Karmaşık Endüstriyel Denetim Stratejilerinin Tasarımı ve PLC’lere Uygulanması

Hamza Dere / MATLAB Uygulama Mühendisliği Yöneticisi / FİGES
Ahmet Demirkesen / MATLAB Uygulama ve Proje Mühendisi / FİGES

Karmaşık Endüstriyel Denetim Stratejilerinin Tasarımı ve PLC’lere Uygulanması
Programlanabilir Mantıksal Denetleyici (Programmable Logic Controller / PLC)’ler, tek giriş-çıkışlı basit kontrol döngülerinden, birden fazla kademeye sahip ve karmaşık gözetimsel algoritmaların yer aldığı kontrol problemlerine kadar, geniş bir aralıkta kullanılmaktadır. Sadece tek bir PID döngüsünün olduğu problemlerdeki gibi, mühendisler, PID denetleyiciyi makine çalışırken gerçekleştirmekte ve kazanç değerlerini ayarlamaktadırlar. Daha karmaşık kontrol problemlerinde ise denetim stratejilerinin PLC’ler üzerinde kodlanması ve doğrulanması daha zorlu hale gelmektedir. Tasarımcılar, birden fazla denetleyiciye ait parametrelerin değerlerini belirlemek ve denetim algoritmalarının her bir parçasının istenildiği gibi çalıştığından emin olmak zorundadırlar. Karmaşık denetleyicilerin, bir donanım prototipi ya da gerçek bir proses üzerinde ayarlanması, sadece zaman tüketmekle kalmaz; aynı zamanda ekipmana zarar verme riskine de sahiptir.
Bu problemlerin çözümü, tasarımları simülasyonlarla gerçekleştirmek ve karmaşık denetim stratejilerini bir model içerisinde doğrulamaktır. Üzerinde çalışılan bu model, IEC 61131 ST program satırlarına otomatik olarak dönüştürülerek PLC’lere uygulanabilir. Bu makalede sözü geçen yaklaşım, bir çelik haddeleme sistemi ile örneklenecektir.

Çelik Haddeleme Sistemi: Denetim Sisteminin Amaçları


Bir çelik haddeleme hattı, külçe çelikten üniform kalınlıkta sac üretmek için kurulur. Genel olarak hat, birden fazla merdaneleme aşamasından oluşmaktadır. Her bir aşamada, çelik daha da yassılaştırılarak bir diğerine gönderilmektedir (Şekil 1). Bu haddeleme aşamaları devam ederken, merdaneler sac üzerindeki basıncı korumalıdır, yırtılma ve gevşemelere izin vermemelidir.

Bu çok aşamalı süreci simüle edebilmek için, önce tek bir merdaneyi modellemeli ve denetlemeliyiz. Daha genel bir yapılanmayı, bu daha basit yapıları birbirine bağlayarak çözümleyebiliriz.
Bu sade merdanemizin denetim sistemi, aşağıdaki gereksinimleri karşılamalıdır:

Sistem Modelinin Oluşturulması


Denetleyicimizi geliştirmek ve test edebilmek için, öncelikle hadde hattının Simulink modelini geliştirmemiz gerekir. Süreci iki basamakta modelleriz; öncelikle her bir haddeleme aşamasını ve daha sonra aralarındaki sarıcıyı bağımsız olarak modelleriz. Haddeleme aşamasında, merdanelerdeki çelik şeridini sıkıştıran kuvveti oluşturmak için hidrolik bir eyleyici kullanılır.

Şekil 2. Haddeleme makinesi ve ilmik yapma aygıtını gösteren Simulink Modeli (theta: ilmik açısı).
Bir motor sürücüsü tarafından oluşturulan haddeleme torku, haddeleme hızının kontrol edilmesini sağlar. SimMechanics™, Simscape™ ve SimHydraulics® kütüphanelerini kullanarak haddeleme makinesinin mekanik, elektriksel ve hidrolik elemanlarını, fiziksel denklemleri türetmek zorunda kalmadan modelleyebiliriz. İlmik yapan aygıt kısmını modellemek için SimMechanics kullanabiliriz. Üç gövdenin eklemler vasıtasıyla bağlanacağı şekilde ilmik yapan aygıt ve çelik şeritleri modelleyebiliriz. Daha sonrasında haddeleme makinesi ve ilmik yapan aygıt modellerini birleştirerek aşağıdaki Simulink sistem şemasını elde ederiz (Şekil 2).

Kontrolcü Tasarımı ve Doğrulama


Sonraki adım, denetleyicileri tasarlamak için sistem modeli kullanmaktır. Şekil 3’te, çok aşamalı tipik bir haddeleme sistemi süreci kontrol sisteminin çoklu döngü mimarisi görülmektedir.

