PLC Rehberi: Kavramlar, Uygulamalar ve Kablolama Esasları

Giriş: Otomasyon Dalgasında “Beyin”

Günümüzün hızla gelişen endüstriyel otomasyon ortamında üretim verimliliği, esneklik ve güvenilirlik, üretim kabiliyeti için kritik ölçütlerdir.

Geleneksel, karmaşık röle kontrol devreleri, modern endüstrinin karmaşık mantık, hızlı tepki süreleri ve kolay bakım taleplerini karşılamakta zorluk çekmektedir.

Programlanabilir Mantık Denetleyicisi (PLC) ortaya çıktı ve hızla otomasyon kontrol sistemlerinin merkezi "beyni" olarak kendini kanıtladı.

Bu belge, PLC'lerin temel prensiplerini, geniş kapsamlı uygulamalarını ve temel kablolama tekniklerini açıklayarak sizi PLC'lerin dünyasında sistematik bir şekilde yönlendirecektir.

Bölüm 1: PLC'nin Tanıtımı – Temel Kavramlar ve Avantajlar

1. PLC Nedir? 

PLC veya Programlanabilir Mantık Denetleyici, endüstriyel ortamlarda çalışmak üzere özel olarak tasarlanmış dijital elektronik bir sistemdir.

Mantıksal işlemler, sıra kontrolü, zamanlama, sayma ve aritmetik işlemler gibi fonksiyonların uygulanması için kullanıcı odaklı talimatları depolamak amacıyla programlanabilir belleği kullanır.

Dijital veya analog giriş/çıkış (I/O) modülleri aracılığıyla çeşitli tipteki makinelerin veya üretim süreçlerinin kontrolü sağlanır.

2. Geleneksel Kontrolle Karşılaştırma: Neden PLC Seçmelisiniz? 

PLC'lerin yaygın olarak benimsenmesinden önce, endüstriyel kontrol öncelikle röleler, kontaktörler, zamanlayıcılar vb.'den oluşan sabit kablolu mantık devrelerine dayanıyordu. Kavramsal olarak:

• Geleneksel Devreler (Röle Mantığı):
  • Sabit İşlevsellik: Bir kez kablolandıktan sonra kontrol mantığını değiştirmek zor ve emek yoğun bir iştir.
  • Kablolama Karmaşıklığı: Kontrol mantığının karmaşıklığı arttıkça, bileşen sayısı ve kablolama miktarı da üssel olarak artar.
  • Zor Bakım: Sorun giderme, fiziksel bağlantıların nokta nokta kontrol edilmesini gerektirir ve bu da zaman alıcıdır.
  • Sınırlı Kişiler: Fiziksel temasların niceliği ve yaşam süresi sınırlıdır.
  • Zayıf Ölçeklenebilirlik: Yeni işlevler eklemek genellikle önemli bir yeniden tasarım ve yeniden kablolama gerektirir.
• PLC Kontrol Sistemleri:
  • Yüksek Esneklik: Kontrol mantığı bir yazılım programında bulunur. İşlevselliği değiştirmek genellikle donanım kablolamasını değiştirmeden yalnızca program kodunu değiştirmeyi içerir. Örneğin, giriş düğmesi X00'ü Y001 çıkışını kontrol etmekten Y002 çıkışını kontrol etmeye değiştirmek, programlama yazılımında yalnızca küçük bir değişiklik gerektirir.
  • Basitleştirilmiş Tasarım ve Kablolama: Girişler (örneğin, düğmeler, sensörler) ve çıkışlar (örneğin, gösterge lambaları, motor kontaktör bobinleri) doğrudan PLC'nin G/Ç modüllerine bağlanır ve böylece harici kablolama karmaşıklığı önemli ölçüde azalır.
  • Güçlü İşlevsellik: PLC'ler zengin bir komut seti sunarak karmaşık mantık, zamanlama, sayma, veri işleme vb. işlemleri kolaylıkla gerçekleştirir. Dahili yazılım kontakları (Normalde Açık/Normalde Kapalı) neredeyse hiçbir sınırlama olmaksızın kullanılabilir.
  • Bakım ve Tanı Kolaylığı: Programlama yazılımları, çevrimiçi izleme yetenekleri sunarak program yürütme durumunun ve G/Ç sinyallerinin gerçek zamanlı olarak gözlemlenmesine olanak tanır ve arızaların hızlı bir şekilde yerelleştirilmesini kolaylaştırır.
  • Yüksek Güvenilirlik ve Ölçeklenebilirlik: Zorlu endüstriyel ortamlar için tasarlanan PLC'ler güçlü gürültü bağışıklığı sergiler. Modüler tasarımları, gereksinimler geliştikçe G/Ç noktalarının kolayca genişletilmesine veya özel işlev modüllerinin eklenmesine olanak tanır.

