2 AĞUSTOS
AUGUST
SAKARYA ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ DERGİSİ Sakarya University Journal of Science
Sahibi / Muzaffer ELMAS Owner Genel Yayın Ali Osman KURT Yönetmeni / General Publication Director
Baş Editör / Editor in Chief
Emrah DOĞAN
Editörler / Editors
Serap Coşansu AKDEMİR
emrahd@sakarya.edu.tr scosansu@sakarya.edu.tr
Cüneyt BAYILMIŞ cbayilmis@sakarya.edu.tr
Beytullah EREN beren@sakarya.edu.tr
Serkan ZEREN serkan.zeren@kocaeli.edu.tr
Yayın Danışma Kurulu / Editorial Advisory Board* A. HİLMİ ÇON
H. AKBULUT
On Dokuz Mayıs Uni. ahcon@pau.edu.tr
Sakarya Uni. akbulut@sakarya.edu.tr
M. ÇALIŞKAN Sakarya Uni. caliskan@sakarya.edu.tr
R. MERAL Bingöl Uni. rmeral@bingol.edu.tr
A. PINAR
H. AKSOY
M. KURT
S. OKUR
Boğaziçi Uni. pinara@boun.edu.tr
Sakarya Uni. haksoy@sakarya.edu.tr
Ahi Evran Uni. mkurt@ahievran.edu.tr
İzmir Katip Çelebi Uni. salih.okur@ikc.edu.tr
A. S. DEMİR
H. GÖÇMEZ
Sakarya Uni. Dumlupınar Uni. alparslanserhat@sakarya.edu.tr h_gocmez@dpu.edu.tr
M. ÖZEN
S. SALUR
Sakarya Uni. ozen@sakarya.edu.tr
Rochester Uni. sema.salur@rochester.edu
A. S. E. YAY
H. PEHLİVAN
M. TUNA
S. TEKELİ
Sakarya Uni. erses@sakarya.edu.tr
Sakarya Uni. pehlivan@sakarya.edu.tr
Sakarya Uni. tuna@sakarya.edu.tr
Gazi Uni stekeli@gazi.edu.tr
A. TUTAR
İ. KIRBAŞ
M. UTKUCU
T. OGRAS
Sakarya Uni. atutar@sakarya.edu.tr
Mehmet Akif Ersoy Uni. ismkir@gmail.com
Sakarya Uni. mutkucu@sakarya.edu.tr
TÜBİTAK tijen.ogras@tubitak.gov.tr
B. D. BOTOFTE
J. KHATIB
Sakarya Uni. bbotofte@sakarya.edu.tr
Uni. Of Wolverhampton. j.m.khatip@wlv.ac.uk
M. van de VENTER T. BİLİR Nelson Mandela Metropol. Uni Bülent Ecevit Uni
C. YİĞİT
K. KÜÇÜK
Sakarya Uni. cyigit@sakarya.edu.tr
Kocaeli Uni. kkucuk@kocaeli.edu.tr
maryna.vandeventer@nmmu.ac.za tbilir@ogu.edu.tr
N. BALKAYA İstanbul Uni. nbalkaya@istanbul.edu.tr
Y. BECERİKLİ Yalova Uni. ybecerikli@yalova.edu.tr
D. ANGIN
L. BAYINDIR
O. GENÇEL
Z. BARLAS
Sakarya Uni. angin@sakarya.edu.tr
Ataturk Uni. levent.bayindir@atauni.edu.tr
Bartın Uni osmangencel@gmail.com
Sakarya Uni. barlas@sakarya.edu.tr
E. ÇELEBİ
L. KALIN
Ö. KELEŞ
Sakarya Uni. ecelebi@sakarya.edu.tr
Auburn Uni. latif@auburn.edu
Istanbul Technical Uni ozgulkeles@itu.edu.tr
F. DİKBIYIK
M. BEKTAŞOĞLU Sakarya Uni.
Sakarya Uni. fdikbiyik@sakarya.edu.tr
mehmetb@sakarya.edu.tr
P. CLAISSE Coventry Uni. pete@claisse.info
*Alfabetik olarak sıralanmıştır. (Alphabetically listed.)
İçindekiler (Contents) Mühendislik Bilimleri (Engineering Science) Programlanabilir CPLD tabanlı akıllı mikrodenetleyici eğitim seti tasarımı ve uygulaması The design and implementaton of programmable CPLD based smart microcontroller education set Selim Bakırcılar, Ahmet Turan Özcerit
123-133
Performans veri analizlerine bağlı olarak deneysel bir otomobil klima sisteminin kontrolü Control of an experimental auto air conditioning system depending on performance data analysis Salih Atçı, Alpaslan Alkan, Halil İbrahim Eskikurt, Ahmet Kolip
135-140
İstenebilirlik Fonksiyonu Yaklaşımı Kullanılarak Çok Yanıtlı Çerçevede Sabunlaşma Sürecinin Optimizasyonu Optimization of saponification process in multi-response framework by using desirability function approach Özlem Türkşen, Suna Ertunç
141-149
Bir düzlemsel robotun anlık pol planı ve hız vektörlerinin geometrik tasarımı The geometric design of currently polplan and velocity vectors of a planar parallel robot Engin Can
151-156
Flüoresan ve led aydınlatma kaynaklarının enerji kalitesi parametrelerinin incelenmesi ve karşılaştırılması The design and implementaton of programmable CPLD based smart microcontroller education set Banu Erginöz, Cenk Yavuz
157-161
Kauçuk sektörü Poka-Yoke uygulaması A Poka-Yoke application in rubber industry Engin Pekin, İbrahim Çil
163-170
Anaerobik fermantasyonla biyohidrojen üretim verimine etki eden faktörler Factors influencing fermentative biohydrogen production by anaerobic fermentation İlknur Şentürk, Hanife Büyükgüngör
171-186
Ürün varyant konfigürasyon yönetiminin ürün ağacı ve hataları üzerindeki etkilerinin incelenmesi The analysis of product variant configuration management on bill of material and its faults Ferit Karayazı1, İ. Hakkı Cedimoğlu
187-196
Mimarlık eğitimi ve tasarım stüdyosundaki maket yapımı yerine Artırılmış gerçeklik sistemlerinin kullanımın etkisinin değerlendirilmesi Evaluating the impact of augmented reality of augmented reality systems for model-making in architectural education and design studios Gürkan Özenen, Sinan Mert Şener
197-201
Bir HCCI motorun 0-boyutlu yanma analizi Zero dimensional combustion analysis of an HCCI engine Üsame Demir, Ömer Mustafa Göbeloğlu, Hakan S. Soyhan, Ekrem Büyükkaya
203-210
Tek kaynaktan çıkan maksimum sayıdaki tepe ayrık yolların bulunması probleminin sayımlama tekniği ile etkin çözümü Finding an efficient solution for the maximum number of single source node disjoint paths by enumeration Murat Erşen Berberler, Zeynep Nihan Berberler Kontenjans tablolarının analizinde log-lineer modellerin kullanımı ve sigara bağımlılığı üzerine bir uygulama Using log-linear models in the analysis of contingency tables and an application on the smoking addiction Sevgi Yurt Öncel, Funda Erdugan
211-217
219-233
SAÜ Fen Bil Der 19. Cilt, 2. Sayı, s. 123-133, 2015
Programlanabilir CPLD tabanlı akıllı mikrodenetleyici eğitim seti tasarımı ve uygulaması Selim Bakırcılar1, Ahmet Turan Özcerit2*
09.05.2012 Geliş/Received, 19.04.2013 Kabul/Accepted
ÖZ Bu makalede geleneksel mikrodenetleyici eğitim setlerinin aksine, kullanım açısından daha kolay, verimli, zaman kazandıran ve arızalanma olasılığı düşük bir mikrodenetleyicili eğitim seti tasarımı gerçeklenmiştir. Geleneksel eğitim setlerindeki sorunu oluşturan nokta üzerinde yoğunlaşılmış ve problemin çözümü noktasında muadil işlemi gerçekleştirebilecek bir analog anahtar matris kartı tasarlanmıştır. Bu kart kendisine bağlanan deney modülleri ile mikrodenetleyici geliştirme kiti arasındaki gerekli ayarları sağlamaktadır. Analog matris kartı analog anahtar entegreleri kullanılarak tasarlanmıştır. Bu kartın içerisinde barındırdığı analog anahtar entegrelerinin kontrolü için giriş-çıkış pin sayısı yüksek bir CPLD kullanılmıştır.CPLD için gerekli yazılımlar VHDL yazılmıştır ve CPLD, PC ile paralel port aracılığıyla programlanmaktadır. Mikrodenetleyici deneyleri için USB 2.0 üzerinden programlanabilen 8051 tabanlı bir mikrodenetleyicili ana kart tasarımı yapılmıştır. Anahtar matrisi üzerindeki CPLD ve anakart üzerindeki mikrodenetleyici bağımsız konfigürasyon yazılımları kullanılarak programlanmaktadırlar. Anahtar Kelimeler: 8051, deney seti, CPLD, vhdl, analog anahtar
The design and implementaton of programmable CPLD based smart microcontroller education set ABSTRACT In this article, unlike traditional microcontroller training kit, a microcontroller experiment set is implemented to be easier to use, efficient, time-saving and low probability of failure. By focusing on the problem of traditional educational set, we have designed an analog switch matrix card that can perform the equivalent operation. This card provides the necessary connections between microcontroller and the modules of the development kit. Analog matrix board are implemented by using integrated analog switches. The analog switches in the analog matrix board is controlled by a CPLD with a high I/O pin count. The configuration code of the CPLD is written in VHDL and it is programmed via parallel port interface on a PC. An 8051-based microcontroller motherboard, which can be programmed via USB 2.0, has been designed for microcontroller experiments. The CPLD on the switch matrix and on-board microcontroller are programmed using their programming tools independently. Keywords: 8051, experimental set, CPLD, vhdl, analog switch
*
Sorumlu Yazar / Corresponding Author 1 Sakarya Üniversitesi, Fen Bilimleri Entitüsü, Sakarya – selim55@hotmail.com 2 Sakarya Üniversitesi, Teknoloji Fakültesi, Bilgisayar Mühendisliği, Sakarya - aozcerit@sakarya.edu.tr
S. Bakırcılar, A. T. Özcerit
1. GİRİŞ (INTRODUCTION) Çağımızda teknoloji hızla ilerlemekte ve hayatın her alanına girmiş bulunmaktadır. Karmaşık problemlerin çözümlenmesi ve hayatın kolaylaşması için duyulan ihtiyaç bilgisayarların oluşmasına sebep olmuştur. Bilgisayarların beyni sayılan mikroişlemciler, elektronik ve bilgisayar alanında oldukça önemli yere sahiptirler. Mikrodenetleyiciler tek bir yapı üzerinde entegre edilmiş bir mikroişlemci, veri ve program belleği, lojik giriş ve çıkışlar, analog girişler ve işlevsellik katan diğer çevre birimleri (zamanlayıcılar, sayaçlar, kesiciler, analogtan sayısala çeviriciler v.b.) barındıran mikrobilgisayarlardır. Temelde mikroişlemci mimarisi iki çeşittir. Bunlar RISC (Reduced Instruction Set Computer: Azaltılmış komut seti) tabanlı işlemciler ve CISC (Complex Instruction Set Computer: Karmaşık komut seti) tabanlı işlemcilerdir. Mikrodenetleyicilerin de aynı şekilde RISC ve CISC mimarisine göre türleri vardır. Piyasada bulunan mikrodenetleyiciler bu iki işlemci sınıfından birine aittir. Mikrodenetleyici üretici firmalarının kullandıkları mimari türleri: • Microchip firmasının PIC mikrodenetleyicileri (RISC), • Intel firmasının MCS51 mikrodenetleyicileri (CISC), • Atmel firmasını AVR mikrodenetleyicileri (RISC), • Motorola FreeScale mikrodenetleyicileri, Piyasada çok çeşitli mikrodenetleyicili eğitim seti bulunmaktadır. Mikrodenetleyicili merkezli bu sistemler, birbirlerinden farklı deney modülleri içermekte ve bu modüller ve kullandığı mikrodenetleyicilere göre birbirlerinden farklılaşmaktadırlar. Bu sistemlerin temel çalışma mantığı mikrodenetleyicinin giriş çıkış portlarına bağlı deney modüllerinin, uygulamaya göre kullanılan yazılım ile birbirleri arasında etkileşiminden ibarettir. Bu sistemlerde bulunan deney modüllerinin deney uygulamalarında kullanılabilmesi için mikrodenetleyici ile arasında fiziksel bir bağlantı olması gereklidir. Eğitim setlerinde mikrodenetleyicinin giriş çıkış portlarının sayısından daha fazla sayıda deney modülü bulunmaktadır. Mikrodenetleyicinin sahip olduğu kısıtlı sayıdaki portları sebebiyle her deney modülü mikrodenetleyici ile yapılacak uygulamaya göre istenildiği zaman donanımsal olarak bağlı hale getirilir. Bu bağlantının yapılmasını sağlayan elemanlar anahtarlardır. Bu anahtarlar eğitim setleri üzerinde 8’li 10’lu sayıda DIP kılıfta birleştirilmiş olarak bulunmaktadırlar. DIP kılıfta birleştirilen bu anahtarların boyutları oldukça küçüktür. Yapılacak uygulamaya göre, ilk önce eğitim seti üzerinde kullanılacak deney modüllerinin seçimi için bu anahtarların gerekli konfigürasyonda ayarlanması gerekmektedir. Eğitim
124
Programlanabilir CPLD tabanlı akıllı mikrodenetleyici eğitim seti tasarımı ve uygulaması
setlerinde bu anahtarlar en çok müdahale gören devre elemanları oldukları için sık sık bozulmaktadırlar. Tamir ve değiştirme için ayrıca zaman kaybedilmekte ve emek harcanmaktadır. Tüm bu özellikleri nedeniyle bu anahtarlar eğitim setleri üzerinde en fazla olumsuzluğa neden olan bileşenlerdir. Tasarlanan sistemde bu anahtarlardan kurtulmanın yolları araştırılmış ve elektronik piyasasında bu anahtarların yerine aynı görevi gerçekleştirebilecek entegreler taranmıştır. Entegreler taranırken dikkat edilecek en önemli noktaların başında gelenler, entegrelerin tasarlanan sistemle uyumlu olarak çalışabilmesi ve sistemde meydana getireceği kaybın minimum düzeyde olmasıdır. Bu özellikler dikkate alındığında tasarlanan sistemde DIP anahtarlar ile muadil işlemi yapabilecek olan, Texas Instruments ’in üretmiş olduğu TS5A3359 single-pole triple-throw (SP3T) analog anahtar entegresinin kullanılmasına karar verilmiştir. 2. SİSTEMİN TASARIMI (THE DESIGN OF SYTEM) Tasarlanan sistemin merkezinde tüm işlemleri yöneten mikrodenetleyici geliştirme kartı bulunmaktadır. Oluşturulan eğitim setinde yapılacak herhangi bir uygulama ilgili mikrodenetleyici kontrol yazılımı ile oluşturulmakta ve bu kart tarafından işlenmektedir. Bu yazılımları test etmek ve somutlaştırmak, sistem için tasarlanan deney modülleri ile sağlanmaktadır. Anlattığımız bu işlemin gerçekleştirilmesi için oluşturulan yazılım ile buna paralel ilgili deney modülleri ve mikrodenetleyici arasında gerekli donanımsal devre bağlantılarının yapılmış olması gerekmektedir. Mikrodenetleyicinin dış dünya ile iletişim kurmak için kullandığı portların sayısının az ve bunun aksine eğitim setinde kullanılacak deney modüllerinin sayısının çok daha fazla olması yapılacak bağlantı için bir anahtarlama zorunluluğu doğurmaktadır. Sistem için seçilen, bu işlemi yapmakla görevli Şekil 5’te iç yapısı gösterilen analog anahtar entegresi deneyler için gerekli bağlantıları gerçekleştirmektedir. Şekil 1’de bir adet analog anahtar entegresi mikrodenetleyici tarafından üretilen bir bitlik bilgiyi kendisine bağlanan üç adet deney modülünden herhangi birine götürebilmek için gerekli devre bağlantısını sağlamaktadır. Bu işlemi dışarıdan herhangi bir fiziksel müdahale ile değil, bu işlem için sistemde bulunan CPLD tarafından üretilen elektriksel kontrol sinyalleri ile gerçekleştirmektedir. Bu sadece bir bitlik bilgi için yapılan bir anahtarlamadır. Mikrodenetleyicinin bir adet Giriş-Çıkış portunun 8 bitlik bilgi oluşturabileceği düşünülürse bu port için 8 adet analog anahtar entegresi kullanılması gerekir ve sistemde kullanılmak için seçilen mikrodenetleyici 4 adet Giriş-Çıkış portuna sahiptir ki tüm bunlar göz önünde SAÜ Fen Bil Der 19. Cilt, 2. Sayı, s. 123-133, 2015
Programlanabilir CPLD tabanlı akıllı mikrodenetleyici eğitim seti tasarımı ve uygulaması
S. Bakırcılar, A. T. Özcerit
bulundurulduğunda herhangi bir donanımsal karmaşa oluşmaması için ayrıca bir anahtarlama kartı tasarlanması düşünülmüştür. Bu anahtarlama kartı, oluşturulan eğitim setini piyasada bulunan diğer eğitim setlerinden farklı bir noktaya taşımaktadır.
Şekil 2. Analog Anahtar Kontrolü (Analog Switch Control)
Şekil 1. Analog Anahtarlama İşlemi (Analog Switching Function)
Analog anahtar kartında bulunan analog anahtar entegreleri sistemde kullanılan bir CPLD yardımı ile yapılacak deney için ilgili konumda ayarlanmaktadır. Kullanıcı eğitim setinde yapacağı bir uygulama için mikrodenetleyici kodlarını oluşturduktan sonra anahtarlama işlemi için CPLD kodlarını oluşturacaktır. Böylece yapılacak uygulama için gerekli devre bağlantıları otomatik olarak tamamlanmış olacaktır. Şekil-2’de bir adet analog anahtar entegresinin kontrolü gösterilmektedir. Tasarlanan eğitim setinde deney çeşitliliği büyük önem arz ettiğinden analog anahtar kartı ile mikrodenetleyiciye bağlanan paralel iletişimli deney modüllerinin dışında mikrodenetleyici ile seri olarak haberleşebilen deney modüllerininde tasarlanması düşünülmüştür. Paralel haberleşen deney modüllerinin çeşitliliğini arttırma noktasında mikrodenetleyicinin seri haberleşme veri yolunu paralel haberleşme veri yoluna dönüştüren 8 bit ve 16-bit olmak üzere genişletici devreler tasarlanmıştır.
Eğitim setini oluşturan tüm parçaların tasarımda donanımsal olarak statik durumda ve bir bütünsellik oluşturması düşünülmüştür. Hedeflenen çalışma doğrultusunda, piyasada bulunan modüler, tak-çıkar mantığı ile kullanılan deney modüllerine sahip mikrodenetleyici eğitim setleri veya bütünsel fakat el ile ayarlamalı deney setlerinden uzaklaşılmıştır. Oluşturulan sistemin temelinde PC ile USB aracılığı ile haberleşen 89C5131 mikrodenetleyicili kart bulunmaktadır. Mikrodenetleyiciye bağlı olan ana modüller, Şekil-3’te görülen TS5A3359 analog anahtarların bulunduğu TS5A3359 analog anahtar kartı ve mikrodenetleyici geliştirme kartının I C seri portunu paralel porta dönüştüren expander kartıdır. TS5A3359 analog anahtar kartın kontrolünün yapılması için XC95108 CPLD kullanılmıştır. CPLD kart’ın PC ile bağlantısı paralel port sayesinde kurulmaktadır. Tasarlanan sistemde bulunan paralel 8 bit ve 16 bit bilgi alışverişi gerçekleştirebilen deney modülleri bulunmaktadır. Bu deney modülleri expander kartı veya TS5A3359 analog anahtar kartına bağlanabilmektedir. Ayrıca bu deney modüllerinin dışında I C seri iletişim protokolü ile kontrol edilebilen seri deney modülleride bulunmaktadır. Tüm deney modülleri çalışmaları için gerekli besleme gerilimini mikrodenetleyici geliştirme kartından almaktadır. Sistemin genel yapısını anlatan ve sistemin temel bloklarının birbirleri arasındaki bağlantılarını gösteren blok şema Şekil 3’te görülmektedir. Öncelikle Şekil 3’te bütün olarak görülen sistemde yapılacak herhangi bir uygulama için bilgisayarda CPLD
SAÜ Fen Bil Der 19. Cilt, 2. Sayı, s. 123-133, 2015
125
S. Bakırcılar, A. T. Özcerit
ve mikrodenetleyici için gerekli yazılımın oluşturulması gereklidir. CPLD için oluşturulan yazılım bilgisayarın paralel portu yardımı ile CPLD’ye yüklenir. CPLD’ye yüklenen yazılım CPLD’nin çıkış pinlerine istenilen değerleri yükler böylece CPLD’nin çıkış pinlerine bağlı olan analog anahtar entegreleri yapılacak deney ile ilgili olarak paralel deney modülleri ile mikrodenetleyici arasında gerekli konfigürasyonu sağlar. Aynı zamanda bilgisayarda mikrodenetleyici için oluşturulan deney kodları USB portu aracılığı ile mikrodenetleyiciye yüklenerek deneyin gerçekleşmesi sağlanır. Ayrıca bilgisayarda mikrodenetleyicinin TWI (Two Wire Interface) portuna uygun olarak gerekli kodlar oluşturularak seri iletişim deney modülleri ile ilgili deneyler yapılabilmektedir. Şekil 3’te gösterilen, sistemin temelini oluşturan ana blokların donanımsal yapıları ve çalışmaları makalenin bir sonraki bölümünde detaylandırılarak irdelenmektedir.
