5. ULUSAL MEKATRONİK MÜHENDİSLİĞİ ÖĞRENCİ KONGRESİ (MeMÖK2014) 24 Mayıs 2014 Editörler: Zühal Erden Aylin Konez Eroğlu Destekleyen Kuruluşlar: MEKATRONİK MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ ATILIM ÜNİVERSİTESİ, ANKARA
Ulusal Mekatronik Mühendisliği Öğrenci Kongresi (MeMÖK) (5.: 24 Mayıs 2014, Ankara, Türkiye) 5. Ulusal mekatronik mühendisliği öğrenci kongresi (MeMÖK 2014) bildiri kitabı / editör Zühal Erden ve Aylin Konez Eroğlu.-- Ankara : Atılım Üniversitesi, 2014. ISBN 978-975-6707-49-4 1. Mekatronik -- Kongreler. 2. Mechatronics -- Congresses. I. Erden, Zühal, editör. II. Eroğlu, Aylin Konez., editör. TJ 163.12 ULU 2014
MeMÖK 2014 Kongre Başkanı Prof. Dr. Abdulkadir Erden Organizasyon Komitesi Zühal ERDEN (Atılım Üniversitesi, Mekatronik Müh.) zuhal.erden@atilim.edu.tr Aylin KONEZ EROĞLU Buğra KOKU (Atılım Üniversitesi, Mekatronik Müh.) (ODTÜ, Makina Müh. ) akonez@atilim.edu.tr kbugra@metu.edu.tr Yiğit TAŞÇIOĞLU (TOBB ETÜ, Makina Müh.) ytascioglu@etu.edu.tr M. Bülent ÖZER (TOBB ETÜ, Makina Müh.) mozer@etu.edu.tr Kongre Sekreteri Ayşe SUNGUR Adres: Mekatronik Mühendisliği Bölümü, Atılım Üniversitesi, Kızılcaşar Mahallesi, 06836 İncek-Ankara Tel: +90 312 586 83 15 Fax: +90 312 586 80 91 Web: http://memok.atilim.edu.tr E-Posta: memok@atilim.edu.tr MeMÖK2014 Danışma Kurulu Prof. Dr. Nihat AKKUŞ Prof. Dr. Z. Hakan AKPOLAT Prof. Dr. Zafer BİNGÜL Prof. Dr. Mehmet ÇELİK Prof. Dr. Mehmet Önder EFE Prof. Dr. Osman ELDOĞAN Prof. Dr. Aydan M.ERKMEN Prof. Dr. Müfit GÜLGEÇ Prof. Dr. Ahmet KOYUN Prof. Dr. Kemal LEBLEBİCİOĞLU Prof. Dr. Osman PARLAKTUNA Prof. Dr. Bülent E. PLATİN Prof. Dr. Şahin YILDIRIM Prof. Dr. Muharrem YILMAZ Prof. Dr. Faruk YİĞİT Doç.. Dr. Fuad ALIEW Doç. Dr. Raif BAYIR Doç. Dr. Hüseyin CANBOLAT Doç. Dr. Mustafa DEMETGÜL Doç. Dr. H. Metin ERTUNÇ Doç. Dr. Ahmet FENERCİOĞLU Doç. Dr. Birhan IŞIK Doç. Dr. Ahmet KOCA Doç. Dr. E. İlhan KONUKSEVEN Doç. Dr. Sedat NAZLIBİLEK Yrd. Doç. Dr. Kutluk B. ARIKAN Yrd. Doç. Dr. Nevin ÇELİK Yrd. Doç. Dr. Ertuğrul ÇETİNSOY Yrd. Doç. Dr. Bülent İRFANOĞLU Yrd. Doç. Dr. Metin ÖZKAN Yrd. Doç. Dr. Ayşegül UÇAR Öğr. Gör. H. Orhan YILDIRAN Marmara Üniversitesi Fırat Üniversitesi Kocaeli Üniversitesi KTO Karatay Üniversitesi Hacettepe Üniversitesi Sakarya Üniversitesi ODTÜ Çankaya Üniversitesi Yıldız Teknik Üniversitesi ODTÜ Osmangazi Üniversitesi ODTÜ Erciyes Üniversitesi Kocaeli Üniversitesi Yıldız Teknik Üniversitesi Atılım Üniversitesi Karabük Üniversitesi Yıldırım Beyazıt Üniversitesi Marmara Üniversitesi Kocaeli Üniversitesi Gaziosmanpaşa Üniversitesi Karabük Üniversitesi Fırat Üniversitesi ODTÜ Atılım Üniversitesi Atılım Üniversitesi Fırat Üniversitesi İstanbul Ticaret Üniversitesi Atılım Üniversitesi Osmangazi Üniversitesi Fırat Üniversitesi Atılım Üniversitesi i
ii
ÖNSÖZ Sanayi kuruluşlarında ve üniversitelerde yapılan araştırma ve geliştirme (ARGE) faaliyetleri farklı özellikler taşımasına rağmen, arge genel olarak sistematik bir yaklaşım ile varolan seçeneklerin dışında yeni teknoloji ve yeni ürünlere yönelik adımlar ve etkinlikleri tümleştiren süreç olarak tanımlanabilir. Bu kapsamda ürün fiziksel bir sistem olabileceği gibi, bir yaklaşım, yöntem ve araç olarak da düşünülebilir. Çağdaş teknolojik gelişim sürecinde öne çıkan konuların gereği olarak çağımızda mekatronik mühendisliğinde arge nin önemi daha iyi anlaşılmaktadır. Tıp ve çeşitli mühendislik dallarında, savunma sanayii, tarım, eğitim ve eğlence sektörlerinde olduğu gibi hemen her konuda mekatronik mühendisliği teknolojisinin uygulamaları sonucu geliştirilmiş arge ürünleri toplum kesimlerinin günlük yaşamında birçok yerde görülmektedir. Sanayi kuruluşlarında yapılan arge projeleri o kuruluşlar için lokomotif görevini üstlenerek kuruluşun gelişmesinde ve pazar payının artmasında önemli rol oynamaktadır. Üniversitelerde yapılan arge projeleri ise, yerel, ulusal ve uluslararası boyutlarda sanayi kuruluşları için özel bir ilgi alanı