Geri Dön

Redundant and safe work implementation for S7-1200 PLC family

S7-1200 plc ailesi için yedekli ve emniyetli çalışma uygulaması

PDF İndir

  1. Tez No: 634566
  2. Yazar: OKAN KONUK
  3. Danışmanlar: PROF. DR. SALMAN KURTULAN
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Mühendislik Bilimleri, Engineering Sciences
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2020
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Kontrol ve Otomasyon Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Kontrol ve Otomasyon Mühendisliği Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 81

Özet

Günümüz teknolojisinde yadsınamaz bir öneme sahip olan otomasyon alanının sahip olduğu en önemli bileşenlerinden biri hiç kuşkusuz ki Programlanabilir Mantıksal Kontrolörler (PLC) olarak görülmektedir. Bu cihazlar endüstriyel uygulamaların neredeyse her alanında bulunmaktadırlar ve genellikle kumanda ve otomasyon sistemlerinin merkezinde bulunurlar. Bu cihazlar keşfedilmeden önce endüstriyel kumanda sistemleri röle ve kontaktör tabanlı teknolojiye muhtaçlardı. Ancak röle ve kontaktörlerin uzun ömürlü olmamaları, endüstriyel çevre şartlarından çok kolay etkilenmeleri ve en önemlisi modüler bir yapıya sahip olmamaları gelişen sanayi ile birlikte PLC'lerin ortaya çıkmasına vesile olmuştur. 1960'lı yılların sonlarında başlayan bu süreç, her geçen gün daha da gelişerek günümüzdeki halini almıştır. Bir PLC çalışma prensibi olarak giriş elemanlarından aldığı verileri, bünyesinde yazılmış olan programa göre işleyerek çıkış elemanlarına aktaran mikroişlemci tabanlı bir cihazdır. Giriş elemanları genellikle sensörler, anahtarlar ve tuşlar gibi birimlerden oluşurken, çıkış elemanları genellikle led lambalar, sürücüler ve motorlar gibi birimlerdir. Bir PLC, giriş/çıkış birimleri, bellek ve merkezi işletim birimi (CPU) gibi bölümleri olan bir elektronik sistem olarak da tanımlanabilir. Zamanlama, sayma ve sıralama gibi bir çok temel mantıksal işlemler bu cihazlar tarafından gerçekleştirilir. Öte yandan, hareket kontrolü, süreç kontrolü ve veri denetimi gibi bir çok işlevde bu cihazlar kullanılabilir. Gelişen teknoloji ve sanayi ile birlikte yeni gereksinimler bu cihazları sürekli gelişmeye zorlamıştır. Haberleşme, işlemci gücü ve bellek yönetiminin her dönem ilerlemesi, yeni dönem PLC'lerin daha kompakt, daha hızlı, daha küçük ve aynı zamanda daha çok belleğe sahip olacak şekilde geliştirilmesini sağlamıştır. PLC'lerin ortaya çıkmasından itibaren başlayan süreç makine üreticileri için önemli değişiklikleri beraberinde getirdi. Makinelerin birbirlerine bağlanma şeklinde değişikliğe gidildi ve bunun sonucunda klasik rölelerin yerini PLCler aldı. Ancak bu düzenlemeler PLC'lerin makine emniyetinden uzak kalmasına sebep oldu. Bu sebeple, emniyetin kritik olduğu ve olası sonuçların hem çevreye hem de insan hayatına ciddi derecede zarar verebilecek potansiyelde olduğu sistemler için belli başlı standartlar getirilmeye başlandı. Bu standartların temel amacı bu tarz sistemlerin olası tehlikeli sonuçlarından kaçınmak ve ya bu sonuçların çevreye ve insana olan etkilerini mümkün olduğunca azaltmaktır. Uluslararası Elektroteknik Komisyonu (IEC) gibi bir çok komisyon bu standartların oluşumunda rol almışlardır. IEC 61508 ve IEC 61511 endüstriyel otomasyonda emniyetin sağlanması amacıyla en çok kullanılan standartlar arasında gösterilebilir. Standart PLC'lerin gelişimiyle beraber endüstrideki emniyet gereksinimleri, emniyet PLC'lerinin tasarlanmasına vesile olmuştur. Emniyet PLC'leri bakım kolaylığı, ileri seviye diagnostik ve yüksek güvenilirlik sağlaması ile endüstiryel otomasyonda emniyet ihtiyacını önemli seviyede karşılamaktadır. PLC'lerin doğasında bulunan modüler olma özelliği sayesinde de makine yapısının ya da uygulanacak kontrol kurallarının karmaşık olduğu uygulamalarda emniyet PLC'lerinin kullanımı çokça tercih edilmektedir. Sistem güvenilirliği bu gelişmelerle birlikte ortaya çıkan önemli kavramlardan biridir. Bir sistemin güvenilir olması, oluşabilecek arızaları sistemin işleyişini etkilemeden giderebilmesi yeteneği ile doğru orantılı olarak açıklanabilir. Artıklık, fazlalık gibi anlamlara gelen redundancy ise sisteme hata toleransı kazandırmanın en önemli yoludur, ancak 100% olarak hata toleransını garanti etmez. Redundancy prensip olarak bir sistemde belirli bir işi yapabilecek birden fazla birimin bulundurulmasıdır. Burada önemli husus, sistemin çalışabilmesi için tek bir birim yeterli olacak iken yedekte en az bir birimin daha hazır bulundurulmasıdır. Redundancy teknolojisi genellikle sürekli üretimin olduğu yerlerde kullanılır. Redundancy kavramının endüstriyel otomasyon sistemlerinde uygulanmasının temel felsefesi; bir PLC aktif bir şekilde sistemi kontrol ederken bir arıza yaşanması durumunda yedekte bekletilen PLC'nin çalışmayı aksatmadan devreye girmesidir. Redundancy kavramı sağlanış, işleniş ve yürütülüş biçimlerine göre bir çok farklı kategoriye ayrılmaktadır. Günümüzde endüstriyel otomasyonda söz sahibi olan bir çok PLC üreticisinin emniyet gerektiren uygulamalar için olduğu gibi redundancy gerektiren uygulamalar için de üretmiş olduğu ve dünyanın bir çok bölgesinde büyük ölçekli projelerde kullanılan özel PLC sistemleri mevcuttur. Bu sistemlerin üst düzey olmaları, standart bir PLC'ye göre daha fazla giriş/çıkış modülleri barındırması, kurulumunun ve yürütülmesinin maliyetli olması küçük işletmeler için fazlaca maddi yük anlamına gelebilir. Endüstriyel otomasyon alanında çokça karşılaşılan kumanda devrelerinin tasarımı ve PLC ile gerçeklenmesi önemli konulardan bir diğeridir. Mevzu bahis kumanda devrelerinin ya da otomasyon sistemlerin amaca uygun ve optimum bir şekilde çalışabilmesi için iyi bir şekilde tasarlanıp PLC diline öyle aktarılmaları gerekmektedir. Sistemlerin modellenmesi için bilinen birçok modelleme yöntemi bulunmaktadır. Bunların başında geçici ve pratik çözümler sağlayan ve uygulaması kolay olan sezgisel yöntemler gelmektedir. Asenkron ve senkron sıralı devreler yöntemleri ise belli kurallar çerçevesinde oluşturulan ancak bazı hususlar neticesinde kullanımı sınırlı olan yöntemlerdir. PLC'lere uyarlaması daha kolay olan ve bir matematiksel alt yapıya dayanan Petri Ağları yöntemi karmaşık endüstriyel sistemleri basit hale indirgeyerek tasarımı oldukça kolaylaştıran bir yöntemdir. Grafiksel olarak ifade edilebilmesi