Makine Teknolojileri Elektronik Dergisi Cilt: 11, No: 3, 2014 (101-109) Electronic Journal of Machine Technologies Vol: 11, No: 3, 2014 (101-109) TEKNOLOJİK ARAŞTIRMALAR www.teknolojikarastirmalar.com e-issn:1304-4141 Makale İbrahim BAKAK *, Hasan ÖZTÜRK **, Özde BAKAK *** * Dokuz Eylül Üniversitesi Fen Bilimleri Enst. Mekatronik Müh. Programı, Buca, İzmir/TÜRKİYE ** Dokuz Eylül Üniversitesi Müh. Fak. Makina Müh. Bölümü, Buca, İzmir/TÜRKİYE hasan.ozturk@deu.edu.tr *** Dokuz Eylül Üniversitesi Fen Bilimleri Enst. Jeotermal Enerji Anabilim Dalı, Buca, İzmir / TÜRKİYE Özet Son yıllarda teknolojinin gelişmesiyle birlikte Uzaktan Kontrol Sistemleri, birçok alanda kullanılmaktadır. Bu sistemler, fiziksel anlamda farklı yerlerde bulunan bir sisteme erişilmesine ve müdahale edilebilmesine olanak sağlamaktadır. Çalışmamızda uzaktan kontrolün kullanımına yönelik örnek bir alan olarak atık su terfi merkezleri ele alınmıştır. Terfi merkezleri ve bağlı oldukları atık su arıtma merkezinin yatırım ve işletme maliyetlerinin yüksek olması nedeni ile bu sistemlerin sürekli olarak izlenmesi ve meydana gelebilecek sorunların anlık olarak öğrenilmesi gerekmektedir. Bu amaç kapsamında, atık su merkezinin simülasyon programı yazılmış ve bu tasarım, Dokuz Eylül Üniversitesi Makine Mühendisliği Bölümü Makine Dinamiği Laboratuvarında hazırlanan deney seti ile de desteklenmiştir. Anahtar Kelimeler: Uzaktan Kontrol Sistemleri, Programlanabilir Lojik Kontrolör, Wincc, Atık Su Terfi Merkezi. Abstract Monitoring of Wastewater Center with Remote Control Remote Control Systems are used commonly in many fields with the development of technology in recent years. These systems allow to be accessed another system which is located in difference locations in the physical sense, and can be controlled. In this study, the wastewater pumping station was selected to be an example for explain to the use of remote control. Wastewater treatment pumping stations have to be monitored regularly and their problems have to be determined instantaneously, due to high operating cost and high investment cost. In the content of this aim, the simulation program was written, and then the remote control system was designed. In addition, this design was demonstrate with a test rig installed in Department of Mechanical Engineering in Machine Dynamics Laboratory in Dokuz Eylül University. Keywords : Remote Control Systems, Programmable Logic Controller, Wincc, Wastewater Pumping Stations. Bu makaleye atıf yapmak için Bakak, İ. *, Öztürk, H. **, Bakak, Ö. ***,, Makine Teknolojileri Elektronik Dergisi 2014, (11) 101-109 How to cite this article Bakak, İ. *, Öztürk, H. **, Bakak, Ö. ***, Monitoring of Wastewater Center with Remote Control, Electronic Journal of Machine Technologies 2014, (11) 101-109