oluşturmakta, üniversitede yapılan arge çalışmaları üniversitenin erişim alanında bulunan kuruluşlar açısından üniversite ve sanayi/toplum işbirliği için kuvvetli bir itici güç olmaktadır. Bir arge çalışmasının başarılı olabilmesi için temel koşulların sağlıklı bir şekilde sağlanması, arge ortamının oluşturulması ve bu ortamın sürdürülebilir olması gerekir. Bu kapsamda ilk adım olarak arge ortamının sağlanması özel önem taşımaktadır. ARGE altyapısını oluşturan mekan, donanım ve yazılım olanaklarında eksiklik olmaması gerekmektedir. Arge için ikinci temel özellik; kurumsal düzeyde arge konusunda gerektiği kadar derin ve geniş bir bilgi ve deneyim birikiminin sağlanmasıdır. Çağdaş teknolojik düzeyde bilginin genişliği ve derinliği hızla artmaktadır. Bu nedenle sanayi kuruluşlarının ve üniversitelerin kendi çalışma konularını seçerek gerekli uzmanlaşmayı sağlamaları beklenmektedir. Arge nin son ayağı ise araştırmacı elemanların yetiştirilmesi ve projelerde görev almalarının sağlanmasıdır. Türkiye de arge nin ilk iki özelliği göreceli olarak daha kolay sağlanabilse de, araştırmacı eleman konusunda ciddi bir açık söz konusudur. Özellikle mekatronik mühendisliğinde araştırmacı elemanların sayısının, gelişmekte olan bir ülke için az olduğu düşünülmektedir. Bu nedenle mekatronik mühendisliği öğrencilerinin hem mekatronik mühendisliği konularının ve ilgi alanlarının özelliklerini düşünerek, hem de teknolojik gelişim eğilimini göz önüne alarak arge projelerinde görev almaları büyük önem taşımaktadır. Mekatronik mühendisliği bölümleri mezunlarının arge niteliklerini taşımalarının ve içselleştirilmiş arge kültürüne sahip olmalarının lisans eğitimleri sırasında sağlanması daha sağlıklı ve üretken bir yaklaşımdır. Bu kapsamda öğrencilerin lisans düzeyinde verilecek sistematik bir arge eğitimi almaları ve bununla birlikte uzmanlaşma, arge deneyimi ve arge sürecinin özelliklerini tanımaları üniversiteler tarafından öncelikli bir görev olarak üstlenilmelidir. Bu eğitim süreci içinde veya sürecin sonunda arge deneyiminin Türkiye mekatronik mühendisliği kamuoyunda paylaşımı, karşılıklı bilgi ve deneyim aktarımı için ortam sağlanması önemli bir aşamadır. Lisans düzeyinde yapılan araştırma ve geliştirme uygulamaları, lisans öğrencilerinin araştırma kültürünü tanımalarını, arge etkinliklerinde görev almalarını ve arge sürecini yaşamalarını sağladığından teknoloji üretimine yönelik üniversite eğitiminde önemli bir yer tutmaktadır. Mekatronik mühendisliği eğitiminin çağdaş arge projelerinde teknolojik olarak ayrıcalıklı bir konumu olması, mekatronik mühendisliğindeki arge çalışmalarını daha özel hale getirmektedir. Türkiye de birçok üniversitede mekatronik mühendisliği eğitimi verilmektedir. Bir tahmin olarak Türkiye de 4000 5000 dolaylarında öğrencinin mekatronik mühendisliği bölümlerinde lisans eğitimi iii
aldığı düşünülmektedir. Lisansüstü çalışmalar yapan öğrencilerle birlikte bu sayı daha da artmaktadır. Fiziksel kısıtlar nedeni ile bu öğrencilerimizin tamamını bir araya getirebilmemiz mümkün olmasa da, özellikle arge projelerine ilgi duyan öğrencilerimizin birbirlerini tanımalarının sağlanması, deneyim, bilgi ve hedeflerin paylaşılması için ortam hazırlanması Mekatronik Mühendisliği Öğrenci Kongrelerinin (MeMÖK) ana temasıdır. MeMÖK, 2010 2012 yılları arasında Atılım Üniversitesi Mekatronik Mühendisliği Bölümü tarafından üniversite içinde bir etkinlik olarak düzenlenmiştir. MeMÖK, 2013 yılında ilk defa ulusal düzeyde ve tüm üniversitelere açık bir etkinlik olarak organize edilmiş ve 4. Ulusal Mekatronik Mühendisliği Öğrenci Kongresi (MeMÖK 2013) adıyla 8 Haziran 2013 tarihinde Ankara da Atılım Üniversitesi nde gerçekleştirilmiştir. MeMÖK 2013 te Atılım Üniversitesi, Çanakkale 18 Mart Üniversitesi, Çukurova Üniversitesi, Fırat Üniversitesi, Gaziosmanpaşa Üniversitesi, Karabük Üniversitesi, Kırklareli Üniversitesi, Marmara Üniversitesi, TOBB Ekonomi ve Teknoloji Üniversitesi ve Trakya Üniversitesi nden bildiriler sözlü olarak sunulmuş ve elektronik bildiri kitabında basılmıştır. 