Seralarda Sıcaklık ve Oransal Nemin PLC ile Kontrolü

Transkript

1 Seralarda Sıcaklık ve Oransal Nemin PLC ile Kontrolü Kadir SABANCI 1, Cevat AYDIN 2 1 Selçuk Üniversitesi Doğanhisar Meslek Yüksekokulu, Konya 2 Selçuk Üniversitesi Ziraat Fakültesi Tarım Makinaları Bölümü, Konya ksabanci@selcuk.edu.tr Özet: Bu çalıģmada bir seranın otomasyonu PLC (programlanabilir lojik kontrolör) kullanılarak gerçekleģtirilmiģtir. Sera içerisindeki sıcaklık ve nem kontrolü için sensörler kullanılmıģtır. Sera içerisindeki nem ve sıcaklık değerleri istenilen süre aralıklarında raporlanabilmektedir. Rüzgar hızı ve yön bilgisi için meteoroloji istasyonu kullanılmıģtır. Bu çalıģmada, sera içerisindeki bitki için en uygun ortam sağlanmaya çalıģılmıģtır. Anahtar kelimeler: Sera, PLC, otomasyon The Control of Temparature and Relative Humidity with PLC Abstract: In this study the automation of a greenhouse was performed with PLC (programmable logic controllers). Sensors are used for temperature and humidity control in greenhouses. Greenhouse s humidity and temperature can be reported in the desired time intervals. For the collection of wind speed and direction data, meteorological station is used. In this study, the most appropriate environment for plants in the greenhouse were tried to be provided. Keywords: Greenhouse, PLC, automation GĠRĠġ Sera, ülkemizde iģsizliği azaltan, daha fazla ürün alınmasını sağlayan nüfusu kırsal kesimde tutarak çarpık ĢehirleĢmeyi önleyen önlemlerin ilki olarak görülmektedir. Ayrıca taze sebze ve çiçek, tarlada ve bahçede yılın her mevsiminde üretim Ģartları gereği yetiģtirilemez haldedir. Ġnsan sağlığı yönünden ise sebzelerin her mevsimde taze olarak yenilmesi gerekmektedir (Arıcı, 1994). Seralar mevsimlere bağlı çevre koģullarının denetimi sağlanarak bitki yetiģtirmeye uygun ortamların sağlandığı yapılardır. Seralarda denetlenmesi gereken baģlıca parametreler; sıcaklık, ıģık, bağıl nem, topraktaki nem ve havadaki gazların konsantrasyonudur. Toprak cinsi, sulama suyu ve drenaj diğer önemli faktörler olarak sayılabilir (Boodley,1981). Sera iç ortamındaki sıcaklık ve oransal nem durumu, bitki yetiģtiriciliği açısından önem taģımaktadır. Bitkiler belli bir sıcaklık değeri altında (örneğin patlıcan için bu değer 10 C) güneģ ıģınımı ve diğer etmenler sabit kabul edildiğinde büyümemektedir (Kürklü, 1995). Sera içerisindeki sıcaklık, dıģ sıcaklık ve içeriye ulaģan güneģ ıģınlarıyla doğrudan ilgilidir (Çulha, 2009). Ayrıca nemlendirme ve sulama iģlemleri de iç sıcaklığı etkilemektedir (Quanxing ve ark.,1996). Yaz ve kıģ aylarında serada yapılacak sıcaklık kontrolü de farklılık göstermektedir. Özellikle kıģ aylarında ısı kayıplarını asgari değere indirmek ve homojen bir ısıtma sağlamak zorunludur. Ortam havasının sıcaklığı, bitki büyüme ve geliģmesinde etkili değiģik metabolik iģlemlerin gerçekleģmesinde etkin rol oynamaktadır. Ortamın hava sıcaklığı kontrol edilerek, bitki yaprakları ve bünyesinde gerçekleģen ısı geçiģi ve enerji dengesi kontrol edilebilir. Benzer Ģekilde kontrollü ortamlardaki havanın bağıl nem oranı, terleme nedeniyle bitki yapraklarından ısı geçiģini de etkilemektedir. Bağıl nem oranı, bitki yaprakları ve ortam havası arasındaki buhar basıncı farkını etkilediğinden, terleme iģlemi için önemli olmaktadır (BaĢçetinçelik ve Öztürk, 1998). Bazı bitkiler için gerekli sıcaklık değerleri Çizelge 1 de gösterilmektedir. 370

