanı enklem-2 e,entegral zamanı e enklem 24 e verlmştr[2]. Şekl 8: Sstemn kapalı çevrm blok yagramı Kapalı çevrm br kontrol sstemnn karakterstk enklemnn ( ( ) köklernn eğşmn gösteren eğry, açık çevrm transfer fonksyonu ( p (. ( nn kutup ve sıfırlarını kullanarak, K kazanının 0 K aralığına çzm kök yer eğrs olarak smlenrlr[0]. K K. K E K ( E) s E s E (2) (22) Bz ( ) ( ( R( ( (7) Sstemn kararlı olarak çalışması çn enklem-2 ek K enetley kazanç faes kullanılmıştır.bu amaçla öne sstemn ölü zamanı L ve aha sonra sstemn zaman sabt τbulunmuştur. Sstemn kapalı çevrm kontrolü, enetleynn enklem-4 ek sürekl zaman faes ayrık zamana yazılarak gerçekleştrlmştr.denetleynn çıkış kontrol faes enklem- 4 e, ayrık zaman entegral faes enklem-2 kullanılarak enklem-23 le verlmştr[3]. 509

5 Otomatk Kontrol Ulusal oplantısı, OK'205, 0-2 Eylül 205, Denzl ( k) K ( ) e( k ) u( k ) s e k u (23) 4.Gerçekleştrlen Sıvı Sevye PI Kontrolü Gerçekleştrlen sstemnsembolk bağlantısı Şekl e, resm Şekl 2 e ve matematksel moeln blok yapısı Şekl 3 e verlmştr. Buraa su sevyesnn eğşk bozuu etk altına sabt kalması amaçlanmıştır. Sıvı sevye blgs ultrasonksensören0-0 Volt analog ver olarak alınıp PLC e sayısal eğer olarak okunmaktaır. Bu neenle ssteme uygulanan stenen sıvı sevyes yan referans şaret, gerlm olarak uygulanmıştır. Buraa PI parametrelernn belrlenmes algortma le ayrıntılı olarak Şekl e verlmştr. Ssteme öne stenen sıvı sevyes olarakşekl 9 a verlen 3 Volt DC gerlm açık çevrm olarak uygulanmıştır.bu grşe karşılık, ultrasonk sensören sıvının sevye eğşm Şekl 0 ak gerlm eğerler Volt olarak ölçülmüştür. Böylee PI parametreler ele elen Şekl 9 ve Şekl 0 yarımıyla hesaplanmıştır. Şekl 9: Denetleygrşne uygulanan stenen sıvı sevye şaret Ssteme stenen sıvı sevyesn (referans şaretn) uygula. Sstem açık çevrm çalıştır. Sstem bell br eğere oturana kaar örnekler kayet Sstemn ölü zamanını bul Sstemn zaman sabtn hesapla Sstemn kazanını hesapla Sstemn ntegral parametresn hesapla Şekl : Denetleynn PI katsayılarını hesaplanması algortması Bulunan PI parametreler ablo verlmştr bu parametrelerle sstem, Şekl 3 e verlen blok yapı gerçek zamanlı olarak çalıştırılmıştır.şekl 2 e enetleynn belrlenen parametrelerle stenlen sıvı sevye eğer,r(, %40 (4 Vol olaak şekle çalıştırılığına ele elen enetley çıkışı u( ve sstem çıkışı y(verlmştr. Sstemn stenen sevye eğern başarılı br şekle takp ettğ görülmekter. Sstem eklenen gürültü etkler Şekl 3 e verlmştr. Şeklen e görülüğü gb sstemeverlenbozuu etkye karşı enetleynn tepks verlmştr. Buraa bozuu etk vanası öne az aha sonra maksmum bozuu etk vereek şekle uygulanmış ve enetleynn sstem stenen sıvı sevye eğerne tutmak çn gerekl tepky göstererek tekraran stenen sıvı sevye eğerne sstem getrğ gözlemlenmştr. Akabne bozuu etk mnmum sevyeye getrlmş ve sstemn tekraran kararlı br şekle stenen sıvı sevye eğerne oturuğu gözlemlenmştr. ablo :Gerçekleştrlen enetleypi eğerler Ölü zaman, L 4.0sn Zaman sabt, τ 36sn Oransalkazanç, K Entegral sabt, 29sn Örnekleme zamanı, s sn Şekl 0:İstenen sıvı sevye şaretne sstemn açık çevrm çıkışı Öne sstemn gekmes, Lölü zaman ve sstemn zaman sabt τ eğer hesaplanmıştır. Bu eğerleren e enetley kazanı ve entegral zaman