i T.C.
SELÇUK ÜNĐVERSĐTESĐ FEN BĐLĐMLERĐ ENSTĐTÜSÜ
ĐKĐ EKSENDE SALINIM YAPAN SARSMA TABLASI TASARIMI VE PERFORMANSININ YĐLEŞTĐRĐLMESĐ
Alper TORUN YÜKSEK LĐSANS TEZĐ
ELEKTRONĐK VE BĐLGĐSAYAR SĐSTEMLERĐ ANABĐLĐM DALI
i ÖZET
Yüksek Lisans Tezi
ĐKĐ EKSENDE SALINIM YAPAN SARSMA TABLASI TASARIMI VE PERFORMANSININ ĐYĐLEŞTĐRĐLMESĐ
Alper TORUN
Selçuk Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Elektronik ve Bilgisayar Sistemleri Anabilim Dalı
Danışman: Yrd. Doç. Dr. Mehmet ÇUNKAŞ
2009, 174 Sayfa
Jüri: Yrd. Doç.Dr. Mehmet ÇUNKAŞ Yrd. Doç.Dr. Mustafa Tolga ÇÖĞÜRCÜ
Yrd. Doç.Dr. A. Alpaslan ALTUN
Bu çalışmanın amacı, deprem sırasında dünyanın içyapısında oluşan dalgaların yeryüzünde yansıması olarak oluşan, yapıların yıkılmasında önemli bir etken olarak görülen, yeryüzü dalgası L(Love) dalgalarının deneysel olarak elde edilmesidir. Çalışmada sistem mekanik, elektronik ve yazılımsal olarak tasarlanmıştır. Deprem dalgaları 2 adet 3 faz asenkron motorun milinden alınan dairesel hareketin doğrusallaştırılması ile gerçekleştirilmiştir. Đndüksiyon motorları tek faz - üç faz dönüşümü yapan ve vektör kontrol tekniği kullanan değişken hızlı AC sürücüler ile kontrol edilmiştir. Sürücüde bulunan RS-485 arayüzündeki Modbus RTU protokolü motor sürücüleri ile bilgisayar arasındaki seri haberleşme ağında kullanılmıştır. Sistemin çalışması sırasında mikrokontrolör (PIC) tarafından ölçülen ivme değerleri, sistemin performansının iyileştirilmesinde kullanılan bulanık kontrole aktarılmaktadır. Elde edilen veriler olayın simülasyonları için geliştirilen görsel bir programlama dili ile bilgisayarın seri portu üzerinden veri tabanında saklanmıştır. Anahtar kelimeler: Sarsma Tablası, Motor Sürücüleri, Modbus RTU, Bulanık Kontrol
ii ABSTRACT
Master Thesis
DESIGN OF A SHAKING TABLE OSCILLATING IN TWO-AXIS AND IMPROVEMENT OF ITS PERFORMANCE
Alper TORUN
Selçuk University
Graduate School of Natural and Applied Sciences Departman of Electronic and Computer Systems
Supervisor: Assist.Prof.Dr.Mehmet ÇUNKAŞ 2009, 174 page
Jury: Assist.Prof.Dr.Mehmet ÇUNKAŞ Assist.Prof.Dr.Mustafa Tolga ÇÖĞÜRCÜ
Assist.Prof.Dr.A.Alpaslan ALTUN
The aim of this study is to experimentally obtain the waves on the outer surface called L(Love) waves which occur on the crust of the earth as reflections of waves forming in the inner structure of the earth during an earthquake and which are regarded as important factors in collapse of buildings. In this project, system has been designed mechanically, electronically and on a software simulation. The earthquake waves are formed by linearising circular motions obtained from shafts of two 3-Phase asynchronous motors. The induction motors are controlled by variable speed AC drivers which convert 1 phase into 3 phase and which use vector control technique. Modbus RTU on the interface of these drivers’ RS-485 is used on the network of serial communication between the motors’ drivers and the computer. The acceleration values measured by the microcontroller while the system is operating transfer data to the fuzzy controller which are used to improve the system performance. The data acquired have been stored in a database over a computer serial port with a visual software language developed for the simulation of the process.
iii TEŞEKKÜR
Tezimi hazırlamam sırasında eşim ve çocuklarımın göstermiş olduğu fedakârlığı, üniversite ortamında akademik kimliğin tadını yeniden tatmamda teşvik ve destekte bulunan sayın hocam Doç.Dr. Galip OTURANÇ’a, çalışmalarımda yardımcı olan sayın hocam Yrd. Doç.Dr. Mehmet ÇUNKAŞ’a teşekkürlerimi bir borç bilirim.
iv ĐÇĐNDEKĐLER ÖZET... i ABSTRACT ... ii TEŞEKKÜR ... iii ĐÇĐNDEKĐLER ... iv ŞEKĐLLER LĐSTESĐ ... ix TABLOLAR LĐSTESĐ ... xv
SĐMGELER ve KISALTMALAR ... xvi
1. GĐRĐŞ ... 1
1.1. Çalışmanın Amacı ve Önemi ... 3
1.2. Kaynak Araştırması ... 5
2. DEPREM ... 14
2.1. Depremin Oluşumu ve Özellikleri ... 14
2.2. Zemin Ortamında Dalga Yayılışı ... 15
2.2.1. Dalga hareketinin teorisi ... 16
2.3. Deprem Dalgaları ... 17 2.3.1. Cisim Dalgaları ... 19 2.3.1.1. P (Primer) dalgaları ... 19 2.3.1.2. S (Secondary) dalgaları ... 20 2.3.2. Yüzey dalgaları ... 22 2.3.2.1. Rayleigh dalgaları ... 24 2.3.2.2. Love dalgaları... 25
2.4. Deprem Đnceleme Çalışmaları ... 26
2.4.1. Sismograf ... 26
2.4.2. Deprem spektrumu ... 28
3. SĐSTEM DONANIMLARI ... 31
3.1. Asenkron Motorlar ... 31
3.1.1. Asenkron motorlarda hız kontrolü ... 33
3.1.1.1. Skalar kontrol yöntemleri ... 33
3.1.1.2. Vektör kontrol yöntemleri ... 33
v
3.2.1. Formatlar ve protokoller ... 34
3.2.2. Seri veri gönderimi ... 34
3.2.3. Senkron format ... 34
3.2.4. Asenkron format... 35
3.2.5. Evrensel asenkron alıcı verici (UART) ... 35
3.3. PC Seri Port Mimarisi ... 36
3.4. Đki Cihazı RS-232 ile Bağlamak ... 37
3.4.1. RS-232 ... 37
3.4.2. RS-485 ... 37
3.4.3. RS-232’nin dönüştürülmesi ... 38
3.5. Modbus ... 39
3.5.1. Genel özellikleri ... 39
3.5.2. Modbus ağlarında işlem ... 39
3.5.3. Modbus istek-cevap döngüsü ... 40 3.5.4. ASCII mod ... 41 3.5.5. RTU mod ... 41 3.5.5.1. Kodlama sistemi ... 41 3.6. Dairesel Hareket ... 42 3.6.1. Periyot ... 42 3.6.2. Frekans ... 42 3.6.3. Konum vektörü ( r )... 42 3.6.4. Çizgisel hız ( v ) ... 43 3.6.5. Açısal hız (ω) ... 43 3.7. RS232-RS485 Çevirici ... 43
3.8. PIC Mikrodenetleyici Ailesi ... 46
3.8.1. PIC Mikrodenetleyicilerinin tercih sebepleri ... 46
3.8.2. PIC’in Özellikleri ... 47 3.8.2.1. Güvenirlik ... 47 3.8.2.2. Hız ... 47 3.8.2.3. Komut takımı ... 47 3.8.2.4. Statik işlem ... 48 3.8.2.5. Sürme özelliği ... 48
vi
3.8.2.6. Güvenlik ... 48
3.8.2.7. Flash olma özelliği ... 48
3.8.3. Bir PIC’in işlem yapabilmesi için gerekli bileşenler ... 49
3.8.3.1. Giriş-çıkış (I/O) ... 49
3.8.3.2. Yazılım ... 49
3.8.3.3. Donanım ... 49
3.8.3.4. Simülatör ... 49
3.9. PIC 16F877 ... 50
4. BULANIK KÜME TEORĐSĐ ... 53
4.1. Bulanık Kümeler ... 53
4.1.1. Bulanık kümelerde tanımlama yöntemleri ... 53
4.1.1.1. Sıralı ikili ile gösterim yöntemi ... 53
4.1.1.2. Toplam formunda gösterim yöntemi ... 54
4.1.2. Üyelik fonksiyonları... 54
4.1.2.1. Üçgen üyelik fonksiyonu ... 55
4.1.2.2. Yamuk üyelik fonksiyonu ... 55
4.1.2.3. S üyelik fonksiyonu ... 56
4.1.2.4. Çan eğrisi üyelik fonksiyonu ( ∏ ) ... 57
4.1.3. Bulanık kümelere ilişkin temel kavramlar ... 57
4.1.3.1. Dilsel ifadeler ... 57
4.1.3.2. Bulanık kümenin desteği ... 58
4.1.3.3. Bulanık kümenin çekirdeği ... 58
4.1.3.4. Bulanık kümenin normalitesi ... 59
4.1.3.5. Bulanık kümenin geçiş noktaları ... 59
4.1.3.6. α-düzeyli bulanık küme ... 59
4.1.3.7. Bulanık kümelerde temel küme işlemleri ... 60
4.1.3.8. Đki bulanık kümenin kesişimi ... 60
4.1.3.9. Đki bulanık kümenin birleşimi ... 60
4.1.3.10. Bir bulanık kümenin tümleyeni ... 61
4.2. Bulanık Kontrol ... 62
4.2.1. Bulanıklaştırma ... 62
vii
4.2.3. Çıkarım Mekanizması ... 66
4.2.4. Durulaştırma ... 68
4.2.4.1. Maksimum metodu ... 68
4.2.4.2. Maksimum ortası metodu ... 69
4.2.4.3. Sol kenar noktası metodu ... 69
4.2.4.4. Sağ kenar noktası metodu ... 70
4.2.4.5. Ağırlık merkezi metodu ... 70
4.3. Bulanık Kontrolün Sarsma Tablasına Uygulanması ... 71
4.3.1. Sistem için oluşturulan bulanık kümeler ... 72
4.3.1.1. Bulanık kontrol için elde edilen uzman görüşü... 73
