IML 322 İMALATTA OTOMASYON Bahar Hafta 2 Endüstriyel Kontrol Sistemleri. Dr. Erdinç Altuğ

Transkript

1 IML 322 İMALATTA OTOMASYON Bahar Hafta 2 Endüstriyel Kontrol Sistemleri Dr. Erdinç Altuğ 1 Endüstriyel Kontrol (Kumanda) Sistemleri Otomasyon sisteminin üç temel elemanı olduğunu söylemiştik (program, kontrol sistemi ve güç). Kontrol sistemleri bunlardan biridir. Bu sistemler otomasyon sistemlerinin önemli bir bölümünü oluşturur. Endüstriyel Kontrol (veya Kumanda) nedir? Birim işlemlerin ve cihazlarının otomatik düzenlenmesi, bu birim işlemlerin üretim sistemine entegre olması ve koordinasyonu olarak tanımlanabilir. Örnek video: Paketleme Robotu 3 1

2 İmalattaki otomatik kontrol sistem sistemleri geçen hafta gördüğümüz programlanabilir otomasyon kategorisine girer. Bu programlar kolaylıkla değiştirilebilir ve büyük esneklik getirir. Sistemin çalışma ortamındaki olası değişikliklere duyarlı olmasına göre programlanabilirler. Örneğin bir CNC torna tezgahı işlem gören malzemenin sertlik derecesine göre kesim hızını ayarlayabilir. Hatta kendi programında başka bir makineden gelen bilgilere göre değişiklik yapabilir. Bilgisayarlı Kontrol Seviyeleri Otomasyon seviyeleri ile kontrol seviyelerini ilişkilendire biliriz. Otomasyon Seviyeleri Şirket Seviyesi Fabrika Seviyesi Hücre Seviyesi Makina Seviyesi Kontrol Seviyeleri Koordinasyon Kontrolü Veri akışı Prosedür Kontrolü Cihaz Seviyesi Temel Kontrol 5 2

3 Kontrol Sistemlerinin Elemanları Algılayıcılar (kumanda düğmeleri, temassız algılayıcılar, v.b.) Kontrolcüler (PLC, mikroişlemci, v.b) Zaman rölesi (Uyarıldıktan bir süre sonra kontakları konum değiştiren veya bir çıkış işareti üreten elemandır. Gecikmeli kapanan on-delay veya gecikmeli açan off-delay türde olabilir.) Kontaktör (Sistemi enerji kaynağına bağlama-ayırma görevini yapan eletromekanik veya yarıiletken elemandır.) Yardımcı Kumanda elemanları (Pnömatik veya hidrolik valflar, motor sürücüleri v.b.) Eyleyiciler-İş elemanları (Pnömatik silindir, hidrolik silindir, elektrik motoru, v.b. elemanlar) Kumanda sistemi programlandığı mantıksal kurallara göre çalışır ve işlem hakkında aldığı bilgilere göre (algılayıcılar) kumanda işaretlerini (komutları) üretir. Kumanda sistemlerinin yapısı Girdi Parametreleri Düzeltmeler İşlem Kontrolcü İstenilen amaç Algılayıcı Çıktı Değişkenleri 7 3

4 Kumanda sistemleri daha kapsamlı özellikler içerebilirler İnsan makine Arabirimi Ayarlamalar, Ayarlanalar, kontrolcü seçimi, veriyi değerlendirme v.b. Ayarlanmış değişkenler Kontrolcüler Uzaktan tanı ve bakım Kontrol edilen değişkenler Eyleyiciler Algılayıcılar İşlem girdileri Kontrol edilen işlemler İşlem çıktıları Bozucular 8 Örnek 1: Bir kimyasal ürünün üretim Bir kimyasal ürünün üretilmesi sırasında bir çok kumanda işlemi gerçekleştirilebilir. Çeşitli algılayıcılar ve eyleyiciler kullanılıyor olabilir. İşlemler: Aracın hareket etmesi Yakınlık algılayıcıları ile algılanması Pnömatik silindirin çalıştırılarak 15 saniye boşaltma yapılması Araç yükünü başka bir tanka boşaltılması Karıştırma ve boşaltma işlemi [Örnek animasyon} 9 4