sabt enklem-2 ve enklem-22 en bulunmuştur.sstemn kazanık yı bulmak çn sstem çıkışın kararlı eğernn blnmes gerekr. Sstemn kararlı eğern bulmak çn, Şekl ek algortmaa verlğ gb, sstemn çıkışınan örnek eğerler alınmıştır. Böylee sstemn grşne uygulanan stenen sıvı sevyesne göre alableeğ maksmum çıkış eğer ele elmştr. Sstemn grşne uygulanan stenen sıvı sevyesne, sstemn ne kaar zaman sonra tepk verğ sstem gekmes, ölü zaman olarak fae elmştr[4]. Bulunan buzaman eğer le grşe uygulanan lk şaret zamanı arasınak fark sstemn gekmes olarak alınmıştır. Çıkış şaretnn lk görülüğü an le çıkışın kararlı eğernn %632 sneulaştığı an arasınak farktan sstemn zaman sabt τhesaplanmıştır. Şekl 2: İstenen sıvı sevyesne r(,pi enetley evabıu( ve sstem çıkışı y( 50

6 Otomatk Kontrol Ulusal oplantısı, OK'205, 0-2 Eylül 205, Denzl [4]Emnoğlu, Yavuz, WINCC Flexble İle Operatör Panel ve WINCC İle SCADA Programlama,Brsen Yayınev, 28 Aralık 204 [5]Fnnaugen, Dsrete-tme sgnalsansystems, eheahfebruary , rete.pf Şekl 3:İstenen sıvı sevyesnn r(, bozuu etk uygulanması le PI enetley u(ve sstem çıkışı y( evabı Şekl 4 e se %40 ve %60(4-6 Vol olan eğşk stenen sıvı sevyeler çn alınan sstem evapları verlmştr. İstenen eğşk sıvı sevye eğerler çn enetleynn bu stenlen sıvı sevyesnekeğerler e takp ettğ görülmekter. [6]Morrss, S. Bran, ProgrammableLogontrollers, Prente- all,in.,2000 [7]Eralp, Feth Y., Lneer evrelere Geç Olaylar ve Laplae ransformasyonu, Güven-arı Ktabev, 978 [8]Mllman, Jaob, alkos, Chrstos C., IntegrateEletrons, MGraw-llKogakusha, Lt, 972 [9]Emnoğlu, Yavuz, WINCC Flexble İle Operatör Panel ve WINCC İle SCADA Programlama,Brsen Yayınev, 28 Aralık 204 [0]Morrss, S. Bran, ProgrammableLogontrollers, Prente- all,in.,2000 Şekl 4: Değşk İstenen sıvı sevyesner(çn PI enetley u(,ve sstem çıkışı y( evabı Sonuçlar Bu çalışmaa PI enetley kullanılarak gerçek zamanlı olarak sıvı sevyesnn kontrolü S7-300 PLCle gerçek zamanlı olarak yapılmıştır.pi parametreler gerçek zamanlı olarak sstemn açık çevrm evabınan Şekl 9 ve Şekl 0 kullanılarak hesaplanmıştır. Şekl 3 e enetleystenen sıvı sevyesn bozuu etklere evap vererek stenen sıvı sevyesn takp ettğ, Şekl 4'e enetley eğşk stenen sıvı sevye eğerlerne e stenen sıvı sevyesn takp ettğ ve yük etklerne karşı hızlı evap verğ görülmekter. Brn ereel sstemler çn PI enetleynn hem bast oluşu bu neenle anlaşılır olması olayısıyla enetley terhne önelğe sahp olması bu çalışmaa br kez aha gözlemlenmştr. []Fnnaugen, Dsrete-tme sgnalsansystems, eheahfebruary , rete.pf [2] KONROLOR-ILE- Erşm: ASARIM.pf Erşm: 6 Kasım 204 [3]Emnoğlu, Yavuz, WINCC Flexble İle Operatör Panel ve WINCC İle SCADA Programlama,Brsen Yayınev, 28 Aralık 204 [4]Emnoğlu, Yavuz, PLC Programlama ve S7-300/400-2-,Brsen Yayınev, 0 Aralık 204 eşekkür Bu çalışma Koael Ünverstes Mekatronk Mühenslğ Proses Kontrol Laboratuvarına gerçekleştrlmştr. Kaynakça []Mustafa İMUR, Otomobl Fren Sstemlernn rolk Ünte İle Kontrolü, Enüstryel Otomasyon Şubat 205 sayı25 ISSN ,sayfa [2]Emnoğlu, Yavuz, PLC Programlama ve S7-300/400-2-,Brsen Yayınev, 0 Aralık 204 [3]İsmal Coşkun, akan erzoğlu, ız performans eğrs kullanılarak kazanç (PID) parametrelernn belrlenmes, Journal of ehnal-onlne, ,