24 Mayıs 2014 tarihinde düzenlenen 5. Ulusal Mekatronik Mühendisliği Öğrenci Kongresi (MeMÖK 2014) ne Atılım Üniversitesi, Erciyes Üniversitesi, Fırat Üniversitesi, Gedik Üniversitesi, Gaziosmanpaşa Üniversitesi, Karabük Üniversitesi, Marmara Üniversitesi, Sakarya Üniversitesi ve TOBB Ekonomi ve Teknoloji Üniversitesi öğrencileri yaptıkları çeşitli çalışmaları içeren bildirilerle katılmaktadırlar. MeMÖK kongrelerinin önümüzdeki yıllarda giderek gelişerek arge ye ilgi duyan tüm mekatronik mühendisliği öğrencilerini kapsayacağına inanıyoruz. MeMÖK 2014 e katılan 9 farklı üniversiteden tüm öğrencilerimize sevgi ve teşekkürlerimi bildirmek istiyorum. Onların ve önceki yıllarda katılan, şimdi mezun olmuş öğrencilerimizin yoğun ilgisi ve çok değerli emekleri olmasa idi, bu kongreler gelişemezdi ve gerçekleşmezdi. Öğrencilerimiz kadar, öğrencilerimizi yönlendiren tüm öğretim üyeleri ve öğretim elemanlarımızın kongrenin başarısı ve sürdürülebilirliği konusunda önemli katkıları olacağına inanıyorum. Değerli akademisyen meslektaşlarımızın özverili çalışmalarını takdirle karşılıyor, kendilerini teşekkür ediyorum. Önümüzdeki yıllarda MeMÖK kongrelerinin her yıl farklı bir üniversitede düzenlenmesinin, kongrenin tüm üniversitelerimizi dolaşmasının, MeMÖK ün yaygınlaşması ve sürdürülebilirliği açısından gerekli olduğunu düşünüyorum. Bu konuda tüm öğretim elemanlarımıza önemli bir görev düşmektedir. MeMÖK 2014 için tüm kongre olanaklarını sağlayan Atılım Üniversitesi ne, özellikle Atılım Üniversitesi Mütevelli Heyet Başkanlığı na ve Rektörlüğe teşekkürlerimi sunmak istiyorum. Ayrıca Türkiye Bilimsel ve Teknik Araştırma Kurumu (TÜBİTAK) ve Star Teknik A.Ş. ne MeMÖK 2014 kongresine verdikleri sponsor desteği için teşekkür etmek istiyorum. Kongrenin gerçekleşmesindeki emekleri ve katkıları dolayısıyla MeMÖK 2014 Organizasyon Komitesi ne, Program Komitesi ve Danışma Kurulu na, Atılım Üniversitesi Kurumsal İletişim ve Tanıtım Müdürlüğü ne, ve üniversitenin katkıda bulunan tüm diğer idari ve teknik personeline teşekkürlerimi iletmek istiyorum. Bu yıl kongrenin yoğun düzenlenme iş yükünü üstlenen Sayın Y. Doç. Dr. Zühal Erden ve Öğ. Gör. Dr. Aylin Konez Eroğlu na özel olarak teşekkür ediyorum. Atılım Üniversitesi Mekatronik Mühendisliği bölümünün değerli öğretim elemanlarına ve teknik personeline katkılarından dolayı teşekkür ediyorum. Son olarak özverili ve titiz çalışmaları ile kongreye çok emek veren bölüm sekreterimiz Ayşe Sungur a özel olarak teşekkür ediyorum. Prof. Dr. Abdülkadir Erden MeMÖK2014 Kongre Başkanı iv
İÇİNDEKİLER ORGANİZASYON BİLGİLERİ... i ÖNSÖZ... iii İÇİNDEKİLER... v STM32F4 DİSCOVERY İLE DOKUNMATİKARAYÜZLÜ PNÖMATİK SİSTEM TASARIMI... 1 İNDÜKSİYON ISITMA PRENSİBİ İLE ÇALIŞAN ANİ SU ISITICISININ TASARIMI VE KONTROLÜ... 11 UKAP AKILLI ATIŞ PLATFORMU MEKANİK TASARIMI ve İMALATI... 23 MİNİ STEWART PLATFORM... 31 DELTA ROBOT TASARIMI ve GERÇEKLEŞTİRİLMESİ... 43 ELEKTROPNÖMATİK SİSTEMLERİN OTOMATA TEMELLİ FORMEL KONTROLÜ... 53 DÖRT ROTORLU İNSANSIZ HAVA ARACI TASARIMI VE ÜRETİMİ... 61 ÜNİVERSAL EL MEKANİZMASINA SAHİP OTONOM TAŞIMA ROBOTU TASARIMI... 75 MEKATRONİK ÜRÜNLER İÇİN MODÜLER TASARIM UYGULAMASI: YÜK TAŞIMA VE ACİL DURUM SİSTEMLERİ ÜRÜN AİLESİ MODELİ... 83 SÜRÜ ROBOTLARININ TASARIMI VE BİLGİSAYAR YAZILIMIYLA PERFORMANSLARINI GELİŞTİRMEK... 95 YÜRÜME ANALİZİ LABORATUVARI KURULUMU... 105 STİRLİNG MOTORLU, DOĞRUSAL EYLEYİCİLİ, PARABOLİK YANSITICILI VE MİKRO İŞLEMCİ KONTROLLÜ GÜNEŞ TAKİP SİSTEMİ... 113 EKSENDEŞ PERVANELİ MİKRO HAVA ARAÇLARININ MATEMATİKSEL MODELİ, DENEYSEL OLARAK TANIMLANMASI VE İRTİFA KONTROLÜ... 123 SİLİNDİRİK KAVRAMA HAREKETİ İÇİN GİYİLEBİLİR EL KAVRAMSAL TASARIMI... 135 YENİ NESİL UÇAN ROBOTLARIN GELİŞTİRİLMESİ... 145 TAM ZAMANLI MATLAB VE PLC HABERLEŞMESİ İLE DEPOLAMA SİSTEMLERİNDE GÖRÜNTÜ İŞLEME... 153 ŞEKİL HAFIZALI ALAŞIM İLE ÇOK AMAÇLI AKTÜATÖR TASARIMI VE UYGULAMASI... 163 v