5 Örnek 2: PLC ile su seviyesi kontrolü PLC kullanılarak bir tanktaki su seviyesinin kontrol edilmesi sağlanabilir. Kontrol edilecek parametre hangisidir? Ne tür ve ne miktarda - algılayıcı - eyleyici - kontrolcü gereklidir? Video 10 Kontrol sistemini etkileyen parametreler/tanımlar Bu parametrelere göre kontrol sistemi tasarlanır. 1. Üretim çeşitleri (sürekli, süreksiz üretim) 2. Girdi ve çıktı değişkenlerinin tipi (devamlı, devamsız değişken) 3. Kontrol tipi (analog, dijital) 4. Kontrol sisteminin özellikleri (referans değişkeni, kontrol değişkeni, ayarlanmış değişken, sistem modeli) 5. Algılayıcı, eyleyici çeşitleri/tipleri 6. Açık döngü ve kapalı döngü kontrol olması 7. Kontrolcü cihaz çeşitleri (PLC, mikroişlemci, v.b.) 8. Kontrolün uygulama şekli: Sürekli (continuous) ve süreksiz kontrol (discrete) 9. Kontrolcünün Çalışma Tipi 5

6 1.Üretim çeşitleri Kontrol sistemi açısından üretim çeşitleri sürekli veya süreksiz olabilir. Sürekli üretim Gaz, sıvı, toz üretimi (m 3 cinsinden) (Kimyasal işlemler, ısıtma, karıştırma v.b. işlemler olur) Süreksiz üretim Birimsel ürün üretimi (adetsel) Dökme, Talaşlı imalat, montaj v.b. işlemler 12 Sürekli Üretim Süreç üretim yapan endüstriler Girdi süreklidir Sürekli Üretim İşlem Çıktı süreklidir Süreksiz üretim yapan endüstriler Girdi süreksizdir İşlem Çıktı süreksizdir 13 6

7 Süreksiz Üretim Süreç üretim yapan endüstriler Parti girdiler Parti girdiler Partili Üretim İşlem Parti çıktılar Süreksiz üretim yapan endüstriler Parti girdiler parti İşlem parti Parti çıktılar 14 2.Değişken Çeşitleri Kontrol sisteminde Devamlı ve Devamsız Değişkenler Devamlı değişken zaman geçtikçe kesintiye uğramayan, genelde analog ve bir aralıkta değer alan bir parametredir. Kuvvet, sıcaklık v.b. analog değerler (5 C, 100N. gibi) Devamsız değişken verilen bir aralıkta daima belli değerleri alan değişkendir. Açık/Kapalı v.b. dijital değerler. (0: açık, 1: kapalı gibi) 15 7

8 Değişken Çeşitleri Sürekli analog değişken Değişken veya parametre Süreksiz ikili olmayan değişken Süreksiz ikili değişken (0 veya 1) dalga zaman Kontrol Tipi: Dijital Analog Kontrol Kontrol amacıyla Dijital veya Analog kontrol uygulanabilir. PLC nin dijital girdi ve çıktı birimleriyle silindir konum kontrolü gerçekleştirilmesi PLC nin analog girdi ve çıktı birimleriyle hidrolik motor hız kontrolü gerçekleştirilmesi 8

9 Örnek 3: Çeşitli motor kontrolü örnekleri video video video Kontrol sisteminin özellikleri, diğer kontrol sistemi tanımları Referans değişkeni: Kontrol edilen değişkenin tutulması istenen değerdir. Kontrol edilen değişken: Hidrolik pres basıncı, ısıl işlemdeki fırın sıcaklığı v.b. Ayarlanmış değişken: Hidrolik pres valfı, fırın voltajı v.b. Kontrol edilen sistem modeli: Kontrol değişkeni ile ayarlanmış değişken arasındaki bağıntılar (akım ile elektrik motor hız kontrolü v.b.) Girdi Değişkeni Sistem Çıktı Değişkeni 19 9

