Programlanabilir denetleyiciler olarak adlandırılan sistemler, günümüzde

yaygın olarak, otomatik kontrol düzenlerinde kullanılmakta olan mikroişlemci tabanlı

endüstriyel otomasyon cihazlardır. PLC ikili giriş sinyallerini işleyerek, teknik işlemleri,

çalışmaların adımlarını direkt olarak etkileyecek çıkış işaretlerini oluşturur.

Çoğunlukla programlanabilir denetleyicilerin yapabileceği işlerde bir sınır

yoktur. PLC, bir iş akışındaki bütün adımlan doğru zaman ve doğru sıradaki bir

hareket içerisinde olmasını sağlar.

Kontrol problemlerinin çözümünde teknik olarak görülmüştür ki bu problemlerin

karmaşıklığına göre PLC uygulamalar değişebilir. Bununla beraber aşağıdaki temel

elemanlar PLC uygulamaları için daima gereklidir.

fonksiyonlarını veya makineyi kontrol edebilir, adresleyebilir ve belirli bir iş akışının

sırasında harekete geçebilirler. PLC’nin donanım elemanlarını şu şekilde

sınıflandırabiliriz.

10

Resim2.1 Sımatıc S2-200 PLC

Bu elemanlar kontrol edilecek bir makine ya veya bir sisteme direkt olarak

ağlanırlar. Bilgi, bu elemanların elektriksel akım değerlerine göre algılama PLC’ ye

iletilir. Algılayıcılara örnek olarak;

Otomasyonun oluşturan sisteminin başlıca elemanlarından olan sensörleri,

sensör çeşitlerini kısaca açıklayalım.

Basmalı veya kendi algılama maddesini gördüğünde tüm işlemlerin otomatik

üretim akışı ve makine hareketlerinin geri besleme bilgisinin denetleyici birimlere

aktarılması için sensörlere ihtiyaç duyulur. Sensörler konum, sınır seviye hakkında

bilgi veren veya darbe iletici olarak görev yapan standart üç renkli kablolu

elemanlardır. Elektronik sensörler içerisinde iki tanesi güvenirliliğini kanıtlamıştır. Bu

sensörler Endüktif ve Kapasitif yaklaşım anahtarıdır ve çok geniş bir malzeme

çeşidini algılayabilir. Buna bir örnek vermek gerekirse kapasitif bir sensörle karton

kutunun arkasındaki cam camın içerisinde sıvı var mı? Onu algılattırılabilmektedir. Bu

durumda algılanan elemana göre sensör seçimi yapılması gerekir. Aşağıda birkaç

sensör ve algıladığı maddeler verilmiştir.

11

Tüm otomatik işlemlerde üretimin akışı ve makine hareketlerinin, geri besleme bilgisi

olarak denetleyici birimlere aktarılması için sensörlere kesinlikle gerek vardır.

Sensörler konum, sınır, seviye bilgileri verirler veya darbe iletici olarak görev

yaparlar. Elektronik sensörler içinde iki tanesi endüstri uygulamaları için çok güvenilir

olduklarını kanıtlamışlardır: İndüktif ve kapasitif yaklaşım anahtarları. Bu yaklaşım

anahtarları çok geniş bir malzeme çeşidini dokunmadan algılamak için uygundur.

Bu seminer notlarında bu iki sensörün çalışma ilkeleri, olası kullanım kıstasları ve

özelliklerine detaylı olarak yer verilmiştir. Tipik uygulamaları ve her uygulamaya en

uygun seçimi kolaylaştırmak için olası yapı şekilleri gösterilecektir. İndüktif ve

kapasitif sensörler için kullanılan çok fazla isim vardır yaklaşım anahtarı, dokunmasız

konum gösterici, yaklaşım algılayıcı vb... Ek olarak üretici firmaların özel isimleri de

kullanılacak olan terim uluslararası standart kabul edilen "yaklaşım anahtarı" dır.