Programlanabilir CPLD tabanlı akıllı mikrodenetleyici eğitim seti tasarımı ve uygulaması
USB aracılığı ile Atmel Flip programı ile yapılmaktadır. Keil C derleyicisi mikrodenetleyicinin bellek kullanımı, kesme kullanımı gibi kaynaklarını kendisi yönetmektedir. Kullanıcı C dilinin sağladığı kontrol ve döngü yapılarını da kullandığı için daha kolay, düzenli ve geliştirilebilir programlar yazabilir. Analog anahtar kartının kontrolünü yapan CPLD kartın yazılımı Xilinx Ise Webpack programı kullanılarak VHDL donanım programlama dilinde yazılmştır. CPLD kart için derlenen kodlar Xstools yazılımı ile CPLD’ye yüklenmektedir. 3.1 Mikrodenetleyici Geliştirme Kartı (Microcontroller Development Kit) Mikrodenetleyici geliştirme kartı, Atmel firmasının üretmiş olduğu AT89C5131 mikrodenetleyicisi kullanılarak hazırlanmıştır. AT89C5131 mikrodenetleyicinin özellikleri:
Şekil 3. Sistemin Temel Mimarisi (Basic Architecture of the System)
3. SİSTEMİ OLUŞTURAN BİRİMLER (THE COMPPONENTS OF THE SYSTEM)
Tasarlanan sistemi oluşturan Şekil 3’te de görüldüğü üzere dört birim bulunmaktadır. Bunlar mikrodenetleyici geliştirme kartı, analog anahtar kartı, CPLD kartı ve expander kartıdır. Çalışmada kullanıcıların oluşturulan sistemde çeşitli uygulamalar yapılabilmesi amacıyla da mikrodenetleyici ile paralel ve seri bus üzerinden iletişim kurabilen deney modülleri tasarlanmıştır. Tasarlanan tüm bu birimlerin donanımlarının oluşturulmasında Proteus programının Ares ve Isis yardımcı programlarından yararlanılmıştır. Mikrodenetleyici geliştirme kartı tarafından kontrol edilen deney modüllerinin program kodları Keil uvision derleyicisi kullanılarak C dilinde yazılmıştır. Mikrodenetleyiciye programın yüklenmesi 126
Maksimum çalışma frekansı 48 Mhz 3 adet 16-bit timer/counter 32 Kbyte programlama hafıza alanı 4 Kbyte EEPROM data (3 Kbyte Boot yazılımı için, 1 Kbyte Data için) 1024 Byte RAM TWI (Two Wire Interface) Saniyede 400 Kbit veri aktarım hızı 34 adet I/O pini Besleme gerilimi 2.7 – 5.5 V USB 1.2 ve 2.0 ile uyumlu olarak çalışabilme
AT89C5131 mikrodenetleyicisinin 8 bitlik I/O portları besleme gerilimleri ile birlikte toplam 10 pinlik soket olmak üzere 4 port şeklinde oluşturulmuştur. Bu şekilde bu portlara bağlanacak 8 bitlik deney modülleri için harici bir besleme kaynağı kullanımını ortadan kaldırmaktadır. Mikrodenetleyici geliştirme kartının besleme devresinde stabil bir kaynak elde edilmesi amacıyla LM7805 entegresi kullanılarak mikrodenetleyicinin ihtiyaç duyduğu 5V elde edilmiştir. TWI diğer bir adıyla I C arayüzünün kullanımı için iki bitlik veri giriş-çıkışı ile birlikte besleme gerilimleri dahil 4 pinlik port oluşturulmuştur. Mikrodenetleyicinin osilatör girişlerine 20 Mhz ve 22,184 Mhz olmak üzere iki ayrı frekansta kristaller bağlanmıştır. Devrede bulunan anahtar sayesinde istenilen kristal seçilebilmektedir. Ayrıca devrede USB’ye alternatif olarak MAX232 entegresi kullanılarak RS232 seri portu oluşturulmuştur.
SAÜ Fen Bil Der 19. Cilt, 2. Sayı, s. 123-133, 2015
Programlanabilir CPLD tabanlı akıllı mikrodenetleyici eğitim seti tasarımı ve uygulaması
S. Bakırcılar, A. T. Özcerit
oldukça düşük bir değerde olduğundan transfer edilmek istenen sinyalin herhangi bir distorsiyona uğramadan transferi gerçekleşebilmektedir. Entegre sahip olduğu oldukça düşük toplam harmonik bozulma özelliği ve düşük güçte çalışabilmesi nedeniyle ses uygulamalarında kullanımı oldukça uygundur.
Şekil 5. TS5A3359 Analog Anahtar Entegresi (Analog Switch IC) Şekil 4. Mikrodenetleyici Development Kit)
Geliştirme
Kartı
(Microcontroller
MAX232 entegresinin 11 ve 12 numaralı pinleri (T1IN R1OUT) mikrodenetleyicinin P3 portunun 0 ve 1 numaralı pinleri olan RXD ve TXD pinlerine bağlanmaktadır. MAX232 entegresi içerisinde bulunan 4 adet gerilim dönüştürücüsü (iki verici ve iki alıcı olmak üzere toplamda dört adet) sayesinde PC RS232 portunun pinlerinden gelen gerilim seviyelerini 5V TTL/CMOS gerilim seviyelerine dönüştürerek çıkışına aktarmaktadır. Bu sayede mikrodenetleyiciye bağlanan bu çıkışlarla bilgisayarda derlenen kodlar mikrodenetleyiciye yüklenebilmektedir. P0, P1, P2, P3 paralel 8 bitlik I/O portlarıdır. 9 ve 10 numaralı pinlerine besleme gerilimi bağlanarak toplamda 10 pinlik portlar halinde tasarlanmıştır. Ayrıca P0 portunun pinleri 1 kΩ dirençlerle +5 V çekilerek pull-up yapılmıştır. Diğer portlar mikrodenetleyici içerisinde dahili pull-up olduğu için pull-up yapılmasına gerek yoktur. USB portu mikrodenetleyicinin 22, 23 ve 24 numaralı (D+, D-, VREF) USB haberleşme pinlerine bağlanmıştır. USB aracılığı ile kart bilgisayar tarafından algılanmaktadır. 3.2 Analog Anahtar Kartı (Analog Switch Board) Analog anahtar kartı Texas Instruments firmasının üretmiş oldu TS5A3359 analog anahtar entegreleri ile hazırlanmıştır. Tasarlanan AT89C5131 mikrodenetleyici geliştirme kartına bağlanmakta olan analog anahtar kartının tasarımında 32 adet TS5A3359 entegresi kullanılmıştır.
IN1 ve IN2 giriş değerlerinin alabileceği gerilim değeri 0 ile 5 V arasındadır. Verilen gerilim değerini entegre lojik olarak ‘L’ (low) veya ‘H’ (high) olarak algılamaktadır. Girişlere uygulanan gerilim değerinin low olarak kabul edilebilmesi için 0 – 0,8 V arası bir değer olması gerekmektedir. High olarak kabul edilmesi için ise girişlere 2,4 – 5,5 V arası gerilim uygulamak yeterlidir. Tablo 1’de görüldüğü üzere giriş değerlerinin oluşturduğu dört çıkış durumu bulunmaktadır. COM pini diğer 3 pin ile bağlantıda olabilir yada entegre hiç hiçbir pinle bağlantı kurmadan reset konumunda olabilir. Tablo 1. TS5A3359 Fonksiyon Diyagramı (Function Diagram)
IN2
IN1
L L H H
L H L H
COM ile NO Arası Bağlantı OFF COM=NO0 COM=NO1 COM=NO2
AT89C5131 mikrodenetleyici geliştirme kartının dört adet paralel 8 bitlik I/O portlarına bağlanan bu kart I/O port sayısını 12 ye çıkarmaktadır. MICPORT0, MICPORT1, MICPORT2, MICPORT3 portları 8 bit veri olmak üzere besleme gerilimleri dahil toplam 10 pinlik portlardır. Bu portların her biri için sekiz adet TS5A3359 analog anahtar entegresi kullanılmıştır. Yani her 1 bit için bir adet analog anahtar entegresi kullanılmıştır. Bu nedenle her bit tek tek kontrol edilebilmektedir. TS5A3359 entegresinin üç çıkışı (NO0, NO1, NO2) bulunduğundan MICPORT’ların her biti deney modül portlarının bir bitini oluşturmaktadır.
TS5A3359 entegresi içerisinde bir adet single-pole triple-throw (SP3T) analog anahtar bulunduran bir entegredir. Entegrenin çalışma gerilimi 1,6 – 5,5 V tur. Çalışma durumunda iken entegrenin iç direnci 1 Ω gibi SAÜ Fen Bil Der 19. Cilt, 2. Sayı, s. 123-133, 2015
127
S. Bakırcılar, A. T. Özcerit
Programlanabilir CPLD tabanlı akıllı mikrodenetleyici eğitim seti tasarımı ve uygulaması
TS5A3359 analog anahtar kart bütünleşmiş bir hale getirilmiştir. 3.3 CPLD Kart (CPLD Board) Tasarımda CPLD olarak XILINX firmasının üretmiş olduğu XC95108 kullanılmıştır. CPLD’nin programlanması amacıyla XESS firmasının üretmiş olduğu XS95108+ kartı kullanılmıştır XC95108 84-pin PLCC, 100-pin PQFP, 100-pin TQFP, ve 160-pin PQFP kılıflarında piyasada bulunmaktadır. Kılıflar pin sayılarına göre farklılık göstermektedir. Dolayısıyla I/O pin sayılarıda farklıdır. Tasarımda kullanılan CPLD 84-pin PLCC kılıflı CPLD’dir. Bu CPLD’de 69 adet I/O pini bulunmaktadır. TS5A3359 analog anahtar kartı için gerekli olan 64 adet lojik kontrol girişi için yeterli olduğundan bu kılıf uygun görülmüştür. Tasarımda XC95108 CPLD’nin programlanması amacıyla XS95108+ kart kullanılmıştır. Boyutunun küçük, kullanımının pratik ve fiyatının uygun olması nedeniyle bu kart tercih edilmiştir. Kart üzerinde XC95108 CPLD, SRAM ve mikrodenetleyici bulunmaktadır. Harici bir 9 V kaynaktan beslenebildiği gibi kart üzerinde bulunan pinler aracılığı ile 5 V gerilim uygulanarak beslenebilmektedir. Kendi yardımcı yazılımı sayesinde bilgisayarın paralel portu aracılığı ile programlanabilmektedir. Şekil 6. Analog Anahtar Kartı (Analog Switch Board)
3.4 Deney Modülleri (Experiment Modules) Örneğin MIC PORT0’ın 1 numaralı pini bir analog anahtar entegresi ile üç adet deney modül portunun 1 numaralı pinine bağlanabilmektedir. Bu şekilde dört adet MICPORT, 12 adet deney modül portuna çoğullanarak kontrol işlemleri gerçekleştirilmektedir. Devre çalışması için gerekli besleme gerilimini mikrodenetleyiciye bağlı bulunan MICPORT’lardan almaktadır. Bu portların 9 ve 10 numaralı pinleri besleme gerilim pinleridir. Kartın üzerinde entegre haline getirilmiş CPLD kart besleme gerilimini analog anahtar kart üzerinden alabildiği gibi harici olarakta beslenebilmektedir. Analog anahtar kart üzerinde deney modüllerinin bağlantısının yapılacağı deney modül portları üzerinde de dahili besleme bulunmaktadır. Bu portlar 8 biti veri olmak üzere 9 ve 10 numaralı pinleri GND ve +5 V olup toplamda 10 pinlik portlardır. TS5A3359 analog anahtar entegrelerinin lojik kontrol uçlarının (IN1 ve IN2) toplandığı karşılıklı 42 pinlik olmak üzere toplam 84 pinden oluşan soket bulunmaktadır. Bu soket tasarımda kullanılan CPLD karta göre tasarlanmıştır. Böylelikle CPLD kart ile 128
Mikrodenetleyici anakartına bağlantılı modüllerin her bişri aşağıdaki kısımlarda açıklanmıştır. Her bir modül anakarta analog anahtar matrisi ile bağlanmaktadır. 3.4.1 Genişletme Kartı (Expander Board) Tasarlanan expander kartı sistemin temel birimlerinden birisi olarak düşünülebileceği gibi bir deney modülü olarakta kabul edilebilir. Fakat sistem için tasarlanmasının asıl nedenlerinden bir tanesi de sisteme bağlanabilecek 8 bitlik deney modül sayısını arttırarak yapılabilecek deney çeşitliliğini çoğaltmaktır. Genişletme kartı içerisinde Texas Instruments firmasının üretmiş olduğu I C’den 8 bit paralel port genişletici PCF8574 ve Microchip firmasının üretmiş olduğu I C’den 16 bit paralel port genişletici MCP23017 entegreleri kullanılmıştır. PCF8574 entegresinin mikrodenetleyici I C portuna bağlanan pinler, 14 ve 15 numaralı seri data ve seri clock pinleridir. SAÜ Fen Bil Der 19. Cilt, 2. Sayı, s. 123-133, 2015
Programlanabilir CPLD tabanlı akıllı mikrodenetleyici eğitim seti tasarımı ve uygulaması
S. Bakırcılar, A. T. Özcerit
3.4.2 Seri İletişim Deney Modülleri (Serial Interface Experiment Modules)
Seri deney modüllerinin tasarımı için kullanılacak entegreler, tasarlanan sistemin çalışma gerilimine uygun olması ve ayrıca ek gereksinim getirmemesi amacıyla araştırılmış ve seçim işlemi yapılmıştır. Mikrodenetleyicinin TWI portuna bağlı olan seri deney modüllerinin her biri için bir adres belirlenmiştir. Bu sayede kontrol edilmek istenen seri deney modülleri, adreslemelerine göre seçilebilmektedir. Şekil 7. PCF8574 ve MCP23017 Pin Tanımlamaları ( PCF8574 and MCP23017 Pin Definitions)
I C seri iletişim protokolüne uygun derlenen mikrodenetleyici kodları I C aracılığı ile bu entegrenin SCL ve SDA girişlerine uygulanmaktadır. Entegre, girişlerine uygulanan seri bilgiyi 5 – 12 arası pinlerinden 8 bitlik paralel bilgiye çevirmektedir. P0 – P7 çift yönlü pinler direk olarak led sürebilmek için yüksek akımlı çıkış üretebilmektedir. 13 numaralı INT pini entegrenin P0 – P7 pinlerinin giriş olarak kullanılması için mikrodenetleyicinin INT pinine bağlanabilmektedir. A0, A1 ve A2 pinleri entegrenin adres pinleridir. I C seri iletişim protokolünde cihazın seçilmesi ve bu cihaz ile ilgili işlem yapılabilmesi amacıyla kullanılmaktadır. MCP23017, 12 ve 13 numaralı seri data ve seri clock pinlerinden gelen bilgiyi GPA0 – GPA7 ve GPB0 – GPB7 pinlerine genişletmektedir. INTA ve INTB beraber kullanılabileceği gibi ayrı ayrıda kullanılabilir. Tasarlanan expander kartta INTA ve INTB pinleri için 2 pinli bir port oluşturulmuştur. İnterrupt çıkışları kullanılmak istendiğinde bu porttan interrupt çıkışları mikrodenetleyiciye verilebilir. A0, A1 ve A2 pinleri entegrenin adres pinleridir. Entegrenin tasarımda belirlenen adresine göre bu pinlere gerekli lojik değerler verilmektedir. 18 numaralı reset pini 9 numaralı VDD pinine bağlanmaktadır. Entegre besleme gerilimi verildiği zaman reset konumundan çıkmaktadır. Şekil-9’da görüldüğü üzere PCF8574 ve MCP23017 entegrelerinin üçer bitlik adres pinleri bulunduğundan I C ile kontrol edilebilecek diğer modüllerde düşünülerek adreslerin çakışmaması amacıyla entegrelerin adresleri 3er bit olarak verilmiştir. MCP23017’in adresi “100”, Port2’nin bağlı olduğu PCF8574’ün adresi “101” ve Port3’ün bağlı olduğu PCF8574’ün adresi “110” olarak belirlenmiştir. Şekil 8. Genişletme Kartı (Expander Board)
Bu çalışmada genişletme kartında bulunan Port4, Port5, Port6 ve Port7 portlarına (bkz Şekil 9) bağlanan, I C ile kontrol edilebilen üç adet deney modülü tasarlanmıştır. SAÜ Fen Bil Der 19. Cilt, 2. Sayı, s. 123-133, 2015
129
S. Bakırcılar, A. T. Özcerit
Bunlar RTC (Real Time Clock) deney modülü, 8 bit ADC/DAC (analog-dijital/ dijital-analog çevirici) deney modülü ve EEPROM deney modülüdür. Şekil-9’da görüldüğü gibi 8 pinli olan PCF8583 entegresi, gerçek tarih ve zamana ilaveten üzerinde alarm devresi ve 256 bayt RAM bellek de bulunmaktadır. Normal olarak +5V ile çalışmaktadır. Güç kaynağı olmayan durumlarda tarih ve saatin bozulmaması için entegreyi pil ile çalıştırmak mümkündür. PCF8583 entegresinin 1 ve 2 numaralı pinleri osilatör giriş ve çıkış pinleridir. Bu pinlere bağlanan 32,768 Khz saat kristali entegre için referans saat üreteci olarak çalışır. 3 numaralı pin entegrenin adres pinidir. Bu pin ile entegrenin adresi belirlenmektedir.
Programlanabilir CPLD tabanlı akıllı mikrodenetleyici eğitim seti tasarımı ve uygulaması
tasarlanan sistemdeki adresi belirlenmiştir. Entegrenin adresi 3 bitlik olmak üzere “001” olarak verilmiştir. 8 ve 16 numaralı pinler besleme gerilim pinleri olmak üzere bu pinler normal olarak DC 5 V ile beslenmektedir. 9 ve 10 numaralı pinler I C seri adres ve seri data pinleridir. 11 numaralı pin osilatör giriş veya çıkış pinidir. Bu pin tasarımda kullanılmamış boş bırakılmıştır. 12 numaralı EXT pini ise dahili ve harici osilatör kullanmak için bir anahtar görevi görmektedir. Tasarımda harici bir osilatör kullanılmak istenirse bu pin besleme pinine bağlanması gerekir. Fakat tasarımda harici bir osilatör kaynağı kullanılmadığı için bu pin şaseye bağlanmaktadır. 14 numaralı pin yani VREF pini ADC/DAC işlemini yerine getirmek için referans voltajı girişidir. Tasarımda kullanılan LM336 2,5V entegresi, VREF pini için çıkışında 2,5 V gerilim oluşturmaktadır. Ve bu entegrenin çıkışı VREF pinine bağlanmaktadır. 15 numaralı pin dijital-analog çevirme işlemi için analog çıkışı oluşturmaktadır. Entegre I C çift yönlü bus ile seri olarak data, kontrol ve veri transfer etmektedir. 3.4.3 Paralel İletişim Deney Modülleri (Parallel Interface Experiment Modules) Buzzer
7-Segment Display
P0
P2
10 pin soket
Şekil-9’da görüldüğü gibi 16 pinli olan PCF8591 ADC/DAC entegresinin 1,2,3 ve 4 numaralı pinleri [AIN0, AIN1, AIN2, AIN3] analog dijital çevirme işlemi için analog girişlerdir. Bu dört farklı kanaldan dört farklı analog sinyal entegreye uygulanabilmektedir. Analog sinyallerin şasesi 13 numaralı AGND (analog ground) pinine bağlanmaktadır. 5, 6 ve 7 numaralı pinler entegrenin adres pinleridir. Bu pinler ile entegrenin 130
10 pin soket
P1 10 pin soket
DIP-Switch
8 bit data
Led
8 bit data
Tuş Takımı
8 bit data
Şekil-9’da görüldüğü gibi 8 pinli olan CAT24C01entegresi 1 Kbyte hafıza alanına sahiptir. I C protokolünü kullanarak EEPROM’a veri yazılıp silinebilmektedir. Entegrenin 1, 2 ve 3 numaralı pinleri adres pinleridir. Genel tasarımda bu modülünde sabit bir adresi bulunmaktadır. Ve bu adres “010” belirlenmiştir. 4 ve 8 numaralı pinler besleme gerilim pinleridir ve DC 5 V ile beslenmektedir. 7 numaralı pin yani WP pini yazma ve silmeye karşı koruma pinleridir. Tasarımda bu pin özelliği kullanılmamış olup bu pin şaseye bağlanmıştır.
8 bit data
3b it d ata
8 bit data
Entegrenin adres pini tek bitlik olduğu için adresi lojik 0 olarak belirlenmiş ve adres pini devrede şaseye bağlanmıştır. Entegrenin 7 numaralı pini interrupt çıkışıdır. Kullanılması gerekli durumlarda bu çıkış tek pinlik bir bir port oluşturulmuştur.
LCD
ata it d 2b
Şekil 9. PCF8583-RTC, CAT24C01-EEPROM ve PCF8591 ADC/DAC pin tanımlamaları (PCF8583-RTC, CAT24C01EEPROM and PCF8591 ADC/DAC pin definitions)
LCD Kontrast
P3
P4
P5
10 pin soket
10 pin soket
10 pin soket
Şekil 10. Paralel Deney Modül Kartı (Parallel Interface Experiment Modul Board)
Paralel 8 bit olarak kontrol edilen ve bu şekilde tasarlanan deney modülleri LCD deney modülü, tuş takımı deney modülü, seven segment display deney modülü, DIP-anahtar deney modülü ve LED deney modülleridir. Bu modüller tek bir kart üzerinde toplanmış SAÜ Fen Bil Der 19. Cilt, 2. Sayı, s. 123-133, 2015
Programlanabilir CPLD tabanlı akıllı mikrodenetleyici eğitim seti tasarımı ve uygulaması
olup her modüle bağlanmak için ayrı 8 bit data olmak üzere 10 pinlik soketler halinde portlar oluşturulmuştur. Bu portlar tasarımda oluşturulan TS5A3359 analog anahtar kartına bağlanmaktadır. 7-Segment gösterge modülünün tasarımında bir adet 2rakam ortak anot gösterge kullanılmıştır. Kullanılan gösterge 16’sı data olmak üzere toplam 18 pinden oluşmaktadır.
