PLC CİHAZI İLE SERADA SICAKLIK VE NEM KONTROLÜNÜN PID DENETLEYİCİYLE GERÇEKLEŞTİRİLMESİ

Transkript

1 PL İHAZI İLE SERAA SIAKLIK VE NEM KONTROLÜNÜN PI ENETLEYİİYLE GERÇEKLEŞTİRİLMESİ M.egiz TAPLAMAIOĞLU 1 Ali SAYGIN 2 Evre EĞİRMENİ 3 em TEZAN 4 1,3,4 Elektrik-Elektroik Mühedisliği Bölümü Mühedislik Mimarlık Fakültesi Gazi Üiversitesi Maltepe-Akara 2 Elektrik Eğitimi Bölümü Tekik Eğitim Fakültesi Gazi Üiversitesi Beşevler-Akara 1 e-posta: taplam@mmf.gazi.edu.tr 2 e-posta: asaygi@gazi.edu.tr Aahtar sözcükler: Sera, PL, PI, Sıcaklık ve Nem Kotrolü ABSTRAT I this study, a system that cotrols the temperature ad humidity levels ecessary for plat growth i a greehouse has bee developed by use of a programmable logic cotroller (PL). The software that will meet the evirometal requiremets of plats has bee prepared o a P ad dowloaded to the PL. Usig the data received from the sesors, the PL cotrols the temperature ad humidity values via a PI cotroller. If ecessary, liquid chemicals such as isecticides ca also be added to the water. Protectio of the greehouse compoets agaist harmful evirometal coditios is provided by usig rai ad wid sesors too. 1. GİRİŞ Seralar mevsimlere bağlı çevre koşullarıı deetimi sağlaarak bitki yetiştirmeye uygu ortamları sağladığı yapılardır. Seralarda deetlemesi gereke başlıca parametreler; sıcaklık, ışık, bağıl em, topraktaki em ve havadaki gazları kosatrasyoudur. Toprak cisi, sulama suyu ve dreaj diğer öemli faktörler olarak sayılabilir[1]. Bitkileri çimleme, büyüme, ürü verme işlemleri belirli derecelerde fizyolojik faaliyetlere bağlıdır. Bitkileri % ı suda oluşmuştur. Büyüme ve gelişme fizyolojisii temeli ola fotosetez olayı bitkileri toprakta aldıkları suyu kullamasıyla gerçekleşebilir. Büyüme içi gerekli besi maddelerii alıması da bu yolla sağlamaktadır. Her bitki içi ayrı çevre koşullarıı sağlaması gerekliliği araştırmacıları farklı kotrol algoritmaları kullamaya sevketmiştir[2,3]. Uygulamalar sırasıda çıka problemlerde e öemli ikisi kalifiye elema buludurulması ve eerjii sürekliliğidir. Bu kouda e etki metot PL kullaımıdır. Çok sayıda dijital ve aalog bilgi giriş-çıkış termialie sahip olması, üzerideki yazılımda değişiklikler yapılabilmesi ve eerji kesitisi durumuda bilgileri uzu süre saklayarak tekrar eerji sağladığıda algoritmayı kaldığı yerde devam ettirebilmesi gibi sebeplerde ötürü PL kullaımı oldukça avatajlıdır. Bu bildiride sekiz değişik bitki içi sıcaklık ve em kotrolü yapabilecek bir PL kotrollü sera uygulaması yapılmıştır. Mevcut çalışma, sistemi projeledirilmesii, PL içi sıcaklık ve em sesörlerie ait bilgi derlemesii, PL i ve çevre birimlerii bağlatı şemasıı, sıcaklık ve emi PI deetleyici ile kotrolüü, uygulama, souç ve öeriler bölümlerii içermektedir. 2. SİSTEMİN PROJELENİRİLMESİ Sera içerisideki sıcaklık, dış sıcaklık ve içeriye ulaşa güeş ışılarıyla doğruda ilgilidir[4]. Ayrıca emledirme ve sulama işlemleri de iç sıcaklığı etkilemektedir[5]. Yaz ve kış aylarıda serada yapılacak sıcaklık kotrolü de farklılık göstermektedir. Özellikle kış aylarıda ısı kayıplarıı asgari değere idirmek ve homoje bir ısıtma sağlamak zoruludur. Maliyet açısıda termal su