MEKANUM TEKERLEKLİ ARAÇ TASARIMI VE ÜRETİMİ... 173 MEDİKAL ŞIRINGA POMPASI... 185 OPTİK KAMERA TABANLI CANSAT UYDU SİSTEMİ... 197 OTOMATİK PLAKA TANIMA ÖZELLİĞİNE SAHİP AKILLI BARİYER SİSTEMİ... 209 vi
STM32F4 DISCOVERY İLE DOKUNMATİK ARAYÜZLÜ PNÖMATİK SİSTEM TASARIMI Yücel YILMAZ, yucel@yilmazyucel.com Sakarya Üniversitesi,54000, Sakarya Bilal KAYA, bilalkayatr@gmail.com Sakarya Üniversitesi, 54000, Sakarya İsmet ÜNALLI, ismetunalli.26@hotmail.com Sakarya Üniversitesi, 54000, Sakarya Muhammed ÖZCAN, muhammedozcan07@hotmail.com Sakarya Üniversitesi, 54000, Sakarya Vedat ARI, vedatari@sakarya.edu.tr Sakarya Üniversitesi, 54000, Sakarya ÖZET Gün geçtikçe var olan sistemler yeni yapıya ayak uyduramayıp, kendini yenileyebilenler hayatta kalıp, kendini yenileyemeyenler tarihin tozlu sayfalarına geçmektedirler. Günümüzde pnömatik sistemlerin kullanıldığı alanlar gittikçe çoğalmaktadır. Bu sistemlerin alışılagelmiş düzenden kurtarabilmek için çeşitli yenilikler geliştirilmektedir. Tespit edilen bu görüşten faydalanarak, bu bildiride ARM mimarisine sahip bir mikrodenetleyici barından STM32F4 Discovery geliştirme kartı ile,tft-lcd özelliğine sahip bir arayüz aracılığıyla tasarlanan bir pnömatik sistemin kontrol edilmesi anlatılmıştır. Anahtar Sözcükler: STM32F4 Discovery, TFT-LCD,ARM, Pnömatik Sistemler ABSTRACT As the day goes the existing systems either they renew their structure and still exist or don t renew themselves and vanish into history.nowadays the areas in which we use pneumatic keeps increasing by the tick of time.this systems so that they could get rid off customized structure new different ones should be used.with this information a microcontroller that has ARM bar STM32F4 Discovery with advanced card.by means of an interface with TFT-LCD design characteristics able to control a pneumatic system is obtained. Keywords: STM32F4 Discovery, TFT-LCD,ARM, Pneumatic Systems 1
1. GİRİŞ Teknolojinin gelişmesiyle birlikte doğru orantılı olarak insan hayatı da gittikçe kolaylaşmaktadır. Buldukları buluşlarla yetinmeyen insanoğlu, daima en yenisini ve en iyisini bulmak istemektedir. En iyisi ve en yenisi araştırılırken de sistemlerin yapısını iyileştirecek uygulamalar ortaya çıkmasına neden olmaktadır. Birçok alanda aktif olarak kullanılan Pnömatik, Yunanca bir kelime olan pneuma(hava,rüzgar) kelimesinden türetilmiştir. Önceleri sadece havanın basıncından yararlanılarak çalışan birçok makine, araç ve gereç vardı. Diğer enerji çeşitlerine göre dar ve kısa alanda daha hızlı, kolay elde edilen, ucuz olan hava enerjisi son zamanlarda durumu değiştirilerek kullanılmaya başlamıştır. Özellikle otomasyon ile üretimde durum değişikliğinden fazlaca yararlanılmaktadır[1]. Bu projede STM32F4 Discovery geliştirme kartı ile bir dokunmatik arayüz kullanılarak Pnömatik sistem tasarımı anlatılmıştır. 2. SİSTEMİN YAPISI Bu bölümde sistemin yapısı kategorilere ayrılarak spesifik bir özellik kazandırılmaya çalışılmıştır. Sistem Elektronik Tasarım ve Pnömatik Tasarım olmak üzere iki bölüme ayrılmıştır. Elektronik Tasarım kısmında sistemin beyni diye tabir edilen STM32F4 Discovery kartı, dokunmatik arayüz ve optokuplör devre incelenirken, Pnömatik Tasarım kısmında ise pnömatik sistemimiz incelenmiştir. 2.1 Elektronik Tasarım Sistemin elektronik kısmı tasarlanırken geliştirme kartı ve arayüz ekranın bir kart üzerinde birleştirilme işlemi yapılmıştır. Bütünlük sağlanması amacıyla yapılan bu işlemde, TFT LCD ekran kartında bulunan ilgili pinlerle, STM32F4 Discovery kartı üzerinde bulunan ilgili pinler birbirlerine zil teli aracılığıyla bağlanmışlardır. Aşağıdaki kısımlarda sistemde kullanılan elektronik elemanlar tanıtılmıştır. STM32F4 Discovery: STMicroelectronics firması tarafından tasarlanmış bu geliştirme kitinde 32-bit ARM Cortex M4 mimarisine sahip bir mikrodenetleyici bulunmaktadır. Ayrıca bu geliştirme kiti üzerinde ivme ölçer, mikrofon, ses sürücü çipi, 8 adet led, bir adet reset butonu ve bir adet kullanıcının istediği işlevi yükleyebileceği bir buton barındırmaktadır[2]. Geliştirme kitinin genel yapısı Şekil 1 de gösterilmiştir. 2