S. Bakırcılar, A. T. Özcerit
besleme pinleridir. Sırası ile VDD ve GND olmak üzere P2 portunun 9 ve 10 numaralı pinlerine bağlanmaktadır. LCD’nin kontrolü P1 portu tarafından yapılmaktadır. LCD’nin kontrol pinleri (9-10-11 numaralı pinler) bu porta bağlanmaktadır. LCD’nin kontrast ayarının yapılabilmesi amacıyla LCD’nin 12 numaralı pinine bir potansiyometre bağlanarak besleme gerilimi verilebilmektedir. Ayrıca P1 kontrol portunun 1 ve 8 numaralı pinleri arasına bir buzzer ve led eklenmiştir. Tuş takımı modülünün tasarımında 4x4 lük bir tuş takımı kullanılmaktadır. Bu tuş takımı 8 pinden oluşmaktadır. Tuş takımında basılan butonlara göre tuş takımının çıkış pinleri kısa devre olmaktadır. Her butona basıldığında üretilen data, tasarımda P3 portuna gönderilmektedir.
Şekil 11. Ortak Anot Gösterge (Common Anode Display)
Ortak anot göstergelerde her bir parça ayrı bir katot pini ile kontrol edilir. Yakılmak istenen segmentin bağlı olduğu pine lojik 0 giriş uygulandığında ilgili segmentin LED i ışık verecektir. Şekil 10’da gösterilen tasarımın blok şemasında P0, display için gerekli data sinyallerini göndermektedir. Şekil 11’de verilen tasarımda kullandığımız göstergenin ortak uçları birbirlerine bağlanmıştır. Yani 17-12, 18-13 ve aynı şekilde diğer pinler birbirlerine kısa devre durumdadır. P0 portunun 1 numaralı pini A segmentini, 2 numaralı pini B segmentini ve bu şekilde 8 numaralı pini DP yani nokta segmentini kontrol etmektedir. Yani P0 portunun 1 numaralı pini göstergenin 17 ve 12 numaralı pinleri ile bağlantılı durumdadır. Göstergenin kontrolü için 14 ve 15 numaralı pinler BC237 kondansatörü ile tetiklenmektedir. BC237 transistörünün 3 nolu pinine displaylerin 14 ve 15 numaralı pinlerine bağlanmaktadır. Transistörde 1 nolu pine besleme gerilimi, ve 2 nolu pine ise kontrol sinyalimizi bağladığımızda 2 nolu pindeki voltaj 0.6 volt değerini geçtiği andan itibaren 1 ile 3 nolu pinden bir akım geçişi meydana gelmeye başlar 2 ile 3 nolu pin arasındaki potansiyel fark arttıkça 1 ve 3 nolu pinler üzerinden geçen akım belirli sınırlar ve koşullar sağlandığı sürece artmaya devam edecektir. BC237 transistörlerinin kontrol pinleri yani beyz pinleri tasarımda bulunan P1 portunun 5 ve 6 numaralı pinlerine bağlanmaktadır. Bu şekilde displaylerin digitleri aktif hale geçerek kontrol işlemleri yapılabilmektedir. Şekil 10’daki tasarımda kullanılan LCD 14 pinden oluşmaktadır. LCD’nin 1-8 arası pinleri P2 portunun 1 ve 8 numaralı pinlerine bağlanmaktadır. P2 portu LCD’ye data gönderen porttur. LCD’nin 13 ve 14 numaralı pinleri SAÜ Fen Bil Der 19. Cilt, 2. Sayı, s. 123-133, 2015
Tasarlanan paralel deney modül kartında bulunan Led modülünün tasarımı için sekiz adet led ve sekiz adet 1 kΩ direnç kullanılmıştır. Led modülünde bulunan her led Şekil 10’da gösterildiği gibi P4 portuna bağlanmaktadır. Her bir led 1 kΩ dirençlere seri bağlanmıştır. Bu modül P4 portundan gelen 8 bitlik dataya göre aktif hale geçmektedir. DIP-switch modülünün tasarımında 8’li DIP-switch kullanılmıştır. Switchlerin pinleri Şekil 10’da gösterilen P5 portu ile şase arasına bağlanarak P5 portuna istenilen 8 bitlik veri gönderilebilmektedir. 4. SİSTEMİN YAZILIMI (SYSTEM SOFTWARE) Tasarlanan AT89C5131 mikrodenetleyici geliştirme kartında 2’li anahtar yardımıyla seçilebilen iki kristal osilatör bulunmaktadır. Bu anahtar yardımıyla devredeki 20.000 Mhz’lik kristal osilatör seçilmelidir. Bu kristal seçildikten sonra diğer kristalin seçili olmadığına dikkat edilmelidir. Devrenin USB programlama kablosunu bilgisayara bağlamadan devreye enerji verilmelidir ve kart programlama moduna alınmalıdır. Kartın programlama moduna alınması için (ilk olarak RESET butonuna basılmalı, RESET butonu bırakılmadan PSEN butonuna basılmalıdır. İki butonda basılı iken ilk olarak RESET daha sonrada PSEN butonu bırakılmalıdır. Bu işlemin sonunda kart programlanma moduna alınmış olmaktadır. Kart programlama moduna alınmadan bilgisayar bağlantısı yapılırsa, “USB Aygıtı Tanınamadı” hatası ile karşılaşılır. Bu durumda USB bağlantısı sökülüp, kartın programlama moduna alınması işleminin tekrar gerçekleştirilmesi gerekmektedir. Her programlanmada USB bağlantısı sökülmeli, kart programlanma moduna alınmalı ve daha sonra USB bağlantısı tekrar yapılmalıdır. Flip yardımıyla derlenen kodların mikrodenetleyiciye yüklenmesi gerçekleşmektedir. Flip programı bilgisayara kurulduğunda, kurulum yapılan 131
Programlanabilir CPLD tabanlı akıllı mikrodenetleyici eğitim seti tasarımı ve uygulaması
S. Bakırcılar, A. T. Özcerit
klasörün içerisindeki “USB” klasöründe bulunan USB sürücü dosyalarında AT89C5131 mikrodenetleyicisinin sürücü dosyası “yeni donanım sihirbazından” yüklenmelidir. Atmel Flip programı mikrodenetleyicinin program hafızasını silebilmekte, mikrodenetleyiciyi test edebilmekte ve tasarım .hex dosyalarını mikrodenetleyiciye yükleyebilmektedir. Tasarım kodlarının oluşturulması ve derlenmesi Keil uVision3 derleyicisinde yapılmıştır. Keil uvVision derleyicisinde yeni proje oluşturup .c uzantılı olarak kaydederek proje sayfasında aşağıdaki yapıya göre program kodları yazılmaktadır. #include <89c5131A.h> Kütüphane dosyaları #include <stdio.h> sfr.... sbit.... Global Değişkenler int… void alt_program() Alt program (Örneğin { ana programda ….. kullanılacak gecikme) } void kesme_0 ( ) interrupt 0 { Kesmelerin tanımlanması ….. { main() { Ana program ….. } Bu yapıya göre yazılan program sonrasında programda herhangi bir hatanın olmaması durumunda mikrodenetleyiciye yüklenecek hex kodu Keil uvVision derleyicisinde başarı ile üretilebilir. Tasarımda kullanılan CPLD kartın test edilmesi ve donanımının programlanmasında XSTOOLS yazılımı kullanılmaktadır. Bu yazılım ile CPLD’ye .svf .xsvf uzantılı program kod dosyaları yüklenebilmektedir. CPLD’nin yazılımında VHDL donanım tanımlama dili kullanıldığından Xilinx ISE Webpack 10.1 programında tasarım kodları derlenebilmektedir. ISE Webpack programında XC95108 CPLD seçilerek proje oluşturulması gerekir. Programda proje oluşturulmasından sonra kodlar derlenip başarı ile sentezleme işlemi yapıldıktan sonra CPLD’nin istenilen I/O pinlerine derlenen kodlarda oluşturulan çıkışlar aktarılabilmektedir. Bu işlemlerden sonra ISE Webpack programı CPLD’ye uygun .svf veya .xsvf dosyalarını üretebilmektedir. Aşağıdaki mimari yapıya göre program kodları yazılmaktadır. entity mcport1_mport1 is Port ( p1 : out STD_LOGIC; 132
p2 : out STD_LOGIC); end mcport1_mport1; architecture Behavioral of mcport1_mport1 is process begin p1 <= '1'; Ana program p2 <= '0'; end process; end Behavioral; CPLD’ye yüklenen .svf veya .xsvf uzantılı dosyalar, TS5A3359 analog anahtar kartında yapılacak uygulamaya göre istenilen portların bağlantılarının aktif edilmesini sağlar. Böylece deney yapılmak istenen modüllerin bağlantıları otomatik gerçekleştirilir. TS5A3359 analog anahtar kartında bulunan 12(3x4) adet 8 bit I/O portunun her birinin ayrı ayrı mikrodenetleyici geliştirme kartına bağlantısı ve her iki portun ayrı ayrı mikrodenetleyici geliştirme kartına bağlanması noktasında 66 adet konfigürasyon ihtimali ortaya çıkmaktadır. Örneğin mikrodenetleyicinin P1 portuna bağlanan TS5A3359 anahtar kartında 3 adet port bulunmaktadır. Bunlar P1.1 P1.2 ve P1.3’tür. Bu portların her birinin mikrodenetleyicinin P1 portuna bağlanması üç olasılık doğurur. Bu portların her ikisinin birden P1 portu ile çalışmasının mümkün olmadığı için üç olasılık bulunmaktadır. Aynı şekilde mikrodenetleyicinin diğer portları içinde üç olasılık bulunmaktadır. Bunun dışında ikili olasılıklarla birlikte (P0.1’in P1.1 veya P2.1 veya P3.1 deney modül portu ile bağlantıları) toplamda 66 adet olasılık oluşmaktadır. Mikrodenetleyicinin üç portunun birden kullanıldığı konfigürasyon olasılıkları oldukça fazla olduğundan bu durumlarda gerçekleşebilecek deneyler için belirli deney senaryolar belirlenebilir. Fakat üç portun birden kullanıldığı deney uygulamalarının çok fazla sayıda olmaması ancak yapılmasının istendiği durumlarda bu seneryolarla oluşturulan bağlantılar kullanılabilir. Portların bağlantısında oluşan 66 adet konfigürasyon ihtimali için .svf dosyaları hazırlanmış ve deneylerde uygulamalarında kullanılmak üzere düzenlenmiştir. Örnek olarak mikrodenetleyici geliştirme kartının P0 portuna bağlantısının yapılması istenen deney modül portunun P0.1 portu olduğunu kabul edersek Tablo 1’de gösterilen fonksiyon diyagramına göre CPLD pin numaralarının vermesi gereken çıkışlar;
Port tanımlamaları SAÜ Fen Bil Der 19. Cilt, 2. Sayı, s. 123-133, 2015
Programlanabilir CPLD tabanlı akıllı mikrodenetleyici eğitim seti tasarımı ve uygulaması Tablo 2. Konfigürasyon Olasılığı 1 (Configuration Probability 1)
S. Bakırcılar, A. T. Özcerit
P0 Pin No
P0.1 Pin No
SP3T Lojik Kontrol Pinleri
CPLD I/O Pin No
Alması Gereken Değer
Ayrıca sistemin kullanımının kolaylaştırılması için gerekli paket programlar hazırlanarak kullanıcının ana konudan uzaklaşmadan sistemi kullanabilmesi sağlanmıştır.
8 7 6 5 4 3 2 1
8 7 6 5 4 3 2 1
IN1-IN2 IN1-IN2 IN1-IN2 IN1-IN2 IN1-IN2 IN1-IN2 IN1-IN2 IN1-IN2
23-24 25-26 31-32 33-34 35-36 37-39 40-41 43-44
lojik 1- lojik 0 lojik 1- lojik 0 lojik 1- lojik 0 lojik 1- lojik 0 lojik 1- lojik 0 lojik 1- lojik 0 lojik 1- lojik 0 lojik 1- lojik 0
Sistemin tasarımında oluşturulan analog anahtar kartı başka mikrodenetleyici eğitim setlerine de kolayca entegre edilebilmektedir. Tasarlanan sistem daha fazla deney modül kartları barındırarak deney çeşitliliği arttırılabilir.
Bu olasılık için tasarlanan VHDL kodları aşağıda gösterilmiştir: entity mcport1_mport1 is Port ( p23, p24, p25 : out STD_LOGIC; p26, p31, p32 : out STD_LOGIC; p33, p34, p35 : out STD_LOGIC; p36, p37, p39 : out STD_LOGIC; p40, p41, p43, p44 : out STD_LOGIC ); end mcport1_mport1; architecture Behavioral of mcport1_mport1 is begin p23 <= '1'; p24 <= '0'; p25 <= '1';p26 <= '0'; p31 <= '1'; p32 <= '0'; p33 <= '1';p34 <= '0'; p35 <= '1'; p36 <= '0'; p37 <= '1';p39 <= '0'; p40 <= '1'; p41 <= '0'; p43 <= '1';p44 <= '0'; end Behavioral; Tasarlanan bu kod çalışmada P0.1.svf olarak kaydedilmiştir. Aynı şekilde P0.2.svf, P0.3.svf, P1.1.svf, P1.2.svf, P1.3.svf, P2.1.svf, P2.2, P2.3.svf, P3.1.svf, P3.2.svf, P3.3.svf olmak üzere toplam 12 konfigürasyon ve P0.1-P1.1, P0.1-P1.2, P0.1-P1.3 şeklinde ikili port bağlantıları için toplam 66-12=48 konfigrasyon için kodlar .svf olarak kaydedilmiştir.
Sistemin bilgisayar aracılığı ile programlanmakta olduğundan sistemin kararlı çalışabilmesi ve sistemin çalışmasını sağlayan yazılımların problem teşkil etmemesi için tasarım XP işletim sistemi kurulu bilgisayarlarda çalıştırılmalıdır. Windows 7’de sebebi anlaşılmayan bazı nedenlerden dolay sistem kararlı çalışmayabilmektedir. KAYNAKLAR (REFERENCES) [1]
[2] [3] [4]
[5] [6] [7]
[8]
5. SONUÇLAR (RESULTS) Tasarlanan çalışmada teknolojinin her alanında oldukça yaygın olarak kullanılan mikrodenetleyicilerin eğitim alanında öğrenilmesini kolaylaştırmak amacıyla bir mikrodenetleyicili sistem ve uygulama devreleri tasarlanmış ve gerçekleştirilmiştir. Günümüzde kullanılan mikrodenetleyici eğitim setlerinde en çok şikayet edilen nokta olan uygulama devreleri ile mikrodenetleyici sistemin bağlantısının sağlanmasındaki işlemi basit ve hızlı bir şekilde çözen yeni bir sistem oluşturulmuştur. Oluşturulan sistem her yazılım için kurulması gereken donanımın hazırlanmasını ortadan
[9]
[10]
[11]
A.T. Özcerit, C. Bayılmış, M. Çakıroğlu, “8051 Mikrodenetleyici Uygulamaları”, Papatya Yayıncılık, 2011 T. Mc Calla, “Digital Logic And Computer Design”, Maxmillan Publishing Company, 1992 Tredennick N., “Microprocessor Logic Design”, Digital Press, 1987 http://www.atmel.com/Images/doc4136.pdf (AT89 C5131 8-bit Flash Microcontroller With Full Speed Usb Device Datasheet) http://www.atmel.com/Images/doc4287.pdf. (AT89C5131 USB Bootloader) http://www.ti.com/lit/ds/symlink/ts5a3359.p df. (TS5A3359 Analog Switch Device Datasheet) http://www.ti.com/lit/ds/symlink/pcf8574.p df. (PCF8574 Remote 8-BIT I/O Expander For I C Bus) http://ww1.microchip.com/downloads/en/de vicedoc/21952b.pdf.(MCP23017 16-Bit I/O Expander with Serial Interface) http://www.nxp.com/documents/data_sheet/ PCF8583.pdf. (PCF8583 Clock and calendar with 240 x 8-bit RAM) http://www.onsemi.com/pub_link/Collateral /CAT24C02-D.PDF.(1-Kb CMOS Serial EEPROM) http://astro.temple.edu/~cvecchio/PCF8591 _6.pdf.(8-bit A/D and D/A converter Device)
kaldırmakta ve Bu da donanımın hazırlanması noktasında oluşabilecek arızaları engellemektedir. SAÜ Fen Bil Der 19. Cilt, 2. Sayı, s. 123-133, 2015
133
SAÜ Fen Bil Der 19. Cilt, 2. Sayı, s. 135-140, 2015
Performans veri analizlerine bağlı olarak deneysel bir otomobil klima sisteminin kontrolü Salih Atçı1*, Alpaslan Alkan2 , Halil İbrahim Eskikurt3, Ahmet Kolip4 21.04.2014 Geliş/Received, 26.05.2014 Kabul/Accepted
ÖZ Günümüzde otomotiv, biyomedikal, endüstriyel üretim, uzaktan makine kontrolü, depolama ve takip, bina ve fabrika otomasyonu gibi birçok alanda güvenilir ve az maliyetli uygulamaların gerçekleştirilmesinde gelişmiş kontrol yöntemlerinin kullanılması büyük önem kazanmaktadır. Bu çeşit endüstriyel uygulamalarda en çok kullanılan kontrolör çeşitlerinden birisi de PID kontrolördür. Bu çalışmada, deneysel bir otomobil klima sistemi elektriksel ölçüm cihazlarıyla donatılarak laboratuar ortamında kurulmuştur. Gerçekleştirilen veri toplama ve kontrol sistemi ile sensörlerden gelen anlık veriler modbus protokolü ile bilgisayar ortamında işlenmekte ve sistemin performans analizi yapılabilmektedir. Oluşturulan arayüz programı ile motor devri, iç ve dış ünite hava sıcaklıkları ile hızları gibi ölçümlere müdahale edilebilmektedir. Bu sayede bir otomobil iklimlendirme sisteminin en ideal ortamda çalışması hedeflenmiştir. Anahtar Kelimeler: veri toplama ve kontrol, otomobil klima sistemi, modbus rtu, plc, seri haberleşme
Control of an experimental auto air conditioning system depending on performance data analysis ABSTRACT Nowadays, using of advanced control methods in order to realize the safe and economical applications at many fields like automotive, biomedical, industrial production, remote machine control, storage and following, building and factory automation has became great importance. On these type industrial applications, PID controller is one of the commonly used controller types. In this study an experimental automobile air conditioning system has been equipped with electrical measuring devices and has been constructed in laboratory. Immediate data comes from sensors throughout the realized data collection and control system is processed in computer with modbus protocol and performance analyze of the system can be made. The created interface program can intervene in measurements like engine speed, internal and external unit air temperature and speeds. By this means, it is aimed to being operate an automobile air conditioning system in the most ideal environment. Keywords: data acquisition and control, automobile air conditioning system, modbus rtu, plc, serial communication
* Sorumlu Yazar / Corresponding Author 1 Hendek A.K.V. Mesleki ve Teknik Anadolu Lisesi, Sakarya- salih07@gmail.com 2 Sakarya Üniversitesi, Teknoloji Fakültesi, Makine Mühendisliği, Sakarya -aalkan@sakarya.edu.tr 3 Sakarya Üniversitesi, Teknoloji Fakültesi, Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Sakarya - eskikurt@sakarya.edu.tr 4 Sakarya Üniversitesi, Teknoloji Fakültesi, Makine Mühendisliği, Sakarya -akolip@sakarya.edu.tr
S. Atçı, A. Alkan, H. İ. Eskikurt, A. Kolip
1. GİRİŞ (INTRODUCTION)
Performans veri analizlerine bağlı olarak deneysel bir otomobil klima sisteminin kontrolü
2. MATERYAL VE METOT (MATERIALS AND METHODS)
Ölçme tekniği, evrende var olan olayları kontrol altına almanın ve bu olayları yönetebilmenin temel bilimidir. Karşılaştırma yöntemlerine dayanır ve fiziksel büyüklükleri temel alır. Fiziksel büyüklükler matematik ile tanımlanıp, kontrol edilmelerine imkân verir. Herkes öğrenimi esnasında veya hayatta sürekli ölçüm cihazları ile karşılaşır. Otomatik Kontrol Sistemleri, ait olduğu sistemi insan müdahalesi gerektirmeksizin arzu edilen değerler arasında tutmayı amaçlayan sistemlerdir [1]. Bugün, modern ev ve bürolardaki ısıtma ve havalandırma sistem ya da düzenleri, otomatik kontrol yöntemleri yardımı ile ısıyı ya da ortamın nemini ayarlar. Endüstride, modern araç ve gereçlerde, otomatik kontrol sistemlerinin sayısız uygulamaları vardır. Üretilen ürünlerin niteliklerinin kontrolü, ilaç endüstrisinde ilaçların kontrolü, takım üreten makinelerin kontrolü, uçakların oto-pilot ile kontrolü, gemilerin kontrolü, modern gerilim regülatörleri, güdümlü araçların kontrolü, bilgisayarla kontrol, trafik kontrolü, robotlar ve kontrolleri, kimya endüstrisinde üretilen ürünlerin kontrolü gibi birçok örnek verilebilir [2]. Jung ve arkadaşları [3] tasarladıkları bir otomobil klima sisteminde çeşitli akışkanların otomobil klima performansına etkisini deneysel ve teorik olarak incelemişlerdir. Esen ve Hoşöz [4] bir otomobil klima sisteminin deneysel performansı karşılaştırmalı olarak belirlemişlerdir. Çalışmada soğutma ve ısıtma sırasındaki performanslarını deneysel olarak ölçmüşlerdir. Alkan [5] çeşitli tiplerde kompresör ve genleşme elemanı kullanan bir otomobil iklimlendirme sistemininkarşılaştırmalı deneysel analizini yapmıştır. Alkan ve Hoşöz, [6] sabit kapasiteli kompresör kullanılan bir otomobil klima sisteminin iki farklı tipteki genleşme elemanı için deneysel performanslarını karşılaştırmalı olarak belirlemiştir. Kaynaklı ve Horuz, [7] optimum çalışma şartlarını belirlemek amacıyla R134a ile çalışan bir otomobil klima sisteminin performansını deneysel olarak araştırmışlardır.
