Raylı Sistemlerde PLC Çözümleri

👤Serdar Aysu, Ürün Müdürü - PLC&Motion, ABB Elektrik
Günden güne artan nüfus yoğunluğu ile karşılaşılan ulaşım sorunu ne yazık ki ülkemizde bu zamana kadar hep göz ardı edilen raylı ulaşımın önemini daha derinden hissetmemize neden olmakta. Bu sebepledir ki, gerek büyükşehirlerin şehir içi ulaşımında gerekse de şehirler arası ulaşımda raylı sistemlere gösterilen önem git gide artıyor. Bu nedenle 2023 yılına kadar 4000km konvansiyonel hat 10000 km’de hızlı demir yolu hattı kurulumu öngörülmekte. Her ne kadar demir yolu enerji tüketimi baz alındığında en ekonomik çözüm olsa da artacak olan demir yolu hattı sayısı, enerji ihtiyacını da beraberinde artırmakta, bu sebeple enerji yatırımlarında da son yıllarda artış gözlenmektedir. Enerji iletim sistemi Raylı sistemlerde enerji besleme sistemlerinde genellikle şehirler arası hatlarda AC, şehir içi hatlarda ise DC gerilim kullanılmakta. Kısaca özetlemek gerekir ise, DC gerilim kullanan tesislerde, sistem AC gerilimden altı ya da on iki darbeli doğrultucu yardımı ile AC’den doğrultulup oradan da kataner hattı üzerinden araçları beslemektedir. Beslenen araç ray üzerinden geri dönüş gerilimini doğrultucuya iletmektedir. Bu şekilde kurulu olan DC sistemlerde, çalışma gerilimlerinin düşük olması dolayısı ile izolasyon sorunları, AC sisteme göre daha az olup, ayrıca DC enerji direkt olarak araçta kullanılabileceğinden araçlarda herhangi bir doğrultucu sistem gereksinimi yoktur. Frenleme durumunda açığa çıkan rejeneratif enerji hattaki diğer araçlarca kullanılabileceği gibi ekstra bir evirici kullanılarak da mevcut besleme hattına geri basılıp enerji tasarrufu sağlanabilir. Sistemin dezavantajlarına değinmek gerekirse eğer; kataner teli artan DC akım dolayısı ile büyük ve ağır olmaya mecburdur, bir adet AC trafo merkezi ile beslenebilecek olan bir sistem, 3000V DC gerilimin üzerinde çalışabilecek yarı iletken malzeme olmaması nedeni ile gerekli akımı tek istasyondan çekemeyeceğinden daha fazla merkezden beslenmek zorunda kalınmaktadır. Günümüzde raylı sistemlerde kullanılan DC gerilimin değeri genellikle 750V, 1500V ve 3000V olarak değişiklik göstermektedir. Ülkemizde yapılan ilk hatlarda 750V DC kullanılmış olup, günümüzde yeni yapılan hatların neredeyse tamamında 1500V DC kullanılmaktadır. 1500V DC’nin 750V DC’ye göre avantajları şu şekilde sıralanabilir; • Ara besleme (Cern) trafo merkezi sayısında %40’a varan azalma sağlanacağından kuruluş maliyetleri %25-%35 oranında düşüş gösterecektir. • Aynı güçte çekilen akım yarıya ineceğinden iletken kesitlerinde azalma olacaktır. • Rejeneratif frenleme enerjisinden faydalanma oranı artacaktır. • Ekipman sayısının azlığı bakım masraflarını düşürecektir. • Raylarda oluşan dokunma gerilimi ve bunun sebep olacağı kaçak akım miktarı 750V DC’ye nazaran azalacaktır. • İletim hatlarındaki besleme ve geri dönüş kablolarındaki enerji kayıpları azalmaktadır. İletim hatlarının araçlara aktarılması yöntemi ise en yaygın olarak üç şekilde yapılmaktadır. Bunlardan en yaygın olanı kataner sistemidir. Kısaca kataner sistemi tek ya da çift ray hattı üzerine tesis edilen ve araçların pentografları yardımı ile enerjinin iletildiği sistemlerdir. Tramvay gibi halka açık yerlerde ve besleme geriliminin 1000V ve üzeri olan yerlerde kullanılması can güvenliği açısından kullanımı zorunlu olduğundan, ana hat demiryolu işletmeciliğindeki tüm elektrikli hatlar kataner sistemleri ile donatılmıştır. Bir diğer iletim ortamı ise üçüncü ray sistemidir. Ray hattına dahil edilen üçüncü bir ray yardımı ile araçlara gerilim gönderilmesi yöntemidir. Malzeme tipine göre çelik ve al kompozit; uygulama tipine göre ise yandan ve alttan basmalı olarak ayrılır. Üçüncü rayın en önemli avantajı, az bakıma ihtiyaç duymasıdır; düşük dirence sahip olması hat kayıplarını azaltmaktadır. Fakat yüksek risk içerdiğinden tüm hat için “acil durum enerji kesme” istasyonları kurulumu gerektirir, ayrıca makas bölgelerinde sıkıntılar yaşanabilmektedir. Bu sebeple kurulum maliyeti yüksektir. Son yöntem ise günümüz tünellerinde üçüncü raya alternatif olarak geliştirilen bakımı kolay ve yüksek iletkenliğe sahip olan rijit kataner sistemidir. Sistemin montajı için tavana 30-35 cm’lik bir boşluk kalması yeterlidir. Düşük dirençli olduğu için kayıpları azdır. 