2 Çizelge 1. Bazı bitkiler için optimum sıcaklık değerleri (Çulha, 2009). Bitki Gündüz sıcaklığı ( C) Gece sıcaklığı ( C) En yüksek sıcaklık ( C) Domates Biber Patlıcan Bamya Salatalık Fasulye Bezelye Bitkilerin çimlenme, büyüme, ürün verme iģlemleri belirli derecelerde fizyolojik faaliyetlere bağlıdır. Bitkilerin % ı sudan oluģmuģtur. Büyüme ve geliģme fizyolojisinin temeli olan fotosentez olayı bitkilerin topraktan aldıkları suyu kullanmasıyla gerçekleģebilir. Büyüme için gerekli besin maddelerinin alınması da bu yolla sağlanmaktadır. Her bitki için ayrı çevre koģullarının sağlanması gerekliliği araģtırmacıları farklı kontrol algoritmaları kullanmaya sevk etmiģtir(caponetto ve ark.,1998, Lanfag ve ark., 2000). Seralardaki sıcaklık ve nem değerlerine göre sera çalıģanları sulama, havalandırma, pencerelerin açılıp kapatılması, ısıtıcıların çalıģtırılması ya da kapatılması gibi birçok iģlemi zamanında ve hatasız bir Ģekilde yapmaları gerekmektedir. Aksi halde sera içerisindeki bitkiler zarar görecek yada sera yapısı zarar görebilir. Seralarda bu hataların giderilmesi için otomatik sistemlerin kullanımı yaygınlaģmaktadır. Sera otomasyonlarında genellikle PLC kontrollü sistemler kullanılmaktadır. Seradaki bitkiler için gerekli sıcaklık ve nem bilgileri girilerek bitki için en uygun hava Ģartları sera içersinde sağlanmaktadır. Bitkinin gereksinimine göre belirlenen zamanlarda otomatik sulama iģlemi yapılabilmektedir. Yapılan çalıģmada sera otomasyonu kontrolü için Delta model PLC kullanılmıģtır. PLC, endüstriyel otomasyon sistemlerinin kumanda ve kontrol devrelerinin gerçekleģtirilmesine elveriģli yapıda giriģ/çıkıģ birimleri ve iletiģim birimlerinden oluģan, kontrol Ģekli ile eģ bir sistem programı altında çalıģan endüstriyel bilgisayardır. PLC, röleli kumanda sistemlerinin yerine kullanılmak üzerine düģünülmüģ ve ilk ticari PLC Modicon firması tarafından 1969 yılında ortaya çıkarılmıģtır. O yıllarda PLC yalnız temel mantıksal (lojik) iģlem komutları ile iģlem yapabilmekteydi. Allen Bradley in ilk ticari PLC sinin baģarı elde etmesi üzerine, Siemens, General Electric, GEC, Westinghouse gibi firmalar yüksek performanslı orta maliyette PLC ler üretmiģlerdir (Çolak, 2007). PLC ler endüstriyel otomasyon sistemlerinde doğrudan kullanıma uygun özel giriģ ve çıkıģ birimleri ile donatılmıģlardır. GiriĢe basınç, seviye, sıcaklık algılayıcıları ve buton gibi iki değerli lojik bilgisi taģıyan elemanlar, çıkıģa ise kontaktör, selenoid valf gibi kumanda devre elemanlarının sürücü elemanları doğrudan bağlanabilir (Soygüder, 2006; AteĢ, 2002). ġekil.1 de görüldüğü gibi bir PLC temel olarak; Bir sayısal iģlemci bellek, GiriĢ ve çıkıģ birimleri, Programlayıcı birimi 371

