T.C.

KARABÜK ÜNİVERSİTESİ

MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ

MEKATRONİK MÜHENDİSLİĞİ

PLC PWM MODULASYONU İLE DC MOTOR HIZ

KONTROL UYGULAMASI

LİSANS BİTİRME TEZİ

Hazırlayanlar

Beytullah DÖNMEZ 2013210226008

Celal ACAR 2013210226005

Proje Danışmanı

Yrd.Doç.Dr. Bektaş ÇOLAK

KARABÜK-2017

1

İÇİNDEKİLER

Sayfa

İÇİNDEKİLER ...................................................................................................................... 1

ŞEKİLLERİN LİSTESİ ......................................................................................................... 3

KABUL VE ONAY............................................................................................................... 4

ÖNSÖZ .................................................................................................................................. 5

ÖZET ..................................................................................................................................... 6

BÖLÜM 1 .............................................................................................................................. 7

1.1. Giriş ............................................................................................................................ 7

1.2. PLC Tarihçesi ............................................................................................................. 8

1.3. PLC Program Yazılım Dilleri………..………….……………………….…………11

1.3.1. Kontak Plan (LADDER Plan) …………………………...…….……...…....…11

1.3.2. Fonkiyon Plan (FBD)…………………………………………………………..12

1.3.3. Deyim Listesi (STL)……………………………………………………….…..12

1.4. Siemens S7-1200 Serisi PLC …………………………………………………….. 13

1.4.1. PLC PWM Modulasyonu………………………………………………………14

1.5. Scada Sistemleri……………………………………………………………………15

1.5.1. Siemens SCADA Sistemleri: Simatic WinCC……………………...…………..17

1.6. Fırçalı DC Motor ……………………………………………………….…………18

1.6.1. Stator………………………………………..……………………...…………..18

1.6.2. Endüvi (Rotor)……………………………..……………………...….………..19

1.6.3. Fırça………………………..……………………………………...…………...19

2

1.6.4. Kollektör…….……………………………..………………………..…………..19

1.6.5. Encoder……………………………………………………………...…………..20

1.6.6. Projede Kullanılan Motorun Genel Özellikleri……………………..…………..21

BÖLÜM 2 ............................................................................................................................ 22

2.1. Güç Bileşenlerinin Tanımlanması ............................................................................ 22

2.1.1. H Köprüsü ......................................................................................................... 22

2.1.2. Güç Transistörleri .............................................................................................. 23

2.1.3. Optakuplor ......................................................................................................... 24

2.1.4. Diyot .................................................................................................................. 25

BÖLÜM 3 ............................................................................................................................ 26

3.1 Sistemin Modellenmesi Ve Proje Çizimleri .............................................................. 26

3.1.1. DC Motor Hız Kontrol Diyagramı .................................................................... 26

3.1.2. DC Motor Tork Analizi ..................................................................................... 27

3.2. PID Kontrolü ............................................................................................................ 27

3.3. Sistemin Elektriksel Eşdeğeri ................................................................................... 28

3.3.1. Kontrol Paneli .................................................................................................... 29

3.4. Sonuç ........................................................................................................................ 30

BÖLÜM 4 ............................................................................................................................ 31

4. 1 Kaynakça .................................................................................................................. 31

4.2. Ekler ......................................................................................................................... 32

ÖZGEÇMİŞ……………………………………………………………………….……….38

3

ŞEKİLLERİN LİSTESİ

Şekil Sayfa

Şekil 1.1.................... Allen Bradley Plc 3 .......................................................................... 7

Şekil 1.2.................... Ladder Diyagram Örneği ............................................................... 11

Şekil 1.3.................... FBD Program Örneği. .................................................................... 12

Şekil 1.4.................... STL Program Örneği ...................................................................... 12

Şekil 1.5.................... Simens S71200 1211C ................................................................... 14

Şekil 1.6.................... PWM Modulasyonu ....................................................................... 15

Şekil 1.7.................... Scada .............................................................................................. 15

Şekil 1.8.................... Dc Motorun Genel Yapısı .............................................................. 18

Şekil 1.9.................... Enkoder .......................................................................................... 20

Şekil 1.10...................Artırımlı Enkoder Yapısı ............................................................... 20

Şekil 1.11...................47:1 Redüktörlü DC Motor. ........................................................... 21

Şekil 2.1.................... Motor Sağ Yön Çalışma ................................................................. 22

Şekil 2.2.................... Motor Sol Yön Çalışması ............................................................... 22

Şekil 2.3.................... H Köprüsü Tasarımı……………………………………………... 23

Şekil 2.4.................... Güç Transistörleri Yapısı ............................................................... 23

Şekil 2.5.................... Optakuplor Yapısı ......................................................................... .24

Şekil 2.6.................... Sürücü Devrelerinde Diyotların Kullanımı……………….………25

Şekil 3.1.................... Dc Motor Kontrol Akış Şeması. .................................................... 26

Şekil 3.2.................... DC Motor Tork Grafikleri……………………………………….. 27

Şekil 3.3.................... Güç Transistörleri Yapısı ............................................................... 27

Şekil 3.4.................... PID Parametleri ............................................................................. 28

Şekil 3.5.................... Sistemin Elektrik Devresi ……………….…………………….…28

Şekil 3.6.................... Kontrol Paneli ................................................................................ 29

4

5

ÖNSÖZ

Günümüzde hızla gelişen ve değişen , endüstriyel otomasyon alanında çok yaygın olarak

kullanılan PLC teknolojisi kullanıcılara birçok farklı çözüm üretmektedir.

Seri üretim hatlarında, analog ve dijital giriş çıkışlara sahip PLC’ler yüksek performans,

ortamdaki olumsuz şartlardan (nem, elektro manyetik alan,ısı) etklilenmemeleri, giriş ve

çıkışlarındaki değişimlere çok hızlı cevap vermeleri, programlama arayüzünün birkaç

farklı programlama seçeneği sunması vb avantajlarından dolayı endüstriyel otomasyon

teknolojisinde son derece kullanışlı mikrodenetleyicilerdir.

Bu proje çalışmasında PLC kullanılarak bir Dc motorun hız kontrolü PID parametleri

kullanılarak yapılmıştır.

