Projeler / Elektronik Projeler / Hobi Projeler / Endüstriyel Process Simülatörü


Yazar: Burak Koç
Gönderen: burakkoc   Tarih: 22-04-2009 18:04
Yorumlar: (0)   Oylar:
Günümüzde elektronik cihazların ve otomatik kontrol sistemlerinin gelişmesi ile beraber endüstriyel sistemlerin kontrolleri artık daha hassas yapılabilmektedir. Birçok endüstriyel uygulamada karşımıza çıkan otomatik kontrol yöntemlerinden biride PID (Proportional - Integral - Derivative) kontrol sistemidir. Notasyonlarda karışıklık olmaması adına yazımın bundan sonrasında “kontrol edilecek endüstriyel sistemlerini” genel adıyla “Process” şeklinde adlandıracağım.



Tasarlamış olduğum cihaz genel anlamda endüstriyel bir processi temsil etmektedir. Herhangi bir kontrol sistemiyle kontrol altına alınmamış olan bu processin bir kontrol cihazına bağlanarak kontrol edilebilmesi için gerekli olan feedback çıkışları ve kontrol girişi bulunmaktadır. Feedback çıkışlarını ve kontrol girişini endüstriyel standartlara uygun olarak tasarlayarak endüstriyel tip kontrol cihazları tarafından da kontrolünün gerçekleştirilmesini sağlamaya çalıştım.

Genel anlamda process; herhangi bir process gereğinden dolayı ısınan bir process elemanı (su, hava, yağ, vs..) ve bu process elemanını istenilen sıcaklıkta sabit tutmak için yerleştirilmiş process kontrol elemanlarından (fan, motor, valf, vs..) oluşmaktadır.



Bu cihaz içerisinde ise ısınan process elemanını temsilen soğutucuya bağlanmış iki adet taş direnç bulunmaktadır. Soğutucunun ısınmasına sebep olan process gereği olarak taş dirençleri düşünürsek, soğutucuyu da ısınan process elemanı olarak adlandırabiliriz. Process kontrol elemanı olarak da cihaz içerisinde soğutucunun önünde ve arkasında iki adet fan bulunmaktadır. Ön taraftaki “üfleme fanı” arka taraftaki ise “emme fanı” dır. Bu processde ısınan process elemanı olan “soğutucunun” sıcaklığını istenilen sıcaklıkta sabit tutmaya çalışacak olan process kontrol elemanları fanlardır. Elbette ki soğutucu kontrolsüz bir şekilde ısınmaya devam ederken process kontrol cihazı, process kontrol elamanı olan fanlara, gerekli olan devir bilgisini vererek fanların dönüş hızlarını kontrol etmektedir. Yani kontrol sistemi olan kontrol cihazı, fanların dönüş hızını kontrol ederek soğutucuyu istenilen sıcaklıkta(set değeri) sabit tutmaya çalışacaktır. Bu arada kontrol cihazının, istenilen sıcaklık değerine ulaşılıp ulaşılmadığını kontrol etmesi için ısınan process elemanından sıcaklık bilgisi alması gerekmektedir. Bu feedback çıkışı ise endüstriyel sistemlerde çeşitli gerilim ve akım standartları olan sensörler, actuatör, vs.. karşılık gelmektedir. Bu cihazda, pt100 ısı sensörü ve ayrıca birde her 1 santigrat sıcaklıkta 10mV çıkış veren toplam iki adet feedback çıkışı bulunmaktadır.



Genel anlamda cihazı tanıttıktan sonra isterseniz biraz ayrıntıya girelim. Cihaz içerisindeki taş dirençleri ısıtmak amacıyla ayarlı bir güç kaynağı bulunmaktadır. Her biri 3.9 Ohm/25Watt olan bu iki taş direnç seri olarak gerilim seviyesi 1.2V ile 12V arasında değişen ayarlı güç kaynağına bağlanmıştır. Bu ayarlı güç kaynağı ısıtıcının sıcaklığını doğrudan etkileyeceği için process parametrelerine müdahale etme imkânı sağlamıştır. Process parametrelerine müdahale etme imkânı sağlayan diğer faktörler ise fanlardır. Cihazın ön tarafında her bir fana ait açma kapama switch’leri bulunmaktadır. Processde yapılmak istenen bir değişiklik, processin kontrol altında olduğu herhangi bir zamanda fanları teker teker devre dışı bırakarak ya da gerilimi değiştirerek gerçekleştirilebilir. Bu sayede kontrol cihazının ve/veya kontrol tekniğinin etkinliği de kontrol edilmiş olur.