Şekil 1. STM32F4 Discovery Genel Yapısı Bu kartın sistemdeki işlevi, TFT LCD dokunmatik arayüzden verilen komuta göre, daha önce yazılan programla belirlenmiş, bünyesinde bulunan çıkış pinleri aracılığıyla Pnömatik sistem ile etkileşime geçmesini sağlamaktır. Piyasada ARM işlemcisini bulunduran kartları programlamak için çeşitli yazılımlar vardır. Bu projede Keil uvision4 geliştirme ortamı kullanılmıştır. Kart ve TFT LCD haberleşmesi, pinlerin aktif/pasif işlemleri için Keil geliştirme ortamı aracılığıyla yazılan yazılım Şekil 2 de gösterilmiştir. Şekil 2. Keil Geliştirme Ortamı 3
TFT LCD: Sistemimizde kullanılan TFT-LCD için LCD denetçisi olarak SSD1289 kullanılmıştır. SSD1289 denetçisinin bulunduğu modül ise HY32D modülüdür. Boyutları 320x240 olan TFT-LCD Şekil 3 te gösterilmiştir. Şekil 3. TFT-LCD TFT-LCD nin sistemdeki işlevi, ekranında bulunan arayüz aracılığıyla pnömatik sistemi kontrol eden kişi arasında iletişimi sağlamaktır. Kendine verilen aktif/pasif emrine göre STM32F4 Discovery kartımızla iletişime geçmektedir. Pnömatik sistemi kontrol etmek amacıyla hazırlanan arayüz Şekil 4 de gösterilmiştir. Şekil 4. TFT-LCD Kontrol Paneli Tasarımı daha rahat kılmak amacıyla STM32F4 Discovery kartı ile TFT-LCD nin birbirlerine zil telleri aracılığıyla ortak bir kartta birleştirilmesi işlemi yapılmıştır. Bu işlem Şekil 5 te gösterilmiştir. 4
Şekil 5. STM32F4 Discovery ve TFT-LCD nin Bir Kart Üzerinde Birleştirilmesi Optokuplör Devresi: Optokuplör Devresi, sistemimizde oluşabilecek herhangi arızadan dolayı oluşabilecek kısa devreleri önlemek amacıyla kullanılmıştır. İki sistemi birbirinden izole ederek işlevini gerçekleştirmektedir. Tasarımda kullanılan 4N25 Optokuplörünün yapısı Şekil 6 da gösterilmiştir. Şekil 6. 4N25 Optokuplör Dış ve İç Yapısı 5
STM32F4 Discovery çıkış pinlerinden 3.3 Volt alınır. Fakat tasarımımızda kullanılan valfi kontrol etmek için 24Volt a ihtiyaç vardır. Optokuplör devremize bu kısımda ihtiyaç duyulur. Çünkü dışarıdan 24Volt bir gerilim verilmektedir. Bu kısımda tasarımımızın beyni olan STM32F4 Discovery kartımızın zarar görmesini engellemek amacıyla kullanılır. Optokuplör devresi Şekil 7 de gösterilmiştir. Şekil 7. Optokuplör Devresi 2.2 Pnömatik Tasarım Bu bölümde TFT-LCD ekranda bulunan arayüz aracılığıyla kontrol edilen Pnömatik sistemin elemanları ve genel yapısından bahsedilmiştir. Ekranda bulunan butona basıldığında 3/2 elektriksel kontrollü yay geri getirmeli valf aktif hale gelmektedir. Bu valf aracılığı ile de tek etkili silindiri kontrol etmek amaçlanmıştır. İleri-Geri yöndeki hızı kontrol edebilmek amacıyla akış kontrol valfi kullanılmıştır. Tasarımda kullanılan elemanlar aşağıdaki kısımlarda anlatılmıştır. 3/2 elektriksel kontrollü yay geri getirmeli valf: Bu tasarımda kullanılan valfi aktif/pasif hale getirebilmek için 24Volt a ihtiyaç duyulmaktadır. Bu durumun detayları bildirinin Elektronik Tasarım kısmında anlatılmıştır. Valf elektriklendiğinde piston ileri yönde hareket etmektedir. Elektrik kesildiği anda yay etkisiyle piston geri yönde hareket etmektedir. Sistemde kullanılan valf Şekil 8 de gösterilmiştir. 6
Şekil 8. 3/2 Elektriksel Kontrollü Yay Geri Getirmeli Valf Ayarlanabilir çek valfli akış kontrol valfi: Bu tasarımda kullanılan akış kontrol valfi pistonun yaptığı ileri ve geri hareketi istenilen hızda yavaşlatılmasını sağlamaktadır. Bu valf Şekil 9 da gösterilmiştir. Şekil 9. Ayarlanabilir Çek Valfli Akış Kontrol Valfi Tek Etkili Silindir: Sistemde doğrusal yönde ileri ve geri hareket elde edilmek amaçlanmaktadır. Sistemdeki işlevi budur. Tek etkili silindir Şekil 10 da gösterilmiştir. Şekil 10. Tek Etkili Silindir Buraya kadar sistemde kullanılan elemanların hepsi tanıtılmıştır. Elemanların bir araya gelerek bir sistemi oluşturduğu tasarımın bütünü, Şekil 11 de gösterilmiştir. 7
