Dağıtık Sistem Tasarımının Mekatronik Bir Sistem Üzerinde Uygulaması - PDF
Download "Dağıtık Sistem Tasarımının Mekatronik Bir Sistem Üzerinde Uygulaması"
1 6 th International Advanced Technologies Symposium (IATS 11), May 2011, Elazığ, Turkey Dağıtık Sistem Tasarımının Mekatronik Bir Sistem Üzerinde Uygulaması İ. Yabanova 1 S. Taşkın 2 H. Ekiz 3 1 Afyon Kocatepe Üniversitesi, Afyonkarahisar/Türkiye, 2 Celal Bayar Üniversitesi, Manisa/Türkiye, 3 Sakarya Üniversitesi, Sakarya/Türkiye, Application of Distributed System Design on a Mechatronics System Abstract Flexibility of the controlled system will be increased with using distributed systems which is an important part of industrial control systems. In this study, distributed control of a mechatronic system was carried out by using distributed input / output units designed for training purposes and LabVIEW software package. PIC18F4580 microcontroller based cards were designed as distributed input / output unit. For communication between distributed input / output units and computer, controller area network was used to provide reliable and fast communication. Each distributed unit sends input and output information to computer and controls the digitals outputs with information coming from the computer. Real-time control and status monitoring of all variables was carried out with designed user interface. T Keywords Distributed Control, CAN, FMS, LabVIEW. I. GİRİŞ EKNOLOJİDE yaşanan gelişmeler ile birlikte birçok teknolojinin bir arada kullanılması zorunluluğu ortaya çıkmıştır. Bu kapsamda ortaya çıkan ve mekatronik sistemler olarak adlandırılan yeni bir çalışma alanı oluşmuştur. Gelişen bu teknolojiler sayesinde insan gücüne dayalı üretim yerini bilgisayar veya mikrokontrolör kontrollü makinelere bırakmıştır . Dağıtık sistemler esneklik ve gücünden dolayı endüstriyel kontrol sistemlerinin uygulamasında en iyi seçeneklerden birisi olarak ortaya çıkmıştır . Dağıtık kontrol sistemleri; geniş bir alana yayılmış sürekli ve parti tipi üretim sistemlerinin gerçek zamanlı kontrolüne olanak veren otomasyon sistemi olarak tanımlanabilir. Kontrol edilmek istenen sistemlerde çok fazla giriş çıkış noktası bulunuyorsa, büyük bir alana yayılmışsa ve tek bir merkezden kontrol edilmek isteniyorsa bu tür sistemler için dağıtık giriş çıkış kullanmak daha uygun olmaktadır. Şekil 1'de örnek bir dağıtık kontrol sistem yapısı verilmiştir. Dağıtık sistemlerin kullanılması ile çok fazla kablo tesisatı döşemek, herhangi bir arıza durumunda takip edilmesi kolay olmayan uzun kablo hatları ile uğraşmak ve kabloların elektromanyetik parazitlerden etkilenmesi gibi olumsuzluklar ortadan kaldırılmış olmaktadır. Dağıtık sistemlerde merkezde bir denetleyici ve denetleyici ile endüstriyel iletişim ağları üzerinden haberleşen dağıtık giriş çıkış birimleri bulunur. Sensörler Düğüm 1 Dağıtık Giriş-Çıkış Birimi Aktuatörler Endüstriyel iletişim ağı Düğüm 2 Kontrolör Şekil 1: Dağıtık kontrol sistemi genel yapısı. Düğüm n Dağıtık sistemler ile ilgili çalışmalardan örnekler şu şekilde verilebilir: Bonastre vd. yaptıkları çalışmada kimyasal analiz ve