PLC - Genel

1.1 PLC (Programlanabilir Lojik Denetleyiciler)

25 yıl önce sanayi uygulamalarında kulanılmaya başlanmış ve son 10 yıldır IDEC, FESTO, MITSUBISHI, SIMATIC, AEG, OMRON, TOSHIBA, SIEMENS, WESTINGHOUSE, GENERAL ELECTRIC, GEC gibi firmaların, tabanı ve programlama mantığı birbirine çok yakın, kendi aralarında değişik üstünlükler ile ayrılan PLC sistemlerini geliştirmeleri ile, otomatik kontrol sistemlerinde, hız, kontrol, güvenlik, ürün kalitesi yanı sıra, yeni bir ürün imali için kumanda devrelerinin yeniden oluşturulması montajı ve bağlantıları yerine sadece PLC programlama ile giderilmesi çok büyük bir avantaj sağlamıştır. Bu da PLC tabanlı kontrol sistemlerinin endüstriyel otomasyon, devrelerinden vazgeçilmez bir sistem olarak kullanılması ve her geçen gün yeni özellikler ile güncelleştirilmesi gereğini doğurmuştur.

PLC sistemi Analog Dijital giriş/çıkış bağlantıları aracılığı ile bir çok makina ve sistemi kontrol eder ve bu amaçla sayısal işlemleri, zamanla, sayıcı, veri işleme, karşılaştırma, sıralama, kendi bünyesinde 8 - 16 bit data transferi ile programlama desteği sağlanmış, giriş bilgilerini kullanarak, çıkış ünitelerini atayan giriş - çıkış, bellek, CPU ve programlayıcı bölümlerinden oluşan entegre sistemdir. Cihaz içerisinde ayrıca çok sayıda dahili (yardımcı - saklayıcı) röleler, zaman röleleri bulunmaktadır.

Geri beslemeli kontrol sistemlerinin oluşturulması için PLC cihazlarının bir çoğu gerekli yazılım ve donanıma sahiptir. Kullanılan denetleyicilerde A/D, D/A konvertörbirimleri ve kontrol algoritmalarının yazımı için gerekli aritmetik işlem komutları bulunmaktadır.

Bir PLC ile kontrol sistemlerinin oluşturulması :

a. Kontol probleminin tanımlanması, ifade edilmesi ile sorunun kağıda dökülmesi,
b. Sorunun çözümü için gerekli program veya fonksiyonların belirlenmesi,
c. Programın zaman diyagramı ve dalga şekilleri ile çalışırlığının kontrolünün yapılması,
d. Programın ladder diyagrama aktarılması,
e. Programın yazılması olarak sıralanabilir.

Son yıllarda endüstride PLC kullanımına olan telebinhızlı artmasının nedenleri, PLC'nin özellikle fabrikalarda otomasyon, asansör tesisatları, otomatik paketleme, enerji dağıtım sistemlerinde ve taşıma bandı sistemlerinde, doldurma sistemlerinde ve daha çok bir alanda üretimi destekleyen ve veri artışı yanı sıra ürün maliyetinin minimuma çekilmesidir. Klasik röleli kumanda sistemlerinin yerlerini PLC sistemi ile programlanabilir kontrol sistemlerinin alması teknik yönden büyük bir yeniliktir.

Programlanabilir lojik denetleyici (PLC) ; Evvelce elektromekanik rölelerin yerine getirdiği lojik fonksiyonları solid state devreler ile yerine getirilmektedir. Esas olarak PLC lojik kararların oluşturulmasından ve çıkışların sağlanmasından solid state dijital lojik elemanların atandığı bir sistemdir. Programlanabilir lojik denetleyiciler, imalat basamakları işlemlerinde ve makinalarda kontrol maksadıyla kullanılır.

Programlanabilir denetleyiciler geleneksel röleli kontrol sistemlerine göre bir takım avantaj ve üstünlükler sağlar. Röleler (hard - wired) sıkı telle sarılmış özel bir fonksiyona sahiptir.

