Fırat Üniversitesi-Elazığ PNÖMATİK VE HİDROLİK SİSTEM UYGULAMALARI Ömür AKYAZI 1, Doğan ÇOKRAK 2 1 Sürmene Abdullah Kanca Meslek Yüksekokulu Karadeniz Teknik Üniversitesi oakyazi@ktu.edu.tr 2 Teknik Eğitim Fakültesi Elektrik Eğitimi Bölümü Fırat Üniversitesi dcokrak@firat.edu.tr ÖZET Pnömatik ve hidrolik sistemler endüstri süreçlerinde ve otomasyon uygulamalarında yaygın bir şekilde kullanılmaktadır. Hidrolik kavramı akışkanlar aracılığıyla kuvvet ve hareketlerin iletimi ve kumandası anlamında kullanılmaktadır. Pnömatik ise havanın basınç kazandırılarak ve çeşitli kontrol yöntemleri ile kontrol edilerek doğrusal, dairesel ve açısal hareket elde edilmesinde kullanılmaktadır. Bu makalede pnömatik ve hidrolik sistemler fluidsim programıyla bilgisayar ortamında tasarlanmış ve tasarlanan bu sistemlerin gerçekleştirilmesi, basit bir anlatımla ele alınmıştır. Anahtar Kelimeler: Hidrolik Sistem, Pnömatik Sistem, Fluidsim Programı 1. GİRİŞ Pnömatik ve hidrolik sistemler endüstri süreçlerinde ve otomasyon uygulamalarında yaygın bir şekilde kullanılmaktadır[1-2]. Pnömatik sistemler, ekonomik, temiz, güvenli ve basit yapılı olmaları sebebiyle sıkıştırılmış hava ile güç iletimini cazip hale getirmektedir[1,3]. Pnömatik Yunanca bir kelime olan pneuma (hava, rüzgâr) kelimesinden türetilmiştir. Diğer enerji çeşitlerine göre dar ve kısa alanda daha hızlı, kolay elde edilen, ucuz olan hava enerjisi, son zamanlarda durumu değiştirilerek kullanılmaya başlanmıştır. Hava atmosferde bol miktarda bulunmaktadır. Hava atmosferden uygun yöntemlerle alınıp, depolanabilir, basınç kazandırılabilir ve tekrar atmosfere bırakılabilir. Havanın atmosferde bol miktarda bulunması, elde edilişi maliyetinin düşük olmasını sağlar. Havanın kullanım hızı çok yüksektir. Basınçlı havanın bir enerji olarak kullanılması çok eski yıllara dayanır[1-4]. Havanın endüstriyel alanlardaki uygulamalarının yaygınlaşması 1950 yıllarında başlar. Endüstrinin hemen her alanında iş parçalarının sıkılması, gevşetilmesi, ilerletilmesi, doğrusal ve dairesel hareketlerin elde edilmesi gibi çeşitli işlemler için pnömatik sistemlerden yararlanılır. Pnömatik sistemler diğer sistemlere göre daha hızlı ve ekonomik çözümler üretebilmektedir[2-9]. Hidrolik, Yunanca su anlamına gelen hydro ile boru anlamına gelen aulos kelimelerinden türetilmiştir. Günümüzde hidrolik akışkanlar aracılığıyla kuvvet ve hareketlerin iletimi ve kumandası anlamında kullanılmaktadır. Hidrolik ve hidrolik sistemler tüm mühendislik içeren sistemlerde kullanılırlar. Enerji iletiminde kullanılan akışkanlar genellikle madensel yağlardır. Bunların dışında sentetik akışkanlar, su ve yağ-su çözeltileri de kullanılmaktadır. Hidrolik sistem elektrik motorunun tahrik ettiği hidrolik pompa ile akışkanın belirli basınçta ve debide basıldığı ve bu hidrolik enerji ile doğrusal, dairesel ve açısal hareketin üretildiği sistemdir[4,10,11]. Enerji iletim olanakları yönünden hidroliğin yanında mekanik, elektrik, elektronik ve pnömatik gibi başka seçenekler de olup, bunların her birinin belirli bir uygulama alanı vardır. Fakat bazı durumlarda bunlardan birini seçmek söz konusu olduğunda hidroliği tercih edilir kılan özelliklerinden bir kaçını saymak gerekirse: Küçük hacimde büyük kuvvetler, momentler elde edilir. Kuvvet gerektiğinde kendiliğinden oluşur. Dururken, tam yükle harekete geçmek olasıdır. Hız, kuvvet ve moment kademesiz olarak kolayca ayarlanabilir. Fazla yük durumunda korunma kolaylıkla gerçekleştirilebilir. Çok hızlı ve çok yavaş hareketler büyük bir duyarlılıkla