Akıllı Basınç Sensörü ve Can-Bus Haberleşme Sistemi

Kamyon kantarları, kamyon kantara çıktığında tartım değerlerini ölçmek üzere geliştirilmiş olan sistemlerdir. Kamyon kantarlarının tarihi, sanayileşme ve bunun getirdiği artan mal akışı ve ağır yük taşımacılığı ile başlar. 18. yüzyıla kadar mallar teraziye elle yerleştirildi. Bu iş manuel olduğundan, mallar o günlerde yaygın bir konteynerin ağırlığı olan 500 kg'dan fazla olamazdı. 19. Yüzyılda mekanik kamyon kantarları geliştirilip kullanılmaya başlamasıyla, büyük yüklerin tartılması mümkün olmuştur. 20. yüzyılın ortalarından itibaren mekanik tartı makinelerinin yerini yavaş yavaş elektronik kantarlar almıştır. Gerinim ölçerlere (Strain gage) dayalı yük hücrelerinin kullanılmaya başlaması ile daha yaygın hale gelmeye başlamış ve 1990'ların ortalarından bu yana kamyon kantarlarının teknik temelini yük hücreleri oluşturmuştur [1]. Sabit kamyon kantarlarına alternatif olarak kamyon veya treyle üzerine yüklenen yükün direk olarak ölçülmesi amacıyla yapılan çalışmalar arasında en yaygın olanı ve çeşitli firmalar (Vishay, High-Tech Scale, Kimax, reigh weigh, vs) tarafından geliştirilen ve ürün olarak çıkarılan sistemler, hava süspansiyon körüklerinin basınçlı hava hattına takılan basınç sensörleri ile gerçekleştirilmiştir [2]. Bu konuda çeşitli ürünler geliştirilmiş ve üretici firmalar tarafından patentleri alınmıştır. [3-4]

Firmamız, mevcut durumda, kamyon üzerindeki yükün tartılması için kullanılan ve yol kenarlarında kurulu olan üzerine kamyonların çıkarak toplam yüklerini tartmaya yarayan yük hücreleri (load cell), tartım platformu ve elektronik gösterge sisteminden oluşan sabit kamyon kantarlarını üretmektedir. Fakat yeni ürünümüz, direk olarak kamyon üzerine takılacak olup kamyon kasasına yüklenen malzemeyi, yüklendiği andan itibaren tartmaya ve kamyon yola çıkmadan önce karayolları yönetmeliğine göre kamyonların dingillerine gelen yükün yasal sınırlar içinde olup olmadığını belirleyerek ceza yazılmasının önüne geçmesi sağlayacaktır. Ayrıca, aşırı yüklemenin sebep olduğu mahsurları önleyerek yol emniyetini sağlamaya ve yol bozulmasının önüne geçmeyi de sağlayacaktır. Bu kapsamda geliştirdiğimiz ürünümüz tamamen yeni bir ürün tasarımı ve geliştirme çalışması şeklinde gerçekleşmiştir.

Müşterilerimizin talepleri gelmeye başladığından itibaren, yükü daha kamyon üzerindeyken nasıl ölçebiliriz diye araştırma yapmaya başlamıştık fakat nasıl ölçebileceğimiz konusunda ortaya koyduğumuz mevcut yük hücrelerimizle bu konunun çözülmesinin mahsurlarını ve genel olarak sabit bir yere takılı olarak çalışan yük hücresinin kamyonun hareketi, çukurlara girmesi ve sarsıntıları sırasında çok kısa sürede bozulacağı veya büyük ölçüm hatalarına sebep olacağı yönünde kanaatimiz oluşmuş ve projeye girmemizi ertelememize sebep olmuştu. Fakat yurtdışındaki bir Amerika’daki bir rakip firmanın (www.rwls.com) kamyonların hava süspansiyon körüğüne takılan bir sensörden bahsetmesi bize bu konuda bir çıkış yolu göstermiştir. Fakat biz bu firmanın ürününü detaylı inceleyemediğimiz için kendi özgün tasarımımızla basınçlı hava hattına takılacak pnömatik basınç sensörü tasarlamaya ve deneme ölçümleri ile geliştirmeye karar vererek projemizi yapmaya başladık.

