KONTROL & OTOMASYON MÜHENDİSLİĞİ
Kontrol ve otomasyon mühendisliği en genel anlamda bir sistemi uygun yazılım ve donanımlarla istenilen duruma yönlendirme problemiyle uğraşır. Sanayi devriminden sonra hızla gelişen teknoloji ile üretimdeki hızlı artış neticesinde oluşan birtakım sorunlar, insanları daha fazla verim alabilecekleri yeni yollar aramaya yöneltmiştir. Araştırmaların sonucunda ortaya çıkan bilgilerin, endüstride ve endüstriden hareketle üretim yapan diğer sistemlerde kullanımı yeni bir mühendislik dalının, Kontrol ve Otomasyon Mühendisliğinin doğmasını sağlamıştır. Elektrik, elektronik, mekanik ve bilgisayar tabanlı tüm endüstriyel üretim sistemlerinin amaçlanan ve planlanan biçimde çalışmasını sağlayan bilgi ve teknolojileri üreten ve uygulayan bir mühendislik dalıdır.
Türkiye’de günümüz pek çok üniversitede yüksek lisans, bazılarında ise lisans düzeyinde mevcut olan Kontrol ve Otomasyon mühendisliğinin gelişimi, İTÜ Elektrik Fakültesi, Elektriğin Endüstride Tatbikatı Kürsüsü Doçenti Dr. M. Münir Ülgür ‘ün 1950’li yılların başında vermeye başladığı “Servomekanizma” dersi ile başlayan, 40 yıla yakın bir süreci kapsar. 1957 yılında dünyadaki bilimsel gelişmelere uygun olarak Servomekanizma yerine “Otomatik Kontrol” terimi kullanılmaya başlanmış ve Uluslararası Otomatik Kontrol Federasyonu’na (IFAC) üye olmak üzere Otomatik Kontrol Türk Milli Komitesi (TOK) İTÜ bünyesinde kurulmuştur.
Kontrol ve Otomasyon Sistemleri, mevcut bir yapının veya sistemin bir takım kontrol algoritmaları tarafından, anlık geri beslemelerden gelen bilgiler ışığında istenen sonuçlara ulaşması amacını gütmektedir. Sistemin otomatik çalışması kadar, belki de daha bile önemlisi, sistemin geri beslemeleri işleyebilmesi, istenen sonuca varmak için anlık duruma göre pozisyon alabilmesidir. Bu sebeple geri beslemeyi bir şekilde ilk kullanan kişi olan El-Cezeri, Kontrol ve Otomasyonun öncüsü kabul edilmektedir. Elektriğin olmadığı bir dönemde, tamamen mekanik unsurlara geliştirdiği icatları hala okullarda otomatik kontrol, robotik ve sibernetik konularında ilk anlatılan konulardır.
Sanayi devriminden sonra hızla gelişen teknoloji ile üretim yapılmasının yanı sıra, bu üretimden en fazla verim almayı sağlayacak sistemlerin gereksinimi de fark edilmiştir. Üretim safhaları ve sistemleri karmaşıklaştıkça verimlerde gözlemlenen düşüş, yeni yollar bulmayı mecburi hale getirmiştir. Sanayide üretim kalitesi ve verimliliğinin artırılması amacıyla ortaya çıkarılan Endüstriyel Otomasyon, zamanla elektrik-elektroniğin ve yazılım da gelişmesiyle Robotik, Proses, Ölçme, Enstrümantasyon, Bulanık Kontrol, Endüstriyel Veri İletimi, Gerçek Zamanlı Kontrol Sistemleri ve Akıllı Bina gibi pek çok yeni alt başlığın doğmasını sağlamıştır.
Günümüzde, özellikle internetin gelişimi ve bireylerin elektronik ve yazılıma adaptasyonu ile, kontrol ve otomasyon her anlamda hayatımızın içerisinde kendine yer bulur hale gelmiştir. Kalite artışı ve verimliliğin üzerine konfor olanaklarını da ekleyen otomasyon sektörü, bugün sanayi ile birlikte ekonomi, devlet yönetimi, askeriye, şehircilik ve bireysel kullanım alanlarında da hızla yükselmektedir. Hem ticari binalarda hem de dairelerde ısıtma-soğutma ve aydınlatma kontrolleri kullanıcılara otomatik, tasarruflu ve konforlu bir yaşam sunmaktadır.