Kontrol sistemi aşağıdaki eyleyicilerden oluşur:

AGR
- Hidrolik valfin açıklığını kontrol eder, haddeleme sıkıştırma kuvvetini oluşturarak şerit kalınlığının ayarlanmasını sağlar.
ASR - Doğru akım motoruna uygulanacak gerilimi belirler, haddeleme torkunu bu vesile ile oluştururken şerit hızını kontrol eder.

Şekil 3. Çoklu döngü kontrol mimarisi (theta: ilmik açısı, sigma: levha gerilimi, omega: levha hızı).
LHC - Haddeleme makinesinin referans açısal hızını istenilen malzeme gerilimini sağlayacak şekilde manipüle eder (Gerilme değeri istenilenden yüksek ise gerilmeyi düşürecek şekilde fazladan malzeme sağlamak amacıyla daha yüksek bir referans açısal hız belirlenir. Gerilme değeri istenilenden düşük ise gevşekliği giderebilmek amacıyla daha düşük bir referans açısal hız belirlenir).

CRCC – İlmik yapma aygıtı motoruna gidecek akımı manipüle ederek ilmik aygıtındaki istenilen malzeme gerilimini sağlar.

Tüm döngülerin tümleşik olduğu unutulmamalıdır. Örneğin, AGR eyleyici tarafından kontrol edilen hidrolik valf, sadece şerit kalınlığını değil ama aynı zamanda şerit hızını da etkiler. LHC ve ASR eyleyicileri, gerekli gerginliği ve şerit hızını korumak için birlikte çalışır.

Biz eyleyici tasarımını, ilk planda tek bir haddeleme çalışmasının kontrolü için yapacağız. Öncelikle Simulink Control Design™ kullanarak doğrusal olmayan modeli doğrusallaştıracağız.

Şekil 4. PID Eyleyici Ayar Paneli. Kaydırıcıyı kullanarak eyleyici dizaynına yönelik hassas ayar yapılabilir.
Daha sonra, yine Simulink Control Design™ ürününde mevcut olan PID tasarım araçları kullanılarak eyleyici parametrelerini ayarlayacağız. Şekil 4’te verilen ayarlama arayüzü ile PID kontrolcü parametrelerini, istenilen sistem yanıtı kriterlerine yönelik otomatik olarak hesaplayabiliriz. Simulink Design Optimization™ ile kontrolcü katsayılarının hassas ayarlarını yaparak doğrusal olmayan çalışma bölgeleri için de sistem performansının artırılmasını sağlayabiliriz. Etraflı tasarımı, doğrusal olmayan sistem ile yapılan simülasyonlar sonucunda doğrulayabiliriz. Bu süreçte, sistem modelinin iki ana amaca hizmet ettiğini unutmamak gerekir:

  • Simulink Control Design™ aracılığıyla oluşturulan doğrusallaştırılmış sistem modeli eyleyici parametrelerinin ayarlanması
  • Tüm doğrusal olmayan sistem modeli kullanılarak eyleyicinin kapalı çevrim performansı ile parametrelerinin doğrulanması

Çok Aşamalı Çelik Haddeleme Prosesinin Modelleme ve Simülasyonu


Çok aşamalı haddeleme sürecini modellemek amacıyla özel kütüphane bloklarını oluşturmak suretiyle haddeleme makinesi ve ilmik aygıtı alt sistemlerini entegre edebiliriz (Şekil 5).

Şekil 5. Çoklu çelik haddeleme makineleri ve ara ilmik aygıtlarından oluşan Entegre Simulink Modeli.
“Kütlenin korunumu” ve “farklı istasyonlar arasındaki taşıma gecikmeleri” gibi, süreç dâhilinde olan farklı durumları modellemek amacıyla ek alt sistemler kullanılmıştır. Şekil 6’da, çok aşamalı sistem içerisinde bulunan 3 ana aşamaya ait süreç değişkenleri görülebilir. İstenilen özelliklerde katman kalınlığını üretebilmek için her aşamaya ait kalınlık referans değerleri elde edilmiştir. Katman gerilimlerindeki gürültüler etkili bir şekilde giderilmiştir.


Arıza Tespit Mantığı - Tasarım ve Doğrulama


















Şekil 6. Proses değişkenleri için benzetim sonuçları: (a) Kalınlık azaltma hedefi üçüncü aşama çıkışında elde edilmiştir. (b) Kalınlık azaltma hedefi üç aşama için eşit olarak dağıtılmıştır. (c) Katman gerilim bozuklukları etkili bir şekilde giderilmiştir.
Geri beslemeli eyleyicilere ek olarak süreç eyleyicileri; üst denetleyici, hata algılama ve hata kurtarma mantığını içermek zorundadırlar. Örneğin, sistemde bulunan tüm sensörlerin ve valflerin durumu izlenmelidir. Bizim odak noktamız, hidrolik valf için doğru eylemi sergilemek, hata algılamak ve hata kurtarmak üzerine olacaktır.  Algoritmamız çok aşamalı süreç içerisinde özellikle genel kalınlık azaltma hedefini her bir aşamanın kendi kalınlık referans değerine dönüştürecek şekilde dağıtım yapacaktır.