Projemizin kapsamında, öncelikle pnömatik basınç sensörü geliştirdik, sonrasında bu basınç sensörünün verilerini işleyerek tartılan yük değerini gösteren elektronik gösterge sistemini geliştirdik ve bu sistemin ölçüm verilerini uzaktan izleyip takip edebilmek için ise, her kamyonda bulunan araç takip sistemlerine akuple olacak CAN-BUS yazılımını geliştirmiş bulunuyoruz.

TÜBİTAK desteğiyle gerçekleştirdiğimiz projemizde, dünyadaki benzerlerinde olmayan yük, açı, ivme ve sıcaklık sensörleri ile donatılmış, "Kamyon ve çekiciler üzerine monte edilebilen akıllı ağırlık ölçme sistemi" ihtiyacına, yerli tasarım ile çözüm üretilmiştir. Geliştirdiğimiz ürün, hava süspansiyon körüklü tüm kamyon, çekici ve dorsenin basınçlı hava borusu üzerine kolayca ve doğrudan takılabilecek bir sistem olarak geliştirilmiştir.

Sistemin montajından sonra yol durumu, eğimi, araç ivmelenmesi ve ortam sıcaklık değişimleri kaynaklı yük ölçüm hatalarını açı, ivme, sıcaklık sensörleri ile otomatik olarak düzelten dünyadaki ilk sistem olacak ve benzerlerine oranla büyük avantajlar sağlayacaktır. Sistemimiz araç takip sistemleri ile akuple bir şekilde takip (tracker) CAN-Bus haberleşme ağı ile uyumlu çalışarak her bir aks ve dingile gelen yükü uzaktan izleme, verileri alma ve kontrol etme imkânı olan bir ürün olacağı için çok tercih edilen %100 yerli bir ürün olacak ve böylece ülkemizin ithalatı azalıp ihracatı artacaktır.

Bu makalede geliştirdiğimiz sistemin detayları ile ilgili bilgilere yer verilmiştir.
Geliştirdiğimiz sistemin yapısı ve teknolojik özellikleri ARGE projesi olarak geliştirdiğimiz sistemimizin yapısı ve teknolojik özelliklerini kısaca aşağıdaki gibi özetleyebiliriz.

● Geliştirdiğimiz sistem, hava süspansiyon körüklü kamyonların üzerine takılacak olan pnomatik basınç sensörü ile ağırlık ölçme sistemi olacak ve ülkemizde ilk kez firmamız tarafından uygulanacaktır.

● Geliştirdiğimiz basınç sensörü, gerinim ölçer (strain gage) ve köprü devresi ile ölçüm yapacaktır.

● Geliştirdiğimiz basınç sensörü içine gömülü sistem şeklinde açı, ivme ve sıcaklık sensörleri yerleştirilerek yol eğimi, araç ivmelenmesi ve sıcaklık değişimi kaynaklı ölçüm hatalarını otomatik düzelten akıllı bir sistem olacaktır.

● Sistemimiz araç takip sistemleri ile akuple bir şekilde takip (tracker) CAN-Bus haberleşme altyapısına uyumlu çalışarak her bir aks ve dingile gelen yükü uzaktan izleme, verileri alma ve kontrol etme imkânı olan bir ürün olacaktır.

● Kamyon ve çekici ağırlık ölçme sistemi içine mikro işlemci, haberleşme, ağırlık ölçme ve DAC devreleri eklenecektir.

Geliştirdiğimiz sistemin yenilikçi yönleri Geliştirdiğimiz sistemimizin rakip ürünlere yöre birçok yenilikçi yönleri bulunmaktadır.

