MPS modüler üretim sisteminin bilgisayar destekli gerçek zamanlı kontrolü ve teknik eğitime uygulanması
Computer aided real time control of MPS modular production system and technical education application
Yazar: SEZAİ TAŞKIN
Danışman: DOÇ. DR. KORAY TUNÇALP ; YRD. DOÇ. DR. HASAN ERDAL
Marmara Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik Eğitimi Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2007
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering ; Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences ; Teknik Eğitim = Technical Education
Dizin: Gerçek zamanlı denetim = Real time control ; Modüler üretim = Modular production ; Teknik eğitim = Technical education ; Uzaktan denetim = Remote control

Özet:
Mesleki ve Teknik Eğitim'in en önemli özelliklerinden birisi, yapılan deneyselçalışmaların başarılı ve bilgili teknik eleman eğitiminde son derece önem taşımasıdır.Teknik branşlarda eğitim gören öğrenciler, öğrenim hayatlarının büyük bir kısmınılaboratuvarlarda deney yaparak geçirmektedirler. Laboratuvar deneyleri, öğrencilerintecrübe kazandığı uygulamalı eğitimin önemli bir kısmını oluşturmakta ve teknikeğitim programlarının en önemli tamamlayıcı unsurları arasında yer almaktadır. Budeneysel çalışmalar, öğrencilere pratik beceri kazandırır ve onların endüstri ortamınahazırlanmasına yardımcı olur.MPS Modüler Üretim Sistemi, gerçek bir üretim sisteminde yer alabilecek birçok donanım ve teknolojiler ile mekanik, elektrik, elektronik, programlama vekontrol bilgisi gibi disiplinler arası konuları kapsayan, endüstriyel otomasyonsistemlerinin bir örnek modeli olup, Festo Didaktik tarafından tasarlanmış teknikeğitim amaçlı bir deney setidir.Deneysel çalışmalarda kullandığımız Modüler Üretim Sistemi (MPS-ModularProduction System); Dağıtım, Test, İşlem, Taşıma ve Ayırma olmak üzere 5 modüleristasyondan oluşmaktadır. Modüler Üretim Sistemi, Siemens S7-300 PLC kontrollümevcut hali ve tez çalışmaları kapsamında eklenen donanım ve kontrol yapısıyla;pnömatik-elektropnömatik, temel düzeyde elektrik-elektronik, algılayıcı ve vakumteknolojisi, renk algılayıcısı kullanımı, mekanik manipülasyon ve elektriksel tahriksistemleri, endüstriyel haberleşme, açık-kapalı döngü otomatik kontrol sistemleritasarlama, program geliştirme, kullanıcı arayüzü oluşturma, OPC uygulamaları,basınç, sıcaklık, yer değişimi gibi fiziksel niceliklerin ölçülmesi, analog verilerindeğerlendirilmesi, görüntü aktarma/işleme ve uzaktan erişimli kontrol konuları gibidisiplinler arası bir çok teknik konuyu kapsayacak hale gelmiştir.Bu çalışmada, Modüler Üretim Sistemi'nin kontrolü için grafikselprogramlama ortamı sunan NI LabVIEW 7.1 programı kullanılmıştır. ModülerÜretim Sistemi'nin gerçek zamanlı kontrolü için LabVIEW 7.1 programında çeşitliyapılarda kullanıcı arayüzleri tasarlanmış ve bunlara ait kontrol programlarıyazılmıştır. Sistemde yer alan elamanların konum ve durum bilgilerini veren 22 adetsayısal, 3 adet analog giriş ve 29 adet sayısal çıkış bilgisi NI FieldPoint dağıtıkgiriş/çıkış modüllerine bağlanmıştır. Bu bilgiler LabVIEW 7.1 programındaoluşturulan programın akışına göre FieldPoint cihazları aracılığıyla Modüler ÜretimSistemi ünitelerindeki çıkışlara gönderilmektedir.Sistemin ana basıncını okumak amacıyla, 0-10 bar basıncı doğrusal olarak 0-10Volt analog gerilim bilgisine dönüştüren bir basınç transdüseri kullanılmıştır. Bubilgi, basıncın belirlenen referans değerin altına düşmesi durumunda önceliklekullanıcıya uyarı vermekte ve hatanın devamında ise sistemin işleyişinidurdurmaktadır. Uzaktan erişimli kullanıcılar için laboratuvar ortam sıcaklığı bilgisiiçin de K tipi bir termokupl ayrıca sisteme ilave edilmiştir.Sistem hareketlerinin uzaktan erişimli kontrolde görüntülenebilmesi için ikifarklı yöntem kullanılmıştır. İlk yöntemde, görüntü işleme