4.3.1.2. Bulanık kontrolün örnek bir değerle adım adım çalıştırılması ... 73
4.3.1.3. Integral ile ağırlık merkezinin bulunması ... 75
4.3.1.4. Bulunan sonuçların MATLAB la karşılaştırılması ... 77
5. SARSMA TABLASI TASARIMI ... 79
5.1. Sistemin Dinamik Denklemlerinin Çıkartılması ... 79
5.1.1. Üst motor: ... 81
5.1.2. Alt motor ... 82
5.1.3. Sisteme uygulanacak maksimum ivme değerinin belirlenmesi ... 84
5.2. Asenkron Hız Kontrol Sürücü ... 88
5.2.1. Kontrol paneli: ... 88
5.2.2. Ana terminal: ... 90
5.2.3. Kontrol devre terminali ... 90
5.2.4. Harici operatör terminali ... 92
5.2.5. Hata kontrol bilgisinin oluşturulması ... 95
5.2.6. Sürücü ile haberleşme ... 96
5.2.6.1. Çıkış frekansını izleme (D01 fonksiyonu) ... 96
5.2.6.2. Çıkış frekansını okuma (F01 fonksiyonu)... 97
5.2.6.3. Sürücüye frekans değeri gönderme (00-04) ... 98
5.2.6.4. Sürücüyü çalıştır(ileri-geri) / durdur (00-02) ... 98
5.3. CNY70 Sensörü ... 99
5.4. Kızaklar ve Yataklar ... 99
viii
5.6. Atölye Kullanımı ve Sarsma Tablasın Montajı ... 104
5.7. Atölye Kullanımı ... 104
5.8. Sarsma Tablasının Montaj Aşamaları ... 107
5.9. Pic ve Bilgisayarın Programlanması ... 112
5.9.1. Pic’in ivme ölçme devresi ile haberleşmesi ... 112
6. Bilgisayarda tasarlanan programlar... 114
6.1. Hyundai Kütüphanesi ... 114
6.2. Sarsma Tablası test programı ... 115
6.3. Bulanık kontrol ile çıkış frekansını hesaplayan program ... 115
6.4. Bulanık kontrol için veri tabanı kullanımı ve SQL uygulamaları ... 116
6.5. Veri tabanında tasarlanan tablo ve sorgular ... 116
6.6. PIC den ivme için veri okuyan program ... 121
7. SONUÇLAR VE ÖNERĐLER ... 122
8. KAYNAK ... 124
ix
ŞEKĐLLER LĐSTESĐ
Şekil 1.1 Sarsma tablası blok diyagramı ... 2
Şekil 1.2 L (Love) dalga hareketi ... 3
Şekil 1.3 Hidrolik kriko tahrikli sarsma tablası ... 5
Şekil 1.4 Sarsma sonucunda elde edilen ivme grafiği... 5
Şekil 1.5 Sarsma tablası ... 6
Şekil 1.6 Adaptive Kontrol blok diyagramı ... 7
Şekil 1.7 Sarsma tablası ve tahrik ekipmanları ... 7
Şekil 1.8 Sarsma tablası ... 8
Şekil 1.9 Sarsma tablası mekanik aksamı ... 9
Şekil 1.10 Sarsma tablası sinyal akışı ... 9
Şekil 1.11 Sarsma tablası sinyal akışı ... 10
Şekil 1.12 Hidrolik sarsma tablası ... 10
Şekil 1.13 Yapı üzerinde ivme, deplasman ölçerlerin konumu ... 11
Şekil 1.14 Hidrolik sarsma tablası ... 12
Şekil 2.1. Dünyanın içyapısı ... 14
Şekil 2.2. Dünya içyapısı ve katmanları... 15
Şekil 2.3. Deprem dalgaları ... 15
Şekil 2.4. Dalga hareketleri ... 16
Şekil 2.5. Basit harmonik salınımın tanecik hareketinin zamana bağlı yer değiştirme hız ve ivme grafiği ... 17
Şekil 2.6. Basınç dalgası ... 18
Şekil 2.7. Kayma dalgası ... 18
Şekil 2.8. Deprem dalgaları ... 18
Şekil 2.9. P dalgası(Boyuna dalga) ... 19
Şekil 2.10. P dalgası ... 19
Şekil 2.11. P dalgası ... 19
Şekil 2.12. P dalgası ... 20
Şekil 2.13. S dalgası(Enine dalga) ... 20
Şekil 2.14. S dalgası ... 21
x
Şekil 2.16. S dalgası ... 21
Şekil 2.17. S Dalgasının yatay ve düşey bileşeni ... 22
Şekil 2.18. Yerküre ve yerin içyapısı ... 23
Şekil 2.19. Yüzey dalgaları ... 23
Şekil 2.20. Rayleigh dalgasının oluşturduğu deformasyonlar ... 24
Şekil 2.21. Rayleigh yüzey dalgalarının poisson oranına bağlı olarak yatay ve düşey hareketi ... 25
Şekil 2.22. Love dalgası ... 26
Şekil 2.23. Derinliğe inildikçe love dalganın etkisinin azalması ... 26
Şekil 2.24. Sismograf cihazı ... 27
Şekil 2.25. Sismograf cihazı ... 27
Şekil 2.26. Deprem dalgaları ... 28
Şekil 2.27. Deprem spektrumu ... 28
Şekil 2.28. Đvme spektrumu ... 29
Şekil 3.1 Yıldız bağlı sincap kafes asenkrom motor ... 32
Şekil 3.2 Sincap kafes motor kesiti ... 32
Şekil 3.3 Senkron veri iletimi... 34
Şekil 3.4 Asenkron veri iletimi ... 35
Şekil 3.5 Verici ve alıcı saat sinyalleri ... 35
Şekil 3.6 Seri port ... 36
Şekil 3.7 Seri port pinleri ... 36
Şekil 3.8 RS-232 ile TTL ve TTL ile RS-485 arasında dönüşüm devre şeması ... 38
Şekil 3.9 RS-232 ile TTL ve TTL ile RS-485 arasında dönüşüm ... 38
Şekil 3.10 Modbus istek-cevap döngüsü ... 40
Şekil 3.11 Modbus ASCII haberleşme formatı ... 41
Şekil 3.12 Modbus RTU haberleşme formatı ... 42
Şekil 3.13 dELAb RS485 kiti... 44
Şekil 3.14 dELAb RS485 kiti bağlantı noktaları ... 44
Şekil 3.15 dELAb RS485 kiti ile kurulan seri ağ ... 45
Şekil 3.16 PIC 16F877 entegresi ... 51
Şekil 3.17 PIC 16F877 içyapısı ... 52
xi
Şekil 4.2 Yamuk üyelik fonksiyonunun gösterimi ... 56
Şekil 4.3 S üyelik fonksiyonunun gösterimi ... 56
Şekil 4.4 Çan üyelik fonksiyonunun gösterimi ... 57
Şekil 4.5 Dilsel ifadelerin gösterilişi ... 58
Şekil 4.6 Bulanık kümede geçiş noktaları, çekirdek ve desteğin gösterimi ... 59
Şekil 4.7 Đki bulanık kümenin kesişimi ... 60
Şekil 4.8 Đki bulanık kümenin birleşimi ... 61
Şekil 4.9 Bir bulanık kümenin tümleyeni ... 61
Şekil 4.10 Bulanık kontrolün blok şeması ... 62
Şekil 4.11 Bulanıklaştırma işlemi ... 63
Şekil 4.12 EĞER-O HALDE kavramı ... 64
Şekil 4.13 AZ ve ÇOK üyelik fonksiyonu ... 65
Şekil 4.14 Giriş değerlerinin bulanıklaştırılması ... 67
Şekil 4.15 MAX-MIN metodunun grafiksel olarak gösterilmesi ... 67
Şekil 4.16 Çıkarım işleminin şematik gösterimi ... 68
Şekil 4.17 Maksimum ortası çıkartım metodunun gösterimi ... 69
Şekil 4.18 Maksimum sol kenar noktası metodunun gösterimi ... 70
Şekil 4.19 Maksimum sağ kenar noktası metodunun gösterimi ... 70
Şekil 4.20 Ağırlık merkezi metodunun gösterimi ... 71
Şekil 4.21 Bulanık girişler ve çıkış ... 71
Şekil 4.22 Đvme bulanık kümesinin grafiksek gösterimi ... 72
Şekil 4.23 Giriş değerlerinin alınması ... 74
Şekil 4.24 Hata farkı değerinin bulanıklaştırılması ... 74
Şekil 4.25 Hata değerinin bulanıklaştırılması ... 74
Şekil 4.26 Hata değerinin bulanıklaştırılması ... 74
Şekil 4.27 Hata değerinin bulanıklaştırılması ... 75
Şekil 4.28 Ateşlenen kurallar ... 75
Şekil 4.29 Kümelerin maksimum değerleri değerlendirilerek çıkışın bulunması ... 75
Şekil 4.30 Giriş ve çıkış kümelerinin belirlenmesi ... 77
Şekil 4.31 1.3, -1.4 Giriş ve çıkış kümelerine ait sınır değerlerinin belirlenmesi ... 77
Şekil 4.32 Girişlere göre çıkış kurallarının oluşturulması ... 78
xii
Şekil 5.1 Hareketi sağlayan motorların konumları ... 79
Şekil 5.2 Hareketi sağlayan motorların konumları ... 79
Şekil 5.3 Motora monte edilmiş disk yarıçapı ve hareket strok mesefesi ... 80
Şekil 5.4 Yatak ve kızakların konumları ... 80
Şekil 5.5 Motorun hareket ettireceği yük ... 80
Şekil 5.6 3 yönde deprem ivme verisi (07.05.2009) ... 84
Şekil 5.7 Hyundai motor sürücü görünüşleri ... 88
Şekil 5.8 Sürücü izleme paneli ... 88
Şekil 5.9 Sürücü operatör paneli ... 89
Şekil 5.10 Sürücü akım-gerilim kontrol seçim anahtarı... 90
Şekil 5.11 Sürücü ana terminal bağlantısı ... 90
Şekil 5.12 Sürücü kontrol devre terminali ... 91
Şekil 5.13 RS-485 giriş portu ... 92
Şekil 5.14 RS485 seri hat ... 92
Şekil 5.15 RJ45 kablo bağlantısı ... 92
Şekil 5.16 Sürücünün PC veya PLC ile haberleşmesi... 93
Şekil 5.17 Set etmek için gönderim ve sürücü cevap formatı ... 93
Şekil 5.18 Sürcüden okuma için gönderim formatı ... 93
Şekil 5.19 Sürücünün okuma gönderimine cevabı ... 94
Şekil 5.20 CNY70 bilgisinin sayısallaştırılması ... 99
Şekil 5.21 Kızak ... 99
Şekil 5.22 Yatak ... 100
Şekil 5.23 Kızak ve yatak kesiti ... 100
