DOKUMA SALONU ORTAM BAĞIL NEM ORANININ DENETLEYİCİ ALAN AĞI İLE DENETİMİ

Transkript

1 5. Uluslararası İleri Teknolojiler Sempozyumu (IATS 09), Mayıs 2009, Karabük, Türkiye DOKUMA SALONU ORTAM BAĞIL NEM ORANININ DENETLEYİCİ ALAN AĞI İLE DENETİMİ CONTROLLING RELATIVE HUMIDITY RATE OF WEAVING HALL BY USING CONTROLLER AREA NETWORK Aydın Çetin a* ve Bedri Bahtiyar b a Gazi Üniversitesi, Ankara, Türkiye, E-posta: acetin@gazi.edu.tr b Pamukkale Üniversitesi, Denizli, Türkiye, E-posta: bedribahtiyar@pau.edu.tr Özet Tekstil dokuma atölyelerinde bağıl ortam nemi dokuma ipliğinin mukavemeti, statik elektrik oluşumu, kumaş çekmesi ve dokumanın ağırlığı gibi üretimde maliyet ve kalitenin yanı sıra çalışma koşullarını da doğrudan etkilemektedir. Bir dokuma atölyesi için en uygun bağıl nem oranı dokumanın cinsine ve şekline göre %30 ile %85 aralığında değişebilmektedir. Bu çalışmada dokuma atölyeleri için çok noktadan denetimli bir nemlendirme sistemi tasarlanmış ve 35x14x10m 3 hacme sahip bir örnek dokuma atölyesine uygulanmıştır. Denetimli atomizörler ve algılayıcılardan oluşan birimler, dokuma atölyesinin farklı noktalarına yerleştirilmiş, farklı noktalar için belirlenen nem oranına göre bir merkezden denetleyici alan ağı kullanılarak denetlenmiştir. Anahtar kelimeler: Bağıl nem, Tekstil, dokuma, DAA, Mikrodenetleyici Abstract Relative humidity directly affects cost and quality of weaving by affecting the strength of fiber, weight of fabric, shrinkage, and static electricity might occur in a woven fabric and it also affects the working conditions in a weaving halls. The most suitable relative humidity rate in a weaving hall changes between 30% and 85% depending on the type of yarn and the type of weaving process. In this paper, a multi-point controlled humidifier system has been designed and implemented to a. sample weaving hall which has 35x14x10m 3 volume. The units that have spray nozzles and sensors were replaced to different locations of the hall and controlled according to defined reference relative humidity by using controller area network. Keywords: relative humidity, textile, CAN, microcontroller 1. Giriş Tekstil dokuma salonlarında bağıl nem oranı kaliteli bir ürün elde edilebilmesi için oldukça önem taşımaktadır. Bağıl nem oranı dokuma ipliğinin mukavemeti, statik elektrik oluşumu, kumaş çekmesi, dokumanın ağırlığı yanı sıra çalışma koşullarıyla doğrudan ilişkili olan toz oranı ve hissedilen ortam sıcaklığını da etkilemektedir. Kuru hava dokuma esnasında dokumanın yıpranmasına veya yırtılmasına, dokuma iplerinin düşük mukavemette olmasına sebep olmaktadır. Dokuma esnasında iplere uygulanan çekme kuvveti sonucu ipte kopmalar yaşanmakta ve bu nedenle dokuma verimi yanı sıra dokuma kalitesinde düşüş ortaya çıkmaktadır. Kuru hava dokumada çekmelere sebep olmaktadır. Yine kuru hava sonucu materyallerde sürtünme dolayısıyla statik elektrik oluşumu oldukça artmaktadır. Tekstil ağırlıkları 20 C ve %60 nem oranı için standartlaştırılmıştır. Düşük nem oranına sahip dokumalar standart