Gökay BAYRAK, Turgay KAYA

Transkript

1 PLC VE ELEKTRİK KUMANDA DEVRELERİ EĞİTİMİ İÇİN BİR DENEY SETİ TASARIMI VE UYGULAMASI Gökay BAYRAK, Turgay KAYA Elektrik-Elektronik Mühendisliği Bölümü Fırat Üniversitesi ÖZET Programlanabilir Lojik Kontrolör (PLC) üniteleri, endüstrinin birçok alanında ve otomasyon sistemlerinin tasarımında önemli bir işleve sahiptir. Özellikle kumanda devreleri ile tasarımın güç olduğu sistemlerde, sistemin girişçıkış birimlerinin kolayca sisteme entegre edildiği ve PLC programı ile arıza durumlarının hızlı şekilde tespitinin yapılabildiği bu sistemi kullanmak, sistem tasarımında önemli bir avantaj sağlamaktadır. Bu çalışmada, temel elektrik makinaları deneylerinden asenkron motorlara yıldız-üçgen yol verme ve asenkron motorun iki yönlü çalışması deneylerinin hem elektriksel kumanda ile hem de PLC ile yapılabildiği kompakt bir deney seti tasarımı gerçekleştirilmiştir. Bu deney setinde, öğrencilerin elektriksel kumanda ve PLC ile kumanda arasındaki farkı uygulamalı olarak görebilmesi ve PLC programlamayı uygulamalı olarak yapabilmesi sağlanmıştır. Ayrıca PLC deney seti ile birçok farklı uygulamanın PLC programının geliştirilerek, bu programların öğrenciler tarafından test edilmesine de imkân sağlanmaktadır. Böylece hem elektrik makinaları deneylerinin hem de otomasyon laboratuarı deneylerinin bir arada yapılabildiği eğitim amaçlı bir deney seti platformu gerçekleştirilmiştir. Anahtar Kelimeler: PLC, Elektriksel Kumanda, Asenkron Motorlara Yıldız-Üçgen Yol Verme, Asenkron Motorların İki Yönlü Çalıştırılması. 1. GİRİŞ Teknolojinin hızla geliştiği günümüzde, endüstrideki üretim için oldukça karmaşık otomasyon sistemlerine ve birçok işlemin çok kısa sürede güvenilir bir şekilde yapılabilmesini gerektiren sistemlere ihtiyaç duyulmaktadır. PLC kontrollü sistemler, karmaşık otomasyon problemlerinin hızlı ve güvenli bir şekilde çözebilmektedir. Bu sayede, süreç denetimi de çok daha güvenli ve hızlı bir şekilde yapılabilmekte ve karşılaşılacak arızalar oldukça kısa sürede tespit edilip, giderilebilmektedir. PLC günlük hayatımızda da hemen her alanda kullanılmaktadır. Otomotiv, gıda, tekstil, makine üretim, tarım vb. birçok endüstriyel alanda PLC kontrollü sistemler kullanılmaktadır. Bu noktada, özellikle PLC sistemlerinin çok iyi anlaşılması, PLC programlamanın öğrenilmesi ve uygulamalarının yapılabilmesi önem kazanmaktadır. Yüksek öğrenim kurumlarında bu konu ile ilgili öğrencilerin ve endüstriyel alanda da çalışanların PLC konusunda eğitimlerini alması ve yetişmiş insan gücünün endüstriye kazandırılması da önemli bir konudur. Bu konuda literatürde çeşitli çalışmalar mevcuttur. Barrett ve ark. yaptıkları çalışmada otomasyon laboratuarlarında kullanılmak üzere bir PLC eğitim seti tasarlamışlardır [1]. Benzer bir çalışmada ise DC motorların kontrol edildiği, PLC kontrollü bir deney seti tasarımı gerçekleştirilmiştir [2]. Li ve ark. ise web tabanlı ve pnömatik elemanların kullanımına yönelik PLC kontrollü bir eğitim seti tasarlamışlardır [3]. Eğitim seti tasarımında farklı alanlara da vurgu yapılmıştır. Bayındır ve ark. kablosuz ağ ile haberleşebilen PLC kontrollü bir su pompalama sistemi tasarımı yapmışlardır [4]. Bir diğer çalışmada ise Honda ve diğ. sıvı akış kontrolü için bir PLC kontrolör geliştirmişlerdir [5]. Endüstriyel uygulamalar için geliştirilen ve bir