İndüktif yaklaşım anahtarı, iletken malzeme içerisinde girdap akımı kayıplarının

neden olduğu bir rezonans devresinin kalite faktöründeki değişikliğin fiziksel

etkisinden yararlanır. Bir LC osilatörü 100 kHz. ile 1 MHz. arasında yüksek frekanslı

bir elektromanyetik alan oluşturur ( Bkz. şekil 1 şekilden görüldüğü gibi alan herhangi

bir yöne yönelmeden sargı eksenine göre simetrik biçimlenir. Bununla beraber

gerçekte, yalnızca akım taşıyan iletkenden oluşan bir sargı kullanılmaz ve yüksek

geçirgenliği olan Ferit malzeme yardımıyla elektromanyetik alana istenilen doğrultuda

bir yön v Bkz. şekil 2 ve 3 ) . Ferit çekirdek üzerine yerleştirilen sargının manyetik

alanı sensör etrafında yoğunlaşmış olur (özellikle duyarlı bir hale gelen sensörün

etkin alanının ön tarafında) . Eğer sargı ve Ferit çekirdek ayrıca bir metal ekranla

çevrilmiş ise ( Bkz. şekil 3 ) manyetik alan tümüyle sensörün ön tarafındaki alanda

sınırlanmış olur. Böylece sensörün kenarları anahtarlama özelliğini etkilemeden

tümüyle metalle çevrilebilir ( gömülebilir montaj özelliği ) .

12

Şekil 1

Şekil 2

Şekil 3

13

İndüktif sensör resimleri

Eğer bir iletken malzeme, yaratılan elektromanyetik alan içine girerse, indüksiyon

yasasına göre malzeme içinde girdap akımları oluşur ve osilatör devresinden enerji

çeker.

1- Ferit çekirdek

2- Sargı

3- Muhafaza

4- Elektromanyetik alan

Şekil 4

Bu sistem birincil sargısının indüktans L, ikincil sargısının ve yükün iletken malzeme

ile gösterildiği bir transformatör ile karşılaştırılabilir. Birincil ve ikincil sargılar

arasındaki tek bağlantı havada oluşturulan alandır. Oluşan girdap akımı kayıplarının

çokluğu bir takım etkenlere bağlıdır:

14

• Sensörün önündeki malzemenin uzaklığı ve konumu

• Cismin boyutları ve şekli

Osilasyon devresini sınırsız bir enerji ile beslemek olası olmadığı için yaklaşım

anahtarının etkin alanının içine bir iletken malzeme girdiği zaman osilasyon bozulur.

İki durum arasındaki bu fark :

salınmaz

kolaylıkla değerlendirilebilecek bir sinyale dönüştürülebilir.

Şekil 5

15

Yukarıda verilen indüktif sensörün çalışma ilkesinden aşağıdaki temel özellikler

çıkarılabilir:

Bir indüktif yaklaşım anahtarı tüm iletken malzemeleri algılayabilir. çalışması ne

mıknatıslana-bilir malzemelerle ne de metallerle sınırlıdır. Salınan elektromanyetik

alana dayalı çalışma ilkesinden dolayı yaklaşım anahtarı, cisimlerin hareket edip

etmemelerine bakmadan onları algılar. İndüktif yaklaşım anahtarı birkaç mikrovat' lık

bir elektrik enerjisi ile çalıştığından yarattığı yüksek frekanslı alan radyo gürültüsünü

artırmaz. Ayrıca hedef cisim üzerinde ölçülebilecek kadar çok ısınma olmaz.

Sensörün cisim üzerinde manyetik bir etkisi yoktur. Tüm pratik uygulamalarda hedef

cisim her türlü etkiden uzaktır.

Şekil 6'da hedef cismin enerji harcaması, osilasyon devresindeki direnç değişimi

olarak gösterilmektedir. Aradaki ilişkinin açıkça doğrusal olmadığı görülebilir. Bu

nedenle indüktif anahtar, uzaklık ile orantılı bir sinyal iletmede yalnızca sinirli bir

kullanıma sahiptir. Sonuç olarak asıl uygulama alanı bir sayısal anahtar olarak

kullanılmasıdır.

