18 Nisan 2011 Pazartesi

Elektro-Pnömatik Devre Dizaynı ve Analizi

Elektro-Pnömatik
Devre Dizaynı ve Analizi

Ahmet Saraç - Teknik Eğitici Müh., Ereğli Demir ve Çelik T.A.Ş.
10 yıllık otomasyon eğitimlerim boyunca
katılımcılarımdan hep
şu soru geldi:

Neden Devre Dizaynı?
Bu soruyu sormaları
çok doğaldı. Çünkü,
kurslarıma katılanların %99'u elektrik, elektronik ve mekanik kökenli
İşletme Bakımcıları idi.
Bu sorunun net cevabı şöyle: En iyi bakımcı en iyi devre dizayn edebilen kişidir. Bu cevap büyük bir tartışma yarattı. Gerçek böyle mi? Bu cevabın doğruluğu “Bakımcı”ya getireceğiniz tanımda saklıdır. Bir bakımcıyı tamirci olarak görürsek, bu cevap yanlıştır. Bakımcıyı, bir süpervizör, bir işletmenin sürekliliğinin sağlayıcısı ve kârlılığınızın en büyük etmeni olarak görürsek, bu sorunun cevabının ne kadar yerinde olduğunu daha iyi anlarız.
Bir bakımcı için devre dizaynının neleri içerdiği sorusuna şu cevaplar verilebilir:
- Sistem veya operasyon için hayal gücünü yeniden yaratmak.

- Prosese veya sisteme global bakış açısını geliştirmek.

- Basit düşünme yeteneğini odaklaştırabilmek.

- Otomatize bir sistem içinde gruplar arasındaki entegrasyonu sağlamak.

- Sistemi iyileştirebilme yeteneğine, içsel dürtü ve güven vermek.

- Toplam Verimli Bakım’a giden yolu açmak.
1990 yılları öncesine kadar pnömatik sistem devreleri genelde dışarıdan (kurum veya yurt dışından) hep hazır gelirdi. Kurum içi çalışanlar, hazır devre (sistem) üzerinden yaptıkları inceleme ve analiz ile sistemin nasıl çalıştığına karar verirlerdi. Bu durumun bugün değiştiği veya değişmesi gerektiği düşüncesindeyim. “Amerika’yı yeniden keşfetmenin ne gereği var” düşüncesinin doğru olmadığına inanıyorum. Amerika yeniden keşfedilmeli, hatta defalarca bu yol tekrar kat edilmeli. Magellan’ın yaşadığı heyecan, korku, isyana karşı mücadele, yaratıcılık, terkedilmişlik v.s. hepsinin yeniden yaşanması gerekir. Bu dalda, çok yönlü, kaliteli, hızlı ve öncü “danışmanlık hizmet sektörleri” oluşmadığı sürece, kurumlar kendi profesyonel ekiplerini kurmak, oluşturmak ve istihdam etmek zorundadırlar. Bu ekipler de, Magellan’ın yaşadıklarını, hissettiklerini ve düşündüklerini düşünmek, yaşamak ve hissetmek zorundadırlar.
Devre tasarlamak, mevcut bir devreyi analiz etme işleminden çok farklı ve zordur. İyi bir devre analisti, iyi bir devre tasarımcısı olamaz. Ancak, iyi bir tasarımcı iyi bir devre analizcisi olabilir. Devre dizayn işlemi, alternatiflerin hayal edilmesi ve seçeneklerin netleştirilmesidir. Analiz, mevcudun irdelenmesidir. Sonuçta, bir tasarımcı bir analizciden daha fazla bilgi ve beceriye sahip olmak zorundadır. Dizayn işleminde dağınık bilgi ve beceriler, daha derli toplu hale gelir. Bir pnömatik sistemin anormalleşmesi veya arıza vermesi durumunda bir tasarımcı, problem kaynağının çözümüne daha hızlı, kalıcı ve daha pratik çözümler üretir.
İyi bir elektro-pnömatik sistem tasarımcısı aynı zamanda;
- iyi bir analizci

