Programlanabilir Mantıksal Denetleyici Kullanarak PID Yöntemi İle Robot Hız Denetimi

Transkript

1 Fırat Üniv. Fen ve Müh. Bil. Der. Science and Eng J of Fırat Univ. 18 (1), , (1), , 26 Programlanabilir Mantıksal Denetleyici Kullanarak PID Yöntemi İle Robot Hız Denetimi Servet SOYGÜDER ve Hasan ALLİ Fırat Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Makine Mühendisliği Bölümü, 23279, Elazığ ssoyguder@firat.edu.tr (Geliş/Received: ; Kabul/Accepted: ) Özet: PLC (Programlanabilir Mantıksal Denetleyici) günümüzde, endüstride sistemlerin otomasyonunda sıkça kullanılmaya başlanmıştır. PLC ye çok sayıda giriş ve çıkışı olan bir bilgisayar denilebilir. Bu girişlere bağlı olarak içinde yazılı program dahilinde çıkışlar vererek istenilen cihazları denetler. PLC denetleme kabiliyetini içinde yazılı olan programdan alır. Daha önceden bir çok elektrik kumanda devre elemanı kullanılmasını gerektiren kumanda sistemleri PLC de sadece program yazımı ile gerçekleştirilir. Bu da maliyeti oldukça düşürdüğü gibi sistemin denetlenebilirlik esnekliğini arttırmaktadır. Endüstriyel robotlar çok fonksiyonlu kullanımlar için tasarlanmıştır. Uygun olarak seçilen robot ele göre, mobilya sektöründe dikme, metal veya tahta kesimi, reklam sektöründe isim yazma, boya yapma ve parça taşıma işlemlerinde kullanılabilir. Günümüzde PLC ler yiyecek-içecek, kimya, petro-kimya, otomotiv endüstrisinde, cam işlemlerinde, parça taşımada, motor denetiminde, robotlarda, makinelerin denetiminde ve güç sistemleri v.b. birçok alanda kullanılmaktadır. Bu amaçla eğitimde ve endüstride kullanılmak üzere tasarladığımız iki serbestlik dereceli robot el tanımlı çalışma alanında herhangi bir noktaya erişebilecek kadarda esnekliğe sahip olan robotun hız denetimi PLC kullanarak PID ile gerçeklenebilirliği incelenmiştir. Anahtar Sözcükler: PLC, PID Denetim, Robot Denetimi A Robot Speed Control With PID Control Method Using Programmable Logic Controller Abstract: Today Programmable Logic Controllers (PLC) are widely used in industrial systems automation. PLC is a kind of computer that has many inputs and outputs. It controls the devices that are attached to the its outputs by depending on the inputs. Control systems which required a lot of electrical control circuit devices are implemented just by writing a program. PLC decreases not only cost but also increases the flexibility of the system. Industrial robots are perceptive machines that can be programmed to perform a variety of tasks such as spraying, pick and place, cutting, drilling, inspection, etc. The performance of a robotic system depends on the selection of most appropriate manipulator configuration for the specific task and the definition of its motions. In this study, an industrial robot is implemented for multi functional usage. According to the suitable end effector selected, the robot can be used forsewing, metal or wood cut operations in furniture industry, for moving a part, material or tool from one place to another called pick and place operation. This study presents PLC application(pid) of the robot speed control which was designed and implemented for the purposes in both education and industry. Key Words: PLC, PID Control, Robot Control. Bu çalışma Fırat Üniversitesi Bilimsel Araştırma Projeleri (FÜBAP) tarafından desteklenmiştir. 1. Giriş PLC ler endüstriyel denetimde mikroişlemci uygulamalarının en hızlı yaygınlaşan alanıdır. Analog giriş/çıkış modülleri aracılığı ile hız, konum, sıcaklık gibi ayrık olmayan veriler PLC ler tarafından kolaylıkla işlenebilmektedir. Örneğin bir motorun kodlayıcısından alınan hız bilgisi analog giriş kartı üzerindeki ADC (Analog- Sayısal Dönüştürücü) tarafından örneklenip sayısal veri olarak bir bellek bölgesine