10 Örnek: Tank sıcaklığı kontrolü Sabit sıcaklıkta tutulan bir su tankı görülmektedir. Burada su, tankın içinden geçen sıcak buhar ile ısıtılmakta ve bu buhar miktarı bir vana ile kontrol edilmektedir. Kontrol sistemi, valfın konumlandırılması ve su sıcaklığından oluşur. Bu sistemde girdi değişkeni: su sıcaklığı ve çıktı değişkeni de valf konumudur. (tank sıcaklığına göre vana kontrol edilir.) Buhar Su Kontrol vanası Isıtma borusu 20 Örnek: Su seviyesi kontrolü Mekanik kontrol sistemi de olabilir. Kontrollü değişken: Tanktaki su seviyesi Referans Değer:Şamandıra ve kaldıraç pozisyonunun ilk ayarı Karşılaştırma Elemanı: Kaldıraç Hata Sinyali: Kaldıraç konumlarının gerçek ve ilk ayarları arasındaki fark Kontrol Ünitesi: Mafsallı kaldıraç Düzletme Ünitesi: Su kaynağını açan/kapatan sürgü Proses: Tanktaki su seviyesi Ölçme Aleti: Yüzen top ve kaldıraç Figure 1.12 The automatic control of water level 10

11 6. Açık döngü ve kapalı döngü kontrol olması Sistemler; operatörler, bilgisayarlar veya her ikisini birden içeren sistemler ile kontrol edilebilirler. Açık Döngü Kontrol: Eğer bir operatör imalat işlemini takip edip kontrol edebilecek durumda ise açık-döngü kontrol kullanılabilir. Kapalı Döngü Kontrol: Otomasyon sistemlerinde ana amaç insan faktörünü olabildiğince işleyişten çıkarmaktır. Eğer imalat sistemi otomatik gerçekleşmesi isteniyorsa, kapalı döngü kontrol kullanılmalıdır. Örnek: Konveyör hızı kontrolü Algılayıcı varlığına göre açık veya kapalı döngü kontrol uygulanabilmektedir. Örneğin konveyör hızı kontrolü: 11

12 Örnek: Şaft hızı kontrolü 7. Kontrolcü cihaz çeşitleri Mikroişlemci PLC PC Mekanik Kontrolcü, kontrol sistemi kontrolünde kullanılabilir

13 PLC tabanlı kontrolcü kullanımı Işık v.b. uyaranlar Motor sürme k Pompa kontrolü Temassız algılayıcıl ar Tuşlar v.b girdi elemanları Örnek: Tanktaki suyun Seviye Kontrolü Bir tankta bulunan suyun seviyesi Programlanabilir Mantıksal Kontrolcü (PLC) ile de kontrol edilebilir. Bu uygulamada iki sıvı seviyesi algılayıcı (A1 ve A2) ve bir su pompası kullanılıyor. Su alttan kendiliğinin boşalmaktadır. Bu sistemin PLC de çalışacak merdiven mantık diyagramının nasıl oluşturulacağını önümüzdeki haftalarda öğreneceğiz

14 Örnek: Çamaşır Makinesinde mikroişlemci ile kontrol Örnek: Eski tip çamaşır makinelerinde mekanik kam kullanımı 14

15 Mikroişlemci ile kontrol Örnek: Otofokus kamera Örnek: Mikroişlemci ile Motor Kontrol Sistemi 15

16 8. Sürekli Süreksiz Kontrol Kontrol eylemi çıktı değişkeninin tipine göre sürekli veya süreksiz olabilir. Sürekli kontrol (continuous control): Analog ve sürekli olan çıktı değişkeninin kontrol edilerek istenilen değerde tutulduğu kontrol çeşitidir. (Örneğin: Kimyasal reaksiyon kontrolü, kontur frezeleme v.b.) Süreksiz kontrol (discreete control) Çıktı değişkeninin (genelde 0 veya 1) çeşitli olaylarla değiştiği kontrol çeşitidir. (Örneğin: Ev güvenlik alarm sistemi) 38 Süreksiz Kontrol Sistemleri Süreksiz kontrol sistemlerinde sistem parametreleri süreksiz olarak değiştirilir. Bu değişiklikler çeşitli nedenlerle olabilir. a) Gerçekleşen bir olay nedeniyle (Örneğin, robotun parçayı tezgaha yüklemesi) b) Zaman nedeniyle Bir işlemin başlaması veya bitmesi. (Örneğin, ısıtma zamanının dolması) Otomatik taşıma, depolama sistemlerinde, esnek imalat sistemlerinde, otomatik transfer hatlarında kullanılmaktadır