ağırlıklarının altında olacaktır. Bu durum ise üretici için ekonomik kayıplara sebep olmaktadır. Ayrıca, kuru havada dokuma esnasında havada daha fazla toz dolaşmakta ve bu durum çalışma koşullarını daha sağlıksız hale getirmektedir. Diğer yandan, büyük dokuma atölyelerinde ve dokuma fabrikalarında aynı anda birden fazla grup dokuma şekli yer alabilmekte ve dolayısıyla verimli bir dokuma işlemi için farklı bağıl nem sağlanması gerekmektedir. Dokuma atölyelerinde bağıl nem yaygın olarak bir noktadan, bir veya birden fazla sayıda su zerrecikleri püskürten düzeneklerle (atomizörler) sağlanmaya çalışılmaktadır. Doğrusal olmayan karakteristiğe sahip olan nem dağılımı dokuma atölyesinde farklı noktalarda farklı değerlerde ve yetersiz olabilmektedir. Bu durum aynı atölyede üretilen dokumaların kalitesi arasında farklılıklara ve dokuma verimliliğinin değişken olmasına neden olabilmektedir. Çizelge 1 de dokuma ipliğinin tipine ve ip üzerinde gerçekleştirilen işleme göre gerekli bağıl nem oranları görülmektedir. Örnek olarak, pamuklu dokuma yapılan bir salonda bağıl ortam nemi değerinin ortalama %70-85 olması gerekir. Bu nem oranı dokuma iplerinin kopma mukavemetinin en üst düzeyde olması sağlamakta ve ip kopma sayılarını azalmaktadır. Yün dokumalarda ise bu değer %50-60 arasındadır. Çizelge 1. Dokuma ipliği tipi ve işleme göre bağıl nem oranları Eğirme Bükme Sarma Dokuma Yün %50-85 %60-65 %55-60 %50-60 Pamuk %35-65 %50-65 %55-65 %70-85 Yapay lif % %60-65 %60-70 İklimlendirmenin yetersiz olduğu durumlarda dokuma salonunda aynı düzeyde bağıl nem oranını elde etmek mümkün olmamaktadır. Bu amaçla dokuma salonunun iklimlendirme yapısının özenle oluşturulmuş olması gerekmektedir. Dokuma salonlarında nemlendirme amacıyla genellikle yerden sulama veya daha gelişmiş nemlendirme sistemi olanlarda ise bir veya birkaç noktadan su zerrecikleri püskürten düzenekler (atomizör) kullanılmaktadır. Bu sistemlerde ortam bağıl nem oranı denetleme işlemi noktadan gerçekleştirilmekte ve atomizörler eş zamanlı olarak çalıştırılmaktadır. Bu uygulama şekliyle, salonun her noktasında aynı nem değerlerinin elde edilmesi zorlaşır. Nem ölçümünün, ortamın birden çok noktasında yapılması ve elde edilen ölçüm sonuçlarına göre bu düzeneklerin eş IATS 09, Karabük Üniversitesi, Karabük, Türkiye

2 zamanlı olarak tek merkezden yönetilmesi ile bu olumsuzluk en az düzeye indirilebilir. Bununla birlikte, yapılan bu ölçümlerin eş zamanlı olarak bir merkez bilgisayara aktarılması ve burada gerekli analizlerin yapılması sistemin başarımını belirlemede önemli kolaylıklar sağlayacaktır. 