Şekil 11. Pnömatik Tasarım 3. SONUÇLAR Tasarlanan bu sistem, pnömatik tasarımla uğraşan kişiler için bir örnek teşkil etmektedir. Bir sistemin anlaşılırlığını kolaylaştırmak, o sistemin kullanımını kolaylaştırmakla mümkün olabilmektedir. Sistemlerin iyileştirilmesi, bu sistemlerin devamlılığı için önemlidir. Projede pnömatik sistemlerin devamlılığını sağlama, geliştirilmelere açık bir yapıya bürünmesi amaçlanmıştır. TEŞEKKÜR Bu bildiriyi oluştururken engin bilgi ve tecrübelerinden yararlandığımız Sakarya Üniversitesi Teknokent parkında bulunan Bir-Arge Yazılım Otomasyon Teknolojileri firmasında çalışan Ar-Ge Mühendisi Selim MERİÇ e, proje araştırılmasında emeği geçen Dahir Abdullahi bin Ahmet e, proje çalışmalarımıza verdiği desteklerden dolayı danışman hocamız Doç. Dr. Vedat ARI ya teşekkür ederiz. 8
KAYNAKÇA [1] http://hbogm.meb.gov.tr/modulerprogramlar/kursprogramlari/endustriyel_otomasyon/moduller/ TemelPnomatik.pdf (Erişim: 28.03.2014) [2]http://www.st.com/st-webui/static/active/en/resource/technical/document/data_brief/ DM00037955.pdf (Erişim: 01.04.2014) [3] http://my-hy32d-lcd.googlecode.com/files/lcd_datasheet.pdf (Erişim: 01.03.2014) 9
10
İNDÜKSİYON ISITMA PRENSİBİ İLE ÇALIŞAN ANİ SU ISITICISININ TASARIMI VE KONTROLÜ Şemsettin Numan SÖZEN, s.sozen1089@gop.edu.tr Gaziosmanpaşa Üniv., 60250, TOKAT Muhammed Mahbub İBİŞ, muhammed.ibis@hotmail.com Gaziosmanpaşa Üniv., 60250 TOKAT ÖZET Bu çalışmada, indüksiyon ısıtma prensibi ile çalışan bir sıvı ısıtıcısı tasarlanmış, uygulanmış ve test edilmiştir. İndüksiyon ısıtma teknolojisi; bulunduğu ortama ısı yaymaması, ısıtma işlem süresinin kısa olması, yüksek verimlilik, patlama ve alevlenme gibi olumsuzlukların bulunmaması gibi üstünlüklere sahiptir. Bu çalışmada uygulaması yapılan örnek modelde, şehir elektrik şebekesinden alınan 220 V luk AC gerilim, köprü tipi doğrultucu ve filtre yardımıyla DC gerilime dönüştürülmüştür. Elde edilen bu DC gerilim daha sonra, köprü tipi bir DC AC konvertör üzerinden 16,66 khz lik paralel bir rezonans devresine uygulanmıştır. Paralel rezonans devre akımı, devre akımı, rezonans bobini içerisinde güçlü bir elektromanyetik alan üretir. Bu manyetik alan, rezonans bobini içerisine yerleştirilmiş olan manyetik malzeme üzerinde yüksek akımlar indükler ve ısıtır. Manyetik malzeme etrafında sıvı akışı sağlanarak, manyetik malzeme üzerinde açığa çıkan ısı enerjisinin sıvıya geçmesi sağlanır. Anahtar Kelimeler: İndüksiyon Isıtma, Paralel Rezonans, PWM İnvertör. ABSTRACT In this study, a liquid heater operating with the principle of induction heating is designed, realized and tested. Induction heating technology has the superiorities of being a system whose process duration is short, which has no temperature distribution through environment with its high efficiency and do not let occasions such as combustion or bursting. In the developed prototype, 220 V AC public electrical main supply is converted to the DC bus voltage with the aid of the bridge rectifier and filter. Then, the obtained DC bus voltage is supplied to a 16,66 khz parallel resonant circuit via a bridge DC-AC converter. Current of the resonant circuit generates a powerful electromagnetic field inside the resonant inductor. The magnetic field induces high currents in the magnetic material positioned inside 11