● Kamyon havalı süspansiyon sistemi basınçlı hava borusu üzerine takılacak olan özel tasarım strain gage'li basınç sensörü, ülkemizde ilk kez geliştirilmiştir,

● Sistemdeki açı sensörleri ile eğimli yollardan kaynaklı kamyon üzerindeki yük ölçüm hataları, ivme sensörleri ile kamyonun hareketi ve frenlemesi kaynaklı ivmelenme ölçüm hataları ve sıcaklık sensörleri ile dış ortam ve basınçlı havanın sıcaklık değişimi kaynaklı ölçüm hatalarını otomatik düzelten dünyada ilk AKILLI sistem olarak satışa sunulacaktır,

● Kamyon aks ve dingillerine gelen yükler çok kanallı gösterge ile bağımsız olarak okunabilecektir,

● Araç takip sistemlerine akuple edilerek CAN- BUS haberleşme ağı ile ağırlık verileri transfer edilecektir.

Kamyon üzeri pnomatik basınç sensörünün mekanik imalatı çalışması
Projemizde, yük ve yolcu taşıyan araçlarda kullanılan hava süspansiyon körüklerinin hava basınç hattına takılacak şekilde özel olarak tasarlanmış bir strain gage'li basınç sensörü geliştirilmiş ve prototip üretimi tamamlanmıştır.

Strain gage’li bir basınç sensörünün üretimini, projemiz kapsamında Türkiye’de ilk kez firmamız tarafından gerçekleştirilmiştir. Kamyonların hava süspansiyon körüklerinin basınçlı hava hattına bağlanacak olan ve 7-8 bar basınçlı hava ile çalışacak olan basınç sensörü için kamyonlar açık havada kullanılacağından dolayı AISI 17-4 PH paslanmaz çelik malzeme kullanılarak yaptığımız tasarıma göre imalat gerçekleştirilmiştir.

Sistemin araç içi şoför kabinine takılacak ağırlık gösterge cihazı ve açı-sıcaklık-ivme sensörü ile akuple çalışacak olan akıllı basınç sensörüne ait firmamızda yapılmış olan tasarımlarının elektronik kartları, baskı devreler alanında uzman bir firma tarafından üretilmiştir. Elektronik komponentlerin prototip kartlara montajı firmamız bünyesinde yapılmıştır.

Sistemin ağırlık ölçünde kullanılacak olan hava süspansiyon körüklerinin basınçlı hava hattına takılacak olan pnomatik basınç sensörlerinin yaptığımız tasarımlara göre mekanik olarak imal ettirilmesi, ısıl işlemleri ve hazırlanması mekanik tedarikçilerimiz tarafından yapılmıştır.

Pnömatik basınç sensörünün elektronik kısım (akıllı kart ) imalatı çalışması
Süspansiyon körüklerinin beslendiği basınçlı hava hattı üzerine takılan basınç sensörünün kutusu içine yerleştirilen basınç, sıcaklık, ivme ve açı sensörlerinin verilerini toplayıp ana karta ileten bir kart tasarımı yapılmıştır. Bu kart üzerine, sıcaklık, ivme ve açı sensörleri yerleştirilip basınç sensörü ile birlikte bir kutu içine yerleştirilmiştir.

Bu kapsamda geliştirilen kart, araca yüklen yüke orantılı olarak artan hava süspansiyon körüklerinin basınç hattındaki basınç değişimini ölçen basınç sensöründeki strain gage verilerini, sıcaklık sensörü ile dış ortamdaki sıcaklık değişimi verilerini, ivme sensörü aracın hızlanma, yavaşlama ve frenleme esnasında oluşan ivmelenme verilerini ve açı/eğim sensörleri ile yol eğiminden kaynaklanan açı/eğim verilerini de toplayarak gösterge cihazına gönderecek bir yapıda imal edilmiştir

Ayrıca, imal edilen akıllı basınç sensörü elektronik kartı, içine gömülü bir yazılım yerleştirilerek ölçümlerin doğru bir şekilde alınmasını, sıcaklık, açı, ivme ve basınç sensör verilerini işleyip ve gerekli hesaplamaları yaparak düzeltmeleri sağlayacak şekilde AKILLI bir kart olarak geliştirilmiştir.

