1. GİRİŞ

Son yıllarda, bilgisayar teknolojisi yaşanan hızlı gelişmeler sonucunda imalat sistemleri, haberleşme ağları, robotlar v.b. gibi alanlarda bir çok uygulamalar buldu. Adı geçen bu alanlar ayrık olay sistemleri (discrete event systems) olarak adlandırılmaktadır. Ayrık olay sistemlerinin ihtiva ettiği paralellik, asenkron çalışma, belirsizlik (nondeterminism) v.b. gibi özelliklerin, ayrık eşitliklerle modellenen sürekli veya senkron ayrık değişkenlerle ilgilenen geleneksel kontrol teorisi ile tanımlanmasının zorluğu sebebiyle ayrık olay sistemleri modern endüstriyel sistemlerin kontrol problemleriyle ilgili yeni bir disiplin olarak ortaya çıkmıştır. Önceleri çok karmaşık olmadıkları için bu tür sistemlerin kontrolu deneme yanılma ile ve kontrol mühendisinin becerisi sayesinde gerçekleştirilebilmekteydi. Fakat ayrık olay sistemlerinin daha karmaşık hale gelmesiyle birlikte bu sistemlerinin daha etkin bir şekilde formal olarak tasarlanması ve gerçekleştirilmesi daha fazla önem kazandı. İlk ciddi çalışmalar sonlu durum makinasının (finite state machine) kullanılmasını öngörmekteydi [1]. Fakat, sistemin büyümesiyle birlikte kullanılması gereken durum sayısının çok fazla artması ve sonlu durum makinalarıyla modellenen bir sistemin grafik olarak anlaşılmasının güçlüğü gibi sebeplerden dolayı bu yöntem pratik olmaktan uzaktır. Alternatif bir yöntem ise Petri net kullanımıdır. Petri netler ayrık olay sistemlerinin modellenmesi, formal analizi ve tasarımı için kullanılan başka bir grafik ve matematik yöntemdir. Petri netler ilk kez bir Alman matemetikçi Carl A. Petri tarafından ortaya atılmıştır [2]. Günümüze dek bir çok sahada kullanım alanı bulmuş ve halen değişik alanlara uygulanmak üzere geliştirilmekte olan Petri netlerle ilgili olarak detaylı bilgi için okuyucu şu referanslara bakmalıdır : [3, 4, 5]. Günümüzün modern endüstriyel sistemlerinde programlanabilir lojik denetleyiciler (PLC) otomasyon işlemlerinin gerçekleş-tirilmesinde bir vazgeçilmez olarak karşımıza çıkmaktadır. PLC’lerin programlanmasında yaygın olarak kullanılan basamak diyagramlarının (ladder logic diagrams) Petri netler ile elde edilmesine ait çalışmalar [6] ve bunların gerçek problemlere uygulanması [7] dikkate değer gelişmeler olmuştur. Otomasyon Petri netler [8, 9] ise normal Petri netleri geliştirerek endüstriyel kontrol sistemlerinin tasarımına ve dolayısıyla da gerçekleştirilmesine kolaylık sağlamıştır. Bu çalışmada basamak diyagramına alternatif olarak elde edilen bir lojik kontrol sistemi modelinin bir mikrodenetleyici kullanılarak nasıl gerçekleştirileceği gösterilecektir. Bunun için PIC 16F84 mikrodenetleyicisi kullanılmıştır. Bu mikrodenetleyicinin seçilmesinin sebebi maliyetinin ucuz ve programlanmasının kolay olmasıdır.

Bu çalışmanın ikinci kısmında, sunulan tasarım yöntemine örnek olarak bir deneysel endüstriyel kontrol sistemi incelenmiştir. 3ncü kısımda bu sistemin kontrolu için bir otomasyon Petri net (OPN) modeli verilmiştir. Bu modelin bir basamak diyagramına nasıl dönüştürüleceği 4ncü kısımda anlatılmıştır. 5nci kısımda ise bu diyagramın bir PIC 16F84 mikrodenetleyicisi ile nasıl gerçekleştirildiği anlatılmıştır. Son kısımda ise sonuçlar verilmiştir.

