Farklı Tipte Elektrik Motorları ve Sürücüleri Kullanılarak PLC Kontrollü Asansör Eğitim Seti Tasarımı ve Uygulaması Design and Implementation of PLC Based Elevator Training Set Using Different Types of Electric Motors and Drivers Halil Ertaş 1, Sinan Biçer 2, Erdem Yıldız 3 1 Elmalı Meslek Yüksekokulu Akdeniz Üniversitesi, Antalya ertashalil@akdeniz.edu.tr 2 Elmalı Meslek Yüksekokulu Akdeniz Üniversitesi, Antalya sinanbicer@akdeniz.edu.tr 3 Elmalı Meslek Yüksekokulu Akdeniz Üniversitesi, Antalya erdemyildiz@akdeniz.edu.tr Özetçe Bu çalışmada Meslek yüksekokulumuzun Elektrik, Elektronik ve Otomasyon bölümlerinde Plc, Scada, Servo motor ve AC motor kullanımına örnek olarak bir eğitim seti gerçekleştirilmiştir. Eğitim setimizde Plc kontrollü Servo Sürücü-Servo Motor ve AC Sürücü-AC Motor konfigürasyonları ile asansör prototipimiz çalıştırılmıştır. Plc yazılımı Simatic Step7 programında LAD (Ladder Diagram Merdiven Diyagramı) yöntemi ile yazılmıştır. Asansör prototipimiz 4 katlı olarak imal edilmiştir. Her katta sınır anahtarları, ikaz lambaları ve kontrol butonları bulunmaktadır. Ayrıca kabin içi yönlendirme butonları ve aydınlatma lambası da bulunmaktadır. Asansör eğitim setimizin kontrolünü ve izlemesini kurmuş olduğumuz Scada sistemi ile yapabilmekteyiz. Scada sistemimizin tasarımı WinCC Flexible editöründe gerçekleştirilmiştir. Eğitim setimiz oluşturulurken öğrencilerimizin endüstriyel ortamlarda karşılaşabileceği güncel teknolojilerin kullanılmasına özen gösterilmiştir. Abstract In this work, we designed and implemented an elevator training set for teaching using of PLC, scada, servo motor and Ac motor to our Electrical, Electronics and Automation program students in our vocational school. In our training set we operate the elevator prototype with PLC controlled servo motor-servo driver and AC motor-ac driver separately. PLC software had been developed with LAD (Ladder Diagram) method by Simatic Step 7 program. Our elevator prototype has 4 floors and in every floor it has switches, warning lights and control buttons. Additionaly in the cabin, lighting lamp and guiding buttons exists. We can control and track our elevator training set with the scada system that we have set up. We have designed the scada system in WinCC Flexible Editor. We have elaborately choose the up-to-date technology equipments for our students education that they encounter in the industries. 1. Giriş Asansör eğitim setlerininin geliştirilmesi, sektöre kazandırılacak ara elemanların elektronik bilgilerinin yanı sıra mekanik bilgilerini de geliştirmektedir. Asansör eğitim setlerinin bir başka faydası da çeşitli elektromekanik elemanlar kullanıldığından öğrenilen ekipman sayısı fazla olmaktadır. Çolak vd (2007) tarafından yapılan çalışmanın nedenlerinden biri olarak gerek meslek liselerinde, gerekse teknik üniversitelerde elektromekanik taşıyıcılar teknik elemanı yetiştirilmesi konusunda çok büyük eğitim açıklarının bulunması gösterilmiştir. Bu alandaki açık fark edildiğinden dolayı çalışmamızı bizde bu yönde seçmiş bulunmaktayız. Asansör eğitim setleri ve prototipleri üzerine yapılan çalışmalarla ilgili literatür taraması sonucu eski teknolojiye sahip bir ürün olan PLC S7-200 kullanıldığı farkedilmiştir (Çolak vd. 2007, Yang vd. 2008, Wang 2011). Çalışmaların bir kısmının da sadece tasarım aşamasında kaldığı uygulamaya geçilmediği görülmüştür (Carter ve Selvaraj 2013, Htay ve Mon 2014). Uygulama kısmının da yapıldığı çalışmalarda Scada sisteminin eksik bırakıldığı gözlenmiştir (Darshil 2008, Singh 2013). Ayrıca yapılan çalışmaların bir kısmında mekanik kısmının çok basit bırakıldığı farkedilmiştir (Şekil 1). Literatürdeki bu eksiklikler sonucu kapsamlı bir asansör eğitim seti yapılması kararlaştırılmıştır. 1147