Şekil 6

İndüktif yaklaşım anahtarını olası rakibi mekanik siviç ile karşılaştırdığımız zaman,

mekanik sivicin aşağıdaki özelliklerini görürüz:

16

Örnek algılama kafaları kollar, rollar, spiraller

Öte yandan, dokunmaksızın bir cismin yaklaşımını anahtarlama sinyaline dönüştüren

yaklaşım anahtarı aşağıdaki özelliklere sahiptir.

Yaklaşım anahtar resimleri

17

Yaklaşım anahtarı dokunmaksızın bir

cismin yaklaşımını anahtarlama

sinyaline dönüştürür

Bu özellikleri karşılaştırdığımız zaman mekanik siviçlere karsı indüktif yaklaşım

anahtarlarının tüm bu özelliklerinin avantaj olduğunu açıkça görürsünüz. Yani,

kontaksız sensörleri her tür durumda kullanmak, kullanıcıya avantaj sağlar. Sistemin

güvenilirliği artar ve ayni zamanda işletme giderleri azalarak daha fazla verimlilik

sağlanır.

Şekil 7

18

Şekil 7, bir yaklaşım anahtarının iç yapısını göstermektedir. İlke olarak aşağıdaki

parçalardan oluşur: muhafaza, kablo veya soket, devre kartı veya esnek filmde SMD

(yüzeye monte edilen) parçalardan oluşan elektronik devre, Ferit çekirdekli sargı ve

son olarak mekanik darbelere karşı daha dayanıklı olması için ve tümüyle

sızdırmazlık için dolgu maddesi reçine. Bu, sensöre vibrasyon ve darbelere karşı

ayrıca aynı oranda da neme karşı iyi bir koruma sağlar. Böylece endüstrinin her

yerinde kullanılabilir ve sağlam siviç gereksinimini karşılar.

İndüktif sensörün iç yapısı

19

Kapasitif yaklaşım anahtarı, bir kapasitörün elektrik alanına yaklaşan cismin neden

olduğu kapasite değişikliğini algılayan siviçtir. Şekil 8 sağda bir plaka kondansatör

elektrik alanı görülmektedir. Elektrik alanının en yoğun olduğu kısım sadece hedefin

giremeyeceği bölgedir. Yoksa, birbirine bakan iki plakadan oluşan yapı gerekli

olacaktır. Fakat bu plakaların çalışma ilkesinden yararlanabilmek için plaka kapasitör,

şekil 8 solda veya şekil 9' da görüldüğü gibi geliştirilmiş ve sensörün bir tarafında

toplanmıştır. Bu durumda, elektromanyetik alan içine yaklaşan bir cismin yarattığı 0.1

pF dolaylarındaki çok küçük kapasite değişimleri uygun olan bir yöntemle

değerlendirilmeli ve bir sayısal anahtarlama sinyaline dönüştürülmelidir.

Şekil 8

Şekil 9

Bu kapasitif, bir osilatör devresinin parçası olarak geliştirilmiştir ve kapasitörün

değeri öyle bir şekilde seçilmiştir ki bir cisim olmadığı için etkilenmeden salınıma

geçemeyecek büyüklüktedir. Fakat bir cisim elektromanyetik alan içine girerse,

kapasite hafifçe artar ve osilasyon koşulu gerçekleşir. Osilatör yüksek genlikle

20

salınmaya başlar. İndüktif yaklaşım anahtarlarında olduğu gibi düşük ve yüksek

salınım genliği arasındaki fark veya bozulan salınım devre tarafından değerlendirilir

ve sayısal çıkışa dönüştürülür.

Normal çevre koşullarında ve açık alanda, etkin yüzey üzerinde nem yoğuşması veya

toz birikmesi önlenemez. Bu nedenle kapasitif yaklaşım anahtarlarında birleştirilmiş iki

elektroda ek olarak ( Bkz. şekil 8 ve 9 ) yoğuşmanın veya kirlenmenin oluşturacağı

kapasite değişimlerini kompanze etmek için devreye bir de kompanzasyon elektrotu

konulmuştur.