Sistem ihtiyaçları değiştiği zaman röle bobin bağlantılarının komple değiştirilmesi gerekmeteydi. Böyle bir durumda eski modellerin herbirinin değiştirilmesi mümkün olmakla birlikte gerek üretim hızı ve verim gerekse zaman ve ekonomik açıdan bir takım dezavantajlar oluşturmaktadır. Programlanabilir denetleyiciler geleneksel röleli kontrol devrelerinde birçok elle bağlantı işlemini elemine eder. İşletmeci tabanlı kontrol sistemi olan PLC sistemi ile röleli geleneksel sistemler karşılaştırıldığında PLC'nin küçük ve pahalı olmaması ayrıca bir üstünlük sağlar. Bunun yanısıra programlanabilir denetleyiciler güvenilirlik, düşük güç tüketimi ve kolay yayılma yeteneği sunar.

1.2 Tipik Bir PLC'nin Bölümleri

Genel olarak PLC aşağıdaki şekilde gösterildiği gibi üç ana bölüme ayrılmıştır. Bu bölümler şekil 1.2.1'de gösterilmiştir.

a. Central Processing Unit (CPU) : Merkezi İşlem Birimi
b. Input / Output (I/O) Section : Giriş / Çıkış Bölümü
c. Programming Device : Programlama Makinası

Şekil 1.2.1 - Şekli yakından görmek için üzerine tıklayınız.

Merkezi İşlem Birimi (CPU) PLC sisteminin beyni olup içerisinde çok çeşitli lojik kapı devreleri mevcuttur. CPU bir mikroişlemci tabanlı sistem olup kontrol röleleri, sayıcı, zamanlayıcı gibi fonksiyonları yerine getirir. CPU, çok çeşitli sensör devrelerinden gelen giriş bilgileri okuyarak memorydeki depolanmış kullanıcı programını yerine getirerek, uygun çıkış komutlarına ve kontrol devrelerine gönderir.

İşlemci ve I/O modülleri tarafından, kullanılan düşük seviyeli montaj içinbir doğru akım güç kaynağı gereklidir. Bu güçkaynağı CPU çatısı altında olabileceği gibi PLC sistemi bünyesinde bağımsız fakat PLC sistemine bağlı olabilir.

I/O kısmı Giriş / Çıkış modüllerinden ibarettir. I/O sistem formları denetleyiciye bağlanan cihazlar aracılığı ileirtibatlandırılır. Bu interfacein amacı, harici cihazlara çeşitli sinyaller alma gönderme durumlarıdır. İnput cihazları örneğin, push buton (dokunulduğunda ON, bırakıldığında OFF) Limit Switches (sınır anahtarları) sensörler, seçici anahtarlar thumbwheel anahtarlar input modülü üzerindeki terminallere anahtarlanır.

Output cihazları örneğin küçük motorlar gibi, motor başlatıcıları, solenoid valfler ve gösterge ışıkları çıkış modülü üzerindeki terminallere irtibatlandırılır. Bu cihazlar aynı zamandagünü hayatta başvurulan elemanlardır.

İstenen program, programlama cihazı veya terminal ile işlemcinin belleğine yüklenir. Bu program röle ladder lojiği kullanılarak girilir. Program, asıl denetim veya makinalara kadar ardışıl işlemlerle sonuçlandırılır.

a. PLC Büyüklüğü ve Uygulaması

PLC'lerin bir çok ölçüde fark ve çeşitleri vardır. Sembolik olarak 3 ayrı kategori büyüklüğü içerisinde : küçük (small), orta (medium) ve büyük (large) sınıflandırılır.

a. Küçük grubundaki kategoride PLC 128 I/O'un üzeri Giriş / Çıkış ve 2KB'ın üzerindeki memorye sahiptir.
b. Orta grubunda kategoride PLC'ler 2048 I/O'nun ve 32KB'ın üzerinde memorye sahiptir. Özel I/O modülleri bu kategoride anolog fonksiyonları, işlem kontrol fonksiyonları içerisinde örneğin, ısı, baskı, sıkma, akış, ağırlık, pozisyon (durum) gibi kolaylıka adaptasyonu sağlanmaktadır.
c. Büyük grubundaki kategoride PLC'ler 8192 I/O ve üzeri Giriş / Çıkış modüllü ve 750KB memory ve üzerine sahiptir. Bu tür grup, PLC'ye kuvvet veren limitsiz uygulamalar içindir.