Şekil 1: Sharma vd. (2013) tarafından yapılan Plc kontrollü asansör sistemi 2. Asansör Eğitim Setinin Mekanik Tasarımı Asansör eğitim setimiz zemin+3 kat şeklinde tasarlanmıştır. Setimizde sabitlenmiş dış çerçeve, içerisinde hareket eden kabin ve dış çerçevenin üzerinde bulunan kabinin hareketini sağlayan hareket mekanizması bulunmaktadır. 2.2. Asansör Eğitim Setinin Hareket Mekaniği Asansör kabinimizi hareket ettirmede iki farklı tahrik mekanizması kullanılmıştır. İlki servo motora bağlı 1:25 dönüştürme oranlı redüktördür. Servo motora bağladığımız redüktör, servolar için üretilmiş olan redüktör olmadığından normal redüktör kullanılmıştır. Demir bağlantı aparatı imal edilerek montajı gerçekleştirilmiştir. Bu sayede daha uygun maliyetli bir redüktör kullanılmıştır. İkincisinde ise AC motora bağlı 1:25 dönüştürme oranlı farklı bir redüktör kullanılmıştır. Her iki tahrik mekanizmasının bağlı olduğu bir mil imal edilmiştir. Milin dengesini korumak için yataklama yapılmıştır. Mil üzerine çelik halatın sarılacağı bir tambur sabitlenmiştir. Şekil 3 te servo motor, redüktör, mil, tambur, elektromanyetik fren ve yataklama aparatı bağlantısı gösterilmiştir. Şekil 4 te ise asenkron motor, redüktör, mil, tambur, elektromanyetik fren ve yataklama aparatı bağlantısı gösterilmiştir. 2.1. Asansör Eğitim Setinin Metal Konstrüksiyonu Mekanik aksam demir köşebentlerle yapılmıştır. Dış çerçeve ve hareketli kabin 30x30mm demir köşebentlerden imal edilmiştir. Dış çerçevenin ve hareketli kabinin ihtiyaç görülen bölümleri 30x30mm lik demir profillerle sağlamlaştırılmıştır. Eğitim setimizin boyutları 230cmx70cmx70cm(yükseklikxgenişlikxderinlik) şeklindedir (Şekil 2). Kabinimizin boyutları ise 69cmx69cmx35cm(yükseklikxgenişlikxderinlik) şeklindedir. Şekil 3: Servo motorlu tahrik sistemi Şekil 4: 3 fazlı AC asenkron motorlu tahrik sistemi Kabin ve yük, tambur üzerine sarılacak 3mm çapında iki ayrı çelik halata bağlanmıştır. Kabin ağırlığını azaltmak ve varolan asansör sistemlerine daha benzer bir eğitim seti oluşturulmak amacıyla 8 kg lık kabin karşı yükü bağlanmıştır (Şekil 5). Kabin karşı yükümüzün boyutları 24cmx13cmx12cm(yükseklikxgenişlikxderinlik) şeklindedir. Şekil 2: Asansör eğitim setinin boyutları 1148
Şekil 5: Kabin karşı yükü 3. Asansör Eğitim Setinin Elektriksel ve Kontrol-Otomasyon Donanımı Asansör Eğitim Setinin Elektriksel ve Kontrol-Otomasyon Donanımını Elektromekanik ve ikaz kısmı, Servo motor ve sürücüsü, 3 Faz AC asenkron motor ve sürücüsü, PLC-Scada sistemi olmak üzere 4 kısımda inceleyebiliriz. 3.1. Elektromekanik ve ikaz kısmı Sistemimizin elektromekanik kısmında elektromanyetik fren, sınır anahtarları, ikaz lambaları, kabin içi ve kabin dışı butonlar kullanılmıştır. Kabin içerisinde 4 adet kat butonu, 1 adet acil stop butonu ve 1 adet switch bulunmaktadır (Şekil 6). Kabin, basılan butonun katına gidebilmektedir. Kabin içerisindeki switch ile kabin kapısının açık veya kapalı olduğu bilgisi gönderilmektedir. Kabinde durduktan sonra oluşacak hareket ataletini yenmek amacıyla elektromanyetik fren kullanılmıştır. Elektromanyetik frenin besleme gücü 24V DC ve torku 8Nm dir. Şekil 7: Kat çağırma butonları, kat lambaları, meşgul lambaları, acil stop butonu Kabin dışı butonlar ile çağrılan kata kabin gidebilmektedir. Katlarda bulunan meşgul lambaları ile asansörün hareket halinde olup olmadığı gösterilmektedir. Kat sınır anahtarları ile de kabinin hangi kattan geçmekte olduğu belirlenebilmektedir (Şekil 8). 