Kontrolörler ve Sensörler

Kontrolörler ve sensörler, kontrol sisteminin önemli parçalarıdır; sensörden gelen bilgi olmadan kontrolör karar veremez ve vanaya hareket etmesini söyleyemez. Bu kısa eğitim, mevcut farklı kontrolör ve sensör türlerini ve bunların nasıl çalıştığını kısaca tartışmaktadır. Dijital ve analog kontrol sinyallerinin kısa bir açıklaması da verilmektedir.

Kontrolörler Öncelikle belirtmek gerekir ki tüm kontrol uygulamaları sofistike bir kontrolöre ihtiyaç duymaz.

Örneğin, bir aç/kapa vana ve aktüatör doğrudan bir termostat tarafından çalıştırılabilir. Bir diğer örnek, vanaları kapatmak veya yakıt beslemelerini kapatmak için ‘ani’ hareket yapan yüksek limit güvenlik kontrollerinin çalıştırılmasıdır.

Ancak, kontrol gereksinimleri daha sofistike hale geldiğinde, bu gereksinimleri karşılamak için bir kontrolöre ihtiyaç duyulur.

Kontrolör bir sinyal alır, hangi eylemin gerekli olduğuna karar verir ve ardından aktüatörü hareket ettirmesi için bir sinyal gönderir.

Mikroçip, entegre devreler ve bilgisayar çağında, kontrolör tarafından gerçekleştirilen fonksiyonlar son derece karmaşık olabilir.

Ancak, önceki Modüllerde insan beyni ile kontrolörler/bilgisayarlar arasında bir benzetme yapıldığından, ünlü IBM sloganını ifade edebiliriz:

Bilgisayar - Hızlı, doğru ve aptal

İnsan - Yavaş, dağınık ve parlak

Özetle, kontrolör tüm sorunları çözmez. Doğru şekilde seçilmeli ve devreye alınmalıdır; bu konular daha sonra ele alınacaktır.

Günümüzde çoğu kontrolör elektronik dijital/mikroişlemci tabanlı olmakla birlikte, ticari olarak mevcut bir dizi pnömatik kontrolör de bulunmaktadır. Bunlar, patlama riskinin elektrik/elektronik kullanımını engellediği tehlikeli alanlarda kullanılabilir. Elektrikli ekipmanı ‘içsel olarak güvenli’ veya patlamaya dayanıklı veya aleve dayanıklı hale getirmek mümkün olsa da, genellikle önemli bir maliyet etkisi vardır.

Daha önce belirtildiği gibi, kontrolör tarafından gerçekleştirilen fonksiyonlar çok karmaşık olabilir ve bunları ayrıntılı olarak listelemek veya nasıl çalıştıklarını açıklamak bu yayının kapsamı dışındadır.

Dikkat edilmesi gereken ana varyasyonlar şunlardır:

Tek döngü kontrolörü

Tek bir sensörden bir vana/aktüatörü çalıştırır.

Çok döngü kontrolörü

Birden fazla sensörden birden fazla vana/aktüatörü çalıştırabilir.

Tek giriş/çıkış

Sensörden yalnızca bir sinyal kabul edebilir ve aktüatöre yalnızca bir sinyal gönderebilir.

Çoklu giriş/çıkış (çok kanallı)

Birkaç sinyal kabul edebilir ve birkaç sinyal gönderebilir.

Gerçek zamanlı

Önceden belirlenmiş, önceden ayarlanmış zamanlarda anahtarlama yapmak için bir saat içerebilir.

Geçen süre

Diğer tesis ekipmanlarının açılıp kapatılmasından önce veya sonra belirli bir önceden belirlenmiş, önceden ayarlanmış süre sonunda anahtarlama yapabilir.

Rampa ve bekleme

Sıcaklığı örnek olarak kullanarak, kontrollü bir ortamın sıcaklığını belirli bir zaman dilimi içinde yükseltme ve ardından önceden ayarlanmış bir değekte tutma yeteneği. Bu tür kontrolörler genellikle bir dizi rampa ve bekleme içerir.

