Bir PLC kartı tasarlamaya başlamadan önce şu temel soruyu sormak gerekir: PLC nedir ve nasıl çalışır?

Bu sorunun cevabı, yalnızca teknik bir açıklama değil; aynı zamanda endüstriyel otomasyonun neden bu sistemlere ihtiyaç duyduğunu da anlamamıza yardımcı olur.

Neden Siemens, Rockwell, Schneider, Mitsubishi gibi sektörün önde gelen firmaları bu tür kartları geliştiriyor? Neden sıradan bir mikrodenetleyici ile özelleştirilmiş bir kart tasarımı, bu firmaların sunduğu çözümlerin yerini tutamıyor?



Aslında bu soruların yanıtı, sorunun içinde saklıdır. Özelleştirilmiş mikrodenetleyici kartları, belirli bir göreve veya projeye özel olarak tasarlanır. Bu tür sistemler, belirli bir amaç için verimli olabilir; ancak genellikle esneklikten yoksundur ve genelleştirilmiş bir endüstriyel otomasyon altyapısı sunmazlar.

Öte yandan, PLC (Programmable Logic Controller) sistemleri, sıfırdan bir donanım geliştirme süreci gerektirmeden, doğrudan tak-çalıştır mantığıyla kullanılabilir. Sensörler, valfler, motorlar gibi giriş/çıkış birimleri doğrudan PLC'nin girişlerine bağlanabilir. Bu da mühendislerin donanım tasarımıyla zaman kaybetmeden projelerini hızlı ve güvenli bir şekilde hayata geçirmelerine olanak tanır.


PLC sistemleri aynı zamanda endüstriyel ortamlarda dayanıklılık, kararlılık ve uzun süreli çalışma açısından test edilmiş, güvenilir çözümlerdir. Seri üretim sayesinde maliyet etkinliği sağlanırken; standartlaştırılmış iletişim protokolleri (Modbus, Profibus, CAN vb.) ile geniş bir cihaz yelpazesiyle uyumlu çalışabilirler.

Ancak bu sistemlerin yüksek maliyetleri, özellikle bireysel kullanıcılar veya öğrenme amacı güden öğrenciler için önemli bir engel oluşturabilir. Ben de bu nedenle, kendi PLC kartımı tasarlama fikrine yöneldim. Bu süreçte, ilk adım olarak PLC’lerin nasıl çalıştığını anlamaya çalıştım.
 

Bir PLC kartı tasarlamak için aşağıdaki temel bileşenlere ve altyapılara ihtiyaç duyulur:

1. Mikrodenetleyici veya Mikroişlemci

PLC'nin beynidir. Giriş/çıkışları kontrol eder, programı çalıştırır.ESP32,Arduino gibi mikrodenetleyici kartları kullanılablir.

2. Giriş Birimleri (Inputs)

Dijital girişler (push button, limit switch gibi) veya analog girişler (potansiyometre, sensör) için kullanılan arayüzlerdir. Optokuplörlerle yalıtım sağlanır.

3. Çıkış Birimleri (Outputs)

Röleler, transistörler ya da SSR(Solid State Relay)’ler ile motor, vana veya başka cihazlar kontrol edilir. Dijital ve analog çıkışlar gerekebilir.

4. Programlanabilirlik

Kullanıcının kartı programlayabilmesi için bir programlama arayüzü gerekir. UART, USB, JTAG gibi yollarla program yüklenebilir.(Bu kısım mikrodenetleyici modülümüzün üstünde bulunuyor onun için şimdilik ekstra tasarıma ihtiyacımız yok.)

5. Güç Yönetimi

Endüstriyel ortamda yaygın olan 24V DC kaynaklar 3.3V veya 5V'a dönüştürülür. Regülatörler, PTC sigortalar ve ESD koruma devreleri gereklidir.