3 ġekil 1. PLC nin temel yapısı MATERYAL ve YÖNTEM Materyal Yapılan çalıģmada 12x12 m ebatlarında bir seranın otomasyonu PLC kullanılarak gerçekleģtirilmiģtir. Sera içindeki ve dıģındaki sıcaklık bilgisini ölçmek için sıcaklık sensörü, nem bilgisi için nem sensörü kullanılmıģtır. Sisteme veri giriģi ve çıkıģı Delta marka 7 inch lik dokunmatik ekran ile sağlanmıģtır. Sera içersindeki sıcaklık ve nem bilgileri raporlanmaktadır. Sistem herhangi bir arıza ya da sera içerisindeki aģırı sıcaklık durumunda uyarı vermektedir. Sera otomasyon sisteminin kontrolü PLC ile yapılmaktadır. Sistemde Delta SS serisi PLC kullanılmıģtır. Sera içindeki ve dıģındaki sıcaklık ölçümü için PT100 sıcaklık sensörü kullanılmıģtır. Nem değerlerinin ölçümü içinde LAE marka HT2W model nem sensörü ile gerçekleģtirilmiģtir. Rüzgar hızı ve yön bilgisi için Oregon Scientific marka WMR100 model meteoroloji istasyonu kullanılmıģtır. Sisteme sıcaklık, nem set değerleri ve çeģitli parametreleri girmek için Delta marka dokunmatik ekran kullanılmıģtır. Ayrıca bu ekranda o anki aktif motorlar, sistem saati, tarihi ve sıcaklık, nem değerlerinin sayısal ve grafiksel raporları görülebilmektedir. Sistemin blok diyagramı ġekil 2 de görülmektedir. 372

4 ġekil 2. Sistemin blok diyagramı Yöntem GerçekleĢtirilen sistemde sera içerisindeki bitki için uygun gece ve gündüz sıcaklık set değerleri dokunmatik ekran ile sisteme girilir. Sıcaklık sensörü ile sera içerisindeki ve dıģındaki sıcaklık değeri ölçülür. Eğer sera içerisindeki sıcaklık değeri yüksekse tavan pencereleri açılarak alın fanları çalıģtırılır. Böylece sera içerisindeki sıcak hava dıģarı atılır. Sistem daha sonra sera iç ve dıģ sıcaklığını sürekli kontrol eder. Sera dıģındaki sıcaklık iç sıcaklıktan yüksekse ayarlanan süre sonunda tavan pencereleri kapatılır ve iç sirkülasyon fanları çalıģtırılır. Giyotin pencereleri açılarak pencere önlerindeki soğutma pedlerine su verilir. ġekil 3 te soğutma pedlerinde oluģan serin havanın sera içerisindeki hareketi görülmektedir. Herhangi bir Ģeyin yüzeyinden su buharlaģtığında, o yüzey daha fazla soğur çünkü sıvıyı buhara dönüģtürmek için ısıya ihtiyaç duyar buna Evaporatif Soğutma denir. Soğutma pedinin yüzeyindeki su buharlaģırken gerekli ısıyı pedin yüzeyine çarparak geçen havadan alır. Böylece buharlaģma gerçekleģirken, geçen havanın ısısının da düģmesi sağlanır. Bu sistem kullanılırken yüzeyden akıtılan suyun sıcaklığının soğutma kapasitesine etkisi çok azdır. 373

5 ġekil 3. Soğutma pedinin etkisi Sera içerisindeki sıcaklık set değerine geldiği zaman soğutma pedlerine verilen su durdurulur. Aynı zamanda iç sirkülasyon fanları ve alın fanları da kapatılır. Eğer sıcaklık set değerinin altına düģerse serada bulunan elektrikli ısıtıcılar devreye girer. Ġçerisinin sıcaklığı set değerine geldiği zaman ısıtıcı kapatılır. Sistemde sera içerisindeki nem değeri çok yüksekse iç sirkülasyon fanları çalıģtırılır. Nem değeri