OTOMASYON SİSTEMLERİNİN TEMEL TAŞLARI
Otomasyon sistemleri, bir sistemin veya cihazın istenen şekilde otomatik olarak çalışması için tasarlanır ve kurulur. Sistemin tasarımında dikkat edilmesi gereken pek çok kriter var. Bu tasarım aşamasına sistem modelleme denir. Kimi zaman eldeki girdiden istenen çıktının üretilmesinde tüm tasarım ve uygulama otomasyon kapsamındayken kimi zaman sadece eldeki cihazların otomatize edilmesi istenebilir. Ama her koşulda, istenen sonuca ulaşmak için izlenmesi gereken bir algoritma (belli bir problemi çözmek veya belirli bir amaca ulaşmak için tasarlanan yol), izlenmesi gereken girişler ve kontrol edilmesi gereken çıkışlar mevcuttur.
İzlenmesi gereken yolu belirleyen algoritma, yarı-iletken teknolojisinin gelişimiyle günümüzde hep bir işlemciye yazılır hale gelmiştir. Bu işlemci (CPU) bazen bir bilgisayar, çoğu zaman ise Programlanabilir Lojik Kontrolör (PLC) içerisinde bulunur. PLC’lerde bilgisayardan farklı olarak “mikroişlemci” bulunur, bu sebeple içlerinde bir işletim sistemi yoktur. Onun yerine PLC belli bir işi yapmak için programlanır ve sürekli olarak içine yüklenmiş olan algoritmayı takip eder. Endüstriyel ortamlarda kullanılabilmeleri için genelde sıcaklık, nem, titreşim ve elektriksel gürültüye karşı dayanıklı olmak zorundadırlar. PLC’nin bir mikro denetleyiciye göre farkı ise kolaylık yeniden programlanabilmesidir.
İçerisinde algoritma yüklü olan kontrol kartı, izlemesi gereken değerleri okuyabilmek için girişler (Input) kullanır. Bu girişler elektrikteki açık/kapalı kontağı okuyan Dijital Girişler olabileceği gibi, sıcaklık, nem, pozisyon, frekans, seviye gibi nümerik karşılığı olan değerleri anlamlandırabilmek için Analog Girişler de olabilir. Analog Girişler genelde akım, voltaj veya direnç okumak üzere tasarlanmıştır. Eğer sistemde kontrolörün istediği bilgiyi veren bir cihaz yoksa, gerekli bilgiyi okumak için ona uygun bir sensör (algılayıcı) eklenir. Ortam sıcaklığını öğrenmek için bu bilgiyi mevcut klimadan almak veya içeriye bir sensör takmak gerekir.
Sistemin istenen sonuca ulaşması için kontrol edilmesi gereken cihazlar çıkışlar (Output) aracılığıyla kumanda edilir. Bu çıkışlar açık/kapalı Dijital Çıkış olabileceği gibi, miktar, hız, konum gibi nümerik kontroller için Analog Çıkış da olabilir. Otomasyon sisteminin kendisi için çıkış olan bir nokta, karşısındaki cihaz veya ekipman için bir giriştir, aynı prensip tersi için de geçerlidir. Ayrıca otomasyonda voltaj ve gerilimler çok düşük değerlerdeyken kontrol edilen sistemde yüksek akım ve voltajlar olması muhtemeldir. Bu sebeple elektriksel izolasyon sağlamak adına genelde Dijital Çıkışlarda röle kullanılır. Giriş ve çıkışlar (I/O) kontrol kartının üzerinde olabileceği gibi ayrı bir kart şeklinde de olabilir. Bazı PLC’ler modüler yapıdadır, harici I/O kartları mevcuttur ve sisteme göre uygun kartlardan gerekli adetlerde kullanılır.