17 9. Kontrolcünün Çalışma Tipi Otomasyonda çeşitli kontrol yaklaşımları kullanılabilmektedir. 1.Düzenleyici Kontrol 2.İleri Besleme Kontrol 3.İstikrarlı Optimizasyon 4.Uyarlamalı Kontrol Düzenleyici Kontrol (Regulatory Control) Performansın istenilen değerde veya bir tolerans bandında tutmak amaçlanır. Dezavantaj: Kontrol için hata olmalıdır. Ancak: Hata => hatalı üretilen parçalar demektir. Girdi Parametreleri İşlem Çıktı Değişkenleri Düzeltmeler Kontrolcü Ölçümler İstenilen amaç 41 17

18 2. İleri Besleme Kontrol (Feed-foward Control) Bozucuların oluşturabileceği bozucu etkileri algılayıp, işleme etki etmeden düzeltici uygulayan bir kontrol çeşitidir. Oluşacak bozukluğu oluşmadan tahmin ederek harekete geçmek Bozukluklar Girdi Parametreleri İşlem Çıktı Değişkenleri İleri Besleme Kontrol Elemanı Düzeltmeler Kontrolcü Ölçümler İstenilen amaç İstikrarlı Optimizasyon (Steady-State Optimization) Açık döngü kontrol Matematiksel tekniklerle optimizasyon problemi çözülerek, optimum girdi parametreleri bulunur. Girdi Parametreleri İşlem Çıktı Değişkenleri Düzeltmeler Kontrolcü Performans göstergesi Optimum girdi değerini bulma algoritması Matematiksel Model 43 18

19 4. Uyarlamalı Kontrol (Adaptive Control) İşlem parametrelerini ölçen, optimal kontroldeki gibi bir performans endeksini eniyilemek amacıyla bir kontrol algoritması çalıştıran, geri beslemeli kontrol ile optimal kontrol birleştirerek bir kontrol çeşitidir. (Özellikle zamanladeğişken ortamlarda kullanılabilmesiyle diğer kontrol çeşitlerinden ayrılır.) Geri beslemeli kontrol ile optimal kontrolü birleştirir. Zamanla değişen durumlarda kullanılabilir. Üç fonksiyonu gerçekleştirir: Tanımlama, Karar ve Düzeltme Girdi Parametreleri İşlem Çıktı Değişkenleri Düzeltmeler Düzeltme Uyarlamalı Kontrolcü Karar Tanımlama Ölçümler 44 Gerçek Zamanlı Kontrol - Bilgisayarlı İşlem Kontrolü Günümüzde nerdeyse tüm endüstriyel işlemler mikro-işlemci tabanlı dijital bilgisayarlar tarafından kontrol edilmektedir. İşlem ile çok hızlı iletişim kuran ve etkileşen gerçek zamanlı kontrolcülere ihtiyaç vardır. Ancak gündelik hayatımızdaki bilgisayarlar gerçek zamanlı değildir. Çoklu görev (multi-tasking) yapabilmelidir. Kontrolcünün gerçek zamanlı olması; İşlemci hızına, işletim sistemine, uygulama yazılımına, girdi/çıktı olayların sayısına bağlıdır

20 Kontrolün Gerçek Zamanlı olması için şunları idare edebilmelidir: 1. İşlem kesimleri (interrupt) (işlem öncelik sırası yapmak) İç kesmeler (Bilgisayar tarafından yapılan) veya Dış kesmeler (Bilgisayar dışından gelen) 2. Zamanlayıcı kesimleri (çeşitli anahtarları açıp kapamak) 3. Bilgisayar komutları (bilgisayarın yolladığı sinyaller) 4. Sistem ve Program tarafından başlatılan olaylar (iletişim, yazıcı) 5. Operatöre tarafından başlatılan olaylar (program girme, düzeltme, acil durum durdurma) 6. Veri toplama (İşlem durumu hakkında periyodik olarak veri toplama, belli bir frekansta (1/T), formatta) 7. Kenetlenme (Interlocks) (Cihazların karışmasını engellemek) Girişte (Dışarıdaki cihazdan kaynaklanan - limit switch, algılayıcı gibi) veya Çıkışta (Kontrolcüden yollanan sinyal - başlama sinyali gibi) 8. İstisna İdare Etme (işlem veya kontrol sisteminde olan anormal durumlar) Ürün kalite problemleri, yangın, kontrolcü arızaları v.b. 46 Kesme (interrupt) Sistemi Öncelik Seviyesi Bilgisayar Fonksiyonu Öncelikleri belirler. (Trafikte ambulansın, itfaiyeye göre önceliğinin olması gibi.) 1 (en düşük) Operatör girdileri 2 Sistem, program kesmeleri 3 Zamanlayıcı Kesmeleri 4 Komutlar 5 İşlem Kesmeleri 6 (en yüksek) Acil Durum Durdurma (operatör) Kesme Sistemi: a) Tek Seviyeli (diğer görevler bekler, öncelik sırası yoktur.) b) Çok Seviyeli (öncelik sırası vardır.) 47 20