Şekil 6.7.1, tipik bir elektronik, tek döngü kontrolörünü göstermektedir. Bu, Modül 5.2 ve 5.4’te tartışılan P + I + D eylemine sahiptir ve 110 veya 230 volt besleme için uygundur.

Şekil 6.7.2, P eylemli pnömatik bir tek döngü kontrolörünü göstermektedir.

Sıcaklığı veya basıncı kontrol etmek için farklı modeller seçilebilir.

Rampa ve bekleme fonksiyonlarını gerçekleştirme yeteneğine sahip bir tek döngü kontrolör, Şekil 6.7.3’te gösterilene benzer tipik bir döngü desenine sahip olabilir. Bu, belirli bir zaman dilimi içinde gerçekleştirilen bir dizi rampa (sıcaklık değişimi) ve bekleme (sıcaklığı koruma) fonksiyonunu göstermektedir

Kontrol literatüründe sıklıkla bulunan bir terim ‘Programlanabilir Mantık Denetleyicisi (PLC)‘dir. Parti proseslerinde kontrolör, bir dizi eylemi tetiklemelidir; örneğin vanaları veya pompaları açıp kapatmak. Bazı durumlarda tüm dizi zamana dayalıdır, ancak genellikle çeşitli adımlar belirli bir koşula ulaşılıp belirli bir süre korunmasıyla tetiklenebilir; örneğin belirli bir sıcaklığa ulaşılması veya bir kabın dolması. Bu diziler, sensörler ve aktüatörler için standart arayüzler kullanan ve prosesi kontrol eden mikrobilgisayar tabanlı bir cihaz olan PLC tarafından kontrol edilebilir. Diğer bir karmaşık kontrolör türü, kazanı, pompayı, ısıtma kontrol vanasını, sıcak su vanasını kontrol etmek ve ayrıca bir dizi başka özellik sağlamak için kullanılabilen tesis odası kontrolörüdür. Sensörler Bu Bölümde sıcaklık ölçümü konusu daha geniş bir şekilde ele alınacaktır. Basınç, seviye, nem ve diğer fiziksel özellikleri ölçmek için çok çeşitli sensör ve dönüştürücüler mevcuttur. Sensör, kontrollü değişkendeki değişikliği deneyimleyen kontrol sisteminin parçasıdır. Sensör, sıcaklık değişikliğinin voltaj değişikliğine veya belki direnç değişikliğine neden olduğu bir türde olabilir.

Sensörden gelen sinyal çok küçük olabilir, etkin bir şekilde okunması için yerel sinyal koşullandırma ve yükseltilme ihtiyacını yaratır. Sıcaklıktaki bir değişikliğe yanıt olarak sensörün bildirdiği küçük bir direnç değişikliği, örneğin kontrolöre iletim için bir elektrik voltajına veya akıma dönüştürülebilir.

İletim sisteminin kendisi potansiyel bir hata kaynağıdır.

Kablolar, elektriksel parazite (gürültü) maruz kalmanın yanı sıra elektrik direncine (ohm olarak ölçülür) neden olur. Karşılaştırılabilir bir pnömatik sistemde, boru sisteminde de küçük sızıntılar olabilir.

‘Termostat’ terimi genellikle aç/kapa anahtarlamalı bir sıcaklık sensörünü tanımlamak için kullanılır.

‘Dönüştürücü’ başka bir yaygın terimdir ve bir fiziksel özelliği başka birine dönüştüren bir cihazı ifade eder; örneğin sıcaklığı voltaja (milivolt).

Dönüştürücüye bir örnek, sıcaklık değişikliğini elektrik direncindeki değişikliğe dönüştüren bir cihazdır.

Pnömatik cihazlarda ‘verici’ kelimesi sıklıkla karşılaşılır. Bu, dönüştürücü veya sensörün başka bir tanımıdır, ancak genellikle bazı ek sinyal koşullandırması ile birlikte gelir.

Ancak, gerçek ölçüm cihazı genellikle sensör olarak adlandırılır ve daha yaygın türler aşağıdaki Bölümde özetlenecektir.

Dolu sistem sensörleri Pnömatik kontrolörlerle dolu sistem sensörleri kullanılır. Şekil 6.7.4, böyle bir sistemin ilkelerini göstermektedir.