6. Haberleşme Protokolleri

Modbus RTU, Modbus TCP, CAN, UART, I2C, SPI gibi protokollerle diğer cihazlarla iletişim kurabilir. (Bu kısım başlangıç seviyesi için zorlayıcı olacağından sadece I/O kontrolleri yapacağız. Haberleşme protokolleri eklemeyeceğiz.) Sensörlerden veya kullanıcıdan giriş almak istediğimiz durumlarda kullanacağımız pinler Şekil 1 üzerinde gösterilmiştir. Bu girişlerin güvenli ve kararlı bir şekilde alınabilmesi için, sinyal hatlarını izole etmek ve olası gürültüleri engellemek amacıyla optokuplörler (optik izolatörler) kullanılmıştır. Böylece mikrodenetleyici devresi, dış etkenlere karşı koruma altına alınarak daha güvenilir bir giriş okuma sağlanmıştır.

Şekil 1: Optokuplörler ile izole dijital girişler

Dijital çıkışlar için Arduino’nun pinlerinin sağlayabileceği akım yetersiz kaldığından, çıkışların akım kapasitesini artırmak amacıyla ULN2003 sürücü modülü kullanılmıştır. Bu sayede çıkışlara yaklaşık 500 mA’e kadar akım sağlanabilmekte ve toplamda 7 adet röleli dijital çıkış elde edilmiştir. Bu çıkışlara DC motorlar, servo motorlar, solenoid valfler gibi çeşitli kontrol üniteleri bağlanarak sürülebilmektedir.
 

Şekil 2: Dijital çıkışlar

A0–A4 pinleri sensörlerden gelen analog sinyalleri okumak için kullanılmıştır. Her girişe bağlı 10 kΩ’luk pull-down dirençler, girişlerin boşta kaldığında kararsız (floating) kalmasını önleyerek doğru ölçüm alınmasını sağlar. Terminaller üzerinden sıcaklık, basınç gibi analog çıkışlı sensörler bağlanabilir. Bu yapı, sistemin çevresel verileri güvenilir şekilde algılamasını sağlar.
 

Şekil 3: Analog Girişler

►İlginizi Çekebilir : PLC'de Durdurma ve Limitlemede Güvenlik

Donanım kısmı tamamlandıktan sonra, geriye kalan adım giriş ve çıkış pinlerinin nasıl işleneceğini yazılımsal olarak belirlemektir. Bu projede tercih edilen yazılım OpenPLC olmuştur. OpenPLC'yi seçme nedenim; endüstride kullanılan PLC sistemleriyle uyumlu çalışabilen açık kaynaklı bir platform olması ve Ladder Diagram (LD) yani merdiven diyagramı programlama yapısının öğrenilmesini sağlamasıdır. Ayrıca yazılımın ücretsiz ve kullanıcı dostu olması da önemli bir avantajdır.

Ladder programlamaya yeni başlayanlar için internette birçok kaynak mevcuttur. Bununla birlikte, özellikle başlangıç düzeyinde temel kavramları öğrenmek için EKTS (Elektrik Kumanda Teknik Simülatörü) adlı simülasyon programına göz atılması faydalı olabilir.Aşağıda (Şekil 4) örnek bir Ladder şeması paylaşılmıştır. Bu şema, projemize ait olmamakla birlikte OpenPLC arayüzünde oluşturulmuş örnek bir giriş-çıkış senaryosunu temsil etmektedir.
 

 

Şekil 4: OpenPLC Şeması

Kaynakça
 

[1] “HOW TO MAKE ARDUINO PLC | Arduino PLC 2.0”
https://www.youtube.com/watch?v=PpF5QRtNf2I
[2] “Elektrik Kumanda Teknikleri Simülatörü (EKTS)”
https://veppa.com/ekts/elektrik-kumanda-teknikleri-simulatoru-ekts-kilavuzu/
[3] ”Build A Low-Cost 32-bit PLC | OpenPLC and the ESP32 Microcontroller”
https://control.com/technical-articles/build-a-low-cost-32-bit-plc-openplc-and-the-esp32-microcontroller/
[4] https://autonomylogic.com/docs/3-1-openplc-editor-overview/