2.1. Haberleşme arabirimleri ve modbus protokolü (Communication interfaces and modbus protocol)
RS-232 son yıllarda oldukça popüler ve yaygın bir haberleşme arabirimi olarak kullanılmaktadır. Masaüstü bilgisayarlarda, yazıcılarda, veri toplama modüllerinde, test cihazlarında ve kontrol devrelerinde yaygın olarak kullanılmaktadır. RS-232 iki cihaz arasında bilgi alışverişine yönelik olarak tasarlanmıştır. RS-232’nin başlıca üstünlükleri şu şekilde verilebilir. a) Çok yaygındır. Her PC’de en az bir RS-232 portu bulunur. b) Mikrokontrolörde, arabirim yongaları bir 5 V seri portu RS-232 ye çevirebilirler. c) 2- yollu bir link için sadece üç tele ihtiyaç vardır. Paralel linkte sekiz adet veri hattıyla iki ve daha fazla kontrol sinyali ve birkaç da toprak hattı bulunur [8]. Dezavantajları ise şunlardır: a) Linkin karşı ucu paralel veri gerektiriyorsa, gelen veriyi paralel veriye dönüştürmek zorunda kalacaktır. b) Belirlenen en yüksek hız 20,000 bps’dir. Oysa genellikle kısa linklerde, bunun üzerine çıkan, pek çok arabirim bulunmaktadır. c) Çok uzun linklerde farklı arabirim gerekebilir. Daha yüksek hız, daha uzun link ve daha çok düğüm olması halinde RS-485 dengeli arabirimi bir çözüm olarak sunulmaktadır. RS-232’den daha yüksek hızlarda ve uzak mesafelerde veri transferi gerektiğinde çözüm RS485 arabirimidir. RS-485’li linkler iki cihazla sınırlı değildir. Mesafeye, bit hızına ve arabirim yongalarına bağlı olarak sayıları 256’ya varabilen düğüm bir linkle bağlanabilir[8]. RS-435 arabirimin şunlardır:
RS-232’ye
göre
üstünlükleri
a) Maliyeti düşüktür. Sürücüleri ve alıcıları pahalı değildir. +5V ya da daha düşük güç kaynağıyla çalışırlar. Böyle bir kaynakla, farksal çıkışlarda gereken minimum 1,5V’luk farkı üretebilirler. RS-232’nin ± 5V’luk minimum çıkışı, ± gerilimli bir güç kaynağını ya da bunları türeten daha pahalı bir arabirim yongası gerektirir.
Bu çalışmada, bir otomobil klima sisteminin performans analizlerinin gerçekleştirilmesi için laboratuvar ortamında bir deney düzeneği hazırlanmıştır. Sistemdeki anlık veriler sensörlerden alınarak bilgisayar ortamına excel dosyası halinde aktarılmaktadır. Bu sayede istenilen verilerle ilgili grafikler çizdirilmektedir. Böylelikle bilgisayardan girilen b) İki cihazla sınırlı olmayışı RS-485’nin çok sayıda referans değerleri ile oluşturulan deney düzeneğinin sürücüsü ve alıcısı olmasını sağlar. Yüksek empedanslı istenilen şartlarda çalışması sağlanabilmektedir. sürücülerle bir RS-485 256 düğümlü olabilir.
136
SAÜ Fen Bil Der 19. Cilt, 2. Sayı, s. 135-140, 2015
Performans veri analizlerine bağlı olarak deneysel bir otomobil klima sisteminin kontrolü
c) Saniyede 10 Megabit hız mümkündür. Bit hızı kablo boyu ilişkilidir. Seri arabirimlemekullanılması yanında RS-485, farksal SCSI gibi hızlı paralel arabirimlerde de kullanılabilir [8]. Modbus, ilk olarak 1979 yılında Modicon tarafından kendi PLC’lerinde kullanmak için geliştirdiği bir seri kanal haberleşme protokolüdür. Master-slave yapısıyla haberleşir. Slave, veriyi sağlayan taraftır ve master tarafının yönetiminde haberleşme sağlanır, data okuma isteği gönderen master tarafıdır. Bir master 247 adet slave'e bağlanabilir ve bu slave'lerin her birine bir birim numarası (Unit ID) verilir, bu ID sayesinde master hangi slave ile haberleşme sağlayacağını gönderdiği mesaj paketi içinde belirtir. Modbus açık kaynak kodlu haberleşme protokolü olarak tasarlandığından, üreticiler ürünlerinde MODBUS protokolünü kullanırken herhangi bir ücret ödememektedir. Bu sebepten dolayı MODBUS günümüzde endüstriyel uygulamalarda en çok kullanılan ve destek verilen haberleşme protokolü olmuştur. Genel kullanım alanı saha seviyesinde kullanılan ölçüm cihazlarından gelen verilerin ana kontrolcüye iletilme aşamasındadır. Kullanılan cihazın türüne ve taşıdığı veriye bağlı olarak MODBUS RTU, MODBUS ASCII ve MODBUS TCP/IP, MODBUS over UDP, MODBUS Plus olmak üzere 5 farklı MODBUS protokolü geliştirilmiştir. Bunlardan seri kanal haberleşmesinde en sık kullanılan MODBUS RTU olduğu gibi, ethernet altyapısında kullanılan haberleşme protokolü ise MODBUS TCP/IP’dir [9]. MODBUS RTU, verilerin binary olarak alınıp gönderildiği ve bu verilerin güvenilirliğini artırmak için çevrimsel artıklık denetimi (CRC – Cyclic Redundancy Check) doğrulama verisi ile birlikte gönderildiği haberleşme protokolüdür. Bu eklenen CRC verisi gönderilecek olan verinin içeriğine göre hesaplanır ve gönderilen veriye eklenir. Alıcı taraf da aynı şekilde gelen veriye göre bir CRC kodu hesaplar ve onu gelen CRC verisiyle kıyaslar ve bu şekilde gelen verinin doğruluğu kontrol edilmiş olur. Seri kanal haberleşmede en çok tercih edilen ve destek verilen haberleşme standartıdır. Mesajın gideceği hedef MODBUS TCP/IP de birim nosu (Unit ID) olarak mesaj paketine eklenirken, MODBUS RTU da 8 bitlik hedef adresi eklenir [9].
S. Atçı, A. Alkan, H. İ. Eskikurt, A. Kolip
İstenilen set değerine gelmesi ve set değerinin değişimlerinde onu takip etmesi istenir. İyi bir denetim performansı için de bu işlemin en kısa zamanda ve az hata ile yapılması gerekir. Hatanın anlamı set değeri ile gerçek değer arasındaki farktır. PID denetleyici, bu hataya ve hatanın değişim hızına bağlı olarak çıkış verir [10]. PID denetleyici çıkışı ( )=
( )+
∫ ( )+
( )
(1)
şeklinde ifade edilir [11]. PID kontrol; üç temel kontrolün üstünlüklerini tek bir birim içinde birleştiren bir kontrolördür. İntegral kontrol, sistemde ortaya çıkabilecek kalıcı-durum hatasını sıfırlarken türev kontrol, yalnızca PI kontrol etkisi kullanılması haline göre sistemin aynı bağıl kararlılığı için cevap hızını artırır. Buna göre PID kontrol organı sistemde sıfır kalıcı-durum hatası olan hızlı bir cevap sağlar.PID kontrollü bir sistemin blok diyagramı aşağıdaki şekilde verilmiştir [2].
Şekil 1. PID kontrollü sistemin blok diyagramı (PID controlled system block diagram)
3. VERİ TOPLAMA VE KONTROL SİSTEMİ (DATA ACQUISITION AND CONTROL SYSTEM)
Deneysel otomobil klima sisteminin şeması aşağıda görülmektedir. Sistemde anlık verileri almak için sıcaklık, nem, basınç, debi hava akış sensörleri ile termokupllar kullanılmıştır. Sistemi beslemek için dc 12 V ve 24 V‘luk güç kaynakları kullanılmıştır. Kompresörü çalıştırmak için fazlı asenkron motor kayış kasnak 2.2 Orantı, integral ve türev kontrol (PID kontrol) 3 mekanizmasıylabağlanmıştır. Frekans inverter ile de (Proportional, integral and derivative control (PID control)) proximityswitch sayesinde motor hızı ayarlanmaktadır. PID Kontrol, üç temel kontrol etkisinin (P,I,D) Ayrıca rezistansların kontrolü, debimetreden alınan anlık birleşimden meydana gelmiştir.PID denetim endüstride veriler PLC cihazına gönderilmektedir. PID kartlar ile de en çok kullanılan denetim yöntemlerinden birisidir. fanların kontrolü sağlanmaktadır. Bütün bu haberleşme Bunun nedeni PID kontrolörün hemen hemen tüm sistemi için modbus protokolü kullanılmaktadır ve denetim sistemlerine uygulanabilmesidir. Denetlenecek bilgisayara 485 seri haberleşme arayüzü ile anlık olarak sistem motor hızı, konum ve fırın sıcaklığı v.b. olabilir. aktarılmaktadır. SAÜ Fen Bil Der 19. Cilt, 2. Sayı, s. 135-140, 2015
137
S. Atçı, A. Alkan, H. İ. Eskikurt, A. Kolip
Performans veri analizlerine bağlı olarak deneysel bir otomobil klima sisteminin kontrolü
3.1 Rezistansların kontrolü ve motor devir sayısının ayarlanması (Control of resistance and adjusting engine speed)
Bu değerler PLC vasıtasıyla ayarlanmaktadır. Sistemde kanallar içerisine yerleştirilen rezistansların sıcaklık değerleri anlık olarak PLC’ye gönderilmektedir. Bu değerler PLC’de yazılan program ile kontrol edilebilmektedir. Katı hal röleleri ile rezistansların kontrolü yapılabilmektedir. Değer otomatik düşünce rezistansları çalıştırarak sıcaklığı arttırmaktadır. Ayrıca rezistansların koruması için sigortalar bağlanmıştır.
Şekil 3. Sistemin genel görünümü (A general view of the system)
3.3 Arayüz programı ve elde edilen grafikler (Interface program and obtained charts)
Şekil 2. Hava kanallarındaki rezistansların genel görünümü (Overview of resistance in the airducts)
Deney düzeneğinde kompresörün çalıştırılması, kayışkasnak mekanizması aracılığıyla 3 fazlı akımla çalışan asenkron elektrik motoru tarafından sağlanmıştır. Devreye bağlanan frekans dönüştürücü ile motor hızı ve dolayısıyla kompresör devrinin, gerçek çalışma koşullarındaki devirlerle aynı olması sağlanmıştır.Motor devir sayısının tespiti için, endüktif yaklaşım sensörü (proximityswitch) kullanılmıştır. Bu sensör saydığı verileri anlık olarak PLC’ye iletmektedir. PLC’de aldığı devir bilgisi sayısını girilen sayıyla karşılaştırır ve frekans invertere bilgi göndererek sürücüyü kontrol eder. Bu şekilde motorun sabit devirde dönmesi sağlanmaktadır.
Deneysel olarak hazırlanan otomobil iklimlendirme sisteminin PC ile test edilmesini sağlayan örnek arayüz programı Visual C# kullanılarak oluşturulmuştur. Program geliştirilmeye açıktır. C# programında hazırlanan arayüz programı vasıtasıyla sistemde motor devri, fanların hızları ve rezistansların sıcaklık değerleri değiştirilebilmektedir. Kontrol parametre değerleri elle girilebileceği gibi default tuşuna basılarak önceden atanan değerler de girilebilir. Deney parametreleri kısmında deney adı, deney süresi ve ölçüm aralığı değiştirilebilir. Ayrıca sistemde anlık değişimler excel dosyasına kaydedilerek performans analizi yapılmakta sistemde ani değişimler izlenmektedir.
3.2 PID ile fanların kontrolü (Fan control with PID) Fanların kontrolü PID kartlar vasıtasıyla sağlanmaktadır. Sistemde iki adet fan iki adet PID kart ile kontrol edilmektedir. Bu kartlar C programlama dilinde yazılan kodlar vasıtasıyla gerekli işlemleri yapmaktadır. PID katsayıları olan Kp, Ki ve Kd değerleri buralara girilerek LCD ekran üzerinden set değerleri belirlenmiştir. Oluşturulan PID algoritması ile sistemin optimum düzeyde çalışması ve fanların uygun hızda dönmeleri sağlanmaktadır.
138
Şekil 4. Programın parametre arayüzü (Interface of the program parameters)
Burada soğutucu akışkanların sıcaklık, basınç değerleri, hava akış hızları, motor devri, nem, kütle akışı gibi parametre değerleri anlık olarak takip edilir ve veri toplama merkezinde excel dosyası halinde kaydedilmektedir.
SAÜ Fen Bil Der 19. Cilt, 2. Sayı, s. 135-140, 2015
Performans veri analizlerine bağlı olarak deneysel bir otomobil klima sisteminin kontrolü
S. Atçı, A. Alkan, H. İ. Eskikurt, A. Kolip
4. SONUÇLAR (CONCLUSIONS) Verilerin zamana göre değişimlerinin sistem performansına etkilerini grafik üzerinde incelediğimizde aşağıdaki sonuçlar ortaya çıkmaktadır. İlk olarak motor devri 1600 d/d olarak ayarlanmıştır. PLC vasıtasıyla motor devri istenilen devir aralığında tutulmaktadır. Ufak sapmalar dışında sistem kararlı bir şekilde çalışmaktadır.
Şekil 7. İç ünite ve dış ünite sıcaklıklarının zamana göre değişimi (The inner and outer unit temperatures change depending on time)
Şekil 5. Motor devrinin zamana göre değişimi (The engine speedaccordingtothe time change)
İç ünite ve dış üniye hava akış hızları aşağıdaki grafikte gösterilmektedir.
Sonuç olarak bir laboratuvar ortamında otomobil klima sistemi geliştirilerek sistem verilerinin değişimi ve kontrolü deneysel olarak incelenmiştir. Bu çalışmada hazırlanan yazılım kolaylıkla kullanılabilir bir program olup esnek ve sürekli geliştirilebilir yapıdadır. Sadece bu veriler değil aynı zamanda diğer fiziksel büyüklüklerin de izlenmesine olanak sağlamaktadır. Bunun için modbus protokolü ile haberleşebilen bir ölçüm cihazının sisteme eklenmesi yeterlidir. Sistemimiz Rs-485 seri haberleşme protokolünü kullanmaktadır. İleriki uygulamalarda kablosuz haberleşme ve kontrol imkânı sağlanabilir. Ayrıca sanal bir laboratuvar oluşturularak web cam vasıtasıyla sistemin uzaktan izlenmesi ve deney verilerinin kullanıcı veri toplama merkezine aktarılması sağlanabilir. Bunlara ek olarak endüstride birçok alanda kullanılmaya müsaittir. KAYNAKLAR (REFERENCES) [1]
[2]
Şekil 6. İç ünite ve dış ünite hava akış hızlarının zamana göre değişimi (The inner and outer unit air flow rates change depending on time)
İç ve dış ünitelerin sıcaklık değişimleri de aşağıdaki grafikte izlenmektedir. Sıcaklık azaldığı zaman rezistanslar otomatik olarak devreye girerek sistemi sabit sıcaklıkta tutmaktadırlar.
[3]
[4]
[5]
SAÜ Fen Bil Der 19. Cilt, 2. Sayı, s. 135-140, 2015
S.A. İnan, S. Çakmak, “PIC Tabanlı Rs485 Ölçme ve Kontrol Sisteminin Tasarımı ve Uygulaması”, VII. Ulusal Ölçümbilim Kongresi, 559-567, İzmir, 2008. A.B. Dumanay, “PID, Bulanık Mantık ve Kayan Kip Kontrol Yöntemleri ile İnternet Üzerinden Dc Motor Hız Kontrolü”, Yüksek Lisans Tezi, Balıkesir Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, 2009. D. Jung, B. Park ve H. Lee, “Evaluation of Supplementary/RetrofitRefrigerantsforAutomobi leAir-ConditionersChargedwith CFC12”, Int. J. Refrigeration, Cilt 22, No 7, 558–568, 1999. D. Ö. Esen, M. Hoşöz, “R12 ve R134a Soğutucu Akışkanları Kullanan Otomobilİklimlendirme Sisteminin Deneysel Performans Analizi”, Gazi Üniversitesi Mühendislik Mimarlık Fakültesi Dergisi, Cilt 21, No 4, 703–709, 2006. A. Alkan, “Çeşitli Tiplerde Kompresör ve Genleşme Elemanı Kullanan Bir Otomobil 139
Performans veri analizlerine bağlı olarak deneysel bir otomobil klima sisteminin kontrolü
S. Atçı, A. Alkan, H. İ. Eskikurt, A. Kolip
[6]
[7]
140
İklimlendirme Sisteminin Karşılaştırmalı Deneysel Analizi”, Yüksek Lisans Tezi, Kocaeli Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, 2007. A. Alkan, M. Hosoz, “Experimental Performance of an Automobile Air Conditioning System with a Fixed Capacity Compressor Using Orifice Tube and Thermostatic Expansion Valve”, Proceedings of theFourthInternational Exergy, Energyand Environment Symposium (IEEES-4), Sharjah, UAE, 19–23 April, 2009. O. Kaynaklı, I. Horuz, “An Experimental Analysis of Automotive Air Conditioning System”, Int. Com. Heat and Mass Transfer, Cilt 30, No 2, 273–284, 2003.
[8]
[9]
[10]
[11]
A. S. Yılmaz, M. Görmemiş, “Enerji Analizörleri için geliştirilen delphi tabanlı bir enerji izleme yazılımı”, Mühendislik Bilimleri Dergisi, 359368, Pamukkale Üniversitesi, Denizli, 2006. A. Temiz, Ö. Kahraman, C. Şahin, A. Nadar, “Akıllı Şebekeler İçin Haberleşme Çözümü”, Tübitak Mam Enerji Enstitüsü, Ankara, 2013. S. Soygüder, A. Alli, “Programlanabilir Mantıksal Denetleyici Kullanarak PID Yöntemi ile Robot Hız Denetimi”, Fırat Üniversitesi Fen ve Mühendislik Bilimleri Dergisi, 113-121, Elazığ, 2006. A. B. Dumanay, A. İstanbullu, M. Demirtaş, “Dc Motorun PID ile Hız Denetimi İçin Uzaktan Laboratuvar Uygulaması”, Elektrik Elektronik Bilgisayar Biyomedikal Mühendislikleri Eğitimi IV. Ulusal Sempozyumu Bildiri Kitabı, 241-244, Osmangazi Üniversitesi, Eskişehir, 2009.
SAÜ Fen Bil Der 19. Cilt, 2. Sayı, s. 135-140, 2015
SAÜ Fen Bil Der 19. Cilt, 2. Sayı, s. 141-149, 2015
Optimization of saponification process in multi-response framework by using desirability function approach Özlem Türkşen1*, Suna Ertunç2 04.08.2014 Geliş/Received, 23.07.2015 Kabul/Accepted
ABSTRACT In chemical engineering field, there are many processes which need to optimize more than one responses, called multiresponse, simultaneously. In this study, it is aimed to analyse the effects of operating parameters (modeling) and to obtain the compromise process factor values (optimization) for a continuous saponification process. The novelty of this study is considering the saponification process as a multi-response problem. It is important both engineering and statistical aspects. For the continuous saponification process, sodium hydroxide (X1), ethyl acetate concentrations (X2), and their volumetric flow rates (X3, X4) were regarded as the process factors in order to maximize the conversion of sodium hydroxide (Y1) and to minimize the space time (Y2) which is calculated analytically by using X3 and X4. Response Surface Methodology (RSM) and Desirability Function Approach (DFA) were used for modeling and optimization of the process, respectively. Therefore, it is clear that compromise factor conditions which are obtained by the optimization of conversion and space time simultaneously will satisfy the product quality and process economy. Keywords: saponification process, response surface methodology (rsm), desirability function, optimization
İstenebilirlik fonksiyonu yaklaşımı kullanılarak çok yanıtlı çerçevede sabunlaşma sürecinin optimizasyonu ÖZ 1
Kimya mühendisliği alanında, çok yanıtlı problem olarak adlandırılan, birden fazla yanıtın eşanlı optimizasyonunu gerektiren pek çok süreç mevcuttur. Bu çalışmada, bir sürekli sabunlaşma süreci için süreç parametrelerinin etkilerinin analizi (modelleme) ve uzlaşık süreç parametre değerlerinin elde edilmesi (optimizasyon) amaçlanmıştır. Bu çalışmanın özgünlüğü, sabunlaşma sürecinin çok yanıtlı bir problem olarak ele alınmasıdır. Bu, mühendislik ve istatistiksel yönden önemlidir. Sürekli sabunlaşma süreci için, sodyum hidroksit (X1), etil asetat derişimleri (X2) ve onların hacimsel akış hızları (X3, X4), sodyum hidroksit dönüşümünü (Y1) maksimum ve işletme süresini (Y2) minimum yapmak amacıyla süreç faktörleri olarak ele alınmıştır. Burada, Y2 değişkeni, X3 ve X4 değişkenlerini kullanarak analitik olarak hesaplanmıştır. Yanıt Yüzey Yöntemi (YYY) ve İstenebilirlik Fonksiyonu Yaklaşımı (İFY), sırasıyla sürecin modellenmesi ve optimizasyonu için kullanılmıştır. Böylece, dönüşüm ve işletme süresi yanıtlarının eşanlı optimizasyonu ile elde edilen uzlaşık faktör koşullarının, üretim kalitesini ve süreç ekonomisini sağlayacağı açıktır. Anahtar Kelimeler: sabunlaşma süreci, Yanıt Yüzey Yöntemi (YYY), istenebilirlik fonksiyonu, optimizasyon
*Sorumlu Yazar / Corresponding Author 1 Ankara Üniversitesi, Fen Fakültesi, İstatistik, Ankara – turksen@ankara.edu.tr 2 Ankara Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Kimya Mühendisliği, Ankara – suna.ertunc@eng.ankara.edu.tr
Optimization of saponification process in multi-response framework by using desirability function approach
Ö. Türkşen, S. Ertunç
1.