Şekil 5.24 Kızağın yatak içindeki durumu ... 100
Şekil 5.25 Đki eksende salınımı gerçekleştirecek kızak ve yatak montajı ... 101
Şekil 5.26 Sarsma tablasında kızak ve yatak konumu ... 101
Şekil 5.27 Profiller ... 101
Şekil 5.28 Tablada kullanılan tüm profiller ... 102
Şekil 5.29 Köşebentler ... 102
Şekil 5.30 10mm lama demir ... 102
Şekil 5.31 2 mm lama demirler ... 103
xiii
Şekil 5.33 Vida ve somun bağlantıları ... 103
Şekil 5.34 Motor miline takılan diskin hazırlandığı atölye ... 104
Şekil 5.35 Motor miline diskin takılması ... 104
Şekil 5.36 Motor miline takılacak segman ... 105
Şekil 5.37 Segmanın motor bağlantısındaki konumu ... 105
Şekil 5.38 Profil kesme makinesi ... 105
Şekil 5.39 Hidrolik demir testeresi... 106
Şekil 5.40 Flex ile profilin kesilmesi ... 106
Şekil 5.41 Kaynak işlemi ... 106
Şekil 5.42 Matkap ile delik açma ... 107
Şekil 5.43 Zımpara taşı kullanımı ... 107
Şekil 5.44 Ana iskeleti oluşturacak uzunlukta kesilen profiller ... 108
Şekil 5.45 Profil üzerinde kızak ve yatakların yerinin tespiti ... 108
Şekil 5.46 Sarsma tablası ana iskeletinin kaynak ile oluşturulması ... 108
Şekil 5.47 Yatak ve kızakların montajı ... 109
Şekil 5.48 Sarsma tablasına motorların montajı ... 109
Şekil 5.49 Sarsma Tablasının tabanını oluşturan profillerin boyanması... 109
Şekil 5.50 Sarsma Tablasının orta katını oluşturan profillerin boyanması ... 110
Şekil 5.51 Sarsma Tablasının üst katını oluşturan profillerin boyanması ... 110
Şekil 5.52 Alt ve orta katların montajı ... 110
Şekil 5.53Üst katın montajı ... 111
Şekil 5.54 Sarsma Tablasına yükün konabilmesi için tasarlanan kutu masa modulü ... 111
Şekil 5.55 Suntanın kutu masa modülüne yerleştirilmesi ... 111
Şekil 5.56 Sistem üzerinde alt ve üst motor dönüşlerinin okunması ... 112
Şekil 5.57 Motor disklerinden gelen analog sinyalin sayısallaştırılarak PIC’e alınmasını sağlayan devre ... 112
Şekil 5.58 PIC’e peryot bilgilerinin alınması ve bilgisayar ile haberleşme ... 113
Şekil 6.1 Sürücü kütüphane modülü ... 114
Şekil 6.2 Sürücü kütüphanesinin oluşturulması ... 114
Şekil 6.3 Test programının kullanıcı yüzü ... 115
xiv
Şekil 6.5 Đvme ve hata değeri karşılığında çıkış frekansını hesaplayan bulanık kontrol
programı ara yüzü ... 115
Şekil 6.6 Bulanık kümelerin belirlendiği kurallar tablosu tasarım görünümü ... 116
Şekil 6.7 Bulanık kümelerin belirlendiği kurallar tablosu verileri ... 117
Şekil 6.8 Üçgen bulanık parçalı fonksiyonu ... 117
Şekil 6.9 Başlangıç olan yamuk parçalı fonksiyonu ... 117
Şekil 6.10 Bitiş olan yamuk parçalı fonksiyonu ... 117
Şekil 6.11 Uzman bilgisinin tutulduğu deger tablosu tasarım görünümü ... 118
Şekil 6.12 Uzman bilgisinin tutulduğu deger tablosu verileri... 118
Şekil 6.13 Hesaplanan noktalara ait agirlik tablosu tasarım görünümü ... 118
Şekil 6.14 Hesaplanan noktalara ait agirlik tablosu verileri ... 119
Şekil 6.15 Hesaplanan noktalara ait agirlik tablosu tasarım görünümü ... 119
Şekil 6.16 Hesaplanan noktalara ait agirlik tablosu verileri ... 119
Şekil 6.17 Hesaplanan noktalara ait merkez tablosu tasarım görünümü ... 119
Şekil 6.18 Hesaplanan noktalara ait merkez tablosu verileri ... 120
xv TABLOLAR LĐSTESĐ
Tablo 2.1 Mercalli Cancani ölçeği derecelendirmesi (Polat,1994) ... 30
Tablo 3.1 Seri port pin açıklamaları ... 36
Tablo 3.2 Dairesel hareket terimleri... 43
Tablo 3.3 PIC 16F877 özellikleri ... 51
Tablo 4.1A bulanık kümesinin gösterimi ... 54
Tablo 4.2 Çıkartım metotları (Erkan 1999) ... 66
Tablo 4.3 Đvme bulanık kümesi ... 72
Tablo 4.4 Bulanık kontrol için elde edilen uzman görüşü ... 73
Tablo 5.1 Türkiyede meydana gelen en yüksek ivmeli depremler ... 85
Tablo 5.2 Üst motor için ivme-hz örneklemesi ... 86
Tablo 5.3 Alt motor için ivme-hz örneklemesi ... 87
Tablo 5.4 Sürücü kontrol terminali girişleri ... 91
Tablo 5.5 Sürücü haberleşme parametreleri... 93
Tablo 5.6 Motor frekansının alınacağı parametre seçimi ... 94
Tablo 5.7 Motor çalışmasını sağlayacak parametre seçimi ... 95
Tablo 5.8 Master cihazın gönderdiği bilgi ... 96
Tablo 5.9 Slave cihazın yanıtı ... 97
Tablo 5.10 Slave cihazın ikinci bir örnek yanıtı ... 97
Tablo 5.11 Master cihazın gönderdiği bilgi ... 97
Tablo 5.12 Slave cihazın yanıtı ... 97
Tablo 5.13 Slave cihazın ikinci bir örnek yanıtı ... 98
Tablo 5.14 Master cihazın gönderdiği bilgi (60 Hz) ... 98
Tablo 5.15 Slave cihazın yanıtı ... 98
xvi SĐMGELER VE KISALTMALAR
PIC Peripherial Interface Controller
P Primer
S Secondary
R Rayleigh
L Love
PID Proportional Integral Derivative .
kN Kilo Newton
Hz Hertz
g Gal
COM Communiction
UART Universal Asencronous Reciever Transmitter TTL Transistöt Transistör Lojik
CRC Cyclic Redundancy Check
KW Kilo Watt
FM Motorun ürettiği kuvvet
FT Tablanın hareketinden doğan kuvvet
Fs Sürtünme kuvveti A A’nın tümleyeni % Yüzde ∪ ∪ ∪ ∪ Birleşim [ ] Matris µ Üyelik derecesi
A∪B A ve B kümelerinin birleşimi A∪B A ve B kümesinin kesişimi E Evrensel küme
e∈∈∈∈A e, A kümesinin bir elemanı
∫∫∫∫ Đntegral
∩ ∩ ∩
1. GĐRĐŞ
Deprem anında dört önemli dalga oluşmaktadır. Yeryüzünün içinde oluşan cisim dalgaları P ve S dalgalarıdır. Bu dalgaların yüzeye etkisi olan yüzey dalgaları ise R ve L dalgalarıdır. Bu dalgardan L dalgası yapıya zarar veren can ve mal kaybı oluşturan dalgadır.
Depremin bir doğada meydana gelmesi onun yapay olarak oluşturulamayacağına dair bir göstergedir. Ancak bilimsel çalışmalarda, deprem etkisinin oluşturulmasında Sarsma Tablası (Shaking Table) adı verilen sistemlerden faydalanılmaktadır. Sarsma tablaları genellikle Đnşaat Mühendisliğinde yapıların depreme karşı dayanım testlerinin yapılması için kullanılmaktadır.
Yapıların deprem yüklerinde davranışlarının incelenmesi amacıyla sarsma tablaları yapılmıştır. Đlk sarsma tablası 1960 yıllarında Amerika’da denenmiştir.
Yapılar deprem etkisi ile bulundukları zeminden atalet kuvvetlerinin altında kalarak hasar görürler. Yapılan sarsma tablaları; tek yönde salınımdan 6 serbest dereceli salınımlara kadar salınım yapabilmektedir.
Sarsma tablası deneyleri, sınır koşulları doğru olarak gerçekleştirildiği zaman yapıların deprem esnasındaki davranışı hakkında çok değerli bilgiler veren bir yöntemdir. Tabla özelliklerine bağlı olarak tam ölçekli yapıların tabla üzerinde test edilmesi mümkündür. Eğer tabla özellikleri tam ölçekli yapı testini kısıtlı hız, deplasman vb sebeplerle desteklemiyorsa veya bütçe tam ölçekli yapı maliyetini karşılamıyorsa benzerlik/ölçek yasaları olarak bilinen yasalar kullanılarak ölçekli yapılar daha kısıtlı imkâna sahip tablalar üzerinde test edilebilir. Sarsma tablaları tahrik mekanizmaları açısından elektrik motorlu ve hidrolik sistemler olarak ikiye ayrılabilir. Her iki sistemin de avantaj ve dezavantajları vardır. Elektrik motorlu sistemlerin en önemli avantajı özellikle eğitim donanımı olarak işletme ve imalat maliyetlerinin düşüklüğüdür. Önemli dezavantajları ise kısıtlı deplasman yetenekleri ve sarsabildiği modellerin görece küçük olmasıdır. Elektrik motorlu sistemler, hidrolik sistemlerin tahrik donanımındaki sıvı hareketinden kaynaklı karmaşık transfer fonksiyonlarına ve deney sonrası bazı düzeltme işlemlerine ihtiyaç duymaması da önemli bir avantajdır (Baran ve ark., 2007).