endüstriyel otomasyona uygulanan çeşitli dağıtık sistemler geliştirmişlerdir. Bu uygulamalarda denetleyici alan ağını (DAA, CAN-Control Area Network) kullanmışlardır . Liang vd. Çin' in kuzeyinde ısı kaynağı sistemlerinin etkinliğini geliştirmek ve denetimi için yeni bir akıllı merkezi ısıtma denetim ve kontrol sistemi önermiş ve uygulamışlardır. Önerilen veri toplama sistemi DAA tabanlıdır ve yüksek çözünürlüklü bir LCD ile desteklenen bir gömülü kontrolörden oluşmaktadır. Ayrıca sistem GPRS üzerinden kablosuz iletişim yeteneğine de sahiptir. Merkezi ısıtma sisteminin özelliklerine göre Bulanık PID denetleyici tasarlanmış ve uygulanmıştır . Roengruen vd. uzak giriş çıkış modüllerini farklı yerlerdeki uzak mesafelere dağıtmak için DAA kullanmışlardır. Bu tekniğin kullanımı ile kontrolör (PLC) birkaç yüz metre mesafelerde etkin bir şekilde uygulanabilmektedir . Huseinbegovic vd. asansörler için dağıtık kontrol sistemi geliştirmişlerdir. Geleneksel asansör kontrol sistemlerinin modern kontrol sistemleri ile karşılaştırıldığında çeşitli dezavantajları (çok sayıda kablo, güvenlik sorunları vb.) olduğunu belirtmişlerdir. Asansörün kontrolü için üç adet PIC 18F458 mikrokontrolör tabanlı modül tasarlanmış ve dağıtık modüllerin iletişimi için DAA kullanılmıştır . Gulpanich vd. yaptıkları çalışmanın amacını yüksek performanslı bir kontrolör ve uzak aygıtlar tasarlamak olarak belirtmişlerdir. Uzak terminal birimleri RS 485 seri veri yolu aracılığıyla bilgisayar kontrollü hale getirilmiştir . Dongliang vd. sera kontrol sisteminin ölçme ve kontrolü için dağıtık giriş çıkış ağı tasarımını gerçekleştirmişlerdir. Giriş çıkış birimleri için ECA 1
2 İ. Yabanova, S. Taşkın, H. Ekiz (Event-Condition-Action) kural tabanlı yazılım çerçevesi kullanılmıştır . Ahmed ve Soo yaptıkları çalışmada 415/240V çevrimi yapan dağıtım sistemi için uzak terminal birimi tabanlı denetleme kontrol ve veri toplama (SCADA) sistemi geliştirmişlerdir. Geliştirilen SCADA programı operatörler için hata izleme, kontrol fonksiyonlarını ve gelecek analizler için veri toplama işlemlerini sağlamaktadır . Bu çalışmada, Esnek Üretim Sistemi (EÜS, FMS-Flexible Manufacturing System) deney setine ait iki istasyonun dağıtık giriş çıkış birimleri ile kontrolü ve gözlemlenmesi gerçekleştirilmiştir. Kontrol ve online durum izleme amacıyla Labview programı kullanılmıştır. Bilgisayarın dağıtık birimlerle DAA üzerinden haberleşmesi için NI firmasının USB-8473s kartı kullanılmıştır. Günümüzde DAA endüstriyel otomasyon ve dağıtık I/O uygulamalarında da yaygın olarak kullanılmaya başlanmıştır. DAA'nın güçlü özellikleri sayesinde gerçekleştirilen sistemde kablolama karmaşası azaltılmış, istasyonlar ve bilgisayar arasında hızlı ve güvenli veri iletişimi sağlanmıştır . Çalışma sonucunda öğrencilere SCADA, endüstriyel iletişim ağları, endüstriyel otomasyon sistemleri ve mikrokontrolörler gibi birçok alanı kapsayan detaylı bir mekatronik eğitimi verilebilecek bir yapıda sistem oluşturulmuştur. Ayrıca kontrol sistemleri, test ve ölçüm işlemlerinde yaygın olarak kullanılan Labview programı ile gerçek bir mekatronik sistem üzerinde