denetlenebilir. Hidrolik devrelerde enerji dönüşümü Şekil 1 de gösterilmektedir[8-14]. Şekil1. Hidrolik devrelerde enerji dönüşümü 1.1. Pnömatik Sistemlerin Kullanım Alanları Pnömatiğin uygulama alanlarını seçerken, pnömatik sistemlerin avantajları göz önünde bulundurulur. Pnömatik sistemler hızlı fakat küçük kuvvetlerin uygulanması istenen yerlerde kullanılabildiği gibi temizlik ve emniyet istenen sistemlerde de kullanılır. Pnömatik sistemler genel olarak; Otomasyon sistemlerinde Tarım ve hayvancılıkta Robot teknolojisinde Elektronik sanayinde Madencilik sanayinde Ağaç işleri endüstrisinde Taşımacılık işlemlerinde Tekstil sanayinde Gıda, kimya ve ilaç sanayinde Boya ve vernik işlemlerinde 142
Elektrik-Elektronik ve Bilgisayar Sempozyumu 2011 Her çeşit valfin kumandasında Şişeleme ve dolum ünitelerinde ve benzeri alanlarda yaygın olarak kullanılmaktadır[2-9]. 1.2. Hidrolik Sistemlerin Kullanım Alanları Hidrolik sistemler, modern üretim ve imalat tezgâhlarında uygulanır. Hidroliğin modern otomasyon tekniğindeki çeşitli uygulamaları, bu alandaki yerini ve önemini göstermektedir. Hidrolik sistemler esas itibariyle sabit ve hareketli hidrolik sistemler diye ikiye ayrılırlar. Sabit hidrolik sistemlerin kullanım alanları: Her türlü imalat ve montaj makineleri Transport sistemler Kaldırma ve iletme makineleri Presler Basınçlı döküm makineleri Haddehaneler Asansörler Ambalajlama Hareketli hidrolik sistemlerin kullanım alanları İnşaat makineleri Kepçe Mekanizmaları, tutma ve yükleme tertibatları Kaldırma ve iletme makineleri Tarım makineleri ve benzeri alanlarda yaygın olarak kullanılmaktadır[8-15]. 1.3. Hidrolik ve Pnömatik Sistemlerin Karşılaştırılması Pnömatik sistem hızlı fakat küçük kuvvet istenen yerlerde, hidrolik sistem ise yavaş fakat büyük kuvvet istenen yerlerde kullanılır. Pnömatik sistemin bakımı ve arızasının tespiti kolay, hidrolik sistemin bakımı ve arızasının tespiti zordur. Pnömatik sistemde kullanılan havanın neminin alınması ve yağlanması gerekirken, hidrolik sistemde bunlara ihtiyaç yoktur. Ayrıca hidrolik sistemde kullanılan akışkan, aynı zamanda çalışan elemanların sağlanmasını da sağlar. Sıçaklık değişiminden hidrolik sistemler pnömatik sistemlere göre daha çok etkilenirler. Pnömatik sistemler, hidrolik sitemlere göre daha temiz ortamlarda kullanılırlar. Hidrolik sistemler, pnömatik sistemlere göre daha sessiz çalışırlar[8,15]. 2. GERÇEKLEŞTİRİLEN PNÖMATİK VE HİDROLİK SİSTEM UYGULAMALARI Gerçekleştirilen pnömatik ve hidrolik sistemler ilk önce fluidsim programı ile bilgisayar ortamında tasarlanarak test edilmiş ve daha sonra bu sistemlerin uygulamaları laboratuar ortamında tek tek gerçekleştirilmiştir. Fluidsim Hidrolik- Elektrohidrolik ve Pnömatik-Elektropnömatik simülatör programıdır. Fluidsim ile istenilen devrenin şeması çizilebildiği gibi hazır bulunan devrelerinde benzetimi gerçekleştirilebilir. Fluidsim in bir önemli özelliği de daha çizim aşamasındayken bile yapılan çizim hatalarını gösterebilmesidir. Ayrıca bu program görüntülü olarak öğrenmeyi de sağlamaktadır. Eğitim filmleri yardımıyla temel devreler hakkında bilgi verirken, temel devre elemanlarının nasıl kullanıldığını da göstermektedir. Devre elemanlarının kısaca tariflerini, resimlerini, çalışma prensiplerini anlatmaktadır. Anlaşılması kolay olması bakımından gerçekleştirilen pnömatik ve hidrolik sistemler basitten karmaşığa doğru incelenecektir. Şekil 2-3 de sırasıyla fluidsim programıyla veveya lojik kapılarının pnömatik sistemde uygulamaları gösterilmiştir. Şekil 2. VE valfi uygulaması