Su Depolama Tanklarında Su Seviye Kontrolünün Kablosuz Olarak Yapılması

Transkript

1 Su Depolama Tanklarında Su Seviye Kontrolünün Kablosuz Olarak Yapılması Salih FADIL 1, Samet Albayrak 2, Gökhan Tepe 3 1,2,3 Eskişehir Osmangazi Üniversitesi,Elektrik-Elektronik Mühendisliği Bölümü sfadil@ogu.edu.tr 1, sametalbayrak.91@gmail.com 2, gkhn_tepe@outlook.com 3 Özet Bu projede bir su deposu ve üç su kuyusundan oluşan bir hidrolik sistem göz önüne alınmıştır. Su deposundaki su seviyesinin kontrolü RF alıcı-verici ve mikrodenetleyiciler yardımıyla otomatik olarak yapılmaktadır. Su deposunun olduğu yerde olan LCD gösterge yardımıyla su kuyularındaki pompaların durumu (çalışıyor/çalışmıyor) ve depodaki su seviyesi gösterilmektedir. Ayrıca yazılan bilgisayar arayüzü sayesinde yine tüm pompaların durumları ve depodaki su seviyesi kullanıcıya bir PC ekranında gösterilmektedir. Arayüz yardımıyla kullanıcı isterse pompaları manual olarak çalıştırıp durdurabilmektedir. Pompalarla su deposu arasındaki, bilgisayar arayüzü (PC) ile pompalar ve su deposu arasındaki haberleşmeler kullanılan RF alıcı-verici modüller yardımıyla kablosuz olarak yapılmaktadır. 1. Giriş Bu projede, özet bölümünde sözü edilen, hidrolik sistemin bir prototipi gerçekleştirilmiş ve bahsedilen kontroller bu sistem üzerinde uygulanmıştır. Sistemin genel yapısı Şekil 1 de gösterilmiştir. Gerçekleştirilen işlemler aşağıdaki gibi özetlenebilir. Su depolama tankında su seviyesinin ölçülmesi. Su depolama tankındaki su seviyesine göre otomatik olarak (depodan) veya kullanıcının isteğine bağlı olarak elle (manual) (PC arayüzünden) RF alıcı-verici yardımıyla üç farklı noktadaki pompalara komut gönderilmesi. Motorların çalışma durumlarına göre yapacakları geri bildirimlerin ve su depolama tankındaki su seviyesinin arayüzde ve tank yanındaki LCD ekranda gösterilmesi. Mikrodenetleyicilere gelen bilgilerin işlenmesi 2. Su depolama tankında su seviyesinin ölçülmesi Su depolama tankındaki su seviyesinin ölçülmesi için birden fazla yöntem bulunmaktadır [5,7,8]. Projede suyun iletkenliğini kullanan elektriksel ölçüm yöntemi tercih edilmiştir. Su deposundaki su seviyesinin ölçülmesinde kullanılan devre Şekil 2 de gösterilmiştir. Bu yöntemi kullanırken maliyeti düşürmek için sıvı seviye röleleri yerine transistörlerden yararlanılmıştır. Deponun dibine besleme kaynağının pozitif ucu yerleştirilmiştir. Daha sonra depo cidarında belirli mesafelere transistör bazlarına bağlı olan elektrotlar konmuştur. Su seviyesi yükseldikçe, depo cidarına belirli mesafelerle yerleştirilen elektrotlardan akım akacak ve bu da buradaki transistörleri iletim konumuna geçirecektir. Bunun neticesinde iletime geçen transistörlerin emitör bacaklarında, PIC mikrodenetleyicisinin lojik 1 algılamasına neden olan, 2.5V üzerinde bir gerilim oluşacaktır. Eğer su seviyesi depo cidarındaki bir elektroda ulaşmamış ise bu elektrodun bağlı olduğu transistörün emitör gerilimi 0V (lojik 0) olacaktır. Şekil 2 de görülen transistörlerin emitör lojik seviyeleri bir mikrodenetleyici portuyla okunabilir ve okunan değerler yardımıyla depo içindeki su seviyesinin nerede olduğu belirlenebilir. 