Teknolojik Araştırmalar: MTED 2014 (11) 101-109 1. GİRİŞ Evlerden, sanayi tesislerinden, ticari işletmelerden ve diğer binalardan kullanıldıktan sonra boşaltılan sular atık su (pis su) olarak tanımlanmaktadır. Atık suların kullanılabilir standartlara getirilmeden, doğaya bırakılması sonucunda doğal ve temiz su kaynaklarına karışmaktadır. Su kaynaklarımızın korunması için atık suların belirli işlemlerden geçirilerek arıtılması konusu gündeme gelmiş ve atık su arıtma merkezleri ve atık su terfi merkezleri (pompa istasyonları) kurulmuştur. Atık su arıtma merkezlerinin alt dalları atık su terfi merkezleridir ve farklı bölgelerden toplanan atık sular terfi merkezleri yardımıyla merkezde toplanarak temizlenmekte ve bu döngü devam etmektedir. Bu kapalı çevrim sisteminin yatırım ve işletme maliyetinin yüksek olması, sistemin kurulumundan itibaren sürekli olarak kontrolünü gerektirmektedir. Sistemin uzaktan kontrolü ile sorunun kaynağı belirlenmeli ve gerektiğinde sisteme müdahale edilebilmelidir. Uzaktan kontrol için, Simülasyon, Programlanabilir Mantıksal Denetleyiciler (PLC) ve Veri Toplama ve Denetimsel Kontrol Sisteminden (SCADA) yararlanılmaktadır. Simülasyon gerçek sistem modelinin tasarlanarak ve sistemin kullanım amacına bağlı olarak, sistemin davranışının takibi ve anlaşılabilmesi veya değişik stratejileri değerlendirebilmek için deneyler yürütülmesini sağlayan en iyi tekniktir [1]. Bu teknik, bilgisayar modelini çalıştırarak sistemin işleyişi hakkında gerekli ve geçerli bilgilerin toplanarak sistemin optimum tasarımını sağlamak amacıyla yaygın olarak kullanılmaktadır [2-1]. Bununla birlikte diğer ekipmanlar olan PLC ve SCADA ile sistemin uzaktan izlenmesi ve müdahale edilmesi ile ilgili olarak endüstride, telekomünikasyonda, taşımacılıkta, enerji sektörü, fabrika ve otomasyon ve kontrolü ile örnek çalışmalar da yapılmıştır [3-4-5-6-7-8-9-10-11]. Yapılan araştırmalar ve mevcut ihtiyaç doğrultusunda atık su merkezinin uzaktan kontrolü çalışmamızın kaynağını oluşturmaktadır. Bu amaç kapsamında öncelikle terfi merkezinin simülasyonu oluşturulmuş ve ardından PLC ve SCADA yardımıyla uzaktan kontrolü için laboratuvar ortamında sistem deneyselleştirilmiştir. Simülasyonun oluşturulması PLC ve SCADA ile ilgili işlemler detaylı olarak Bakak [12] yüksek lisans tez çalışmasında da ele alınmıştır. Çalışmalarımız sonucunda deneyselleştirilen sistemde meydana gelen değişiklikler simülasyon programında uzaktan gözlemlenmiş ve oluşturulan yapay hataların belirlenmesi ve müdahale edilebilmesi sağlanmıştır. 1. SİMÜLASYON ve WINCC PROGRAMI Simülasyon gerçek sistem modelinin tasarlanarak ve sistemin kullanım amacına bağlı olarak, sistemin davranışının takibi ve anlaşılabilmesi veya değişik stratejileri değerlendirebilmek için deneyler yürütülmesini sağlayan bir süreç olarak tanımlanır. Çalışma kapsamında simülasyon işlemi, atık su merkezi için oluşturulmuştur. Simülasyon yazılımı için, S7-300 PLC serisine program yazımında Siemens firmasının Step7 Simatic Manager programı paket yazılımı kullanılmıştır. Bu paket yazılımı içerisinde, Step 7 versiyonu 5.5 yazılımı ile Wincc V7.0 SP3 programının kurulumu gerçekleştirilir [12]. Kurulum tamamlandıktan sonra Simatic Manager programına yüklenen Step7 ve Wincc programlarının ikisi de kullanılarak simülasyon oluşturulur ve simülasyonun grafiksel