Detaylı ve karmaşık bilgileri I/O’lar aracılığıyla almak zorlu ve maliyetlidir. Üzerinde pek çok bilgi barındıran ve kendi içinde işlemcisi olan bir cihazdan, standart haberleşme protokollerinden biriyle bilgi alınabilir. RS232, RS485 veya Ethernet gibi donanımlar cihazlar arasındaki bağlantıyı sağlamak içindir. Haberleşme protokolleri ise bu donanım üzerinden karşıya bilgiyi belli bir kod mantığı çerçevesinde aktaran yazılım tipleridir. Otomasyonda Modbus, Bacnet, Profibus, Fieldbus, EtherCAT, Lon, Meterbus, KNX, DALI, SNMP gibi yüzlerce haberleşme protokolü vardır. PLC’ler ve otomasyon yazılımları da genelde kendi aralarında bu protokolerden birini kullanarak iletişim kurarlar.
PLC’ler ve I/O modülleri hassas ve önemli cihazlar oldukları, ayrıca sigorta, güç kaynağı, trafo, röle gibi ilave şalt malzemelerine ihtiyaç duydukları için sahada genelde DDC (Direkt Dijital Kontrol) panoları içerisinde bulunurlar. Sahadaki ekipmanlardan, cihazlardan, diğer pano ve sistemlerden DDC panolarına çekilen kabloları doğru yere bağlanması kritik önem arz etmektedir. Hatalı bağlantıda sistem düzgün çalışmayacağı gibi kuru kontak olan bir ucu voltaj barındıran kablo bağlanması cihazlara zarar verebilir.
Sistemin kullanıcı tarafından takip edilebilmesi, arıza kaydı gibi bilgilerin alınabilmesi, istenen değerlerin zaman zaman değiştirilebilmesi, manuel müdahale yapılabilmesi veya zaman programları oluşturulabilmesi için HMI (Human-Machine Interface) yani kullanıcı ekranları tanımlanır. Bu ekranlar sistemin ihtiyacına sahada bir cihazın veya panonun üzerinde olabileceği, merkezde kurulu bir bilgisayarda da olabilir. Özellikle büyük sistemlerde bilgisayara kurulan SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition) yazılımları ile hem efektif kullanıcı ekranları tanımlanmakta hem de veri iletişimleri ve kayıtları hızlı ve kalite şekilde organize edilmektedir. Türkçeye “Uzaktan Kontrol ve Veri Gözleme Sistemi” olarak çevrilebilecek bu yazılımlar günümüzde internet erişimine de açık hale getirilmiş, böylece tesis içinde veya dışarıdan takip ve kumanda olanağı vermiştir.
AKILLI BİNA OTOMASYONU
Bina Yönetim Sistemleri (BMS) akıllı binaların omurgasını oluşturmaktadır. Farklı otomasyon ve zayıf akım disiplinlerinin tek bir çatı altında toplanması ile sağlanan entegrasyon hem verimliliği artırmakta hem de kullanım kolaylığı sağlamaktadır. Ancak akıllı bina hem ülkemizde hem de dünyada nispeten yeni bir kavramdır. Otomasyon gibi yüksek teknolojilerin bireylerin kullanımı ve konfor amaçlı yapılması son dönemde teknolojinin gelişmesi, verimlilik ve tasarrufun önem kazanması, elektronik ve yazılım maliyetlerinin azalması ile ortaya çıkmıştır.
Üretimde sıcaklık, nem, basınç, debi gibi değerlerin kontrolünün önemi büyüktür. Bu hammadde veya üretilen malzemeler için olduğu kadar, hem su ve buhar için hem üretimin yapıldığı ve depolandığı alandaki hava koşulları için de geçerlidir. Öncelikle üretim ve depolama tesisleri ile steril alanlarda ihtiyaç duyulan İklimlendirme Sistemlerinin otomasyonu, zamanla tüm binalarda zorunluluk haline gelmiştir. Binalarında kritik noktalarında kurulmaya başlayan otomasyon sistemleri, verimliliği ve konforu artırmak adına HVAC (Heating, Ventilating and Air-Conditioning) olarak adlandırılan binanın tüm ısıtma, soğutma ve havalandırma sistemlerine hitap eder olmuştur. Kullanım suyu, pis su ve yangın tesisatlarının da izlendiği İklimlendirme Otomasyonları artık hastane, havaalanı, tünel ve otoparklarda, otellerde, kamu binaları ve konutlarda da yer almaktadır.