2. DENEYSEL ENDÜSTRİYEL KONTROL SİSTEMİ

Şekil 1’de görülen deneysel endüstriyel kontrol sistemi parça tanıma ve birleştirme işlemlerinin yapılmasında kullanılmak üzere tasarlanmıştır. Üst konveyör ve alt konveyör sırasıyla üst konveyör motoru (A2) ve alt konveyör motoru (A3) ile çalıştırılmaktadır. Metal çubuklar ve plastik halkalar rastgele bir şekilde üst konveyör tarafından seçme işleminin yapılacağı seçme bölgesine taşınırlar. Metal çubuk ile plastik halkayı birbirinden ayırmak için iki sensör (B1: proximity sensör, B4: infra-red reflective sensör) kullanılmaktadır. Parça seçme selenoidi (A0) ile plastik halkalar, halka besleme kolu üzerine aktarılırlar. Halka besleme kolu üzerine maksimum beş tane halka yerleştirilebilir. Metalik çubuklar ise üst konveyörden alt konveyöre çubuk besleme kolu üzerinden aktarılırlar. Sensör B0 (infra-red emitter/detector) birleştirme noktasının boş olup olmadığını tespit etmek için kullanılır. Eğer birleştirme noktası boş ise birleştirme selenoidi (A1) halka besleme kolundan birleştirme noktasına bir plastik halka aktarmak için kullanılır. Birleştirme noktası alt konveyörün biraz üzerine yerleştirilmiştir ve bir metalik çubuk alt konveyör üzerinden bu noktadan geçtiği anda burada bulunan plastik halka ile birleşir. Böylece metalik çubuk ile plastik halka birleştirilmiş olur. Alt konveyör birleştirilmiş parçaları toplama kabına iletir. Bu örnekte sistemi kontrol etmek için PIC 16F84 mikrodenetleyicisi kullanılmıştır. Mikrodenetleyicinin giriş ve çıkışları sırasıyla Tablo 1 ve Tablo 2’de verilmiştir.

Şekil 1. Deneysel endüstriyel kontrol sistemi.

Tablo 1.

Tablo 2.

3. DENEYSEL ENDÜSTRİYEL KONTROL SİSTEMİ İÇİN OTOMASYON PETRİ NET MODELİ

Bir önceki kısımda anlatılan sistemin çalışması ile ilgili denetim sistemi Şekil 2’de görülen otomasyon Petri net (OPN) ile modellenmiştir. Bu modele ait mevkilere (place) ait detaylı bilgi Tablo 3’te verilmiştir. Bu modelin elde edilmesinde dikkat edilen hususlar kısaca şunlardır: Başlangıç anında sistemde herhangi bir parçanın bulunmadığı, alt ve üst konveyörün otomatik olarak devreye girdiği varsayılmıştır. p1 mevkisindeki bir jeton (token) parça seçme selenoidinin önündeki bir halkayı; p2, p3, p4, p5 ve p6 mevkilerindeki her bir jeton sırasıyla halka besleme kolundaki 5., 4., 3., 2. ve 1. yerlerdeki halkaları; p7 mevkisindeki bir jeton ise birleştirme noktasında bulunan bir halkayı; p8 ve p9 mevkilerindeki birer jeton ise sırasıyla parça seçme ve birleştirme selenoidlerinin çalışmasını temsil etmektedirler. Geçiş t1 bir halkanın parça seçme selenoidinin önüne geldiğini, geçiş t2 ise burada bulunan bir halkanın toplama kabına doğru gittiğini gösterir. t3 geçişi bir halkanın halka besleme koluna doğru aktarıldığını; t4, t5, t6 ve t7 geçişleri ise halka besleme kolu üzerinde eğer boş yerler varsa bunların halkalar tarafından doldurulduğunu belirtir. t8 geçişi bir halkanın halka besleme kolundan birleştirme noktasına aktarıldığını ve t9 geçişi de birleştirme noktasında bulunan bir halkanın bir çubuk ile birleşerek bu kısmı terk ettiğini temsil eder. Burada birleşme işlemi için 2.5 saniyelik bir zaman gecikmesi gerekmekte olduğuna dikkat edin. Parça seçme selenoidinin önünde mevcut bir halka olduğunda ve halka besleme kolu boş olduğunda, 1.5 saniye süresince (geçiş t3) parça seçme selenoidi çalıştırılır (geçiş t10). Benzer şekilde, birleştirme noktasında mevcut bir halka bulunmadığında ve halka besleme kolu dolu olduğunda, 0.7 saniye süresince (geçiş t8) birleştirme selenoidi çalıştırılır (geçiş t11).