INTRODUCTION
A reaction of an ester with sodium hydroxide to give a carboxylic acid salt and an alcohol is called saponification reaction, though not the final product is soap. This reaction is also known as hydrolysis of esters with base catalyst. Although water, alcohol or similar solvents can not solve esters, product of the saponification reaction is definitely soluble in all these solvents. This property is important in view of the usage area of carboxylic acid salt obtained at the end of the saponification reaction. Sodium acetate is a commercially important carboxylic acid salt which is used in a large area in industry such as petroleum, cosmetic, textile, paint, food etc. In addition to the commercial importance, the saponification reaction is often preferred in both education and research purposes as a model reaction. In the study of Simandi et al. (1996), a mixing model with non-ideal mixing using saponification reaction is presented. A dynamic model based on the pseudo bond graph technique is developed by Heny et al. (2000) to represent the behavior of a continuous stirred tank reactor (CSTR) for the saponification of ethyl acetate with sodium hydroxide. A new method for the determination of rate constant is presented by Krupska et al. (2002). In chemical engineering education, this second order reaction is used to understand the kinetic analysis and reactor performance [4]. Response Surface Methodology (RSM) is used in many chemical engineering applications. RSM is used as a useful tool for optimization in analytical chemistry by Bezerra et al. (2008). In the studies of Chi et al. (2012) and Istadi (2005), multi-response optimization (MRO) is interested in RSM framework about catalytic epoxidation process and carbon dioxide oxidative capling of methane, respectively. Desirability function approach (DFA) is used for MRO of nickel electroplanting process by Seritan et al. (2011). Salimon et al. (2012) and Bursali et al. (2006) used D-optimal design and RSM for saponification reaction, respectively. In this study, it is aimed to model a continuous saponification process and to obtain the optimal values of operating parameters. The RSM and the DFA are used for modeling and optimization stages of saponification process, respectively. It is seen from the statistical analysis that the obtained compromise operating parameter values satisfy the product quality and process economy simultaneously.
142
2.
RESPONSE SURFACE METHODOLOGY AND LINEAR MULTI-RESPONSE MODEL
Response Surface Methodology (RSM) is a collection of statistical and mathematical techniques applied to obtain a proper functional relationship between a response of interest and a number of associated factors (input or independent variables) [11]. A complete and detailed explanation about RSM is referred to [12-14]. In the field of RSM, there are three main stages: (i) designing a set of experiments, (ii) determining a mathematical model, and (iii) determining the optimal settings of factors. An experiment can involve several response (dependent) variables, which is called multi-response experiment, as well as single response variable. If a multi-response experiment is designed, which means that the factors are selected and their values during the actual experimentation are designated, the task then is to find a proper approximation for the true functional relationship between the factors and unknown response surfaces. Regression analysis helps to form the relationship between response variables and factors denoted by Y1 , Y2 ,..., Yr and X1 , X 2 ,..., X k , respectively. In general, such a relationship is unknown. In order to model an unknown response Y , first and second degree polinomial regression models, given in Eq.(1) and Eq.(2), are used. k
Y 0 i 1 i X i k
(1) k
Y 0 i 1 i Xi i 1 ii Xi2 ij Xi X j .
(2)
i j
Here,
0
is constant,
is error term, X1 , X 2 ,..., X k
is linear terms vector, X 12 , X 22 ,..., X k2 is squared terms vector,
X1 X 2 , X1 X 3 ,..., X k 1 X k
is first interaction
terms vector of each paired combination, and i , ii , ij ,
i j 1, 2,..., k are unknown model coefficients. The data analysis of multi-response experiments need a careful consideration. In the design of multi-response experiment, design criterian should be based on perceiving the responses as a group rather than as individual entities [12]. The correlation structure of the response variables should be considered during the modeling stage. In this case, simultaneous modeling of unknown responses as a function of the input variables is necessary within some region of interest. The model associated with such a function is called multi-response model.
SAÜ Fen Bil Der 19. Cilt, 2. Sayı, s. 141-149, 2015
Optimization of saponification process in multi-response framework by using desirability function approach
Ö. Türkşen, S. Ertunç
A multi-response model is composed of r number of polinomial regression models which are considered as an approximation function of each unknown responses. In this case, the i th response model can be written in a vector form as
Yi Xi βi εi , i 1, 2,..., r
(3)
where Yi is a n 1 vector of observations (experimental runs for each setting of a group of k coded variables), Xi is a n pi matrix of rank pi of known functions of the settings of the coded variables, βi is a pi 1 vector of unknown constant parameters, and ε i is a random error
vector
associated
with
the
i th
response
i 1,2,..., r . Here, it is assumed that Var εi ii I N , i 1, 2,..., r
and also the r r matrix whose
i, j th
element is
ij , i, j 1,2,..., r will be denoted by . The r equations given in Eq. (3) may be represented as (5)
Y Xβ ε
is
the
block-diagonal
matrix, Y Y : Y : ... : Y ,
X diag X1 , X2 ,..., Xr ;
1
2
r
β β1 : β2 : ... : βr , and ε ε1 : ε2 : ... : εr are vectors with dimensions nr 1 , p 1 , and nr 1 , respectively. The best linear unbiased estimator (BLUE) of β is given by
βˆ X 1X
1
X1Y
(6)
where I n and is a symbol for the Kronecker 1
n
.
As a special case, if in Eq. (3), Xi X0 for i 1,2,..., r , then X diag X1 , X2 ,..., Xr reduces X I r X0 . In this case, it is easy to show that
1 βˆ I r X0 X0 X0 Y
(7)
Thus the BLUE of β does not depend on . Hence, the BLUE of βi is the same as the OLS estimator obtained from fitting the
3.
X
i th
model
i 1,2,..., r
individually
(4)
Cov εi , ε j ij I N , i, j 1, 2,..., r ; i j
where
Yi I n Xi Xi Xi Xi I n X j Xj X j Xj Y
[12]. In addition, if the responses are uncorrelated the covariance matrix, , will approximate the unit matrix, I . Then, the multi-response estimation reduces to individual estimation of responses.
E εi 0 , i 1, 2,..., r
ˆ ij
1
product of matrices, hence In . The estimator given in Eq. (6) is called Generalized Least Square Estimator (GLME). The GLME of β requires knowledge of . If is unknown, then an estimate of β can be obtained by replacing by an estimate ˆ provided that the estimate is nonsingular. Zellner [15] proposed an estimate such as ˆ ˆ ij , i , j 1, 2,..., r where
SAÜ Fen Bil Der 19. Cilt, 2. Sayı, s. 141-149, 2015
MULTI-RESPONSE OPTIMIZATION USING DESIRABILITY FUNCTION APPROACH
The process optimization of a collection of response functions simultaneously is called multi-response optimization (MRO). The MRO is concerned with the minimization or maximization of a vector of objectives that may be subject to a series of equality and nonequality constraints or bounds as ˆ Yˆ X , Yˆ X ,..., Yˆ X min/ max Y 2 r 1 s.t. g j X 0 , j 1, 2,..., m hi X 0 , i 1, 2,..., q XS
(8)
where S denotes the feasible set. The MRO problem given in Eq. (8) is a typical multi-objective optimization (MOO) problem. There is no solution which optimizes all of the objectives simultaneously. In this case, the results of MOO problem composed of nondominated solution set called Pareto solution set. However, in engineering science, a single compromise solution for all responses is the most requested in terms of process operation. A simple and straightforward approach for MRO is to construct the response contour plots [16]. The contour plots are achieved from regression models developed to estimate the location of responses. However, this approach can only be useful when the dimensions of the inputs and response variables are low. A general solution approach is to change the problem given in Eq. (8) into a single objective optimization problem as 143
Optimization of saponification process in multi-response framework by using desirability function approach
Ö. Türkşen, S. Ertunç
min/ max X s.t. X S
(9)
1 , Yˆi X Yimax s Yˆ X Y min i di Yˆi X i max , Yi min Yˆi X Yi max , i 1,..., r Y Y min (13) i i min ˆ 0 , Yi X Yi
where is an aggregation function. The single measure
X has conventionally been defined as the following: (i) the desirability function approach [17- 21], (ii) distance function approach [22], and (iii) loss function approach [23-26]. In this study, DFA is used for the optimization of multi-response problem. The DFA, originally developed by Harrington (1965), is one of the most frequently used MRO method in practice. The DFA transforms an predicted response (e.g. the i th response Yˆi ) into a scale free value, called a desirability (denoted as d for Yˆ ). Desirability varies from 0 to 1 and i
i
approaches to 1 as the corresponding response becomes more desirable. Individual desirabilities for different responses are then combined to form the overall desirability function D . Then the optimal setting is determined by maximizing 1r
D d1 d 2 ... d r
(10)
where
di Yˆi X ,
of the responses increases. The geometric mean is chosen as an objective function because it vanishes whenever any di , i 1, 2,..., r is equal to zero, that is, if at least one of the response variables is unacceptable [12]. Harrington’s approach is extended by Derringer and Suich (1980) by offering systematic transformations to desirability function. In addition, a new form of overall desirability by using a weighted geometric mean suggested by Derringer (1994) as
D d1w1 d2w2 ... d rwr
1 wi
(11)
where the wi , i 1, 2,..., r are the weights among the response. If all the wi ’s are set to 1 , Eq. (11) reduces to Eq. (10). The individual desirability function for the case of minimization and maximization of a response is defined, respectively, as 1 , Yˆi X Yi min s (12) Y max Yˆ X d i Yˆi X i max i min , Yi min Yˆi X Yi max , i 1,..., r Yi
144
Yi 0
is the desirability
function of Yˆi X . s is the parameter that define the shape of desirability functions. In this study, s 1 is min chosen which denotes linear transformation. Yi and
Yi max can be set at the extreme values of the individual predicted
responses
as
Yi min min Yˆi X XS
and
Yi max max Yˆi X which represent the minimum and XS
maximum possible values of the predicted response within the experimental region S , respectively. The proposed desirability functions given in (12) and (13) transform the each response to a corresponding desirability value between 0 and 1 . The optimization process is relatively simple since the overall desirability is a well-behaved continuous function of the factors. 4.
The objective function given in Eq. (10) has values inside the interval 0,1 and approaches unity as the desirability
i 1,2,..., r
APPLICATION
4.1. Problem Definition In this study, a continuous saponification process was carried out as a multi-response problem. The saponification reaction between ethyl acetate (EtOAc, CH3COOC2H5) and sodium hydroxide (NaOH) can be represented by the following stochiometric equation: NaOH + CH3COOC2H5 CH3COONa + C2H5OH
(14)
As the reaction proceeds consumption of hydroxide ions results in the formation of acetate ions. Since the hydroxide ions have much larger specific conductance than the acetate ions, sodium hydroxide concentration can be monitored by measuring the conductivity of the reaction mixture. The continuous operation concentrations of the reactants in the feed flow can be calculated as given in Eqs. (15)-(16) where C Ao and C Bo are the concentrations of sodium hydroxide and ethyl acetate, respectively. The QA and QB represent the volumetric feed flow rates of sodium hydroxide and ethyl acetate. Reservoir concentrations of sodium hydroxide and ethyl acetate were represented as C tan k 1 and Ctan k 2 , respectively
,
Yˆi X Yi max
SAÜ Fen Bil Der 19. Cilt, 2. Sayı, s. 141-149, 2015
Optimization of saponification process in multi-response framework by using desirability function approach
C Ao
QA Ctan k1 QA QB
(15)
and
CBo
QB Ctan k 2 . QA QB
operating parameters at their selected ranges from previous study [10]. 4.2. Data Set
(16)
Concentration of sodium hydroxide during the course of the reaction is calculated by using Eq. (17) from the conductivity measurements of the reaction mixture [28]. Conversion of sodium hydroxide ( x A ) is calculated for each continuous operation by using the Eq. (18) for the steady state value of CA C A (C A C Ao ) o C Ao o and C CA x A Ao C Ao
Ö. Türkşen, S. Ertunç
(17)
A series of experiments were carried out in order to examine the saponification process. The purpose of the experiments was to determine the effects of X1 , X 2 , X 3 , X 4 on Y1 and Y2 , which wanted to be maximized and minimized, respectively. The experiments were conducted in 24 Full Factorial Design. In the design, each input variable was measured at two levels which can be coded to take the value 1 when the input is at its low level and 1 when at its high level. The coded values and actual values of input variables were given in Table 1. In Table 2, experimental data set with four added center points were given. Table 1. Coded and real settings of the input variables
(18)
Input variables Coded levels -1 +1 0
In order order to model the process, C Ao , C Bo , QA , and
QB were considered as factors denoted with X 1 , X 2 , X 3 , and X 4 , respectively. The first response variable ( Y1 ) was chosen x A and the space time was considered as second response ( Y2 ) given in Eq. (19)
V QA QB
X2
X3
X4
0.01 0.1 0.055
0.01 0.1 0.055
0.02 0.1 0.06
0.02 0.1 0.06
4 Table 2. Experimental data set obtained for 2 full factorial design with four center points in real and coded values
Input variables X1
(19)
Figure 1. Experimental system for continuous saponification process
The experimental system used in the study is given in Fig. 1. A 2 L bench-top reactor (Armfield CEM-Liquid Phase Chemical Reactor, England) with temperature and agitation rate control units was used. Reactants (sodium hydroxide and ethyl acetate) were fed at constant rates by using computer controlled pumps into the reactor. The conductivity measurements of the reaction mixture were done by using WTW LF39 (Welheim, Germany) type conductivity meter. Temperature and agitation rate were kept at the values of 25oC and 250 rpm in all experiments, respectively, since these were found as insignificant SAÜ Fen Bil Der 19. Cilt, 2. Sayı, s. 141-149, 2015
X1
X2
Responses Y1
Y2
No
CA0 (mol/L)
levels
CB0 (mol/L)
levels
QA (L/min)
X3 levels
QB (L/min)
X4 levels
xA
τ (min)
1
0.01
-1
0.01
-1
0.02
-1
0.02
-1
0.53
50
2
0.1
+1
0.01
-1
0.02
-1
0.02
-1
0.28
50
3
0.01
-1
0.1
+1
0.02
-1
0.02
-1
0.82
50
4
0.1
+1
0.1
+1
0.02
-1
0.02
-1
0.8
50
5
0.01
-1
0.01
-1
0.1
+1
0.02
-1
0.46
16.6
6
0.1
+1
0.01
-1
0.1
+1
0.02
-1
0.2
16.6
7
0.01
-1
0.1
+1
0.1
+1
0.02
-1
0.78
16.6
8
0.1
+1
0.1
+1
0.1
+1
0.02
-1
0.88
16.6
9
0.01
-1
0.01
-1
0.02
-1
0.1
+1
0.2
16.6
10
0.1
+1
0.01
-1
0.02
-1
0.1
+1
0.22
16.6
11
0.01
-1
0.1
+1
0.02
-1
0.1
+1
0.8
16.6
12
0.1
+1
0.1
+1
0.02
-1
0.1
+1
0.28
16.6
13
0.01
-1
0.01
-1
0.1
+1
0.1
+1
0.42
10
14
0.1
+1
0.01
-1
0.1
+1
0.1
+1
0.26
10
15
0.01
-1
0.1
+1
0.1
+1
0.1
+1
0.79
10
16
0.1
+1
0.1
+1
0.1
+1
0.1
+1
0.99
10
17
0.055
0
0.055
0
0.06
0
0.06
0
0.84
16.6
18
0.055
0
0.055
0
0.06
0
0.06
0
0.8
16.6
19
0.055
0
0.055
0
0.06
0
0.06
0
0.72
16.6
20
0.055
0
0.055
0
0.06
0
0.06
0
0.79
16.6
145
Optimization of saponification process in multi-response framework by using desirability function approach
Ö. Türkşen, S. Ertunç
4.3. Modeling and Optimization of Multi-Responses The observed responses were checked that if there were correlations between the responses before modeling. It was seen that the responses were uncorrelated according to the correlation analysis ( p 0.99 0.05 ). Then, the experimental data set was statistically analyzed using Minitab 14 [29]. The goodness of fit of the models were evaluated by the analysis of variance (ANOVA) given in Table 3. Table 3. Analysis of Variance (ANOVA) results of the responses
ethyl acetate cause to decrease in the space time. This result reflects the hydrolic behavior of the continuous stirred tank reactor. The obtained individual optimization results of the predicted response functions are Yˆ1* 1 , X* 0.1365 0.8664 0.1587 0.1476 and
Yˆ2* 6.1937 , X* 0.2463 1 . The contour plots of predicted response functions, given in Eq. (20) and Eq. (21), are shown in Fig. 2 and Fig. 3 by using Matlab 7.9 [30], respectively.
Y1 1.05
and
Y2 1
ANOVA for response
Y1
Source DF Regression 5 Residual Error 14 Total 19
SS MS F P 1.11938 0.22388 10.56 0.000 0.29684 0.02120 1.41622
1.4 0.95 1.2
0.9 1
0.85
0.6
0.8
Y
1
0.8
0.4
ANOVA for response
Y2
Source Regression Residual Error Total
SS 4061.9 0 4061.9
DF 4 15 19
0.75
0.2 0.7
MS 1015.5 0
F *
0
P *
7 1.031
1.5
01 0.981 35 0.930 0. 8797
0.65
05 0.829 39 0.778 4 0. 7277 08 0.677
1 0.5 0
77 0.575
1.5 1
43 0.626
0.6
0.5 0
-0.5
0.55
-0.5 -1
-1 -1.5
X2
-1.5 X1
The obtained models for both responses were fitted as Figure 2. Predicted response surface plot of Y1 as a function of X1 and
Yˆ2 X 0.788 0.0556 X1 0.223 X 2 0.0531X 3 0.0494 X 4 0.243 X12 , R 2 79% (20) Yˆ2 X 16.6 10 X 3 10 X 4 6.70 X 32 6.70 X 3 X 4 , R 2 100%
X 2 in which the X 3 0.1587 and X 4 0.1476 are kept their
optimal values obtained by the individual maximization of Y1
40
(21) 45
35
40
( Y1 ) directly proportional whereas the feed concentration of sodium hydroxide ( X1 ) affects the conversion of
25 25
20 15
20 10 5 0
4.1
8. 1
1.5
15
4 76 1
58 52
1
10
12 .14 09
57 .10 20
1.5
1
05 .07 8 52
88
.0 32
28
0
33 .12 16
0.5
.0 24
146
30
30
9 40 .1 12
sodium hydroxide ( Y1 ) inversely proportional. In other words, increasing sodium hydroxide concentration in the feed from 0.01 mol/L to 0.1 mol/L decreased the conversion and increasing ethyl acetate concentration in the feed from 0.01 mol/L to 0.1 mol/L increased the conversion. These results are compatible with the previous study performed in batch process [10]. If the coefficients of the first model, given in Eq. (20), are evaluated according to their absolute values it is clear that the most effective parameter is the feed concentration of ethyl acetate. It can be said that from the Eq. (21), the increment in the feed flow rates of sodium hyroxide and
35
Y2
The response surface models were developed with values of R2, 79% and 100% for Y1 and Y2 , respectively. It is obvious from Eq. (20) that the feed concentration of ethyl acetate ( X 2 ) affects the conversion of sodium hydroxide
1
5
0.5
-0.5 0 -1
-0.5 -1
X
4
-1.5
-1.5 X
3
Figure 3. Predicted response surface plot of Y2 as a function of X 3 and X 4
SAÜ Fen Bil Der 19. Cilt, 2. Sayı, s. 141-149, 2015
Optimization of saponification process in multi-response framework by using desirability function approach
The aim of the study is to get maximum value of the Yˆ1 X and minimum value of the Yˆ2 X . Therefore, the MRO problem can be written as
max Yˆ1 X min Yˆ2 X 0.1639 Yˆ1 X 1 6.1937 Yˆ2 X 50 XS
(22)
where S -1, 1 . In (22), the lower and the upper bounds of the predicted responses, Yˆ1 X and Yˆ2 X , are calculated as the individual minimum and maximum values of each responses. Afterwards, the individual desirability functions for the responses can be defined as
d1 Yˆ1 X
1 , Yˆ1 X 1 Yˆ X 0.1639 1 , 0.1639 Yˆ1 X 1 1 0.1639 0 , Yˆi X 0.1639
(23)
and 1 s 50 Yˆ2 X ˆ d2 Y2 X 50 6.1937 0
Yˆ2 X 6.1937
,
, 6.1937 Yˆ2 X 50
(24)
Yˆ2 X 50.