2. Sistemin Genel Yapısı Uygulama sahası olarak çalışmada Denizli ili Göveçlik beldesinde kurulu Zorel Tekstil Fabrikasının 35x14mx10m ebatlarındaki dokuma salonu, atomizörler ile nemlendirilen dokuma salonları seçilmiştir. Bu dokuma salonunda 14 dokuma tezgahı bulunmakta ve nemlendirme için, 3 adet atomizör kullanılmaktadır. Bu atomizörler, tek noktadan yapılan nem ölçümü sonucuna göre eş zamanlı olarak çalışmaktadır. Şekil 2 de çalışmanın yapıldığı dokuma salonunda yerleşim planını ve ağ bağlantı şeklini göstermektedir. uygulamasında, dokuma salonunda bulunan her tezgâhın yanına prototiplerden birer adet yerleştirilmiştir. Tezgâhların yanlarına yerleştirilen bu prototipler, sıcaklık ve nem ölçümünü gerçekleştirerek ölçüleni sıcaklık ve nem değerlerini DAA üzerinden merkezi bilgisayara göndermektedir. Bilgisayar ile iletişimde kesintiler yaşanması durumunda ise elde edilen ölçüm sonuçları zaman bilgisi ile birlikte içsel belleğe kaydedilmekte ve iletişim sağlandığı anda bu veriler bilgisayara gönderilmektedir. Bu prototiplerin dış birimleri denetlemek üzere oluşturulan çıkışları saha uygulamasında sadece veri gönderme amaçlı olmaları nedeniyle kullanılmamıştır. Aynı prototipler dokuma salonunun nemlendirilmesini sağlamak amacıyla kullanılan 3 adet nemlendirme düzeneğinin yanına yerleştirilmiştir. Bu prototipler de diğerleri gibi sıcaklık ve nem ölçümü gerçekleştirmekte ve ölçüm değerlerini DAA üzerinden merkez bilgisayara göndermektedir. Bu prototipler diğerlerinden farklı olarak merkez bilgisayardan gelen buyruklara göre atomizörlerin çalışma şeklini denetlemektedir. Prototiplerin dış birimleri denetim amacıyla kullanılmıştır. Şekil 3. Veri gönderme ve denetim amaçlı prototip ön görünümü. Şekil 2. Uygulamanın Gerçekleştirildiği Dokuma Salonu ve Veri Ağı Bağlantısı. Uygulamada, salonda yer alan 14 adet tezgâh ve 3 adet atomizörün bulunduğu noktalardan sıcaklık ve nem ölçümü işlemi gerçekleştirilerek salonun nem ve sıcaklık haritası çıkarılmaktadır. Dokuma salonunun 17 farklı noktasında yapılan sıcaklık ve nem ölçümüne bağlı olarak elde edilen sonuçlar DAA üzerinden merkezi bilgisayara iletilmekte ve merkezi bilgisayarda yapılan değerlendirmeye bağlı olarak nemlendirme düzeneklerinin çalışmaları denetlenmektedir. Denetim işlemi için Denetleyici alan ağı (DAA) üzerinden bir merkezi bilgisayar ile iletişim halinde bulunan, sıcaklık ve nem ölçümü gerçekleştiren ve aynı zamanda dış birimleri denetlemeye yönelik çıkışları bulunan prototipler geliştirilmiştir. Prototipin sahip olduğu bu çıkışlar, isteğe bağlı olarak içsel ya da dışsal olarak kullanılabilmektedir. İçsel kullanımda prototip, elde ettiği ölçüm sonuçlarını, ayarlanan değerler ile karşılaştırarak çıkışların durumlarını belirlemektedir. Dışsal kullanımda ise prototip DAA üzerinden gelen buyruklara göre çıkışlarının konumunu belirlemektedir. Şekil 3 de veri gönderme ve denetim amaçlı olarak geliştirilen prototipin ön görünümü görülmektedir. Saha Prototip 18F452 mikro denetleyici tarafından yönetilmektedir[1]. Şekil 4 de, prototipin içyapısı görülmektedir. Prototipin tüm işlemlerini gerçek zamana göre gerçekleştirebilmesi için DS1307 gerçek zamanlı saat tümleşiği kullanılmıştır[2]. Sıcaklık ve nem ölçümü SHT75 akıllı algılayıcısı tarafından gerçekleştirilmektedir[3]. Elde edilen ölçüm sonuçlarının merkezi bilgisayara iletilememesi durumunda veri kaybına engel olmak için 24C1024 dışsal veri belleği olarak kullanılmıştır. Şekil 4. Prototip içyapısı. Şekil 5 de mikro denetleyici ile DS1307, 24C1024 ve SHT75 arasındaki bağlantılar görülmektedir. DAA iletişimi