olarak görüntülenmesi için çalışmamızda Siemens CPU 314C-2 PN/DP cihazı tercih edilmiştir. Simülasyonu oluştururken, sistemde meydana gelebilecek arızalara göre senaryolar belirlenmiştir. Örneğin, atık su merkezindeki havuzun su seviyesi belirli bir değerin üzerine çıktığı zaman, taşma problemi meydana gelmektedir. Bu noktada sistemde ki pompa devreye girmektedir. Bu taşma seviyesi, %75 maksimum su seviyesi olarak kabul edilmiştir. Minimum su seviyesinin kabul edildiği değerler ise; dalgıç pompanın emiş ağzının (suyun çeken kısım) hemen üzerinde belirli bir yükseklik olarak tanımlanmış ve %21 olarak belirlenmiştir. Böylece pompa, su seviyesi %75 olduğu zaman devreye girerken, %21 değerine düştüğü zaman durdurulması şeklinde komutlaşmıştır. Dalgıç pompa devreye 102
Bakak, İ., Öztürk, Bakak, Ö. Teknolojik Araştırmalar: MTED 2014 (11) 101-109 girdiği zaman atık su, borularla diğer bir atık su merkezine veya arıtma tesisine gönderildiği gözlenmektedir. Atık su merkezinde arıza olması durumunda ekranda arızanın nedenini gösteren uyarı lambası yanmaktadır. Arıza durumları; dalgıç pompanın ısınması (yüksek sıcaklık uyarısı), aşırı akım ve ultrasonik seviye sensörü olarak belirlenerek simülasyonda izlenebilmektedir. Bunun için öncelikle simülasyon programında tasarlanan sisteme gerekli olan atık su havuzu, dalgıç pompa, ultrasonik seviye sensörü, atık su merkezine gelen ve giden atık su boruları ve mekanik ekipmanları (çekvalf ve vana), atık su havuzunun atık su seviyesi göstergesi şeklinde gerekli objeler eklenmiştir. Bununla birlikte, Ana Sayfa, Atık Su Merkezi Simülasyonu, Trend (Pompanın Akım Grafik Tablosu) ve Alarm Kontrol (simülasyon sırasında uyarı tablosu) şeklinde dört adet grafik tasarım ekranı oluşturulmuştur. Ana sayfa grafik tasarım ekranında simülasyonun başlatılması, atık su merkezi simulasyonuna geçiş, başlama butonu ve atık su merkezinin resmi görülmektedir. Grafik tasarım ekranında; dalgıç pompanın arıza sorunları (sıcaklıkve aşırı akım lambaları) ve çalışma durumu (başla, durma, acil duruş butonları ve pompanın çalışıp/çalışmadığı) ve atık su merkezinin taşma uyarıları da bulunmaktadır (Şekil 1). Şekil 1. Ana sayfa grafik tasarım ekranı Bununla birlikte simülasyon içerisinde sistemin çalışması sırasında pompanın 3 fazının akımını gösteren grafik tablosu da yer almaktadır (Şekil 2). Tablo sayesinde hem geçmiş bilgilere ulaşılmakta hem de sistemin nasıl bir trend izlediği belirlenebilmektedir. Atık su merkezinin simülasyonunda amaçlanan sistemdeki hataları görmek ve neden kaynaklandığını belirlemektir. Alarm kontrol grafik tasarım ekranında ve ana sayfa grafik ekranında alarm kontrol kısmında görülebilmektedir. Alarm kontrol detaylarına bakıldığında tarih, saat ve hata nedeni detaylı olarak yazmaktadır ( Şekil 3). 103
