PLC ile PID Kontrolü: Sensörden Aktüatöre Gerçek Bir Kontrol Döngüsü Nasıl Kurulur?

Bir PLC içerisinde PID fonksiyon bloğunu programa eklemek kolaydır. Asıl iş, sensörden gelen değerin doğru okunması, mühendislik birimine çevrilmesi, PID bloğunun doğru zaman aralığında çalıştırılması ve üretilen çıkışın gerçek saha ekipmanına doğru şekilde uygulanmasıdır.

Bu nedenle PLC ile PID kontrolünü yalnızca Kp, Ki ve Kd değerlerinden ibaret düşünmemek gerekir. Bir endüstriyel kontrol döngüsü genellikle şu zincirden oluşur:

Sensör → Analog veya dijital giriş → PLC → PID bloğu → Analog çıkış / haberleşme → VFD veya vana → Proses → tekrar sensör

PID doğru çalışmıyorsa ilk şüpheli her zaman PID ayarları değildir. Ölçüm, ölçekleme, çevrim süresi ve aktüatör tarafı önce doğrulanmalıdır.

PLC'nin temel yapısı ve giriş/çıkış sistemi için PLC ve modüller bölümümüz incelenebilir.

PLC içerisinde PID hangi değerlerle çalışır?

Bir PID kontrol döngüsünde üç temel değişkeni ayırmak gerekir.

SP — Set Point: Prosesin ulaşması istenen hedef değerdir. Örneğin 6 bar basınç, 80 °C sıcaklık veya %60 tank seviyesi.

PV — Process Variable: Sensörden gelen gerçek proses değeridir.

CV / MV — Control veya Manipulated Variable: PID bloğunun prosesi değiştirmek amacıyla ürettiği kontrol çıkışıdır.

Örneğin bir pompa sisteminde:

SP = 6 bar
PV = basınç transmitterinin ölçtüğü gerçek basınç
CV = VFD'ye gönderilen hız referansı

olabilir.

PID bloğu SP ile PV arasındaki farkı değerlendirir ve gerekli kontrol çıkışını oluşturur.

PLC'ye gelen 4–20 mA değeri doğrudan basınç değildir

Sahada en sık yapılan hatalardan biri, analog giriş kartından okunan ham değerin doğrudan fiziksel proses değeri gibi kullanılmasıdır.

0–10 bar ölçüm yapan bir basınç transmitteri 4–20 mA çıkış veriyorsa:

4 mA = 0 bar
20 mA = 10 bar

şeklinde bir ilişki vardır.

PLC'nin analog modülü bu sinyali kendi sayısal formatına dönüştürür. Program içerisinde ham değer önce 0–10 bar mühendislik aralığına ölçeklenmeli, ardından PID'nin PV girişine verilmelidir.

0–10 V ve 4–20 mA sinyallerinin çalışma mantığı bu aşamada özellikle önemlidir.

Gerçek basınç 6 bar iken hatalı ölçekleme nedeniyle PLC 5 bar okuyorsa PID sürekli daha fazla çıkış üretecektir. Bu durumda kazançları değiştirmek, yanlış ölçümün üzerine yeni bir hata eklemekten başka işe yaramaz.

PID ayarından önce sensör, analog giriş ve ölçekleme kontrol edilmelidir.

PID bloğu PLC programında ne zaman çalıştırılmalı?

PID hesabının zamanla ilişkisi vardır. İntegral ve türev terimleri, yalnızca hata büyüklüğüne değil, hatanın zaman içerisindeki davranışına da bağlıdır.

Bu nedenle PID bloğunun rastgele değişen zaman aralıklarında çağrılması kontrol performansını bozabilir.

Birçok PLC ailesinde PID bloğu için düzenli bir çevrim süresi kullanılması tercih edilir. Üreticiye göre bu; periyodik görev, cyclic interrupt, timed task veya benzeri isimlerle uygulanabilir.