Şekil 1.1 Sarsma tablası blok diyagramı
Gerçekleştirilen sistemin blok diyagramı Şekil 1.1 de görülmektedir. Sistem seri ağ haberleşmesi RS485 Modbus RTU formatında çalışmaktadır. Bilgisayardan alınan başlangıç ya da set değerler ile motor sürücüleri aracılığı ile motorlar tahrik edilmektedir.
Tabla üzerinde bulunan devreler ile salınım değeri ölçülmekte, devrelerden PIC’e gelen ivme bilgileri olması gereken değerlerle karşılaştırılıp düzeltme sinyallerinin oluşturulması için veriler bilgisayara gönderilmektedir. Hata ile hata farkı değerleri bulanık kontrollerde değerlendirilmektedir.
Sistem 2 eksende birden çalıştırıldığında maksimum 2g ivmede 408,6 Kg lık bir yükü hareket ettirebilmektedir.
1.1.Çalışmanın Amacı ve Önemi
Sarsma tablaları deprem yükünün yapılara etkisinin araştırılmasında kullanılan yöntemlerden biridir. Sınır koşulları doğru olarak gerçekleştirildiği zaman yapıların deprem esnasındaki davranışı hakkında çok değerli bilgiler verebilmektedirler.
Tabla üzerinde tam ölçekli yapıların testi yapılabilmekle birlikte, tam ölçekli yapının yapılması çeşitli hız, deplasman veya bütçe ölçülerini karşılamayacaksa benzerlik/ölçek yasaları olarak bilinen yasalar kullanılarak daha kısıtlı imkana sahip yapılar tablalar üzerinde test edilebilir.
Sarsma tablalarının tahrik elemanı olarak; elektrik motorları ya da hidrolik düzenekler kullanılmaktadır. Elektrik motorları ile eğitim amaçlı küçük yapı modelleri kullanılabilmekle beraber, gerçek yapı ölçülerinde ise hidrolik düzeneklerin kullanılması kaçınılmaz olmaktadır.
Deprem anında dört önemli dalga oluşmaktadır. Yeryüzünün içinde oluşan cisim dalgaları P (Primer) ve S (Secondary), bu dalgaların yüzeye etkisi olan yüzey dalgaları ise R (Rayleigh) ve L (Love) dalgalarıdır. Bu dört dalgadan L dalgasının yayılımı (Şekil 1.2) yapıların taşıyıcı sistemlerine dik yönde etki gösterdiğinden zarar veren can ve mal kaybı oluşturan dalgalar olarak ifade edilir.
Şekil 1.2 L (Love) dalga hareketi
Bu tez çalışmasında; L dalga hareketini oluşturmak üzere yapıya yatay ve düşey yönde etki edecek tablanın tasarımı yapılarak, bu etkinin oluşmasını sağlayacak olan tahrik elemanlarının kontrolleri ile sisteme gerçek deprem etkisinin verilmesi sağlanacaktır
Sarsma tablaları yapılarda kullanılan yeni malzemelerin testi ve taşıyıcı sistemlere yapılan güçlendirmelerin deprem etkisi altındaki davranışlarının araştırılması açısından önemli bir yöntem olarak kullanılmaktadır.
Yapıların deprem yükü altındaki davranışlarının incelenmesi için yapılan birçok sarsma tablasında gerçek yüklerin yapıya aktarılamaması problemleri görülmüştür. Diğer yandan tahrik elemanlarının sürtünmeler, malzeme özellikleri, hareketli olan sistemden kaynaklanan etkiler veya tahrik elemanlarının modellemesinde kullanılacak karmaşık transfer fonksiyonlarındaki geri beslemelerin dikkate alınmaması gibi nedenlerden dolayı deprem yükü etkisi yapıya tam olarak aktarılamamaktadır.
Bu tez çalışmasında, L dalgasının yapıya aktarılması sırasında sistem üzerinden alınan ölçümlerle olması gereken etkinin sağlanması, bulanık kontrol kullanılarak yapılmıştır.
1.2.Kaynak Araştırması
Balık, (2003) çalışmasında deprem yükü altındaki çatı kalkan duvarlarının davranışını, tek yönlü salınım yapan ve neopren takozlar üzerinde bulunan sarsma tablası deneyini anlatmaktadır. Hidrolik kriko (Şekil 1.3) yardımıyla deplasman kazandırılan tabla neopren takozlar üzerinde yatay yönde ötelenmektedir. Krikonun bağlı bulunduğu bağlantı elemanının belirli bir zaman sonra tabla ile bağlantısının kalkması sonucu sarsma tablası 1,5 sn kadar bir salınım yaparak yapı üzerinde bir deprem etkisi yaratmaktadır. Sarsma sırasında Şekil 1.4’de görülen ivme değerleri okunmaktadır.
Şekil 1.3 Hidrolik kriko tahrikli sarsma tablası
Baran ve arkd. (2007)’nın geliştirdikleri tabla, tek eksende gelişigüzel bir hareketi yapıya uygulayabilen, bilgisayar kontrollü bir tabladır. Sistem, laboratuar zeminine sabitlenmiş bir taşıyıcı çelik çerçeve üzerideki rijit çelik bir plakadan oluşmaktadır (Şekil 1.5). Bu çerçeve aynı zamanda rijit plakayı hareket ettiren, bir AC servo motoru, iki adet rayı ve dört adet düşük sürtünmeli kayıcı mesnedi de taşımaktadır. Rijit plakaya, dönel motor hareketini sonsuz diş açılmış bir mil aktarmaktadır. Rijit plaka üzerinde modeli tablaya bağlamayı sağlayan 30 cm aralıklı vida delikleri bulunmaktadır. Rijit plaka, deprem hareketini açılı olarak yapıya uygulayabilmek için 25 derecelik artımlarla 75 dereceye kadar dönebilmektedir. Tablanın istenmeyen ani ivmelenmelerde sisteme zarar vermesini engellemek amacıyla deplasmanı sınırlayıcı “limit switch” tabir edilen ve motor akımını kesen iki adet sınır anahtar elemanı mevcuttur.
Şekil 1.5 Sarsma tablası
Dozono ve arkd. (2004), blok diyagramı Şekil 1.6’da gösterilen sistemi gerçekleştirmişlerdir. Sarsma tablasına gönderilen sinyalin geri besleme ile girişe alınıp çeşitli filtreleme işlemlerinden sonra sisteme düzeltme sinyali olarak verilmesi görülmektedir.
Şekil 1.6 Adaptive Kontrol blok diyagramı
Korkmaz ve arkd. (2005), gerçekleştirdikleri sarsma tablasında, yatayda bir yönde hareket edebilen bir platform ve buna hareketi veren basit bir elektrik motorundan oluşmaktadır (Şekil 1.7). Motordaki dönme hareketi, platforma yatay hareket olarak iletilmektedir. Motorun miline bağlı olarak dönen diske eksenden kaçık olarak sabitlenen bir kol, platforma bağlanmaktadır. Kolun disk üzerinde bağlandığı yerin değiştirilmesi ile platformun strok boyu değiştirilebilmektedir. Motorun birim zamanda yaptığı dönüş sayısını kontrol edebilmek için bir AC-motor kontrol ünitesi kullanılmıştır. Bu ünite üzerindeki sayısal kontrol ekranında deney sırasında motorun, dolayısıyla platformun, frekansı değiştirilmektedir.
Kutanis (2007), “Deprem Simülatörü Tasarımı ve Yapımı” projesi TÜBĐTAK’ın desteği ile Sakarya Üniversitesi, Đnşaat Mühendisliği Bölümü'nde gerçekleştirilmiştir (Şekil 1.8). Bu projenin amacı, Sakarya Üniversitesi, Đnşaat Mühendisliği Bölümü'nde, lisans ve yüksek lisans düzeyinde deprem mühendisliği eğitimine katkıda bulunmak amacıyla tek eksenli sinüzoidal deprem simülatörünün tasarımını ve imalatını gerçekleştirmektir. Tasarlanan Sarsma tablasının tahrik ünitesi, mikroprosesör kontrollü, değişken hızlı, trifaz AC elektrik motorundan oluşmaktadır. Sarsma tablası 30 kg kapasitelidir. Sistem,1–200 Hz frekansta çıkış sağlayan motor, veri toplama ünitesi ve bir bilgisayardan oluşmaktadır. Veri toplama ünitesi, LabVIEW yazılımı ile kontrol edilmektedir.
Şekil 1.8 Sarsma tablası
Lee ve arkd. (2007) yaptıkları çalışmada, sarsma tablası üzerinde deprem etkisini azaltılması amacıyla kullanılan sıvı sönümleme düzeneğini (TDL) kullanmışlardır. Bu yöntemle sarsma tablaları üzerinde bulunan ivmeölçer ve yük ölçerler ile sistem üzerinden geri besleme sinyalleri alınarak kazanç değerlerinin artırılması sağlanmaktadır. Şekil 1.9’da gösterilen düzenek ile tabla üzerinde bulunan yapıya 2 servo motor ile 2 boyutta hareket kazandırmışlardır. Üst üstte 2 tabla gerekli bağlantı düzenekleri sayesinde hareket etmektedir.
Şekil 1.9 Sarsma tablası mekanik aksamı
Merkezi işlem ünitesinde belirlenen sinyal (Şekil 1.10) sarsma tablasına aktarılmakta ve tabla üzerinde bulunan sensörler ile veriler tekrar merkezi işlem ünitesine dönmekte ve deprem spektrumu oluşturulabilmektedir.