80 km/h hızlara kadar olan metro sistemlerinde 12’şer metre mesafe ile montajı mümkündür. Mekanik dayanımı yüksek, dizaynı basittir. Enerji kesmeden bakım yapılabilmektedir ve güvenlidir. Enerji izleme ve ECS Tüm raylı sistemlerde hattın boyu ve besleme gerilimine göre cern trafo merkezleri sayısı değişmektedir. Halihazırda yapımı sürmekte olan Kadıköy-Kartal hattında toplamda 30’un üzerinde trafo merkezi bulunmaktadır. Her bir trafo merkezinin hatalarının ve enerji değerlerinin raporlanması son derece önemlidir. Günümüzde bu trafo istasyonlarından bilgilerin alınıp SCADA ve raporlama sistemlerine iletilmesi yaygın olarak RTU’lar üzerinden yapılmaktadır. RTU’lar zorlu şartlara dayanabilen yapıları ve çeşitli haberleşme platformlarına destek sağlaması (IEC 60870-5-101, IEC 60870-5-104, IEC 61850 vs) ile yıllarca enerji izleme sistemlerinde sıklıkla kullanılan bir ürün olmayı başardı fakat RTU’ların en büyük handikabı PLC’ler kadar rahat konfigüre edilebilen bir ürün olmaması olmuştur. Dolayısı ile karmaşıklaşan uygulamalarda yetersiz kalan RTU’lara ek olarak PLC’ler yardımı ile çözümler üretilmiştir. ABB’nin AC500 serisi PLC ailesi şu anda entegre olarak IEC 60870-5-104 protokolünü Ethernet desteği olan tüm PLC’lerinde standart olarak sunarak RTU’lara bir alternatif sağlamaktadır. Ayrıca bu yılın sonuna doğru gelmesi planlanan IEC 61850 desteği ile enerji otomasyonu konusunda eksiksiz bir PLC olma hedefi içerisindeyiz. Codesys tabanı ile güçlendirilmiş PS501 programlama tabanı ve kolayca konfigüre edilebilen geniş içerikli kütüphane sayesinde AC500 PLC’ler, telegramları TCP/IP protokolü üzerinden isteğe bağlı (on requirement), veri değişiminde (during data change) ya da döngüsel (cyclically) olarak, zaman etiketleri ile SCADA sistemine aktarması sayesinde adeta bir RTU gibi çalışabilmektedir. Bu özelliklerin yanı sıra ortam şartlarının H2S, NOx, Cl2, SO2/SO3 gibi aşındırıcı gazlara, tuz buharına sahip olduğu, aşırı nemli (%100 nem), çok düşük ve yüksek sıcaklıkların (-30 ° +70 °) oluştuğu, yüksek rakımlı (4000m) ve titreşimin fazla olduğu yerlerde (4G - 500Hz) çalışabilen ve de besleme gerilimi kısmında 4kV (AC,DC) dijital giriş/çıkışlarında 2kV ve analog girş/çıkışlarda 1 kV’a varan izolasyon değerleri ile şu an piyasada olan AC500-XC aşırı koşul PLC ve I/O kartları sayesinde RTU’ların alışılagelmiş yüksek dayanımını da beraberinde sunabilmektedir. Günümüz raylı sistemlerinde enerji verilerinin SCADA sistemlerine aktarılmasının yanında bir diğer önemli sistem ise ECS (Environment Control System) altyapısının SCADA sistemine entegrasyonudur. ECS sisteminde yangın merdivenleri, aydınlatmalar, acil çıkışlar, turnikeler, havalandırma sistemleri, yangın perdeleri, jetfan kontrolü ve asansörler gibi sistemlerin takibinin yanı sıra, herhangi bir acil durumda, yangın perdelerinin indirilmesi, aşağı doğru hareket eden yürüyen merdivenlerin yukarı doğru hareke geçmesi, turnikelerin boşa çıkması gibi duruma uygun senaryoların kontrolü son derece kritik ve önemlidir. Böylece AC500 PLC sistemi kullanılarak tek bir ürünle hem enerji izleme işlemi hem de ECS kontrolü tek bir ürün ailesi kullanılarak çözülebilmektedir. Kaynaklar • http://www.railway-technical.com • AÇIKBAŞ Süleyman, ALKAŞ Safi, “Raylı Sistemlerde Enerji Besleme Sistemleri ve Hesap Yönetimleri".