uygulama yapma imkanı sağlaması açısından öğrencilere önemli derecede deneyim kazanma olanağı sunulacağı düşünülmektedir. II. SİSTEMİN YAPISI Şekil 2'de sistemin yapısı verilmiştir. İstasyonların çalışmasını sağlayan program DAA üzerinden dağıtık giriş çıkış modüllerine kontrol sinyallerini göndermekte, dağıtık birimler ise DAA'dan veri geldiğinde bu bilgi ile dijital çıkışlarını kontrol etmekte ve daha sonra giriş - çıkışlarındaki bilgiyi yine DAA üzerinden bilgisayara göndermektedirler. Dağıtım Test A. Dağıtık Giriş Çıkış Birimi ve NI USB-8473s Kartı Günümüzde birçok alanda kullanılan mikrokontrolörlerin önemi giderek artmaktadır. Çalışma kapsamında, dağıtık giriş çıkış birimi olarak PIC 18F4580 mikrokontrolör tabanlı bir kart geliştirilmiştir. Mikrokontrolörün seçimi yapılırken performansı, maliyet ve erişilebilirliği, endüstride yaygın olarak kullanılması vb. birçok ölçüt göz önüne alınmıştır. Optik izoleli 16 dijital giriş ve röleli 16 dijital çıkışa sahip olan bu kart ayrıca mikrokontrolörde bulunan dahili ECAN modülü sayesinde DAA uygulamalarında da kullanılabilmektedir. Bu modül CAN protokolünün CAN 1.2, CAN 2.0A, CAN 2.0B Pasif ve CAN 2.0B aktif versiyonlarını desteklemektedir . Şekil 3'te dağıtık giriş çıkış birimi verilmiştir. DAA protokolünün günümüzde otomotiv endüstrisinin dışında da endüstriyel sistemlerde kullanımının yaygın hale gelmesinin birçok nedenleri arasında güvenilirlik, performans ve düşük maliyet sayılabilir. Kullanılan mikrokontrolör ile düşük maliyetli ve performanslı DAA tabanlı bir endüstriyel iletişim ağı kurulmuştur. Bu sayede önemi ve kullanımı her geçen gün artan DAA uygulamaları yapılabilecek gerçek bir yapı oluşturulmuştur. USB-8473s kartı CAN ağlarını ve cihazlarını bilgisayara bağlamak için kullanılmaktadır. Bu cihaz CAN 2.0A (11-bit) ve CAN 2.0B (29-bit) sürümlerini desteklemektedir. Maksimum aktarım hızı 1 Mbits/s, minimum aktarım hızı 40 kbits/s dir. B. Esnek Üretim Sistemi Dağıtım ve Test Esnek üretim sistemleri bir fabrika içerisinde belirli bir şekle göre kümelenmiş, yaptıkları iş birbirinden farklı ancak birbirleri ile haberleşerek çalışan, her birinin kendine özgü değişken donanımı olan üretim istasyonlarından oluşan üretim sistemleridir. Bir başka ifade ile daha kaliteli ve daha verimli ürün elde etmek için bir grup makine veya makinelerden oluşan işlem hücrelerinin birbirleri ile etkileşimli olarak çalışan bilgisayar kontrollü tam otomatik üretim sistemleridir . FMS sisteminin mevcut halinde her bir istasyonda Festo PLC (programlanabilir lojik kontrolör) bulunmaktadır. NI USB-8473s USB Pic 18F4580 Pic 18F4580 Labview Kontrol ve Gözlemleme Programı Rx Tx Rx Tx MCP MCP ohm CANH 120 ohm CANL Şekil 2: Sistemin blok şeması. 2
