ULUDAĞ ÜNİVERSİTESİ MÜHENDİSLİK-MİMARLIK FAKÜLTESİ MAKİNE MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ DERSİN ADI MAK 4119- MAKİNE TASARIM LABORATUARI DENEY ADI BİR SÜREÇ DENETİM SİSTEMİNİN İNCELENMESİ DENEYİN SORUMLUSU ÖĞR. GÖR. DR. ELİF ERZAN TOPÇU DENEYİN YAPILDIĞI LABORATUAR OTOMATİK KONTROL LABORATUARI
BİR SÜREÇ DENETİM SİSTEMİNİN İNCELENMESİ 1. AMAÇ: Laboratuar ölçekli bir süreç denetim sisteminin incelenmesi. Aç-kapa denetim etkisiyle çalışan bir sıcaklık denetim sisteminin özelliklerinin tanıtılması, aç-kapa denetim ve sıcaklık denetiminde sık kullanılan termostat elemanı hakkında bilgi edinilmesi. 2. SÜREÇ DENETİM SİSTEMİ: Çıkışı sıcaklık, basınç, akış, seviye ve ph gibi değişkenler olan düzenleyici denetim türünde geri beslemeli denetim sistemidir. Süreç denetimi süreç endüstrilerinde yaygın olarak kullanılmaktadır. Bu tür sistemler başvuru girişinin uzun zaman aralıklarında belli bir çalışma koşulu için değişmez veya sabit tutulduğu geri beslemeli denetim sistemleridir. Endüstriyel anlamda bir denetim sistemi; denetlenen sistem veya süreç ve denetim elemanları donanımı olmak üzere iki ana kısımdan ibarettir. Denetim organları donanımı ise ölçme sistemi, karşılaştırma elemanı, denetim organı, sürücü elemanlarından meydana gelir. Ölçme sistemi (algılayıcı), duyarga ve sinyal kuvvetlendirme olmak üzere iki kısımdan meydana gelmektedir. Duyarga sistemin çıkışındaki değişmeleri, gözlenebilir veya denetlenebilir bir biçimde sistem girişi ile aynı fiziksel büyüklük cinsine çevirir. Genellikle karşılaştırma elemanını da içine alan denetim organı; sistem çıkışının denetim amaçlarına uygunluğunun saptanması ve sistemi denetim amaçları doğrultusunda yönetmek için gerekli denetim değişimlerini belirlemek gibi işlemleri yürütür. Denetim organının temel görevi karşılaştırıcıdan kendisine hata veya sapma olarak iletilen giriş bilgisine göre denetim sinyali şeklinde uygun karar üretmektir. Motor eleman denetlenen sistemi doğrudan etkileyen etkili bir sürücü elemandır. Denetim organından aldığı denetim sinyaline bağlı olarak dış enerji kaynağından aldığı güçle bir hareket üretir (Şekil 1). GİRİŞ Başvuru Giriş Elemanları Karşılaştırıcı Hata Denetim Yordamı Denetim Düzeltme Eyleyici veya motor eleman Denetlenen Sistem ÇIKIŞ Geribesleme Algılayıcı (Geri besleme Elemanı) Şekil 1. Kapalı döngü sistemin blok şeması Kapalı döngü denetim sisteminde denetlenen sistem veya süreç bize verilmiş olup buna uygun denetim organı donanımı seçmek denetim mühendisinin görevidir. Pratikte denetim organları donanımı içinde yer alan elemanları her biri fiziksel olarak birbirinden ayrılmış birimler şeklinde olmayabilir. Örneğin karşılaştırıcı, denetim organı bir bütün içinde yer alabilir. Denetim organlarında kullanılan belli başlı dört temel denetim etkisi vardır. Bunlar; ikili veya aç-kapa (on-off) denetim etkisi, orantı denetim etkisi (P), integral denetim etkisi (I), ve türev (D) denetim etkisidir. Bu temel denetim etkilerinin bir veya bir kaçının bir arada uygun şekilde kullanılmasıyla değişik denetim etkileriyle çalışan denetim organları (aç-kapa, P, PI, PD, PID) oluşturulur. 2
