30-04-2007, Saat: 23:15
2. PLC ELEMANLARI
Programlanabilir denetleyiciler olarak adlandırılan sistemler, günümüzde
yaygın olarak, otomatik kontrol düzenlerinde kullanılmakta olan mikroişlemci tabanlı
endüstriyel otomasyon cihazlardır. PLC ikili giriş sinyallerini işleyerek, teknik işlemleri,
çalışmaların adımlarını direkt olarak etkileyecek çıkış işaretlerini oluşturur.
Çoğunlukla programlanabilir denetleyicilerin yapabileceği işlerde bir sınır
yoktur. PLC, bir iş akışındaki bütün adımlan doğru zaman ve doğru sıradaki bir
hareket içerisinde olmasını sağlar.
Kontrol problemlerinin çözümünde teknik olarak görülmüştür ki bu problemlerin
karmaşıklığına göre PLC uygulamalar değişebilir. Bununla beraber aşağıdaki temel
elemanlar PLC uygulamaları için daima gereklidir.
1) Donanım (Hardware)
2) Yazılım (Software)
3) Algılayıcılar (Sensörler)
4) İş elemanları
5) Programlayıcı
2.1 DONANIM (HARDWARE): Donamım elektronik modüller anlamında kullanılır. Bu modüller sistemin bütün
fonksiyonlarını veya makineyi kontrol edebilir, adresleyebilir ve belirli bir iş akışının
sırasında harekete geçebilirler. PLC’nin donanım elemanlarını şu şekilde
sınıflandırabiliriz.
1) Merkezi işlem birimi (CPU)
2) Giriş birimi (INPUTS)
3) Çıkış birimi (OUTPUTS)
4) Programlayıcı birimi (PROGRAMMABLE)
5) Hafıza bölgeleri (MEMORY)
6) Sayıcılar (COUNTER)
7) Zamanlayıcılar (TIMER)
8) Bayrak foksiyonları (FLAGS)
BÖLÜM 2
Resim2.1 Sımatıc S2-200 PLC
2.2 ALGILAYICILAR ( SENSÖRLER )
Bu elemanlar kontrol edilecek bir makine ya veya bir sisteme direkt olarak
ağlanırlar. Bilgi, bu elemanların elektriksel akım değerlerine göre algılama PLC’ ye
iletilir. Algılayıcılara örnek olarak;
1) Sınır anahtarlar
2) İşaret üreticiler
3) Fotoseller
4) Sıcaklık algılayıcıları verilebilir.
Otomasyonun oluşturan sisteminin başlıca elemanlarından olan sensörleri,
sensör çeşitlerini kısaca açıklayalım.
Basmalı veya kendi algılama maddesini gördüğünde tüm işlemlerin otomatik
üretim akışı ve makine hareketlerinin geri besleme bilgisinin denetleyici birimlere
aktarılması için sensörlere ihtiyaç duyulur. Sensörler konum, sınır seviye hakkında
bilgi veren veya darbe iletici olarak görev yapan standart üç renkli kablolu
elemanlardır. Elektronik sensörler içerisinde iki tanesi güvenirliliğini kanıtlamıştır. Bu
sensörler Endüktif ve Kapasitif yaklaşım anahtarıdır ve çok geniş bir malzeme
çeşidini algılayabilir. Buna bir örnek vermek gerekirse kapasitif bir sensörle karton
kutunun arkasındaki cam camın içerisinde sıvı var mı? Onu algılattırılabilmektedir. Bu
durumda algılanan elemana göre sensör seçimi yapılması gerekir. Aşağıda birkaç
sensör ve algıladığı maddeler verilmiştir.
a) Manyetik sensörler, mıknatısları algılar.
b) Optik Sensörler, ışığı yansıtan veya yolunu kesen malzemeleri algılar.
c) Makaralı siviçler, makarayı bastırma gücüne sahip her şeyi algılar.
d) Kapasitif sensörler, kağıt, metal, plastik, sıvı, nem, cam gibileri algılar.
e) Endüktif sensörler, metalleri algılar.
f) Ultrasonik sensörler, sesi yansıtan veya kesen malzemeleri algılar.
g) Pnömatik sensörler, havayı yansıtan veya yolunu kesen her şeyi algılar.