Sistemin Basınç Sensörleri için Araç İçi Gösterge Cihazı imalatı
Araç şoför kabinine takılacak ağırlık gösterge cihazı ile ilgili çalışmalar yapılmıştır. Elektronik gösterge sistemi, sabit yük altında statik ölçümlere imkân tanıyacağı gibi hızlı işlemcisi sayesinde, dinamik olarak ölçüm değerlerini dahi tespit edebilme imkânına sahip olacak şekilde geliştirilmiştir.

Sistem için geliştirdiğimiz gömülü yazılımların yüklemesi yapılarak üzerinde çalışmalar yapılmış ve ihtiyacımıza uygun şekilde çeşitli yazılım düzenlemeleri yapılmıştır.

Yaptığımız ağırlık ölçme sistemini araçlara entegre etme hedefi ile çalışmalarımızı gerçekleştirmekteyiz. Bu hedef doğrultusunda ağırlık basınç sensörleri için araç içi gösterge araştırmalarımız da araç içi haberleşmenin Can- Bus olması ve araçta zaten entegre bir kullanıcı ara yüzü bulunması sistemi bu ara yüze entegre etme fikrini güçlendirmiştir. Araç üzerindeki entegre göstergeye, geliştirdiğimiz sistemi dahil etme işlemi, proje bitince araç üreticileriyle yapılacak ortak çalışmalara bağlı olmaktadır. Sistemi daha güçlü hale getirmek için araç içi gösterge için araç içinde bulunan ekrandan daha etkileşimli bir ekran arayışına girdik ve yaptığımız araştırmalarda araçlara özel HMI tasarımlarının olduğunu gördük. Araç içi özel HMI’ larda esnek haberleşme bağlantı opsiyonları, kullanıcı erişimi daha güçlü ve programlamanın esnek olması sebebi ile gösterge kısmını bu ürünlerle gerçekleştirmeye karar vermiş bulunuyoruz. Bu kapsamda, araç içi HMI panelleri araştırarak HMI Topcon firmasının bir ürünü kullanılmıştır. Gerekli ara yüzü burada tasarlayarak proje kapsamında geliştirdiğimiz basınç sensörü ille doğrudan ya da, veri toplama kartı üzerinden haberleşecek şekilde çalışmalarımı gerçekleştirdik.

Proje kapsamında tasarım ve imalatını öngördüğümüz kamyon ve treyler üzerine takılabilen ağırlık ölçme amaçlı gömülü sistem akıllı basınç sensörünün elektronik gösterge sistemine ait yazılımlar gerçekleştirilmiştir. Öncelikle süspansiyon körüklerinin beslendiği basınçlı hava hattı üzerine takılan basınç sensörünün kutusu içine yerleştirilen basınç, sıcaklık, ivme ve açı sensörlerinin verilerinin ölçen bir kart tasarımı yapılmıştır. Bu kapsamda, basınç sensörü ile araca yüklen yük değerlerini ölçecek olan strain gage verilerini, sıcaklık sensörü ile dış ortamdaki sıcaklık verilerini, ivme sensörü aracın hızlanma, yavaşlama ve frenleme esnasında oluşan ivmelenme verilerini ve açı/eğim sensörleri ile yol eğiminden kaynaklanan açı/eğim verilerinin toplandığı ve içine gömülü bir yazılım ile değerlendirilerek doğru bir şekilde ölçümlerin alınmasını ve gerekli hesaplamaları yaparak düzeltmeleri sağlayacak bir AKILLI bir kart tasarımı yapılmıştır.

Gösterge cihazı basınç sensörü kutusu içindeki akıllı karttan gelen basınç, sıcaklık, ivme ve açı/eğim sensörü verilerini cep telefonu, PLC ile modem üzerinden ve bilgisayardan izleme imkânına sahip olacak şekilde seçilmiştir.