Şekil 3. VEYA valfi uygulaması Şekil 2-3 de ve-veya lojik kapılarının pnömatik sistem uygulamaları gözükmektedir. Ve valfinin iki girişine hava geldiğinde çıkışında hava olmakta ve bu sayede 5/2 yön kontrol valfini tetikleyerek çıkış elemanı olan pistonun ileri doğru gitmesi sağlamaktadır. Ve valfi daha çok tehlikeli sistemlerde güvenlik amacıyla kullanılır. Veya valfinin iki girişinden herhangi birine hava geldiğinde çıkışında hava olmakta ve bu sayede 5/2 yön kontrol valfini tetikleyerek çıkış elemanı olan pistonunun hareket etmesini sağlamaktadır. Veya valfi daha çok farklı yerlerden çalıştırılmak istenen sistemlerde kullanılır. Ve-Veya lojik kapı uygulamaları hidrolik sistemlerde de aynı amaçla kullanılmaktadır ancak benzetimi pnömatik sistemden farkı hava yerine yağın kullanılmasıdır. Şekil 4 de A+B+A-B- olan sistemin yol-adım diyagramı gözükmektedir. Burada A ve B çıkış elemanları olan pistonları ifade etmekte olup, + ve - çıkış elemanlarının ileri veya geri hareket yönlerini belirtmektedir. Şekil 4. A+B+A-B- Yol-Adım diyagramı 143
Fırat Üniversitesi-Elazığ Şekil 4 de yol adım diyagramı verilen sistemin fluidsim programı ile gerçekleştirilmiş pnömatik-elektropnömatik ve hidrolik-elektrohidrolik benzetimleri Şekil 5-7 de gösterilmiştir. Şekil 8. A+B+A-B- Pnömatik sistemin laboratuar ortamında gerçeklenmesi Şekil 5. A+B+A-B- Pnömatik sistem benzetimi Şekil 9. A+B+A-B- Elektropnömatik sistemin laboratuar Şekil 6. A+B+A-B- Elektropnömatik sistem benzetimi Şekil 10. A+B+A-B- Elektrohidrolik sistemin laboratuar Şekil 11 de A+B+B-A- olan sistemin yol-adım diyagramı gözükmektedir. Şekil 7. A+B+A-B- Elektrohidrolik sistem benzetimi Fluidsim programıyla tasarlanarak benzetimi gerçekleştirilen sistemlerin laboratuar ortamındaki uygulamaları Şekil 8-10 da gösterilmiştir. Şekil 11. A+B+B-A- Yol-Adım diyagramı 144
Elektrik-Elektronik ve Bilgisayar Sempozyumu 2011 Şekil 11 deki yol-adım diyagramı incelendiğinde start butonuna basıldığında ilk önce A pistonu ileri doğru hareket ediyor ve A pistonu ileri son konumuna geldiğinde B pistonu ileri doğru harekete geçiyor. B pistonu ileri son konumuna geldiğinde otomatik olarak geri yönde harekete geçiyor ve başlangıç noktasına geri dönüyor. B pistonunun hareketi esnasında A pistonu ileri son konumunda bekliyor. Yani bu sistemde bir çakışma olayı söz konusu olduğu anlaşılıyor. Bu tip pnömatik sistemlerde çakışmayı önlemek için özel valfler veya kaskat bağlantı kullanılır. Şekil 12-14 de sistemin fluidsim programıyla gerçekleştirilmiş benzetimleri ve Şekil 15-17 de laboratuar ortamında gerçekleştirilen devreler gösterilmiştir. Şekil 15. A+B+B-A- Pnömatik sistemin laboratuar ortamında gerçeklenmesi Şekil 12. A+B+B-A- Pnömatik sistem benzetimi Şekil 16. A+B+B-A- Elektropnömatik sistemin laboratuar Şekil 13. A+B+B-A- Elektropnömatik sistem benzetimi Şekil 17. A+B+B-A- Elektrohidrolik sistemin laboratuar Şekil 14. A+B+B-A- Elektrohidrolik sistem benzetimi Anlaşılması kolay olması bakımından bu aşamaya kadar bir veya iki pistonlu hidrolik-pnömatik sistem uygulamaları gerçekleştirilmiştir. Bu temel yapılar anlaşıldıktan sonra daha karmaşık hidrolik-pnömatik sistem uygulamaları gerçekleştirilebilir. Şekil 18 de A+B+C+A-B-C- yol-adım 145