Denetim organları dinamik davranışına göre kesikli çalışan ve sürekli çalışan denetim organları şeklinde de sınıflandırılabilirler. Aç-kapa denetim organı kesikli çalışan, P,I,D etkileri ile çalışan denetim organları da sürekli çalışan denetim organları türündendir. Kapalı döngü denetim sisteminde hangi sınıftan bir denetim organının seçileceğini denetlenen sistemin yapısı, hassasiyeti, çalışma şartları, emniyet, ekonomiklik, güvenirlik, ağırlık, boyutlar ve sağlama kolaylığı gibi pek çok etken belirler. Bu deney çalışmasında aç-kapa denetim etkisi incelenecektir. 2.1. Aç- Kapa Denetim Etkisi Aç-kapa denetim etkisi kullanan kesikli çalışan denetim organları oldukça basit yapıda ve ucuz olmaları nedeniyle evlerde ve endüstride yaygın olarak kullanılırlar. İkili denetim organı sadece iki belirli konumda bulunurlar. Hata değerine bağlı olarak denetim organı ve buna bağlı olarak motor eleman ya devrededir yada değildir. Düzenleyici denetim biçiminde çalışan süreç denetim sistemlerinde iki konumlu denetim organı ya maksimum kumanda (açma) yada sıfır kumanda (kapama) verir. Denetlenen çıkış büyüklüğü değeri ayar değerini (başvuru girişi) aştığında denetim organı kapama, buna karşılık çıkış değeri ayar değerinin altına düştüğünde ise denetim organı açma işareti verir (Şekil 2). Çeşitli fiziksel sınırlamalardan (veya keyfi olarak) dolayı denetim organı ayar noktası değerinin civarındaki değerler aralığında açma veya kapamaya zorlanır. Bu farksal aralık sistemde ne kadar geniş tutulursa açma kapamaya maruz kalan kontak birim zaman içinde daha az zorlamaya maruz kalır ve eleman daha az yıpranır. Fakat buna karşılık sistemin denetim hassasiyeti de azalır. Bu nedenlerle bu fark aralığının sistemin çalışma koşullarına göre belli bir optimum değerde tutulması gerekir. Aç-kapa elemanı Açma-kapama aralığı Kapama Açma e (V) Isıtıcı zaman Şekil 2. İki konumlu sıcaklık denetim sistemi İki konumlu (aç-kapa) sıcaklık çalışan denetim sistemlerinde termostatlar oldukça yaygın olarak kullanılmaktadırlar. 2.2. Termostat: Termostat sıcaklığı otomatik olarak düzenleyen bir aygıttır. Termostatın, sıcaklık değişimlerini belirleyen bir algılama elemanı ve bağlı olduğu ısıtma ya da soğutma sistemini, sıcaklık değişimlerini düzenleyerek önceden belirlenmiş bir sıcaklık aralığında tutan bir denetleme organı vardır. 3
Bazı sistemlerin termostatlarında, sıcaklık algılama elemanı olarak çift metalli bir şerit kullanılır. Şekil 3 de böyle bir elemanın çalışma şeması verilmiştir. Kaynakla birbirine sıkıca tutturulmuş iki metal şeritten oluşan bu algılayıcıda, ısınan metallerden biri diğerinden daha çok genleşir ve bunun sonucunda şerit bükülür Termostatın yerleştirildiği ortam sıcaklığı önceden seçilmiş olan sıcaklıktan daha düşükse, şerit düzgün durur ve ısıtma veya soğutma sistemini çalıştıran elektrik devresini kapalı tutan bir köprü işlevi görür, böylece devreden elektrik akımı geçer. Oda ısındıkça şerit bükülmeye başlar ve önceden belirlenmiş sıcaklığa ulaşıldığında açılarak devreyi keser, böylece ısıtma veya soğutma sistemi kapanır. İstenen sıcaklık bir denetim düğmesiyle ayarlanır; düğme, elektrik devresi kesilmeden önce şeridin ne kadar bükülmesi gerektiğini belirler. Şekil 4 