4 adet kat lambası, kabinin hangi katta bulunduğunu belirtmektedir. Şekil 8: Kat sınır anahtarının kabin ile teması 3.2. AC Servo motor ve servo sürücü sistemi AC Servo sistemi olarak Delta markasının ASD-A2 serisi kullanılmıştır. Servo motor, 400 Watt gücünde, 3000 d/d max. dönüş hızına ve 1,27 Nm torka sahiptir. Kullanmış olduğumuz servo motor 20 bit encoder hassasiyetine sahiptir başka bir deyişle servo motorumuz 1 deviri 1280000 adıma bölebilmektedir. Servo sürücüsü de 400 Watt gücünde 2,6A çıkış akımına sahiptir (Şekil 9). Servo sürücüsü Canopen yüksek hızlı network haberleşmeyi desteklemektedir. Haberleşme portu olarak Modbus RS-485/RS-232 ye de sahiptir. Şekil 6: Kabin içi butonlar, acil stop butonu ve kabin switch i Kabin dışında 4 adet kat çağırma butonu, 4 adet meşgul lambası, 4 adet hangi katta olduğunu gösteren lamba, 4 adet kat sınır anahtarı ve 1 adet acil stop butonu bulunmaktadır (Şekil 7). 1149
Şekil 9: 400 Watt lık AC Servo Sürücüsü 3.3. 3 Faz AC asenkron motor ve sürücüsü sistemi 3 Faz AC asenkron motor olarak Gamak marka 0,75 kw anma gücüne sahip, anma gücünde 1370 d/d lık dönüş hızına sahip bir ürün kullanılmıştır. Asenkron motor sürücüsü olarak Delta marka AC hız kontrol cihazı kullanılmıştır (Şekil 10). Sürücümüzün girişi tek faz, çıkışı 3 fazdır. Oransal giriş akımı 24A, oransal çıkış akımı ise 11A dir. Max. uygulanabilir motor çıkışı 2,2kW olan sürücümüz 0,1-600Hz çıkış frekans aralığına sahiptir. Asenkron motoru çalıştırırken 20Hz frekansı ayarlanmıştır. Hızlanma ve yavaşlama süresi 2sn. olarak ayarlanmıştır. 3.4. PLC-Scada Sistemi Şekil 10: Asenkron motor sürücüsü PLC-Scada sistemi olarak daha önce hazırlamış olduğumuz PLC eğitim setinden yararlanılmıştır (Şekil 11). Şekil 11: Asansör eğitim setinde kullandığımız PLC eğitim setimiz PLC olarak Siemens markasının Simatic ET200S modeli kullanılmıştır. Bu modelde S7-300 CPU su bulunmaktadır. Kullandığımız PLC sistemi modüler yapıdadır. İstenildiğinde giriş, çıkış vs. gibi yapılar arttırılabilmektedir. Asansör eğitim setimizi kontrol edecek yapıda toplam 15 adet giriş(input) ve 10 adet çıkış(output) bulunması gerekmektedir. 15 adet girişi, kabin içindeki 4 adet kat butonu, 1 adet stop butonu, 1 adet switch ve kabin dışındaki 4 adet kat butonu, 4 adet sınır anahtarı, 1 adet stop butonu olarak sıralayabiliriz. 10 adet çıkış ise 1 adet elektromanyetik frene, kabin dışındaki 4 adet ikaz lambasına, 1 adet kabin meşgul lambasına, 1 adet acil durum lambasına ve 3 adet AC hız kontrol cihazına gitmektedir. AC hız kontrol cihazına giden bu 3 adet çıkış ileri(forward), geri(reverse) ve durdurma(stop) için kullanılmaktadır. PLC sistemimizde 16 adet dijital giriş ve 16 adet dijital çıkış bulunmaktadır. PLC eğitim setimizde asansör eğitim setimiz için gerekli olan dijital giriş ve dijital çıkış yeterli sayıda bulunmaktadır. Scada sistemi için Siemens marka 6 ekran kullanılmıştır. 4. Asansör Eğitim Setinin Yazılımı Plc konfigürasyonumuz Simatic Step 7 veya Tia Portal ile programlanabilmektedir. Asansör eğitim setimizin yazılımı Simatic Step 7 programında yazılmıştır. Asenkron motor kontrolü ve servo motor kontrolü için 2 ayrı program yazılmıştır. Asenkron motor kontrolü için Simatic Step 7 programında yazılan program 12 Network te tamamlanılmıştır. Plc programımızda giriş kontakları, çıkış bobinleri ve yardımcı kontaklar dahil toplam 39 adet adres kullanılmıştır. Bu adreslerin ilk 15 i Şekil 12 deki gibidir. 1150