kartına(NI IMAQ PCI-1407) bağlanan analog bir kamera ile LabVIEW ön paneline yerleştirilen ekrandangörüntüler aktarılmıştır. Bu uygulamanın çalışabilmesi için istemci tarafbilgisayarında LabVIEW programının ve NI-IMAQ yazılımının yüklü olmasıgerekmektedir. İkinci yöntem ise, bir WebCam aracılığıyla görüntünün aktarılmasıişlemidir. Bunun için ayrıca bir arayüz programı yazılmıştır. Bu uygulamada,görüntü kalitesi ve örnekleme zamanı düşmesine rağmen, istemci taraf bilgisayarındaLabVIEW programının ve yukarıda adı geçen yazılımın yüklü olmasına gerekyoktur. Uzaktan erişimde, her iki yöntem de aktif olarak çalışmaktadır.Sistemdeki işleyiş mantığının öğretilmesinde kullanılmak üzere, her birünitenin otomatik ve manuel, ünitelerin kendi arasında otomatik ve sistemin birbütün olarak otomatik ve manuel modlarda olmak üzere farklı kullanıcı arayüzleri veprogramları tasarlanmıştır. Ayrıca, öğrencilerin bu yapıyı değişik uygulamalar içingeliştirebilmelerine olanak sağlaması amacıyla yazılan programlar açık kodlu olarakoluşturulmuştur.MPS üzerindeki tüm durum bilgileri ve çıkış sinyalleri, bilgisayar ekranındantakip edilebilecek şekilde düzenlenmiştir. Bir ürünün kalite kontrol testindengeçirilmesi ve özelliğine göre depolanması işlemi bu sistem ile adım adımgösterilmiştir. Çalışmada, üretim sistemlerindeki bu tip yapılar için gerekli olan tümbilgilerin bir veri tabanına aktarılması da yapılmıştır. İşlenen malzeme sayısı, birürünün tüm işlemleri için harcanan toplam süre ve harcanan elektrik enerjisi gibiveriler kullanıcı ekranına taşınmıştır. Böylece üretim verileri ile ilgili tüm detaylarınkayıt altına alınması sağlanarak, üretim planlama ile ilgili işlemlerde kullanılabilecekbir veri havuzu oluşturulmasının nasıl yapılacağı ile ilgili bir yöntem sunulmuşolmaktadır.Öğrencilerin MPS üniteleri ile çalışmaya başlamadan önce sistem üzerindekitüm elemanları tanımalarına yardımcı olmak ve istasyonların farklı çalışmaşekillerini gösterebilmek amacıyla, Macromedia Flash Programı'nda oryantasyoneğitimi amaçlı interaktif yapıda ve internet sayfası şeklinde dokümanlarhazırlanmıştır. Hazırlanan bu sayfalarda ünitelere ait tüm ayrıntılar gösterilmiştir.Ayrıca tüm ünitelerin ayrı ayrı ve birlikte çalışmasını gösteren ve 3dsMAX programıile yapılan animasyonlar da bu dosyalara eklenmiştir. Sistem için hazırlanan tüm budokümanlar bir Internet Explorer sayfasında toplanmıştır. Bu dosyaların yer alacağıbir internet bağlantı adresi daha sonra yapılacak çalışmalarda oluşturulacaktır.Böylece öğrencilerin MPS üniteleri ile çalışmaya başlamadan önce sistemi tümayrıntılarıyla tanımalarını sağlayacak bir ön hazırlık ile çok daha pratik ve kolayöğretilebilir verimli bir yapı sağlanmış olmaktadır.Yapılan çalışmanın öğrencilerin akademik başarılarına ve öğrenme kolaylığısağlamasına olan etkisinin araştırılması amacıyla Marmara Üniversitesi TeknikEğitim Fakültesi(MÜTEF) Mekatronik Eğitimi Bölümü 2005-2006 öğretim yılı 3.sınıf öğrencilerinden karşılaştırma amaçlı deney ve kontrol grubu olmak üzere ikigrup oluşturulmuştur. Bu gruplardan elde edilen tüm notlar değerlendirildiğinde; tezçalışmaları kapsamında geliştirilen model ile oluşturulan öğretim tekniğinin, sisteminmevcut haline göre, öğrencilerin başarılarını toplamda %33 daha fazla arttırıcıözellikte olduğu görülmüştür.Bu sistemin sadece laboratuvar saatlerinde değil talep edilen her zaman ve heryerden kullanılabilmesini sağlamak için internet üzerinden uzaktan erişimli kontrolüde gerçekleştirilmiştir. Tez çalışmaları kapsamında yapılan donanımsaldeğişikliklerde MPS'in mevcut yapısı bozulmamıştır. Bu sayede sistem, PLC veDağıtık I/O FieldPoint donanımları üzerinden iki farklı şekilde çalıştırılabilmektedir.Anahtar Kelimeler : Modüler Üretim Sistemi, Gerçek Zamanlı Kontrol,LabVIEW, Uzaktan Erişimli Kontrol, Teknik Eğitim.