3 Dağıtık Sistem Tasarımının Mekatronik Bir Sistem Üzerinde Uygulaması Şekil 3: Dağıtık giriş çıkış birimi Otomatik üretim sistemlerinde hammadde belirli bir yerde stoklanır ve sistem kendi ihtiyacına göre bu stoklardan hammaddeyi alır. Bu işlemin yapıldığı yer hammadde giriş ve dağıtım hücresinin olduğu yerdir . Dağıtım istasyonu bir besleme ünitesidir. Magazinden parçanın ayrılması ve işlem için besleme görevinin yerine getirilmesi ve manipülatör kolu vasıtasıyla malzemenin vakumlama tekniği ile test ünitesine aktarılması işlevi bu ünitede yapılır. Magazinde sekiz iş parçasına kadar iş elemanı depolanabilmektedir. Şekil 4 te dağıtım istasyonunun çalışma sıralamasına ait sembolik gösterim verilmiştir. testinden geçen malzemelerin bir sonraki ünite olan işlem ünitesine gönderilmesi, uygunluk testinden geçemeyen malzemelerin hatalı ürün sınıfına ayrılması işlevleri bu ünitede gerçekleştirilir. Şekil 5 te test istasyonunun çalışma sıralamasına ait sembolik gösterim verilmiştir. Şekil 6' da ise dağıtım ve test istasyonlarının deney seti üzerindeki resmi yer almaktadır. Malzeme tanımlama Kaldırma Ölçme Dallandırma İşlem ünitesine kaydırma magazin iş parçası itme tutma iletme bırakma Şekil 4: FMS Dağıtım Ünitesi Fonksiyonlarının Sembolik Gösterimi Test istasyonu; bir test noktası, kaldırma modülü, boyut ölçüm modülü ve bir konveyörden ibarettir. Malzeme tanımlanması, kalite kontrol (boyutsal analiz), uygunluk ıskartaya çıkan parçalar Şekil 5: FMS Test Ünitesi Fonksiyonlarının Sembolik Gösterimi 3
4 İ. Yabanova, S. Taşkın, H. Ekiz Şekil 6: Dağıtım ve Test istasyonu. C. Sistemin Gerçek Zamanlı Kontrolü ve Online Durum İzleme Arayüzü Çalışmanın bilgisayardaki yazılım kısmı LabVIEW grafiksel programı ile gerçekleştirilmiştir. Şekil 7'de sistem parametrelerinin durumlarının değişiminin online olarak izlendiği ve kontrol edilebildiği kullanıcı arayüzü verilmiştir. Program ile her bir istasyonun dijital giriş çıkışları, test edilen parça sayıları ve hatalı parça sayısı ile dağıtım istasyonundaki parça bilgisi gözlemlenebilmektedir. İstasyonlar kendi kontrol panellerindeki start-stop-reset butonlarıyla kontrol edilebildiği gibi aynı işlem kontrol programındaki butonlarla da yapılabilmektedir. Ayrıca DAA ile ilgili yapılandırmalar ve ağdan gelen veriler detaylı olarak gözlemlenebilmektedir. Şekil 7: Kontrol ve gözlemleme programı Şekil 8' de kontrol programının blok diyagramından bir örnek verilmiştir. Sıralı işlemler yapan ve dağıtım istasyonunu kontrol eden programın üçüncü adımı bu şekilde gösterilmiştir. Bu adımda vakumlanan parça eğer test istasyonu hazırsa manipülatör kol vasıtasıyla test istasyonuna iletilir ve program daha sonra ikinci adıma tekrar döner. 4
5 Dağıtık Sistem Tasarımının Mekatronik Bir Sistem Üzerinde Uygulaması Şekil 8: Kontrol programı blok diyagramından bir kesit Yazılan kontrol programında 3 adet DAA mesajı kullanılmıştır. Kontrol programı dağıtık giriş çıkış birimlerine Arbitration ID' si 3 olan 'dan oluşan ve dijial çıkış bilgisi bulunan bir mesaj gönderir. Bu mesajın ilk iki byte'ı dağıtım istasyonuna ve son byte'ı test istasyonuna aittir. Dağıtık birimler eğer kontrol programından bir mesaj gelmişse kendilerine ait veriyi alıp dijital çıkışlarını bu bilgi ile kontrol ettikten sonra dijital giriş ve çıkış bilgilerini kendilerine ait ID ile birlikte kontrol programına göndermektedirler. Dağıtım istasyonu; ID'si 1 olan 3 byte uzunluğundaki veriyi göndermektedir. Test istasyonu da ID' si 2 olan ve yine 3 byte uzunluğunda veri göndermektedir. Aşağıdaki