sayesinde anlaşılırlığı ve takibi basittir. Bu tez çalışması dahilinde, konveyör bant gibi çokça karşılaşılan bir endüstriyel sistemin Petri Ağları yöntemi ile tasarlanması ve standart PLC'ler kullanılarak mevzubahis sistemin gerektiğinde emniyetli gerektiğinde redundancy prensibine uygun bir şekilde çalıştırılabilmesi amaçlanmıştır. Nispeten ucuz ve kompakt PLC'ler kullanılarak piyasada sunulan maliyetli çözümlerin yerine temelde aynı işlevi yerine getirebilen, küçük işletmeler tarafından kullanılabilecek daha ucuz bir çözüm geliştirilmesi hedeflenmiştir. Bu çalışmanın giriş bölümünde, öncelikle emniyetli çalışma ve redundancy prensibinden bahsedilmiş ve temel işlevleri açıklanmıştır. Bu kavramlarla birlikte çokça işitilen emniyet enstrümanlı sistemler ve sistem güvenilirliği kavramlarına değinilmiştir. Sonrasında, endüstriyel otomasyon sistemlerinin tasarımında bilinen ve uygulanan yöntemler basitçe açıklanıp birbirileri ile kıyaslanmıştır. Çalışmanın ikinci bölümünde bu tez çalışması için ele alınan konveyör bant sisteminin tasarımı için seçilen Petri Ağları yöntemi anlatılmıştır. Petri Ağları'nın temel elemanları ve özellikleri, durum geçiş mekanizması ve grafiksel ara yüzü detaylı bir şekilde incelenmiştir. İlerleyen alt başlıklarda, bu yöntemin matematiksel alt yapısından faydalanarak durum denklemleri verilmiştir ve daha iyi anlaşılabilmesi için tüm bölüm örneklerle desteklenmiştir. Son olarak belli başlı özelliklere göre Petri Ağları'nın sınıflandırılması örneklerle anlatılmıştır. Çalışmanın üçüncü bölümünde emniyet ve redundancy kavramlarının okuyucu tarafından daha iyi anlaşılabilmesi için öncelikle bölüm boyunca kullanılan bazı terimlerin açıklamaları verilmiştir. Sonrasında giriş bölümünde de bahsedilen emniyet enstrümanlı sistemler detaylıca anlatılmıştır ve temel emniyet standartlarından olan IEC 61508, IEC 62061 ile ISO 13849 standartları özetlenmiştir. Sonrasında IEC 61508 standardında bahsedilen sistem mimari yapılarından 1oo1, 1oo2, 2oo2 ve 2oo3 yapıları anlatılmıştır. Üçüncü bölümün son kısmında redundancy prensibi detaylı bir şekilde açıklanmıştır. Çalışmanın dördüncü bölümünde tezin amacı doğrultusunda bir uygulama yapılmıştır. Öncelikle konveyör bant sistemi belirli senaryolara göre hareket edecek şekilde Petri Ağları yöntemi ile modellenmiştir. Elde edilen modeli PLC koduna dönüştürmek amacıyla mantıksal ifadelere çevirebilmek için daha önce önerilmiş olan bir yöntemden faydalanılmıştır ve bu yöntem detaylıca açıklanmıştır. Sonrasında tüm sistemin istenildiğinde emniyetli istenildiğinde redundant çalıştırılabilmesi için standart PLC'ler ile bir önceki bölümde anlatılan 1oo2 ve 2oo2 yapıları oluşturulmaya çalışılmıştır. Bu amaç doğrultusunda sistemde var olan PLC'lerin birbirileri ile nasıl haberleştirildikleri detaylıca anlatılmıştır. Son olarak, tüm sistemin takibi ve kontrolü için tasarlanmış olan özel dokunmatik ekrandan bahsedilmiştir. Çalışmanın son bölümünde ise gerçekleştirilen uygulamanın sonuçları paylaşılmıştır. Çalışmada kullanılan standart PLCler kurulan yapıda, hedeflenen emniyetli ve redundant çalışma prensiplerinin temel özellikleri ile sağlandığına kanaat getirilmiştir.