PLC'ler günümüzde endüstrinin her dalına yayılmış durumdadırlar. Kimya ve otomobil sanayisinde kağıt ve çelik üretimine ve otomasyon gerektiren imalathanelerde umumiyetle kullanılmaktadır.

b. I/O Giriş / Çıkış Birimi

Nasıl ki bir PLC'nin beyni CPU ise I/O modülleride PLC'lerin gözü kulağı ve dilidir. I/O birimi bir Giriş / Çıkış rafından ibarettir. I/O birimleri makina veya işlem cihazlarında 120 V AC değerdeki sinyal kabul eder ve denetleyicinin kullanabilceği 5 V DC sinyal formuna dönüştürür. Output biriminde denetleyici sinyalleri (5 V DC), harici sinyallerde 120 V AC olarak makina veya işlem kontrolünde kullanılır. Bu çıkış sinyalleri optik izalatörler veya güç elektroniği elemanları kullanılarak yüksek akım kontrolü sağlanır.

PLC bünyesindeki I/O birimleri merkezi işlem birimi ile aynı yapı içinde veya CPU'dan uzakta yerleştirilebilir. Bu standart I/O birimleri Şekil 1.2.2'de görülen yapıyı ve giriş mantığını sağlayan bir düzeyi kapsar. I/O modülü monte edilebilen raflardan (rack) oluşmuştur.

Şekil 1.2.2 - Şekli yakından görmek için üzerine tıklayınız.

İşlemci ile I/O rafları arasındaki iletişimde ayrı bağlantı kabloları müsade edilir. Bu durum aşağıdaki Şekil 1.2.3'te görülmektedir.

Şekil 1.2.3

I/O birimlerinde herbir giriş ve çıkış özel biredrese sahiptir. Bu adreslerişlemci tarafından bilinmektedir. I/O birimlerine Giriş / Çıkış elemanlarını irtibatlandırmak veya ayırmak (takmak ve çıkarmak) çok kolay ve pratiktir. Ayrıca diğerbirmodülle değştirmek son derece basittir. I/O devresinin ON / OFF durumunu her bir modül, lambaları ile göstermektedir. Bir çok çıkış modülü aynı zamanda atık sigorta göstergesine sahiptir.

c. Ayrı I/O Birimleri

Bir çok I/O birimi bu türdendir ve en çok kullanılan arabirim modelidir. Bu tip arabirim ON / OFF kontrol sağlayan seçici anahtarlar (selector switches), push buton (basmalı butonlar) ve sınır anahtarları (Limit switches) gibi girişlerin bağlanmasını sağlar. Aynı şekilde çıkış kontrolü lambalar (lights), küçük motorlar (small motors), solenoidler, röle ve motor startörleri gibi ON / OFF anahtarlama kontrolüne sahip cihazlarla sınırlandırılmıştır. Herbir ayrık I/O modülü gücünü ortak voltaj kaynağından almaktadır. Bu voltajlar farklı büyüklük ve tipte olabilirler. Bunlar mevcut çeşitli AC ve DC voltaj değerlerinde olup aşağıda verilmiştir.

Giriş Arabirimi	Çıkış Arabirimi
24 V AC / DC	12 - 48 V AC
48 V AC / DC	120 V AC
120 V AC / DC	230 V AC
230 V AC / DC	120 V AC
5 V AC (TTL Seviyesi)	230 V AC
	5 V AC (TTL Seviyesi)

Şekil 1.2.4

Şekil 1.2.4'de input modeline bir AC için giriş yapılan blok diyagramı gösterilmektedir. Giriş devresi iki temel devreden oluşmuştur : Güç ve lojik bölümü. Bu bölümler elektriksel olarak bağımsız iki birim olmakla birlikte normal bir devre içinde birleştirilmişlerdir.