Tablo 3.

4. OPN MODELİNİN BASAMAK DİYAGRAMINA DÖNÜŞTÜRÜLMESİ

Petri netlerden basamak diyagramlara dönüşüm için sunulan jeton aktarma lojiği (Token passing Logic- TPL) adındaki genel metod [6], daha sonraları spesifik PLClerde kullanıldı [7, 8]. Buna göre bir Petri neti ilgili basamak diyagrama dönüştürmek için öncelikle mevkilerdeki jetonları temsil etmek için her bir mevkiye, mevkide bulunabilecek maksimum jeton sayısı 1 ise bir bayrak (flag, veya dahili röle) ya da bu sayı 1’den çok ise bir sayıcı (counter) atanır. Zamanlama işlemleri için de ilgili mevki ya da geçişe zamanlayıcı (on delay timer) atanır. Bundan sonra yapılacak işlem ise Petri netin çalışma şeklinin basamak diyagramına direk olarak dönüştürülmesidir. Şekil 2’deki OPN modelin basamak diyagramına dönüştürülmüş hali Şekil 3’te görülmektedir. Bu dönüşümün gerçekleştirilebilmesi için öncelikle p1, atanmıştır. Zaman gecikmelerini elde etmek için ise t3, t8 ve t9 geçişlerine de T1, T2 ve T3 zamanlayıcıları atanmıştır. Buna göre, Şekil 3’teki basamak diyagramının inceleyecek olursak: 0ncı basamaktaki başlangıç şartı sistemin ilk anda gerekli konuma gelmesini sağlar. 1, 2, …, 11nci basamaklardaki kodlar t1, t2, …, t11 geçişlerine aittir. T1, T2 ve T3 zamanlarıyla ilgili kodlar ise 11, 12 ve 13ncü basamaklarda verilmiştir. Parça seçme selenoidi ve birleştirme selenoidinin çalışmasıyla ilgili kodlar 15 ve 16ncı basamaklardadır. Son olarak da sistemin ilk andan itibaren üst ve alt konveyör motorlarının çalışması ile ilgili kod ise 17nci basamakta verilmiştir.

5. BASAMAK DİYAGRAMIN PIC 16F84 MİKRODENETLEYİCİSİ İLE GERÇEKLEŞTİRİLMESİ

Şekil 3’te verilen basamak diyagramı herhangi bir PLC kullanılarak gerçekleştirilebilir. Alternatif bir yöntem ise bu kodun bir mikrodenetleyici ile gerçekleştirilmesidir. Mikrodenetleyici kullanımı özellikle küçük uygulamalar için daha ucuz bir çözüm olarak karşımıza çıkmaktadır. Bu çalışmada PIC 16F84 mikrodenetleyici kullanılarak Şekil 3’teki basamak diyagramı gerçekleştirilmiştir. Bu işlemi yapmak için PIC 16F84’ün PLC’ye benzer şekilde programlanmasını sağlayan PICBIT [10] paket programından faydalanılmıştır. Şekil 4’te görülen, basamak diyagramın PICBIT paket programındaki karşılığıdır. Burada dikkat edilmesi gereken nokta F0, F1, …, F9 bayrakları yerine M00, M01, …, M09 bayrakları kullanılmıştır. Şekilden de görüleceği gibi basamak diyagramının bu şekli alması her bir basamağa karşılık gelen lojik kapı kombinasyonunun kullanılmasıyla gerçekleştirilmiştir. Şekil 4’teki kodla ilgili dosyanın PICBIT paket programında derlenmesi sonucunda PIC 16F84 mikrodenetleyiciyi programlamak için gerekli heksadesimal kod elde edilmiş ve bu kod mikrodenetleyiciye yüklenerek Şekil 1’de görülen sistem kontrol edilmiştir.