de daha çok ısıtma (ütü ve mini fırın gibi) kullanılan bir termostatın ayar durumu verilmiştir. Termostatlar, evlerdeki ısıtma sistemlerinin ve sanayide kullanılan ısıtma aygıtlarının denetiminin yanı sıra, elektrikli battaniye,ütü, tost makinesi, elbise kurutucusu, fırın,daldırmalı ısıtıcı, otomobil soğutma sistemi, yangın uyan sistemi ve buzdolabı gibi aygıtların sıcaklığını düzenlemek amacıyla da kullanılır. Bir klima sistemindeki termostatlar ısınmayı algılar ve soğutma donanımından daha çok soğuk hava gelmesini sağlayan sinyaller gönderir. Şekil 3. Metal çifti sıcaklık algılayıcısı Şekil 4. Genel amaçlı termostat 3. DENEY DÜZENEĞİ ve DENEYİN YAPILIŞI Deney çalışmasında kullanılacak düzenek temel olarak sürücü devreler, termostat, ısıtıcı, gerilim ölçer ve denetlenen sistem olan ısı barından oluşmaktadır. Deneyde kullanılan tertibat Şekil 5 de gösterildiği gibidir. Güç kaynağı, sürücü devre, termostat bağlantıları Şekil 5 teki gibi yapılır. Termostat ısı barının 1 nolu kısmına yerleştirilir. Güç kaynağı ve ısıtıcı açılır. İstenilen sıcaklık değerini sağlamak için termostatın dolayısıyla ısıtıcının hangi sıcaklık aralığında çalıştığı, ne zaman açılıp kapandığı voltmetre yardımıyla belirlenir. Zamansıcaklık değişimi eğrisi belirli zamanlarda veri toplanarak elde edilir. 4
4. DENEYDE ELDE EDİLEN VERİLER Şekil 5. Deney düzeneği Aç-kapa denetim etkisiyle çalışan sıcaklık denetim sisteminin sıcaklık değişimi ve termostatın bu süre içindeki davranış eğrileri elde edilir. 5. SONUÇLARIN DEĞERLENDİRİLMESİ Deney deney raporu yazım kurallarına (Amaç, Teori, denet tesisatı, deneyin yapılışı, hesaplamalar, sonuç vb.) uygun olarak yazılmalıdır. Raporun ön kapağında öğrenci no, adı soyadı, deneyin adı, deney sorumlusu, deneyin yapılış tarihi, deney grubu (herkes deneye girdiği grubun hesaplama bilgilerini kullanmalıdır.) açıkça belirtilmelidir. Raporun teori kısmında föydeki bilgilerin kullanılmaması, bu bilgilerin dışında araştırma yapılması gerekmektedir. Hesaplanan değerler grafik üzerinde gösterilerek rapora eklenmelidir. i) Süreç denetim sistemleri hakkında bilgi edininiz. (Ne tür denetim etkileri kullanılmaktadır? Hangi sistemlerde kullanılmaktadır? v.b.) ii) Aç-kapa denetim etkisi daha çok nerelerde kullanılmaktadır? Araştırınız. 5
iii) Elde edilen zaman-sıcaklık grafiğinden ortalama sıcaklık, maksimum sıcaklık, minimum sıcaklık değerlerini tespit ediniz. Açma-kapama aralığını tespit ediniz. iv) Aynı grafik üzerinden termostat elemanının toplam açık kalma zamanının kapalı kalma durumuna oranını tespit ediniz. v) Grafikten ısı barının sıcaklığının termostat kapandıktan sonra bir miktar daha arttığı aynı şekilde termostat açık duruma geldiğinde de bir miktar azaldığı görülmektedir. Bunun sebebi ne olabilir? vi) Aç-kapa denetim yerine süreç denetim sistemlerinde ne tür denetim etkileri kullanılabilir? Nedenleriyle açıklayınız. 6. KAYNAKLAR: 1. YÜKSEL, İ. 2001. Otomatik Kontrol- Sistem Dinamiği ve Denetim Sistemleri. Uludağ Üniversitesi VİPAŞ A.Ş., Bursa, 357 s. 2. YÜKSEL, İ. Soğutma ve Isıtma Sistemlerinde Otomatik Kontrol Dersi notları. 3. FEEDBACK- Control&Instrumentation, Temperature Measurement eğitim kitabı 6