Bu konuda çalışma yapmamıza olanak sağlayan, çalışmanın her aşamasında yoğun ilgisini

değerli destek ve önerilerini eksik etmeyen kıymetli hocamız Doç. Dr. Bektaş Çolak'a ve

Elektrik Mühendisi Ercan Sever’e teşekkürü borç biliriz.

Haziran 2017, KARABÜK

Beytullah DÖNMEZ

Celal ACAR

6

PLC PWM MODULASYONU İLE DC MOTOR HIZ

KONTROL

ÖZET

Bu proje çalışmasında PLC kullanılarak bir DC motorun hızı değişen yükler altında kontrol

edilmiştir.

Motorun hız bilgisi mile bağlı bir encoderden alınmıştır.Giriş ve çıkış değerleri arasında

oransal kontrolü PID parametresi kullanılarak dengelenmiştir.PID sürücü devresine

uygulanan giriş değeri ile encoderden gelen gerçek hız bilgisini sürekli olarak karşılaştırıp,

çıkış değerini değişen yüklere karşı dengelemektedir.

Pojede motorun güç devresi güç transistörleri kullanılarak bir H köprüsü ile

oluşturulmuştur.Kontrol ve güç katı birbirinden optacuplor ile ayrılmıştır.

Proje S71200-1211C Siemens PLC kullanılmıştır.PWM, PID parametleri Tia Portal

proğramı ile programlanmıştır.

Anahtar Sözcükler: Pwm, DC Motor Hız Kontrol, PLC, H Köprüsü, PID denetleyicisi

7

BÖLÜM 1

1.1 GİRİŞ

Sistemde kullanılan motor her iki yöndede çalışacağı için, PLC çıkışlarının iki tanesi

PWM modulator olarak atanır.Motorun ideal çalışması frekansı her iki yönde atanan PLC

çıkışlarına uygulanır.

PLC çıkışları doğrudan güç devresine uygulanamaz.Güç ve kontrol katı bir optacuplor

aracılığı ile birbirinden elektriksel olarak ayrılır.

Motorun hızı devir/dk cinsinden ifade edilir.Motorun hız bilgisini okumak için kullanılan

sensor iki kanala sahip encoder (hall sensoru) frekans cinsinden saniyede 48 CPR bir

sinyal üretir.

PLC’lerin çevrim süresi encoderin çok hızlı değişen frekansını yakalayamaz.Ancak ozel

bir komut olan HSC High speed counter, (Yüksek hızlı sayıcı) komutu kullanılarak

encoderin çok hızlı değişen frekansını okuyabilir.

8

1.2 PLC Tarihçesi

Şekil 1.1 Allen Bradley Plc 3

PLC’ler ilk olarak 1960’lı yılların sonunda ortaya çıktı. Böyle bir cihazın dizayn

edilmesinin temel nedeni röle tabanlı makine kontrol sistemlerinde bozulan rölelerin

değiştirilmesi işlemlerinin çok masraflı olmasıdır. İlk olarak Bedford Associates

(Bedford, MA) firması Modular Digital Controller (MODICON) adlı bir cihazı Amerikan

araba üreticilerine tanıttı.Başka diğer firmalar da o sıralarda bilgisayar tabanlı sistemlerini

ilan ettiler (örn. PDP-8). Ancak MODICON 084 dünyanın ilk ticari PLC’si olarak

piyasaya girdi.

Eskiden üretim gereksinimleri değiştikçe kontrol sistemleri de değişirdi .Değişim çok sık

olduğu zaman kontrol sistemlerinin de değiştirilmesi çok pahalıya mal oluyordu. Mekanik

elemanlar olan rölelerin sınırlı ömürlere sahip olması yüzünden devamlı olarak bakım ve

onarıma ihtiyaç duymaları dezavantajlarıydı.

Üretilecek yeni tip kontrollörler bakım ve işletme mühendisleri tarafından bile kolayca

programlanabilmeliydi. Ömürleri uzun olmalı ve program değişiklikleri ise kolayca ve

çabucak yapılabilmeliydi.Ayrıca bu cihazlar çok kötü endüstriyel ortamlarda

çalışacaklardı.Bütün bu ihtiyaçlara cevap verebilmek için üreticiler herkesin

anlayabileceği bir dilde programlanacak ve mekanik parçalar yerine katıhal elemanları

kullanacak cihazları geliştirdiler.

9

1970’li yılların ortalarında PLC’lerde kısmen ardışık durum makinaları diye adlandırılan

bir teknik, kısmen de düşük bitli mikroişlemciler kullanılıyordu.AMD 2901 and 2903

mikroişlemcileri o zamanın Modicon ve A-B marka PLC’lerinde en sık kullanılan

işlemcilerdi.Ancak bu eski işlemciler, küçük PLC lerin haricindeki diğer büyük PLClerde

ihtiyaçlara cevap veremiyorlardı.Bu işlemciler de geliştikçe orta ve büyük çaplı tüm

PLC’ler mikroişlemci tabanlı olmaya başladılar. Ancak buna rağmen A-B PLC3 serisi

hala eski AMD2903 işlemcisini kullanmaya devam etmektedir.

PLC’ler ilk olarak 1973’te haberleşme yeteneklerine sahip olmaya başladı.Böyle ilk

sistem Modicon’un MODBUS sistemidir .Artık bir PLC başka PLC’lerle konuşabiliyor ve

kontrol ettikleri makinalardan uzakta bulunabiliyorlardı. Ayrıca değişik mertebelerde

gerilim gönderip alarak da analog dünyaya giriş yapmışlardı. Ancak ne yazık ki, hızla

değişen teknolojide uyulacak bir standartın olmaması PLC haberleşmeleri konusunda çok

sayıda ve birbirleriyle uyumsuz protokollerin ve fiziksel ağların ortaya çıkmasına neden

olmuştur.

1980’lerde General Motors’un çıkardığı MAP adlı üretim otomasyon protokolü ile ilk

standartlaştırma adımı atıldı .Bu yıllar PLC’lerin boyutlarının da düşürüldüğü yıllardı.

Yine bu yıllarda, PLC’lerin programlanması için programlama terminalleri veya el

terminalleri yerine bilgisayar tabanlı sembolik programlama yazılımları da ortaya çıktı.