Örneğin yavaş bir sıcaklık prosesi bir saniye civarında veya uygulamanın gerektirdiği daha uzun periyotlarla kontrol edilebilirken, debi veya basınç gibi daha hızlı proseslerde daha kısa bir kontrol periyodu gerekebilir.

En hızlı mümkün çevrim her zaman en iyi çevrim değildir. Kontrol periyodu prosesin gerçek dinamiğine göre seçilmelidir.

PID kontrolünde zaman gecikmesi ve sistem dinamikleri bu nedenle PLC uygulamasının önemli bir parçasıdır.

PLC tarama süresi ile PID çevrim süresi aynı olmak zorunda değildir

PLC'nin ana programı örneğin birkaç milisaniyede bir taranıyor olabilir. Bu, sıcaklık PID bloğunu da her birkaç milisaniyede bir çalıştırmanın gerekli olduğu anlamına gelmez.

Aynı PLC içerisinde;

• hızlı dijital mantık,
• haberleşme,
• HMI işlemleri,
• yavaş sıcaklık PID'si,
• daha hızlı basınç PID'si

farklı zaman ihtiyaçlarına sahip olabilir.

PLC programı bu görevleri uygun çalışma periyotlarına ayırabiliyorsa, PID döngüsü de proses için belirlenen periyotta çalıştırılmalıdır.

Analog girişin güncellenme süresi de kontrol çevriminin bir parçasıdır

PID bloğunu 100 ms'de bir çalıştırıp analog giriş modülünden yeni ölçümü yalnızca 500 ms'de bir almak anlamsız bir yapı oluşturabilir.

PLC her PID çağrısında aynı eski PV değerini görür ve gerçek proses değişikliğini gecikmeli olarak öğrenir.

Bu nedenle;

sensör tepki süresi + analog modül filtreleme/güncelleme süresi + PLC PID çevrim süresi + çıkış güncelleme süresi + proses tepkisi

bir bütün olarak değerlendirilmelidir.

Özellikle çok fazla dijital filtre uygulanan analog girişlerde ölçüm daha sakin görünür fakat kontrol döngüsüne ilave gecikme eklenebilir.

Direct ve Reverse kontrol yönü neden önemlidir?

PID'nin çıkışının hata arttığında hangi yönde hareket edeceği doğru belirlenmelidir.

Örneğin bir ısıtma sisteminde sıcaklık set değerinin altına düşerse ısıtıcı gücünün artmasını isteriz.

Bir soğutma sisteminde ise sıcaklık yükseldiğinde soğutma çıkışının artması gerekir.

Benzer şekilde basınç kontrolünde kullanılan ekipmana göre vana açıldığında basınç artabilir veya azalabilir.

Kontrol yönü yanlış seçilirse PID hatayı düzeltmek yerine büyütür.

Devreye almada düşük ve kontrollü bir manuel çıkış değişikliği yapılarak aktüatörün prosesi hangi yönde değiştirdiği mutlaka görülmelidir.

P, I ve D PLC'de neyi değiştirir?

Oransal — P: Mevcut hataya göre çıkış oluşturur. Daha yüksek oransal etki genellikle daha güçlü tepki verir; fakat aşırı kazanç salınıma neden olabilir.

İntegral — I: Zaman içerisinde devam eden hatayı biriktirerek kalıcı sapmanın azaltılmasına yardımcı olur.

Türev — D: Sinyalin değişim hızına tepki verir ve uygun proseslerde sönümlemeye yardımcı olabilir. Ancak ölçüm gürültüsüne karşı hassastır.

Türev teriminin gelecekte ne olacağını kesin olarak tahmin ettiği şeklindeki anlatım doğru değildir.

Bu üç kontrol etkisinin ayrıntıları için PID kontrol algoritmasının P, I ve D bileşenleri incelenebilir.

Kp, Ki, Kd ile Kp, Ti, Td aynı parametreler değildir

PLC markaları PID ayarlarını aynı formatta göstermeyebilir.

Bir kontrolörde;

Kp, Ki, Kd

kullanılırken başka bir sistemde;

Kp, Ti, Td

kullanılabilir.