Tablo 1: PLC Sistemlerinin Geleneksel Röle Kontrol Sistemleriyle Karşılaştırılması

Bölüm 2: PLC'lerin Temel Fonksiyonları ve Uygulama Alanları

PLC yetenekleri temel anahtarlama kontrolünün çok ötesine uzanır. Modern PLC'ler çok yönlü güç merkezleridir ve uygulamalar genellikle şu beş alana kategorize edilir:

1. Dijital Kontrol (Ayrık Kontrol): Bu, en temel ve yaygın PLC uygulamasıdır. Basmalı düğmeler, anahtarlar ve sensörler gibi cihazlardan gelen AÇIK/KAPALI sinyallerinin (dijital girişler) işlenmesini ve program mantığına dayalı olarak gösterge lambaları, röleler ve solenoid valfler (dijital çıkışlar) gibi aktüatörlerin sürülmesini içerir. Bu, ekipman başlatma/durdurma dizilerinin ve sıralı işlemlerin temelini oluşturur.
2. Hareket Kontrolü: Birçok PLC, özellikle orta seviyeden üst seviyeye kadar olan modeller, yüksek hızlı darbe çıkış noktalarına sahiptir. Bu çıkışlar, hassas konumlandırma, hız kontrolü ve yörünge takibi gibi karmaşık görevleri mümkün kılan adım motorlarını veya servo sürücülerini hassas bir şekilde kontrol etmek için yüksek frekanslı darbe trenleri üretir. Bu, paketleme makineleri, CNC makineleri, robotik ve benzeri uygulamalarda çok önemlidir.
3. Analog Kontrol: Endüstriyel süreçler genellikle sıcaklık, basınç, akış hızı ve seviye gibi sürekli değişen fiziksel nicelikleri içerir. PLC'ler, vericilerden ve sensörlerden sinyaller (genellikle 4-20mA veya 0-10V) almak için analog giriş modülleri kullanır. Dahili işleme (A/D dönüştürme, filtreleme, ölçekleme) sonrasında, analog çıkış modülleri modülasyon vanaları veya Değişken Frekans Sürücüleri (VFD'ler) kapalı devre kontrolü elde etmek için. Yaygın örnekler arasında sıcaklık düzenlemesi ve sabit basınçlı su temini bulunur. Birçok PLC, hassas proses kontrolü için dahili PID (Orantılı-İntegral-Türev) kontrol fonksiyon bloklarını bünyesinde barındırır. PID Kontrolörleri hakkında daha fazla bilgi edinin
4. Veri İşleme (Veri İşleme): PLC'ler matematiksel işlemler (toplama, çıkarma, çarpma, bölme, trigonometrik fonksiyonlar, vb.), mantıksal işlemler, veri karşılaştırma, veri transferi ve sıralama için sağlam yeteneklere sahiptir. Analiz, işleme ve depolama için üretim verilerini toplayabilirler. Örnekler arasında ürün sayımı, çevrim sürelerinin hesaplanması, tariflerin yönetilmesi ve karmaşık iş akışı mantığının uygulanması (örneğin, kuyruk yönetim sistemleri) yer alır.
5. İletişim ve Ağ Oluşturma: Modern otomasyon, birbirine bağlanabilirliği vurgular. PLC'ler çeşitli iletişim portlarıyla donatılmıştır (örneğin, RS232, RS485, Ethernet) ve birden fazla endüstriyel protokolü destekler (örneğin, Modbus, Profibus, ProfiNet, EtherNet/IP). Bu, PLC'lerin şunları yapmasını sağlar:
   • İnsan-Makine Arayüzleriyle İletişim Kurun (İnsan-makine arayüzleri)/Dokunmatik Ekranlar: Çok sayıda fiziksel düğme ve lambanın yerini alarak, cihaz durumunun izlenmesi, parametrelerin ayarlanması ve manuel çalıştırma için grafiksel arayüzler oluşturun.
   • Denetleyici Bilgisayarlar/SCADA Sistemleri ile İletişim Kurun: Veri toplamayı, uzaktan izlemeyi ve tesis yönetimini kolaylaştırın.
   • Diğer PLC'ler veya akıllı cihazlarla (VFD'ler, enstrümanlar gibi) ağ: Dağıtık Kontrol Sistemleri (DCS) kurun veya makineler arasında koordineli çalışmayı sağlayın.
   • Yaygın endüstriyel protokolleri keşfedin: Modbus Organizasyonu, ODVA (EtherNet/IP vb.'yi yönetir)