3 MCP2515 DAA denetleyici[4] ve MCP2551[5] DAA alıcı/vericisi üzerinden gerçekleşmektedir. Şekil 6 da ise mikro denetleyici ile DAA birimleri arasındaki bağlantı şeması görülmektedir. Şekil 5. Mikro denetleyici ile DS1307, 24C1024 ve SHT75 arasındaki bağlantılar.[6] Her bir DAA iletisinde en fazla 8 bayt uzunluğunda veri gönderilebilmektedir[6]. Oysa burada iletilmesi gereken veri uzunluğu 8 bayttan fazladır. Bu nedenle her birim merkezi birimin isteğine iki ileti göndererek cevap verir. Mikro denetleyici programı CCS PICC derleyicisi kullanılarak yazılmıştır. Şekil 8 mikro denetleyici program akışını göstermektedir. Program, tüm birim ve yazmaçlara başlangıç değerlerini yükledikten sonra ana program döngüsüne girer. Ana program döngüsünde yapılan ilk işlem zaman bilgisinin elde edilmesidir. Bu amaçla I2C protokolü uygulanarak DS1307 gerçek zamanlı saat tümleşiği sorgulanır. Daha sonra SPI protokolü uygulanarak SHT75 akıllı algılayıcısı sorgulanır ve böylece ortam sıcaklığı ve ortam nemi bilgileri ham veri olarak elde edilir. Elde edilen bu ham veriler SHT75 in bilgi sayfasında verilen değerlendirme denklemlerine göre Floating Point Math alt programları kullanılarak gerçek sıcaklık ve nem değerlerine dönüştürülür. Bu değerler zaman bilgisi ile birlikte DAA üzerinden merkezi bilgisayara gönderilmek üzere, I2C protokolü uygulanarak 24C1024 dışsal veri belleği üzerine saklanır. Daha sonra tuş takımı ve ekran ile ilgili işlemler yapılır. Bu işlemler birim adresinin belirlenmesi, çalışma kurallarının belirlenmesi vb. amaçlarla kullanılan tuş takımının denetlenmesi ve mevcut duruma ilişkin bilgilerin ekranda görüntülenmesi işlemleridir. Şekil 6. Mikro denetleyici ile DAA birimleri bağlantıları[6] Mikro denetleyici SPI protokolü uygulayarak, iletişim kurallarını belirleyen bilgileri MCP2515 e göndermekte ve DAA iletişimi ile ilgili tüm işlemler, MCP2515 tarafından gerçekleştirilmektedir. Bu şekilde mikro denetleyicinin çalışma yükü hafifletilmiştir. DAA ağındaki kablo uzunluğu ile iletişim hızı arasında ters oran bulunmaktadır[7]. Bu çalışmada toplam kablo uzunluğu 500m den azdır ve bu kablo uzunluğunda ulaşılabilecek en yüksek iletişim hızı 125Kbps dir. Bu nedenle DAA ağındaki iletişim hızı 125Kbps olacak şekilde ayarlanmıştır. İleti numarası 29 bit olacak şekilde kullanılmıştır. İleti numaraları, 10-3 numaralı bitleri birim adresini ve numaralı bitleri ileti kodunu gösterecek şekilde oluşturulmuştur. Böylece birimlerin iletilerin aynı ileti numarasına sahip olması nedeniyle oluşabilecek bir ileti çakışması önlenmiştir. Şekil 7 de bir ileti numarasında birim adresi ve ileti numarasının yerleşimini göstermektedir. Şekil 8. Mikro denetleyici program akışı Şekil 9 birim iletilerinde veri baytlarının durumlarını göstermektedir. Şekil 9. İletiler. Şekil 7. İleti numarasının bölümleri[2]. Bu çalışmada DAA üzerindeki iletişim sorgu-cevap yöntemi kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Her