Özellikle integral kazancı Ki ile integral süresi Ti ters yorumlanabilecek sonuçlar doğurabilir. Bir cihazda sayıyı artırmak integral etkisini artırırken başka bir parametre tanımında süreyi artırmak integral etkisini azaltabilir.

Bir PLC markasındaki PID değerlerini başka marka veya PID bloğuna sayısal olarak kopyalamayın.

Önce üreticinin kullandığı PID denklemi ve parametre birimleri kontrol edilmelidir.

PID kazançlarının ayarlanması sayfasında bu ayrımı ayrıca ele alıyoruz.

PID çıkışının fiziksel sınırları vardır

PLC içerisindeki hesap teorik olarak büyük bir değer üretse bile gerçek aktüatörün sınırları vardır.

Bir VFD için çıkış:

%0–100 hız referansı

veya belirlenmiş minimum ve maksimum frekans aralığında olabilir.

Bir vana ise fiziksel olarak yalnızca %0 ile %100 arasında açılabilir.

Bu nedenle PID çıkışının minimum ve maksimum limitleri gerçek ekipmana göre tanımlanmalıdır.

Bir pompanın 30 Hz altında çalışmasına izin verilmiyorsa PID'nin %0 çıkışının doğrudan 0 Hz anlamına gelmesi doğru olmayabilir. Çıkış ölçeklemesi ve makine çalışma limitleri ayrı ele alınmalıdır.

Integral windup PLC uygulamasında nasıl oluşur?

Bir pompanın VFD'si maksimum hızda çalışıyor fakat sistem hâlâ basınç set değerine ulaşamıyor olsun.

PID çıkışı zaten üst sınırdadır.

Buna rağmen integral terimi hatayı toplamaya devam ederse büyük bir integral değeri birikebilir. Proses tekrar normal bölgeye geldiğinde kontrolör uzun süre gereğinden yüksek çıkışta kalabilir.

Bu durum integral windup olarak bilinir.

Kullanılan PLC PID bloğunda;

• output limiting,
• integral hold,
• anti-windup,
• tracking

gibi işlevler bulunuyorsa üretici dokümanına göre kullanılmalıdır.

Manual ve Automatic mod neden önemlidir?

Devreye alma sırasında kontrol döngüsünün önce manuel modda test edilmesi çoğu zaman daha güvenlidir.

Manual modda operatör veya program kontrol çıkışını belirler.

Automatic modda çıkışı PID bloğu hesaplar.

Manual modda örneğin vana %30 açılarak veya pompa belirli bir hızda çalıştırılarak prosesin doğal tepkisi görülebilir.

Bu test üç önemli bilgi verir:

• aktüatör gerçekten çalışıyor mu?
• kontrol yönü doğru mu?
• sensör proses değişikliğini doğru görüyor mu?

Bu üç şart sağlanmadan otomatik PID ayarına geçmek doğru değildir.

Manual'dan Auto'ya geçerken çıkış sıçramamalı

Manuel modda pompa %45 çıkışta çalışırken PID'nin iç hesabı %80 seviyesindeyse otomatik moda geçildiği anda çıkışın %45'ten %80'e sıçraması prosesi bozabilir.

Birçok endüstriyel PID bloğu bu geçiş için bumpless transfer, tracking veya benzeri yöntemler sunar.

Devreye alma sırasında manuel/otomatik geçiş mutlaka gerçek proses üzerinde kontrollü biçimde test edilmelidir.

Örnek: PLC ile sabit basınç pompa kontrolü

Bir tesiste pompa çıkış basıncının 6 bar tutulacağını düşünelim.

Sistem:

Basınç transmitteri → PLC analog giriş → PID → PLC analog çıkış veya haberleşme → VFD → pompa

şeklinde kurulabilir.

Transmitter 0–10 bar aralığında 4–20 mA üretir.

PLC bu sinyali bar cinsine ölçekler.

SP = 6,0 bar
PV = gerçek basınç
CV = VFD hız referansı

Basınç 5,3 bara düşerse PID çıkışı yükselir. Motor hızı artar ve proses basıncı tekrar set değerine yaklaşır.

