Endüstriyel proses döngüleri; sıvı seviyelerini, basınçları ve sıcaklıkları hassas biçimde korumak için kapalı çevrimli geri bildirime dayanır. Karmaşık proses tesislerinde tam Oransal-İntegral-Türevsel (PID) algoritmaları yaygın olsa da birçok sıvı depolama sistemi basit bir Oransal (P) kontrol cihazıyla güvenilir şekilde çalışır.

Siemens TIA Portal'da oransal tank seviyesi kontrolünü uygulamak, fabrika otomasyon projeleri için hızlı yanıt veren bir çözüm sunar. Oransal kazancın (Kp) dinamiklerini anlamak, kontrol mühendislerinin aşırı vana aşınmasını ve sistem kararsızlığını önlerken sıvı seviyesi yönetimini optimize etmesini sağlar.

1. Kapalı Çevrimli Oransal Kontrolün Temelleri

Kapalı çevrimli bir sistem, proses değişkenlerini sürekli izler ve hatayı en aza indirmek için kontrol çıkışlarını ayarlar. Standart AÇ-KAPAT kontrolünün aksine oransal kontrol, son kontrol elemanının konumunu hata sinyaliyle doğru orantılı olarak değiştirir.

Matematiksel ilişki şu şekilde ifade edilir:

C(s) = Kp * e(t)

Burada:

• C(s), hesaplanan çıkış kontrol sinyalini ifade eder.
• Kp (veya P), oransal kazanç sabitidir.
• e(t), Ayar Noktası (SP) ile Proses Değişkeni (PV) arasındaki hata farkıdır.

2. AÇ-KAPAT Sistemleri Yerine Neden Oransal Kontrol Tercih Edilmeli?

Geleneksel ayrık AÇ-KAPAT kontrolü, ayar noktası çevresinde sürekli çevrime neden olur. Bu sürekli anahtarlama, kontrol vanalarında mekanik gerilime yol açar ve proses borularında hidrolik şok oluşturur.

Oransal kontrol, kontrol vanalarını kademeli olarak kısarak sert çevrimleri önler. Sıvı seviyesi ayar noktasına yaklaştıkça hata azalır ve dolum vanasının kademeli olarak kapanmasını sağlar. Böylece bu sürekli çalışma, kontrol sistemlerinde akışkan yönetimini dengeler.

Saha İçgörüsü: Yalnızca oransal kontrol, değişen yük koşullarında doğası gereği kararlı durum hatası (ofset) gösterir. Prosesiniz sıfır kararlı durum hatası gerektiriyorsa, bir İntegral (I) terimi eklemek gerekir. Ancak temel dengeleme tankları veya tampon depolama sistemleri için saf oransal kontrol, integral yığılması riski olmadan güvenilir performans sağlar.

3. Temel Sistem Mimarisi ve Donanım Kurulumu

Standart bir endüstriyel seviye kontrol döngüsü, saha enstrümantasyonunu programlanabilir bir lojik kontrolörle birleştirir. Fiziksel yapı; saha sensörlerinden, ayarlanabilir vanalardan ve yerel operatör arayüzlerinden oluşur.

Başlıca donanım bileşenleri şunlardır:

• Seviye Vericisi: Tanktaki sıvının yüksekliğini gerçek zamanlı ölçer ve 4-20mA veya 0-10V analog sinyal verir.
• Oransal Vanalar: PLC'den gelen 0-10V analog komutlara göre giriş ve çıkış debilerini ayarlar.
• Kontrol Konsolu: Basmalı düğmeleri, SP ve Kazanç ayarları için potansiyometreleri ve dijital ekranları içerir.
• Siemens S7-1200 / S7-1500 PLC: Ölçeklendirme rutinlerini ve oransal kontrol algoritmasını yürütür.

4. Çalışma Sırası ve Oransal Kontrol

Operatör Başlat düğmesine basıp bir seviye ayar değeri girdikten sonra kontrol programı çalışmaya başlar. Sistemin çalışması yapılandırılmış bir sırayı izler:

1. Kontrolör, seviye vericisi ve ayar değeri potansiyometresinden gelen ham analog girişleri okur.
2. Program, hatayı e(t) belirlemek için mevcut seviyeyi (PV) istenen seviyeden (SP) çıkarır.
3. e(t) > 0 ve Kazanç Kp > 0 ise kontrolör, giriş vanasının analog çıkışını hesaplar.
4. Giriş vanası, hata büyükken %100 açılır, ardından tank doldukça kısılır.
5. Boşaltma vanası, proses değişkeni hedef ayar değerini aştığında simetrik olarak çalışır.