3. Bilginin mikrodenetleyiciler yardımıyla işlenmesi Projede su depolama tankına ait verilerin işlenmesinde PIC16F877A mikrodenetleyicisi kullanılmasına rağmen diğer 3 adet su kuyusuna ait verilerin işlenmesinde PIC16F628A mikrodenetleyicisi kullanılmıştır [4,3]. Kullanılan mikrodenetleyicilerin seçilmesinde, kullanılması gereken port biti sayısı, RX-TX bacaklarını bulunması ve maliyet etkili olmuştur. Su depolama tankında kullanılan PIC16F877A mikrodenetleyicisi, su seviye ölçümü, veri transferi ve LCD ekrana yazım işlemlerinde kullanılmaktadır. Su kuyularının bulunduğu yerlerdeki PIC16F628A mikrodenetleyicileri su pompalarına ait motorların sürülmesinde ve veri transferinde kullanılmaktadır. Sistemdeki veri iletişim hızı bps tir. Sistemde kullanılan mikrodenetleyicilere ait sistem programlarının temel mantığı şu şekilde özetlenebilir. Depodaki su 1

2 seviyesi belirlenmekte ve bu seviye değerine göre su kuyularındaki pompalara çalış/dur komutları gönderilmektedir. Bunun neticesinde, su kuyularının olduğu yerlerdeki mikrodenetleyiciler bu komutları alıp Su taşma çıkışı Dolu Su boruları Pompa 1 Su kuyusu 1 Seviye 3 PIC16F628A Seviye 2 Su deposu Seviye 1 Su çıkışı Pompa 2 Su kuyusu 1 Seviye ölçüm devresi PIC16F877A PIC16F628A Pompa 3 Su kuyusu 3 LCD gösterge PIC16F628A PC arayüzü USB Şekil 1. Sistemin genel yapısı Şekil 2. Su seviyesinin ölçülmesi. gelen komuta göre pompayı çalıştırıp/durdurmaktadır. Bu işlemin ardından her kuyunun olduğu yerdeki mikrodenetleyici sürdüğü pompanın durumuna (çalışıyor/çalışmıyor) ait bilgiyi geri göndermektedir. Gönderilen geribildirim bilgileri deponun olduğu yerdeki mikrodenetleyici ile PC arayüzünün yüklü olduğu bilgisayar tarafından alınmaktadır. Bu geribildirim bilgileri su deposunun olduğu yerdeki LCD ekran ve PC arayüz çalışma ekranında gösterilmektedir. Depodaki su seviye bilgisi ayrıca PC arayüzüne su deposundaki mikrodenetleyici tarafından gönderilmekte ve bu bilgi görsel olarak arayüz ekranında gösterilmektedir. Bu bilgi aynı zamanda su seviye düzeyi olarak su deposunun olduğu yerdeki LCD de gösterilmektedir. Gerçekleştirilen projenin en önemli kısımlarından biri oluşturulan bilgisayar arayüzüdür. Bu programdaki kullanım ekranı yardımıyla kullanıcı isterse kuyulardaki pompaları manual olarak da çalıştırıp/durdurabilmekte ve yeniden otomatik moda (servo mod) dönebilmektedir. Ayrıca bu ekranda 2

3 kuyulardaki motorların durumları görsel olarak gösterilmektedir. PIC mikrodenetleticilere ait kodlar C dili ile yazılmış ve MikroC ile derlenmiştir [6, 2]. 4. Motorların çalışma durumlarının ve su depolama tankındaki su seviyesinin gözlemlenmesi Su depolama tankında seviye ölçümü yapıldıktan sonra, buradaki PIC16F877A mikrodenetleyicisi yardımıyla işlenen veriye göre LCD de sürekli olarak su seviye durumu gösterilmektedir. Bunun yanı sıra LCD ekranda motorların arayüzden (kullanıcıdan) ya da su seviye durumuna göre su deposundan aldıkları komutlara karşılık verdikleri geribildirim sonuçları (motorların çalışıp/çalışmama durumları) düzenli biçimde gösterilmektedir. Bu işlemlerin gerçekleştirilmesi için 4x20 boyutundaki LCD kullanılmıştır. LCD nin görünümü Şekil 3 de verilmiştir. Aynı zamanda motorların çalışma durumları ve depodaki su seviyesi arayüz kullanım ekranından da görülebilmektedir. Şekil 4 de arayüz kullanım ekranı gösterilmiştir. Burada, örneğin ıyor ise, bu yazının altında olan kutudaki şekil dönerek Motor 1 in çalıştığını göstermektedir. Ayrıca su seviyesi sağ taraftaki dikdörtgenin içi gelen bilgiye göre mavi renkle doldurularak su seviyesi gösterilmektedir. 