Sıcaklık değiştikçe, akışkan genleşir veya büzülür ve Bourdon tüpünün düzelme eğilimine neden olur. Bazen Bourdon tüpü yerine bir körük kullanılır.

Geçmişte, dolgu genellikle cıva olmuştur. Isıtıldığında genleşir ve Bourdon tüpünün çözülmesine neden olur; soğuma büzülmeye neden olur ve Bourdon tüpünün daha sıkı sarılmasını zorlar. Bu sarma hareketi, pnömatik kontrolör içindeki kolları çalıştırmak için kullanılarak görevini yerine getirmesini sağlar. Basınç algılama versiyonu, basitçe Bourdon tüpüne bağlı bir basınç borusu kullanacaktır. Not: Sağlık ve güvenlik nedenleriyle cıva artık daha az kullanılmaktadır. Bunun yerine genellikle azot gibi inert bir gaz kullanılır.

Direnç sıcaklık dedektörleri (RTD’ler)

RTD’ler (Şekil 6.7.5), belirli metallerin elektrik direncinin sıcaklık değiştikçe değişme olgusunu kullanır. Bunlar, sıcaklık değişikliklerini elektrik direncindeki değişikliklere dönüştüren elektriksel dönüştürücüler olarak görev yapar. Platin, bakır ve nikel, RTD gereksinimlerini karşılayan üç metaldir ve Şekil 6.7.6 direnç ile sıcaklık arasındaki ilişkiyi göstermektedir. Bir direnç sıcaklık dedektörü, 0°C’deki direnci ve 0°C’den 100°C’ye kadar dirençteki değişiklik açısından belirlenir. Bu Modüllerde ele alınan tipik uygulamalar için en yaygın kullanılan RTD’ler platin RTD’lerdir. Bunlar 0°C’de 100 ohm dirençle inşa edilir ve genellikle Pt100 sensörleri olarak adlandırılır. -200°C’den +800°C’ye kadar bir sıcaklık aralığında ve 0°C ile 100°C arasında yüksek doğrulukta (±%0,5) kullanılabilirler. Şekil 6.7.6’dan görülebileceği gibi, sıcaklıkla birlikte direncin artışı neredeyse doğrusaldır. Pt100’lerin nispeten küçük bir direnç değişimi vardır, bu da dikkatli bir ölçüm gerektirir. Bağlantı kablolarındaki direncin uygun şekilde telafi edilmesi gerekir.

Termistörler Termistörler, sıcaklık artışıyla birlikte büyük direnç değişimi olan ancak doğrusal olmayan yarı iletken malzemeler kullanır. Direnç, yükselen sıcaklıklara yanıt olarak azalır (negatif katsayılı termistör), Şekil 6.7.7’de gösterildiği gibi. Pozitif katsayılı termistörler, direncin yükselen sıcaklıkla birlikte arttığı şekilde üretilebilir (Şekil 6.7.8), ancak yanıt eğrileri onları genellikle sıcaklık algılama için uygun hale getirmez. Termistörler RTD’lerden daha az karmaşık ve daha ucuzdur, ancak aynı yüksek doğruluk ve tekrarlanabilirliğe sahip değildir. Yüksek dirençleri, bağlantı kablosunun direncinin daha az önemli olduğu anlamına gelir. Termokuplar İki farklı metal iki noktada birleştirilir ve bir bağlantıya ısı uygulanırsa (Şekil 6.7.9’da gösterildiği gibi), devre boyunca bir elektrik akımı akar. Termokuplar, ölçüm bağlantısı (sıcak) ile referans bağlantısı (soğuk) arasındaki sıcaklık farkına karşılık gelen bir voltaj üretir. Termokupun kendisinin doğru algılama sağlaması için soğuk referans bağlantısı sıcaklığı doğru olarak bilinmelidir. Geleneksel olarak, soğuk bağlantı eriyen buza (0°C) daldırılırdı, ancak artık soğuk bağlantı sıcaklığı bir termistör veya RTD ile ölçülür ve bundan, genellikle ölçüm bağlantısındaki gösterilen sıcaklık düzeltilir. Bu, soğuk bağlantı telafisi olarak bilinir.