2 S. Soygüder ve H. Alli atılmakta, daha sonra bu bellek bölgesindeki veri ile daha önceden girilmiş ayar noktası değeri karşılaştırılmaktadır. Yüksek performanslı bir motor sürme sisteminin gereksinimleri şunlardır: -Ayar noktası değişimlerini sınırları aşmadan hızlı takip edebilmelidir.[1] -Basamak yük değişimi sebebiyle oluşan maksimum iniş zamanı ve eski haline dönüş zamanı mümkün olduğunca küçük olmalıdır. -Komut izleme ve yük değişimleri durumlarının kararlı hal hataları sıfır olmalıdır. Bu gereksinimleri karşılamak üzere sürme sisteminde dış geri besleme döngüleri ilave edilir. Bu, PLC lerde PID komut yada program parçasıyla yapılır. PID denetim endüstride en çok kullanılan denetim yöntemlerinden birisidir. Bunun nedeni PID kontrolörün hemen hemen tüm denetim sistemlerine uygulanabilmesidir. Denetlenecek sistem motor hızı, konum ve fırın sıcaklığı v.b. olabilir. İstenilen set değerine gelmesi ve set değerinin değişimlerinde onu takip etmesi istenir. İyi bir denetim performansı için de bu işlemin en kısa zamanda ve az hata ile yapılması gerekir. Hatanın anlamı set değeri ile gerçek değer arasındaki farktır. PID denetleyici, bu hataya ve hatanın değişim hızına bağlı olarak çıkış verir. Analog PID denetleyiciler genellikle hidrolik, pnömatik, elektrik ve elektronik veya bunların kombinasyonlarından oluşur. Ayrıca bunlar mikroişlemciler kullanılarak sayısal forma dönüştürülebilir [2,3]. PLC ye çok sayıda giriş ve çıkışı olan bilgisayar diyebiliriz. Programlanabilir mantık denetleyiciler son yıllarda endüstride sistem otomasyonunda sıkça kullanılmaya başlanmıştır. Bir çok firma değişik tipte ve özellikte PLC üretmektedir. PLC ler ihtiyaca göre, cihazın teknik sınırlamaları da dikkate alınarak, istenildiği kadar sayısal veya analog giriş/çıkış modülleri eklenebilir. PLC her program taramasında, önce dışardan gelen analog veya sayısal bilgileri okur, daha sonra bu bilgilere göre içinde yazılmış olan programı adım adım işletir. Son olarak çıkışları, denetlediği cihazlara iletir. PLC kullanımının bir çok avantajı vardır [4]: a) Ekonomik olması, b) Sistemlerin daha kolay oluşturulabilmesi, c) Endüstride saha otomasyonları yapılması sayesinde insan hatasının azaltılması, d) Denetim sistemlerinde kullanıldığında yüksek hıza sahip olması, e) Bir bilgisayar ara yüzü ile entegre edildiğinde tüm sahanın az sayıda personel tarafından bir denetim merkezinden yönetilmesini sağlaması, f) Elektrik kumanda elemanlarına göre daha güvenilir ve dayanıklı olması.[5,6,7] Bu çalışmada, endüstride en çok kullanılan PID denetimin PLC de gerçekleştirilebilirliği incelenmiştir. Bu çalışmada iki eksenli bir robot tasarlanarak, robot manipülatörünün hız denetimi gerçekleştirilmiştir. Robot kolunu tahrik eden motorun miline bağlı takometreden hız geri besleme bilgisi PLC nin analog giriş kartına gelmekte ve orada sayısallaştırılmaktadır. Aynı zamanda bir diğer analog girişten, ayarlı DC gerilim kaynağı vasıtasıyla set değeri okunur. Bu iki sayısallaştırılmış değer arsındaki fark PLC içinde hesaplanarak hata bulunur. Bu hataya bağlı olarak, PLC de oluşturulan PID denetimli Ladder Diyagram programına, hatayı minimum yapacak şekilde, deneme yanılma yolu ile P (orantısal), I (integral) ve D (türevsel) katsayı değerleri girilir. Her bir döngüde bulunan sayısal değer analog çıkış kartına gönderilir. Bu kartta sayısal değer analog değere dönüştürülür. Denetim çıkışı gerilim olarak Tristör tetikleyici devreye verilir. Gelen bu gerilime göre tetiklenen tristörler motorun armatür gerilimini etkiler. Sonuçta bu değişim robot denetiminde hassasiyet ve robot kollarını tahrik eden motor hızlarının değişimi olarak yansır. Bu işlem örnekleme zamanı olan her 1ms de bir gerçekleşir. 2. PLC Genel Blok Şeması ve Sistemin Blok Diyagramı Günümüzde endüstride hemen hemen her alanda gerçekleştirilen üretimlerde PLC ler kullanılmaktadır. PLC bir bilgisayara benzetilirse; girişlerinde fare ve klavye yerine basit giriş bağlantıları vardır. Yine 114