kaynak makinasının kontrolünü gerçekleştiren eğitim setinde ise kaynak makinasının kontrolünün kullanıcılar tarafından gerçekleştirilebilmesi sağlanmıştır [6]. Benzer şekilde, AC servo motorların ve elektro pnömatik elemanların eğitimi amaçlı eğitim setleri de tasarlanmıştır [7,8]. Asansör eğitimi amaçlı tasarlanan ve PLC kontrollü benzer çalışmalar da literatürde yer almıştır [9, 10]. Bu çalışmaların dışında, TCP/IP üzerinden PLC tabanlı işlemlerin kontrol edilmesine [11], endüstride ip gerginlik kontrolüne [12] ve su pompalarının kontrolüne [13] yönelik eğitim amaçlı yapılan uygulamalar da bulunmaktadır. Yapılan uygulama çalışması ile öğrencilerin PLC nin çevre elemanları ile olan bağlantılarını, çalışma mantığını, bilgisayar ile haberleşmesini, PLC programlamayı öğrenebilmesi amaçlanmıştır. Ayrıca bu deney seti ile birlikte, elektrik makinaları deneylerinden asenkron motorlara yıldızüçgen yol verme ve asenkron motorun iki yönlü çalışması deneylerinin hem elektriksel kumanda ile hem de PLC ile 326

2 Elektrik-Elektronik ve Bilgisayar Sempozyumu 2011 yapılabildiği gelişmiş bir eğitim seti tasarımı gerçekleştirilmiştir. Bu sayede öğrenciler hem PLC programlarını uygulamalı yaparak sonuçlarını görebilmekte, hem de elektrik makinaları laboratuarında aldıkları deneylerin elektriksel kumandasını ve PLC ile kumandasını gerçekleştirerek, PLC kontrol sisteminin kumanda devresine göre üstünlüklerini görebilmektedirler. 2. PROGRAMLANABİLİR LOJİK KONTROLÖR (PLC) PLC, otomasyon devrelerinde yardımcı röleler, zaman röleleri, sayıcılar gibi kumanda elemanlarının yerine kullanılan mikroişlemci temelli cihazlardır. Bu cihazlarda zamanlama, sayma, sıralama ve her türlü kombinasyonel ve ardışık lojik işlemler yazılımla gerçekleştirilir. Bu nedenle karmaşık otomasyon problemlerini hızlı ve güvenli bir şekilde çözmek mümkündür [14]. PLC nin üstünlüklerini sıralarsak: Daha kolay ve güvenilirdirler. Daha az yer tutar ve daha az arıza yaparlar. Hazır fonksiyonları kullanma imkânı vardır. Yeni bir uygulamaya daha çabuk uyum sağlarlar ve kötü çevre koşullarında, özellikle tozlu ortamlarda, röleli kumanda devrelerine göre daha güvenlidirler. Daha az kablo bağlantısı isterler, böylece devrelerde arıza aramayı kolaylaştırır. Giriş ve çıkışların durumları izlenebilir. Röleli kontrol devrelerine göre çok daha az yer kaplarlar. Güvenilirliği yüksek, bakımı kolaydır. Arıza yapma ihtimali azdır. Bir PLC için arızalar arası ortalama süre yaklaşık olarak 8000 saattir. Bilgisayarla ve diğer kontrolörle haberleşme olanağı vardır. Bu özelliği, bilgisayarlı otomasyon işlemine olanak sağlar. PLC nin giriş ve çıkış uçları kontrol sistemi için oldukça önemlidir. PLC, giriş elemanları tarafından kendisine aktarılan bilgileri PLC ye yüklenen programa göre değerlendirerek, çıkış birimlerinin kontrol edilmesini sağlar. Bu nedenle PLC ile kontrol edilen bir sistemde, PLC giriş ve çıkış elemanları iyi belirlenmelidir. Aşağıda bu elemanların neler olduğu genel olarak verilmiş ve Şekil 1 de de bu elamanlar gösterilmiştir: 2.1. PLC Giriş Elemanları: Çıkış Kontrol Lambaları Selenoid Valfler Röle, kontaktör ve Motorlar Şekil 1: PLC giriş ve çıkış elemanları 3. PLC EĞİTİM SETİ TASARIMI Bu bilgiler ışığında, uygulama çalışmasında, eğitim amaçlı bir PLC deney seti geliştirilmiştir. Şekil 2 de de gösterilen PLC deney seti, S7-200 CPU-224 