Herhangi bir farklı metal çifti bir termokup yapmak için kullanılabilir. Ancak yıllar içinde, belgelenmiş voltaj ve sıcaklık ilişkisine sahip bir dizi standart tip gelişmiştir. Standart tipler harflerle anılır; yani Tip J, K, T ve diğerleri. En yaygın kullanılan genel amaçlı termokup Tip K’dır. Bu tip için kullanılan farklı metaller Krom (%90 nikel, %10 krom) ve Alumel’dir (%94 nikel, %3 manganez, %2 alüminyum ve %1 silikon) ve 0°C ile 1.260°C aralığında kullanılabilir. Şekil 6.7.10, Tip K termokupların hassasiyetini göstermektedir ve çıkış voltajının tüm aralıkta doğrusal olduğu görülebilir. Ölçüm bağlantısını enstrüman kutusundaki referans bağlantısına bağlamak için uzatma kuyruk telleri kullanılır. Bu uzatma kuyrukları, termokupun kendisindeki tellerle aynı malzemeden olabilir veya bakır ve bakır-nikel alaşımından yapılmış bir kompanzasyon kablosu olabilir. Her iki uzatma kuyruğu da aynı malzemeden olmalıdır. Termokuplar çok çeşitli boyut ve şekillerde mevcuttur. Ucuz ve dayanıklıdırlar ve geniş sıcaklık aralıklarıyla makul doğrulukta ölçüm sağlarlar. Ancak, referans bağlantı sıcaklığı sabit bir değerde tutulmalıdır, aksi takdirde sapmalar telafi edilmelidir. Düşük bağlantı voltajları, sinyalleri bozmaktan kaçınmak için özel ekranlı kablo ve dikkatli kurulum kullanılması gerektiği anlamına gelir.

Örnek 6.7.1 İki kişiyi, A kişisi ve B kişisini, her biri karşı tepelerde ve her birinde bir bayrak ve bir bayrak direği olduğunu düşünün. Amaç, A kişisinin B kişisine bayrağını belirli bir yüksekliğe kaldırarak iletişim kurmasıdır. A kişisi bayrağını direğinin yarısına kadar kaldırır. B kişisi bunu görür ve bayrağını da yarısına kadar kaldırır. A kişisi bayrağını yukarı veya aşağı hareket ettirdikçe B kişisi de uyum sağlamak için aynısını yapar. Bu, bir analog sisteme benzer olacaktır.

Örnek 6.7.2 Şimdi A kişisinin bir direği olmadığını, bunun yerine birinde ‘0’ rakamı ve diğerinde ‘1’ rakamı olan iki tahtası olduğunu ve B kişisinin bayrağını yani bayrak direğinin %50 yüksekliğine kaldırmasını istediğini varsayalım. 50’nin ikili sayı karşılığı 110010’dur, bu nedenle tahtalarını ikişer ikişer, karşılık gelen sırayla gösterir. B kişisi bu tahtaları okur, 50 olduğunu çevirir ve bayrağını tam olarak yarısına kadar kaldırır. Bu, bir dijital sisteme benzer olacaktır.

Dijital sistemin daha hassas olduğu görülebilir, çünkü bilgi ya ‘1’ ya da ‘0’dır ve konum doğru bir şekilde tanımlanabilir. Analog örnek o kadar hassas değildir, çünkü B kişisi A kişisinin bayrağının tam olarak %50’de olup olmadığını belirleyemez. %49 veya %51’de olabilir. Bu nedenle, mikroişlemci devrelerinin daha yüksek entegrasyonu ile birlikte, dijital sinyaller daha yaygın olarak kullanılmaktadır.

Dijital adresleme Dijital adresleme, bir kontrolörün birkaç alıcının bağlı olduğu bir tel grubu üzerinden bilgi göndermesine ve yine de yalnızca bir alıcıyla iletişim kurabilmesine olanak tanır. Bu, her alıcıya bir adres atanmasıyla yapılır ve kontrolör bunu önce yayın yapmalıdır.