Bölüm 3: PLC Kablolama Temelleri

Herhangi bir PLC sisteminin istikrarlı çalışması için doğru kablolama çok önemlidir. PLC kablolaması öncelikle giriş ve çıkış terminallerini içerir.

1. Giriş Kablolaması: PLC girişleri harici saha cihazlarından gelen sinyalleri alır.

• Bağlanabilir Cihazlar: Basmalı butonlar, seçici anahtarlar, limit anahtarları, yakınlık sensörleri (endüktif), fotoelektrik sensörler, manyetik anahtarlar (reed anahtarlar, çoğunlukla silindir konumu için), fiber optik amplifikatörler, U şeklinde (slot) sensörler, vb. Esasen, bu cihazlar PLC'ye bir anahtarlama sinyali sağlar.
• Temel Devre Elemanları: Tam bir giriş devresi, bir güç kaynağı, bir anahtarlama elemanı (giriş aygıtı) ve bir yük (bu durumda PLC giriş noktasının optokuplörü) gerektirir.
• Giriş Türleri ve Bağlantı (Örnek: Mitsubishi FX3U, DC24V Besleme):
  • Ortak Terminal (S/S veya COM): PLC girişleri genellikle optocoupler'lar aracılığıyla dahili olarak izole edilir. Tüm giriş optocoupler'larının bir tarafı dahili olarak ortak bir terminale bağlanır. Harici kablolama için, bu ortak terminal harici DC güç kaynağının bir kutbuna bağlanmalıdır.
  • Lavabo Girişi (NPN Mantığı): Ortak terminal (S/S), harici DC güç kaynağının pozitif (+24V) ucuna bağlanır. Giriş aygıtı (örneğin, basmalı düğme), PLC'nin X giriş terminali ile güç kaynağının negatif (0V) ucu arasına bağlanır. Düğmeye basıldığında, akım +24V -> S/S -> dahili optocoupler -> X terminali -> düğme -> 0V'tan akar, devre tamamlanır ve PLC bir AÇIK girişi kaydeder. Bu yapılandırma NPN tipi sensörler için kullanılır.
  • Kaynak Girişi (PNP Mantığı): Ortak terminal (S/S), harici DC güç kaynağının negatif (0V) ucuna bağlanır. Giriş aygıtı, PLC'nin X giriş terminali ile güç kaynağının pozitif (+24V) ucu arasına bağlanır. Düğmeye basıldığında, akım +24V -> düğme -> X terminali -> dahili optocoupler -> S/S -> 0V'tan akar. Bu yapılandırma PNP tipi sensörler için kullanılır.
  • 2 Kablolu Cihaz Bağlantısı: Standart basmalı düğmeler, limit anahtarları ve 2 telli manyetik anahtarlar gibi cihazlar, seçilen Sink veya Source kablolama şemasına göre bağlanır. Not: 2 telli manyetik anahtarlar genellikle polariteye (Kahverengi ve Mavi kablolar) sahiptir. PLC giriş türüne (Sink/Source) ve akım akışına göre doğru şekilde bağlayın. Genel kural: Sink girişi için (S/S ila +24V), Kahverengi kabloyu X girişine, Mavi kabloyu 0V'a bağlayın. Kaynak girişi için (S/S ila 0V), Kahverengi kabloyu +24V'a, Mavi kabloyu X girişine bağlayın. (Her zaman cihaz özelliklerini doğrulayın).
  • 3 Kablolu Sensör Bağlantısı (örneğin, Fotoelektrik/Yakınlık):
    • NPN Sensörü: Kahverengi tel +24V'a, Mavi tel 0V'a, Siyah sinyal teli PLC'nin X giriş terminaline. PLC girişi mutlak Lavabo Girişi için yapılandırılabilir/kablolanabilir (S/S +24V'a bağlı).
    • PNP Sensörü: Kahverengi tel +24V'a, Mavi tel 0V'a, Siyah sinyal teli PLC'nin X giriş terminaline. PLC girişi mutlak Kaynak Girişi için yapılandırılabilir/kablolanabilir (S/S 0V'a bağlı).