2 kayaklarıa yakı yerlerde sera işletmeciliği yapmak daha avatajlıdır. Soğuk gülerde sera içerisideki havaı yeilemesi içi yapıla havaladırma esasıda içeri alıa hava ısıtılmalı bu da ısı degelerii korumayı sağlamalıdır. Yaz aylarıda ise aşırı sıcakları etkisii azaltmak içi sera dış yüzeyii kireç ile kaplaması faydalı olacaktır. Aşırı sıcakları sera içerisideki etkisii azaltmak gayesiyle ya ve mahya pecerelerii açık tutulması gerekebilir. PL'i bu kararları verebilmesi, sera içi ve dış sıcaklıkları doğru okuması ile mümkü olacaktır. Havadaki bağıl em miktarı ile topraktaki em miktarı, kotrol edilmesi gereke diğer öemli parametrelerdir. Havadaki bağıl em miktarı sıcaklıkla ilişkili olup, sera içerisideki sıcaklık değerii düşmesi bağıl em miktarıı yükseltir. Bu yoğulaşmaya (çiğlemeye) ede olur. Topraktaki em miktarı ise sulama suyu ile degeleir. Verimli sulama yapılması içi damla sulama sistemi kullaılmaktadır. Sulama işlemi sırasıda da havadaki em miktarı yükselecektir. Su buharıdaki yoğulaşma, ya havaı ısıtılması ya da havaladırma yapılarak giderilir. PL sistemleri kotrolü esasıda pecerelere bağlı sıır aahtarları bilgileri ile sera dışıdaki rüzgar ve yağış bilgileri okuarak hareketli sistemleri zarar görmesi egellemektedir. Bu çalışmada serada yetiştiricilik yapacak üretici içi kullaım kolaylığı sağlamak üzere 8 farklı bitkiye ait referas bilgiler PL içi hazırlaa yazılımda kaydedilmiştir. Üretici, öcelikle PL ye bağlı operatör paelii kullaarak yetiştirmek istediği bitkiyi seçmelidir. Bu seçime bağlı olarak, bitkii ihtiyaç duyacağı havaladırma, sulama, emledirme, ısıtma ve ilaçlama sistemleri PL tarafıda zamaıda ve şartlara göre otomatik olarak çalıştırılacağıda optimum verim sağlaabilecektir. 3. ANALOG BİLGİ GİRİŞLERİ Sera içeriside ve dışarısıda sıcaklık ölçümleri LM 35 Z yarı-iletke sesörü kullaılarak gerçekleştirilmiştir. Bu sesör her 1 lik ısı artışıda çıkışıda 10 mv luk gerilim artışı göstermekte ve çıkışı doğrusal olarak değişmektedir (Şekil 1). +5 V LM 35 R 1-5 V Şekil 1. Sıcaklık sesörü V çıkış Şekil 1 de görüle sesörü değişik sıcaklıklarda aldığı çıkış gerilim değerleri aşağıda görülmektedir. V çıkış = mv 150 = +250 mv 25 = -550 mv -55 R 1 = - V cc / 50µA Sera içeriside okuacak diğer aalog parametre ise havaı bağıl em değeridir. Havadaki % em miktarıı doğrusal olarak değişe gerilim ciside okuması gerekir. Kapasitif em sesörlerii çıkış değerlerii doğrusal olmaması okuma hatalarıa sebep olabilmektedir [6]. İlave doğrusallaştırma devreleri kullaılsa da iyi verim