Şekil 1.2.5 - Şekli yakından görmek için üzerine tıklayınız.

Şekil 1.2.6 - Şekli yakından görmek için üzerine tıklayınız.

Şekil 1.2.4 ve Şekil 1.2.5'de bir giriş için AC input modülünün şematik diyagramı, Şekil1.2.6'da ise bağlantı terminali görünmektedir.

Basmalı buton (push buton) kapatıldığı zaman 220 V AC gerilim R₁ ve R₂ dirençleri üzerinden köprü tip doğrultmaca uygulanır. Optik izalatördeki LED ile diğertarafta optik olarak (ON / OFF), düşükseviyeli DC gerilim elde edilir (5 V DC).

Zener diyot (ZD) voltaj sınırı, düşük seviyeli voltajın meydana getirilebildiği duruma göre ayarlanır.

Fototransistörle ledden ışık çarptığı zaman işlemciye düşük seviyeli DC voltaj (5 V DC) böylece itilmiş olur.

Optik izolatör yanlızca lojik devrelerden yüksek AC voltajı ayırmakla kalmaz aynı zamanda işlemciyi geçici hat voltajı değişikliğinin getireceği zararlara karşı korur.

Ayrıca optik izolatör elektriksel gürültü etkisinden işlemciyi korumaktadır.

Kuplaj ve izolasyon bir pulse transformatörü kullanılarak meydana getirilebilir.

Şekil 1.2.7

Şekil 1.2.7'de tipik bir çıkış arabilim modülünün (bir çıkış için) blok diyagramını göstermektedir. Giriş modülüne benzer olarak çıkış modülüde güç (power) ve lojik bölümü olmak üzere iki kısımdan oluşmaktadır.

Güç ve lojik birimleri birbirine bir izolasyon devresi ile kuple edilmişlerdir.

Çıkıştaki cihaz lojik bölümünden gelen 5 volt sinyalin kontrol ettiği elektronik bir anahtar aracılığı ile kontrol edilmektedir.

Şekil 1.2.8 ve Şekil 1.2.9'da tipik bir AC çıkış modülünün şematik ve terminal bağlantı devreleri görünmektedir (bir çıkış için).

Şekil 1.2.8

Şekil 1.2.9

Bu birimde lojik programa uygun olarak işlemci tarafından çıkış durumları set edilir.

İşlemci tarafından bir çıkış voltu uygulandığında (5 V DC), optik izolatörlerdeki ledin ışık yaymasıyla birlikte fototransistör anahtarlanarak iletime geçirilir. Budatriyakın tetiklenerek iletime geçirilmesi ve çıkış elemanı olarak kullanılan lambanın ON durumuna dönmesi demektir.

Lojik birimdeki ledin sönmesi ile birlikte lojik '0' durumu oluşur ve fototransistör iletime geçemez. Çıkış AC olduğu için triyak kesime gidecektir. Eğer çıkışta bir DC makina kontrol edilecekse triyak zorlamalı bir devre ile kesime götürülür.

Güç bölümünde meydana gelebilecek arızalardan, optik izolasyondan dolayı PLC cihazı zarar görmeyecektir.

Çalışma sırasında çok sayıda yüksek hızlı ON / OFF gerektiren durumlarda doğru akımda transistör, alternatif akımda ise triyaklı devreler tercih edilir. PLC üzerindeki output modüllerinden yüksek akım çekilmez. Her cihazın maksimum akım kapasitesi o modelin kataloglarında mevcuttur.

Yüksek akımlarda triyak ve diğer yeni etken elemanlar yerine Şekil 1.2.6'da görüldüğü gibi standart roleler kullanılmalıdır. PLC cihazında geri beslemeli kontrol uygulamaları için gerekli olan Analog / Dijital çevirici (ADC) ve Dijital / Analog çevirici (DAC) gibi Giriş / Çıkış birimi mevcuttur.