- iyi bir bakımcı

- iyi bir işletmeci

- iyi bir sistem iyileştiricisi (revizyonist veya iyileştirici) ve

- maliyet düşürücü olabilir.
Elektro-Pnömatik Devre Dizayn Aşamaları
1. Prosesin adı ve tanımı. Sistemin kendisi ile özdeşleşecek bir isim ve bu ismin net açıklanması.
2. Proses tanımının, proses akışına bağlı maddeler (adım-adım) haline dönüştürülmesi.
3. Prosese bağlı işleticilerin (silindir, motor  v.s.) tespiti.
4. Prosese bağlı işletici hareketlerinin fonksiyon/zaman grafiklerinin çizimi.
5. Pnömatik devre çizimi ve alternatif çözümlerin değerlendirilmesi.
6. 4. ve 5. madde ile birlikte elektriksel röle mantık devresinin çizilmesi.
7. 5. ve 6. maddenin 2. madde ile bağdaştırılarak tekrar tekrar analiz edilmesi veya sistemin hayalî çalıştırılması.
Konuyu örnek bir proses seçerek anlatmaya devam edelim:
1. Prosesin adı ve tanımı: Metal  Blok Delme İşlemi.
Seri bir imalât ile Şekil 1’de çizimi verilen blok ölçülerinde delinecektir.
Önce ∆5 mm’lik delik boydan boya, daha sonra ∆10 mm çapındaki delik 20 mm derinliğe kadar ve en sonunda ∆16 mm çapındaki delik 10 mm derinliğinde delinecektir.
2. Proses Adımları:
a) İşlem bir start butonu ile başlar.
b) Malzeme varsa, yatay pozisyonundaki mengene parçayı belli bir kuvvet ile sıkıştırır. Sıkıştırma 6 bar’lık basınçta olmalıdır.
c) Silindir ∆5 mm matkap ucu ile parçaya hızlı bir şekilde yaklaşır. Tam parça üstüne  geldiğinde silindir yavaşlar. Delme hızı ile strok sonuna (delme stroğu 30 mm) kadar hareketini gerçekleştirir. Delme işlemi için 5 bar’lık basınç yeterli gelmektedir.
d) Silindir hızlı bir şekilde geriye döner.
e) Silindir ∆10 mm matkap ucu ile parçaya hızlı bir şekilde yaklaşır. Parçayı delmeye başlamadan önce, silindir hızı delme hızına düşer. Sabit hız ile 20 mm’lik delme stroğunu tamamlar. Delme işlemi için minimum 6 bar gereklidir.
f) Silindir hızlı bir şekilde geriye döner.
g) Silindir ∆16 mm matkap ucu ile parçaya hızlı bir şekilde yaklaşır. Parçayı delmeye başlama öncesinde, silindir hızı delme hızına düşer. Sabit delme hızı ile 10 mm’lik delme stroğunu tamamlar. Delme işlemi için minimum 7 bar gereklidir.
h) Silindir hızlı bir şekilde geriye döner.
i) Delme işlemleri bitmiştir. Mengene parçayı bırakır.
j) Sistemin tekrar start alabilmesi için mevcut parçanın alınmış ve yeni parçanın gelmiş olması gerekir.
Proses tanımının adım adım yazılmasında, delme basınçlarının  belirtilmesine gerek yoktur. Çünkü, bu basınçlar silindir çapına ve malzeme tipine göre değişecektir. İşlem içinde basınç değişimi gerekliliğini vurgulamak için basınç değerleri verilmiştir.
3. İşleticilerin Tespiti:
a) Parçanın mengeneye sıkıştırılması için, yay geri dönüşlü tek etkili pnömatik silindir gereklidir. Strok boyu kullanılacak blok genişliğine bağlıdır.
b) Matkap delme işlemi için bir adet çift etkili pnömatik silindir gereklidir. Strok boyu minimum 40 mm olmalıdır.
4. İşleticilerin Fonksiyon/Zaman Grafikleri:
Bu işlem, 2. maddede tanımlanan prosesin fotoğrafının çekilmesi işlemidir. Hem tasarımı kolaylaştırır, hem de sistemin global  görünüşünün basite indirgenmesini sağlar.
5. Pnömatik Devre Çizimi:
PS: Pozisyon sensörü
P0: Silindir geri strok pozisyonu
P1: Silindirin parça üstü pozisyonu
P2: ∆16 mm delme derinliği
P3: ∆10 mm delme derinliği
P4: ∆5   mm delme derinliği
PRS: Mengene sıkıştırma basınç anahtarı
Müşterinin ileriye dönük esnek üretim talepleri dikkate alınırsa, pnömatik sistem silindir konumlarının pozisyon kontrolü ile yapılması tavsiye edilir. Tersine bir talep olması durumunda, ürün kalitesi dikkate alınarak aynı işlem, mikro-anahtarlar ile de yapılabilir. Müşterinin kalite, hız, esnek üretim ve maliyet talebi dikkate alınarak, alternatif seçenekler sunulmalıdır. Bu sistemde kullanılan pozisyon kontrol seçimi, sistem maliyetini arttıracaktır. Her iki seçenek, maliyet bazında müşteriye sunulmalı ve tercih müşteriye bırakılmalıdır.
 