1990’lı yıllarda ise yeni protocol tanıtımlarının azaldığı ve 80’lerden kalan popüler bir

takım protokollerin fiziksel katmanlarının modernize edildiği yıllardır. En son çıkan IEC

1131-3 standartı tüm PLC programlama dillerinin tek bir uluslararası standart çatısı

altında toplamayı hedeflemektedir. Günümüzdeki PLC’ler aynı anda fonksiyon blok

diyagramları yöntemi, komut listesi yöntemi, ladder, C ve yapısal metin programlama

yöntemleri gibi tüm tekniklerle programlanabilmektedirler.

PLC’ler fabrika kontrolünde popülerliğini artırmaya devam etmektedir ve muhtemelen de

belirli bir süre de hakim unsur olarak kalacaktır. Bunun nedeni de PLC’lerin sunduğu

avantajlardır.

10

• Karmaşık sistemlerin kontrolünde en ekonomik çözüm sunması.

• Esnek yapıya sahip ve başka sistemlere kolay ve çabucak uygulanabilir.

• Hesaplayıcı ünitelere sahip olmasından ötürü sofistike kontrolleri gerçekleştirebilir.

• Programlaması ve arıza takibi kolaydır.

• Güvenilir parçalardan oluştuğu için yıllarca sorunsuz çalışabilir.

Bir PLC kabaca bir CPU (Merkezi İşlemci Birimi), bellek alanları ve giriş/çıkış bilgilerini

alıp verecek uygun devrelerden oluşur. PLC’yi yüzlerce veya binlerce adet ayrı röleler,

sayıcılar, zamanlayıcılar ve veri saklama yerlerinden oluşmuş bir kutu gibi düşünebiliriz.

Bu kadar eleman aslında fiziksel olarak mevcut değildir. Sadece simule edildiklerini ve

sanal olarak yazılımca yaratıldıklarını düşünebiliriz. Bu dahili röleler registerlarda

(yazmaç) bulunan bit konumlarında simüle edilirler.

Dahili Röleler (Kontaklar); Bunlar dış dünyaya bağlanır.Fiziksel olarak vardırlar ve

switch (anahtar), sensor (algılayıcılar) vs gibi elemanlardan sinyal alırlar.Röleden çok

transistor olarak imal edilirler.

Dahili Yardımcı Röleler (Kontaklar); Ne fiziksel olarak vardırlar ne de dışarıdan bir

sinyal alırlar. Simüle edilmiş veya sanal röleler diyebiliriz. Bunlar sayesinde PLC’nin

harici rölelere olan ihtiyacı azaltılmış olur. Bazen de, sadece bir tek özel iş için ayrılmış

röleler vardır. Bazı röleler her zaman açık, bazıları da kapalı olabilir. Bir kısmı da sadece

enerji verilmesi anında çalışırlar. Bunlar genellikle ilk başlatma işlemlerinde kullanılır.

Sayıcılar; Bunlar da aslında yokturlar. Pulse (darbe) sayabilmek için yazılımca

oluşturulan sanal sayaçlardır.Standart olarak yukarı, aşağı ve hem aşağı hem yukarı

sayabilme yetenekleri vardır. Yazılımca oluşturuldukları için sayma hızları sınırlıdır.Bazı

üreticiler donanım tabanlı yüksek süratli sayıcılar üretirler.Bu durumda onları fiziksel

olarak var sayabiliriz.

Zamanlayıcılar; Fiziksel olarak yokturlar. Değişik tiptedirler. En yaygın kullanılanı on-

delay (açmada gecikmeli) tipidir. Diğerleri kapamada gecikmeli, kalıcı ve kalıcı olmayan

olarak adlandırılabilir. Artış miktarları 1 ms ile 1 s aradındadır.

11

Çıkış Röleleri (Bobinler); Bunlar dış dünyaya bağlanan fiziksel bağlantılardır.Selenoid,

lamba vs gibi elemanlara sinyal gönderirler. Transistör, röle veya triyak gibi elemanlardan

imal edilebilirler.

Veri Saklama; Bir veriyi saklamak için yazmaçlar kullanılır. Bu yazmaçlar matematiksel

işlemler ve veri işlemleri için geçici saklama yerleridir. Ayrıca enerji gittiğinde bilgileri

saklamak için de kullanılabilirler. Enerji geri geldiğinde kesintiden önceki bilgileri

saklarlar.

1.3 PLC Program Yazılım Dilleri

1.3.1 Kontak Plan (LADDER Plan)

Ladder plan, röle ve kontaktörlerlerle yapılan klasik kumanda devrelerinin çizimlerine

benzeyen grafiksel bir programlama şeklidir. Ladder plan gerçek elektrik devrelerinde

olduğu gibi bir enerji kaynağından kontaklar aracılığıyla akan enerjiyi sembolize etmek

şeklinde kullanıcıya kolay gelebilecek bir programlama mantığına sahiptir. Ladder

programında sol tarafta gösterilen dikey çizgi enerji kaynağını gösterir. Kapalı kontaklar

enerji akışına izin verirken açık kontaklar enerji akışına izin vermezler. Ladder plan

yöntemi daha çok elektrik eğitimi almış kişiler ve yeni başlayanlar için uygundur. Şekil

1.2’de LADDER yöntemiyle yazılmış program örneği görülmektedir.

Şekil 1.2 Ladder Diyagram Örneği

12

1.3.2 Fonkiyon Plan (FBD)

FBD yöntemi, lojik kapıların kullanımına dayanan ve şematik bir gösterim şekli sunan

programlama şeklidir. Burada kullanılan lojik semboller kutular şeklinde gösterilir.

Sembollerin sol tarafında giriş sinyalleri, sağ tarafında ise çıkış sinyalleri bulunur. Bu

yöntem dijital elektronik eğitimi almış kişilerce daha rahat kullanılabilir. Şekil 1.3’te FBD

yöntemiyle yazılmış program örneği görülmektedir.