Özet (Çeviri)

One of the most important components of the automation field, which has an undeniable importance in today's technology, is undoubtedly seen as Programmable Logical Controllers (PLC). These devices are found in almost every area of industrial applications and are usually at the center of control and automation systems. Before these devices were discovered, industrial control systems needed relay and contactor based technology. However, the fact that the relays and contactors are not long-lived, are very easily affected by the industrial environmental conditions, and most importantly, the lack of a modular structure led to the debut of PLCs with the developing industry. This process, which started in the late 1960s, has improved day by day and has taken its current form. As the operating principle, a PLC is a microprocessor based device that processes the data it receives from the input elements to the output elements according to the program written in it. Input elements are generally composed of units such as sensors, switches and buttons, while output elements are usually units such as leds, drivers and motors. A PLC can also be defined as an electronic system with sections such as input/output units, memory and central operating unit (CPU). Many basic logical operations such as timing, counting and sequencing are performed by these devices. On the other hand, these devices can be used in many functions such as motion control, process control and data control. With the developing technology and industry, new requirements have forced these devices to develop continuously. The advancement of communication, processor power and memory management each period has enabled the development of new PLCs to be more compact, faster, smaller and also have more memory. The process that started from the debut of PLCs brought important changes for machine manufacturers. The way the machines are connected to each other has been changed and as a result, PLCs have replaced the classical relays. However, these regulations caused PLCs to stay away from machine safety. For this reason, certain standards have been introduced for systems where safety is critical and potential consequences can harm both the environment and human life. The main purpose of these standards is to avoid the potentially dangerous consequences of such systems or to reduce the effects on the environment and people as much as possible. Many commissions, such as the International Electrotechnical Commission (IEC), have been involved in the formation of these standards. IEC 61508 and IEC 61511 are the most used standards for ensuring safety in industrial automation. With the development of standard PLCs, safety requirements in the industry have led to the design of safety PLCs. Safety PLCs meet the safety need in industrial automation at an important level with its ease of maintenance, advanced diagnostics and high reliability. Thanks to the modular feature of PLCs, the use of safety PLCs is highly preferred in applications where the machine structure or control rules to be applied are complex. System reliability is one of the important concepts emerging with these developments. The reliability of a system can be explained in direct proportion to its ability to eliminate faults that may occur without affecting the operation of the system. Redundancy is a significant way to ensure fault tolerance. Redundancy is, in principle, having more than one unit that can perform the same task in a system. The important point here is that while a single unit is sufficient for the system to operate, at least one more unit is kept as a backup. Redundancy technology is often used where there is continuous production. The basic philosophy of redundancy in industrial automation systems can be said that in the event of a malfunction in a PLC which actively controls the system, it is the activation of the PLC, which is kept as the backup, without interrupting the operation. The Redundancy concept is divided into many different categories according to the way it is provided and executed. Recently, there are special PLC systems that many PLC manufacturers have produced for applications that require redundancy as well as safety and used in large scale projects throughout the world. The fact that these systems are high-end, having more input/output units compared to a standard PLC, and they cost highly at installation and commissioning is very expensive solution for small businesses. The design and implementation of control circuits, which are common in the field of industrial automation, and their implementation with PLC is another important issue. In order for them to be realized properly and optimally, they must be designed well. There are many known methods for modeling systems. Among them, intuitive methods that provide temporary and practical solutions are easy to implement. Asynchronous and synchronous sequential circuits are the methods that have an algorithm of certain rules, but are limited in use due to some issues. Petri Nets method, which is easier to adapt to PLCs based on its mathematical infrastructure, is a method that simplifies the design of complex industrial systems. Thanks to its graphical representation, it is very simple to understand and monitor them. In this thesis, it was aimed to design the conveyor belt system with Petri Nets and to operate it in accordance with safety or redundancy principle when demanded, using standard PLCs. It was intended to develop a cheaper solution that can perform the same basic functions instead of the costly solutions offered in the market. In the introduction part, firstly, the principles of safety and redundancy were introduced and their basic functions were explained. Along with these, safety instrumented systems and system reliability were noted. Then, the known and applied methods in the design of industrial automation systems were simply explained and compared to each other. In the second part of the thesis, Petri Nets method chosen for the design of the conveyor belt system was explained. The basic components and features of Petri Nets, state transition mechanism and graphical interface of them were examined in details. In the following subtitles, state equations were given by using the mathematical infrastructure of this method and the whole section was supported with examples for better understanding. Finally, the classification of Petri Nets according to the main features was explained with examples. In the third part, in order for the concepts of safety and redundancy to be better understood by the reader, firstly, some definitions and terms used throughout the section were given. Afterwards, safety instrumented systems mentioned in the introduction were explained in detail and the basic safety standards such as IEC 61508, IEC 62061 and ISO 13849 were summarized. Then, 1oo1, 1oo2, 2oo2 and 2oo3 structures, which are mentioned in the IEC 61508 standard, were explained. The redundancy principle was clarified in detail in the last part of the third chapter. In the next part, an application was made in line with the purpose of the thesis. First of all, the conveyor belt system was modeled with Petri Nets. In order to convert the Petri Net design into the PLC code, a previously proposed method was used and this method was explained in details. Afterwards, it was tried to establish 1oo2 and 2oo2 structures described in the previous section with standard PLCs so that the entire system can be operated in conformity with safety or redundancy principle. For this purpose, how PLCs in the system are communicating with each other was explained in detail. Finally, a special touch screen designed for monitoring and control of the entire system was mentioned. In the last part of the thesis, the results of the application were shared. It was concluded that the targeted safety and redundancy principles could be mainly established with the standard PLCs used in the project.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    478680