işlemcisi, güç kaynağı ve EM-235 analog modülden oluşmaktadır. PLC girişleri iki yönlü anahtarlara ve iki tanesi de start ve stop butonuna bağlanmıştır. İki yönlü anahtarlar ile PLC ye doğrudan input verilerek, bilgisayarda gerçekleştirilen PLC programı test edilebilmektedir. Aynı zamanda bu anahtarlar sensör vb. giriş elemanlarının bağlanması durumunda, gerçek zamanlı olarak sistemin test edilebilmesine de imkân sağlamaktadır. PLC çıkışları ise röleleri sürmektedir ve rölelerin NO ve NC kontakları ve COM uçları klemenslere çıkarılmıştır. Bu sayede çeşitli yüklerin kolaylıkla sisteme bağlanabilmesi amaçlanmıştır. Röleler üzerine LED monte edilerek hangi çıkışın aktif olduğu da deney seti üzerinden görülebilmektedir. ÇIKIŞLAR 1. Temaslı Algılayıcılar: Kontaktörler Şalterler-Anahtarlar: Mekanik Sınır Anahtarları Butonlar: Start Butonu, Stop Butonu, İki Yollu Kumanda Butonu. 2. Temassız Algılayıcılar: Endüktif Temassız Algılayıcılar Kapasitif Temassız Algılayıcılar: Optik Temassız Algılayıcılar 2.2. PLC Çıkış Elemanları: RÖLELER PLC GİRİŞLER 327

3 Şekil 2: Geliştirilen PLC kontrollü eğitim seti Geliştirilen PLC deney seti üzerindeki analog modül ile sıcaklık, basınç vb. fiziksel büyüklüklerin sensörler ile ölçülüp, analog akım ve gerilim bilgisi olarak PLC ye girilebilmesine de imkan sağlanmaktadır. PLC deney seti ile öğrenciler, Microwin Step-7 programı ile derledikleri programları PLC ye yükleyerek, deney seti ile test edebilme şansına sahip olmaktadırlar. PLC-PC bağlantısı, program derleme, yükleme, test etme ve hatta gerçek giriş-çıkış elemanlarını kullanarak uygulama yapma imkânına da sahip olmaktadırlar. 4. ELEKTRİK KUMANDA DENEY SETİ TASARIMI Elektrik kumanda devrelerinin öğrenilmesi, birçok kumanda devresinin tasarımı ve kumanda altyapısının öğrenilmesi açısından oldukça önemli bir konudur. Şekil 3 te elektrik kumanda devresi eğitimi için geliştirilen deney seti görülmektedir. Bu deney setinde 3 adet 220 V, 3 fazlı, 2 NO ve 2 NC kontağa sahip kontaktör kullanılmıştır. Kontaktörlerin bobin uçları ve tüm kontakları deney seti üzerine çıkarılmıştır. Böylece kumanda devresi bağlantılarının kolayca yapılabilmesine imkân sağlanmıştır. Deney setinde ayrıca bir zaman rölesi, 3 adet sinyal lambası, 2 adet start ve 1 adet de stop butonu kullanılmış ve bu elemanların bağlantı uçları da deney seti üzerine çıkarılmıştır. Geliştirilen deney seti ile birçok basit kumanda devresi bağlantısı uygulamalı olarak yapılabilmektedir. Bu sayede kumanda devresinin uygulamalı olarak bağlantıları gerçekleştirilebilmektedir Asenkron Motorların İki Yönlü Çalıştırılması: Üç fazlı asenkron motorların devir yönlerinin değiştirilmesi, iki fazın yerlerinin değiştirilmesi ile yapılmaktadır. Motor bir yöne doğru dönerken, motorun enerjisi kesilmeden diğer yöne döndürülmeye çalışılması motorlara zarar vermektedir. Bu nedenle kontak emniyetli çalıştırma kullanılır. Bu çözüm ile motorun enerjisinin kesilmeden diğer yönde çalıştırılması engellenmiş olur. Deney setleri ile birlikte üç fazlı bir asenkron motor kullanılmıştır. Kullanılan asenkron motorun etiket değerleri Tablo 1 de gösterilmiştir. Tablo 1: Asenkron motor teknik özellikleri Nominal Akımı (A) 9.3 Nominal Gerilimi (V) 380 Nominal Gücü (kw) 5 Güç Faktörü 0.82 İzolasyon Sınıfı Nominal Hızı (d/dk) 1435 Deney öncesinde, öğrenciler, deneye ait PLC