Teknolojik Araştırmalar: MTED 2014 (11) 101-109 Şekil 2. Trend (pompanın akım grafik tablosu) grafik tasarım ekranı Şekil 3. Alarm kontrol grafik tasarım ekranı Hazırlanan bu sistem sayesinde büyük önem taşıyan ve büyük yatırımlara mal olan tesislerin, sürdürülebilir ve güvenilir bir şekilde kullanımı için uzaktan kontrolü tasarımımız başarıyla tamamlanmıştır. Böylece tesislerimizde meydana gelen arızaların daha hızlı belirlenmesi ve çözümlenmesine katkı sağlamıştır. 2. DENEY SETİNİN KURULUMU Örnek olarak ele alınan atık su merkezinin uzaktan kontrolü için hazırlanan simülasyon modelinden sonra sistemin uygulanabilirliğini görmek amacı ile Dokuz Eylül Üniversitesi Makina Mühendisliği Bölümü Makina Dinamiği Laboratuvarında deney setinin kurulumu gerçekleştirilmiştir. Deney seti içerisinde; 2 104
Bakak, İ., Öztürk, Bakak, Ö. Teknolojik Araştırmalar: MTED 2014 (11) 101-109 adet su deposu, 1 adet dalgıç pompa, mekanik ekipmanlar (boru, dirsek, manşon, nipel, vana, çekvalf) çelik konstrüksiyondan masa, 1 adet hız kontrol cihazı, 1 adet güç kaynağı, 1 adet kompakt merkez işlem birimi, 1 adet profibus modül, 1 adet hafıza kartı, 1 adet ultrasonik mesafe ölçer sensör, elektrik panosu ve elektrik donanım ekipmanları (profibus konektör, pin konektör, kablo, sigorta, kontaktör, yardımcı röle, motor koruma şalteri, gerilim trafosu, buton, lamba, fan) malzemeleri kullanılmıştır. Laboratuvar koşulları göz önünde bulundurularak, deney setinin kurulumu sırasında öncelikle su deposunun hacmi belirlenmiş, buna bağlı olarak dalgıç pompanın çekeceği güç, basacağı debi gibi parametreler hesaplanmıştır. Dalgıç pompa atık su terfi merkezlerinde kullanılan kapasitesi en küçük pompa olacak şekilde seçilmiş, böylece deney setinin ihtiyacı olan su deposunun hacminin küçük olması ve elektrik panosundaki cihazların güçlerinin daha düşük tutularak maliyetin azaltılması sağlanmıştır. Şekil 4. Deney setinin mekanik ekipmanları Kapalı çevrimin oluşturulması ve belirli miktardaki suyun iki depo arasında dolaşımının sağlanması, bununla birlikte dolaşım sırasında gözlem ve sorunların; laboratuvar ortamındaki sınırlı şartlardan dolayı kısa bir süre zarfında belirlenmesi gerektiğinden depo boyutları 1300lt ve 1500lt olarak seçilmiştir. Aynı zamanda sistemin çalışması sırasında tercihen parametre değişikleri (frekans, pompanın çalışması için su seviyesindeki çalışma-durma noktaları) yapıldığında da bu depoların kapasitelerinin yeterli olacağı da göz önünde bulundurulmuştur. Bununla birlikte suyun cazibesi ile iki depo arasında dolaşımın sağlanması için 1300lt lik depo masanın üzerine, 1500lt lik depo ise aşağıda duracak şekilde konumlandırılmıştır. 1500lt lik deponun içine 0,55 Kw gücünde ve 3 fazlı dalgıç pompa yerleştirilmiştir. Bütün bu ekipmanların (su depoları ve pompa) birbirine bağlanması için; PVC boru, manşon, nipel, vana ve çek valf gibi yardımcı elemanlar kullanılmıştır (Şekil 4).Böylece suyun, dalgıç pompa çalıştığı zaman kapalı bir çevrim içinde dolaşımı sağlanmıştır. Sonraki adım, elektrik panosunun oluşturulması işlemidir. Sistemin kontrolünü sağlayacak PLC, Hız Kontrol cihazı, Profibus Modül, Profibus Konektör, Güç Kaynağı, Motor Koruma Şalteri, Sigortalar, Kontaktörler, Yardımcı Röleler, Analizör, Butonlar, Kablolar ve Klemenslerin elektriksel bağlantıları yapılmıştır (Şekil 5). 105