Bunu açıklamak için, yukarıdaki dijital örneği düşünün, ancak şimdi üçüncü bir tepede C kişisi adında başka birisinin olduğunu varsayalım. B kişisi ve C kişisi A kişisini görebilir, bu nedenle A kişisi önce kiminle iletişim kurduğunu belirtmelidir.

Bu, ilk tahta ile yapılır. İlk tahta ‘0’ ise, tüm sonraki veriler B kişisine yöneliktir ve B kişisi bayrağını buna göre ayarlar. Tersine, ilk tahta ‘1’ ise, tüm sonraki veriler C kişisine yöneliktir. Dolayısıyla B kişisinin dijital adresi ‘0’ ve C kişisinin dijital adresi ‘1’dir; her kişi, ilk olarak görecekleri numaranın mesaja değil adrese atıfta bulunduğunu bilir. HART®, PROFIBUS® ve Foundation™ Fieldbus.

PROFIBUS® nedir? PROFIBUS®, üreticilerden bağımsız olarak üretim ve proses otomasyonunda çok çeşitli uygulamalar için açık bir fieldbus standardıdır. Üretici bağımsızlığı ve şeffaflık, EN 50170, EN 50254 ve IEC 61158 uluslararası standartları ile sağlanmaktadır.

Farklı üreticilerin cihazları arasında özel arayüz ayarı olmadan iletişim sağlar. PROFIBUS®, hem yüksek hızlı zaman kritik uygulamalar hem de karmaşık iletişim görevleri için kullanılabilir. PROFIBUS®, işlevsel olarak derecelendirilmiş iletişim protokolleri DP ve FMS sunar. Uygulamaya bağlı olarak, RS-485, IEC 1158-2 veya fiber optik aktarım teknolojileri kullanılabilir.

Saha seviyesinden hücre seviyesine kadar dağıtılmış dijital programlanabilir kontrolörlerin ağlanabildiği seri bir Fieldbus® sisteminin teknik özelliklerini tanımlar. PROFIBUS® bir çoklu-ana sistemdir ve böylece birkaç otomasyon, mühendislik veya görselleştirme sisteminin dağıtılmış çevre birimleriyle birlikte tek bir veri yolunda ortak çalışmasına olanak tanır.

Sensör/aktüatör seviyesinde, ikili sensörlerin ve aktüatörlerin sinyalleri bir sensör/aktüatör veri yolu üzerinden iletilir. Veriler tamamen döngüsel olarak iletilir.

Saha seviyesinde, dağıtılmış çevre birimleri; I/O modülleri, ölçüm dönüştürücüleri, sürücü üniteleri, vanalar ve operatör terminalleri gibi cihazlar, verimli bir gerçek zamanlı iletişim sistemi aracılığıyla otomasyon sistemleriyle iletişim kurar. Verilerin yanı sıra alarmlar, parametreler ve tanısal veriler de gerektiğinde döngüsel olarak iletilebilir.

Hücre seviyesinde, PLC ve IPC gibi programlanabilir kontrolörler birbirleriyle iletişim kurabilir. Bilgi akışı, büyük veri paketleri ve TCP/IP ve Ethernet aracılığıyla şirket genelindeki iletişim sistemlerine ( İntranet ve Internet gibi) sorunsuz entegrasyon gibi çok sayıda güçlü iletişim fonksiyonu gerektirir.

Foundation™ Fieldbus nedir? Foundation™ Fieldbus, fabrika/tesis enstrümantasyonu ve kontrol cihazları için Yerel Alan Ağı (LAN) görevi gören tamamen dijital, seri, iki yönlü bir iletişim sistemidir. Fieldbus® ortamı, tesis ağları hiyerarşisindeki dijital ağların temel seviye grubudur. Foundation™ Fieldbus, hem proses hem de üretim otomasyonu uygulamalarında kullanılır ve kontrol uygulamasını ağ genelinde dağıtma yerleşik yeteneğine sahiptir.

Tescilli ağ protokollerinin aksine, Foundation™ Fieldbus ne herhangi bir bireysel şirketin mülkiyetindedir ne de tek bir ülke veya standart organı tarafından düzenlenir. Foundation™ Fieldbus, dünyanın önde gelen 100’den fazla kontrol ve enstrümantasyon tedarikçisi ve son kullanıcısından oluşan kâr amacı gütmeyen bir organizasyon olan Foundation™ Fieldbus tarafından kontrol edilmektedir.