3 Programlanabilir Mantıksal Denetleyici Kullanarak PID Yöntemi İle Robot Hız Denetimi çıkışlarında ekran yerine basit çıkış bağlantıları vardır. Çıkışlara bağlanan elemanlara da iş elemanı denir. Şekil 1 deki blok şemasında görüldüğü gibi PLC duyargalardan aldığı bilgiyi kendine göre işleyen ve iş elemanlarına göre aktaran bir mikroişlemci sistemidir [8,9]. Duyargalara örnek olarak, herhangi bir metali algılayan endüktif duyarga, PLC girişine uygun gerilim vermede kullanılan anahtarlar verilebilir. İş elemanları için PLC çıkışından alınan gerilimi kullanan kontaktörler, bir cismi itme veya çekmede kullanılan pnömatik silindirleri süren elektro-valfler ve lambalar uygun örnektirler. Sistemin çalışma prensibinin hız kontrol blok diyagramı Şekil 2 de görülmektedir. Şekil 1. PLC Genel Blok Şeması Şekil 2. Hız Kontrol Blok Diyagramı (Kapalı Döngü) 3. PLC İle PID Kontrol Aşağıdaki blok diyagramda PID döngüsünün temel bileşenleri görülmektedir. Burada robot kollarını tahrik eden motorlara gerilim uygulandığında motor miline bağlı olan takometre ve enkoderler hassasiyetlerine göre sinyal üretirler ve bu sinyaller PLC ye aktarılarak robotun denetimi hakkında bilgi edinilir. Bu durum değişkenleri motorun hız denetimi hakkında bilgi sağlar. Bu değerler gerilime bağlı olarak bir kablo vasıtasıyla PLC' nin analog kartına gelir. PLC bu analog değeri durum değişkeni girişi olarak okur. MİB ( Merkezi İşlem Birimi ) döngü hesaplamasını işletir. Bu denetim çıkışı analog gerilim olarak motorun armatür gerilimini veren tristör tetikleme devresine gönderilir. Durum değişkeni bu işleme bağlı olarak değişecektir. Bu işlemden sonra bir sonraki döngü başlar. Bu döngü sistem hatası minimum oluncaya kadar sürekli devam eder. [1,11,12] 115

4 S. Soygüder ve H. Alli Şekil 3. PLC Taraması Sırasındaki İşlemler 4. PLC İle PID Denetimin Robota Uygulanması Endüstrinin, bir çok alanında değişik amaçlarla kullanılan robotların kumanda edilmesinde PLC den faydalanılmaktadır. Bu şekilde işlemin hem kalitesi hem de hızı arttırılmaktadır. Robotların çok pahalı olmaları ve belirli işler için yardımcı donanıma ve yazılıma ihtiyaç duymaları, yüksek teknolojiye bağımlılığı arttırmaktadır [13,14,15]. İmkanları kısıtlı bir ortamda, teknoloji bağımlılığından kurtulmak için mevcut bilgi birikimlerini ve deneyimlerini değerlendirerek, kendi teknolojimizi geliştirmek bir zorunluluktur. Bu amaçla eğitim ve endüstride kullanılmak üzere iki serbestlik dereceli robot el tasarlanmış (Şekil.5-6) ve tasarlanan bu robotun hız denetimi yapılmıştır. Şekil 4. Tasarlanan Robotun Bir Resmi 116