Teknolojik Araştırmalar: MTED 2014 (11) 101-109 Şekil 5. Deney setinin elektrik panosu PLC yi kullanarak WinCC ve Step7 programları aracılığıyla bilgisayardan dalgıç pompanın kontrol edilmesi, durum ve arıza bilgilerinin görülmesi sağlanmıştır. Dalgıç pompanın frekansının ekranda gözlenmesi ve değiştirilmesi için hız kontrol cihazı kullanılmıştır. Hız kontrol panosundaki bilgileri ise PLC ile haberleştirmek için hız kontrol cihazının Profibus Modül aksesuarı kullanılmıştır. Profibus Modül den PLC ye Profibus Konektörü ile bağlantı kurulmuş ve böylece PLC ve Hız Kontrol cihazı birbirleri ile haberleşmiştir. PLC yi beslemek ve voltaj dalgalanmalarında sorun olmaması için 2A lik güç kaynağı ile PLC beslenmiştir. Deney setinin elektrik ve mekanik bağlantıları kurulduktan sonra(şekil 6), deney setinin kontrolünün sağlanması için öncelikli olarak Step7 programına PLC ve Güç Kaynağı sisteme tanıtılmıştır. Şekil 6. Laboratuvarda oluşturulan deney seti PLC ile Hız Kontrol cihazının haberleşmesini sağlamak için Profibus DP ayarları yapılmış ve Step 7 programı ile PLC nin haberleşmesi de Ethernet ile ayarlanmıştır. Step 7 programında donanımlar(plc, Güç kaynağı, Hız kontrol cihazı) tanıtılmış ve birbirleri ile haberleşmeleri sağlanmıştır. Step 7 programında belirlenen senaryolara göre yazılmış ve WinCC programında deney setinin kontrolünün yapılabilmesi için görsel bir tasarım hazırlanmıştır (Şekil 7). 106
Bakak, İ., Öztürk, Bakak, Ö. Teknolojik Araştırmalar: MTED 2014 (11) 101-109 Şekil 7. Deney setinin simülasyon programındaki görsel tasarımı Şekil 8. Deney setinin arıza durumları Şekil 8 e göre pompa seviyesinde başlangıç ve bitiş seviyeleri tam sınırda olduğundan atık su seviyesi yüksek uyarısını vermiştir. Aynı şekilde belirlenen pompa akım değerlerini aşan bir akım olduğu an veya atık su seviyesi yüksek olmasına rağmen seviye sensörünün düşük bir değer okuması yine sistem arıza uyarısı vermiştir. 107
Teknolojik Araştırmalar: MTED 2014 (11) 101-109 Bu sistem hakkında detaylı bilgi için Çevrim İçi Trend ekranında faz değişimlerine, akım ve seviye değişimlerine göre tarihsel değişimler görülebilmekte ve bunlar sürekli kayıtlanmaktadır. Örneğin Şekil 9 da sadece faz değişimleri için trend ekranı verilmiştir. Şekil 9. Çevrim içi trend ekranı bütün grafikler mevcut WinCC programının sağladığı en önemli özelliklerden birisi de bu grafiklerin Excel dosyasına dönüştürülmesidir. Böylece atık su terfi merkezindeki arıza sorunların tarihsel olarak kaydedilebilmekte ve sistemle ilgili gerektiğinde analiz yapılmasına da olanak sağlamaktadır. 3. SONUÇLAR Atık su terfi merkezini temsilen simülasyon programı yazılmış ve daha sonra sistemi uygulamaya geçirmek için Dokuz Eylül Üniversitesi Makina Mühendisliği Bölümü Makina Dinamiği Laboratuvarında atık su terfi merkezini temsilen bir sistem kurulmuştur. Sistem; PLC ve SCADA yardımı ile bilgisayardan deney setinin bulunduğu laboratuvara bağlanmış ve anlık olarak izlenmiştir. Oluşturulan arıza senaryolarına göre uzaktaki bilgisayardan arızanın takibi ve sisteme müdahale