Şekil 12: Plc yazılımı sembol tablosu Programda Network 2 yi (Şekil 13) incelersek Set-Reset bloğu ile 1. kat çağırılmasının yapılıp yapılmadığı kontrol ediliyor. I0.1 ile kabin dışı 1. kat çağırması ve I1.2 ile kabin içi 1.kat çağırması yapılmaktadır. I0.5 normalde kapalı kontak ile asansörün 1.katta olup olmaması kontrol edilmektedir. Asansör 1.kat switch ine değerse I0.5 normalde kapalı kontağına 0 bilgisi gelmektedir ve çağırma yapılsa bile çağırma bloğu (M10.0) çalışmamaktadır. Asansör 1. Katta değilse ve çağırma yapılmışsa bu bloğun çıkışı set olmaktadır. Diğer network lerde, gelen switch bilgilerine göre asansörün çağrılan katın aşağısında mı yoksa yukarısında mı olduğu kontrol edilip asansör bu bilgiye göre çağrılan kata hareket ettirilmiştir. Servo motor ile asansör prototipinin kontrolünde ise switch bilgisine ihtiyaç duymadan konum kontrolü ile hareket sağlanmıştır. Şekil 13: 1. kat çağırma network ü Scada sistemimizin tasarımı WinCC Flexible editöründe yapılmıştır. Yaptığımız tasarım ile kabinin hangi yöne doğru hareket ettiğini, hangi butona basıldığını ve acil durumun olup olmadığını görebilmekteyiz (Şekil 14). Tasarladığımız scada sistemi dokunmatik ekranda istenilen şekilde çalışmaktadır. Şekil 14: Scada sistemimizin tasarımı 5. Sonuçlar Bu çalışmada asansör eğitim seti gerçekleştirilmiştir. Eğitim setimizin tahrik mekanizması, servo motor ve asenkron motor ile ayrı ayrı çalıştırılabilecek şekilde dizayn edilmiştir. Eğitim setimiz sayesinde PLC, Scada, AC hız kontrol cihazı, asenkron motor, AC servo sürücü ve servo motor, elektromanyetik fren cihazlarının kullanımı öğretilebilmektedir. Kullanılan ekipmanların mekanik sistemle entegre edilmiş olması da öğrencilerimizin mekatronik sistemlere karşı yeteneklerini de arttırmaktadır. Kullandığımız elektronik ekipmanların güncel teknoloji olmasına özen gösterilmiştir. Literatür taraması sırasında benzer çalışmalarda Siemens markasının PLC S7-200 modeli kullanıldığı farkedilmiştir. Bu çalışmaların aksine Siemens markasının ET200S modeli kullanılmıştır. Bu modelde S7-300 CPU su bulunmaktadır. Ayrıca literatür taramasında asenkron motor ve servo motorun birlikte olduğu eğitim setinin olmadığı tespit edilmiştir. Bu kapsamda özgün bir çalışma ortaya konmuştur. Yaptığımız denemelerde sistemimizin butonlarının, ikaz lambalarının, acil stop butonunun ve elektromanyetik freninin beklenildiği gibi çalıştığı tespit edilmiştir. Oluşturulan kat çağırma senaryolarına göre de kabin hareketinin düzgün olduğu görülmüştür. İleriki çalışma olarak çift kabin yapılması, her kata kabinin hangi katta olduğunu gösterir 7 parçalı gösterge konulması ve PID kontrolün yapılması planlanmaktadır. Kaynakça [1] İ. Çolak, R. Bayındır ve S. Kuruşçu, Plc Kontrollü Asansör Eğitim Seti Tasarımı ve Uygulaması, Erciyes Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Dergisi, Cilt:23, No:1-2, s:86-94, 2007. [2] X. Yang, Q. Zhu ve H. Xu, Design and Practice of an Elevator Control System Based on Plc, 2008 Workshop on Power Electronics and Intelligent Transportation System, s:94-99, 2008. [3] P. Wang, A Control System Design for Hand Elevator Based on Plc, 2011 Fourth International Symposium on Computational Intelligence and Design, s:71-74, 2011. [4] S. B. R. Carter ve A. Selvaraj, Design and Implementation of Plc based Elevator, International Journal of Computer Applications, Cilt:68, No:7, s:4-10, 2013. 1151
[5] S. Htay ve S. Mon, Implementation of Plc Based Elevator Control System, International Journal of Electronics and Computer Science Engineering, Cilt: 3, No:2, s:91-100, 2014. [6] Darshil, Sagar, Rajiv, S. A. Pangaokar ve V. K. Sharma, Development of a Plc Based Elevator System with Colour Sensing Capabilities for Material Handling in Industrial Plant, Power System Technology and IEEE Power India Conference 2008, s:1-7, 2008. [7] G. Singh, A. Agarwal, R. K. Jarial, V. Agarwal ve M. Mondal, Plc Controlled Elevator System, 2013 Students Conference on Engineering and Systems (SCES), s:1-5, 2013. [8] S. Sharma, T. Y. Ladakhi, A. P. Tiwary, B. B. Pradhan ve R. Phipon, Application of Plc for Elevator Control System, International Symposium on Devices MEMS, Intelligent Systems & Communication (ISDMISC) 2011, s:4-7, 2011. 1152