21 Bilgisayarlı Süreç Kontrol Çeşitleri 1. Bilgisayarlı işlem Denetleme -İşlem, cihaz ve ürün hakkında bilgi toplama 2. Doğrudan Dijital Kontrol (DDC) - Analog kontrol döngüsünde dijital Kontrol elemanları yerleştirerek - DAC (dijitalden analoga çevirici)ve ADC (analogtan dijitale çevirici) elemanları kullanımı gerektirir. Tipik analog kontrol döngüsü DDC sisteminin elemanları Sayısal Kontrol ve Robotik Mikroişlemci Sıralanmış işlemler Bilgisayarlı Süreç Kontrol Çeşitleri Kesicinin bağıl mesafe kontrolü Robotik: Eklemlerin kontrolü, işlem sırasında hesaplamalar 4. Programlanabilir Mantıksal Kontrolcü (PLC) Mikroişlemci Mantık, sıralama, zamanlama, hesaplama v.b. işlemler 5. Denetleyici Kontrol Daha üst seviyede Kontrolcüye yönelik Operatör ile iletişimde 49 21

22 Bilgisayarlı Süreç Kontrol Çeşitleri 6. Dağıtılmış Kontrol Sistemleri ve Kişisel Bilgisayarlar Dağıtılmış kontrol sistemi, iş kontrol yükünün birçok mikro bilgisayarın birleştirilerek paylaşılıp, dağıtıldığı bir yapıdır. Yerel operatör Merkezi kumanda odası Yerel operatör Ağ iletişimi İşleme istasyonu İşleme istasyonu İşleme istasyonu İşleme istasyonu Hammadde İşlem Bilgi transferi Ürün Tüm Teşebbüs Bilgi Entegrasyonu Mühendislik işlemleri (PCler) Finans Planlama Satın alma Kalite Kontrol Şirket ağı Yerel operatör Merkezi kumanda odası Yerel operatör Ağ iletişimi İşleme istasyonu İşleme istasyonu İşleme istasyonu İşleme istasyonu Hammadde İşlem Bilgi transferi Ürün 51 22

23 Endüstride kontrol için hangi sistemler kullanılır? Endüstriyel kumanda sistemleri, denetleyici kontrol, veri toplama (SCADA) sistemleri, dağıtılmış kontrol sistemleri (DCS), ve PLC kontrolörleri içerir. 1. SCADA (supervisory control and data acquisition) sistemleri genelde dağılmış varlıkların uzaktan merkezi veri toplama ve denetleyici kontrol ile koordinasyonunda ve kontrolünde kullanılır (SCADA => PLCler). 2. DCS genelde yerel bir bölgedeki (fabrika gibi) imalat sistemlerinin denetleyici ve düzenleyici kontrol ile kontrol edilmesinde kullanılır. (LAN üzerinden) 3. PLCler ise süreksiz kontrol uygulamalarında ve genelde düzenleyici kontrolde kullanılır SCADA sistemleri SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition) Bir işlemin takip edilmesi ve kontrol edilmesi için kullanılan endüstriyel kontrol sistemidir. Bir SCADA kontrol merkezi, bu sistemlerin merkezi olarak takibi ve kontrolünü uzun mesafe iletişim hatları üzerinden yaparak, alarm ve işlem durum verilerini toplar. Uzaktaki istasyonlardan toplanan verilere dayanılarak otomatik veya operatör tarafından komutlar gönderilebilir. Bu tür saha cihazları vanaların açılması-kapatılması, algılayıcılardan veri toplanması, alarm durumlarını takibi gibi işlemlerde kullanılırlar. SCADA daha çok üst seviye işlerin yürütülmesinden sorumludur. İşlemlerin kontrol edilmesi için PLCleri kontrol eder