elde edilememektedir. Bu çalışmada RHU217-AT em ölçme modülü kullaılmıştır (Şekil 2). Nem miktarıı % değişimi içi çıkışıda V gerilim okumaktadır. Bu değişim doğrusaldır. Şekil 2. Bağıl em ölçme devresii blok şeması termistör bağıl em devresi Sıcaklık Çıkışı 5 kω Eerji sıfır ucu 0.1 µf Bağıl Nem Çıkışı + Vc 4. PROGRAMLANABİLİR LOJİK (MANTIKSAL) ENETLEYİİ (PL) Bitkiler içi gerekli bilgileri saklaması ve operatör paeli uygulamasıdaki kolaylığı sebebiyle, yeterli sayıda dijital ve aalog adrese sahip Siemes S7-200 ailesie ait PU224 model PL cihazı kullaılmıştır. Kullaıla bu PL üzeride 14 adet dijital giriş(i) ve 10 adet dijital çıkış(q) termiali bulumakta olup 7 adet ek modül bağlaabilmektedir. Bu çalışmada PL ye 1 adet dijital, 2 adet aalog ek modül bağlamıştır. Bitki cisii seçimii sağlamak içi ise T200 operatör paeli kullaılmıştır. Yazılım olarak STEP7 Micro/Wi 32 kullaılarak hazırlaa program RS232-RS485 P/PPI kablosu ile PL ye yüklemiştir. Programlama dili olarak Merdive iyagramı (Ladder LA) [7] seçilmiştir. Ek modülleri, operatör paelii ve diğer çevre birimlerii bağlatılarıı içere devre bağlatı şeması Şekil 3 te verilmiştir.

3 24 V Sesör Giriş Arabirimi SIEMENS T F5 F1 F6 F2 F7 F3 F8 F4 Led PU 224 Shift ES Eter +L M ijital Çıkış Arabirimi Aalog Bilgi Arabirimi (Ek ijital I/O modülü) AIW0 AIW2 AIW4 AIW6 AQW0 (Aalog I/O modülü) AIW8 AIW10 AIW12 AIW14 AQW4 (Aalog I/O modülü) ijital Çıkış Arabirimi Şekil 3. PL çevre birimleri bağlatı şeması Çevre birimleri bağlatı şemasıda kullaıla dijital ve aalog giriş-çıkış adreslerie ait çalışma bilgileri; ijital giriş arabirimi adresleri; I0.0 Sistemi çalıştırma aahtarı I0.1 Sistemi durdurma aahtarı I0.3 Sağ ya pecere sıır aahtarı bilgisi (açık) I0.4 Sağ ya pecere sıır aahtarı bilgisi (kapalı) I0.5 Sol ya pecere sıır aahtarı bilgisi ( açık) I0.6 Sol ya pecere sıır aahtarı bilgisi (kapalı) I0.7 Sağ çatı peceresi sıır aahtarı bilgisi (açık) I1.0 Sağ çatı peceresi sıır aahtarı bilgisi (kapalı) I1.1 Sol çatı peceresi sıır aahtarı bilgisi (açık) I1.2 Sol çatı peceresi sıır aahtarı bilgisi (kapalı) I1.3 Yağış durum dijital bilgisi I1.4 Isıtma sistemi çalışma durum bilgisi ijital çıkış arabirimi adresleri; Q0.0 Sağ ya pecerei açılması Q0.1 Sağ ya pecerei kapatılması Q0.2 Sol ya pecerei açılması Q0.3 Sol ya pecerei kapatılması Q0.4 Sağ çatı pecerelerii açılması Q0.5 Sağ çatı pecerelerii kapatılması Q0.6 Sol çatı pecerelerii açılması Q0.7 Sol çatı pecerelerii kapatılması Q1.0 Sera ısıtma sistemii çalıştırılması Q1.1 Sera sulama sistemii çalıştırılması Q2.0 Sera emledirme sistemii çalıştırılması Q2.1 Sera ilaçlama sistemii çalıştırılması Q2.2 Sera ya yüzey havaladırma sistemii çalıştırılması Q2.3 Sera ya yüzey ısıtıcı sistemii çalıştırılması Q2.4 Sera sağ pecereler açık ikazı Q2.5 Sera sol pecereler açık ikazı Q2.6 Çatı pecereleri açık ikazı Q2.7 Sera ısıtma sistemii çalışmadığıı bildire ikaz