Kapasitif Sensör resimleri

Şekil 11

21

Yukarıda anlatılan Çalışma ilkesinden kapasitif yaklaşım anahtarının şu önemli

özellikleri çıkarılabilir:

Di elektrik katsayısına bağlı olarak kapasitif yaklaşım anahtarı iletken olmayan veya

iyi iletken olmayan tüm malzemeleri algılayabilir. İndüktif yaklaşım anahtarlarında

olduğu gibi çalışma ilkesi hedefin hareket etmesinden etkilenmez. Belirleyici olan

uzaklıktır, hedef cismin yüzeyi önemli değildir. Kapasitif yaklaşım anahtarı plakalar

arası sadece birkaç volt gerilimle çalışabildiğinden ve yalnızca birkaç mikro watt

enerji harcadığından siviç yakınlarında hiçbir statik elektriklenme yapmaz ve RF

gürültüsüne neden olmaz. Pratik olarak hedefe hiç bir etki yapmadan çalışır.

Uzaklıkla kapasite değişimi arasındaki ilişki, İndüktif yaklaşım anahtarları için görünür

direnç değişimini gösteren şekil 6 daki gibi, açıkça doğrusal değildir. Bu nedenle

kapasitif sensörde ideal olarak bir sayısal anahtar için uygundur.

Şekil 12

22

Şekil 13 ve 14'ün sol tarafında ana indüktif ve kapasitif yaklaşım anahtarları

gösterilmiştir. Bu sensörler osilatör devresinin bir parçası olarak sırasıyla yüksek ve

çok düşük genlikli osilasyon frekansı üretirler. Bundan faydalı bir anahtarlama sinyali

elde etmek için aşağıda kısaca anlatıldığı gibi başka işlemlere gerek vardır.

Şekil 13

İlk olarak osilasyon genliğindeki değişim bir anahtarlama sinyaline dönüştürülmelidir.

Bu, osilasyonun doğrultulması ve süzülmesi ile yapılır, daha sonra eşik tetikleme

(Schmitt trigger ) devresine iletilir. Bu, hedefin yaklaşması ile akımın akması veya

akmaması gibi iki olası anahtarlama konumu sağlar.

Şekil 14

23

Eğer cisim tam olarak anahtarlama noktasında olursa, çıkışın iki anahtarlama

konumu arasında gidip-gelme tehlikesi olacaktır. Bu, elektronik olarak üretilen kesin

olarak belirlenmiş bir histerisis tarafından önlenir. Programlama aşaması çoğu siviçte

değerlendirme aşamasına bağlanmıştır. Bir siviçte normalde açık veya normalde

kapalı anahtarlama fonksiyonu vardır

Ayrıca gerilimin ilk uygulanışında yanlış bir sinyal almamak için gereken önlem

alınmalı ve doğru çalışma garanti edilmelidir.

Kontaksız yarıiletken siviç, çıkış sinyalinin anahtarlanması için piyasadaki en yaygın

çözüm olmuştur. Ömür, açma kapama sayısı, çalışma frekansı ve kontak kayıpları

açısından mekanik siviçlere karşı önemli avantajları vardır.

Önemsiz dezavantajları olan; açık konumundaki kaçak akım, kapalı konumundaki

gerilim düşümü ile aşırı gerilim ve akıma karşı hassasiyetleri tolere edilebilir ve uygun

koruma yöntemleri ile önlenebilir. Kullanılan yarı iletken anahtar tipleri : transistör,

tristör ve triyaktır.

Öte yandan varistör veya zener diyot gibi ani gerilim darbelerini sınırlayabilen özel

elemanlarla gerilim darbe koruması da eklenen korumalara dahil edilir. Daha da

ötesinde yanlış bağlantıya karşı siviçi korumak için gerekli olan ters polarite koruması

da vardır. Eğer siviç 55 VDC Çalışma gerilimine sahipse standart uygulamada yarı

iletken, yanlış bağlantı veya yetersiz izolasyondan oluşabilecek aşırı akıma karşı da

korunmuştur.