the resonant inductor, and heats it. Transfer of the resulted heat energy from the magnetic material to the liquid is provided by passing the liquid around this magnetic material. Keywords: Induction Heating, Parallel Resonance, PWM Inverter. 1.GİRİŞ Günümüzde, ısıtma için elektrik enerjisinin kullanıldığı yöntemler şunlardır: - Rezistans (direnç) - İndüksiyon - Kızılötesi (infrared) radyasyon - Histerezis - Elektrik arkı - İletim - Plazma - Elektron demeti - Lazer ile ısıtma Bunlardan rezistans ısıtma en yaygın olarak kullanılan ısıtma yöntemidir. İndüksiyon ısıtma ise endüstriyel uygulamalarda, ergitme fırınlarında ve son yıllarda mutfak ocaklarında yaygın olarak kullanılmaktadır. İndüksiyon ısıtma sistemlerinin temeli sayılan elektromanyetik indüksiyon teorisi, 1831 yılında Michael Faraday tarafından bulunmuştur. Bu teoriye göre elektromotor kuvvet (emk); e d / dt (1) ile matematiksel olarak ifade edilir. Kısaca, değişken elektromanyetik alana maruz bırakılan bir metal üzerinde emk oluşur ve bu gerilim metal üzerinde Eddy akımlarının akmasına ve bu akımlardan dolayı ferromanyetik malzemenin ısınmasına sebep olur. Elektromanyetik alan ile ısıtılan ferromanyetik malzeme, bir hazne içerisinde ki sıvı içerisine konumlandırılırsa, açığa çıkan ısı enerjisi ile sıvı dolaylı olarak ısıtılmış olur. İndüklenen akımların yüksek olmasını sağlamak için, ısıtıcı parça olarak manyetik malzeme kullanılması gerekir çünkü demir, kobalt ve nikel gibi manyetik malzemelerin relüktansı düşüktür. Ayrıca uygulanan gerilim ve manyetik alan frekansı artırılarak ısı artışı sağlanmaktadır. Isıtılacak olan manyetik malzeme ile elektrik şebekesi arasında elektriksel bir bağlantı bulunmayıp, enerji transferi sadece elektromanyetik yolla gerçekleşmektedir; bu da sistemin çalışma risklerini azaltmaktadır. İndüksiyon ısıtma prensibi şekil 1 de verilmiştir. 12
Şekil 1. İndüksiyon ısıtma prensibinin ısıtma prensibi 2. SIVI ISITMA SİSTEMLERİNDE İNDÜKSİYON PRENSİBİNİN KULLANILMASI Sıvı ısıtma sistemlerinde indüksiyon prensibinin kullanılması ile ilgili çalışmalar 1980 li yıllarda başlamış ve bir çalışmada [1], yağın ısıtılması, paslanmaz çelik borular üzerine indüksiyon bobinleri sarılarak gerçekleştirilmiştir ve seri rezonans devresi kullanılan bu çalışmada kapalı bir ısı değiştiriciden geçirilen ısıtılmış yağ ile başka bir suyun devir-daim sistemi ile ısıtılması sağlanmıştır. Çelik boru içerisinde akmakta olan suyun ısıtılması için, PWM kontrollü paralel bir rezonans devresinin kullanıldığı bir diğer çalışmada ise [2], indüksiyon bobini olarak, içinden soğutma sıvısının geçirildiği bakır boruların kullanılması, daha yüksek çalışma ısılarına çıkılmasını sağlamış ayrıca bobinin zarar görmesinin de önüne geçilmiştir. Başka bir çalışmada [3], boru içerisinden geçen suyun ısıtılması için indüksiyon yöntemiyle, seramik borular içerisine yerleştirilmiş çelik levhalar ısıtılmıştır. Sistemde ki indüksiyon bobini için Litz kablosu kullanılmış, yüksek çalışma frekanslarında ortaya çıkan deri olayı (skin effect) minimum seviyeye indirilmiş ve iki adet tasarımın seri bağlanmasıyla da 200 C lik su buharı üretilmiştir. Diğer bir çalışmada ise [4] akışkan sıvı, Litz kablosundan rezonans bobini sarılan teflon boru içerisine yerleştirilen rulo biçiminde yerleştirilmiş manyetik malzemenin konumlandırılması ile ısıtılmıştır. Bu çalışmada akış debisi 0,85 lt/dk olan suyun sıcaklığı, oda sıcaklığından 90 C ye çıkarılmıştır. 13 khz lik bir paralel rezonans devresiyle, belirli bir akış debisine sahip suyun ısıtıldığı ve farklı debilerde ki performans analizinin yapıldığı bir diğer çalışmada ise [5], 0.8 lt/dk akış debisinde ki 13 C lik suyun ısısı 52.34 C ye, 4 lt/dk akış debisinde ki 13 C lik suyun ısısı 20.55 C ye yükseltilmiştir. 3. MATERYAL VE YÖNTEM Ani su ısıtıcısı ısıtıcı güç devresi ve kontrol devresinden oluşmaktadır. Güç devresi endüksiyon bobinine yükse frekans ve yüksek akım değerlerinde elektrik gücü uygulayacaktır. Bunun için yüksek akım seviyelerinde düşük iletim kayıpları ve yüksek anahtarlama frekanslarında düşük anahtarlama 13