Herhangi bir aşamanın hidrolik sıkıştırma görevi başarısız olduğunda, algoritma, diğer aşamaların bunu telafi edip edemeyeceğini kontrol edecektir. Eğer bunu başarabiliyorlarsa toplam kalınlık azaltma hedefini tutturacak şekilde çalışan aşamalar için referans değerleri yeniden hesaplanacaktır.

Bu mantığı gerçekleştirmek amacıyla Stateflow™ kullanılmaktadır. Bu algoritmanın, genel bir gösterim olması amacıyla gerçek sürece kıyasla basitleştirildiği unutulmamalıdır; çünkü başarısız olan aşamanın herhangi bir sıkıştırma yapmadığı; fakat malzemenin geçmesine izin verdiği kabulü yapılmıştır.

Gerçek düzeneğin kurulumunda çok daha karmaşık ve kapsamlı bir algoritmanın gerektiği aşikârdır. Yapay olarak sistemde hata oluşturmak suretiyle Simulink modelimizde bu algoritmanın testini gerçekleştirebiliriz.













Şekil 7. Stateflow™ ile oluşturulmuş hataya dayanıklı referans değer dağılımı.
Şekil 8’de, hataya dayanım algoritmasının benzetim sonuçları gösterilmektedir. Herhangi bir aşama başarısız olduğunda, üst denetleyici yükün dağıtılabilir olup olmadığına karar verir. Yapabiliyorsa diğer aşamaların sağlıklı bir şekilde referans değerler ile güncellenmesini sağlar. Eğer bunu gerçekleştiremiyorsa sacın hareketini durduracak şekilde sürece müdahale eder ve hattı durdurur.
Şekil 8. Herhangi bir aşamanın başarısız olma durumunda sistemin kurtarılmasına ilişkin benzetim sonuçları: Aşama 1 başarısız olunca Aşama 2 ve 3 ile telafi edilir. Aşama 2 başarısız olduğunda, sadece Aşama 3’ün gerçeklenmesi ile toplam kalınlık azaltma hedefi tutturulamadığından hat durdurulur.

Eyleyicinin bir PLC üzerinde Gerçeklenmesi

PLC’ler için IEC 61131 uyumlu “structured text” yapısında otomatik kod üretebilmek için Simulink PLC Coder™ ürününü kullanmaktayız.
Bu taşınabilir ve yapılandırılmış metni, IDE içerisine aktararak, hedef PLC donanımında kullanabilmekteyiz. Şekil 9’da IEC 61131 için yapılandırılmış kod metnini görmekteyiz. Üretilen “structured text” kod yapısının çok iyi yorumlandığını ve kolaylıkla model ile ilişkilendirme suretiyle izlenebildiğini göz önünde bulundurmak gerekir.

Otomatik kod üretimi, manuel kodlamadan gelen hataları yok eder ve nihai yapılandırılmış kod metninin PLC üzerinde benzetim sonuçları ile çok yakın değerler veren numerik sonuçlara ulaşılmasını sağlar. Simulink PLC Coder™, özgün benzetim sonuçları ile test gerçekleme sonuçlarını karşılaştırabileceğimiz bir test düzeneği üretir.

Eğer PLC yazılım ve donanımının bir arada, tümleşik bir şekilde gerçeklenmesini, donanım içeren test ortamı yardımıyla istersek, sistem modelimizi Simulink Coder™ kullanarak C koduna çevirebilir ve gerçek zamanlı simülatör üzerinde (örneğin xPC Target™) modeli koşarak PLC kontrol algoritmasını doğrulayabiliriz.

Kullanılan ürünler:

  • Simulink®
  • SimHydraulics®
  • SimMechanics™                            
  • Simscape™
  • Simulink Control Design™
  • Simulink Design Optimization™
  • Simulink PLC Coder™
  • Stateflow™
Bu yazı, MathWorks News&Notes dergisindeki, yazarları Parasar Kodati (MathWorks), Tom Erkkinen  (MathWorks) and Arkadiy Turevskiy (MathWorks) olan Design and PLC Implementation of Complex Industrial Control Strategies isimli makaleden Türkçe’ye çevrilmiştir.

Şekil 9. Simulink PLC Coder™ kullanılarak oluşturulan IEC 61131'e göre yapılandırılmış metin. Stateflow™ şemasına referanslanan yorumlar mavi renkte görülmektedir.