Ayrıca, okuma cihazımız, 4-16 tane farklı akıllı basınç sensöründen gelen sinyalleri aynı anda okuyup kaydedecek şekilde 4-16 kanallı olarak ve kablosuz iletişime imkân tanıyacak şekilde tasarlanmıştır. Elektronik devre yazılımların gömülmesi Elektronik gösterge cihazı, cep telefonu, PLC ile modem üzerinden ve bilgisayardan izleme imkânına sahip olacak şekilde tasarlanmıştır. Ayrıca, çok noktalı linearizasyon, sıcaklık okuma, açı ve ivme ölçme, eşik değer yakalama özellikleri olan basınç sensörleri için akıllı kart’ tan alınan ölçüm verilerini, elektronik gösterge sistemine aktararak burada değerlendirme, kayıt altına alma, iletme, haberleşme özellikleri olacak şekilde elektronik kartlar tasarlamış ve tasarımına uygun olarak imal edilmiştir.

Sistemin gösterge cihaz ekran yazılımı, kullanıcı dostu, kolay anlaşılır, araç sürücüsünün basitçe kullanabileceği şekilde hazırlanarak yüklenmiştir.

Sistemin gösterge cihaz yazılımı ve CANBUS haberleşme yazılımının tamamlanıp sisteme yüklenmesi
CANBUS haberleşme yazılımı için bu alanda uzman arkadaşımız olmadığı için hizmet alımı yapılarak, talep ettiğimiz ve belirlediğimiz algoritmaya göre CANBUS yazılımı oluşturulmuş ve sisteme yüklemesi yapılmıştır. Araç içi ağırlık gösterge sistemi tarafından basınç sensörünün okuduğu ağırlık verileri, açı, sıcaklık ve ivme sensörlerinden gelen tüm veriler CAN- Bus protokolü ile okunabilmektedir. Birden fazla sensörden gelen bilgiler aynı hat üzerinden CAN arabirimi ile okuma yapılarak biriktirilerek oluşturulmaktadır. Bu sayede, ana göstergedeki toplayıcıda, tüm bilgiler biriktirilip kullanıcıya sunulmaktadır. Araç içine yerleştirilen ağırlık okuma gösterge cihazı, kablosuz iletişime imkân tanıyacak şekilde seçildiği için sistemin yazılımı, araç içindeki elektronik gösterge sisteminden okunan tartım değerlerini cep telefonu, PLC ile modem üzerinden ve bilgisayardan izleme imkânına sahip olacak şekilde imal edilmiştir. Basınç sensörünün için kalibrasyon düzenek ve aparat imalatı çalışması Basınç ölçme sensörünün sensörünün kalibrasyonu için referans akredite laboratuvardan sertifikalı bir referans basınç sensörü kullanılarak basınç kalibrasyon sistemi ile kalibrasyonu gerçekleştirilmiştir. Geliştirdiğimiz elektronik ağırlık gösterge cihazının kalibrasyonu için ise HBM (Almanya) alınan indikatör kalibratörü ile kalibrasyonları gerçekleştirilmiştir. Elektronik devre yeterlilik testleri Tasarıma uygunluk kontrolü için elektriksel testler.(Besleme gerilimi aralığı, haberleşme hızı), sistem ön denemeleri çalışmaları yapılmış olup detaylı elektriksel ve elektronik testler gerçekleştirilmiş ve tüm testleri başarı ile geçmiştir. 60 ton kapasiteli hava süspansiyon körüklü dorse- treyler bir dorse satın alınarak saha testleri başarı ile tamamlanmıştır.

Doğrulama ve güvenlik testleri
Geliştirdiğimiz sistemin insan sağlığına ve çevreye karşı olabilecek olumsuz etkilerini tespit edebilmek ve uluslararası seviyelere indirebilmek için çeşitli elektriksel, çevresel ve elektromanyetik uyumluluk (EMC) testlerine tabi tutulmuş ve akredite bir test laboratuvarından belgeleri alınmıştır.