6. Pnömatik Devrenin Analizi:
Şekil 3’teki pnömatik devre, devre çiziminde basitleştirilmiştir.
Oransal regülator yerine, üç ayrı açık/kapalı regülator ve üç ayrı 3/2-yön valfı kullanarak aynı işlemi sağlayabiliriz. Ancak, sistem işletme ve bakım/onarım maliyeti artar. Sistem devresi daha karmaşık hale gelir. Oransal regülatörün sisteme sağlayacağı hızı ve esnekliği elde edemeyiz. Ekipman maliyeti olarak kıyasladığımızda ise, oransal regülator kullanımı daha pahalıya mal olacaktır.
Sistem, bir FRY (filtre+regülatör+yağlayıcı) hava hazırlayıcısı ile başlar. Sistem, valf-1’in konum değiştirilmesi ile basınçlı hale gelir. Valf-2, sel.A’nın enerjilenmesi ile Sil.A (mengene) ileri strok hareketi neticesinde iş parçasını sıkıştırır. İş parçası yüzeylerinde hasar veya iz oluşturmayacak oranda  Reg.1 (regülator-1) basıncı 6 bar’a ayarlanır. Mengene parçayı 6 bar basıncında sıktığında PRS’den (basınç anahtarı) geri besleme sinyali alınır. Bu sinyal ile Sil.B, ∆5 mm delme işlemi için ileri stroğuna, Sel.B ve Sel.D enerjilenerek başlar. P1 konumunda Sel.D’nin enerjisi kesilir. Silindirden gelen hava, hız kontrol valfı üzerinden Valf.3’e ulaşır. Silindir-B ileri strok hızı, hız kontrol valfından daha önceden tesbit edilen oranda olur. Bu hız matkabın delme hızıdır.
Silindir-B, P4 konumuna ulaştığında, ∆5 mm delik delme işleminin bittiğinin sinyali alınır. Sel.B’nin enerjisi kesilir. Valf yay konumuna döner. Silindir-B hızlı bir şekilde geri strok hareketine başlar.
Oransal regülatör, ilk ∆5 mm işlemi için 5 bar basınca karşılık 5 Volt’luk sinyal girişi ile silindir ilerleme basıncını 5 bar’da tutar. Silindirin iş parçasına yaklaşımı ve geri strok hareketlerinde sistem basıncı 4 bar olsun. Böylece, oransal regülatörün bu stroklardaki giriş sinyali 4 Volt olacaktır.
Potansiyometre ile oransal regülatör giriş sinyalleri şöyledir:
 
- 4 bar için 4 Volt girişli potansiyometre, devreye alıcı röle (enable)  R1
- 5 bar için 5 Volt girişli potansiyometre, devreye alıcı röle (enable)  R2
- 6 bar için 6 Volt girişli potansiyometre, devreye alıcı röle (enable)  R3
- 7 bar için 7 Volt girişli potansiyometre, devreye alıcı röle (enable)  R4
 
İkinci işlem için Silindir-B, P0 konumuna gelir. ∆10 mm matkap ucu ile P1 pozisyonuna hızla yaklaşır.
P1 ve P3 pozisyon arası delme işlemini tamamlar. Delme işlemi neticesinde, silindir P3 sinyali algılaması komutu ile P0 pozisyonuna geri döner.
Üçüncü işlem, silindir iş parçasına yaklaşım hızı ile P1 konumuna gelir. P1 ve P2 konumu arası ∆16 mm delik delme işleminden sonra, hızlı bir şekilde P0 konumuna geri döner. Tüm işlemler tamamlanmıştır. Sel.A enerjisi kesilerek mengenenin iş parçasını bırakması sağlanır.
Tüm bu işlemler için pozisyon sensörüne gerek olmadığı düşünülebilir. Aynı işlemi, daha önce söylendiği gibi mikro-anahtarlar ile de yapabiliriz. Ancak, kontrol panosu üzerinden yapacağımız ayar ile bu konumları daha kolay tespit edebileceğiz. Esnek veya değişik alternatif imalâtları dikkate aldığımızda, her türlü konum kontrolleri, mikro-anahtarlar ile yapamayacağız. Bu amaçlı üretimlerde pozisyon sensörü kullanımı kaçınılmaz olacaktır. Yapılacak imalât toleransları çok küçük ise, konum kontrolünde sadece pozisyon sensörü kullanımı da yeterli olmayacaktır. Bu durumda silindirimiz, hidro-pnömatik silindir olmak zorundadır.
 
7. Elektriksel Röle Mantık Devresi:
Elektrik Röle Mantık Devresi çizimine geçilmeden önce, sistemde kullanılacak tüm giriş/çıkışların kodları ve açıklamaları listelenmelidir. Pnömatik devre üzerinde kullanılan sinyallerin tekrar yazılmasına gerek  yoktur.
 