Bu uygulamanın proses tarafı PID ile basınç kontrolü, sürücü tarafı ise VFD ile PID kontrolü sayfalarında ayrıca ele alınmaktadır.

PID PLC'de mi, VFD'de mi çalışmalı?

Her iki çözüm de doğru olabilir.

Basit tek pompalı bir uygulamada basınç transmitterini doğrudan VFD'ye bağlayıp sürücünün kendi PID fonksiyonunu kullanmak yeterli olabilir.

Birden fazla pompa, vana, seviye şartı, çalışma sırası veya başka proses değişkenleri varsa kontrolü PLC içerisinde toplamak daha esnek olabilir.

PLC;

• pompaları sıraya alabilir,
• yedek pompayı devreye sokabilir,
• basınç set değerini reçeteye göre değiştirebilir,
• minimum debi şartını kontrol edebilir,
• çeşitli kilitleri değerlendirebilir.

Burada amaç “PID mutlaka PLC'de olmalı” demek değil, döngünün hangi cihazda daha mantıklı kapanacağını seçmektir.

Örnek: PLC ile sıcaklık kontrolü

Bir fırında sıcaklık ölçümü sıcaklık sensörü veya transmitter üzerinden PLC'ye alınabilir.

Sıcaklık prosesleri genellikle basınç ve debi döngülerinden daha yavaştır. Çok kısa PID çevrimleri gereksiz olabilir.

PID çıkışı;

• SSR üzerinden rezistansa,
• tristör güç kontrol cihazına,
• modülasyonlu gaz vanasına,
• soğutma vanasına

gönderilebilir.

Ancak PLC ile sıcaklık kontrolü yapmak her zaman en iyi çözüm değildir. Tek bölgeli küçük bir makinede bağımsız sıcaklık kontrol cihazı daha ekonomik ve basit olabilir.

Isı kontrol cihazı ile PID kullanımı bu alternatif mimariyi açıklar.

Akış ve seviye PID'sine aynı ayarı kopyalamayın

PLC ekranında iki PID bloğu birbirinin aynısı görünebilir fakat kontrol edilen prosesler tamamen farklı olabilir.

Debi kontrolü genellikle hızlı cevap verebilir.

Seviye kontrolü ise büyük tanklarda çok daha yavaş ve integratör karakterli olabilir.

Dolayısıyla bir debi PID'sinde başarılı olan Kp ve Ti değerlerini tank seviye kontrolüne kopyalamak teknik bir ayar yöntemi değildir.

Her proses kendi dinamiğine göre ele alınmalıdır.

PLC'de otomatik PID ayarı kullanılabilir mi?

Bazı PLC ve proses kontrolörleri otomatik tuning işlevleri sunar. Bu işlevler proses tepkisini ölçerek başlangıç için uygun kontrol parametreleri hesaplamaya çalışabilir.

Ancak autotune bir sihirli düğme değildir.

Otomatik ayar sırasında prosesin belirli miktarda değiştirilmesi gerekebilir. Sıcaklık, basınç, hız veya başka bir değişken geçici olarak normal işletme değerinin dışına çıkabilir.

Bu nedenle;

• makine güvenliği,
• proses sınırları,
• ürün kalitesi,
• aktüatör kapasitesi

değerlendirilmeden otomatik ayar başlatılmamalıdır.

Ayrıca yük ve proses koşulları değişirse autotune sonucu her çalışma noktasında aynı kaliteyi vermeyebilir.

Ziegler–Nichols her proseste kullanılacak genel reçete değildir

Ziegler–Nichols tarihsel olarak önemli PID ayar yöntemlerinden biridir; ancak “Kp'yi sistem sallanana kadar artır, sonra tabloya bak” biçimindeki basit reçetenin her gerçek makinede uygulanması doğru değildir.

Bir kimyasal prosesin, yüksek sıcaklık fırınının veya basınç sisteminin bilerek kararsızlığa yaklaştırılması uygun olmayabilir.