5 Programlanabilir Mantıksal Denetleyici Kullanarak PID Yöntemi İle Robot Hız Denetimi Şekil 5. Tasarlanan Robotun Başkabir Resmi Robot kollarının denetimi S7-2 Siemens Micro PLC seti ile gerçekleştirilmiştir. Bu çalışmada robot kolları aynı anda ve farklı hızlarda denetimi yapılmıştır. Burada tasarlanan iki eksenli robotun işlevlerinin en kısa zamanda ve hassasiyetini arttıracak şekilde denetimlerinin gerçekleştirilmesine çalışılmıştır. Uygulamada robotun her bir kolun denetimi için takometre sensörü kullanılmıştır. Takometreden geri besleme ile alınan robot kollarını tahrik eden motor gerilim değerleri PLC nin Analog-Sayısal kart dönüştürücüsüne verilir. Programda verilen referans hız ile takometrenin ölçülen hızı karşılaştırılarak, uygun bir çıkış bilgisi analog modülden gönderilir. Bu kart ile analog değer sayısal değere çevrilir. PLC de yaptığımız programda bu değer kullanılarak hata (e) bulunur. Hatanın yok edilmesi için PID hata katsayı parametreleri deneme yanılma ile PLC setinde oluşturulan Ladder programına girilerek denetim sağlanmıştır. Program bu hataya bağlı olarak çıkış işareti üretir. Bu işaret bir DC kıyıcı devre olan güç elektroniği devresi aracılığı ile robot kolunu tahrik eden motorun uyartım gerilimi değiştirilerek devir sayısı ayarlanır ve böylece takometrenin hızı referans hıza eşitlenir. DC kıyıcıya gönderilen analog işaret PID denetiminin çıkışıdır. Bu şekilde tasarladığımız robotun hız denetimi hassas bir şekilde gerçekleştirilmesine çalışılmıştır. 5. Grafiksel Sonuçlar Şekil 6. Robot Kolunu 1. Eksende Hareket Ettiren Motorun d/d dan 16 d/d ya Ulaşması (PID Kontrol ) 117

6 S. Soygüder ve H. Alli Şekil 7. Robot Kolunu 1. Eksende Hareket Ettiren Motorun d/d dan 16 d/d ya Ulaşması (P=1,Orantısal Kontrol) Şekil 8. Robot Kolunu 2. Eksende Hareket Ettiren Motorun 18 d/d dan 32 d/d ya Ulaşması (PID Kontrol ) Şekil 9. Robot Kolunu 2. Eksende Hareket Ettiren Motorun 18 d/d dan 32 d/d ya Ulaşması (P=1,Orantısal Kontrol) 118

7 Programlanabilir Mantıksal Denetleyici Kullanarak PID Yöntemi İle Robot Hız Denetimi Şekil 1. Robot Kolunu 1. Eksende Hareket Ettiren Motorun 32 d/d dan d/d ya İnmesi (PID Kontrol ) Şekil 11. Robot Kolunu 1. Eksende Hareket Ettiren Motorun 32 d/d dan d/d ya İnmesi (P=1,Orantısal Kontrol) Şekil 12. Robot Kolunu 2. Eksende Hareket Ettiren Motorun 26 d/d dan 18 d/d ya İnmesi (PID Kontrol ) 119