5. Kablosuz haberleşmenin sağlanması Şekil 3. Su deposundaki LCD gösterge. Projede kablosuz haberleşmesinin sağlanması için bps veri iletişim hızını destekleyen Dorji markasına sahip DRF4432D20 RF alıcı-verici modülleri kullanılmıştır [1]. Bu modüllerin bize sağladığı en önemli fayda tak-çalıştır özelliğine sahip olmaları ve mikrodenetleyiciler ile kolaylıkla bağdaştırılabilmeleridir. PIC microdenetleyiciler ile bu RF alıcı-verici modullerin bağdaştırılmasında mikrodenetleyicilerin USART modülleri kullanılmıştır. Şekil 5 de kuyu pompasını süren PIC16F877A mikrodenetleyicisine bağlı RF alıcı-verici modülü görülmektedir. Aynı şekilde pompayı sürmekte kullanılan röle de görülmektedir Şekil 4. Arayüz kullanım ekranı. Şekil 5. RF alıcı-verici modülü. 3

4 6. Su kuyularında bulunan mikrodenetleyicilere ait kodların incelenmesi Sistemde kuyularda bulunan pompaların çalışmaları daha önce de belirtildiği gibi gelen komutlara bağlı olarak değişmektedir. Sistem otomatik (servo) moddayken, su depolama tankındaki seviye durumlarına göre motorlar çalışıp/çalışmamaktadır. Sistem manual de ise, kullanıcının arayüz üzerinden verdiği komutlara bağlı olarak çalışmakta/durmaktadır. Bu durumda kullanıcı önce, arayüz programında yeşil renkli Manual Control çerçevesine tıklayarak sistemi manual moda almalıdır. Daha sonra Motor 1 Motor 2 ve Motor 3 yazılarının altlarındaki Run ve Stop butonlarını kullanarak istediği pompayı (Motoru) manual olarak çalıştırıp/durdurabilmektedir. Otomatik moda geri dönmek için kırmızı renkli Servo çerçevesine tıklanmalıdır (Şekil 4 e bakınız). Su deposundaki su seviyesinin tespiti için su deposunun cidarına üç adet elektrot depo tabanından yukarı doğru eşit aralıklarla (1. elektrot en altta ve 3. elektrot en üstte olacak şekilde) yerleştirilmiştir (Şekil 1 e bakınız). Eğer su seviyesi 1. Elektrodun altında ise (seviye-1), deponun olduğu yerdeki mikrodenetleyici a karakterini, eğer su seviyesi 1. Elektrot ile 2. Elektrot arasında ise (seviye-2) b karakterini, 2. Elektrot ile 3. Elektrot arasında ise (seviye-3) c karakterini, 3. Elektrotun üzerinde ise (dolu) e karakterini göndermektedir. Sistemde genel geçer durum (default) otomatik su seviyesi kontrol (servo mod) durumudur. Arayüz programı otomatik kontrol durumundayken t karakterini manual dayken u karakterini göndermektedir. Manual konumdayken arayüz programı motor 1 i çalıştırmak ve durdurmak için sırasıyla f ve y karakterlerini göndermektedir. Manual modda arayüz motor 2 yi çalıştırıp durdurmak için sırasıyla x ve z karakterlerini, motor 3 ü çalıştırıp durdurmak için sırasıyla o ve p karakterlerini göndermektedir. Geri bildirim sinyali olarak motor 1 arayüze ve depo yanındaki mikrodenetleyiciye çalışıyor ve duruyor durumları için sırasıyla n ve v karakterlerini, motor 2 k ve s karakterlerini, motor 3 ise l ve h karakterlerini göndermektedir. Sistem otomatik (servo) moddayken, su depolama tankından motorlara ve arayüze, sistem "manuel" moddayken arayüzden motorlara veri gönderilmesi sırasında bir sıkıntı yaşanmamaktadır. Bunun nedeni, bu durumlarda tek bir vericinin olmasıdır. Fakat motorların almış oldukları verileri işleyerek çalışma durumlarına dair geribildirim bilgilerini göndermeleri sırasında problem yaşanmaktadır. Bunun sebebi, 3 adet farklı vericiden 1 adet Başla E Kod geldimi H Motor 1 dur t mi? E H e c Gelen kod b a u Gelen kod y f Motor 1 dur Manual moddan çık Motor 1 dur Şekil 6. Pompa 1 i süren devredeki mikrodenetleyiciye ait sistem programının işaret akış diyagramı alıcıya aynı anda veri