programını, PLC simülatör programı ile bilgisayarda deneme şansına sahiptirler. Şekil 4 te iki yönlü çalışmaya ait PLC programının simülasyonu görülebilmektedir. Deney esnasında ise bu programın gerçek zamanlı olarak çalıştırılması ile PLC programlama deneyimleri de arttırılmaktadır. B Şekil 3: Elektriksel kumanda deney seti Elektriksel kumanda devresi deney seti ile elektrik makinaları laboratuarında yaptırılan, asenkron motorları iki yönlü çalıştırma ve asenkron motorlara yıldız-üçgen yol verme deneyleri de uygulamalı olarak yapılabilmektedir. Bu deneyler, hem PLC deney seti ile PLC kontrollü olarak, hem de kumanda deney seti ile kumanda devresi kullanılarak yapılabilmektedir. Geliştirilen deney setleri ile gerçekleştirilebilen elektrik makinaları deneyleri aşağıda açıklanmıştır: Şekil 4: Asenkron motor iki yönlü çalışma deneyi PLC simülasyon programı Deney esnasında ise öğrenciler öncelikle asenkron motorun iki yönlü çalışmasını elektrik kumanda deney seti ile 328

4 Elektrik-Elektronik ve Bilgisayar Sempozyumu 2011 gerçekleştirmektedir. Daha sonra Şekil 5 teki iki yönlü çalışmaya ilişkin PLC programını derleyerek PLC ye yüklemekte ve aynı deneyi PLC deney setini kullanarak yapabilmektedir. Böylece PLC ve kumanda devresi arasındaki farkları deneysel olarak gözleyebilmektedir. Ayrıca PLC programını derleme, bilgisayara yükleme gibi temel bilgileri de bu sayede öğrenmiş olmaktadırlar. Şekil 6: Asenkron motor yıldız-üçgen yol verme deneyi PLC simülasyon programı. Şekil 5: Asenkron motorların iki yönlü çalıştırılmasına ilişkin PLC programı. Benzer şekilde deney PLC kontrollü olarak da yapılabilmektedir. Şekil 7 de verilen PLC programı derlenerek bu kez PLC kontrollü olarak yıldız-üçgen yol verme gerçekleştirilebilmektedir. Bu deneyler sayesinde öğrenci hem asenkron motora yol vermeyi öğrenmekte hem de PLC ve kumanda ile kontrolünü ayrı ayrı gerçekleştirerek, bu yöntemler arasındaki farkları uygulamalı olarak görebilmektedir Asenkron Motorlara Yıldız-Üçgen Yol Verme Özellikle büyük güçlü motorların yol almaları sırasında çektikleri akım oldukça yüksektir (Yaklaşık nominal akımın 3 katı yüksek akım çekerler). Bu dezavantajdan kurtulmak için, motor ilk önce yıldız çalıştırılır. Böylece motor sargılarına daha düşük gerilim uygulanmış olur. Yıldız-üçgen yol vermede, önce yıldız bağlanan motor düşük gerilimle (U/ 3) yol almaya baslar. Yol almanın uygun bir anında (zaman rölesinde ayarlanan sure sonunda) motorun faz sargıları arasındaki yıldız bağlantı açılır sonra motor sargıları üçgen bağlanır. Böylece motor normal geriliminde çalışmaya devam eder. Geliştirilen deney seti ile asenkron motorlara yıldız-üçgen yol verme deneyi de gerçekleştirilebilmektedir. Deney öncesinde Şekil 6 da görüldüğü gibi PLC simülatör programı ile deneyin PLC programı test edilebilmektedir. Öncelikle bu deneye ilişkin kumanda devresinden yararlanılarak, elektriksel kumanda ile yıldız-üçgen yol verme deneyi yapılmaktadır. Burada kontaktörlerin bağlantıları, zaman rölesinin kullanımı, start ve stop butonlarının kullanımı ve sinyal lambalarının bağlantıları yapılmaktadır. Daha sonra asenkron motor bağlantısı yapılarak deney gerçekleştirilmektedir. Şekil 7: Yıldız-üçgen yol vermeye ilişkin PLC programı. 329