2. Çıkış Kablolaması: PLC çıkışları harici yükleri sürer.

• Bağlanabilir Yükler: Gösterge lambaları, solenoid valfler (pnömatik/hidrolik kontrol için), ara röleler, kontaktörler (yüksek güçlü motorlar için), Katı Hal Röleler (SSR'ler, ısıtıcılar vb. için), VFD'ler için kontrol sinyalleri, adımlayıcı/servo sürücüler, vesaire.
• Çıktı Türleri: PLC çıkış modülleri temel olarak üç tipte gelir ve yük karakteristiklerine ve uygulama ihtiyaçlarına göre seçilirler.
  • Röle Çıkışı (örneğin Mitsubishi'deki MR eki):
    • Prensip: Dahili minyatür elektromekanik röleler kullanır. Program bir çıkış bobinini (Y) enerjilendirdiğinde, karşılık gelen dahili röle kontağı kapanır ve harici yük devresini tamamlar.
    • Avantajları: Hem AC hem de DC yükleri çalıştırabilir, geniş voltaj aralığı, nispeten yüksek akım kapasitesi, iyi elektriksel izolasyon, düşük maliyet.
    • Dezavantajları: Sınırlı mekanik ömür (tipik olarak yüz binlerce ila milyonlarca döngü), yavaş anahtarlama hızı (~10ms), yüksek frekanslı anahtarlama için uygun değil (PWM veya yüksek hızlı darbe çıkışları gibi). Ömrü en üst düzeye çıkarmak için ~0,1 Hz'nin (dakikada 6 kez) altındaki anahtarlama frekansı önerilir.
    • Kablolama: Her çıkış noktası (veya grubu) ortak bir terminale (COM) sahiptir. Yükün bir tarafını Y çıkış terminaline, diğer tarafını yük güç kaynağının bir kutbuna bağlayın. Yük güç kaynağının diğer kutbunu karşılık gelen COM terminaline bağlayın. COM bağlantısı polarite (DC) veya hat/nötr (AC) açısından esnektir.
  • Transistör Çıkışı (örneğin Mitsubishi'deki MT eki):
    • Prensip: Dahili güç transistörlerini (genellikle MOSFET'ler) kullanır.
    • Avantajları: Son derece hızlı anahtarlama hızı (mikrosaniye), mekanik aşınma yok, çok uzun kullanım ömrü, step/servo sürücüleri (darbe çıkışları) ve PWM kontrolü (kısma/hız) gibi yüksek frekanslı uygulamalar için idealdir.
    • Dezavantajları: Sadece DC yükleri çalıştırabilir. Aşırı yükler ve ani akımlar için daha düşük tolerans; harici koruma (örneğin, endüktif yükler için flyback diyotu) genellikle gereklidir. KAPALI olduğunda küçük kaçak akım gösterir.
    • Kablolama: Sink (NPN) veya Source (PNP) tipleri olarak mevcuttur.
      • Lavabo Çıkışı: Ortak terminal (COM), harici yük güç kaynağının negatif (0V) ucuna bağlanır. Yükün bir tarafını kaynağın pozitif (+V) ucuna, diğer tarafını PLC'nin Y çıkış terminaline bağlayın. Y AÇIK olduğunda, yükü 0V'a bağlar.
      • Kaynak Çıktısı: Ortak terminal (COM), harici yük güç kaynağının pozitif (+V) ucuna bağlanır. Yükün bir tarafını kaynağın negatif (0V) ucuna, diğer tarafını PLC'nin Y çıkış terminaline bağlayın. Y AÇIK olduğunda, yüke +V sağlar.
  • Triyak Çıkışı (Tristör Çıkışı, örneğin Mitsubishi'deki MS eki):
    • Prensip: Dahili Triyaklar (bir tür çift yönlü tristör) kullanır.
    • Avantajları: Hızlı anahtarlama hızı, uzun ömür, özellikle küçük AC kontaktörler, solenoid valfler vb. AC yükleri sürmek için uygundur.
    • Dezavantajları: Sadece AC yükleri çalıştırabilir. Genellikle sıfır geçiş anahtarlaması özelliğine sahiptir (gürültüyü azaltmak için bir avantajdır ancak faz açısı kontrolünü engeller). KAPALI olduğunda bir miktar kaçak akım gösterir. Voltaj yükselmelerinden/dalgalanmalarından kaynaklanan hasara karşı hassastır.
    • Kablolama: Röle çıkış kablolamasına benzer kavram (yük Y ile güç arasına bağlanır, COM ise gücün diğer tarafına bağlanır), ancak kesinlikle AC devreleri içindir.