birimin iletmesi gereken veri zaman, nem değeri, sıcaklık değeri ve dışsal çıkışlarının durumunu göstermektedir ve dolayısıyla aynı önceliğe sahiptir. Bu nedenle merkezi birim sırayla birimleri sorgulayarak iletilerini istemekte ve gelen cevapları almaktadır. Böylece veri kışı daha düzenli hale getirilmiş olur. 3. Bilgisayar ile DAA Bağlantısı Bilgisayar DAA ağının bir birimi olacak şekilde kullanılmıştır. Paralel bağlantı noktası prototiplerde olduğu gibi MCP2515 ve MCP2551 den oluşan bir DAA devresini yönetmektedir. Böylece prototipte mikro denetleyicinin DAA bağlantısının benzeri bir biçimde bilgisayar ile DAA bağlantısı sağlanmıştır. Şekil bilgisayar ile DAA bağlantısını göstermektedir. Oluşturulan bir ara yüz program açılışı sonrasında paralel bağlantı noktası üzerinden MCP2515 ge gerekli DAA iletişim bilgilerini yükledikten sonra belirli aralık-

4 larla ve sırasıyla birimlere sorgu gönderip cevap beklemektedir. Daha sonra sorgulanan birimden gelen cevaplar bir veri tabanı üzerine saklanmaktadır. Merkezi bilgisayar tüm birimlerden aldığı nem ölçüm verilerini değerlendirerek atomizörlere bağlı prototiplere, bu düzeneklerin konumlarını düzenlemek üzere gerekli buyrukları içeren iletiler gönderir. Şekil 11 de sisteme ait bilgisayar programının ekran görüntüsünü göstermektedir. Şekil 10. Bilgisayar ile DAA bağlantısı.[6] Çizelge Nisan 2007 tarihleri arasında dokuma salonunun denetimsiz ölçüm değerleri EnAz Değer Ortalama EnFazla Değer PrototipNo Nem Sıcaklık Nem Sıcaklık Nem Sıcaklık 1 43,70 21,70 53,74 36,54 74,20 38, ,70 21,40 53,74 36,54 74,10 38, ,60 21,50 52,74 36,54 73,40 38, ,70 21,60 52,74 36,55 73,30 38, ,70 22,80 51,74 37,54 72,10 39, ,60 22,40 53,74 37,54 74,20 39, ,60 22,50 54,74 37,54 75,30 39, ,70 22,60 54,74 37,54 75,10 39, ,60 22,50 54,74 37,54 75,20 39, ,70 22,40 55,74 37,54 76,30 39, ,70 22,50 55,74 37,54 76,20 39, ,60 22,40 55,74 37,54 76,00 39, ,60 22,50 53,74 37,54 74,00 39, ,70 22,60 53,74 37,54 74,40 39,60 Tüm Salon 41,70 21,40 54,09 34,84 76,30 39,60 Çizelge Nisan 2007 tarihleri arasında dokuma salonunun denetimli ölçüm değerleri EnAz Değer Ortalama EnFazla Değer Şekil 11. Bilgisayar programı ekran görüntüsü. Bilgisayar, prototiplerden gelen bilgileri bir SQL veri tabanına kaydetmekte ve bu veriler istendiğinde bilgisayarda çeşitli araçlar kullanılarak analiz edilebilmektedir. 4. Değerlendirme ve Sonuçlar Çalışmada igeliştirilen bir prototip, bağıl ortam nemi ve ortam sıcaklığı ölçümü gerçekleştirmekte ve elde ettiği verileri DAA veri ağı üzerinden merkezi birime göndermektedir. Her bir prototip kendi gerçek zamanlı saat devresine sahiptir ve elde edilen ölçüm sonuçları zaman bilgisi ile değerlendirilmektedir. Prototiplerin ölçüm aralıkları farklı zaman dilimlerine ayarlanabilmektedir. Ayarlanan zaman dilimleri içinde alınan ölçümlerin ortalama değeri kullanılmaktadır. Prototipler kendi veri belleklerine sahiptir ve eğer merkezi birim ile iletişim sağlanamazsa elde ettiği verileri bu bellek yapısı üzerine saklayabilmektedir. Bellek 