Şekil 1.2.10

Şekil 1.2.11

d. Analog Giriş / Çıkış Birimi (I/O Modules)

İlk üretilen PLC'ler sadece ON / OFF kontrollü cihazlara bağlanmaya izin veren ayrık I/O arabirimleri ile sınırlandırılmıştı. Bu sınırlandırılmadan dolayı bir çok işlem uygulamalarının çoğu kısmi olarak PLC tarafından kontrol edilebilmekteydi. Günümüz PLC'lerde ise kontrol işlemlerinin çoğunu pratik olarak yerine getiren, analog arabirimleri ve ayrık (I/O) Giriş / Çıkış arabirimlerini içermektedir. Analog giriş modülleri, analog girişlerden alınan analog akım ve gerilimleri alarak, bir Analog Dijital Konvertör (ADC) aracılığı ile dijital data fonuna dönüştürülür. Burada dönüşün seviyeleri analog sinyal ile orantılı olarak 12 bit binary veya 3 diijit BCD kodlu değer olarak ifade edilir. Analog sensör elemanları, ısı, ışık, hız, basınç, nem sensörleri gibi transüserlerdir. Bütün bu algılayıcılar analog girişe bağlanabilir.

Analog çıkış arabirimi, işlemciden dijital bilgileri alarak, voltaj ve akımla orantılı olarak dönüştürü ve bir cihazı analog olarak kontrol eder. Dijital data birbütün olarak Dijital / Analog çeviriciden (DAC) geçirilerek, analog formdasinyal eldeedilir. Analog çıkış cihazları, küçükmotorlar, valfler, analog ölçü aletleridir.

e. Merkezi İşlem Birimi (CPU)

Şekil 1.2.12

Merkezi İşlem Birimi güç kaynağı (Power Supply) ve işlemci - bellek (Processor - Memory) modülleri arasında haberleşmeyi sağlar. Şekil 1.2.12.a 'da basitleştirilmiş blok şemada görülmektedir. Güç kaynağı birimi işlemci ve bellek ile birlikte Şekil 1.2.12.b 'de görüldüğü gibi bu iki birimi çevrelemiş olarak da bulunabilir.

CPU deyimi sıksık işlemci deyimi ile birlikte kullanılmaktadır.

Programlanabilir denetleyicilerin beyni olan CPU ünitenin büyük bir bölümünü işlemci - bellek birimi oluşturmaktadır. Bu birimde; mikroişlemci, bellek çipleri, bilgi okuma ve bellekten bilgi isteme ile programlama cihazıyla işlemcinin gereksinim duyduğu haberleşme devreleri bulunmaktadır.

PLC'nin gelişimi CPU'nun özelliklerinin artmasıyla paraleldir. Günümüz PLC sistemleri lojik işlemleri yerine getirme dışında zamanlama, sayma, veri saklama, temel toplama, çıkarma, çarpma bölme işlemleri, karşılaştırma işlemleri, kod çevirme işlemleri gibi birçok özelliğe sahiptirler.

f. İşlemci Bellek Modülü (Processor - Memory Modules)

Programlanabilir denetleyicilerin beyni olan CPU ailesinin büyük bölümünü işlemci bellek birimi teşkil etmektedir. Bu modül; mikroişlemci, bellek çiplerini, programlama cihazı ile işlemci arabirimi için gerekli iletişim devreleri kapsamaktadır. Daha küçük sistemlerde mikroişlemci bellek ve iletişim bir bütün olarak tek bir modül içerisinde bulunabilir.

Son dönemdeki PLC'ler temel lojik işlemlerini çok hızlı yerine getirebilecek karar verme kapasitesine sahiptir.

Ayrıca işlemci diğer fonksiyonları da yerine getirebilir. Örneğin, zamanlama, sayma, kıyaslama, tutma ve dört temel matematik fonksiyonlarını yerine getirir. Bu ilave işlemci fonksiyonları daha büyük PLC sistemlerinde kurulmuştur.