Fırat Üniversitesi-Elazığ diyagramı ve Şekil 19-21 de bu yol-adım diyagramına göre fluidsim de tasarlanmış benzetim gözükmektedir. Şekil 22-24 de laboratuar ortamında gerçekleştirilen devreler gösterilmiştir. Şekil 18. A+B+C+A-B-C- Yol-Adım diyagramı Şekil 22. A+B+C+A-B-C- Pnömatik sistemin laboratuar Şekil 19. A+B+C+A-B-C- Pnömatik sistem benzetimi Şekil 23. A+B+C+A-B-C- Elektropnömatik sistemin laboratuar ortamında gerçekleştirilmesi Şekil 20. A+B+C+A-B-C- Elektropnömatik sistem benzetimi Şekil 24. A+B+C+A-B-C- Elektrohidrolik sistemin laboratuar ortamında gerçekleştirilmesi Şekil 21. A+B+C+A-B-C- Elektrohidrolik sistem benzetimi Üç pistonla gerçekleştirilen bu uygulamalardan sonra pistonların orta konumlarını göz önüne alarak biraz daha karmaşık sistemler gerçekleştirebilir. Bu bakımdan Şekil 25 de 146
Elektrik-Elektronik ve Bilgisayar Sempozyumu 2011 yol- adım diyagramı verilen sistemin benzetimi ve uygulaması gerçekleştirilmiştir. Şekil 25. Sistemin Yol-Adım diyagramı Şekil 25 incelendiğinde sistem A ve B olmak üzere iki pistondan oluşmaktadır. Pistonların başlangıç koşulları geri konumunda olacaktır. Start butonuna basılınca A pistonu orta konumuna geldiğinde B pistonu harekete geçip ileri son konumuna gelip tekrar başlangıç noktasına geri dönecektir. B pistonunun hareketi esnasında A pistonu orta konumunda bekleyecektir. B pistonu başlangıç noktasına geri döndüğünde A pistonu tekrar harekete geçip ileri son konumuna gidecek ve başlangıç noktasına geri dönecektir. Şekil 26 da sistemin fluidsim programıyla gerçekleştirilmiş benzetimi ve Şekil 27 de laboratuar ortamında gerçekleştirilen elektrohidrolik devre gözükmektedir. Şekil 26. Sistemin benzetimi 3. SONUÇLAR Bu çalışma hazırlanırken güdülen amaç okuyucunun kafasını karıştırmadan, sade ve anlaşılır bir biçimde hidrolik ve pnömatik sistemler hakkında bilgi vermek, hidrolik ve pnömatik bir sistemi fluidsim programı yardımıyla tasarlayıp benzetimini yapmak ve benzetimi gerçekleştirilen sistemin laboratuar ortamında gerçekleşmesini sağlamaktır. Bu sebepten dolayı makaledeki açıklamalar mümkün olduğunca görsel öğeler kullanılarak anlaşılması kolay hale getirilmiştir. Sonuç olarak bu çalışmada değişik yapıdaki hidrolik ve pnömatik sistemler, fluidsim programı yardımıyla tasarlanarak benzetimleri gerçekleştirilmiş ve tasarlanan bu sistemlerin uygulamaları laboratuar ortamında gerçekleştirilerek benzetimlerin doğruluğu kanıtlanmıştır. 4. KAYNAKLAR [1] Ali Volkan Akkaya, Süleyman Hakan Sevilgen, Hasan Hüseyin Erdem, Burhanettin Çetin, Simulink kullanarak bir pnömatik sistemin simülasyonu, Doğuş Üniversitesi Dergisi, 6 (2) 2005, 155-162 [2] http://www.pnomatik.com.tr, 03.07.2011 tarihinde aktif [3] Elif Erzan Topçu, İbrahim Yüksel, Elektropnömatik Bir Sistemde Konum Denetiminin Araştırılması, III. Ulusal Hidrolik Pnömatik Kongresi ve Sergisi, 2003, 439-449 [4] http://kalelift.com, 03.07.2011 tarihinde aktif [5] M. Sinan Güzelbey, Sedat Bayseç, Pnömatik Kontrol Devrelerinin Bilgisayar Destekli Tasarımı, IV. Ulusal Hidrolik Pnömatik Kongresi [6] İsmail Karacan, Pnömatik Kontrol, Bilim Yayıncılık, 1994 [7] www.modulteknik.com, 03.07.2011 tarihinde aktif [8] Meslekî Eğitim ve Öğretim Sisteminin Güçlendirilmesi Projesi (MEGEP), Pnömatik ve Hidrolik sistemler Ankara, Ocak 2005 [9] www.festo.com, 03.07.2011 tarihinde aktif. [10] Kemal Demirel, Hidrolik Pnömatik, Seckin Yayıncılık, Şubat 2010 [11] Kenan Kutlu, Murat Büyüksavcı, Hidrolik bir servo sistemin kayan rejimli konum kontrolü, I. Ulusal Hidrolik Pnömatik Kongresi ve Sergisi, 1999, 335-340 [12] http://www.hydrotime.com.tr 10.06.2011 tarihinde aktif [13] http://hidrolik.info/hidrolik_hakkinda.php 10.06.2011 tarihinde aktif [14] http://www.mekatronik.de 10.06.2011 tarihinde aktif [15] http://www.hidrolikpnomatik.com 10.06.2011 tarihinde aktif. Şekil 27. Sistemin laboratuar 147