PLC üreticisinin kendi tuning yöntemi, kontrollü step testi veya prosese uygun başka yöntemler tercih edilebilir.

Her durumda ayar sonrasında sistem gerçek çalışma yükünde test edilmelidir.

SCADA PID'i çalıştırmak zorunda değildir

PLC içerisinde çalışan PID döngüsü bir SCADA sistemi üzerinden izlenebilir.

SCADA;

• set değerini gösterebilir,
• PV değerini trendleyebilir,
• PID çıkışını kaydedebilir,
• Auto/Manual durumunu gösterebilir,
• yetkili kullanıcıya ayar değişikliği verebilir.

Ancak hızlı PID hesabının SCADA bilgisayarında yapılması şart değildir. Çoğu klasik endüstriyel yapıda PLC döngüyü yerel olarak çalıştırır ve SCADA üst seviye izleme görevini yapar.

SCADA ile PID kontrolü sayfasında bu görev ayrımını ayrıntılı inceliyoruz.

Trend kaydı olmadan PID ayarlamak gereksiz yere zorlaşır

Devreye alma sırasında aşağıdaki değerlerin birlikte kaydedilmesi çok faydalıdır:

• SP — set değeri
• PV — proses değeri
• CV — PID çıkışı
• Auto / Manual durumu
• gerçek vana pozisyonu veya sürücü hızı

Örneğin PV sürekli set değerinin iki tarafında salınıyor ve çıkış da aynı ritimde ileri geri hareket ediyorsa kontrol parametreleri ve proses gecikmesi incelenir.

PID çıkışı %100 olduğu hâlde PV hedefe hiç yaklaşamıyorsa problem çoğu zaman tuning değil, yetersiz aktüatör veya proses kapasitesidir.

Çıkış değiştiği hâlde VFD hızı değişmiyorsa sorun PLC PID hesabının dışında olabilir.

PID sorunları ve çözüm yöntemleri bu teşhislerin genel tarafını ele almaktadır.

Sensör arızalandığında PID ne yapacak?

PLC programında bu durum açıkça düşünülmelidir.

Örneğin 4–20 mA basınç transmitterinin kablosu koparsa analog giriş 4 mA altına düşebilir veya modül arıza bilgisi üretebilir.

Bu değeri “çok düşük basınç” zannedip PID'ye verirsek kontrolör pompayı maksimum hıza çıkarabilir.

Program;

• analog giriş arızası,
• ölçüm aralığı dışı değer,
• transmitter kopması,
• haberleşme hatası

gibi durumları gerçek bir proses değeriyle karıştırmamalıdır.

Arıza durumunda çıkışın ne yapacağı proses riskine göre açık biçimde tanımlanmalıdır.

PID çıkışı güvenlik fonksiyonu değildir

PLC normal proses kontrolünü yürütüyor olabilir; fakat yüksek basınç, aşırı sıcaklık veya insan güvenliği gibi kritik fonksiyonlar yalnızca standart PID programına bırakılmamalıdır.

Örneğin:

PID set değeri = 6 bar

olabilir. Ancak sistem ayrıca yüksek basınç alarmına ve risk gerektiriyorsa uygun bağımsız koruma veya safety fonksiyonuna sahip olabilir.

PID normal işletmeyi düzenler. Makine emniyeti ayrı tasarlanmalıdır.

Bir PLC birden fazla PID döngüsü çalıştırabilir mi?

Evet. Yeterli işlem kapasitesi ve uygun program mimarisi bulunduğunda aynı PLC çok sayıda PID döngüsü çalıştırabilir.

Ancak yalnızca CPU gücü değil;

• analog I/O güncelleme süreleri,
• haberleşme yükü,
• her PID döngüsünün gerekli periyodu,
• program çalışma süresi,
• proseslerin birbirine etkisi

de hesaba katılmalıdır.

Bir fırındaki 20 sıcaklık bölgesi ile 20 hızlı basınç veya hareket döngüsünün PLC üzerindeki kontrol ihtiyacı aynı değildir.