Tablo 2: PLC Çıkış Modülü Türlerinin Karşılaştırılması

Seçim Rehberi:

• Yük AC veya DC ise ve anahtarlama frekansı düşükse (örneğin dakikada 6 kereden az), basitlik ve maliyet etkinliği nedeniyle Röle Çıkışı genellikle tercih edilen seçimdir.
• Yüksek hızlı anahtarlama, darbe çıkış üretimi (hareket kontrolü için) veya DC yüklerinin sık anahtarlanması gerekiyorsa, Transistör Çıkışı gereklidir. Sistem tasarımınıza ve sensör tiplerinize göre Sink (NPN) veya Source (PNP)'yi seçmeyi unutmayın.
• Yük AC ise ve rölelerden daha hızlı anahtarlama veya çok sık çalışma gerektiriyorsa Triyak Çıkışı düşünülebilir.

Çözüm:

Programlanabilir Mantık Denetleyici (PLC), sahip olduğu esneklik, güçlü işlevsellik, programlama ve bakım kolaylığı ve olağanüstü güvenilirliği ile modern endüstriyel otomasyon kontrolü alanında vazgeçilmez bir temel bileşen olarak öne çıkmaktadır.

Uygulamaları temel dijital mantık kontrolünden gelişmiş hareket kontrolüne, hassas analog düzenlemeye, gelişmiş veri işleme ve sorunsuz ağ iletişimine kadar uzanmakta olup, çeşitli endüstrilerdeki otomatik üretim hatlarına ve ekipmanlara nüfuz etmektedir.

PLC'lerin temel kavramlarını anlamak, çeşitli yeteneklerini tanımak ve doğru giriş/çıkış kablolama tekniklerine hakim olmak (özellikle Sink/Source, NPN/PNP arasındaki ayrımı yapmak ve uygun çıkış tipini seçmek) her otomasyon mühendisi ve teknisyeni için olmazsa olmaz becerilerdir.

Endüstri 4.0 ve akıllı üretim gelişmeye devam ederken, PLC'ler kritik rollerini sürdürerek işletmelerin daha verimli, akıllı ve esnek üretim gerçekleştirmesini sağlayacak.