Şekil 1.3 FBD Program Örneği

1.3.3 Deyim Listesi (STL)

STL yönteminde PLC’nin türüne ve markasına göre aynı işlevi gören fakat yazılım

şeklinde küçük farklılıklar olan komutlar kullanılır. Bir komut yapılan işlemi belirten

Mnemonic ve üzerinde işlem yapılan hafıza alanlarını gösteren operantlardan oluşur. Bu

yöntem cihazın, makina koduna en yakın gösterim şekli olduğundan çok geniş

programlama imkanları sunar. STL yöntemi bilgisayar teknolojisine yatkın kişilere hitap

eder.STL, FBD ve LADDER yöntemiyle yazılan programlar hatasız yazılmış ve

derlenmiş olmak şartıyla birbirinin stillerine dönüştürülebilir. Şekil 1.4’te STL yöntemiyle

yazılmış program örneği görülmektedir.

Şekil 1.4 STL Program Örneği

13

1.4 Siemens S7-1200 Serisi PLC

Yapılan çalışmada S7-1200 serisi 1211C DC/DC/DC PLC kullanılmıştır. PLC’lerin genel

çalışması yapısı programlama mantıklarından kısaca bahsetmekmek gerekirse;

PLC (Programlanabilir Mantıksal Denetleyici, İngilizce: Programmable Logic Controller)

fabrikalardaki imalat hatları veya makinelerin kontrolü gibi işleçlerin denetiminde

kullanılan özel bilgisayar.

Genel kullanımlı bilgisayarların aksine PLC birçok girişi ve çıkışı olacak şekilde

düzenlenir ve elektriksel gürültülere, sıcaklık farklarına, mekanik darbe ve titreşimlere

karşı daha dayanıklı tasarlanırlar. PLC'lere denetleyeceği sistemin işleyişine uygun

programlar yüklenir. PLC programları, giriş bilgilerini milisaniyeler mertebesinde hızla

tarayarak buna uygun çıkış bilgilerini gerçek zamanlıya yakın, cevap verecek şekilde

çalışırlar.

Günümüzde diğer programlanabilir bilgisayarlarla arasındaki farklılıklar giderek

azalmaktadır. PLC bir bakıma monitörü ve klavyesi bulunmayan bir bilgisayar gibidir.

Mikroişlemcilerin maliyeti daha düşük olmasına rağmen, PLC'lerin tercih edilmelerinin

sebebi; elektronik tasarım için harcanacak zamanı en aza indirmesidir. Aynı zamanda

endüstriyel ortamların sahip olduğu koşullardan (manyetik alan, büyük sıcaklık farkları,

toz vb.) etkilenmeden çalışabilen hazır çözümler olmalarıdır.

Bir fabrikanın tüm otomasyon işlerini yüklenebilecek kadar Giriş/Çıkış sayısına sahip

PLC'ler bulunmaktadır. Günümüzde geliştirilen modüler yapıdaki PLC'lere gerektiğinde ek

giriş-çıkış modülleri, RS232, RS485, modem, ethernet gibi haberleşme modülleri

eklenebilmektedir. Bu gibi özelliklerle mevcut yapı geliştirilebilmektedir. Ayrıca birçok

modelde proses kontrolüne yönelik hazır on-off (aç-kapa), PID, Fuzzy (Bulanık) vb.

tiplerdeki kontrolörler standart olarak bulunmaktadır.

14

Şekil 1.5 Simens S71200 1211C

Projede Şekil 1.5’te gösterilen 1211C serisi PLC kullanılmıştır. 6 dijital girişe (I) 4 dijital

çıkışa (Q) ve iki analog girişe (AI) sahip 25Kb program hazıfazasına, (harici hafıza kartı

takılarak hafıza boyutu yükseltilebilir) DC giriş ve çıkışlara sahip, transistor çıkışlı

yapıdadır.

1.4.1 PLC PWM Modulasyonu

PWM (Pulse Width Modulation-Darbe Genlik Modülasyonu) tekniği, iki durumlu dijital

sinyalleri kullanarak analog bir ortalama değer oluşturmaya yarar. Üretilen bir kare

dalgada ON-OFF süreleri ayarlanarak sisteme verilen güç ayarlanabilir. PWM analog

olarak elde edilebileceği gibi mikrodenetleyiciler üzerinden de elde edilebilir.

PWM sinyali anahtarlama ile elde edilir. Burada önemli olan iki kavram vardır. Bunlar

frekans ve duty cycle (görev döngüsü) dır.

Duty Cycle: Sinyalin ON süresinin sabit T periyoduna oranıdır. Yüzde olarak ifade

edilebilir ve her zaman 0-1 arası bir değer alır. Bir PWM sinyalinin ortalama değeri, duty

cycle ile doğru orantılıdır ve D * Vmax + (1-D) * Vmin olarak bulunur.

15

Şekil 1.6 PWM Modulasyonu

Frekans: PWM frekansı sürülecek elemana göre özenle seçilmelidir. Transformatör, DC

motor gibi elemanlar anahtarlanırken frekansın insan kulağının duyma frekansları olan

20Hz-20kHz dışında seçilmesi gerekir. Aksi taktirde devre çalışırken rahatsız edici sesler

çıkarabilir. DC motorlarda frekans arttıkça tork azalır. Bu durumda tork ile gürültü

arasında uygun bir seçim yapmak gerekir. Anahtarlamalı güç kaynaklarında frekans bobin

değerlerini küçültürken anahtarlama kayıplarını artırır bu yüzden yine burada da frekans

konusunda uygun bir seçim yapmak gerekir.

1.5 Scada Sistemleri

Şekil 1.7 Scada

16

Bir sistemi tek bir merkezden denetlemek, izlemek ve kontrolünü sağlamak günümüzde

oldukça önemlidir. Bu sebeple SCADA sistemleri, enerji yönetimindeki en önemli

etkenlerden biridir. SCADA sistemleri, endüstriyel tesislerde veya işletmelerdeki tüm

ekipmanların kontrolünü, tesise veya işletmeye ait tüm birimlerin otomatik kontrolünü ve

yönetimini sağlar. Siemens bu konuda Simatic WinCC SCADA Sistemi ile kullanıcılara

büyük kolaylıklar sağlıyor.

PLC’ler endüstriyel otomasyonun her alanında genel amaçlı kumanda ve otomasyon

işlemleri için kullanıcılara çok etkili çözümler sunmaktadır. SCADA sistemleri ise

endüstriyel tesis veya işletme içinde geniş alana yayılmış cihazların bir merkezden

bilgisayarlar aracılığıyla kontrol edilmesini, gözetlenmesi ve yönetimini sağlar. Böylece

sistem, programlanmış veya tasarlanmış bir mantık çerçevesinde işletilir ve geçmiş zamana

ait bilgiler saklanır.