GİRİŞ
Tüm otomatik işlemlerde üretimin akışı ve makine hareketlerinin, geri besleme bilgisi
olarak denetleyici birimlere aktarılması için sensörlere kesinlikle gerek vardır.
Sensörler konum, sınır, seviye bilgileri verirler veya darbe iletici olarak görev
yaparlar. Elektronik sensörler içinde iki tanesi endüstri uygulamaları için çok güvenilir
olduklarını kanıtlamışlardır: İndüktif ve kapasitif yaklaşım anahtarları. Bu yaklaşım
anahtarları çok geniş bir malzeme çeşidini dokunmadan algılamak için uygundur.
Bu seminer notlarında bu iki sensörün çalışma ilkeleri, olası kullanım kıstasları ve
özelliklerine detaylı olarak yer verilmiştir. Tipik uygulamaları ve her uygulamaya en
uygun seçimi kolaylaştırmak için olası yapı şekilleri gösterilecektir. İndüktif ve
kapasitif sensörler için kullanılan çok fazla isim vardır yaklaşım anahtarı, dokunmasız
konum gösterici, yaklaşım algılayıcı vb... Ek olarak üretici firmaların özel isimleri de
kullanılmaktadır, örneğin efector (ifm electronic 'in tescilli markası) Bu notlarında
kullanılacak olan terim uluslararası standart kabul edilen "yaklaşım anahtarı" dır.
2. İNDÜKTİF YAKLAŞIM ANAHTARLARI
2.1. İNDÜKTİF YAKLAŞIM ANAHTARLARININ ÇALIŞMA İLKESİ
İndüktif yaklaşım anahtarı, iletken malzeme içerisinde girdap akımı kayıplarının
neden olduğu bir rezonans devresinin kalite faktöründeki değişikliğin fiziksel
etkisinden yararlanır. Bir LC osilatörü 100 kHz. ile 1 MHz. arasında yüksek frekanslı
bir elektromanyetik alan oluşturur ( Bkz. şekil 1 şekilden görüldüğü gibi alan herhangi
bir yöne yönelmeden sargı eksenine göre simetrik biçimlenir. Bununla beraber
gerçekte, yalnızca akım taşıyan iletkenden oluşan bir sargı kullanılmaz ve yüksek
geçirgenliği olan Ferit malzeme yardımıyla elektromanyetik alana istenilen doğrultuda
bir yön v Bkz. şekil 2 ve 3 ) . Ferit çekirdek üzerine yerleştirilen sargının manyetik
alanı sensör etrafında yoğunlaşmış olur (özellikle duyarlı bir hale gelen sensörün
etkin alanının ön tarafında) . Eğer sargı ve Ferit çekirdek ayrıca bir metal ekranla
çevrilmiş ise ( Bkz. şekil 3 ) manyetik alan tümüyle sensörün ön tarafındaki alanda
sınırlanmış olur. Böylece sensörün kenarları anahtarlama özelliğini etkilemeden
tümüyle metalle çevrilebilir ( gömülebilir montaj özelliği ) .
Şekil 1
Şekil 2
Şekil 3
İndüktif sensör resimleri
Eğer bir iletken malzeme, yaratılan elektromanyetik alan içine girerse, indüksiyon
yasasına göre malzeme içinde girdap akımları oluşur ve osilatör devresinden enerji
çeker.
İndüktif sensörün elektromanyetik alanı
1- Ferit çekirdek
2- Sargı
3- Muhafaza
4- Elektromanyetik alan
Şekil 4
Bu sistem birincil sargısının indüktans L, ikincil sargısının ve yükün iletken malzeme
ile gösterildiği bir transformatör ile karşılaştırılabilir. Birincil ve ikincil sargılar
arasındaki tek bağlantı havada oluşturulan alandır. Oluşan girdap akımı kayıplarının
çokluğu bir takım etkenlere bağlıdır:
• Sensörün önündeki malzemenin uzaklığı ve konumu
• Cismin boyutları ve şekli
• Cismin iletkenliği ve geçirgenliği
Osilasyon devresini sınırsız bir enerji ile beslemek olası olmadığı için yaklaşım
anahtarının etkin alanının içine bir iletken malzeme girdiği zaman osilasyon bozulur.