Foundation™ Fieldbus, 4-20 mA analog sistemin birçok arzu edilen özelliğini korurken, tel üzerinde standartlaştırılmış fiziksel arayüz, tek tel üzerinde veri yoluyla beslenen cihazlar ve içsel güvenlik seçenekleri gibi, aynı zamanda birçok başka avantaj da sunar.

Cihaz birlikte çalışabilirliği Foundation™ Fieldbus birlikte çalışabilirlik sunar; bir Fieldbus® cihazı, belirtilen işlemleri koruyarak aynı Fieldbus® ağında farklı bir tedarikçiden ek işlevselliğe sahip benzer bir cihazla değiştirilebilir. Bu, kullanıcıların çeşitli tedarikçilerden saha cihazlarını ve ana sistemleri ‘karıştırıp eşleştirmesine’ olanak tanır. Bireysel Fieldbus® cihazları çok değişkenli bilgileri iletebilir ve alabilir ve ortak bir Fieldbus® üzerinden doğrudan birbirleriyle iletişim kurarak yeni cihazların hizmetleri kesintiye uğratmadan Fieldbus®‘a eklenmesine olanak tanır.

Geliştirilmiş proses verileri Foundation™ Fieldbus ile, her cihazdan birden fazla değişken, eğilimleri analiz etmek, prosesleri optimize etmek ve raporlar oluşturmak için tesis kontrol sistemine getirilebilir. Doğru, yüksek çözünürlüklü verilere erişim, daha iyi üretkenlik, daha az duruş süresi ve daha yüksek tesis performansı için proseslerin ince ayar yapılmasını sağlar.

Prosesin genel görünümü Güçlü mikroişlemci tabanlı iletişim yeteneklerine sahip modern Fieldbus® cihazları, proses hatalarının daha hızlı ve daha büyük bir kesinlikle tanınmasını sağlar. Sonuç olarak, tesis operatörleri anormal koşullar veya önleyici bakım ihtiyacı konusunda bilgilendirilir ve personelin proaktif kararlar almasına olanak tanır. Daha düşük işletme verimlilikleri daha hızlı düzeltilir, üretim yükselirken hammadde maliyetleri ve düzenleyici sorunlar azalır.

Tesis içi güvenliğin iyileştirilmesi Fieldbus teknolojisi, üretim tesislerinin katı güvenlik gereksinimlerine ayak uydurmasına yardımcı olur. Operatörlere potansiyel tehlikeli koşullar hakkında daha erken uyarı sağlayarak düzeltici eylemlerin alınmasına ve plansız kapatmaların azaltılmasına olanak tanır. Geliştirilmiş tesis tanı yetenekleri, tehlikeli alanlara daha seyrek erişim sağlayarak personele yönelik riskleri en aza indirir.

Daha kolay kestirimci bakım Geliştirilmiş cihaz tanı yetenekleri, vana aşınması ve verici kirlenmesi gibi sinsice ilerleyen koşulların izlenmesini ve takip edilmesini mümkün kılar. Tesis personeli, planlı bir kapatmayı beklemeden kestirimci bakım gerçekleştirebilir, böylece duruş süresini azaltır veya hatta ortadan kaldırır.

Azaltılmış kablolama ve bakım maliyetleri Mevcut kablolama ve çoklu bağlantıların kullanılması, ağ kurulum maliyetlerinde önemli tasarruflar sağlar. Bu, içsel güvenlik bariyerlerinin ve kablolama maliyetlerinin azaltılmasını içerir; özellikle kablolamanın halihazırda mevcut olduğu alanlarda.

Fieldbus® cihazlarına yerleştirilmiş yazılım kontrol blokları kullanılarak kontrol ve mantık fonksiyonlarının basitleştirilmiş programlanmasının yanı sıra, inşaat ve devreye alma için gereken sürenin azaltılmasıyla da ek maliyet tasarrufları elde edilebilir.