Kaskad PID ne zaman gerekir?

Bazı proseslerde tek PID döngüsü yeterli olmayabilir.

Örneğin bir ısı prosesinde dış döngü ürün sıcaklığını, daha hızlı iç döngü ise ısıtıcı veya ceket sıcaklığını kontrol edebilir.

Dış PID'nin çıkışı doğrudan aktüatöre gitmek yerine iç PID'nin set değerini oluşturur.

Bu yapıya kaskad kontrol denir.

İç döngünün dış döngüden anlamlı biçimde daha hızlı olması beklenir. İki PID'yi art arda bağlamak tek başına başarılı bir kaskad kontrol oluşturmaz.

PLC ile PID devreye alma sırası

Pratik bir devreye alma sırası şu şekilde olabilir:

1. Sensörün fiziksel olarak doğru ölçtüğünü kontrol edin.
2. Analog giriş veya haberleşme değerini doğrulayın.
3. Mühendislik ölçeklemesini doğrulayın.
4. PID'nin SP ve PV birimlerini kontrol edin.
5. Manual modda aktüatörü düşük çıkışlarla test edin.
6. Kontrol yönünü doğrulayın.
7. Minimum ve maksimum çıkış limitlerini belirleyin.
8. PID çağrı süresini proses için uygun ayarlayın.
9. Auto/Manual geçişini test edin.
10. Başlangıç PID parametrelerini uygulayın.
11. SP, PV ve CV değerlerini trendleyin.
12. Gerçek çalışma yükünde ayarı doğrulayın.
13. Sensör ve aktüatör arızalarını ayrı ayrı test edin.

Bu sıralamayla ilerlemek, “PID çalışmıyor” denilen birçok problemin aslında ayar aşamasına gelmeden bulunmasını sağlar.

PID kötü çalışıyorsa önce neye bakılır?

PV çok gürültülü: Sensör, kablolama, analog giriş, topraklama ve filtreleme kontrol edilir.

PV yavaş geliyor: Sensör tepki süresi ve analog giriş filtresi incelenir.

Çıkış sürekli %100: Set değerinin fiziksel olarak ulaşılabilir olup olmadığı ve aktüatör kapasitesi kontrol edilir.

Proses sürekli salınıyor: Kazançlar, çevrim süresi ve proses gecikmesi incelenir.

Auto'ya geçince çıkış sıçrıyor: Manual/Auto tracking ve bumpless transfer yapılandırması kontrol edilir.

PLC çıkışı değişiyor ama proses değişmiyor: Analog çıkış, VFD, vana, röle veya diğer aktüatör kontrol edilir.

Set değeri değişince çıkış sert sıçrıyor: PID yapısı, türev uygulaması, set değeri rampası ve proses gereksinimleri incelenir.

İlgili PLC ve PID Konuları

PLC ve kontrol mimarisi: PLC ve Modüller · PLC SSS · SCADA Sistemleri · SCADA ile PID Kontrolü

Ölçüm ve analog sinyal: Analog Sinyal Nedir? · 0–10 V ve 4–20 mA · Basınç Sensörleri · Sıcaklık Sensörleri

Proses PID uygulamaları: Basınç Kontrolü · Akış Kontrolü · Seviye Kontrolü · Sıcaklık Kontrolünde PID

Sürücü ve PID: Hız Kontrol Cihazları · VFD ile PID Kontrolü

PID ayarı ve davranışı: PID Kontrol SSS · P, I ve D Bileşenleri · PID Kazanç Ayarı · Zaman Gecikmesi ve Proses Dinamikleri · PID Sorun Giderme

PLC üreticilerinin PID blokları; parametre isimleri, kazanç biçimleri, türev uygulaması, çevrim süresi tanımı, manual/auto geçişi ve tuning fonksiyonları açısından farklılık gösterebilir. Uygulamadaki PID bloğu mutlaka kullanılan PLC ailesinin programlama ve PID dokümanına göre yapılandırılmalıdır.