edilebilmiştir. Böylece çalışmalarımız sonucunda atık su terfi merkezlerinin uzaktan kontrolü ile merkezin izlenmesi/takibi ve arıza tespitinin belirlenmesi sağlanmıştır. Uzaktan kontrol ile terfi merkezlerinde meydana gelebilecek sorunların daha kısa sürede belirlenerek, sorunun kaynağı ve çözümü için gerekli ön bilgi elde edilmiştir. Bundan böyle, terfi merkezlerinde ki sorunlara yerinde müdahale edilmesi gerektiğinde, arıza ekibinin bölgeye giderek sorun çözülecektir. Ayrıca bu gibi sistemlerde meydana gelen arızalar çevre kirliliği açısından da büyük önem taşımakla birlikte meydana gelen arızaların en kısa sürede çözümlenmesi, doğal/temiz su kaynaklarımızın ve çevremizin korunmasına da katkı sağlayacaktır. 108
Bakak, İ., Öztürk, Bakak, Ö. Teknolojik Araştırmalar: MTED 2014 (11) 101-109 4. KAYNAKLAR 1. Güler, M.E., 2010, Değişim Mühendisliği Uygulamalarına Öngörü Sağlamada Simülasyon Tekniğinin Kullanımı, Celal Bayar Üniversitesi, Sosyal Bilimleri, 8, 1,147-168. 2. Taha, H.A., 2000, Yöneylem Araştırması, 1. Basım, İstanbul : Literatür Yayıncılık. 3. Mirzaoğlu, İ., 2006, PLC ve SCADA Kullanarak İrmik Üretim Sisteminin Otomasyonu, Yüksek Lisans Tezi, Gazi Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Ankara. 4. Yılmaz, H., 2006, Ekmek Üretiminde PLC Cihazlarının Kullanımı, Yüksek Lisans Tezi, Gazi Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Ankara. 5. Yılmaz, M.,Güdenci, M., ve Çayır, E., 2011, Plc ile scada üzerinden akım tabanlı makine durum izlemesi ve arıza teşhisi, 6th International Advanced Technologies Symposium (IATS 11), s.245-250. 6. Özkaya, M.G., Variyenli, H.İ., Yonar, G., 2008, Jeotermal Enerji İle Isıtılan Kütahya İli Simav İlçesindeki Isıtma Sisteminin Çevresel Etkilerinin Değerlendirilmesi ve Uygulanması Gereken Yenilikler, Cumhuriyet Üniversitesi, Fen-Edebiyat Fakültesi, Fen Bilimleri Dergisi, 29, 2. 7. Karaçor, M., 2004, Cep Telefonu Tabanlı Mobil SCADA Otomasyon Sisteminin Geliştirilmesi, Yüksek Lisans Tezi, Kocaeli Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü. 8. Cura, U., 2003, Fabrika Otomasyonunda Elektrik Sistemlerinin SCADA ile Kullanımına Ait Örnek Eğitim Programı ve Uygulaması, Yüksek Lisans Tezi, Marmara Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü. 9. Türk, A., 2006, Katı Yakıtlı Buhar Kazanının Bulanık Denetleyici İle Tam Mantık Otomasyonunun Gerçekleştirilmesi, Yüksek Lisans Tezi, Kahramanmaraş Sütçü İmam Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü. 10. Özkan, S., 2006, Enerji Sektöründe Scada Uygulamaları Ve Scada Otomasyonu Örneklemesi, Yüksek Lisans Tezi, Gazi Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü. 11. Çilek, A., 2005, Plc (Programlanabilir Lojik Kontrol Cihazı) ve Scada (Yönetsel Denetim Ve Veri Toplama) İle Endüstriyel Otomasyon Uygulaması, Yüksek Lisans Tezi, Gazi Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü. 12. Bakak, İ., 2014, Uzaktan Kontrol ile Atık Su Merkezinin Sağlıklı çalışmasının İzlenmesi ve Arıza Tespiti, Yüksek Lisans Tezi, Dokuz Eylül Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü. 109