,
The formulation of overall desirability function which wanted to be maximized can be written as 12
max D X d1 X d 2 X X -1, 1
(25)
The optimal input vector values of the D X , defined by Eq.(25), is X* 0.1137 1 0.4564 1 with the
Ö. Türkşen, S. Ertunç
economy and yield. Therefore, the saponification process can be considered as a multi-response problem in which the responses are uncorrelated. Investigation of the multiresponse problem were performed in three steps: (i) data gathering, (ii) modeling, and (iii) optimization. At the first step, the process factors were selected as C Ao (concentration of sodium hydroxide), C Bo (concentration of ethyl acetate), Q A (feed flow rate of sodium hydroxide), and Q A (feed flow rate of ethyl acetate). Temperature and agitation rate were not considered as factors in this study since the experiments were performed at their optimal values which were given in [10]. 24 Full Factorial Design was used for the experiments with four center points. At the second step, second order polynomial response surface models were identified by using least square analysis. The analytical functions were calculated in Minitab 14. The validation of predicted models was confirmed by using ANOVA. It was seen that the first predicted response function was related to main effects of all factors and quadratic effect of C Ao . On the other hand, it was concluded that the second predicted response function was only related with Q A and QB At the final step, DFA was used for MRO since the interested responses are uncorrelated. In order to apply DFA, individual optimal values of predicted responses were needed to determine the constraints. By considering the physical meaning of the responses, individual operating conditions were obtained. The MRO problem denoted by Eq. (22) was converted to the single objective optimization problem given in Eq. (25) by using DFA. It is seen from the optimization results that the obtained process factor levels, X* 0.1137 1 0.4564 1 , make the conversion maximum and the space time minimum as 0.989 and 6.4895 min-1, respectively. These response values are satisfactory in the view of process economy and yield. It can be said that simultaneous optimization is more realistic for multi-response saponification process in the case of feasibility.
overall desirability value D* 1 99% . The individual * predicted response values are calculated as Yˆ1 0.989 * and Yˆ 6.4895 min-1 by using the DFA factor
REFERENCES [1]
2
conditions. 5. CONCLUSION The objective of this study was to optimize the operating conditions of the continuous saponification process with respect to both conversion and space time. The maximization of conversion ( x A ) and the minimization of space time ( ) are important from the point of process SAÜ Fen Bil Der 19. Cilt, 2. Sayı, s. 141-149, 2015
[2]
B. Simandi, J. Sawinsky ve K. Molnar ‘Analysis at a mixing model and its application to a multistate column reactor’, Chemical and Biochemical Engineering Quarterly, vol. 10, no. 3, pp. 129-136, 1996 C. Heny, D. Simanca ve M. Delgado, ‘Pseudobond graph model and simulation of a continuous stirred tank reactor’, Journal of the Franklin Institute, vol. 337, no. 1, pp. 21-42, 2000
147
Ö. Türkşen, S. Ertunç
[3]
[4]
[5]
[6]
[7]
[8]
[9]
[10]
[11]
[12] [13]
148
A. Krupska, J. Konarski, R. Fiedorow and J. Adamiec ‘Determination of the rate constants from phase delay effect in chemical reactions’, Kinetics and Catalysis, vol. 43, no. 3, pp. 295302, 2002 A.M. Mendes, L.M. Madeira, F.D. Magalhaes, and J.M. Sousa ‘An integrated chemical engineering Lab Experiment’, Chemical Engineering Education, vol. 38, no. 3, pp. 228235, 2004 M.A. Bezerra, R.E. Santelli, E.P. Oliveiraa, L.S. Villara and L.A. Escaleiraa, ‘Response surface methodology (RSM) as a tool for optimization in analytical chemistry’, Talanta, vol. 76, pp. 965977, 2009 G. Chi, S. Hu, Y. Yang and T. Chen ‘Response surface methodology with prediction uncertainty: A multi-objective optimization approach’, Chemical Engineering Research and Design, vol. 90, pp. 1235-1244, 2012 A.N. Istadi ‘A hybrid numerical approach for multi-responses optimization of process parameters and catalyst compositions in CO2 OCM process over CaO-MnO/CeO2 catalyst’, Chemical Engineering Journal, vol. 106, pp. 213227, 2005 M.P. Seritan, S. Gutt, G. Gutt, I. Cretescu, C. Cojocaru and T. Severin ‘Design of experiments for statistical modeling and multi-response optimization of nickel electroplating process’, Chemical Engineering Research and Design, vol. 89, pp. 136-147, 2011 J. Salimon, B.M. Abdullah and N. Salih ‘Saponification of Jatropha curcas Seed Oil: Optimization by D-Optimal Design’, Hindawi Publishing Corporation International Journal of Chemical Engineering, doi: 10.1155/2012/574780, 2012 N. Bursali, S. Ertunc and B. Akay ‘Process improvement approach to the saponification reaction by using statistical experimental design’, Chemical Engineering and Processing, vol. 45, pp. 980–989, 2006 A. Khuri and S. Mukhopadhyay, “Response surface methodology”, WIREs Computational Statistics, vol. 2, pp. 128-149, 2010 A.I. Khuri and M. “Cornell Response Surfaces”, Marcel Dekker, New-York, 1996 R.H. Myers and D.C. Montgomery, “Response Surface Methodology: Process and Product Optimization Using Designed Experiments”, 2nd Ed., John Wiley and Sons, New York, 2002
Optimization of saponification process in multi-response framework by using desirability function approach
[14]
G.E.P. Box and N.R. Draper, “Response Surface Mixtures and Ridge Analysis”, John Wiley and Sons, New Jersey, 2007 [15] A. Zellner, “An efficient method of estimating seemingly unrelated regressions and tests for aggregation bias”, American Statistical Association Journal, vol. 57, pp. 348–368, 1962 [16] E.E. Lind, J. Goldin and J.B. Hickman, “Fitting yield and cost response surface”, Chemical Engineering Progress, vol. 56, pp. 62-68, 1960 [17] E.C. Harrington, “The desirability function”, Industrial Quality Control, vol. 21, no. 10, pp. 494-498, 1965 [18] G. Derringer and R. Suich, ‘Simultaneous optimization of several response variables’, Journal of Quality Technology, vol. 12, pp. 214219, 1980 [19] E. Del Castillo, D.C. Montgomery and D.R. McCarville, “Modified Desirability functions for Multiple Response Optimization”, Journal of Quality Technology, vol. 28, no. 3, pp. 337-345, 1996 [20] K. J. Kim and D.K.J Lin, “Simultaneous optimization mechanical properties of steel by maximizing exponential desirability functions”, Applied Statistics, vol. 49, no. 3, pp. 311-325, 2000 [21] O. Köksoy,”Dual response optimization: The desirability approach”, International Journal of Industrial Engineering, vol. 12, no. 4, pp.335342, 2005 [22] A.I. Khuri and M. Conlon, “Simultaneous Optimization of Multiple Responses Represented by Polinomial Regression Functions”, Technometrics, vol. 23, pp. 363-375, 1981 [23] J.J. Pignatiello, “Strategies for Robust Multiresponse Quality Engineering”, IIE Transactions, vol. 25, pp. 5-15, 1993 [24] G. Vining, “A compromise approach to multiresponse optimization”, Journal of Quality Technology, vol. 30, no. 4, pp. 309-314, 1998 [25] A.E. Ames, N. Mattucci, S. Macdonald, G. Szonyi and D.M. Hawkins, “Quality Loss Function for Optimization Across Multiple Response Surface”, Journal of Quality Technology, vol. 29, pp. 339-346, 1997 [26] Y.H. Ko, K.J. Kim, and C.H. Jun, ”A New Loss Function-Based Method for Multiresponse Optimization”, Journal of Quality Technology, vol. 37, no. 1, pp.50-59, 2005
SAÜ Fen Bil Der 19. Cilt, 2. Sayı, s. 141-149, 2015
Optimization of saponification process in multi-response framework by using desirability function approach
[27]
[28] [29] [30]
Ö. Türkşen, S. Ertunç
G. Derringer, “A balancing act: optimizing a product’s properties”, Qual. Prog., pp. 51-58, 1994 http://www.che.boun.edu.tr/courses/che302/Cha pter%2010.pdf. Minitab Release 14 for Windows, Minitab Inc., USA. Matlab, The Language of Technical Computing, http://www.mathworks.com.
SAÜ Fen Bil Der 19. Cilt, 2. Sayı, s. 141-149, 2015
149
SAÜ Fen Bil Der 19. Cilt, 2. Sayı, s. 151-156, 2015
Bir düzlemsel robotun anlık pol planı ve hız vektörlerinin geometrik tasarımı Engin Can1*
27.06.2014 Geliş/Received, 24.07.2014 Kabul/Accepted
ÖZ Bu çalışma projektif geometrinin bir konusu olan bir düzlem paralel robotun pol planı ve hız vektörlerinin grafiksel çözümlerini içermektedir. Geometrik bakış açısıyla incelendiğinde tüm mümkün haller ele alınmıştır. CAD 2D [11] ile tasarımı yapılan bu grafiksel çözümler, pol planının olmadığı durumdan sonsuz çözümün olduğu duruma kadar genişletilmiştir. Bunlar sırasıyla singüler (robotik de olduğu gibi) ve iki kere singüler çözümler olarak tanımlanmıştır. Bu tip durumlar, aynı düzlemdeki taşıyıcı kolların bir noktada kesişmesi ve bazı özel paralellerin noktadaş olmaları ile geometrik olarak ifade edilecektir. Anahtar Kelimeler: düzlemsel mekanizma, F-mekanizması, geometriksel pol plan tasarımı, geometriksel hız tasarımı
The geometric design of currently polplan and velocity vectors of a planar parallel robot ABSTRACT This study includes graphical methods for polplan and velocity analysis of a planar parallel robot, which can be reduced to a problem of projective geometry. This is examined with geometric perspective for all possible special cases. The graphical methods, which is demonstrated with CAD 2D [11], already reveal that there are poses in which there is either no pole configuration or an infinite number of pole configurations. These poses are called singular (like in robotics) or twofold singular, respectively. There are simple geometric characterizations for both by coplanar carrier lines of the arms or additionally by particular coplanar parallels. Keywords: planar mechanism, F-mechanism, geometrical polplan construction, geometrical velocity construction
1
Sorumlu Yazar / Corresponding Author 1 Sakarya Üniversitesi, Kaynarca Uygulamalı Bilimler Yüksekokulu, Sakarya - ecan@sakarya.edu.tr
Bir düzlem robotun anlık pol planı ve hız vektörlerinin geometrik tasarımı
E. Can
1. GİRİŞ (INTRODUCTION) 1.1. F-mekanizması Tanımı (Definition of Fmechanism)
Fehrer Mekanizması (kısaca F-mekanizması), şekil 1 de görülen, 8 elemanlı kinematik zincir olup, aşağıdaki özelliklere sahip bir düzlem paralel 3-RRR robottur. [1].
8 = 28 relatif pol noktası mevcuttur. Bu 2 çalışmada hareketli sistem Σ nin, hareketsiz sistem Σ a karşılık gelmesi beklenen anlık polü olarak gösterilecek olan P = 07 relatif polü araştırılacaktır. Böylece
Herhangi üç Σ , Σ , Σ sistemi için Aronhold ve Kennedy’ nin üçpol teoremi’ ne göre P , P , P polleri doğrudaştır ve tek bir g (kısaca i < j < k için ijk) pol doğrusu üzerinde bulunurlar. Böylece birbiriyle çakışsa da toplam 8 = 56 pol doğrusu mevcuttur. 3 Bütün bu pol noktaları ve pol doğrularının oluşturduğu yapıya kinematik zincirin anlık pol planı denir. 2. GEOMETRİK TASARIMLAR (GEOMETRIC CONSTRUCTIONS)
2.1. Pol planın Geometrik Tasarımı (Geometrical Construction of Polplan)
Pol planın geometrik olarak elde edilebilmesi için şu yol izlenir (Şekil 2): Sabit noktalar A , B ve C sırasıyla 01, 02 ve 03 polleridir. Krank uçları A , B ve C üzerinde sırasıyla 14, 25 ve 36, ayrıca kol uçları A , B ve C üzerinde sırasıyla 47, 57 ve 67 polleri bulunur.
Şekil 1. Tersyönlü F-mekanizması (Indirected F-mechanism)
Sırasıyla A , B ve C sabit noktaları ve A , B ve C uç noktalarına bağlı, aynı ω açısal hızıyla hareket eden üç adet Σ , Σ , Σ krankı mevcuttur. Bu krankların sırasıyla uzunlukları a , b ve c olsun. Σ ve Σ krankları matematiksel pozitif yöne dönerken, Σ ters yönlü ise buna ters yönlü hareket, aksi halde aynı yönlü hareket diye tanımlanmıştır. Σ = Σ hareket sisteminin A , B ve C noktaları, uzunlukları sırasıyla a , b ve c olan Σ , Σ , Σ kollarının A , B ve C krank uçları ile bağlıdır. 1.2. Pol Plan Tanımı (Definition of Polplan) F-mekanizması, hareketsiz Σ sisteminin yanında, üç krank, üç bağlantı kolu ve bir hareketli sistem olmak üzere Σ ,…, Σ yedi hareketli sisteme sahiptir. Bilindiği üzere her Σ , Σ sistem ikilisi için, Σ /Σ ve Σ /Σ hareketinin her anına bir P = P (kısaca i < j için ij) relatif polü tekabül eder.
152
Şekil 2. Aynı yönlü durumunda pol planı tasarımı (Polplan contruction of direct fall)
Σ , Σ ve Σ krankları aynı yada zıt yönlü bile olsalar eşit açısal hızda olmaları öngörüldüğünden, aynı yönlü hareket için 12, 23 ve 13 relatif polleri A B C üçgeninin SAÜ Fen Bil Der 19. Cilt, 2. Sayı, s. 151-156, 2015
Bir düzlem robotun anlık pol planı ve hız vektörlerinin geometrik tasarımı
kenarının oluşturduğu 012, 023 ve 013 doğruları üzerindedir. Ters yönlü harekette 12 ve 23 polleri sırasıyla A B ve B C kenarlarının orta noktalarıdır (şekil 3). Her iki durumda da bu relatif poller 123 pol doğrusu üzerindedirler. 17, 27 ve 37 polleri ise bir taraftan Σ , Σ ve Σ taşıyıcı kolları yani sırasıyla 147, 257 ve 367 üzerindeyken, diğer taraftan da bu pollerin pol doğruları sırasıyla 127, 237 ve 137 dir ve bunlar da sırasıyla 12, 23 ve 13 pol noktalarından geçerler.
E.Can
17, 27 ve 37 pol noktaları birbirinden farklı ve hepsi 123 pol doğrusu üzerinde olabilirler (şekil 4). Yani: 17 = 123 ∩ 147 27 = 123 ∩ 257 37 = 123 ∩ 367 olabilir. Bu çözümün, [A 17], [B 27] ve [C 37] doğruları da bir noktada kesiştiğinden, uygun bir çözüm olduğu görülür.
Bu durumda 17, 27 ve 37 relatif pollerinin belirlenmesi, aşağıda sonuçları verilen, çözümü [2] de incelenmiş klasik bir projektif geometri problemidir.
Şekil 4. Aşikar çözüm (Trivial solution)
Sonuç olarak, aşağıdaki lemmalar verilebilir:
Şekil 3. Ters yönlü durumunda pol planı tasarımı (Polplan contruction of indirect fall)
2.1.1. Genel çözüm (General solution) Şekil 2 ve şekil 3 de görülen 17, 27 ve 37 pol noktalarının oluşturduğu 17 27 37 üçgenini ele alalım. Bu üçgen, sistemin sabit noktalarının belirlediği A B C üçgenine 123 pol doğrusundan perspektiftir, öyle ki [A B ] = [01 02] ve [17 27] kenarları yani 012 ve 127 pol doğruları 12 pol noktasından geçer.[2] Bu perspektifliğin bir merkezi vardır ve bu merkez 017, 027 ve 037 pol doğrularının kesişimi, Σ /Σ hareketinin aranılan pol noktasıdır.
Lemma 2.1. Eğer 123 pol doğrusu üzerindeki (17, 23), (27, 13) ve (37, 12) nokta çiftleri Desargues involusyon teoremi şartlarını sağlıyor ve 123 pol doğrusu A , B , C sabit noktalarının oluşturduğu üçgenin hiçbir köşesinden geçmiyorsa 17 = 123 ∩ 147 27 = 123 ∩ 257 37 = 123 ∩ 367 07 = [A 17] ∩ [B 27] ∩ [C 37] dir.[2] Lemma 2.2. Eğer yukarıda bahsedilen pol plan tasarımının, 367 pol doğrusu ve 123 pol doğrusu bir noktada kesişiyorsa, o zaman aşikar çözüm vardır ve [A 17], [B 27] ve [C 37] noktadaştır.[2]
2.1.2. Aşikar çözüm (Trivial solution) Yukarıda bahsedilen genel çözümün yanında aşikar çözüm de mevcuttur: SAÜ Fen Bil Der 19. Cilt, 2. Sayı, s. 151-156, 2015
153
E. Can
Bir düzlem robotun anlık pol planı ve hız vektörlerinin geometrik tasarımı
2.1.3. Sonsuz çözüm (Infinite solution) 2.2. Hız Lemma 2.1. Eğer A , B , C sabit noktaları bir üçgen oluşturan herhangi bir F-mekanizması için; A A , B B ve C C kollarından geçen 147, 257 ve 367 pol doğruları bir G noktasında kesişiyor ve 17, 27 ve 37 pol noktalarının oluşturduğu üçgenin kenarları sırasıyla 12, 23 ve 13 pol noktalarından geçiyorsa, sonsuz çoklukta 07 pol noktası mevcuttur [2](şekil 5 ve şekil 6). Sonuç olarak aşağıdaki teorem verilebilir:
Vektörlerinin
Geometrik
Tasarımı
(Geometrical Construction of Velocity Vectors )
2.2.1. Aynı yönlü hareket durumu (Direct fall) A A ⃗, B B ⃗, C C ⃗ vektörleri, krank uçlarının hız vektörleridir. A , B , C noktalarının hız vektörleri aynı anda A , B ve C dan geçen ve A A , B B ve C C kollarına paralel olan g , g , g doğruları üzerindedirler. Aynı zamanda bu vektörlerin uç noktaları A B C üçgenine benzer bir üçgen oluştururlar (şekil 5). Tasarım için 1∈ g seçilir. 1 den geçen A B ye çizilen paralelin g ile kesiştiği nokta bulunur. 1 ve bu yeni noktadan, A B C üçgenine benzer olacak şekilde paraleller çizilerek yeni bir üçgen elde edilir. Bulunan üçüncü köşe noktası, 1∈ g seçiminden bağımsız olarak G = g ∩ g den geçen p doğrusu üzerindedir.
Şekil 5. Aynı yönlü durumunda sonsuz çözüm (Infinite solution of direct fall)
Şekil 7. Aynı yönde hız vektörleri tasarımı (Construction of velocity vectors by direct fall)
Böylece aşağıdaki sonuçlar görülür: ) X = p ∩ g noktası C noktasının hız vektörüdür. b) p ∥ g ve p ≠ g ise çözüm yoktur, başka deyişle A , B ve C köşelerinin hız vektörlerin büyüklüğü sonsuza gider.
Şekil 6. Ters yönlü durumunda sonsuz çözüm (Infinite solution of indirect fall)
c) p = g olursa, yani iki doğru çakışırsa sonsuz çözüm oluşur.(şekil 8)
Teorem 2.1. A , B , C sabit noktaları bir üçgen oluşturan herhangi bir F-mekanizması için; ya bir tek ya da sonsuz pol plan çözümü vardır [2]. 154
SAÜ Fen Bil Der 19. Cilt, 2. Sayı, s. 151-156, 2015
Bir düzlem robotun anlık pol planı ve hız vektörlerinin geometrik tasarımı
E.Can
Bu B noktasından B B koluna paralel g doğrusu çizilir ve aynı yönlü harekette anlatılan metod uygulanırsa hız vektörleri bulunmuş olur.
Şekil 8. Sonsuz çözüm (Infinite solution)
Sırasıyla , , hız vektörlerinin A X ⃗, B X ⃗, ⃗ C X taşıyıcı doğruları, A , B ve C köşelerinin yörünge normalleridir ve birbirleriyle Σ /Σ hareketinin 07 relatif polünde kesişirler. Bu pol noktası da, A B C üçgeni ile vektör uçlarının oluşturduğu X X üçgeninin perspektiflik merkezidir.
Şekil 10. Sonsuz çözüm (Infinite solution)
3. SİNGÜLER POZİSYONLAR (SINGULAR POSITIONS)
3.1. Tanım (Definition) 2.2.2. Ters yönlü hareket durumu (Indirect fall) F-mekanizmasının bir pozisyonu için eğer; F-mekanizması için ters yönlü hareket söz konusu ise, B B krankı ters yöne hareket edeceğinden B noktasının hız vektörü B dır.[2](Şekil 9 ve şekil 10)
a) Krankların hepsi, yani Σ , Σ , Σ hareketsiz dururken (ω = 0), diğer sistemlerden en az biri sonsuz hareketlilik durumundaysa pozisyona singüler, b) Verilen ω çalışma hızı için, sistemlerden herhangi birinin yerel serbestlik derecesi en az iki ise pozisyona iki kere singüler, denir. Burada yerel serbestlik derecesinden kasıt, ω den bağımsız olmak üzere herhangi bir sistemin anlık mümkün hız vektörlerinin oluşturduğu vektör uzayının boyutudur. 4. SONUÇLAR (CONCLUSIONS) 1) Eğer bir F-mekanizmasının A A , B B ve C C taşıma kollarının oluşturduğu doğrular bir noktada kesişiyorsa, pozisyonu singülerdir.[3]
Şekil 9. Ters yönde hız vektörleri tasarımı (Construction of velocity vectors by indirect fall)
SAÜ Fen Bil Der 19. Cilt, 2. Sayı, s. 151-156, 2015
2) Eğer bir F-mekanizmasının pol planı tek bir çözümle bulunamıyorsa (pol planı için sonsuz çözümler mevcutsa), pozisyonu iki kere singülerdir. 3) Eğer bir F-mekanizmasının A A , B B ve C C kolları bir G noktasında kesişirken, aynı zamanda A , A 155
Bir düzlem robotun anlık pol planı ve hız vektörlerinin geometrik tasarımı
E. Can
ve A den çizilen g , g , g paralelleri de bir G noktasında kesişiyorsa, pozisyon yine iki kere singülerdir.