kayıpları nedeniyle invertör devresinde anahtarlama elemanı olarak MOSFET tercih edilecektir. Gerçekleştirilmek istenilen tasarımın DC/AC invertör devresinde yüksek akıma dayanıklı transistörler kullanılacaktır. Sistemde, bir adet suyun giriş kısmında, bir adet ise çıkış kısmında olmak üzere iki adet termometre kullanılacaktır ve termometreler sayesinde suda ki sıcaklığın artış miktarı gözlemlenebilecektir. Sistemde, yüksek frekanslı elektromanyetik alan oluşturmak için, sistem elemanlarının gerilimlerini arttırmama özelliğinden dolayı paralel bir rezonans devresi kullanılacak ve bu devrede kullanılan kondansatör kapasitesi, çok sayıda küçük değerli kondansatör paralel bağlanarak elde edilecektir. Rezonans devresinde kullanılan bobini oluşturmak için ise AWG-1 Litz kablosu tercih edilecektir. Bobin, silindir şeklinde işlenmiş uygun çapta ki bir teflon malzeme üzerine sarılarak oluşturulacaktır. Bobin merkezine konumlandırılıp, ısıtıcı olarak kullanılacak olan manyetik malzeme, rulo hâlinde sarılmış paslanmaz çelik sacdan üretilecektir. Böylelikle ısıtıcının yüzey alanı arttırılmış olacak ve üretilen ısının akışkan sıvıya aktarımı hızlandırılacaktır. Sistemin elektriksel gücünün 2-2,5 KW olacağı tahmin edilmektedir. Tasarımı yapılmak istenen düzenekte, şebekeden gelen AC gerilim, doğrultucu ve filtre devresi kullanılarak DC gerilime dönüştürülecek ve böylece elde edilen DC gerilim yüksek frekanslı köprü invertör tarafından yüksek frekanslı manyetik alan oluşturmak üzere paralel bir rezonans devresi üzerine anahtarlanacaktır. İndüksiyonlu ısıtıcı yardımıyla düzenekte ki suyun ısınmasını sağlayacak olan ise, rezonans devresi bobini üzerinde oluşan yüksek frekanslı manyetik akıdır [6]. Çalışmada tasarımı yapılmak istenen düzeneğin aşağıda sıralanmış ve açıklamaları yapılmış bölümlerden oluşması amaçlanmaktadır: Doğrultucu ve filtre devresi; düzeneğin girişinde bulunan ve şebeke gerilimini (220 V 50 Hz) doğrultup filtreleyecek olan devredir. Devrenin girişine uygulanan şebeke gerilimi, bir köprü doğrultucuda doğrultulduktan sonra LC filtreden geçerek dalgalılık miktarı daha az hâle gelmiş olacaktır. Yüksek Frekanslı İnvertör Devresi; girişine uygulanan DC gerilimi, istenilen frekans değerinde anahtarlayarak AC gerilime dönüştüren bir güç elektroniği devresidir. Rezonanslı devrelerde, rezonans frekansında anahtarlama yapılarak yüksek frekanslı manyetik akı üretilebilmektedir. Yüksek frekanslı invertör devresi blok şeması Şekil 3 de gösterilmiştir: 14
Şekil 2. Yüksek frekanslı invertör devresinin blok şeması [6] Şekilden de görüleceği üzere, devrede güç devresi olarak köprü invertör kullanılacaktır ve bu köprü invertör devresi, doğrultucu ve filtre çıkışından elde edilen DC gerilimi istenilen frekans değerinde anahtarlayarak AC gerilime dönüştürecektir. Köprü invertör devresini uyarmak için ise, kullanıcıdan gelen kontrol bilgilerine ve geri besleme hattından gelen sıcaklık, akım ve gerilim bilgilerine göre köprü invertörü kontrol eden PWM üreteci ve sürücü devresi kullanılacaktır. Doğrultucu ve filtre devresinden elde edilen DC gerilimle beslenen köprü invertör devresi çıkışına ise, yüksek frekanslı manyetik akıyı üretmek için kullanılan, C kapasitesi ve L endüktansından oluşan paralel rezonans devresi yük olarak bağlanılacaktır. Böylece köprü invertör devresi çıkışında, çıkışına bağlı olan paralel rezonans devresinin rezonans frekansıyla uyarılmasıyla manyetik akı ve bir çıkış gerilimi oluşacaktır. Malzeme üzerinde meydana gelen eddy akımlarının, malzeme yüzeyinden itibaren erişebileceği derinliğe dalma derinliği adı verilir. Düzgün dağılıma sahip değişken manyetik alan etkisinde ki bir malzeme içinde oluşan eddy akımları düzgün dağılıma sahip değildir. İş parçasına işleyen manyetik alanın şiddeti, dolayısıyla eddy akımlarının genliği, deri etkisi nedeniyle yüzeyden merkeze doğru gidildikçe azalmaktadır. Akım, malzeme üzerinde malzeme kalınlığının yaklaşık olarak üçte birine kadar iner. Bu derinlik dalma derinliği olarak adlandırılmaktadır ve eşitlik (2) de ifade edilmektedir: f (2) Burada, malzemenin özgül direnci (Ωmm 2 /m), µ malzemenin manyetik geçirgenliği (Wb/At-m), dalma derinliği (mm) ve f frekans (Hz) dır. Py Metal yüzeyinde oluşan güç (W/m 2 ) eşitlik (3) ile verilmektedir. Py H 2 2 Burada; H Manyetik alan şiddeti (A-Tur/m) dir. f 10 r 7 (3) 15