5 saniyelik zaman dilimlerinde yapılan ölçümler için yaklaşık 289 günlük veri kaydedilebilmektedir. PrototipNo Nem Sıcaklık Nem Sıcaklık Nem Sıcaklık 1 67,30 21,70 72,65 36,54 78,00 38, ,10 21,40 73,15 36,54 78,20 38, ,80 21,50 72,80 36,54 77,80 38, ,60 21,60 72,85 36,55 78,10 38, ,80 22,80 72,20 37,54 77,60 39, ,20 22,40 73,85 37,54 78,50 39, ,10 22,50 74,40 37,54 78,70 39, ,20 22,60 74,45 37,54 78,70 39, ,90 22,50 74,15 37,54 78,40 39, ,00 22,40 74,55 37,54 79,10 39, ,80 22,50 74,35 37,54 78,90 39, ,90 22,40 74,45 37,54 79,00 39, ,50 22,50 73,35 37,54 78,20 39, ,20 22,60 73,65 37,54 78,10 39,60 Tüm Salon 66,80 22,24 73,63 37,26 79,10 39, Nisan 2007 tarih aralığında yapılan deneme çalışması ile bir dokuma salonunda çok noktadan bağıl ortam nemi ve ortam sıcaklığı ölçümünü yaparak, DAA veri ağı üzerinden bu verilerin bir merkezi bilgisayarda aktarılması ve burada bir veri tabanına saklanması hedefi başarıyla gerçekleştirilmiştir. Bu bir aylık süre içinde elde edilen verilere göre, projenin uygulandığı dokuma salonunda ortam nemi ve sıcaklığının istenen standartları karşılamadığı tespit edilmiştir. Çizelge 2, 01-30/04/2007 tarihleri arasında alınan verilerin ortalama değerlerini göstermektedir. Bir dokuma salonundaki ortalama bağıl ortam neminin %70-85 aralığında olması gerekirken salon ortalama bağıl ortam neminin %54,09 olduğu görülmektedir.

5 Çizelge 3 de 01-30/04/2008 tarihleri arasında gerçekleştirilen denetleme işlemi sonucu alınan verilerin ortalama değerleri görülmektedir. Bağıl ortam nemi denetimi sonucunda dokuma salonundaki ortalama bağıl ortam neminin %70-85 aralığında olması gerekirken salon ortalama bağıl ortam neminin %73,63 e ulaştığı görülmektedir. Bu değerle pamuklu dokuma için %70-85 uygun ortam bağıl nem oranı elde edilmiştir. Not: Uygulamada her ne kadar mevcut denetimsiz yapı denetimli hale getirilmiş olsa ve çalışmanın kapsamı dışında olsa dahi bu konuyu hatırlatmakta fayda bulunmaktadır. Sağlık açısından değerlendirildiğinde, püskürtmeli tip nemlendirme sistemlerinde, solunum yoluyla suda var olan mikroorganizmaların yan etkileri (ateş, alerjik reaksiyonlar ve bilhassa legionnaires hastalığı) ortaya çıkabilmektedir. Bu bilhassa yaz aylarında veya yüksek sıcaklıktaki çalışma ortamlarında görülebilen bir durumdur. Bu nedenle deneysel amaçlı olsa dahi nemlendirmede kullanılan suyun sağlık açısından uygunluk denetimi de göz önünde bulundurulmalıdır. Kaynaklar [1] PIC18FXX2 Datasheet 9/28/2006) c.pdf [2] Using DS307 with a PIC Microcontroller, Application note 3291, [3] SHT1x/SHT7x, Humidity&Temp. Sensor, Sensirion, [4] MCP2515, Stand Alone CAN Controller with SPI Interface,MicroChip, [5] MCP2551, High Speed CAN Tranciever, MicroChip, ww1.microchip.com/downloads/en/devicedoc/21667 d.pdf [6] Bahtiyar, B., Fotovoltaik Sistemler için Gerçek Zamanlı Bir İzleme Merkezi Tasarım ve Uygulaması, Yüksek Lisans Tezi, Muğla Ünv., [7] Tenruh, M., CAN cut-trough bridging, CAN over ATM and CAN based ATM field bus, PhD thesis, The University of Sussex, 2001