Şekil 1.10 Sarsma tablası sinyal akışı
Seki ve arkd. (2008) gerçekleştirdikleri sarsma tablası Şekil 1.11 verilmiştir. Şekilde sarsma tablasına ait sinyal girişi, tabla ve hidrolik düzenek üzerinden alınan veriler ile kontrol ünitesi görülmektedir. Bu çalışmada tablaya istenilen sarma sinyali gönderiliyor ve bu sinyalin etkisinde olayın hareketine karşılık sistemin çeşitli noktalarından alınan geri besleme sinyalleri ve düzeltme sinyalleri elde edilmiş oluyor.
Şekil 1.11 Sarsma tablası sinyal akışı
University of Bristol (2005), Laboratuar ortamında çalışan bu sarsma tablası 3x3 metre uzunluğunda alüminyum platform olarak tasarlanmıştır (Şekil 1.12). Platform hareketi hidrolik düzenleyiciler ile sağlanmaktadır. 147.1 kN (15 ton) kapasitesinde olup, 6 serbest dereceli hareket edebilmektedir (2 adet dikey hareket elemanı, yatayda yalpa yapan bir eleman, yan eksende sağa sola dönme sağlayan elemanlar). Tabla 0–100 Hz frekansta salınım yapabilmektedir. Sistemde 64 kanal yükseltici, 8 kanallı kalibre cihazı, yük ölçer(load cell) ivme ölçer ve yer değiştirmeleri ölçen sensorlar bulunmaktadır (Şekil 1.13).
Şekil 1.13 Yapı üzerinde ivme, deplasman ölçerlerin konumu
Xu ve arkd. (2008), aktif yapısal kontrol sistemlerinde kullanılan, küçük ölçekli sarsma tablasının özelliklerini iyileştirmek için bir metod geliştirmektir. Đlk olarak aktif kontrol deney sistemi kısaca açıklanmıştır. Sonra, sarsma tablasında hidrolik düzenleyici sistem ile üçlü test yapısını birleştiren bir dinamik sistem modeli kurulmuştur. Düşük doğal frekans ve küçük sönümleme nedeniyle küçük ölçekli sarsma tablası deneysel ihtiyaçları karşılamaz. Böylece kutup-ayırma (pole-assignment) prensibine dayandırılan üç bölgeli kontrol algoritması, hızlandırma band genişliğini yaymak ve sistem bastırmayı geliştirmek için uygulanır. Son olarak yeni kontrolörün verimli olduğu deney sonuçlarıyla gösterilmiştir. Aktif yapısal kontrol, yapısal fonksiyonelliği ve kasırga deprem gibi doğal tehlikelere karşı güvenliği arttırmak için, en gelişmiş teknolojidir. Sarsma tablası aktif kontrol sistemlerinde en çok kullanılan donanımdır. Genellikle, Sarsma tablası, uygun band genişliği hızı ve yeterli sönümlendirme için güvenilirlik ve tekrarlanabilirliliği sağlar. Sarsma tablasının band genişliği sadece düzenleyicinin özelliklerinden değil aynı zamanda tablaya bağlı test yapısından etkilenir. Bu deney sisteminde en yüksek band genişliği 17 Hz’dir. Bu ise yaklaşık 1–30 Hz band genişliğine ihtiyaç duyan aktif kontrol deneyinin ihtiyaçlarını karşılamaz. Arzulanan performans düzeyine ulaşmak için üç bölgeli kontrol algoritması sisteme adapte edilmiştir.
Xu ve arkd. (2007) aktif yapısal kontrol sistemini temel olarak, sarsma tablası, hidrolik düzenleyici, üç katlı test yapısı, sinyal modülatörü ve sensörlerden oluşan bir sistem tasarlamışlardır (Şekil 1.14). Aktif yapısal kontrol son 20 yılda büyük gelişme göstermiştir ve birçok uygulamada iyi sonuçlar vermiştir. Büyük sarsma tablalarının maliyetinin fazla olması nedeniyle kullanımı sınırlıdır. Bu nedenle bir çok araştırmacı küçük ölçekli sarsma tablaları geliştirmiştir. Bu çalışmanın amacı yüksek performanslı, düşük maliyetli metotları ve düzenekleri geliştirmektir. Üç durumlu kontrol stratejisi en etkili metotlardan biridir ve bu metot sistem kararlılığını arttırır. Bu çalışmada ilk olarak aktif kontrol deney sistemi anlatılmıştır. Daha sonra elektro hidrolik sarsma tablası düzenleyici sisteminin dinamik modeli oluşturulmuş ve analiz edilmiştir. Tasarlanan model üzerine kurulan sarsma tablasının üç durumlu sürücüsü band genişliği hızını yaymak ve sistem sönümlemesini geliştirmek üzere düzenlenmiştir. Sonuç olarak sürücünün etkinliği deneysel olarak yükseltilmiş. Sonuçlar, sarsma tablasının arzulanan performans düzeyine ulaştığını gösterilmiştir.
Bu tez çalışmasında, sarsma tablalarında kullanılan tahrik elemanlarının, ölçüm cihazlarının, mekanik aksamların ve kontrol sistemlerinin incelenmesi ile elde edilen bilgiler doğrultusunda eğitim amaçlı teorikte +-6g ivme değerini sağlayabilecek bir sistem tasarlanmıştır. Bu sarsma tablası, araştırmalarda bahsedilen hidrolik sistemlere göre düşük maliyetli, tek eksende salınım yapan motorlu sistemlere göre ikinci bir eksenin olması ve ivme değerlerinin kontrollü bir şekilde uygulayabilmesi açısından avantaj sağlamaktadır.
Bu sistem, inşaat bölümlerinde deprem salınımının izlenmesi, kontrol sistemlerinin uygulaması, motor kontrollü ve seri haberleşme gibi konularda eğitim düzeneği özelliği taşımaktadır.
2. DEPREM
2.1.Depremin Oluşumu ve Özellikleri
Deprem; yerkabuğunun derin tabakalarının (Şekil 2.1 ve Şekil 2.2) kırılıp yer değiştirmesi ya da yanar dağların püskürmesi sırasında olan sarsıntıdır (Kılınç, 2006), zelzele olarak da adlandırılır.
Depremin olduğu yerde yer titreşim yapar ve sallanır. Deprem bir doğa olayıdır ve yapay olarak oluşturulan sarsıntılara deprem denmez. Yapay olarak oluşturulan sarsıntılara “yerin salınışı” adı verilir (Balık, 2003).
Depremi; doğal nedenlerden oluşması, ani başlaması ve bitmesi, titreşim süresince bazı fayların oluşması olarak da açıklayabiliriz.
Depremler yerkabuğunun kıvrım oluşturduğu yerlerde, engebeli arazilerde, vadi başlangıçlarında ve dağ yamaçlarının denizin derinliklerinde birleştiği noktalarda meydana gelir.
Şekil 2.2. Dünya içyapısı ve katmanları
Şekil 2.3. Deprem dalgaları
Merkezden etrafa belirli bir düzende yayılan dalgalara deprem dalgası denir. Üç şekilde yayılma gösterir. Bunlar; Boylamasına, Enlemesine ve Uzun dalgalardır (Şekil 2.3).
2.2.Zemin Ortamında Dalga Yayılışı
Suya atılan taşın suda oluşturduğu hareket veya ses kaynağından çıkan sesin hava içinde yayılması gibi deprem dalgaları da zemin ortamında dairesel ve üç boyutlu olarak yayılırlar.
Dalga hareketinde dalganın geçtiği ortam hareket etmez, sadece dalganın enerjisi ile zemin düzleminde bozulmalar oluşur.
Dalgalar Şekil 2.4’da gösterildiği gibi üç nicelikle ifade edilir (Balkan, 2007). a. Dalga salınımının başlangıcı ile sonu arasındaki süreye periyottur (T) denir, b. Dalga salınımının büyüklüğüne Genlik (a) denir.
c. Birim zamandaki (saniye) dalga salınım sayısına Frekans (F) denir.
Şekil 2.4’de dalga davranışları kesin olarak görünse de dalgaların hareket yönleri sergilenemez.
Şekil 2.4. Dalga hareketleri
2.2.1. Dalga hareketinin teorisi
Bir ortam içinde mekanik bir titreşim kaynağı bulunduğu zaman ortaya çıkan enerji kaynaktan dışarı doğru her yönde yayılır. Bu yayılış esnasında ortamda kalıcı bir bozulma olmamasına rağmen enerji dalga denklemi denen bir diferansiyel denklem ile belirlenir. Bu denklem basit harmonik salınım denklemi ile ifade edilir. Basit harmonik salınım; basit harmonik hareket periyodik hareketin özel bir halidir ve titreşen nokta yer değiştirme ile orantılı bir ivme ile hareket eder. Noktanın harekete başladığı merkezden uzaklığını x ile gösterirsek, basit harmonik hareket aşağıdaki diferansiyel denklem (2.1) ile gösterilir (Balkan, 2007).
) sin( ) cos( 2 1 2 2 2 t x t x x x t x
ω
ω
ω
+ = − = ∂ ∂ ( 2.1)Buradaki ω orantı katsayısıdır ve negatif işaret ivmenin yer değiştirmeye ters yönde olduğunu belirtir. Tanecik hareketi ve yer değiştirmenin zamanın bir fonksiyonu olarak değişimi Şekil 2.5’de verilmiştir (Balkan, 2007).
Şekil 2.5. Basit harmonik salınımın tanecik hareketinin zamana bağlı yer değiştirme hız ve ivme grafiği
2.3.Deprem Dalgaları
Deprem sırasında açığa çıkan enerji, sismik dalgalar adı verilen dalgalar ile yayılır. Boyuna, enine ve yüzey dalgaları olmak üzere üç gruba ayrılır. Boyuna dalgalar "P Dalgası" (primer) olarak adlandırılır. P dalgaları yayılma doğrultusu ile aynı yönde parçacık hareketi oluştururlar. Geçtikleri ortamda sıkıştırma ve genleşme yaparlar (Şekil 2.6). "S Dalgası"(seconder) olarak adlandırılan enine dalgalar, yayılma doğrultusuna dik yönde parçacık hareketine neden olurlar (Şekil 2.7). Sıvı ortamda yayılamayan S dalgalarının hızı P dalgalarından yavaştır. Yapılarda hasara S dalgaları neden olur (Balkan, 2007).