SCADA sistemleri ile bir tesisin, santralin, fabrikanın, işletmenin veya bir binanın kontrolü

tek bir merkezden sağlanabilmektedir. Bir sistemi tek bir yerden kontrolünü sağlamak, o

sistemin yönetimi için büyük avantajlar sağlar. Üretim ve tüketim verileri her an kayıt

altına alınır ve analiz edilebilmektedir. Sistemin enerji takibi yapılır. Bu sayede enerji

tasarrufu sağlanabilir. Yani SCADA sistemlerinin enerji verimliliğine katkısı büyüktür.

Enerji yönetilerek enerji tasarrufu yapılır. Enerji yönetimini de SCADA sistemleri

yapmaktadır.

Ayrıca SCADA sistemleri sayesinde endüstriyel tesislerde meydana gelebilecek bir

durumdan önce haber alınması ve anında müdahale edilmesi sağlanabilir. Bu müdahaleler

kayıt altına alınabilmektedir. Arıza riski olan bölgeler tespit edilebilir. Kompanzasyon vb.

sistemlerde tesislerin ceza alması önlenebilir.

17

1.5.1 Siemens SCADA Sistemleri: Simatic WinCC

Enerji yönetiminde ve otomasyon alanında önde gelen firması Siemens, Simatic WinCC

SCADA yazılımı ile SCADA sistemlerinde en çok tercih kullanılan ürünüdür. Çok yönlü

ve çok dilli uygulamaları ile dünyanın farklı yerlerinde kullanılabilen bir yazılım olan

Simatic WinCC, Windows işletim sisteminin olanaklarını kullanarak otomasyon

konusunda endüstriyel uygulamalarda verimli arayüzü ile önemli ayrıcalıklar sağlar.

Çoklu dokunmatik uygulaması, tasarım şablonları, mobil olarak çözümler sunabilmesi ve

her türlü donanıma entegre olabilmesi gibi birçok avantajı barındıran Simatic WinCC

SCADA yazılımı kullanıcılara büyük kolaylıklar sağlamaktadır. Sürekli güncellenen ve

geliştirilen WinCC SCADA yazılımının birçok versiyonları mevcuttur. Kullanıcılara

yapmak istedikleri tüm işlem akışının kolay bir yoldan tüm yönleriyle otomatik olarak

gözleyip, kontrol edilmesine imkan tanır.

Simatic WinCC, güçlü arşivleme ve yüksek veri güvenlik sistemini etkin bir mühendislikle

birleştirerek işletmelerde üretkenliğin ve verimliliğin artmasını sağlar. Etkili kontrol

sistemi ve akıllı üretim analizi ile kullanıcılara kolaylık sağlar. Böylece sistem

operatörlerinin endüstriyel tesislerdeki kritik noktaları tespit dilmesi sağlanır. Düşük

maliyet ve verimlilik açısından tesis için optimizasyon çalışmalarının yapılması sağlanır

Simatic WinCC yazılımının yeni versiyonları geliştirilmektedir. WinCC, herhangi bir

zamanda herhangi bir yerde mobil olarak SCADA çözümleri de sunabilmektedir. Mobil

uygulamalar tabletler ve akıllı telefonlar içinde geçerlidir. Ayrıca çoklu dokunmatik

operatör kontrol konsepti, yakınlaştırma ve ekran kaydırma gibi sezgisel işlemler, operatör

işlemlerini daha kolay getirir..

Simatic WinCC sisteminin ölçeklenebilmesi en büyük avantajlarındandır. Sistem kontrolü,

tek kullanıcılı bir istasyondan, sunuculu/istemcili çözümlere kadar her türlü sistemin

gereksinimi sağlanacak şekilde genişletilebilir.Simatic WinCC, esnekliği, açıklığı, çok

yönlü ve çok dilli konfigürasyonları ile dünyanın en çok kullanılan SCADA sistemidir. Var

olan her donanıma kolayca entegre olabilen WinCC, merkezi olarak değiştirilebilen

tasarım şablonları ile kullanımı kolaydır.

18

1.6 Fırçalı DC Motor

Elektrik enerjisini, mekanik enerjiye çeviren elektrik makinasına doğru akım motoru

denir. Doğru akım motorlarına DA motor veya DC motor da denilmektedir. Buna bağlı

olarak doğru akım makinası, doğru akım genaratörü yada doğru akım motoru olarak da

çalıştırılabilir.

Şekil 1.8 Dc Motorun Genel Yapısı

Herhangi bir iletkene doğru akım uygulandığında iletken, sabit bir manyetik alan

meydana getirir. N ve S kutuplarından meydana gelen bu sabit manyetik alan etki alanının

içindeki iletken cisimlere yada farklı manyetik alanlara sabit mıknatısın gösterdiği etkiyi

gösterir. İletken cisimleri çeker, aynı kutuplu manyetik alanları iter; farklı kutuplu

manyetik alanları çeker. N kutbundan S kutbuna doğru meydana gelen bu kuvvete

manyetik akı adı verilir. Doğru akım motorları, duran ve dönen kısımlardan meydana

gelir. Duran kısım stator, dönen kısım ise rotordur.

1.6.1 Stator

Stator makinanın dış tarafında kalan, duran kısmıdır. Karkas üstüne yerleştirilen ana ve

yardımcı kutuplar ve bunlar üstündeki sargılardan meydana gelir. Mıknatıs 18lanine

sağlar. Makinadaki sargılar doğru akımla beslenir. Doğru akım motorlarında manyetik

alan endüktörde oluşur. Aynı zamanda endüktöre kutup da denir.

19

1.6.2 Endüvi (Rotor)

Endüvi, iletkenleri taşıyan ve gerilim indüklenen bölümdür. Doğru akım motorlarının

dönen kısmına endüvi denir. Endüvi milinden mekanik enerji alınır. Rotor mıknatıs

alanında döner. Stator ile rotorun bir ortak yönü vardır. Her ikisinde de saç paket ve

bobinler bulunur. Endüvi, çelik bir mil üzerine preslenmiş rotor sac paketlerinden, bu sac

paketi oluklarına döşenmiş endüvi sargılarından ve sargı uçlarının bağlandığı bir

kollektörden oluşur. Rotor akımı, fırça adını verdiğimiz (yayların bastırdığı) kömür

çubuklarla kollektör denilen bakır lamalardan meydana gelen kısımdan verilir.