6. SONUÇ

Bu çalışmada, lojik kontrol sistemlerinin tasarımı ve gerçekleştirilmesi için yeni bir yöntem ortaya konulmuştur. Bu yöntemin özelliği tasarlanacak olan kontrol sisteminin Otomasyon Petri net (OPN) modelinin elde edilmesidir. Bu şekilde elde edilen bir modelin doğruluğu Petri net analiz yöntemleri kullanılarak incelenebilir. Tasarlanan modelin gerçekleştirilmesi için bir programlanabilir lojik denetleyici (PLC) üzerinde popüler bir programlama dili olan basamak diyagramı kodu kullanılabileceği gibi ucuz maliyetli bir mikrodenetleyici de kullanılabilir. Daha önce yapılmış olan çalışmaların basamak diyagramının kullanımı ile ilgili olması sebebiyle bu çalışmada alternatif olarak ilgili modelin bir mikrodenetleyici (PIC 16F84) ile nasıl gerçekleştirilebileceği üzerinde durulmuştur.

Şekil 2. Deneysel endüstriyel kontrol sisteminin denetimi için otomasyon Petri net (OPN) modeli.

Şekil 3. Şekil 2’deki OPN modelinin basamak diyagramı karşılığı.

REFERANSLAR

[1]. Ramadge P.J. and Wonham W.M., The Control of Discrete Event Systems, Proceedings of IEEE, vol. 77, No. 1, pp. 81-98, 1989.

[2]. Petri C.A., Kommunikation mit Automaten Schriften des Rheinissh, Westfalischen Ist. fur Intrumentelle Mathematik und der Universitat Bonn, 1962.

[3]. Peterson J.L., Petri Net Theory and the Modelling of Systems, Prentice Hall, Englewood Cliffs, NJ, 1981.

[4]. Murata T., Petri Nets: Properties, Analysis and Applications, Proceedings of IEEE, vol. 77, no. 4, pp 541-580, 1989.

[5]. Zurawski R. and Zhou M.C., Petri Nets and Industrial Applications: A Tutorial, IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 41, no. 6, pp. 567-583, 1994.

[6]. Jones A.H., Uzam M., Khan A.H., Karimzadgan D. and Kenway S.B., A General Methodology for Converting Petri Nets Into Ladder Logic: The TPLL Methodology, Proc. of the Rensselaer’s First Int. Conf. on Computer Integrated Manufacturing and Automation Technology - CIMAT'96, France, pp. 357-362, 1996.

[7]. Uzam M. and Jones A.H., Design of a Discrete Event Control System for a Manufacturing System Using Token Passing Ladder Logic, Proc. of the CESA'96 IMACS Multiconference, Symp. on Discrete Events and Manufacturing Systems, Lille, France, pp. 513- 518, 1996.

[8]. Uzam M., Petri-Net-Based Supervisory Control of Discrete Event Systems and their Ladder Logic Diagram Implementations, Ph.D. Thesis, University of Salford, Salford, UK, (1998).

[9]. Uzam M. and Jones A.H., Discrete Event Control System Design Using Automation Petri Nets and Their Ladder Diagram Implementation, the International Journal of Advanced Manufacturing Technology, vol. 14, no. 10. pp.716-728 , 1998.

[10]. PICBITsoftware:http://members1.chello.nl/~f.vdburg/picbit/index.htm

Hazırlayan : Murat UZAM