Boyuna ve Enine Dalgalara "Cisim Dalgaları" da denir. S dalgalarının yer yüzeyinde yansımaları sonucu yüzey dalgaları (Love ve Rayleigh dalgaları) oluşur (Şekil 2.8).
Şekil 2.6. Basınç dalgası
Şekil 2.7. Kayma dalgası
2.3.1. Cisim Dalgaları
2.3.1.1.P (Primer) dalgaları
Kayma gerilmeleri oluşturarak yayılırlar (Şekil 2.11). En hızlı olan dalga olduklarından sismik kayıt istasyonlarında ilk görülen dalgalardır. Zemin yüzeyine dik etki ederler ve binaların düşey yönde titreşmesine neden olurlar (Şekil 2.9 ve Şekil 2.10). Yayılma sırasında kayaları ileri-geri itip-çekerek ilerlerler (Şekil 2.12). Hızları yaklaşık 8 km/saniyedir. En önemli özellikleri Katı, Sıvı ve Gaz ortamlarında ilerleyebilmeleridir.
Şekil 2.9. P dalgası(Boyuna dalga)
Şekil 2.10. P dalgası
Şekil 2.12. P dalgası
ρ
) 1 )( 2 1 ( ) 1 ( 2 v v E v cp + − − = (Balkan,2007) ( 2.2)P dalga hızı denklem (2.2) ’de gösterildiği gibi hesaplanır. Bu denklemdeki parametreler; cp: P dalgası hızı, : v Poisson oranı, : ρ Zeminin yoğunluğu, E: Elastisite modülüdür. 2.3.1.2.S (Secondary) dalgaları
P dalgalarından sonra ölçüm istasyonlarına ulaşırlar. Hızları 4.5 km/saniyedir. Periyotları daha uzundur. Yalnızca katı kütlelerde ilerleyebilmektedirler. Binaları aşağıya-yukarıya ve sağa-sola doğru hareket ettirmektedirler (Şekil 2.13, Şekil 2.14, Şekil 2.15ve Şekil 2.16).
Şekil 2.14. S dalgası Şekil 2.15. S dalgası Şekil 2.16. S dalgası ρ ) 1 ( 2 v E cs + = (Balkan,2007) ( 2.3)
S dalga hızı denklem (2.3)’de gösterildiği gibi hesaplanır. Bu denklemdeki parametreler;
: v Poisson oranı, : ρ Kütle yoğunluğu, E: Elastisite modülüdür. ) 5 . 0 0 ( 2 1 ) 1 ( 2 6 3 2 2 ≤ ≤ − − = ≈ ≈ v v v c c c c c c s p p s s p
Burada cp>cs olduğu görülmektedir. Bu iki dalganın yayılması ortamın sınırlarından bağımsız olarak ortam içinde meydana geldiği için bu dalgalar, cisim dalgaları olarak adlandırılmışlardır. Bu dalga hareketinin özel olarak yatay ve düşey düzlemde meydana gelmesi durumlarında düşey kayma dalgası (SV-dalgası) ve yatay kayma dalgası (SH-dalgası) Şekil 2.17’deki gibi oluşmaktadır (Balkan, 2007).
Şekil 2.17. S Dalgasının yatay ve düşey bileşeni
2.3.2. Yüzey dalgaları
Yerküre sonsuz olmayan ve dış yüzeyinde gerilmelerin oluşmadığı çok büyük bir küredir (Şekil 2.18). Mühendislik açısından yüzeye yakın problemlerin analizinde yerküre çoğu zaman düzlemsel bir serbest yüzey ile birlikte yarı sonsuz bir ortam
olarak modellenmektedir. Bu tür modellemeler ve çözümler, hareketi serbest yüzeye yakın sığ bir tabakada yoğunlaşmış dalgaları yani yüzey dalgalarını tanımlamaktadır (Balkan, 2007).
Yüzey dalgaları cisim dalgalarının yer yüzeyi ve katmanları ile etkileşim sonucu oluşurlar. Bu dalgalar derinlere inildikçe etkisi azalan dalgalar olarak görülür. Yüzey dalgaları (Şekil 2.19) Rayleigh dalgaları ve Love dalgalarıdır. P dalgaları ve S dalgalarının yer yüzeyi ile etkileşiminden Rayleigh dalgaları oluşur. Love dalgaları S dalgalarının yumuşak çökellerle etkileşimi sonucu ortaya çıkar ve bu dalgaların düşey bileşeni yoktur.
Şekil 2.18. Yerküre ve yerin içyapısı
2.3.2.1.Rayleigh dalgaları
Bu dalga türü yarı sonsuz bir ortamın serbest yüzeyinde gelişir. Artan derinlikle dalga genliği süratle azalır. Zeminde yayılan deformasyon dilatasyon ve kayma gerilmelerinin karışımıdır. Dilatasyon gerilmesi; birim hacimdeki hacimsel değişikliktir. Tanecik hareketi yayılma doğrultusunu içinde bulunduran düşey bir düzlem içerisinde olup ters yönde eliptik bir yörünge çizer (Şekil 2.20). Elipsin dalganın yayılma doğrultusuna paralel olan küçük ekseni düşey olan büyük eksenin üçte ikisi kadardır. Rayleigh dalgası aşağıda ifade edilen cr hızı ile yayılır (Balkan, 2007). s r
c
c
=
0
.
92
( 2.4) Denklem (2.4)’de; : rc Rayleigh dalgasının yayılma hızını, :
s
c Aynı ortamdaki S-dalgası hızını ifade etmektedir.
Daha büyük peryodlu bileşenlerin daha hızlı yayılması sonucunda dalganın başlangıcından sonuna doğru peryod küçülmesi görülür.
Dalganın titreşim genliği derinliğin artması ile azalacaktır. Yine poisson oranına bağlı olarak genlik farklılık göstermektedir. Bu olay Şekil 2.21’deki grafikte görülmektedir.
Şekil 2.21. Rayleigh yüzey dalgalarının poisson oranına bağlı olarak yatay ve düşey hareketi
Depremlerin üst yapılarda oluşturduğu hasarların büyük bir bölümünde Rayleigh yüzey dalgalarının etkisi olduğu görüşü vardır.
2.3.2.2.Love dalgaları
Yarı sonsuz ortamın üstünde bulunan düşük hızlı bir tabaka içinde gelişen diğer bir yüzey dalgası türüdür. Tanecik hareketi yatay düzlemde olup yayılma doğrultusuna diktir (Şekil 2.22). Bu dalga türü yüzey tabakasının alt ve üst sınırlarında tekrarlı yansımalarla yayılır. Tabakalı ortamlarda oluşan Love dalgaları daima dispersiyon gösterirler. Farklı frekanstaki (farklı dalga boyundaki) dalgaların farklı hızlarda yayılması olayı dispersiyon olarak adlandırılmaktadır. Bu sebepten dolayı Love dalgaları dispersif, yarı sonsuz ve homojen ortamda Rayleigh dalgaları ise dispersif değildirler. Love dalgasının yayılma hızı, cisim dalgalarının ve Rayleigh dalgalarının aksine dalga boyuna bağlıdır. Değeri, üst tabaka ile alttaki ortamın kayma dalga hızları arasında bulunur. Yayılma hızları; çok kısa dalga boyları için yüzey tabakasında, çok uzun dalga boyları için ise ortam içerisinde S-dalgası hızına yaklaşırlar. Tanecik titreşiminin genliği zemin ortamındaki artan derinlik ile süratle azalır (Şekil 2.23). Deprem merkez üssüne ve kayıt istasyonuna en geç ulaşan
dalgalar olup, hızları 1.5-2 km/saniye kadardır. Bu dalganın en önemli özelliği en çok hasara ve can kaybına yol açan dalga olmasıdır. (Balkan, 2007)
Şekil 2.22. Love dalgası
Şekil 2.23. Derinliğe inildikçe love dalganın etkisinin azalması
2.4.Deprem Đnceleme Çalışmaları
2.4.1. Sismograf
Depremde ortaya çıkan dalgaları kaydeden ve kâğıda çizerek incelenmelerini sağlayan aletlere sismograf denir (Şekil 2.25).
Kayıtlar, ilke olarak, yer sarsıntılarını, yere mümkün olduğu kadar az bağımlı bir ağırlığın hareketler sırasında oynamaması ile sağlanır. Deprem sırasında eylemsizliği - hareketsiz cismin hareket etmeye karşı direnci - dolayısı ile bu ağırlığa bağlanan bir yazıcı kalem, hareket eden bir kağıt düzlemine depremi "çizer". Uygulamada bu ağırlık bir yayla (Şekil 2.24a) veya bir menteşe aracılığı (Şekil
2.25b) ile yere "bağlanır". Deprem hareketleri, bu ağırlığa yere göre daha az bir ivme kazandırırlar ve kayıt yapılır. Modern sismometrelerle 10-18 santimetrelik yer değiştirmeler algılanabilmektedir (Dirik, 2006).
Dalgaların sismografa ulaşma süresi yalnızca gözlem istasyonunun deprem odağına olan uzaklığına bağlıdır.
Şekil 2.24. Sismograf cihazı
Şekil 2.25. Sismograf cihazı
Yer içindeki yayılma şekillerini, ölçüm aygıtları yardımıyla değerlendiren ve genel olarak depremle ilgili çalışan bilim dalı sismolojidir. Sismoloji sözcüğünün kökeninde de, Yunanca'da "şok" anlamına gelen "sismos" sözcüğü vardır.
Herhangi bir yere yerleştirilen bir sismograf, birkaç saat içinde yeryüzünde oluşan depremleri kaydetmeye başlar. Durgun bir su yüzeyine atılan taş örneğinde olduğu gibi deprem odağından itibaren yeryüzüne yayılan dalgalar zaman içinde üç dalga grubu halinde gelirler. Đlk gelen dalgalara P (PRIMARY) daha sonra gelenlere de S (SECONDARY) dalgaları denir. P ve S dalgaları yer içinde hareket ederler. En son olarak ta dünyanın yüzeyini kat eden yüzey dalgaları kayıt edilebilirler (Şekil 2.26) (Dirik, 2006).