1.6.3 Fırça

Dış devrede ki akımı, fırçalar yardımı ile endüviye ileten sistemde doğru akım motorları

kullanılır. İletimi iyi sağlayan ve aşınmayı asgariye indiren fırça kullanılır. Yani aşınmayı

fazlalaştıran saf bakır kullanılmaz. Kolektör ile elektriksel bağlantıyı sağlayan kömürden

yapılmış fırçalar, fırça tutucuları ve fırça taşıyıcıları monte edilmiştir. Fırçalar, makinanın

akım ve gerilimine göre sert, orta, yumuşak karbonlardan imal edilirler. Bazen iletkenliği

arttırmak için karbon bakır alaşımlı yapılırlar.

1.6.4. Kollektör

Kollektör sayesinde doğru akım motorlarında endüviye gerilimin iletilmesi sağlanır.

Statorda üretilen alternatif gerilim kolektör tarafından doğrultulur ve kolektör üzerine

temas eden fırçalar yardımı ile dış devreye iletilir. Kollektör birbirinden tek tek yalıtılmış

sert bakır levhalardan oluşur. Bu levhalar bakalit dökümü veya mekanik bir sıkıştırma

yöntemi ile birleştirilmiştir. Endüvide üretilen alternatif gerilim, kollektör tarafından

doğrultulur ve kollektör üzerine temas eden fırçalar yardımıyla dış devreye

iletilir. Kollektör dilimleri yüksek ısıya dayanıklı sert bakırdan yapılır.

20

1.6.5 Enkoder

Şekil 1.9 Encoder

Encoder dönme hareketini ardışık sayısal sinyallere çevirerek dönme hızı ve dönme sayısı

hakkında bilgi verir. Manyetik veya optik olarak çalışır. Doğrusal ve döner olmak üzere

ikiye ayrılır.

Döner encoderlar da konum bilgisinin veriliş tarzına göre artımlı ve mutlak olmak üzere

ikiye ayrılır. Optik sensörlerde ışık kaynağı, alıcı ve üzerinde yarık ya da çizgiler kullanılır.

Artımlı (incremental) encoderda disk yarıklı ise ışık, yarıktan geçerek alıcıya gelir.

Yansımalı tipte ise ışık, üzerine siyah ve beyaz çizgiler çizilmiş disk üzerinden yansır.

Şekil 1.10 Artırımlı Enkoder Yapısı

21

Dönüş yönü için iki sıra hâlinde dizilmiş yarıklar kullanılır. Alttaki yarıkla üstteki yarık

arasında çeyrek açıklık vardır. Üstteki yarıktan gelen sinyale A, alltan gelen sinyale B

kanalı denir. Mil döndükçe mil hızıyla orantılı bir frekansta bu kanallarda pulse üretilir. Bu

iki sinyal arasındaki faz farkı dönme yönü konusunda bilgi verir. Örneğin A kanalı B’ye

göre önde ise mil saat yönünde döner. Disk üzerindeki yarık sayısı encoderin

çözünürlüğünü verir. Diskte 1024 yarık ya da iz var ise bu encoderın çözünürlüğü 1024

adım/tur olarak verilir. Her bir kanaldaki pulse sayısı ve çözünürlük bilinirse milin açısal

konumu tayin edilir. Encoderlarda çoğunlukla üçüncü bir kanal daha bulunur. Z ya da

indeks kanalı denilen bu kanal, her turda bir pulse üretirek milin dönme sayısı hakkında

bilgi verir. Ayrıca mekanizmalarda başlangıç konumuna gelmek için bir referans sinyali

olarak da kullanılır.

1.6.6 Projede Kullanılan Motorun Genel Özellikleri

Şekil 1.11 47:1 Redüktörlü DC Motor

Çalışma Voltajı: 12V

Hız: 210 Rpm

Boşta Çektiği Akım: 300mA

Zorlanma Akımı: 5.6A

Redüktör Çapı: 25mm

Mil: 4mm D Şaft Ortadan Çıkışlı

Mil Uzunluğu: 12.5mm

Zorlanma Torku: 12 kg- cm

22

BÖLÜM 2

2.1 Güç Bileşenlerinin Tanımlanması

2.1.1 H Köprüsü

H köprüsü DC motor yön ve hız control devrelerinde mutlaka kullanılması gereken

sürücülerdir.Genel olarak 4 adet güç transistörü, mosfet ,JFET kullanılarak istenilen güçe

uygun H köprüsü tasarımları yapılabilir.

Şekil 2.1 Motor Sağ Yön Çalışma

Şekil 2.2 Motor Sol Yön Çalışma

Şekil 2.1. ve şekil 2.2’de bir Dc motor sürücü H köprüsü devresinde, collektörler arasına

bağlanan bir Dc motorun sağ-sol çalışma prensibi gösterilmiştir.Burada dikkat edilmesi

gereken husus motoru kısa devre etmemektir.Bu yüzden hem sağ hem sol yön sinyalleri

birlikde güç transistörlerine uygulanmamalıdır.

23

Şekil 2.3 H Köprüsü Tasarımı

Projemizde Şekil 2.3’de devre şeması gösterilen H köprüsü tasarlanmış ve simulasyonu

ISIS programında yapılmıştır.Devrede güç transistörleri doğrudan optacuplerin çıkışından

değil bir düşük güçlü 2N2222 tip NPN transistor ile sürülmüştür.Devredeki diyotlar

parazitleri engellemek ve ters EMK’ları ortadan kaldırmak için kullanılmıştır.

2.1.2 Güç Transistörleri

Projede iki adet TIP142 NPN, ve TIP147 PNP darlington güç transistörü kullanılmıştır.

Darlington bağlantısı ya da Darlington çifti, aynı tür iki ya da üç BJT'nin (Bipolar

Jonksiyonlu Transistör) birbirlerine doğrudan bağlanmaları ile oluşturulan elektronik devre

yapısıdır.