    Design, implementation and control of an overground gait and balance trainer with an active pelvis-hip exoskeleton

    Aktif pelvis-kalça dış iskeletli zemin üzeri yürüyüş ve denge rehabilitasyon cihazının tasarımı, uygulanması ve kontrolü

    HAMMAD MUNAWAR

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2017

    Mekatronik MühendisliğiSabancı Üniversitesi

    Mekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. VOLKAN PATOĞLU

  2. Tez No

    712711

    Raylı sistemlerde sanal blok sinyalizasyonu

    Virtual block signalling in railway systems

    DOĞANCAN DÜNDAR

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2022

    Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrolİstanbul Teknik Üniversitesi

    Raylı Sistemler Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. SALMAN KURTULAN

  3. Tez No

    540954

    Mission critical safe and reliable controller design with consideration human and occupational safety and health

    Görev kritik emniyetli ve güvenilir kontrolör tasarımı ve iş sağlığı ve güvenliğinin de göz önünde bulundurulması

    ERSİN HASAN DOĞRUGÜVEN

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2018

    Elektrik ve Elektronik MühendisliğiYıldız Teknik Üniversitesi

    Kontrol ve Otomasyon Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DR. ÖĞR. ÜYESİ İLKER ÜSTOĞLU

  4. Tez No

    859354

    Kent içi raylı sistem araç koruyucu bakımlarının planlanması ve bakım verimliliklerinin iyileştirilmesine yönelik uygulama

    Application for planning urban rail system vehicle preventive maintenance and improving maintenance efficiencies

    İBRAHİM DİNÇER

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2024

    Makine MühendisliğiBurdur Mehmet Akif Ersoy Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DR. ÖĞR. ÜYESİ SERKAN ATEŞ

  5. Tez No

    55980

    Makina performansının titreşim analizi metodları yardımıyla belirlenmesi ve rulmanlarda titreşim analizi ile hasar tesbiti

    Başlık çevirisi yok

    BİLGİN KONAÇ

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    1996

    Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    PROF.DR. TUNCER TOPRAK

Geri Dön