Şekil 2.26. Deprem dalgaları
2.4.2. Deprem spektrumu
Deprem kayıtları birçok farklı periyod/frekans ve sönüm veya genliklere sahip harmonik titreşimleri içerir. Harmonik hareketi dalga hareketi gibi düşünebiliriz. Şekil 2.27 de gösterildiği gibi iki tepe arası dalganın periyodu (TD) olarak isimlendirilir.
Dalga için frekans birim zamanda (genellikle 1 sn) geçen periyot olarak belirlenir. Sönüm dalganın zamanla büyüklüğünün azalması ya da yok olmasıdır. Deprem dalgasının etkilediği yapı belirli bir sönüm oranına sahiptir. Sönüm olayı titreşimler sonucu ısı enerjisi olarak ortaya çıkar. Depremin yapıya birden fazla titreşim periyodu etkisi vardır. Fakat ilk gelen titreşim baz alınarak incelemeler yapılır. Đşte titreşim nedeniyle oluşacak maksimum tepkileri içeren bir grafiğin oluşturulmasına Deprem Spektrumu Grafiği denir. Bu grafik ivme, hız veya yer değiştirmeyi gösterir (Şekil 2.28).
Yeryüzünde meydana gelen depremlerin şiddeti Mercalli-Cancani ve Richter ölçeklerine göre tespit edilir. Mercalli ölçeği 12, Richter ölçeği ise 10 derecelidir. Depremler şiddetlerine göre Mercalli Cancani ölçeği Tablo 2.1’de gösterildiği gibi sınıflandırılır.
Tablo 2.1 Mercalli Cancani ölçeği derecelendirmesi (Polat,1994)
Şiddeti Tanım ivmesi (g=yerçekimi
ivmesi) I Sadece duyarlı aletler algılar ~ 1 cm/s2 0.001 g II Üst katlarda, dinlenen kişiler
hissedebilir, asılı cisimler sallanabilir 2~3 cm/s2
0.002~0.003g III Binada hissedilir, duran bir aracın
yanından kamyon geçmiş gibi sallanır
3~7 cm/s2 0.003~0.007g IV Binada çoğunluk ve dışarıda az kişi
hisseder, kap kacak sallanır
7~15 cm/s2 0.007~0.015g V Herkes hisseder, tabak, pencere v.b.
kırılır 15~30 cm/s2 0.015~0.03g
VI Herkes hisseder, birçoğu korkup dışarı fırlar, baca, sıva düşer, hafif hasar olur
30~70 cm/s2 0.03~0.07g
VII Herkes dışarı kaçar, yapı sağlamlığına göre hasar olur, otomobildekiler de hisseder
70~150
cm/s2 0.07~0.15 g
VIII Duvarlar çerçevelerden ayrılır, baca, duvar devrilebilir. Kum, çamur fışkırır
150~300
cm/s2 0.15~0.3 g
IX Yapı temelden ayrılır, çatlar, eğilir. Zemin ve yeraltı boruları çatlar
300~700
cm/s2 0.3~0.7 g
X
Kagir ve çerçeve yapıların çoğu tahrip olur, zemin çatlar, raylar eğilir, toprak kaymaları olur.
700~1500 cm/s2
0.7~1.5 g
XI
Yeni tip yapılar ayakta kalabilir, köprüler yıkılır, toprak kayar, raylar bükülür
1500~3000
cm/s2 1.5~3 g
XII
Hemen her şey harap olur, toprak yüzeyinde
dalgalanma görülür, cisimler havaya fırlar
3000~7000
3. SĐSTEM DONANIMLARI
3.1.Asenkron Motorlar
Asenkron makineler motor olarak stator sargıları ile aldığı elektrik enerjisini rotorundan dönme hareketi yaparak mekanik enerjiye çeviren ve jeneratör olarak, rotorundan aldığı dönme hareketi mekanik enerjisini, bazı koşullar altında, stator sargılarında elektrik enerjisine, çeviren elektro-mekanik makinelerdir (Boduroğlu, 1981).
Dönme sayıları sabit değildir, fakat dönme sayısı yükle az değişir. Dönen diğer elektrik makinelerine kıyasla daha sağlam, daha az bakım isteyen ve daha ucuz makinelerdir. Teknolojik gelişmelerle asenkron motorların hızının kontrolü, moment kontrolü ve yumuşak yol verme (softstarting) işlemleri ile bu makineler, diğer üstün yapısal özellikleri ile doğru akım makinelerinin endüstrideki yerini almaya başlamıştır (Koca,2006).
Asenkron makineler başlıca iki kısımdan oluşur; • Hareket etmeyen stator ve stator sargıları • Dönme hareketi yapan rotor ve rotor sargıları
a) Stator, makinenin hareket etmeyen kısmıdır. Statorda magnetik akıyı ileten stator saç paketi ile stator sargıları vardır. Stator saç paketi iki yüzü izole edilmiş 0.5 mm’ lik silisyum demir saçların bir araya getirilerek ve basınç altında sıkıştırılması ile elde edilir. Đnce saçlar kalıplar kullanılarak büyük presler yardımı ile işlenerek oluklar ve dişlerle birlikte gereken delikler açılarak üretilirler. Oluklar, uygun kalıplar yardımı ile motorun elektrik karakteristiklerine etkiyen değişik biçimde üretilirler (Sarıoğlu, 2003).
b) Rotor asenkron motorun dönen kısmıdır ve rotor saç paketi ile rotor sargılarından oluşur. Rotor saç paketi 0.5 mm’lik silisyum saçlardan yapılır. Saçların yüzeyleri çok ince bir film tabakası ile yalıtılmıştır. Saçlar özel kalıplarla pres altında oluk, dişler ve sıkıştırma civata delikleri oluşacak şekilde saç şeritlerinden kesilerek
çıkartılır. Saçlar bir araya getirilerek pres altında sıkıştırılır ve cıvatalarla bu halde kalması sağlanır (Koca,2006).
Üç fazlı asenkron motorun statorunda sargı eksenleri arasında uzayda 2π /3 rad’ lık açı olan üç adet bir fazlı sargı vardır. Bu üç sargı yıldız ya da üçgen olarak bağlanır. Faz sargılarını oluşturan bobinler stator oluklarına yerleştirilir. Bu bobinler birbiri ile seri bağlanarak faz sargısını oluştururlar. Rotor sargıları, normal üç fazlı yıldız bağlı ya da sincap kafesli türden olabilir. Sincap kafesli motorlarda rotor çubuklarını her birisi bir faz sargısı gibi davranır ve bu çubuklar iki baştan birer halka ile kısa devre edilir. Şekil 3.1 de statoru yıldız bağlı, rotoru sincap kafesi biçiminde olan bir asenkron motor bağlama şeması gösterilmiştir (Koca,2006).
Endüstride yaygın olarak kullanılan sincap kafesli veya kısa devre rotorlu asenkron makine, çoğunlukla motor olarak kullanılıp statoru 3, rotoru m fazlı bir yapıya sahiptir. Bu makineler da rotor ve stator arasındaki hava aralığı düzgün olup, motor kesiti Şekil 3.2 de, verilmiştir (Koca,2006).
Şekil 3.1 Yıldız bağlı sincap kafes asenkrom motor
3.1.1. Asenkron motorlarda hız kontrolü
Asenkron makinelerde hız kontrolünün yapılabilmesi için, stator geriliminin, stator sargısı kutup çiftinin, stator frekansının ya da rotor direncinin değiştirilmesinin gerektiği görülür.
Asenkron makinelerin değişken hızlı tahrik sistemlerinin kontrolünde stator geriliminin genlik ve frekansının değişimine dayalı yöntemler ikiye ayrılır (Sarıoğlu, 2003).
• Skalar kontrol yöntemleri • Vektör kontrol yöntemleri
3.1.1.1.Skalar kontrol yöntemleri
Makinenin hız kontrolünde stator gerilimi genlik ve frekansının değiştirilmesi en uygun yöntemdir. Makinenin sürekli rejimde geçerli olan moment ifadesine bakıldığında, RS = 0 olması koşulu altında gerilim/frekans (Vs / f s) oranının sabit tutulması ile düşük hızlar dışında makinenin hızının geniş bir aralıkta kontrol edilebildiği görülmektedir (Koca,2006).
3.1.1.2.Vektör kontrol yöntemleri
Asenkron makinede akıyı ve momenti ayrı ayrı kontrol edebilecek iki akım bileşeni mevcut değildir; sadece stator akımı vardır. Stator akımı ise sinüzoidal bir akım olması nedeni ile genlik, frekans ve faz bilgilerini içerir. Asenkron makine de kontrol edilmesi gereken büyüklük, genliği, fazı ve frekansı ile tanımlanan akım vektörüdür. Bu kontrol işlevi literatürde vektör kontrolü olarak adlandırılır (Sarıoğlu, 2003).
3.2.Seri Haberleşme
3.2.1. Formatlar ve protokoller
Bir sistemde farklı tipte cihazlar olması mümkündür. Fakat birbirleri ile veri alışverişinde ortak bir haberleşme formatı kullanmak zorundadırlar.
3.2.2. Seri veri gönderimi
Seri veri gönderimi bit bit olma üzere belirli bir süre içerisinde bitlerin sırayla gönderilmesidir. Veri gönderimi tek bir hat üzerinden olabileceği gibi alıcı ile vericinin ayrı ayrı hatları olabilir.
Alıcı ve verici veri akışının kontrolü için bir saat sinyali yani zamanlama referansı olması gerekmektedir. Haberleşme senkron yada asenkron şekilde olabilir.
3.2.3. Senkron format
Bu haberleşmede haberleşen cihazlar ya da dışarıdan bir cihaz tarafından saat sinyali üretilir. Her bir saatle eş zamanlı çalışır (Şekil 3.3).
Uzun mesafeli linklerde senkron formatlar pratik değildir. Çünkü böyle durumlarda saat sinyalinin iletimi, parazit nedeniyle, ilave bir hat gerektirmektedir.