İki durum arasındaki bu fark :
1) cisim kritik mesafenin dışında - osilatör büyük bir genlikle salınır
2) cisim kritik mesafenin içinde - osilatör küçük bir genlikle salınır veya hiç
salınmaz
kolaylıkla değerlendirilebilecek bir sinyale dönüştürülebilir.
İndüktif algılama ilkesi
2.2. İNDÜKTİF YAKLAŞIM ANAHTARININ ÖZELLİKLERİ
Yukarıda verilen indüktif sensörün çalışma ilkesinden aşağıdaki temel özellikler
çıkarılabilir:
Bir indüktif yaklaşım anahtarı tüm iletken malzemeleri algılayabilir. çalışması ne
mıknatıslana-bilir malzemelerle ne de metallerle sınırlıdır. Salınan elektromanyetik
alana dayalı çalışma ilkesinden dolayı yaklaşım anahtarı, cisimlerin hareket edip
etmemelerine bakmadan onları algılar. İndüktif yaklaşım anahtarı birkaç mikrovat' lık
bir elektrik enerjisi ile çalıştığından yarattığı yüksek frekanslı alan radyo gürültüsünü
artırmaz. Ayrıca hedef cisim üzerinde ölçülebilecek kadar çok ısınma olmaz.
Sensörün cisim üzerinde manyetik bir etkisi yoktur. Tüm pratik uygulamalarda hedef
cisim her türlü etkiden uzaktır.
Şekil 6'da hedef cismin enerji harcaması, osilasyon devresindeki direnç değişimi
olarak gösterilmektedir. Aradaki ilişkinin açıkça doğrusal olmadığı görülebilir. Bu
nedenle indüktif anahtar, uzaklık ile orantılı bir sinyal iletmede yalnızca sinirli bir
kullanıma sahiptir. Sonuç olarak asıl uygulama alanı bir sayısal anahtar olarak
kullanılmasıdır.
Sensörün ucundan hedef plakaya olan uzaklığın (S) bir fonksiyonu olarak
direnç değerindeki ® (hedef plakada harcanan güce bağlı görünür direnç)
değişimin tipik eğrisi
Şekil 6
İndüktif yaklaşım anahtarını olası rakibi mekanik siviç ile karşılaştırdığımız zaman,
mekanik sivicin aşağıdaki özelliklerini görürüz:
Örnek algılama kafaları kollar, rollar, spiraller
1. Anahtarlama işlemi için kuvvet gerekliliği
2. Düşük anahtarlama frekansı
3. Açılar ve yaklaşımları hesaplama zorunluluğu
4. Mekanik olarak hareketli parçalarda aşınma
5. Aşınma sonucu anahtarlama noktasında kayma
6. Kontak değişiminde geçiş direnci
7. Anahtarlama işlemi sayısına bağlı ömür
Öte yandan, dokunmaksızın bir cismin yaklaşımını anahtarlama sinyaline dönüştüren
yaklaşım anahtarı aşağıdaki özelliklere sahiptir.
Yaklaşım Anahtarı
Yaklaşım anahtar resimleri
,Yaklaşım anahtarı dokunmaksızın bir
cismin yaklaşımını anahtarlama
sinyaline dönüştürür
1. Hedef cisimlerin hareketlerinde serbestlik
2. Kısa tepki ve anahtarlama süresi
3. Yüksek anahtarlama frekansı
4. Aşınma yok, anahtarlama noktasında değişme yok
5. Anahtarlama işlemi sayısına bağlı olmayan ömür
6. Kirlenme veya oksitlenme sonucu arızalanma yok
7. Elektronik çıkış ( tranzistör tristör, tiryak nedeni ile kontak çırpması yok )
8. Elektronik devrelerde işlem yapmaya uygun sinyal
Bu özellikleri karşılaştırdığımız zaman mekanik siviçlere karsı indüktif yaklaşım
anahtarlarının tüm bu özelliklerinin avantaj olduğunu açıkça görürsünüz. Yani,
kontaksız sensörleri her tür durumda kullanmak, kullanıcıya avantaj sağlar. Sistemin
güvenilirliği artar ve ayni zamanda işletme giderleri azalarak daha fazla verimlilik
sağlanır.