KAYNAKLAR (REFERENCES) [1]
4) Limit durumu: [2]
[3]
[4]
[5]
[6] [7] Şekil 11. G = G limit durumu (Limit fall for G = G)
G = G olması hali limit durumudur. Burada şekil 11 de görüldüğü gibi tüm hareket sisteminin 07 polleri aynıdır, yani Σ yerel serbestlik derecesi 1 olmasına rağmen, hareketsiz sisteme göre açısal hızı serbesttir ve hareket hızı ω nin seçiminden bağımsızdır. Pol plan çözümü de mevcuttur ve 17, 27 ve 37 pol noktalarının oluşturduğu üçgen, sistemin hareketsiz A , B ve C noktalarının oluşturduğu A B C üçgenine benzerdir ve tanım 3.1 b) de verildiği gibi serbestlik derecesi 1 den büyük olmamasına rağmen iki kere singülerdir.
156
[8]
[9]
[10]
[11]
E. Can, H. Stachel, “A planar parallel 3-RRR robot with synchronusly driven cranks”, Mechanism ve Machine Theory, Cilt. 79, September, pp. 25-42, 2014 E. Can, “Analyse und Synthese eines schnelllaufenden ebenen Mechanismus mit modifizierbaren Zwanglaufen”, PhD thesis, Vienna University of Technology, 2012. H.R. Mohammadi Daniali, K. Kamali, A. Akbarzadeh, “Sigularity analysis of planar parallel manipulators”, Mechanism ve Machine Theory, Cilt. 30, pp 665-678, 1995 Ş. Staicu, “Kinematics of the 3-RRR planar parallel robot”, U.P.B. Sci. Bull., Ser. D, Cilt. 70/2, pp. 3-14, 2008 R. Di Gregorio, “A novel method for the singularity analysis of planar mechanisms with more than one degree of freedom”, Mechanism ve Machine Theory, Cilt. 44, pp. 83-102, 2009 W. Blaschke ve H.R. Müller, “Ebene Kinematik”, Verlag R. Oldenburg, München, 1956 H. Stachel, “Über zweiparametrige ebene Bewegungsvorgaenge”, Monaths. Math., Cilt 88, pp. 45-54, 1979 B. Wegner, ‘On the projektive invariance of shaky structures in Euclidean space’, Acta Mech., Cilt 53, pp. 163-171, 1984 W. Wunderlich, “Ebene Kinematik”, BI Hochschultaschenbücher, Bve 447, Mannheim, 1970 W. Wunderlich, “Zur projektiven Invarianz von Wackelstructuren”, Z. Angew. Math. Mech., Cilt. 60, pp. 703-708, 1980 CAD 2D, Differential Geometry ve Geometric Structures, Vienna University of Technology Licensing, [Online], Available: http://www.geometrie.tuwien.ac.at/software/cad3 ddos/, 1996-2007.
SAÜ Fen Bil Der 19. Cilt, 2. Sayı, s. 151-156, 2015
SAÜ Fen Bil Der 19. Cilt, 2. Sayı, s. 157-161, 2015
The design and implementation of programmable CPLD based smart microcontroller education set Banu Erginöz1 , Cenk Yavuz2*
04.04.2014 Geliş/Received, 08.08.2014 Kabul/Accepted
ABSTRACT Fluorescent and LED lamps are the most common used light sources both in homes and offices due to their low energy consumptions. However both sources are short of the quality of power factor, harmonic components and colour rendering. Taking these parameters in account, the purpose of this study is to investigate and compare energy quality parameters for different light sources used with lighting control, especially dimming control. To that end, energy quality parameters as harmonic current values, total harmonic distortion and power factor of LED and fluorescent lamps in lighting control, under different scenarios and dimming are measured, analysed and suggestions made to evade the disruptive effects both on electricity network and local lighting control system. Keywords: lighting energy savings, energy quality, current harmonics, power factor
Flüoresan ve led aydınlatma kaynaklarının enerji kalitesi parametrelerinin incelenmesi ve karşılaştırılması ÖZ Flüoresan ve led lambalar, düşük enerji sarfiyatları sebebiyle, evlerde ve ofislerde kullanılan en yaygın aydınlatma kaynaklarıdır. Bununla birlikte her iki kaynağın güç faktörü kalitesi, harmonik bileşenleri ve renk işlemeleri düşüktür. Bu çalışmanın amacı, farklı aydınlatma kaynaklarında aydınlatma kontrolü yaparak, özellikle karartma (dimleme) kontrolü, enerji kalitesi parametrelerini incelemek ve karşılaştırmaktır. Neticede, Led ve flüoresan lambaların, farklı senaryolarda ve dimlenerek yapılan aydınlatma kontrolünde ölçülen ve analiz edilen harmonik akım değeri, toplam harmonik distorsiyon ve güç faktörü gibi değerlerin ışığında, elektrik şebekesi ve lokal aydınlatma kontrolü sisteminde yıkıcı etkilerini önlemek için önerilerde bulunulmuştur. Anahtar Kelimeler: aydınlatma enerji tasarrufu, enerji kalitesi, akım harmonikleri, güç faktörü
*
Sorumlu Yazar / Corresponding Author 1 Sakarya Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Elektrik-ElektronikBölümü, Sakarya - btabak@sakarya.edu.tr 2 Sakarya Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Elektrik-Elektronik Mühendisliği, Sakarya - cyavuz@sakarya.edu.tr
B. Erginöz , C. Yavuz
1.INTRODUCTION Lighting energy is the easiest parameter of the formula to gain energy efficiency and energy saving, numerous studies are held about lighting all over the world. There are several ways to obtain energy saving in conventional lighting systems such as changing ballasts and/or luminaries, adapting these systems to control interfaces, using ligting scenarios or reactive power compensation. In-depth analysis of International Building Research Establishment (BRE) publication of Energy Consumption Guide [1] and Chartered Institution of Building Service Engineers’ (CIBSE) previous reports [2], it is seen that 20 – 40% of worldwide building energy consumption is directly related to artificial lighting systems. Governmental buildings in USA are responsible more than one thirds of national electrical energy consumption and 25 – 40% of this value is due to artificial lighting energy consumption [3].Statistics about Canada show that 10% of institutional electrical energy consumption is directly related to lighting installations [4]. Nonresidential annual lighting energy consumption in European Union is about 160 TWh and 40% of this consumption is originating from buildings’ artificial lighting systems [5]. As global energy consumption increases dramatically and lighting energy saving steps forward as the most possible way to save electrical energy, both scientific and commercial studies focus on lighting more than ever. Unfortunately lighting energy efficiency and saving issue is a two edged sword. Obtaining savings in lighting energy both new LED technologies and transition methods cause disruptive effects on energy quality parameters. Even if dimming strategies used Total Harmonic Distortion (THD) and Harmonic current (THDI) ratios, power factor (PF) values are distorted significantly. Mentioned energy quality parameters are regulated by IEC and EN with various standards [6-8]. In this study under different scenarios and dimming THDI and PF values are measured, analysed for different systems and all results are compared. 2. EXPERIMENT Two experiment rooms are assigned for this study by the Electrical and Electronics Engineering Department of Sakarya University. Room 1is on the third floor of a four storey Engineering Faculty building, M-6. longitude. The surface areas of the identical test roomsare 24 m2, and they have each one window oriented to the northwest. Since the windows may have glare because of the 158
Investigation and comparison of energy quality parameters for fluorescent and led light sources
daylight penetration, thin film covers used on the window glasses. Light transmissivity of the windows are measured as 67 %.Northwest-facing window is 1.5 m x 1.2 m and has a total area of 1.8 m2. The effective window area is 1.2 m2 according to the related IEA Task 21 report; similarly, the effective window height is 1.5 m [9].
Figure 1. Test Room 1 (LED)
Figure 2. Test Room 2 (Fluorescent)
Room 2 is on the ground floor of a three storey engineering faculty building, M-4. The surface area of the test room is 36 m2, and it has one window oriented to the northwest. Northwest-facing window is 2.45 m x 1.75 m and has a total area of 4.29 m2. The effective window area is 3.52 m2 according to the related IEA Task 21 report; similarly, the effective window height is 1 m [1]. The ceiling of the test room is white, the walls are cream, and the floor is light brown. The ceiling height of the test room is 2.85 m. An artificial lighting system of the room is recessed in the suspended ceiling, consists of 8 special production double parabolic mirror louver luminaries; each one has two identical 58 W fluorescent lamps. Fluorescent lamps have 4000 K of colour temperature and 5200 lm luminous flux. Light transmissivity of the windows are measured as 89 %.
SAÜ Fen Bil Der 19. Cilt, 2. Sayı, s. 157-161, 2015
Investigation and comparison of energy quality parameters for fluorescent and led light sources
Existing artificial lighting system (Six 4x18 T8 fluorescent, double parabolic mirror louver luminaries) of Room 1 (R1) is changed with a LED system occupied with 1x41 W mid-range LED panels (Six 60 cm x 60 cm LED panels). In Room 2 (R2) existing system’s ballasts are dimmable electronic ballasts (DALI ballasts). Each room’s system is capable of dimming. R1 uses DALI featured LED drivers of Philips (92% eff, pf=0,95) and R2 uses Osram DALI Basic RC lighting automation system. R1 artificial lighting system provides 510 lux illuminance under 100 % operation and R2 system provides 1250 lux. Electrical parameters, such as voltage, lamp currents, active – reactive powers, total harmonic distortion (THD, THDI) and power factor are measured and stored every 5 seconds with an electric energy analyzer (Janitza UMG 503). Total energy consumption forR1 is measured as 250.2 Wh and 1030Wh for R2 at 100% operating.Both lighting systems are adjusted to 5 different dimming levels. Table 1. Dimming Levels of Lighting Systems Operating Level of Level Name Dimming Level (%) Luminaries (%) DL1 0 100 DL2 25 75 DL3 50 50 DL4 75 25 DL5 95 5
3.EXPERIMENT RESULTS During the experiment period Energy Analyzer UMG 503 recorded the measurements. Using these measurements THDI and power factor values of each room are calculated (Figure 3-7). As seen on Table 3 LED panels’ energy quality results are better than Fluorescent luminaires’ results. Especially THDI values are quite satisfactory.
B. Erginöz , C. Yavuz
40 35 30 25 20 15 10 5 0
%
R1-DL1 THDI%=21.7
3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 n Figure 3. R1-DL1 scenario THDI% results
40 35 30 25 20 15 10 5 0
R1-DL2 THDI%=24.92
3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 Figure 4. R1-DL2 scenario THDI% results
40 35 30 25 20 15 10 5 0
R1-DL3 THDI%=29.02
3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 Table 2. ExperimentResults Level Name
Dimming Level (%)
DL1 DL2 DL3 DL4 DL5
0 25 50 75 95
Operating Level of Luminaries (%) 100 75 50 25 5
R1 LED THDI (%) 21.7 24.92 29.02 33.21 37.60
R1 LED PF 0.94 0.89 0.84 0.79 0.75
R2 FL THDI (%) 25.1 32.05 37.98 44.23 49.99
SAÜ Fen Bil Der 19. Cilt, 2. Sayı, s. 157-161, 2015
R2 FL PF
Figure 5. R1-DL3 scenario THDI% results
0.97 0.88 0.81 0.74 0.65
159
Investigation and comparison of energy quality parameters for fluorescent and led light sources
B. Erginöz , C. Yavuz
40 35 30 25 20 15 10 5 0
Using active filters integrated with DALI ballasts in lighting systems can be a logical solution to eliminate the harmonics and power factor distortion. Active Filters that have voltage source inverters are recently used in place of compensation systems in electrical installations. As previous studies indicated [12], adaptation of this equipment to lighting devices can lower the THDI and PF values. Onlyproblem seems like researches shall study on how to minimize the dimensions of active filters and integrate them with LED drivers and/or ballasts.
R1-DL4 THDI%=33.21
3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29
Pulse Width Modulation (PWM) can also be a solution. PWM is a modulation technique that conforms the width of the pulse, formally the pulse duration, based on modulator signal information. So adjusting the waveform of the load current and estimating it to the sine-wave form can help to lower the distortion levels of the energy quality parameters.
Figure 6. R1-DL4 scenario THDI% results
40 35 30 25 20 15 10 5 0
R1-DL5 THDI%=37.6
LED lighting for indoors can be more and cheaper in the very near future if these methods suggested in this study for energy saving, better harmonic and pf levels are used and presented for end users. Integration of LEDs and/or active filters-PWM Modules can be a significant step forward for more reliable and efficient electricity network.
3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 Figure 7. R1-DL5 scenario THDI% results
Formulas used for calculation of THDI and PF are given as follows:
(1)
ACKNOWLEDGEMENTS This study was supported by the Sakarya University Scientific Research Projects Commission, Engineering Faculty and Electrical and Electronics Engineering Department.
REFERENCES
(2) 4. CONCLUSION AND SUGGESTIONS As seen inexperiment results both conventional and new artificial lighting systems have advantages and disadvantages in classical type of operating. Changing conventional ballasts of fluorescent luminaries with DALI ballasts and controllers might be a solution in the means of energy saving. Unfortunately energy saving is not the only issue has to be solved. Distortion of power quality parameters in the course of energy saving is a significant disadvantage. Similarly new technology products, LEDs, have this disadvantage, too. LED lamps and luminaries save greater amounts of electrical energy but, they also distort the energy quality parameters.
160
[1] [2] [3]
[4]
[5]
BRE, Energy consumption guide 19, 2007. Chartered Institute of Building Service Engineers, Guide F: Energy efficiency in buildings, 1999. M. Krarti, “Energy audit of building systems: An engineering approach”, Boca Raton, FL: CRC Press, 2000. National Resources Canada (NRC), Commercial / Institutional secondary energy use by energy source, end use and activity, Canada, 2000. P. Bertoldi, C.N. Ciugudeanu, Five Year Report of the European Greenlight Programme, EUR 21648 EN, European Commission, DG JRC, Institute for Environment and Sustainability, Renewable Energies Unit, 2005.
SAÜ Fen Bil Der 19. Cilt, 2. Sayı, s. 157-161, 2015
Investigation and comparison of energy quality parameters for fluorescent and led light sources
[6]
[7]
[8] [9]
IEC EN 61000-3-2: Electromagnetic Compatibility, Part 3, Section 2, Limits for [10] Harmonic Current Emissions (Equipment Input Current ≤16 A per Phase), ed. 3; International Electrotechnical Commission (IEC), Switzerland, 2011. IEC EN 61000-4-7: Electromagnetic [11] Compatibility (EMC), Testing and Measurement Techniques, General Guide on Harmonics and Interharmonics Measurements and Instrumentation, for Power Supply Systems and Equipment Connected Thereto; International [12] Electrotechnical Commission, Switzerland, 2002. Voltage Characteristics in Public Distribution Systems, EN 50160; CENELEC, Belgium, 1999. International Energy Agency, Daylight in buildings a source book on daylighting systems and components, A Report of IEA SHC Task 21/ECBCS Annex 29, 2000.
SAÜ Fen Bil Der 19. Cilt, 2. Sayı, s. 157-161, 2015
B. Erginöz , C. Yavuz
C. Yavuz, E.Yanıkoğlu, Ö. Güler, “Evaluation of Daylight Responsive Lighting Control Systems According to the Results of a Long Term Experiment”, Light & Engineering Journal, 20(4), pp. 75-83, 2012 L.Tug, C.Yavuz, “Reduction of the Effects of Current Harmonics in Low Voltage Systems”, 1st International Symposium on Innovative Technologies in Engineering and Science, Sakarya, Turkey, 2013 B.Tabak Erginöz, C.Yavuz, “Analysis and Improvement of Energy Quality Parameters for Different Light Sources in Electronıc Lighting Control”, Lux Europe 2013 Conference, Kr akow, Poland, 2013
161
SAÜ Fen Bil Der 19. Cilt, 2. Sayı, s. 163-170, 2015
Kauçuk sektörü Poka-Yoke uygulaması Engin Pekin1*, İbrahim Çil2 04.04.2014 Geliş/Received, 20.08.2014 Kabul/Accepted
ÖZ Bir üretim tesisinde her zaman gözlemlenmesi ve ortadan kaldırılması gereken konuların başında kalite problemleri ve hatalı ürünler gelmektedir. Üretimde insan faktörü ise hatalı ürün ve kalite problemlerinin en önemli kök nedenlerinden biri olarak değerlendirilmektedir. İlk olarak Toyota’da mühendis olarak çalışan Shigeo Shingo tarafından ortaya atılan Poka-Yoke fikri, insana bağlı hatanın ortadan kaldırılması anlamına gelmektedir. Poka kelime anlamı olarak; dikkatsizlik, dalgınlık, istenmeyen hata olarak dilimize tercüme edilmektedir. Yoke ise; Yokeru kelimesinden türetilmiş ortadan kaldırma, elimine etme olarak tercüme edilmektedir. Bu makalede kauçuk sektöründe yer alan malzeme karıştırma prosesinde aktif olarak uygulanan Poka-Yoke uygulaması anlatılarak, insan hatasının kaliteye etkileri ve bu hataların ortadan kaldırılmasına yönelik çalışmalar incelenmiştir. Anahtar Kelimeler: yalın üretim , poka-yoke, kauçuk endüstrisi
A Poka-Yoke application in rubber industry ABSTRACT Quality problems and defect products are always issues that have to be considered and eliminated in a manufacturing facility. Human effect in production is considered as one of most important root-cause items regarding defect product and quality problems. The first idea of how to minimize human factor in production has been generated by Shigeo Shingo who is an engineer of Toyota Motor Co. and this idea is named as Poka-Yoke. Poke can be translated as carelessness, absence of mind, undesirable mistake. Yoke is derived from Yokeru and can be translated as remove, elimination. This paper describes human mistakes at mixing operation in rubber industry that causes quality problems and product defect and how to eliminate these problems or defect by applying Poka-Yoke that still running at facility. Keywords: lean production, poka-yoke, rubber industry
*
Sorumlu Yazar / Corresponding Author 1 Sakarya Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Endüstri Mühendisliği, Sakarya - engin.pekin@ogr.sakarya.edu.tr 2 Sakarya Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Endüstri Mühendisliği, Sakarya - icil@sakarya.edu.tr
E, Pekin, İ.Çil
1. GİRİŞ (INTRODUCTION) Yapısında hiçbir gereksiz unsur taşımayan ve hata, maliyet, stok, işçilik, geliştirme süreci, üretim alanı, fire, müşteri memnuniyetsizliği gibi unsurların, en aza indirgendiği üretim sistemine yalın üretim denilmektedir [1]. Yalın üretim tekniklerinin uygulanması; hem kurulma aşamasında yalın düşünce prensipleri kullanılarak tasarlanmak istenen işletmelerde hem de yalın üretime geçişin planlandığı klasik tipteki işletmelerde oldukça önem arz etmektedir. Yeni kurulan işletmelerin başlangıç safhasında, yalın düşünce ile hareket edildiği takdirde, ileride olması muhtemel kayıp olarak nitelendirilebilecek birçok maliyet kalemi ve olası birçok problem en başından engellenebilmektedir. Yalın üretim tekniklerinin işletme içinde benimsenmesi ve uygulanması işletmenin hedeflerine ulaşmasında önemli bir unsur olarak göze çarpmaktadır. Poka-Yoke, yalın üretim tekniklerinden biri olarak değerlendirilmektedir ve temel olarak insan hatasını engelleyen, ortadan kaldıran mekanik ve elektronik mekanizma olarak tanımlanmaktadır. Bu çalışmada kuruluşundan bu yana yalın üretim tekniklerini kullanarak üretim gerçekleştiren kauçuk işletmesindeki Poka-Yoke uygulamalarından bir tanesi anlatılmaktadır. Kauçuk endüstrisindeki en önemli üretim aşamalarından biri, malzeme karıştırma sürecidir. Kauçuk hamurunun standartlara, reçeteye ve arzulanan kaliteye uygun olması, nihai ürünün kalitesini ve sonraki süreçlerdeki yarı mamullerin üretim verimliliklerini doğrudan etkilemektedir. Bu nedenle malzeme karıştırma bölümünde, hem hammaddelerin üretim sahasına alınmasındaki hem de karıştırma süreci öncesinde reçeteye bağlı kalınarak gerçekleştirilen tartım operasyonundaki insan faktörü etkisinin minimize edilmesi gerekmektedir. Bu amaçla karıştırma süreci için tasarlanmış bir Poka-Yoke uygulaması, insan hatası etkisini azaltarak hem kaliteyi hem de üretim verimliliğini arzu edilen seviyede tutabilmektedir. 2. YALIN ÜRETİM VE TEKNİKLERİ (LEAN PRODUCTION AND TECHNIQUES)
Yalın üretim, sistemdeki israfları ortadan kaldırmak ve sürekli olarak sistem etkinliğini artırmak temeline dayanan bütünsel bir yaklaşım olarak değerlendirilmektedir. İsraf; Toyota Üretim Sistemi’nin kurucusu Taiichi Ohno tarafından “kaynak tüketen fakat değer yaratmayan bir faaliyet” ya da başka bir deyişle “değer katmayan ama maliyet yaratan bir faaliyet” olarak tanımlanmaktadır. Araştırmacı John Krafchik tarafından yalın üretim; yapısında hiçbir gereksiz unsur taşımayan 164
Kauçuk sektörü Poka-Yoke uygulaması
ve hata, maliyet, stok işçilik, geliştirme süreci, üretim alanı, fire, müşteri memnuniyetsizliği gibi unsurların, en aza indirgendiği üretim sistemi olarak tanımlanmaktadır. Geleneksel üretim ile yalın üretim arasındaki en çarpıcı farklılık asıl amaçlarında yatmaktadır. Geleneksel üretimde sınırlı bir hedef tayin edilmektedir. Bu da, azami sayıda, standardize edilmiş ürünler anlamına gelmektedir. Bu anlayışa göre daha iyisini yapmak, çok pahalıya mal olmaktadır veya insanın doğal yeteneklerini aşmaktadır. Diğer taraftan, yalın üretimde devamlı düşen maliyetler, sıfır bozuk mal, sıfır stok, sonu gelmeyen ürün çeşitliliği vb. gibi kesin bir kusursuzluk hedef alınmaktadır. Yalın üretici bu hedefe ulaşmak için sürekli mükemmellik arayışı ile hareket etmektedir [2]. Yalın üretimin etkin bir şekilde uygulanabilmesi ve arzu edilen faydanın sağlanabilmesi için yalın üretim tekniklerinin işletme içerisinde anlaşılması, uygulanması ve geliştirilmesi gerekmektedir. Bir işletmede yalın düşünce ve üretim felsefesinin mevcudiyeti yalın üretim teknikleri uygulamalarının çokluğuyla anlaşılmaktadır. Yalın düşünce felsefesini benimsemiş işletmelerde sıklıkla uygulanan yalın üretim teknikleri aşağıda verilmektedir. 1.