24 Nerede kullanılırlar? SCADA oldukça dağınık (binlerce kilometre kare alana) yayılmış endüstriyel işlemlerin kontrolünde kullanılır. (su dağıtımı, gaz boru hatları, elektrik hatları, v.b.) Ne tür sistemler için kullanılar? Endüstriyel işlemler (üretim, planlama, enerji üretimi v.b.) Sürekli, partili, tekrarlı üretimşekillerinde kullanılabilir. Altyapı işlemleri (özel veya devlet, su işleme ve dağıtımı, atık su toplama ve işleme, petrol ve gaz boru hatları, elektrik nakil ve dağıtımı ve büyük iletişim sistemleri) Binalarda (devlet veya özel binalar, hava alanları, gemiler, uzay istasyonlarında ısıtma/soğutma, erişim ve enerji tüketimi amaçlarıyla) 55 24

25 SCADA Sisteminde var olan alt sistemler İnsan makine etkileşim cihazı (HMI = human machine interface) insanlara veri göstermek ve insanların işlemleri takip ve kontrol etmesini sağlayan araçlardır. Denetleyici bilgisayar (işlem hakkında veri toplama, işleme veri göndermek amaçlarıyla) Uzak terminal birimleri (RTUs = remote terminal units) (işlemdeki algılayıcılara bağlanmak ve bunları dijitalleştirmek, bu verileri denetleyici bilgisayara göndermek) PLCler (Ekonomik, çok yönlü, esnek ve değiştirilebilir olmalarından dolayı RTUlar yerine alanda tercih edilirler) İletişim altyapısı (denetleyici ile RTU arasındaki iletişim amacıyla) 56 Örnek SCADA sistemi bu örnekte akışı ve su seviyesini ölçerek PLClere hedef noktaları gönderir ve takip eder. pompa PLC1: Akış hızını istenen değerle karşılaştırır, pompa hızını istenen değerde tutmaya çalışır. PLC2: Sıvı seviyesini ölçerek, istenen seviyede tutmak amacıyla valfı kontrol eder

26 SCADA Örneği Kontrol Merkezi İletişim altyapısı Takip edilen sistem 58 Örnek bir SCADA / HMI Uygulama HMI = Human Machine Interface Bir çok endüstride işlemlerin uzaktan takip edilmesi, analizi ve kontrolü gerekmektedir

29 2. DCS Sistemleri (DCS = Distributed Control System) Yerel bir bölgedeki imalat sistemlerinin denetleyici ve düzenleyici kontrol ile kontrol edilmesinde kullanılır. Elektrik santrali, rafineriler gibi endüstriyel, gıda ve kimya sanayinde ve otomotivdeki uygulamalarda kullanılır. DCSler denetleyici seviyesinde çalışarak birçok, entegre alt sistemin yerel işlemleri gerçekleştirmesini kontrol eder. Ürünler ve işlemlerin kontrolleri geri- veya ileri besleme kontrol döngüleri ile istenen değerde tutulur. İstenen ürün, işlem toleransını sağlayabilmek için değişik PLCler sahada kullanılır. DCSler genelde süreç tabanlı endüstrilerde kullanılır. 64 ÖRNEK 65 29

30 Endüstriyel cihaz ve işlemleri kontrol etmek için kullanılan bilgisayar tabanlı cihazlardır. PLCler SCADA ve DCS sistemlerinde kullanılıyor olsa da süreksiz işlemlerde düzenleyici kontrol (otomotiv montaj hattı gibi) uygulamalarında temel kontrolcüdür. 3. PLCler 66 Hafta 2 Sonu Özet Endüstriyel Kontrol Sistemleri Devamlı ve devamsız kontrol Bilgisayarlı süreç kontrolü Bilgisayarlı süreç kontrol çeşitleri Bilgisayarlı süreç denetleme Doğrudan Sayısal Kontrol Sayısal Kontrol ve Robotik Denetleyici Kontrol Dağıtılmış Kontrol Sistemleri ve PC ler SCADA, DCS ve PLC sistemleri 67 30