3.2.4. Asenkron format
Saat sinyali hattı yoktur. Alıcı ve verici Bu formatta ortak saat sinyali yoktur. Start biti ardından cihazlar kendi saat sinyalini üretirler. Bilginin sonunda bir yada 2 bit stop sinyali bulunur (Şekil 3.4).
PC’lerdeki RS–232 portlar, modemlerle ve diğer cihazlarla iletişimde asenkron formatları kullanır. Çoğu RS–485 linklerde de asenkron iletişim kullanılır.
Çeşitli asenkron transfer formatları olabilir. En yaygını 8-N-1’dir. Bu formatta, gönderici cihaz her bir byte’ı, 1 Start bitini takiben 0 nolu bitten başlayarak 8 veri biti ve 1 adet Stop biti olarak yollar. N, iletimde parite biti kullanılmadığını anlatır.
Şekil 3.4 Asenkron veri iletimi
3.2.5. Evrensel asenkron alıcı verici (UART)
PC ler ve mikrokontrolörlerde UART devre elemanı bulunmaktadır. Bununla kullanıcı haberleşmede bilgi gönderimi dışında detaylarla uğraşmamaktadır. UART için Şekil 3.5 sinyal örneklemesi verilmiştir.
3.3.PC Seri Port Mimarisi
COM ya da COMM (iletişim) portu, UART tarafından denetlenen bir asenkron porttur (Şekil 3.6 ve Şekil 3.7). Bir COM portun RS–232 ya da RS-485 gibi bir arabirimi olabilir. Ya da port dahili bir modem veya başka bir cihaz içinde kullanılıyor olabilir.
RS–232 ve benzeri arabirimler, programlaması kolay uzun kablolara imkân veren, ucuz mikrokontrolörlerle ve eski PC’lerle rahatlıkla kullanılabilen arabirimlerdir. Tablo 3.1 de seri porta ilişkin pinlerin adlandırlıması gösterilmiştir.
Şekil 3.6 Seri port Şekil 3.7 Seri port pinleri
Tablo 3.1 Seri port pin açıklamaları
Pin Sinyal Giriş/Çıkış
1 DCD Giriş 2 RxD Giriş 3 TxD Çıkış 4 DTR Çıkış 5 GND - 6 DSR Giriş 7 RTS Çıkış 8 CTS Giriş 9 RI Giriş
3.4.Đki Cihazı RS-232 ile Bağlamak
RS–232 her zaman en popüler arabirimlerden biri olmuştur. Hemen her PC’de bir RS–232 yer almaktadır. Öte yandan mikrokontrolörlerde ve bağlı olduğu cihazlarda çok büyük bir iş yükünü kaldırmaktadır. RS–232 en sık modem bağlantısında kullanılır.
3.4.1. RS-232
RS–232 iki cihaz arasında bilgi alışverişine yönelik olarak tasarlanmıştır. Mesafe 15–30 m arasında değişebilmektedir. Bu noktada kablo tipi ve bit hızı önemlidir. Bir adaptör yardımıyla farklı tip arabirime çevrilebilmektedir. Basit bir devre kullanarak bir RS–232 portu, bir çok cihaza bağlanabilen ve daha uzun mesafelerde çalışabilen bir RS-485’e çevirmek mümkündür (Anonim, 2004).
3.4.2. RS-485
Yüksek hızlarda ve uzak mesafelerde veri transferi gerektiğinde RS232 yetersiz kalmaktadır. Bunun yerini RS-485 olacaktir. RS-485’li linkler iki cihazla sınırlı değildir. Mesafeye, bit hızına ve arabirim yongalarına bağlı olarak sayıları 256’ya varabilen düğüm bir linkle bağlanabilir.
RS485 ile RS232 arasındaki temel fark, RS485 ‘in iki tel arasındaki değişken voltaj metodu ile bilgi transferi yapmasıdır. Đki tel arasındaki sinyalin polaritesi sayısal durumu belirler, toprak sinyali sadece akımın geri dönüş yolu olarak kullanılır (Anonim, 2004).
3.4.3. RS-232’nin dönüştürülmesi
Şekil 3.8. de devre şaması, Şekil 3.9 da görünüşü verilen ara birim RS-232’yi RS-485’ye dönüştürmektedir. Arabirim üç RS-232 hattını kullanır: TD veriyi gönderir, RD veriyi alır ve RTS de yönü kontrol eder. Bir MAX232, RS232 sinyallerini TTL düzeylerine çevirir. TTL sinyallerini ise RS-485 arabirimini mümkün kılan 75176B’ye bağlanır. RTS düşükken 176’nın DE (Driver Enable: sürücü devrede) yüksektir. TD, RS-485 linkine veri gönderebilir. RTS yüksekken, RE girişi düşüktür. RD, RS-485 linkinden veri alabilir (Anonim, 2004).
Şekil 3.8 RS-232 ile TTL ve TTL ile RS-485 arasında dönüşüm devre şeması
3.5.Modbus
Modbus, endüstriyel alandaki iletişim ihtiyacını karşılayan en eski seri iletişim protokollerinden biridir. PLC (Programmable Logic Controller) sektörünün ilk ve en güçlü imalatçılarından olan Modicon firması tarafından kendi ürünleri arasındaki iletişimi sağlamak üzere 1978 yılında geliştirilmiş.
Teknolojik olarak bir kaç adım öndeki diğer standart iletişim protokollerinin yanında MODBUS bugün hala herhangi bir PC veya küçük bir mikroişlemci ile birlikte kullanılabilmekte ve sağlam geçmişi ve basit altyapısıyla artan sayıda imalatçı tarafından desteklenmekte ve mevcut pek çok endüstriyel sistemle iletişim kurabilmektedir (Anonim, 2004).
3.5.1. Genel özellikleri
Modicon programlanabilir kontroller, kendileriyle ve diğer cihazlarla çok çeşitli ağlar üzerinden haberleşebilirler.
MODBUS, haberleşme protokolünün OSI modelinin 7. seviyesindeki uygulama katmanıdır ve network üzerindeki çeşitli cihazlar arasındaki client/server haberleşmeyi sağlar.
MODBUS, istek / cevap protokolüdür ve fonksiyon kodları tarafından özelleştirilmiştir. MODBUS fonksiyon kodları istek/cevap birimi PDU’nun bir birimidir.
MODBUS, farklı ağ tiplerinde birbirleri arasında bağlanıp client/server haberleşme sağlayan mesaj protokolünün uygulama katmanıdır.
3.5.2. Modbus ağlarında işlem
Standart Modbus protokolleri RS-232C uyumlu seri kullanır. Modbus protokol kullanan cihaz ağa direk bağlı veya modem üzerinden bağlanmış olabilir.
Kontrolörler Master, Slave tekniğini kullanarak haberleşirler. Sorgulamayı sadece bir cihaz (Master-Asıl) yapar. Diğer cihazlar Slave (Yardımcı) konumunda Master’ın göndermiş olduğu dataya cevap verirler. Tipik Master cihazları içerisinde işlemci içerirken, Slave cihazlar genelde programlanabilir lojik kontrolörler içerirler.
3.5.3. Modbus istek-cevap döngüsü
Sorgulamadaki fonksiyon kod, adresi verilen Slave cihazda ne çeşit işlem yapılması gerektiğini söyler. Data Byte’lar ise Slave’in cevabı hazırlamada ihtiyaç duyduğu ilave bilgileri içerir (Şekil 3.10).
Eğer Slave cihaz normal bir cevabı karşı tarafa gönderecekse kendisine gelen sorgulamadaki fonksiyon kodu yineler. Data byte’larda ise istenen register değeri ve durumunu içerecek bilgiler yer alır. Kontrolörler, standart Modbus ağlarında haberleşme işlemini iki veri iletim modu ile gerçekleştirirler. ASCII veya RTU. ASCII veya RTU mod seçimi standart Modbus ağlarına ait bir özelliktir (Anonim, 2004).
3.5.4. ASCII mod
Kontrolörler Modbus ağında ASCII (American Standard Code for Information Interchange) haberleşmek için ayarlandığında, mesajdaki her 8 bit 2 ASCII karakter olarak gönderilir. Bu modun en büyük avantajı karakterler arasında bir hata meydana gelmeksizin 1 saniyeden fazla bir zaman döngüsüne izin vermesidir. Şekil 3.11 de Modbus ASCII haberleşme foratı gösterilmektedir (Anonim, 2004).
Şekil 3.11 Modbus ASCII haberleşme formatı
3.5.5. RTU mod
Kontrolörler Modbus ağda RTU moda haberleşmek için ayarlandıkları zaman, mesajın içerisindeki her 8 bit byte 2 adet 4 bit Hexadecimal karakter içerir. Bu modun en büyük avantajı, aynı hızda ASCII moda nazaran yüksek karakter yoğunluğuna izin vermesidir. Her bir mesaj sürekli bir akış içerisinde iletilmiş olur.
3.5.5.1.Kodlama sistemi
8 Bit Đkilik taban, hexadesimal 0-9, A-F Mesajdaki her 8 bitlik alan 2 HD karakterle temsil edilir (Şekil 3.12) (Anonim, 2004).
1 Başlangıç Biti
8 Data bit, en az değerlikli ilk gönderilir. 1 bit tek/çift parite biti; parite biti gönderilmez. 1 Durdurma Biti (Parite biti varsa)
CRC (Dairesel Fazlalık Kontrol)
Şekil 3.12 Modbus RTU haberleşme formatı
3.6.Dairesel Hareket
3.6.1. Periyot
Düzgün dairesel hareket yapan cismin, bir tam devir yapması için geçen zamana periyot denir, T ile gösterilir.
3.6.2. Frekans
Düzgün dairesel hareket yapan cismin bir saniyedeki dönme sayısına frekans denir, f ile gösterilir. Periyotla frekans arasında T.f = 1 bağıntısı vardır. Buradan f =1 olur.
3.6.3. Konum vektörü ( r )
Çemberin merkezini cisme birleştiren yarıçap vektörüdür. Yönü daima merkezden cisme doğrudur. Dairesel hareket yapan bir cisim yol alır. Yarıçap vektörü açı tarar. O nedenledir ki, dairesel harekette, çizgisel hız ve açısal hız olmak üzere iki çeşit hız tanımlanır.