İndüktif yaklaşım anahtarının kesiti ( II tip )
Şekil 7, bir yaklaşım anahtarının iç yapısını göstermektedir. İlke olarak aşağıdaki
parçalardan oluşur: muhafaza, kablo veya soket, devre kartı veya esnek filmde SMD
(yüzeye monte edilen) parçalardan oluşan elektronik devre, Ferit çekirdekli sargı ve
son olarak mekanik darbelere karşı daha dayanıklı olması için ve tümüyle
sızdırmazlık için dolgu maddesi reçine. Bu, sensöre vibrasyon ve darbelere karşı
ayrıca aynı oranda da neme karşı iyi bir koruma sağlar. Böylece endüstrinin her
yerinde kullanılabilir ve sağlam siviç gereksinimini karşılar.
İndüktif sensörün iç yapısı
3. KAPASİTİF YAKLAŞIM ANAHTARLARI
3.1. KAPASİTİF YAKLAŞIM ANAHTARLARININ ÇALIŞMA İLKESİ
Kapasitif yaklaşım anahtarı, bir kapasitörün elektrik alanına yaklaşan cismin neden
olduğu kapasite değişikliğini algılayan siviçtir. Şekil 8 sağda bir plaka kondansatör
elektrik alanı görülmektedir. Elektrik alanının en yoğun olduğu kısım sadece hedefin
giremeyeceği bölgedir. Yoksa, birbirine bakan iki plakadan oluşan yapı gerekli
olacaktır. Fakat bu plakaların çalışma ilkesinden yararlanabilmek için plaka kapasitör,
şekil 8 solda veya şekil 9' da görüldüğü gibi geliştirilmiş ve sensörün bir tarafında
toplanmıştır. Bu durumda, elektromanyetik alan içine yaklaşan bir cismin yarattığı 0.1
pF dolaylarındaki çok küçük kapasite değişimleri uygun olan bir yöntemle
değerlendirilmeli ve bir sayısal anahtarlama sinyaline dönüştürülmelidir.
Şekil 9
Bu kapasitif, bir osilatör devresinin parçası olarak geliştirilmiştir ve kapasitörün
değeri öyle bir şekilde seçilmiştir ki bir cisim olmadığı için etkilenmeden salınıma
geçemeyecek büyüklüktedir. Fakat bir cisim elektromanyetik alan içine girerse,
kapasite hafifçe artar ve osilasyon koşulu gerçekleşir. Osilatör yüksek genlikle
salınmaya başlar. İndüktif yaklaşım anahtarlarında olduğu gibi düşük ve yüksek
salınım genliği arasındaki fark veya bozulan salınım devre tarafından değerlendirilir
ve sayısal çıkışa dönüştürülür.
Normal çevre koşullarında ve açık alanda, etkin yüzey üzerinde nem yoğuşması veya
toz birikmesi önlenemez. Bu nedenle kapasitif yaklaşım anahtarlarında birleştirilmiş iki
elektroda ek olarak ( Bkz. şekil 8 ve 9 ) yoğuşmanın veya kirlenmenin oluşturacağı
kapasite değişimlerini kompanze etmek için devreye bir de kompanzasyon elektrotu
konulmuştur.