Geliştirdiğimiz sistemimiz, müşterilerimizin hizmetine sunulmadan önce, ölçüm doğruluğu ve güvenirliğini sağlamak için OIML R76 standardına göre testlerinin yapılabilmesi için kamyon üzeri 40 ton ağırlığındaki kalibreli referans ağırlıklar kullanılarak araç üzerinde kalibre edilmiştir.

Sonuç
Projemizde geliştirdiğimiz ürünümüz, öncelikle müşterilerimizden gelen talepler sonucu planlanmış ve müşterilerimizin gereksinimlerini karşılamak ve ithal ürünleri kullanmak yerine, yerli ürün ile karşılamak amacıyla planlamıştır.
Kamyon veya treyle üzerine yüklenen yükün direk olarak ölçülmesi amacıyla hava süspansiyon körüklerine takılabilen özel bir basınç sensörü geliştirme fikri oluşmuştur. Firmamızın yeni ürün geliştirmedeki isteği ve başarılarından dolayı, bu konuda da yeni bir ürün geliştirme fikri nedeniyle bu ürünün ARGE çalışması ile geliştirilmesi için TÜBİTAK desteği alınarak çalışmalar başlatılmış ve başarılı bir ürün çıkarılmıştır.
Ağırlık ölçme alanındaki bilgi ve tecrübemizi, müşterilerimizden gelen talepler doğrultusunda geliştireceğimiz, kamyon ve treylerlere kolaylıkla monte edilebilecek ve Türkiye'de ilk defa üretilen yeni ürünümüz firmamıza büyük rekabet avantajı sağlayacaktır. Bu yeni ürünümüz içinde yurtdışındaki benzeri ürünlerde dahi olmayan açı, ivme ve sıcaklık ölçme sensörleri ile donatılarak akıllı bir sistem haline gelmesi, ürünümüzün ihraç edilmesini kolaylaştırıp rakiplerimize karşı rekabet etmemizi sağlayacaktır. Yeni ürünümüz, hava süspansiyon körüğü kullanan her türlü, kamyon, çekici, treyler ve dorseleri kolaylıkla takılabilen ve yüklenen malzemenin ağırlığını % 2 doğrulukla (Karayolları Yönetmeliği % 3.75 sınır vermektedir [5] ) ölçebilen basınç sensörlü akıllı ağırlık ölçme sistemi olması tercih edilmesini sağlayacaktır. Özellikle araç takip sistemleri ile akuple çalışacak olması ve araca yüklenen malzemenin ağırlığının uzaktan takip edilmesine olanak sağlaması benzer ürünlerden çok daha tercih edilmesini sağlayacaktır. Geliştireceğimiz akıllı ağırlık ölçme sistemini % 100 yerli ve teknolojik bir ürün olarak üretmeyi ve böylece bu tür özel ürünlere, büyük paralar ödenmesini önlemeyi planlıyoruz
Bize bu teknolojik ve inovatif ürünümüzü geliştirebilmemize verdiği destekten dolayı TÜBİTAK’a ve projede emeği geçen tüm takım arkadaşlarımıza teşekkürü borç biliriz.

Kaynaklar
[1] https://www.hbm.com/en/9909/truck-scale- solutions/
[2] Alexander W Layton, Andrew D Balmos, Derek L Hancock, Aaron C Ault, James V Krogmeier, Dennis R Buckmaster, Wireless Load Weight Monitoring Via a Mobile Device Based on Air Suspension Pressure, American Society of Agricultural and Biological Engineers, August , 2013
[3] James O. O'Dea, ON-BOARD VEHICLE WEIGHING SYSTEM, US Patent- US 5478974, Dec. 26, 1995
[4] Stefan Georg Hax, VEHICLE WEIGHING, US patent- US 7705715 B2, Apr. 27, 2010
[5] (Karayolları Yönetmeliği % 3.75 sınır vermektedir-8.11.2012, Resmî Gazete, Sayı : 28461)