5. Siemens TIA Portal'da Mantığın Yapılandırılması

Mühendisler, Siemens TIA Portal'da kontrol mantığını modüler hâle getirmek için genellikle Fonksiyon Blokları (FB) kullanır. Yapılandırılmış Metin (SCL) veya Komut Listesi (STL) kullanılarak blok; giriş normalleştirme, ölçeklendirme ve hata hesaplama işlemlerini yürütür.

Algoritma, ham analog tam sayı değerlerini (0 ila 27648) mühendislik birimlerine (0,0 ila 300,0 cm) normalize eder. Ardından ölçeklendirilmiş hatayı oransal kazanç parametresiyle çarpar. Son olarak sonucu sınırlandırır ve ham çevre birimi çıkış biçimine (0 ila 27648) dönüştürür.

6. Sistem Kararlılığı için Oransal Kazancın Ayarlanması

Doğru oransal kazancı (Kp) seçmek, tepki hızı ile sistem kararlılığını dengelemeyi gerektirir. Kazancı artırmak sistem tepkisini hızlandırır, ancak aşmayı ve geçici salınımları da artırır.

• Düşük Kazanç (Kp): Vana tepkisinin yavaş olmasına, yükselme süresinin uzamasına ve kararlı durum sapmasının artmasına yol açar.
• Optimal Kazanç (Kp): Ayar noktası geçişlerinde minimum aşmayla hızlı kararlılık sağlar.
• Aşırı Kazanç (Kp): Avlanmaya, vananın titreşimli çalışmasına ve kararsız proses salınımlarına neden olur.

Devreye alma mühendisleri, parametreleri canlı üretim ekipmanına yüklemeden önce TIA Portal simülasyon araçlarında kazanç değerlerini adım testiyle sınamalıdır.

Endüstriyel Uygulama Senaryosu: Kimyasal Tampon Tankı Yönetimi

Problem Tanımı

Bir kimyasal dozajlama tesisi, ham madde besleme hattında ani basınç yükselmeleri ve ciddi vana aşınması yaşıyordu. Eski sistem, giriş kesme vanalarını açıp kapatmak için üst ve alt seviye şamandıralı şalterler kullanıyordu. Bu aç-kapa kontrolü, üst kısımdaki kolektörlerde su darbesi hasarına yol açıyordu.

Çözüm Mimarisi

Mühendisler, hücreyi Siemens S7-1200 PLC ve radar seviye transmiteri kullanarak sürekli oransal kontrole yükseltti:

1. Enstrümantasyon Güncellemesi: Şamandıralı şalterler, sürekli ölçüm yapan 4-20mA kılavuz dalga radar sensörüyle değiştirildi.
2. Kontrol Sisteminin Yeniden Tasarlanması: TIA Portal'da analog kontrol vanasıyla bir oransal kontrol bloğu uygulandı.
3. Kazanç Kalibrasyonu: Oransal kazanç, tesisin en yüksek giriş debilerine uyacak şekilde kalibre edildi.

Operasyonel Sonuçlar

Oransal kontrol stratejisi, kararlı çalışma sırasında tank seviyesini ayar noktasının +/- 3% aralığında tuttu. Vananın sorunsuz biçimde modüle edilmesi, boru hattındaki su darbesini tamamen ortadan kaldırarak yıllık bakım müdahalelerini 40% azalttı.

Yazar Hakkında

Li Ming, DCS mimarileri, PLC yazılımları ve proses enstrümantasyon sistemleri tasarlama konusunda 15 yılı aşkın saha deneyimine sahip Kıdemli Endüstriyel Otomasyon Uzmanıdır. Petrol ve gaz, kimyasal işleme ve enerji üretimi sektörlerinde büyük ölçekli otomasyon yenileme projelerine liderlik etmiş; ileri proses kontrolü (APC), çevrim ayarı ve Siemens TIA Portal uygulamalarında uzmanlaşmıştır.