Cihazın ön panelinde 3 digit seven segment displayede ısıtıcı gerilimi görüntülenebilir. Ayrıca displayin üstündeki switch yardımıyla ısıtıcının sıcaklığı da yine aynı displayde görüntülenebilmektedir. Sıcaklık bilgisi, process kontrol altında olduğu zaman kontrol cihazındaki set değeri ile processde gerçekleşen(actual value) sıcaklığın karşılaştırılması amacıyla kullanılacaktır. Yine ön panelde 10mV/C lik feedback çıkışı bulunmaktadır. Isıtıcıya bağlı olan LM35 sıcaklık sensörünün çıkışı olan bu feedback çıkışı aynı zamanda displayde görüntülenen sıcaklık bilgisinin de kaynağıdır. Bu çıkış endüstriyel bir standart olmamakla birlikte işlemci ile process kontrolü yapılmak istendiğinde kullanılabilecek bir çıkıştır. Diğer bir feedback çıkışı ise endüstriyel standartlara uygun olması amacıyla ısıtıcıya bağlı, cihazın arka tarafından çıkan ve rezistans termometre olarak bilinen bir pt100 ısı sensörüdür. Ön paneldeki feedback çıkışının hemen altında ise endüstriyel bir standart olan 0-10V’luk kontrol girişi bulunmaktadır. Bu giriş fan hızlarının kontrolü için kullanılmaktadır.

Her biri 24V olan ve 400mA akım çeken iki fanı 0-10V ile kontrol edebilecek bir ara karta ihtiyaç duyulmaktadır. Ayrıca kontrol cihazının 0-10V luk çıkışının da fan akımlarını karşılayamayacağını göz önünde bulundurulduğunda bu ara kartın, kontrol girişinden çok düşük akımlar çekerek fanların kontrolünü yapacak bir şekilde tasarlanması gerekmektedir.

0-10V kontrol girişi için çok değişik şekillerde ara kart tasarımı yapılabilir. Örneğin işlemciyle yapılacak bir ara kartı tercih edilebilir. Böylece kullanılan tekniğin değişmesinin yanı sıra devre çok daha sade hale gelecektir. Ancak benim burada tercihim bu seferlik işlemciyi bir kenara koymak ve elektroniği daha fazla kullanmak yönünde oldu.




Ara kart tasarımında, işlemci haricinde yapılabilecek pek çok şeyden aklıma ilk gelen yöntemi uygulamak istedim. Devrede özetle PWM sinyali ile sürülen FET ile fanın kontrolünü yapılmaktadır. Gelelim PWM sinyalini oluşturmaya. Öncelikle IC555 entegresi ile bir kare dalga oluşturduktan sonra bir integrator yardımıyla bu kare dalga sinyali üçgen dalgaya çevrilmektedir. Oluşturulan bu üçgen dalganın tepeden tepeye genliği 10 volt olacak şekilde yükseltildikten sonra DC Offset gerilimi eklenerek pozitif bölgeye taşınmaktadır. 0-10V arasında elde edilen bu üçgen dalga bir karşılaştırıcıya girer. Karşılaştırıcının diğer ucuna ise karşılaştırma referans gerilimi olan ve kontrol cihazından gelen 0-10 V arasında değişken DC sinyal uygulanır. Böylece karşılaştırıcının çıkışında PWM sinyali elde edilmiş olur. Bu devrede PWM sinyali 0V da %0 duty cycle; 10V da ise %96.6 duty cycle arasında ayarlanabilmektedir.

[ 24 Volt ile beslenen fan için  0V(kontrol gerilimi) = %0 (duty cycle) = 0V(fan gerilimi) ; 10V(kontrol gerilimi) = %96.6 (duty cycle) = 23.18V(fan gerilimi)

Şeklinde scale edilmiştir. Devrede karşılaştırcı olarak CMOS entegre kullanılarak kontrol geriliminden çekilen akım en aza indirilmeye çalışılmıştır. 0-10V luk kontrol geriliminden çekilen akım %96.6duty cycle’da 120mikroamper; %50 duty cycle da ise 6mikroamper olarak ölçülmüştür. Bu değerler her çeşit kontrol cihazının kontrol çıkışından rahatlıkla verebileceği akım değerleridir.



Bu cihaz kontrol teknikleri ile uğraşan her kesimden insana hitap edecek bir deneysel endüstriyel process olarak geliştirilmeye çalışılmıştır. Kontrol cihazı olarak işlemci, FPGA, AC-DC motor sürücüler, PLC ve diğer endüstriyel universal kontrol cihazları vs.. kullanılabilir. Ayrıca process parametrelerinin manipülasyonu sayesinde birim basamak cevabı ve zaman sabitesi değiştirilebildiğinden dolayı kontrol cihazlarının geliştirilmesinde de kullanılabilir. Kontrol tekniği olarak ise ON-OFF kontrol, PI ve PID vs.. kullanılabilir.