Şekil 2.4 Güç Transistörleri Yapısı

24

Darlington bağlantısı ile üretilmiş transistörler, genellikle güç kuvvetlendiricilerinin çıkış

katlarında tercih edilirler. Darlington çiftinin akım kazancı, yaklaşık olarak her iki

transistörün akım kazançları çarpımına eşittir. Örneğin 1. transistörün ileri yönde akım

kazancı βF1 = 50, 2. transistörün ileri yönde akım kazancı βF2 = 80 ise Darlington çiftinin

ileri yönde akım kazancı yaklaşık olarak;

βFD ~= βF1 x βF2 = 50 x 80 = 4000 'dir.

Görüldüğü gibi, aynı tür iki transistör Darlington yöntemiyle bağlandığında, çok büyük

akım kazançlarına ulaşırlar.

2.1.3. Optakuplor

Şekil 2.5 Optakuplor Yapısı

Elektriksel bir bağlantı olmadan düşük gerilimlerle, yüksek gerilim ve akımları kontrol

edebilen, yalıtım amaçlı kullanılan devre elemanına denir. Optokuplörün çalışması şekil

2.5’te görüldüğü gibi bir iletişim sistemi olarak düşünülebilir. Led’e bir giriş işareti

uygulandığında, yayılan ışık Fototransistör tarafından alınır ve tekrar elektriksel işarete

dönüştürülür.

Projede optakuplor 2 amaç için kullanılmıştır; ilk amaç olarak güç katı ve sinyal katını

birbirinden elektriksel olarak soyutlamak için kullanmıştır.PLC PWM outputundan 0-10V

arası üretilen PWM sinyali optakuplorun led ucuna bağlanmıştır.PWM sinyalin

frekansına göre led enerjilendikçe fototransistör iletime geçmiş optakuplor çıkışına bağlı

anahtarlama transistörü güç transistörlerini iletime geçirmiştir.PWM frekansına göre çok

hızlı olarak anahtarlama yapabilmesi için 4N25 tipi optakuplörler kullanılmıştır.

25

İkinci bir amaç olarakda motorun miline bağlı encoderin çalışma voltajı 3-20V arası

olarak datasheetde belirtilmiştir.Encoderin A ve B kanalı doğrudan PLC inputlarına

bağlanmıştır.Ancak PLC input, +24V seviyesindeki voltajları algılayabilmektir.Bizim

encoder çıkışlarından maksimum alabileceğimiz voltaj +20V’dur.Encoder çıkışlarından

alınan voltajı ayrı bir devre kullanarak +24V seviyesine yükseltmek yerine, encoder A ve

B kanalı 4N35 tip optakuplorın led anot ucuna bağlanmış, fototransitörün kollektör ucuna

+24V DC uygulanmış emiter ucuda PLC inputuna aktarılmıştır.Bu durumda encoder

çıkışları bir optakuplor yapısı içerisinde bir fototransistörü sürmüş, fototransistörün

Collektor-Emıter ucları arasıda +24V DC seviyesinde PLC’nin algılayabileceği voltaj

inputlara uygulanmıştır.Bölüm 3’de yapılan deneysel çalışmalar kısmında bu bölümün

elektriksel şeması detaylı olarak gösterilecektir.

2.1.4 Diyot

Şekil 2.6 Sürücü Devrelerinde Diyotların Kullanımı

Güç devresi uygulamalarında teoride öngörülemeyen ama uygulamada ortaya çıkan en

önemli problemlerin başında parazitler ve ters endüktif gerilimler gelir.Motorun durması

sırasında motor uçları arasındaki akım aynı anda sıfırlanamayacağı için, bir endüktif

gerilim meydana gelebilir ve bu gerilim transistörlere zarar verebilir.Bu nedenle sürücü

devresi tasarımlarında bu değişimlere hızlı cevap verebilen diyotlar ilave edilir.Böylece

güç devresi bileşenleri korunur, kaçak akımlar diyotlar üzerinde yok edilir.

26

BÖLÜM 3

3.1 Sistemin Modellenmesi ve Proje Çizimleri

3.1.1 DC Motor Hız Kontrol Diyagramı

Şekil 3.1 Dc Motor Kontrol Akış Şeması

DC motor kontrol modeli blok diyagramı Şekil 3.1’de gösterildiği gibi

tasarlanmıştır.Sistemin PID parametleri TIA portal program arayüzü ile

programlanmıştır.Sürücü devreye uygulanan set değeri ve encoderden gelen hız bilgisi

sürekli olarak örneklenip karşılaştırılmıştır.

Dc motorlar yüke bindiklerinde güç devresinden çektikleri akım artar ama ters orantılı

olarak voltaj değeri düşer. Voltaj değeri düştüğünde motor hızı uygulanan voltaj ile doğru

orantılı olduğu için, motorun hızı da düşer. Bu durumda PID devreye girerek düşen hız

girişte uygulanan değere çıkarmak için PWM frekansını yükseltir.

27

3.1.2 DC Motor Tork Grafikleri

Şekil 3.2 DC Motor Tork Grafikleri

3.2. PID Grafikleri

Şekil 3.3 Motorun Yük Altında PID Grafiği

Şekil 3.3’de motor %60 ile çalışırken yük uygulanmış ve encoder çıkışından şekilde

görüldüğü gibi yük altında motorun hızının %56 seviyesine düştüğü gözlenmiştir.

28

Bu durumda PİD parametresi devreye girerek motora uygulanan set değerini %65’lere

çıkararak motorun %60 ile çalışmaya devam etmesini sağlamıştır.Sistemin yerleşme

süresi yaklaşık 3 saniyedir.

Şekil 3.4 PID Parametleri

3.3. Sistemin Elektriksel Eşdeğeri

Şekil 3.5 Sistemin Elektrik Devresi

29

Şekil 3.5’de sistemin bütün elektriksel bağlantıları Eplan Electric P8 programında

çizilmiştir.Sistemin bütün güç ve kontrol bağlantıları açıkca gösterilmiştir. E plan

elektriksel bağlantıları projelendirmek ve isimlendirmek için kullanılan bir arayüz olduğu

için H köprüsünün içerisindeki bağlantılar Şekil 3.5’da gösterilmiştir.