gönderilmeye çalışılmasından dolayı veri çakışmasının yaşanmasıdır. Bundan dolayı, sistem istenilen şekilde çalışmamaktadır. Bu soruna çözüm, motorlardan veri gönderilmesi sırasında, motorlar (pompalar) için öncelik tanımlaması yapılmasıyla bulunmuştur. Daha açık olarak belirtmek gerekirse, motorların veri göndermeye başlamaları için aralarında belirli sürelerde gecikmeler tanımlanmıştır. Veri gönderimi belirli gecikmeler ile belirli bir sırada yapılmakta ve bu iş belirli aralıklarla döngü halinde bir süre devam etmektedir. Böylece hiçbir şekilde veri çakışması yaşanmamaktadır ve veri transferi sorunsuz bir şekilde gerçekleşmektedir. Yaşanan bu gecikmelerin fark edilme ihtimali yoktur, 4

5 çünkü RF modüllerinin veri transfer hızlarının çok yüksek olması nedeniyle verilen gecikmeler milisaniyeler cinsindendir Bir numaralı kuyudaki mikrodenetleyiciye ait kodun incelenmesi Şekil 6 da pompa 1 i süren mikrodenetleticiye ait sistem programının işaret akış diyagramı gösterilmiştir. Diyagramdan anlaşılacağı gibi birinci pompa otomatik modda (servo mod) depodaki tüm su seviyelerinde (dolu seviyesi hariç) çalışmaktadır. Arayüzden manuele geçiş için gereken t verisi geldiğinde, kontrol manuelden çıkış yapmak için gereken u verisi (arayüzden gönderilmektedir) gelene kadar kullanıcıya geçmektedir. Motor-1 manuel modda PC arayüzünden gönderilen y ve f karakterleri için sırasıyla durmakta ve çalışmaktadır İki numaralı kuyudaki mikrodenetleyiciye ait kodun incelenmesi Buradaki mikrodenetleyiciye ait sistem programının işaret akış diyagramı Şekil 6 da verilene benzerdir. Burada soldaki gelen kodun kontrol edildiği karar bloğunda, gelen kodun (otomatik mod) a veya b olması durumunda pompa 2 çalışmakta, c veya e olması durumunda durmaktadır. Buradan ikinci pompanın depodaki su seviyesinin seviye-1 veya seviye-2 de olması durumunda çalıştığı görülmektedir. Su seviyesinin seviye-3 veya yukarısında olması durumunda pompa-2 durmaktadır. Yine sağdaki gelen kodun kontrol edildiği karar bloğunda (manuel mod) x gelen kodu için pompa 2 çalışmakta, y gelen kodu için durmaktadır Üç numaralı kuyudaki mikrodenetleyiciye ait kodun incelenmesi Buradaki mikrodenetleyiciye ait sistem programının işaret akış diyagramı da Şekil 6 da verilene benzerdir. Burada soldaki gelen kodun kontrol edildiği karar bloğunda, gelen kodun (otomatik mod) a olması durumunda pompa 3 çalışmakta, b, veya c veya e olması durumunda durmaktadır. Buradan üçüncü pompanın depodaki su seviyesinin sadece seviye-1 durumunda çalıştığı, diğer tüm seviyelerde çalışmadığı görülmektedir. Yine sağdaki gelen kodun kontrol edildiği karar bloğunda (manual mod) o gelen kodu için pompa 3 çalışmakta, p gelen kodu için durmaktadır. Su deposundaki suyun alt seviyelere inmesi durumunda deponun hızlı bir şekilde doldurulabilmesi için, otomatik modda, pompaların yukarıda anlatıldığı gibi çalışması düşünülmüş ve kodlar buna göre yazılmıştır. Su deposundaki su seviyesine göre kuyulardaki pompaların (motorların) çalışıp/çalışmama durumları yeniden özet olarak Tablo 1 de verilmiştir (aynı zamanda Şekil 1 e bakınız). Tablo 1. Su kuyularındaki pompaların su deposundaki su seviyesine göre çalışıp/çalışmama durumları. Depodaki su Pompa durumları seviyesi Pompa-1 Pompa-2 Pompa-3 1 Çalış Çalış Çalış 2 Çalış Çalış Dur 3 Çalış Dur Dur Dolu Dur Dur Dur 7. Kullanılan motorların incelenmesi Projenin prototipinin gerçekleştirilmesinde su transferlerini sağlamak için 3 adet 12V 2A ile çalışan TMC markasına ait dalgıç karavan pompası kullanılmıştır. Böyle bir pompa su kuyusunu temsil eden bir su kabı içinde Şekil 7 de gösterilmiştir. Bu motorları PIC mikrodenetleyiciler ile sürmek için 10A e kadar akımı kesebilen röle kartları kullanılmıştır (Bakınız Şekil 5). 