düģtüğü zaman sisleme yapılır. Buna ilave olarak sisleme iģlemi istenilen zaman aralıklarında otomatik olarak yapılabilir. Sistem sera içerisindeki bitkinin su isteğine göre istenilen zamanlarda otomatik sulama iģlemi yapabilmektedir. Tavan penceresini ve sera yapısını korumak için dıģarıda meteoroloji istasyonundan alınan rüzgar yönü ve hız bilgisi kullanılır. Meteoroloji istasyonundan alınan rüzgar yönü bilgisine göre rüzgar yönünün ters tarafındaki tavan penceresi açılır. Böylece Ģiddetli rüzgarlarda tavan pencerelerinin ve sera yapısında kullanılan camların kırılması önlenmiģ olur. Eğer rüzgar hızı çok yüksekse tavan pencereleri tamamen kapatılır. Seralarda kullanılan koruma perdesi yoğun güneģli havalarda sera içerindeki bitkileri güneģ ıģınlarından korumak için kullanılır. Sistemde redüktörlü motor ile sera üzerine perdenin açılıp kapatılması otomatik olarak yapılmıģtır. Girilen set değerine göre yaz günlerinde sabahın erken saatlerinde serilen perde öğleden sonra güneģ ıģınlarının yoğunluğunu kaybettiği zamanlarda tekrar açılır. Sera otomasyon sisteminde kullanılan pencereler ve perde örtüsünün kontrolü redüktörlü motorlarla yapılmıģtır. Ġleri ve geri limit switchler kullanılarak pencerelerin kapalı ya da açık olma bilgisi sisteme verilmektedir. ġekil 4 te kontrol ekranını görülmektedir. Kontrol ekranında sera içerisindeki sıcaklık değeri ve sıcaklık set değeri görülmektedir. Sera içerisindeki nem ve nem set değeri de ekranda kullanıcıya aktarılmaktadır. Bunun yanında pencereler ve perdenin durumu, rüzgar hızı, yön bilgisi saat ve tarih bilgileri ekranda görsel olarak ifade edilmiģtir. ġekil 4. Kontrol ekranı Sistem sera içerisindeki sıcaklık ve nem değerleri istenilen zaman aralıklarında kaydedilip raporlanmaktadır. Çizelge 2 de kaydedilen bir rapor örneği görülmektedir. Bu değerler bilgisayar ortamına aktarılabilir. Ġsteğe bağlı olarak eklenecek alarm modülü ile arıza ya da aģırı sıcak artıģı gibi durumlarsa sistem alarm verebilir. 374

6 Çizelge 2. Sera içerisinde kaydedilen sıcaklık ve nem değerleri Saat Tarih Sıcaklık Nem 05:40:37 15:05: :21:26 15:05: :17:32 15:05: :03:27 15:05: :14:50 15:05: :21:07 15:05: :27:26 15:05: :23:33 15:05: :09:28 15:05: :25:59 15:05: :37:23 15:05: :38:36 15:05: :44:55 15:05: :51:13 15:05: :47:18 15:05: ARAġTIRMA SONUÇLARI ve TARTIġMA Yapılan çalıģmada PLC kontrollü bir sera otomasyonu gerçekleģtirilmiģtir. Sera içerisinde bitkiye göre en uygun sıcaklık ve nem değerleri oluģturmak için gerekli donanım oluģturulmuģtur. Bu çalıģma ile sera atmosfer Ģartlarının sağlanabilmesi için, insan iģgücüne gerek kalmadan bir seranın tüm donanımının kontrolü sağlanmıģtır. Sera içerisindeki sıcaklık ve nem değerleri belirlenen süre aralıklarında raporlanmaktadır. Sisteme entegre olan alarm modülü ile arıza ya da aģırı sıcaklık ve soğuma durumunda alarm vermektedir. Ayrıca istenirse sistem de bir alarm durumu olduğu zaman sera çalıģanının telefonuna kısa mesaj göndermek mümkündür. Günümüzde motor hız kontrolü, sera otomasyonu