3.3.1 Kontrol Panel Ekranı

Şekil 3.6 Kontrol Paneli

Sistem TIA Portal programı içerisinde bulunan, WinnCC Scada panel tasarım

programıyla tasarlanan Şekil 3.6’da gösterilen sanal panel ile kontrol edilmektedir.WinCC

dünyada ilk IHMI (insan arayüz makine bütünleşmesi) yazılım sistemidir.Tasarladığımız

bir sistemi görsel olarak takip etmeyi, gerektiğinde müdahale etmeyi sağlayan çok amaçlı

bir yazılımdır.Bütün Siemens marka PLC’ler hem sanal hemde fiziki olarak WinCC ile

tasarlanan panellerle kolayca iletişimlendirilebilir.

Şekil 3.6’de gösterilen kontrol ekranında Dc motoru ileri geri yönde çalıştıracak butonlar,

PWM frekansı ayarlayabileceğimiz ve motoru istediğimiz değerde çalıştırabileceğimiz

skala, encoderden gelen bilgiyi ekrana yansıtan skala, PİD çıkışını gösteren skala

bulunmaktadır.Bunun yanında PWM frekansını, encoder frekansını, ve PİD çıkışını

30

grafiksel olarak gösteren bir ekran tasarlanmıştır.Siemens marka bir panele tasarımımız

yüklenerek sistem panel üzerinden fiziki olarak kontrol edilebilir.

3.4 Sonıçlar

DC Motor Plc Pwm Modulasyon hız kontrol uygulamalarında, Plc’den sürücü devreye

uygulanacak Pwm frekansı ilk olarak hesaplanmalı, güç devresindeki güç elemanlarının

güç harcamaları da hesaba katılmalıdır.Sürücü devrelerde ortaya çıkan elektriksel

parazitler, diyot kondansatör gibi devre elemanlarıyla ortadan kaldırılmalıdır.Plc ile güç

devresini birbirinden ayıran optakuplörün çalışma frekansı, Pwm frekansı ile çalışmaya

uyumlu olmalıdır.

Plc ile bir motorun hızını panel üzerinden veya yazılım üzerinden kontrol ederken,

potansiyometre kullanırak yapılan hız kontrol devrelerini kullanmaya gerek

kalmamaktadır.Hız kontrol devrelerine oranla Plc Pwm modülasyonu ile hız kontrol çok

daha hassas hız kontrolü sağlamaktadır.

Endüstriyel otomasyon alanında Plc ile hız kontrol uygulamaları çok yaygın olarak

kullanılmaktadır.Amaca uygun olarak seçilen Plc’ler ile bir fabrikadaki bütün sistemler

hassas olarak kontrol edilebilir.

31

BÖLÜM 4

4.1 Kaynakça

[1] Yavuz Eminoğlu

‘‘ Plc Programlama ve S7 1200’’ Birsen Yayınevi, İstanbul 2015

[2] Ali Aktuna , Mustafa Uzun

‘‘Fırçasız Doğru Akım Motorunun PLC ile Hız Kontrolü ’’ Trabzon 2012

[3] Pololu DC Motor Sürücü Sitesi (2016)

https://www.pololu.com/product/3217

[4] Siemens Endüstriyel Çözümler Sitesi (2016)

http://www.siemens.com.tr/web/1293-11663-1-

1/siemens_urunler___cozumler/siemens_urunler___cozumler/endustri/end_252stri_otomasy

onu

[5] S. Akpınar

‘‘Özel Elektrik Makinaları Ders Notları’’ Karadeniz Teknik Üniversitesi, Trabzon 2010

[6] MEGEP

‘‘Scada Sistemleri’’ Ankara 2007

32

4.2 Ekler

Plc ladder diyagramı ile programlanmıştır.

Network 1: Yön değiştirmede bekleme süresi

Network 2: İleri ve Geri Çıkışlarının Data Bloklarına Atanması

33

Network 3: İleri ve Geri Yönde Aynı Anda Çalışmayı Engelleme

Network 4: PWM

Network 5: Scada Ekranında Pwm Frekansının Skala Olarak Atanması

34

Network 6: PWM Parametlerini İleri-Geri Yönde Atama

Network 7: Rampa Fonksiyonu

Network 8: Skala

35

Network 9: Encoder

Network 10: Encoder minimum ve maksimum değerlerin atanması

Network 11: Encoder Skalasının Atanması

36

Network 12: Encoder Frekansını Skalaya Atama

Network 13: PID Skalasının Atanması

Network 14: PID Bloğu

37

Network 15: PID

Network 16: PID

Network 17: Çıkışların PLC’ye Atanması

38

ÖZGEÇMİŞ

Celal ACAR 1993 yılında Kastamonu’da doğdu, ilköğrenimi ve

ortaöğrenimini Fatih İlköğretim Okulun da, lise öğrenimini ise

Haydarpaşa Teknik Lisesinde tamamladı. 2011 yılında

Kastamonu Üniversitesi Mekatronik bölümünü kazandı. 2013

yılında DGS (dikey geçiş sınavı) ile Karabük Üniversitesi

Mühendislik Fakültesi Mekatronik Mühendisliği bölümünü

kazandı ve öğrenim hayatına devam etmektedir.

İletişim Bilgileri

Adres: Fatih mah. Sümer cd. No:12/2

Sultanbeyli/İSTANBUL

E-posta: acarcelal037@gmail.com

Telefon: +90 539 561 46 12

39

ÖZGEÇMİŞ

Beytullah Dönmez 1992 yılında Karabük’te doğdu,

ilköğrenimi ve ortaöğrenimini Penyelüks Hasan Gürel

İlköğretim Okulun da, lise öğrenimini ise Nahit Menteşe

Endüstri Meslek Lisesinde tamamladı. 2011 yılında Tekirdağ

Namık Kemal Üniversitesinde Kontrol ve Otomasyon

Teknolojisi bölümünde önlisans eğitimini tamamladı. 2013

yılında DGS (dikey geçiş sınavı) ile Karabük Üniversitesi

Mühendislik Fakültesi Mekatronik Mühendisliği bölümünü

kazandı ve öğrenim hayatına devam etmektedir.

İletişim Bilgileri

Adres: Tevfikbey mahallesi Gökmen sokak.Yeni Özbirlik sitesi No:12

Küçükçekmece / İSTANBUL

E-posta: beytullahdonmez78@gmail.com

Telefon: +90 554 713 13 98