8. Arayüz PC arayüzünün temel amacı, kuyulardan ve depodan uzakta olan bir yerde (mesela bir ofiste), depodaki su seviyesini, kuyulardaki pompaların çalışıp çalışmama durumlarını görebilmektir. Aynı zamanda kullanıcı arayüz yardımıyla kuyulardaki motorları manual olarak çalıştırıp/durdurabilmekte ve isterse yeniden otomatik moda (servo mod) dönebilmektedir. Şekil 8 de PC monitöründe arayüz kullanım ekranı ve 5

6 Şekil 7. Proje prototipinde kullanılan su pompası arayüzle sistemdeki diğer mikrodenetleyiciler arasındaki kablosuz iletimi sağlayan, PC ye USB portundan bağlanan, RF alıcı-verici modülü gösterilmiştir. 9. Sonuç ve öneriler Bu projede bir su deposu ve farklı üç su kuyusu (pompası) dan oluşan bir hidrolik sistemin prototipi oluşturulmuştur. Bu hidrolik sitemin mikrodenetleyiciler/bilgisayar ve RF alıcı-verici modüller yardımıyla kablosuz kontrolü gerçekleştirilmiştir. Önce su deposundaki su seviyelerine göre pompaların çalışma senaryoları belirlenmiştir. Sistemdeki mikrodenetleyicilere ait sistem programları ve PC arayüz programı bu senaryoya göre yazılmıştır. Depodaki su seviyesi, deponun su giderinden su salınarak değiştirilmiş ve sistemin kabul edilen senaryoda belirtildiği gibi çalıştığı gözlemlenmiştir. Sistem otomatik modda çalışırken, arayüzden manual moda geçilmiş ve pompaların manual olarak kontrol edilebildiği gözlemlenmiştir. Manual moddan tekrardan otomatik moda dönülmüş ve sistemin öngörüldüğü gibi çalıştığı görülmüştür. Prototipi gerçekleştirilen sistemin daha güvenilir bir şekilde çalışması için sisteme su deposu taşma kontrolü ve pompa arıza kontrolleri eklenebilir. Sistemin güvenilir çalışmasının en önemli koşulu RF alıcı-vericiler arasındaki haberleşmenin çok sağlıklı olmasıdır. Deponun taştığı, depo taşma borusuna yerleştirilen ve borudaki su hareketini algılayan bir algılayıcı (sensör) yardımıyla anlaşılabilir. Bu durumda otomatik olarak tüm pompalar durdurulur ve PC arayüzünden kullanıcıya sesli ve görsel ikazlar yapılabilir. Yine bir pompadaki arıza pompanın su çıkışındaki su hareketini algılayan sensör yardımıyla belirlenebilir. Eğer pompayı süren mikrodenetleyici pompayı çalıştır konutunu gönderdikten belirli bir süre sonra pompanın su çıkış borusunda bir su hareketi algılanmıyorsa, pompanın arızalı olduğu anlaşılır. Bu durumda su kuyusundaki motor durumu için arızalı bilgisi PC arayüzüne ve depo yanındaki mikrodenetleyiciye gönderilip bu durum PC arayüzü ve depo yanındaki LCD ekranda gösterilebilir. Şekil 8. PC monitöründeki arayüz kullanım ekranı ve USB ye bağlı RF alıcı-verici modülü Kaynakça [1] Dorji DRF4432D20 20 dbm ISM RF Transceiver Module Dataseheet, [2] MicroC PRO for PIC Libraries, MikroC PRO for PIC v [3] 16F628A Datasheet, [4] 16F877A Datasheet, [5] RF Haberleşme İle Uzak Mesafeden Su Deposu Otomasyon Sisteminin Gerçekleştirilmesi, Elektrik Mühendisliği Dergisi, Sayı 440,Kasım 2010, [6] MİkroC Dersleri, [7] Katırcıoğlu İ., Sefer C. (2005),Sıvı Tanklarda Seviye Kontrol Sistemi,İstanbul Üniversitesi [8] Özden S., Dursun M. (2010), Radyo Frekansı ile Düşük Maliyetli Su Seviyesi Kontrolü.[Online],Available: 6