Temel fonksiyonu gene kalite, enerji verimliliği ve konfor olan Aydınlatma Otomasyonu ülkemizde genelde BMS’ten ayrı düşünülmektedir. İklimlendirmeye göre daha dar bir alanı kapsaması, kompleks programlardan ziyade kalıp fonksiyonları desteklemesi ve ticari binalar kadar evlerde de kullanılması sebebiyle daha farklı bir noktada konumlanır. Giriş Çıkış modülleriyle birlikte ağırlıklı olarak kendi ürün gamında bulunan haberleşme özelliğine sahip armatür, anahtar, sensör vs ile doğrudan iletişim kurar ve kontrol sağlar. Kablolama açısından büyük kolaylık sağlayan haberleşme özelliği ile evler için geliştirilen özel ürün ve çözümleriyle Ev Otomasyonunu da bünyesine katmıştır. En çok kullanılan haberleşme tipleri olan KNX ve DALI, sistemin marka bağımsız çalışabilmesini sağlamaktadır.
PMS (Power Monitoring System) da son dönemde akıllı binaların önemli bir parçası haline gelmiş durumda. Temelde güç ve enerji değerlerinin izlenmesi, elektrik tüketimiyle birlikte endüktif, kapasitif ve reaktif güçlerin takibi ve kompanzasyonu ile bu değerlerin kaydı ve raporlanmasını içermektedir. Enerji analizörleri ve reaktif güç rölelerinin bilgileri haberleşme üzerinden SCADA yazılımına aktarılır. Hem aktif hem reaktif olarak voltaj, akım, güç, enerji ve cosQ değerleri kaydedilip raporlanır. Ayrıca şalter ve sigortaların konumlarının takibi, trafo ve kesicilerin izlenmesi, UPS ve jeneratörlerin entegrasyonu da bu kapsamda yer almaktadır. Kontrol kısmında ise yük atma ve yük alma konuları önem kazanır. Şebeke veya trafolarda sorun yaşanması halinde önce belirli yükler atılarak acil noktaların korunması sağlanır. Akabinde yeterli kapasitenin olması halinde ilave noktalara enerji verilerek sıralı ve kontrollü bir şekilde yük alınır.
Akıllı sayaçların okunması ve aylık olarak faturalandırılması da bina otomasyonundan beklenen konulardan biri haline gelmiştir. Özellikle konut ve alışveriş merkezleri gibi pek çok kiralanabilir alanları olan binalarda bu talep öne çıkmaktadır. Hem sayaç okuma hem de enerji izlemede bilgileri internete açıp raporları ve faturaları bulut üzerindeki yazılımdan takip etmek de sıklıkla uygulanan bir yöntemdir. Bu çalışma binanın yazılımı satın almak yerine kiralamaya gidebilmesi olanak tanır, merkezde tek bir yazılım olması da uygulayıcı firmaya hem kurulum hem bakım hem de geliştirme anlamında kolay sağlar.
İnternetin gelişimi ve yaygınlaşmasıyla birlikte uzaktan erişim de artık bir ihtiyaç haline gelmiştir. Bu sebeple pek çok projede IP tabanlı ürünler kullanılmakta, bina içinde internete bağlanmakta ve binaya erişim için sabit bir IP alınarak uzaktan sisteme erişilmektedir. Elbette sistemin dışarıya açık hale gelmesi, internetle birlikte büyüyen siber tehditleri de beraberinde getirmektedir. Bu sebeple hem bilgi işlem ve network firmaları hem de otomasyon tedarikçileri güvenlik konusunda önlemleri artırmakta, bu konuda daha efektif çözümler geliştirmek için çaba sarf etmektedir.