4 Aalog Bilgi arabirimi; AIW0 Sera iç sıcaklık sesörü bilgisi AIW2 Sera dış sıcaklık sesörü bilgisi AIW4 Sera içerisideki bağıl em sesörü bilgisi AIW6 Sera içerisideki toprak em sesörü bilgisi AIW8 Aemometre sesör bilgisi PL çevre birimleri bağlatısı yapıldıkta sora ölçümler almak ve yazılımı test edilmesi içi kurula deey platformu Şekil 4 te gösterilmiştir. Aalog çıkış arabirimi; AQW0 PI deetleyici tepkisie gore ısıtma sistemii çalıştıra çıkış adresi AQW4 PI deetleyici tepkisie göre bağıl emledirmesistemii çalıştıra çıkış adresi Şekil 4. eey uygulama seti 5. SIAKLIK VE NEMİN PI ENETLEYİİ İLE KONTROLÜ Sera içeriside sıcaklığı ölçüldüğü yer öemli olup iki ayrı oktada ölçüm alıması sıcaklık deetimi içi faydalı olacaktır. Bu çalışmada sera ortasıa yerleştirile sıcaklık sesörüde alıa bilgi ile o bitki içi gerekli çevre sıcaklık değeri kıyaslamakta ve hata sıcaklık değeri PI deetleyici tarafıda hataı telafi edilmesii sağlaması içi ısıtma sistemii devreye almaktadır. PI deetleyicide bu iki değer arasıdaki fark [7]; e = SP sıcaklık PV sıcaklık (1) olarak ifade edilmekte olup burada; e : dögü hatası (ölçüle ile set edile değer arasıdaki fark) ( ) SP sıcaklık : sera içeriside istee sıcaklık değeri ( ) PV sıcaklık : ölçüle sıcaklık değeri ( ) PI çıkış ifadesi yazılacak olursa, t M t) = K e + K e dt + Mbasl + K 0 de dt ( (2) dir. Burada; M(t) : zamaı bir foksiyou olarak dögü çıkış ifadesi K : dögü kazacı M basl : dögü çıkışıı başlagıç değeri Bu kotrol foksiyou bilgisayarda ifade edilecek olursa, hata değeri ve oa bağlı deetleyici çıkışı sürekli zama foksiyou olarak periyodik zamalarda örekleebilir. M = K e + K I 1 + M + basl K e e e ( 1 ) (3) olur. Burada, M :. örekleme zamaıda dögü çıkışıı hesaplaa değeri e :. örekleme zamaıdaki dögü hatası değeri e -1 : soda bir öceki dögü hata değeri K I : itegral orasal sabiti : türev orasal sabiti K PL deki PU, dögü çıkış değerii hesaplamak içi yukarıdaki formüllerde yararlaır. Sıcaklıktaki hataı foksiyoua bağlı olarak ısıtma sistemii çalıştırması içi PI kotrol eşitliği,

5 M = [ K ( SP PV ) ] S + K ( SP PV ) + MX TI + K (( SP PV ) ( SP 1 PV 1)) TS (4) şeklide ifade edilebilir. Burada, T S : örekleme zama aralığı (s) T I : itegral zama sabiti (s) T : türev zama sabiti (s) MX : itegral ifadesii bir öceki örekleme değeridir. Formül 4 de SP = SP -1 olduğuda geel ifade aşağıdaki gibi yazılabilir: M = [ K ( SP PV ) ] + K ( PV 1 PV ) TS S + K ( SP PV ) + MX (5) TI Serada emledirme işlemii deetimi de PI deetleyici ile yapılmaktadır. PI deetleyicide kullaıla K, T S, T I ve T değerlerii seçimi deetleyici tepkisii değiştirmektedir. PI deetleyici, her bitkii gereksiimi ola em değeri ile ortamda ölçüle em değeri kıyaslamakta ve aradaki hatayı gidermektedir. K değerii büyük seçilmesi durumuda deetleyici tepkisi artmakta ve ısıtma sistemii sürekli devreye alıp çıkartmaktadır. Bu değeri küçük seçilmesi durumuda deetleyici tepkisi yavaşlamakta ve büyük sıcaklık farklarıda bile sistem tepki vermemektedir. T S değeri seçilirke örekleme peryodu T I ve T değerleri de dikkate alıarak seçilmelidir. 