Abstract:
The most important specifications of vocational and technical education aresuccess experimental works and training of technical person covered with lots ofknowledge. The students, studying in a technical department, spend most of theirtime in the laboratories. The laboratory experiments are the most important part oftheir education for getting more experiences. The experiments improve their practiceand help to prepare them to working environments.Modular Production System (MPS), includes all elements of a real productionsystem, covers lots of majors such as mechanics, electric, electronics, computerprogramming and control techniques, and is designed as an experimental platformfor technical education by Festo Didactic Company.MPS has 5 modular stations; distributing, testing, processing, handling andsorting. It covers multidisciplinary subjects with its existing model ? controls withthe Siemens S7-300 PLC ? and new added hardware and control structure during thisstudy. The system with its new hardware and control structure has pneumaticelectropneumatic,basic level electric-electronics, sensor and vacuum technology,colour sensors, mechanical manipulation, electric drive systems, industrialcommunication, open/closed loop control system design, development of controlprograms, designing of user interfaces, OPC applications, processing of analog data,remote control and measurement of physical characteristics such as pressure,temperature and position control.In this study, LabVIEW 7.1 which is used for controlling of MPS has agraphical programming interface. Various user interfaces have been designed for realtime control of the system which has 22 digital, 3 analog inputs and 29 digitaloutputs and, get position and condition information from MPS units. These input andoutput data are connected to a NI FieldPoint system which has distributed I/Ointerface. These data transfer to output of MPS as executing of the LabVIEWprogramme.Inserted a pressure transducer converts 0-10 bar pressure into 0-10 volt analogvoltage, is used in the system. If the pressure goes down under the set value, theprocess will be stopped and an alert will appear. In addition, a K type thermocoupleis used in the system for the temperature of laboratory environment.Two different methods are used for monitoring of the system motions forremote access. First method is the pictures captured with a camera connected toanalog image processing interface (NI IMAQ PCI-1407) and transferred via awindow, on the graphical interface of LabVIEW. In this method, ?NI-IMAQSoftware? must be installed on the remote access side. Second method is the picturesare transferred via a WebCam. In this method, the quality of pictures and sampletime goes down.Various user interfaces and programmes were designed automatic and manualmode for each units, automatic mode among units and automatic and manual modefor all units for the purpose of teaching the system. In addition, all programmes werewritten as open source for the students who want to improve the system for furtherapplications.All data in the MPS are transferred to the graphical interfaces. Quality controlof a product and storing as specifications are shown step by step with this interfaces.All data are transferred to a database, would be used for similar systems andapplications. Some data are shown on the user interface such as the amount ofprocessed materials, total spending time and electrical energy during the process. Thedatabase can be used for planning of production system.Some flash documents, prepared with Macromedia Flash, show all materials inthe system and process step by step for each unit. In addition, some animations,prepared with 3dsMAX, show process for each unit and all units.All these documents are transferred to HTML interface. An internet addresswill be set for remote access to these documents. So before working with the system,it is possible to get lots of information about it, which makes easy to learn and toteach the system.Two groups were formed from junior students of Marmara University Facultyof Technical Education(MUFTE) Mechatronic Education in 2005-2006 springsemester for the purpose of researching effects of academic success and easily learnlevel for this study. According to the research, this study improved 33% studentslearning level and collecting their attention rather than the system?s existing model.A programme, created in LabVIEW, allows to access for remote control of thesystem on the internet not only during the laboratory times but also whenever youneed. So it is possible to reach the system in any time and from anywhere.Now, the system can be controlled with two different ways, existing model andcontrolling with distributed I/O FieldPoint. The system?s visual quality andavailability are improved as well.Key words : Modular Production System, Real Time Control, LabVIEW,Remote Access Control, Technical Education.