tabloda bu mesajlar ve bilgileri verilmiştir. ID Gönderen Uzunluk Anlamı Dağıtım Test Kontrol Programı 1. Byte: Dijital Giriş Bilgisi 2. Byte: Dijital Çıkış Bilgisi 3. Byte: Dijital Giriş-Çıkış Bilgisi 1. Byte: Dijital Giriş Bilgisi 2. Byte: Dijital Çıkış Bilgisi 3. Byte: Dijital Giriş-Çıkış Bilgisi 1. Byte: Dağıtım istasyonu dijital çıkış bilgisi 2. Byte: Dağıtım istasyonu dijital çıkış bilgisi 3. Byte: Test istasyonu dijital çıkış bilgisi III. SONUÇLAR Bu çalışmada mekatronik bir sistemin dağıtık giriş çıkış birimleri ile bilgisayar tabanlı kontrolü gerçekleştirilmiştir. Birimlerin ve bilgisayarın haberleşmeleri DAA ile sağlanmıştır. Oluşturulan eğitim amaçlı yapı ile öğrencilere mikrokontrolörler, endüstriyel iletişim ağları, endüstriyel otomasyon sistemleri, pnömatik, bilgisayar tabanlı kontrol uygulamalar ve SCADA gibi birçok konu alanını kapsayan uygulamalı eğitim verilebilmesine olanak sağlanmıştır. Esnek üretim sisteminin mevcut yapısından farklı olarak geliştirilen bu yapı ile daha fazla konu alanını kapsayan, daha ucuz maliyetli ve daha esnek bir kontrol ve durum izleme yapısı oluşturulmuştur. KAYNAKLAR  H. Çimen, S. Taşkın, İ.Yabanova, Eğitim Amaçlı Esnek ve Modüler Üretim Sistemlerinin Teknik Eğitimde Kullanılması, Makine Teknolojileri Elektronik Dergisi 2007 (3)  A. Bonastre, J.V. Capella, R. Ors, A new generic architecture for the implementation of intelligent and distributed control systems IECON 02 [Industrial Electronics Society, IEEE th Annual Conference], vol.3, pp , 2002  T. Liang, He-Xu Sun, Chun-Gang Niu, Zhao-Ming Lei, Design and Study of the Distributed Intelligent Supervision & Control System for the Central Heating Station, Machine Learning and Cybernetics, pp , 2006  P. Roengruen, T. Suesut, V. Tipsuwanporn, V. Kongratana, S. Kulphanich, Design of PLC networks using remote I/O module based on controller area network, Electrical and Computer Engineering, vol.2, pp , 2001  S. Huseinbegovic, S. Kreso, O. Tanovic, Development of a distributed elevator control system based on the microcontroller PIC 18F458, Computational Technologies in Electrical and Electronics Engineering (SIBIRCON), pp , 2010  S. Gulpanich, A. Numsomran, V. Tipsuwanporn, K. Tirasesth, Distributed control of network devices with remote terminal units, Industrial Technology, pp , 2005  L. Dongliang, Z. Kanyu, L. Xiaojing, ECA Rule-based IO Agent Framework for Greenhouse Control System, Computational Intelligence and Design, vol. 1, pp , 2008  M.M. Ahmed, W.L. Soo, Supervisory Control and Data Acquisition System (SCADA) based customized Remote Terminal Unit (RTU) for distribution automation system, Power and Energy Conference, pp , 2008  İ. Yabanova, S. Taşkın, H. Ekiz, H. Çimen, Denetleyici Alan Ağı Üzerinden Mekatronik Bir Sistemin Kontrolü, Makine Teknolojileri Elektronik Dergisi 2010, (7)  PIC18F2480/2580/4480/4580 Data Sheet, Microchip Technology Inc., 2007  S. Taşkın, MPS Modüler Üretim Sisteminin Bilgisayar Destekli Gerçek Zamanlı Kontrolü ve Teknik Eğitime Uygulanması, Marmara Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Doktora Tezi, İstanbul,