6. UYGULAMA Uygulama yapıla serada domates bitkisi yetiştirileceği düşüülerek ölçümler alımış ve bu bilgiler ışığıda diğer bitkilere ait değerlerde kıyaslama yapılarak kaydedilmiştir. omates bitkisi yetiştiriciliğide yüksek verim alabilmek içi gece ortam sıcaklığıı güdüzleri ise olması gerekmektedir. Uygulamada PI deetleyici de bu değerleri gece içi15 güdüzleri içi ise 24 tutması içi deetleyici parametreleri girilmiştir. Bağıl em değeri ise % olmalıdır. Çalışma sırasıda PI deetleyici içi bu değeri % 65 olarak kaydedip öreklemeler yapılmıştır. ış sıcaklık değerleri arasıda, bağıl em ise % arasıda değiştirilmiş ve sistemi etki olarak çalıştığı ve referas değerlerie kadar hassas ayarlama yaptığı gözlemiştir. Ölçümleri hassas olması içi ormal sera içeriside sesörler yerde 35 cm yükseğe yerleştirilmiştir. Nemledirme sistemii, sıcaklık ve em ölçümlerie etkisii azaltmak içi üzerie koruma kılıfı geçirilmiştir. Aalog bilgileri okuması sırasıda PL ile sera arasıdaki mesafei kısa tutulması gerilim düşümüde dolayı gereklidir 7. SONUÇ Yapıla bu çalışmada sera içeriside sıcaklık ve em kotrolü isteile bir aralıkta örek uygulama ile gösterilmiştir. Bu sistem, klasik sistemlerde yapılabilecek zamasız emledirme, fazla ısıtma veya aşırı soğukluk durumlarıı öüe geçilebileceğii gösterilmiştir. So yıllarda bitki gelişimii hızladırılmasıda kullaıla hormo ilaçlarıı kullaımıa alteratif ola ve zararsız fotosetez hızladırma tekiği ve otomasyou yie PL ve PI deetleyicilerle gerçekleştirilmesi üzerideki uygulamamız ileriki çalışmamızı kousu olacaktır. KAYNAKLAR [1] Boodley, W., The commercial greehouse, elmar Publishers Ic., New York, 1981 [2] apoetto, R.; Fortua, L.; Nuari, G.; Occhipiti, L.i, A fuzzy approach to greehouse climate cotrol, America otrol oferece, Proceedigs of the 1998, Volume: 3, Page(s): , vol.3, 1998 [3] Lafag P., Waliag W. ad Qidi W., Applicatio of Adaptive Fuzzy Logic System to Model for Greehouse limate, Itelliget otrol ad Automatio ogress, Proceedig of the 2000, hia Page(s): , 2000 [4] Putter, E., Gouws, J., A automatic cotroller for a greehouse usig a supervisory expertsystem, Electrotechical oferece, MELEON'96., 8 th Mediterraea, Volume:2, Page(s): , 1996 [5] Quaxig, Z., hwa-hwa, W. ad Tilt, K., Applicatio of fuzzy logic i a irrigatio cotrol system, Idustrial Techology, (IIT '96)., Proceedigs of The IEEE Iteratioal oferece o, Page(s): , 1996 [6] Pastacı, H. ve Abbasoğlu, H. İ., Elektrik ve Elektroik Ölçmeleri, Birse Yayıevi, İstabul, 1996 [7] S7-200 Programmable otrollers System Maual, SiemesAG., Nuerberg,, 1999.