vb. endüstrinin hemen hemen her alanında rahatlıkla kullanılabilen PLC ler ile yapılan otomasyon sistemleri röleli ve bilgisayarlı (PC) sistemlere göre birçok avantaja sahiptir. Bunlardan bazıları Ģöyle sıralanabilir; Daha üst düzeyde bir otomasyon sağlanır PLC' li sistem daha uzun süre bakımsız çalıģır ve ortalama bakım süreleri daha azdır. Teknik gereksinimler arttıkça PLC' li sistem az bir değiģiklikle ya da hiç bir değiģiklik gereksinimi duyulmadan yeniliğe adapte edilebilir. PLC' ler daha az yer kaplar ve çok az enerji harcarlar. PLC li sistemler endüstri ortamlardaki yüksek elektriksel gürültü, elektromagnetik parazitler, mekanik titreģimler, yüksek sıcaklıklar gibi olumsuz koģullar altında çalıģabilir. TeĢhis yazılımlarıyla hatalar kolayca bulunabilir Sera ortam havasındaki Ģartlandırmanın uygunluğu %CV değerlerine bakılarak değerlendirilebilinir. Bu değerin küçük tutulması otomasyon kontrolünün baģarısına bağlıdır. Çizelge 2 incelendiğinde sistemin nem ve sıcaklık kontrolünde % CV değerlerinin ve olduğu görülebilinir. Gün içinde bu değerin daha büyük olması sera ortamının yetiģtiricilik ortamı için uygun olmadığı kanaatine varılabilinir. LĠTERATÜR LĠSTESĠ Arıcı I. Sera Yapım Tekniği. Uludağ. Üniversitesi Ziraat Fakültesi Yayınları: 44, Bursa, Boodley, W., The commercial greenhouse, Delmar Publishers Inc., New York, 1981 Kürklü, A., GüneĢ ıģınımı ve Hava Sıcaklığı Açısından Bitki-Çevre ĠliĢkileri, Akdeniz Üniversitesi Ziraat Fakültesi Dergisi, 8, S:225, Antalya. Çulha O. ve ark. Seralarda Yarı Ġletken Sensör Teknolojisinin Kullanımı ve Üretim Olanakları, I. Ulusal Sulama ve Tarımsal Yapılar Sempozyumu, KahramanmaraĢ Sütçü Ġmam Üniversitesi, KahramanmaraĢ Mayıs 2009 Quanxing, Z., Chwan-Hwa, W. and Tilt, K., Application of fuzzy logic in an irrigation control system, Industrial Technology, BaĢçetinçelik, A., Öztürk, H. H., Kontrollü Ortamlarda Yapılan Bitki Denemeleri Ġçin Ġklim Etmenlerinin Ölçülmesi. 2. Sebze Tarımı Sempozyumu Eylül 1998 Bildiri Kitabı, GaziosmanpaĢa Ü. Ziraat Fakültesi Bahçe Bitkileri Bölümü, S: , Tokat. Caponetto, R.; Fortuna, L.; Nunnari, G.; Occhipinti, L.i, A fuzzy approach to greenhouse climate control, American Control Conference, Proceedings of the 1998, Volume: 3, Page(s): , vol.3, 1998 Lanfag P., Wanliang W. and Qidi W., Application of Adaptive Fuzzy Logic System to Model for Greenhouse Climate, Intelligent Control and Automation Congress, Proceeding of the 2000, China Page(s): , 2000 Çolak Ġ., Bayındır R., KuruĢçu S., PLC Kontrollü Asansör Eğitim Seti Tasarımı Ve Uygulaması, Erciyes Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Dergisi 23 (1-2) (2007) Soygüder S., Ali H., Programlanabilir mantıksal denetleyici Kullanılarak PID yöntemi ile robot hız denetimi, Fırat Üniversitesi Fen Ve Mühendislik Bilimleri Dergisi, Vol. 18 (2006), AteĢ H., Bayındır R., PLC kontrollü sürtünme kaynak cihazı tasarımı ve uygulaması, Zonguldak Karaelmas Üniversitesi, Teknik Eğitim Fakültesi, Teknoloji Dergisi, Yıl 5, 2002, Sayı 3-4,