5 5. SONUÇLAR Bu çalışmada eğitim amaçlı olarak bir eğitim deney seti platformu oluşturulmuştur. Öncelikle PLC eğitim deney seti gerçekleştirilmiştir. Bu deney seti ile uygulamalı olarak PLC programlama ve PLC ile ilgili temel bilgilerin verilmesi amaçlanmıştır. Daha sonra elektriksel kumanda eğitim seti geliştirilmiştir. Eğitim amaçlı olarak geliştirilen sistemin genel görünüşü Şekil 8 de görülmektedir. Bu deney setleri birlikte kullanılarak hem elektriksel kumanda eğitimi, hem PLC eğitimi hem de asenkron motorlar ile ilgili bir kısım deneyler yapılabilmektedir. Bu sayede hem temel elektriksel kumanda eğitimi verilebilmekte, hem de temel PLC eğitimi uygulamalı olarak gerçekleştirilebilmektedir. PLC ile elektriksel kumanda arasındaki farklar uygulamalı olarak gözlenebilmekte ve asenkron motora ait yıldız-üçgen yol verme ve asenkron motorları iki yönlü çalıştırma gibi temel elektrik makinaları eğitimi deneyleri de deney setleri ile uygulamalı olarak gerçekleştirilebilmektedir. Şekil 8: Eğitim amaçlı olarak geliştirilen sistemin genel görünüşü. 6. KAYNAKLAR [1] Barrett, M., The Design of A Portable Programmable Logic Controller (PLC) Training System For Use Outside Of The Automation Laboratory, International Symposium for Engineering Education, Dublin City University, Ireland, pp:1-5, [2] Özerdem, C. ve Samurkaş, T., KKTC Üniversitelerinde Programlanabilir Lojik Kontrolörlerin (PLC) Eğitimi ve PLC Kontrollü Taşıma Amaçlı bir Laboratuar Düzeneği Tasarımı,Elektrik,Elektronik,Bilgisayar Müh. Eğitimi 1. Ulusal Sempozyumu, pp: , [3] Li, W., Yen, C., Web-Based Learning and İnstruction Support System For Pneumatics, Computers & Education 41, pp: , [4] Bayındır, R., Çetinceviz, Y., A Water Pumping Control System With A Programmable Logic Controller (PLC) and İndustrial Wireless Modules For İndustrial Plants An experimental setup, ISA Transactions 50, pp: , [5] Honda, A., Okano, F., Ooshima, K., Application of PLC to Dynamic Control System For Liquid He Cryogenic Pumping Facility On JT-60U NBI System, Fusion Engineering and Design 83, pp: , [6] Coskun, I., Işık, M. F., Design and Application Of The Technical Training Set For PLC- Based Power Supply Unit Developed For Industrial Applications, Procedia Social and Behavioral Sciences 1, pp: , [7] Güllü, A., Sur, Y. F., Kaplanoğlu E., AC Servo Motor Eğitim Seti Tasarımı Ve Konum Kontrolü, SDU International Technologic Science, v:1, no:2, pp:74-81, [8] Tortumluoğlu, N., PLC Kontrollü Elektropnömatik Eğitim Seti Tasarımı, Yüksek Lisans Tezi, Marmara Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, [9] Çolak, İ., Bayındır, R., Kuruşçu, S., PLC Kontrollü Asansör Eğitim Seti Tasarımı Ve Uygulaması, Erciyes Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Dergisi 23, pp: 86 94, [10] Kuruşçu, S., Programlanabilir Asansör Eğitim Seti Tasarımı Ve Uygulaması, Yüksek Lisans Tezi, Gazi Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, [11] Da'na, S., Sagahyroon, A., Elrayes, A., Development of a Monitoring And Control Platform For PLC-Based Applications, Computer Standards & Interfaces 30, pp: , [12] Ren, S., Lu H., Wang Y., Fu, H., Development of PLC- Based Tension Control System, Chinese Journal of Aeronautics 20, pp: , [13] Ünsal, A., Duysak, A., Ilıca, A., The Design and Implementation of an Educational Control Testbed, Elektrik-Elektronik ve Bilgisayar Mühendisliği Sempozyumu (ELECO), Bursa, [14] User Manual of S7-200, Siemens Publications, Demand 2,