8 S. Soygüder ve H. Alli Şekil 13. Robot Kolunu 2. Eksende Hareket Ettiren Motorun 26 d/d dan 18 d/d ya İnmesi (P=1,Orantısal Kontrol) Uygulamada tasarlanan robotu oluşturan 1. ve 2. eksen kolun hızlarının ölçümleri sayısal osiloskop ile robot manipülatörünü tahrik eden motor milinden alınmıştır. Robotun her iki kolunu tahrik eden motorlar için 1/6 oranında hız düşürücü redüktör kullanılmıştır. Takogeneratörlerden denetim gerilimi diferansiyel problar vasıtası ile osiloskopa verilerek burada denetim data değerleri elde edildi. Elde edilen bu veriler ile MATLAB da grafikleri çizildi. Grafiklerde de görüldüğü gibi uygulamada tasarlanan robotun hız denetiminde, PID denetiminin oransal denetime göre robot kollarının istenilen referans hızı minimum zamanda ve çok az bir hata ile elde edildiği görülmüştür. Fakat grafik sonuçlarını almak için kullandığımız diferansiyel problar sisteme bağlandığında oluşan parazitler nedeniyle çok küçük hata ile küçük salınımlar yaptığı görüldü. Şekil 6 da robot kolunun 1. eksenini denetleyen motorun d/d dan (hareketsiz) istenilen 16 d/d ya ulaşılması PLC de PID denetimi ile başarılı sonuç alınırken, şekil 7 de de görüldüğü gibi PLC de PID denetimsiz (P=1, Orantısal Kontrol) yapıldığında istenilen referans değeri tam olarak elde edilememiştir. Aynı şekilde robot kolunun 2. ekseni denetleyen motorun 18 d/d dan istenilen referans değer olan 32 d/d ya ulaşılması şekil 8 de PLC de PID denetimi başarılı olarak elde edilirken, PLC de PID denetimsiz (P=1, Orantısal Kontrol) gerçekleştirildiğinde hata oluştuğu şekil.9 da görülmektedir. Şekil 1 da robot kolunun 1. eksenini denetleyen motorun hız devrinin 32 d/d dan d/d ya (hareketsiz) inmesi PLC de PID denetimi ile gerçekleştirilerek başarılı sonuç elde edilmiştir. PLC de PID denetimsiz (P=1, Orantısal Kontrol) gerçekleştirdiğimiz uygulamada oluşan hata şekil 11 de görülmektedir. Şekil 12 de görüldüğü gibi, robotun 2. eksenini denetleyen motorun hızının 26 d/d dan arzu edilen 18 d/d ya inmesi PLC de PID denetimi ile başarılı olarak gerçekleştirilmiştir. Bu çalışmada robot kollarının hız denetimleri istenilen çok farklı hızdaki değerler için denenmiş ve başarılı sonuçlar elde edilmiştir. Burada çok sayıda yapılan deneylerden sadece birkaçı için grafiksel sonuçlar verilmiştir. 6. Sonuçlar ve Değerlendirme Bu çalışmada programlanabilir mantık denetleyici kullanarak PID yöntemi ile tasarladığımız iki eksenli robotun hız denetimi başarılı bir şekilde gerçekleştirilmiştir. Yapılan deneyler sonunda, PLC ile PID denetimli sistem ile PID denetimsiz (P=1, Orantısal Kontrol) sistem karşılaştırıldığında, PID denetimli sistem çok daha iyi sonuçlar elde 12

9 Programlanabilir Mantıksal Denetleyici Kullanarak PID Yöntemi İle Robot Hız Denetimi edilebileceğini göstermiş ve sonuçlar grafiksel olarak da doğrulanmıştır. 7. Kaynaklar 1. Siemens A.G. (1998). Simatic S7-2 Programmable Controller, System Manuel, Nuemberg. 2. Soygüder S. (24). Programlanabilir Lojik Kontrolör Kullanarak PID Yöntemi İle Bir Scara Robotun Kontrolü,Yüksek Lisans Tezi, Fırat Üniversitesi. 3. Abdallah S., Nilmeh S. (23). Two axes sun tracking system with PLC Control, Energy conversion and management, 45, Hitachi, (1991). Operation Manuel, Hitachi H-2 Series. 5. Predko, M. (1998). Programming and Customizing The PIC Microcontroller. 6. Şabanoviç, A., Yannier, S. (1999). Robotlar: Sosyal Etkileşimli Makineler. 7. Campion, G., Bastin, G. (1996). D Andrea- Novel, B., Structural Properties and Classification of Knematic and Dynamic Models of Wheeled Mobile Robots. IEEE Transactions on Robotics and Automation, 12(1), Jones, J.,Flynn, (1993). A., Mobile Robots, Insprationto Implementation. Natick, MA, A.K. Peters,Ltd. 9. Leonard, J.E. (1992). Durrant-Whyte, H.F., Directed Sonar Sensing For Mobile Robot Navigation. Norwood, MA., Kluver Academic Publishers. 1. Jacobs, R.and Canny, J. (1989). Planning Smooth Paths for Mobile Robots, in Proceeding.of the IEEE Conference on Robotics and Automation. 11. Lacagnina, M. and Sinatra, R. (23). Kinematics, Dynamic and control of a hybrid robot Wheeleg, Robotics and Autonomous Sysrems. 12. Raibert, M.H., (1986). Legged Robots That Balance, Cambridge, MA, MIT Press. 13. Dautenhahn, K. (1999). Bringing up robots or- the psychology of socially intelligent robots: from theory to implementation,proc. Of Autonomous Agents. 14. Todd, D.J. (1985). Walking Machines, an Introduction to Legged Robots. Kogan Page Ltd. 15. Altınbaşak, O. (23). Mikrodenetleyiciler ve PIC Programlama. Benson, D., Easy PIC n Square Electronics.,