Kapasitif Sensör resimleri
Kapasitif yaklaşım anahtarının kesiti ( KI tip
3.2. KAPASİTİF YAKLAŞIM ANAHTARININ ÖZELLİKLERİ
Yukarıda anlatılan Çalışma ilkesinden kapasitif yaklaşım anahtarının şu önemli
özellikleri çıkarılabilir:
Di elektrik katsayısına bağlı olarak kapasitif yaklaşım anahtarı iletken olmayan veya
iyi iletken olmayan tüm malzemeleri algılayabilir. İndüktif yaklaşım anahtarlarında
olduğu gibi çalışma ilkesi hedefin hareket etmesinden etkilenmez. Belirleyici olan
uzaklıktır, hedef cismin yüzeyi önemli değildir. Kapasitif yaklaşım anahtarı plakalar
arası sadece birkaç volt gerilimle çalışabildiğinden ve yalnızca birkaç mikro watt
enerji harcadığından siviç yakınlarında hiçbir statik elektriklenme yapmaz ve RF
gürültüsüne neden olmaz. Pratik olarak hedefe hiç bir etki yapmadan çalışır.
Uzaklıkla kapasite değişimi arasındaki ilişki, İndüktif yaklaşım anahtarları için görünür
direnç değişimini gösteren şekil 6 daki gibi, açıkça doğrusal değildir. Bu nedenle
kapasitif sensörde ideal olarak bir sayısal anahtar için uygundur.
Sensörün ucu ile hedef plaka arasındaki mesafenin (S) bir fonksiyonu olarak
sensör kapasitesi değişiminin (∆C) tipik eğrisi
Şekil 12
4. SİNYAL İŞLEME VE ÇIKIŞLAR
Şekil 13 ve 14'ün sol tarafında ana indüktif ve kapasitif yaklaşım anahtarları
gösterilmiştir. Bu sensörler osilatör devresinin bir parçası olarak sırasıyla yüksek ve
çok düşük genlikli osilasyon frekansı üretirler. Bundan faydalı bir anahtarlama sinyali
elde etmek için aşağıda kısaca anlatıldığı gibi başka işlemlere gerek vardır.
Şekil 13
İlk olarak osilasyon genliğindeki değişim bir anahtarlama sinyaline dönüştürülmelidir.
Bu, osilasyonun doğrultulması ve süzülmesi ile yapılır, daha sonra eşik tetikleme
(Schmitt trigger ) devresine iletilir. Bu, hedefin yaklaşması ile akımın akması veya
akmaması gibi iki olası anahtarlama konumu sağlar.
Şekil 14
Eğer cisim tam olarak anahtarlama noktasında olursa, çıkışın iki anahtarlama
konumu arasında gidip-gelme tehlikesi olacaktır. Bu, elektronik olarak üretilen kesin
olarak belirlenmiş bir histerisis tarafından önlenir. Programlama aşaması çoğu siviçte
değerlendirme aşamasına bağlanmıştır. Bir siviçte normalde açık veya normalde
kapalı anahtarlama fonksiyonu vardır
Ayrıca gerilimin ilk uygulanışında yanlış bir sinyal almamak için gereken önlem
alınmalı ve doğru çalışma garanti edilmelidir.
Kontaksız yarıiletken siviç, çıkış sinyalinin anahtarlanması için piyasadaki en yaygın
çözüm olmuştur. Ömür, açma kapama sayısı, çalışma frekansı ve kontak kayıpları
açısından mekanik siviçlere karşı önemli avantajları vardır.
Önemsiz dezavantajları olan; açık konumundaki kaçak akım, kapalı konumundaki
gerilim düşümü ile aşırı gerilim ve akıma karşı hassasiyetleri tolere edilebilir ve uygun
koruma yöntemleri ile önlenebilir. Kullanılan yarı iletken anahtar tipleri : transistör,
tristör ve triyaktır.
Öte yandan varistör veya zener diyot gibi ani gerilim darbelerini sınırlayabilen özel
elemanlarla gerilim darbe koruması da eklenen korumalara dahil edilir. Daha da
ötesinde yanlış bağlantıya karşı siviçi korumak için gerekli olan ters polarite koruması
da vardır. Eğer siviç 55 VDC Çalışma gerilimine sahipse standart uygulamada yarı
iletken, yanlış bağlantı veya yetersiz izolasyondan oluşabilecek aşırı akıma karşı da
korunmuştur.
Programlanabilir anahtarlama fonksiyonu
( normalde açık / normalde kapalı )