S0: Start/Stop kitlemesiz buton
S1: Metal iş parçasının var olduğunu bildiren endüktif anahtar
C0: Karşılaştırma kartı P0 konumu algılama kontağı
C1: Karşılaştırma kartı P1 konumu algılama kontağı
C2: Karşılaştırma kartı P2 konumu algılama kontağı
C3: Karşılaştırma kartı P3 konumu algılama kontağı  
C4: Karşılaştırma kartı P4 konumu algılama kontağı
 
Kullanacağımız karşılaştırma kartı hassasiyeti veya cevap verme süresi (response time), silindir konum kontrol hassasiyeti ile orantılı olacaktır. Buna göre karşılaştırma kartı davranışı Şekil 4’te gösterilmiştir.
Silindir hızına ve karşılaştırma kartının cevap verme süresine bağlı olarak, silindir “t” toleransında ölçülerden sapma gösterebilir.
8. Elektriksel Röle Mantık İşlemleri:
- İşlem-1: Mengenenin iş parçasını sıkıştırması.
- İşlem-2: Silindir-B'nin malzemeye hızlı yaklaşması.
- İşlem-3: ∆5 mm delme işlemi.
- İşlem-4: Valf-3 yay geri gelmeli olduğundan, Silindir-B otomatik olarak geri gelir. Çünkü Sel.B’nin enerjisi P4’de kesilmiştir.
- İşlem-5: Silindir-B, P0’da matkap ucunu değiştirir. Değiştirme süresi dikkate alınarak ∆10 mm delme işlemine başlanması gerekir. Ancak, sistemimizde bu matkap ucu değişimini dikkate almadığımızdan, ∆10 mm delme işlemini hemen başlatıyoruz.
İşlem-2’de röle mantığı tekrar devreye girer. Silindir-B, P1 konumuna gelir.
- İşlem-6: Sel.B’nin enerjisi P3’de kesilir. Valf-3 yay konumuna geçişi ile Silindir-B geri konuma gelir.
- İşlem-7: Silindir-B P0 konumuna gelir gelmez, İşlem-2 tekrar devreye girer. Silindir-B böylece P1 konumuna son delme işlemi için gelmiş olur.
- İşlem-8: K11 rölesi  (İşlem-1’de) kapalı anahtarı K1 rolesi enerjisini keser. 4 numaralı hattan Sel.A’nın enerjisi de kesilir. Silindir-A iş parçasını bırakır.
- İşlem-9: S0 start butonuna basılmadığı sürece işlem başlamaz. S0 Start butonuna basılırsa, K10 rölesinin enerjisi kesilir ve proses yeniden işleme başlar.
- İşlem-10: Sel.D’nin (oransal regülatör) enerjilenmesi
- İşlem-11: 12, 17, 22 numaralı hatlarda Sel.B bobini enerjilemesi bağlantısı R1, R2, R3 ve R4 ile yapılmaktadır. Bu bağlantılar, sistemi komple düşündüğümüzde yanlış enerjilemeye sebebiyet verir. Bu nedenle 12, 17 ve 22 numaralı hatlar iptal edilerek, bu bağlantı şekillerinin Şekil 11’de verilen devreye dönüştürülmesi gerekir.
- İşlem-12: Elektriksel Röle Mantık Devreleri birleştirilerek son devre üzerinden yeniden numaralandırma yapılır.
Sonuç
Elektro-pnömatik devre dizayn işlemi için aşağıda verilen bilgi ve beceri akış diyagramı her zaman geçerlidir:
İster mekanikçi, ister elektrikçi veya elektronikçi olalım, bir elektro-pnömatik sistem ile uğraşıyorsak ve sistemin her türlü probleminden bizler sorumlu isek, yukarıda çizilmiş diyagramdaki tüm bilgi ve becerilere sahip olmamız gerekir. Kısaca, günümüz teknolojisindeki Mekatronik Mühendisliği gereksinimi bu ihtiyaçtan ortaya çıkarmıştır. Farklı ünvanlara sahip kişilerden oluşmuş bir ekip dahî olsak, ekip üyelerinin birbiriyle daha iyi iletişim kurabilmesi için, bu bilgi ve beceriye gereksinim vardır.
Siz, bu sistemin tasarımcısı olarak bu sistem ile ilgili çıkabilecek her türlü problemi çözebilecek iç dürtüyü, güveni ve yeterliliği kendinizde görüyor musunuz? Cevabınız “evet” ise, konu başındaki sorumuzun cevabını destekliyorsunuz. Cevabınız “hayır” ise, yukarıda verilen Bilgi ve Beceri Diyagramı’mızı bir kez daha gözden geçiriniz. Bilgi ve becerinizde eksik gördüğünüz konu hakkında bir eğitim ihtiyacı tespitinde bulununuz.

Not: Bu yazı Endüstri ve Otomasyon dergisinden alınmıştır.

Hiç yorum yok:

Yorum Gönder

Yorum Gönder