5S: Yalın üretimin ilk adımıdır. İşletmede temizliği, düzeni, sınıflandırma, standartlaştırma ve sistemin korunmasını sağlar. 2. SMED: Hazırlık ve kalıp değiştirme sürelerini minimize eden yalın üretim tekniğidir. 3. POKA-YOKE: Kısaca hatayı önlemeye yarayan mekanizmalardır. 4. JIDOKA: Kısaca otonomasyon olarak açıklanabilir. 5. JIT: Tam zamanında üretim şeklinde ifade edilir. 6. HEIJUNKA: Hat dengeleme sistemidir 7. TPM: Toplam verimli bakım, işletmedeki tüm birimler ile yapılan kolektif bir bakım yönetimi şeklidir. 8. KAIZEN: Sürekli iyileştirme olarak ifade edilen bu teknikte işletmede her zaman iyileştirme yapılması teşvik edilir. 9. TEK PARÇA AKIŞI: Makineler arası parça akışının minimum seviyeye indirilmesi için uygulanan tekniktir. 10. KANBAN: Çekme sistemi olarak da tanımlanmaktadır. 11. U TİPİ İMALAT: Hattaki makinaları U şeklinde yerleştirilmesiyle bir işçinin birden fazla makineyi kullandığı yalın üretim tekniğidir.
SAÜ Fen Bil Der 19. Cilt, 2. Sayı, s. 163-170, 2015
E.Pekin
Kauçuk sektörü Poka-Yoke uygulaması
3. POKA YOKE İlk olarak Toyota’da mühendis olarak çalışan Shigeo Shingo tarafından ortaya atılan Poka-Yoke’de Poka kelimesi; dikkatsizlik, dalgınlık, istenmeyen hata ve Yoke kelimesi ise; Yokeru kelimesinden türetilmiş ortadan kaldırma, elimine etme anlamına gelmektedir. İlk olarak Baka-Yoke olarak tanımlanmışsa bile baka kelimesinin aptal, budala gibi anlamlarından dolayı daha ılımlı bir anlamı olan Poka-Yoke ismine dönüştürülmüştür [3]. Poka-Yoke, insanları yaptıkları hatalardan alıkoyan metot ya da alet olarak tanımlanmaktadır. Poka-Yoke adı hiç duyulmamış olsa bile günlük hayatta birçok kişi Poka-Yoke’ yi mutlaka en az bir kez kullanmıştır. Örneğin USB kablolarının doğru takılması için üst yüzeyini gösteren işaretler, trafik işaretleri vb. birçok uygulama günlük hayatta kullanılmaktadır [4]. PokaYoke, üretim sisteminin hata oluşabilecek kısımlarına oldukça basit hata önleyiciler yerleştirme prensibine dayanmaktadır. Poka-Yoke sisteminde hataların tekrarını ve hatalı ürünün oluşmasını önlemeyi amaçlayan ve süreci sürekli iyileştiren sistemleri kurmak hedeflenmektedir. Hata bir süreçtir ve bunun sonucunda kalitesiz bir ürün ortaya çıkmaktadır [5]. Mal ve hizmet üretimi sırasında insan temelli birçok hata oluşabilmektedir. Günlük hayatın çeşitli bölümlerinde karşılaşılabilecek bu hatalardan bir kısmı aşağıdaki gibi sıralanabilir [6]. o o o o o o o o
Unutkanlık Alışkanlıklardan kaynaklanan hatalar Tanımlama teşhis ve hataları Amatör hatalar Farkında olunan hatalar Dikkatsizliğe dayanan hatalar Kararsızlığa dayalı hatalar Kasti hatalar
Hata önleme kullanımının iyi olduğu yerler:
Manuel operasyonlarda, Kötü pozisyonun olduğu yerde, Takımların tamire ihtiyaç duyduğu yerde, İstatistiksel proses kontrol uygulamalarının zor olduğu yerde, Ölçülmeyen yerlerin önemli olduğu bölümde, Üretim maliyetlerinin ve işçilik maliyetlerinin yüksek olduğu yerde, Karışık model üretiminin olduğu yerde, Müşterilerin hata yaptığı yerde, Özel nedenlerin olması durumunda.
SAÜ Fen Bil Der 19. Cilt, 2. Sayı, s. 163-170, 2015
Hata önleyicinin kullanılmadığı yerler: 1. Yıkıcı testlerin yapıldığı yerde, 2. Üretimin hızlı olduğu yerde, 3. Kontrol diyagramlarının etkin olarak kullanıldığı yerde [7]. Poka-Yoke, temel fonksiyon olarak üç tipte sınıflandırılmaktadır: [8] 1) Durdurma Poka-Yoke Bu metotta, Poka-Yoke araçları kritik proses parametrelerini kontrol eder ve tolerans bölgesinin dışında olduğu durumda faaliyeti sona erdirir. Hatalı ürün üretildiğinde veya üretilmek üzereyken her iki durumda da Poka-Yoke aracı hatalı ürünü işaret eder. 2) Kontrol Poka-Yoke Kontrol metot poka yoke araçları, bir sonraki prosese uygun olmayan ve/veya hatalı ürünleri üretmeyi imkânsız hale getiren süreç ekipmanı veya çalışma parçaları üzerine yüklenen düzenleyici araçlardır. 3) Uyarı Poka-Yoke Bu metot, operatörü bir şeylerin yanlış gittiğine dair bilinçlendirir. Operatörü sistemin geri beslemeye ve harekete gereksinimi olduğuna dair sinyaller kullanarak uyarır. Aslında bu metot hatanın var olduğunu gösterir ancak % 100 kaliteli ürün üretimini garanti etmez. Genel uyarı metotları ışığın yanıp sönmesi ve alarm kullanımı şeklindedir. Bir Poka-Yoke uygulamasının gerçekleştirilmesi için şu şekilde bir metodoloji izlenmektedir: [9] -
Problemin tanımlanması, İş istasyonunda gözlemlenmesi, Fikirler için beyin fırtınası yapılması, En iyi fikrin seçilmesi, Uygulama planının oluşturulması, Uygulamanın devreye alınması, Gözlemlenmesi ve sona erdirilmesi 4. POKA-YOKE LİTERATÜR ARAŞTIRMASI (LITERATURE REVIEW of POKA-YOKE)
Poka-Yoke, ilk kez bir Toyota üretim sistemi alt uygulaması olarak kullanılmış ve günümüzde akademik ve iş dünyası tarafından da yaygın olarak uygulanmaktadır. Poka-Yoke, Japon şirketlerinde sadece ürün tasarımı ve üretim sürecinde değil bunun dışında toplam kalite yönetimi konsepti kapsamında üretim dışı birimlerde de uygulamaları gerçekleştirilmektedir [10]. Batılı şirketler arasında ise, Poka-Yoke uygulamaları diğer kalite iyileştirme tekniklerine nazaran daha az 165
E, Pekin, İ.Çil
bilinmektedir [11]. Batı dünyasında Poka-Yoke ’ye olan ilgi eksikliği akademik çevrelerde de gözlemlenmektedir. Poka-Yoke yalın üretim içerisinde çok önemli rol oynamasına rağmen akademik araştırmalarda büyük ölçüde göz ardı edilmektedir [12]. Shingo kitabında Poka-Yoke teorisini şekillendiren 110 Poka-Yoke örneğine yer verilmektedir. Batılı şirketlerde ise Poka-Yoke düşüncesinin yayılması, Productivity Yayınlarının 1997 yılında Shingo’nun orijinal yayınının düzenlenmiş versiyonunu yayınlamasıyla gerçekleşmiştir. Poka-Yoke örneklerinin düzenlendiği bir başka özellikli yayın olan ve NKS/ Fabrika Dergisi tarafından 1988 yılında basılan kitapta ise yüzden fazla Japon tesislerinden derlenmiş 240 adet Poka-Yoke örneği yer almaktadır. Kitap ayrıca Poka-Yoke konsepti ve metotları hakkında bir bakış açısı vermektedir [13]. Poka-Yoke tekniği ve bunun diğer kalite kontrol yöntemleri ile karşılaştırılması üzerine literatürde birçok çalışma bulunmaktadır (Bandyopadhyay,1993, Bodine,1993, Chase,1994, Hinckley&Barkanp,1995, Felciano,1995, Henricks,1996, Beauregard,1997, Basser,2014, Miralles,&Holt & Garci& Daros 2012, Patil & Parit& Burali, 2013). Bandyopadhyay, PokaYoke’nin esas uygulamalarını ele alarak kontrol ve uyarı limitleri, temas ve değer biçmek gibi fonksiyonları incelemektedir [14]. Bodine, %100 kontrolün, müşteriye hatalı ürün gitmesinin önlenmesi için önemini vurgulamaktadır. Bodine, ayrıca prosesin yavaşlamadan kontrolün yapılması gerektiğini de belirtmektedir [15]. Hata önleyiciler hakkında yapılan ilk çalışmalardan olan Chase’de, hata önleyicilerinde çiftçi benzetmesi ve bazı örnekler tanımlanmaktadır. Müşteriden gelebilen hatalar çiftçi tarafından belirlenmektedir ve müşteri PokaYokeleri; hazırlık, karşılaşma ve kararlılık başlıklarını içermektedir. Chase’in çalışmasına göre insan hataları kontrol diyagramları gibi metotlarla belirlenemez [16]. Hınckley M., & Barkanp., kalite kontroldeki birkaç düşünceyi belirtmektedir. Değerleme, hata ve karmaşıklık olan üç kaynaktan gelen uygunsuzluk üzerinde durulmaktadır. Bu kaynakların her biri için bir alet tanımlanmaktadır. Değerlendirme istatistiksel kalite kontrol ve istatistik ile yönetilmektedir. Hatalar PokaYoke ile önlenmektedir. Karmaşıklık dizayn boyunca kontrol edilmektedir. Hataların finalden önce önlenmesi için proses kontrolde alet tasarlanmaktadır [17]. Felcıano, insan hatalarını, uygunsuz olaylar ve hedeflere ulaşmada aksaklık olarak tanımlamaktadır. Ayrıca Rasmussen'nin SRK çatısını tanımlayarak. “Hataları” ve “kaymaları” belirtmektedir [18]. Henrcks, işletme ilişkilerinin olumlu dizaynını belirterek yönetim için hata önleme ile buluşmanın özetini ortaya koymaktadır [19]. Beauregard, hata önleyicilerin esaslarını ele aldığı çalışmasında dört hata önleyici metodu belirtmektedir: 166
Kauçuk sektörü Poka-Yoke uygulaması
kontrol, kapama, uyarı ve sensör düzenekleri. Kontrol metotları hataları elimine etmektedir. Kapatma metotlar hata oluştuğunda prosesi durdurmaktadır. Uyarı metotları, hata oluştuğunda operatörü veya kullanıcıyı sesli ya da görüntülü olarak uyarmaktadır. Sensörlü metotlarda ise hata oluşumunda kullanıcı ya da operatörün uyarılması için hattı durdurucu bir engel konulmaktadır [20]. Baseer, K.K., yüksek kalite yazılım ürün ve servislerini hızlı, ucuza ve daha iyi yollarla elde etmek için Poka-Yoke prensiplerinin uygulanması anlatmaktadır [21]. Miralles vd., Poka-Yoke uygulamalarının hayatı daha kolay hale getirmek için tasarlandığını ve hiçbir azalma olmadan çalışan performansını iyileştirdiğini savunmaktadır [22]. Patil vd. Poka-Yoke’yi toplam verimli yönetimde hataları kaynağında sınırlayan bir konsept olarak tanımlamaktadır [23]. Son dönemlerde yayınlanan akademik çalışmalarda farklı iş kollarına ait yayınlar da bulunmaktadır. Tarcisio vd. çalışmalarında, kalite kontrol, iş sağlığı ve güvenliğini tehdit eden risklerin kontrolü gibi konuları incelemektedir [24]. Scyoc ise çalışmasında yine iş güvenliğinde Poka-Yoke uygulamalarını incelemektedir [25]. Grout ve Tossaint sağlık sektöründe yapılan PokaYoke uygulamaları ile tıbbi hataları ve maliyetlerin nasıl düşürüleceği ile ilgili bir çalışma ortaya koymaktadır [26]. Robinson ise Poka-Yoke’nin bilişim sektörü içerisindeki uygulama alanlarını göstermektedir [27]. Poka-Yoke uygulamaları özellikle imalat sektörü ve yoğunlukla otomotiv sektöründe yaygın olarak kullanılmaktadır. Akademik çalışmalar çoğunlukla imalat ile ilişkili konularda gerçekleştirilmektedir. Ancak hayatın her alanında uygulanabilen bir teknik olması sebebiyle diğer sektörlerde uygulamalar ve buna bağlı akademik çalışmalar gerçekleştirilmektedir. Bundan sonra da teknolojinin gelişimine bağlı olarak hayatın her alanında, insan hatasını minimize eden, hataları önceden öngören, kontrol edebilen ve hatanın oluşmasını engelleyen uygulamalar ile ilgili yenilikçi akademik çalışmalar yapılması beklenmektedir. Çünkü Poka-Yoke bir yalın üretim tekniği olması sebebiyle her zaman iyileştirmeye ve yeniliğe açık olmaktadır. 5. POKA YOKE KAUÇUK SEKTÖRÜ UYGULAMASI (POKA-YOKE APPLICATION IN RUBBER INDUSTRY)
Uygulama, otomotiv yan sanayinde faaliyet gösteren ve kauçuk menşeili ürün üreten bir tesiste gerçekleştirilmektedir. İşletmede üretim, tesisin kurulumundan günümüze kadar yalın üretim teknikleri kullanılarak gerçekleştirilmektedir. Bu sebeple işletmenin birçok yerinde Poka-Yoke uygulaması SAÜ Fen Bil Der 19. Cilt, 2. Sayı, s. 163-170, 2015
Kauçuk sektörü Poka-Yoke uygulaması
gerçekleştirilmektedir. Bu uygulamalarla, üretimde hata oranları ve ayrıca kaza oranları PPM(Parts per million) seviyesinde tutulmaktadır. Kauçuk endüstrisinde hangi tip nihai ürün üretilirse üretilsin en hayati operasyon malzeme karıştırma bölümünde gerçekleştirilmektedir. Kauçuk hamurunun imal edildiği bu operasyonda ürüne karakteristik özelliği veren birçok kimyasalın, çok hassas oranlarda eklenmesi ve kauçuk hamuru reçetesine sadık kalınması gerekmektedir. Aksi takdirde sonraki proseslerde ciddi verimlilik ve kalite problemleri ortaya çıkabilmektedir. Poka-Yoke insan hatasını minimize eden mekanik ve/veya elektronik uygulamalar için yapılan tanımlamadır. Üretim sahasının her noktasında gerektiğinde Poka-Yoke yapılmaktadır. Bununla ilgili birçok uygulama örneği de verilebilmektedir. Bu bölümde ise malzeme karıştırma bölümünün tüm üretim aşamalarında kullanılacak olan Poka-Yoke yaklaşımının nasıl tasarlandığı ve uygulamaya alındığı anlatılmaktadır. Uygulamanın yapıldığı malzeme karıştırma bölümünde Poka-Yoke sistemi iki temel bölüme ayrılmaktadır: 1)
Hammaddenin depodan alınması ve boşaltma tanklarına konulması sürecini kontrol eden kanban ile bütünleştirilmiş malzeme tedarik sistemi
2) Kauçuk hamuru için hazırlanmış reçeteyi ve reçeteye göre malzemeyi hazırlamayı kontrol eden kanban ile bütünleştirilmiş malzeme hazırlama sistemi. İki Poka-Yoke sisteminin uyumluluğu sayesinde reçete içindeki tanımlı malzemeler, tanımlanan oranlarda alınarak hem malzemelerin karışması engellenmiş olmaktadır hem de kauçuk hamurunun kalitesi garanti altına alınmış olmaktadır. Malzeme bölümünde hammaddeler; kauçuk grubu, karbon grubu, kimyasal grubu, yağ grubu olarak sınıflandırılmaktadır. Aşağıdaki bölümde kauçuk ve kimyasal bölümünde ki malzeme tedariki ve üretim için malzeme hazırlamada kullanılan Poka-Yoke sistemi anlatılmaktadır. Karbon ve yağ grubu Poka-Yoke uygulaması da aşağıda anlatılacak olan uygulama temel alınarak gerçekleştirilmektedir. Genel uygulama mantığı her bir grup için aynıdır ancak malzeme karakteristiğine bağlı olarak farklılıklar bulunmaktadır.
E.Pekin
Şekil 1-a’ da balya olarak stokta tutulan doğal kauçuk benzeri kauçuklar türleri için kullanılan Poka-Yoke uygulamasının şeması gösterilmektedir. Malzeme tedariki Poka-Yoke sistemi kauçuk için şu şekilde çalışmaktadır: Kauçuk için ayrılmış alandaki arabaya malzeme eklemek ya da arabadan malzeme almak sadece Poka-Yoke ile entegre barkotlu kanbanın sisteme okutulması ile gerçekleştirilebilmektedir. Şekil 1-b’de görüldüğü üzere sensor ile kontrol edilen 6 adet kauçuk arabasının mevcut olduğu alan bulunmaktadır. Üretimde kullanılacak hammadde, malzeme arabasında bittiğinde operatör stok alanına malzeme tedariki için gitmektedir. Bu uygulama genellikle vardiya bitiminde bir sonraki vardiya için gerçekleştirilmektedir. Malzeme tedariki yapılacak ürün, operatör tarafından yedek tedarik arabasına alınarak kauçuk için ayrılmış üretim alanına götürülmektedir. Ön ve arka tarafı açık ancak sensör ile kontrol edilen her bir bölgede, içinde tanımlı kauçuğun bulunduğu malzeme arabası bulunmaktadır. Bu alanın ön tarafında yeşil sinyal veren alarm lambası, arka tarafta ise turuncu sinyal veren alarm lambası aktif olarak yer almaktadır. Malzeme tedariki yapacak operatör, araba üzerinde bulunan kanbandaki ürün resmi ile arabaya tedarik edeceği ürünü karşılaştırmakta ve aynı ise malzeme tedarik butonuna basıp daha sonra barkotlu kanbanı sisteme okutmaktadır. Hammaddenin bulunduğu alanda yanıp sönmeye başlayan turuncu ışık, sadece bu alan içerisinde tedarik yapmaya sistemin izin verdiğini göstermektedir. Operatör tedarik butonuna basarak süreci tamamlar ve tepedeki turuncu ışık söner, bu tedarik sürecinin bittiğinin ve sensörün tekrar aktif hale geldiği anlamına gelmektedir. Sistem çalıştırılmadan arabanın önden ya da arkadan hareket ettirilmesi, araba hareket ettirilmeden arabadan malzeme alınması veya malzeme konmaya çalışılması durumlarında sensör harekete geçmekte ve hem görsel (kırmızı sinyal veren alarm lambası) hem de sesli olarak uyarı vermektedir. Sistem, ilgili operatör ve hat formenlerini uyarmaktadır. Bu şekilde üretim sistemine yabancı madde girişinin ilk aşaması tamamlanmış olmaktadır.
Kauçuk grubunda iki ayrı sistem bulunmaktadır. Kauçuk hammaddesi, balya ya da ufak taneler halinde kauçuk (pellet) olarak da kullanılabilmektedir.
SAÜ Fen Bil Der 19. Cilt, 2. Sayı, s. 163-170, 2015
167
E, Pekin, İ.Çil
Kauçuk sektörü Poka-Yoke uygulaması
Şekil 2-b) Polimer kauçuk doldurma tank Poka-Yoke uygulaması
Şekil 1-a) Polimer kauçuğu Poka-Yoke sistemi proje şeması
Pellet tipi kauçuk tedarikinde de aynı adımlar uygulanmaktadır. Ancak burada ki temel fark, tank kapağında kilit bulunur ve sadece barkotlu kanban okutulduğunda bu kapak açılmaktadır. Açık alan olmadığı için sensör bulunmamaktadır. Kapak açık olduğu müddetçe tanktan üretim için malzeme alınmasına Poka-Yoke sistemi müsaade etmemektedir. Üç ayrı hammadde grubu için depodan alınan hammaddelerin üretim alanlarında kanban destekli Şekil 2-a) Polimer kauçuk doldurma tank Poka-Yoke uygulaması
Poka-Yoke sistemi kullanılarak nasıl stoklandığı Şekil 1 ve 2’de gösterilmiştir. Sistemin ikinci aşaması olan karıştırma bölümü tarafından üretilen kauçuk hamurunda kullanılan malzemelerin tartım sürecini kontrol eden Poka-Yoke sistemi ise Şekil 3.’te gösterilen kimyasal grubu PokaYoke sistemi üzerinden anlatılmaktadır.
Şekil 1-b) Polimer kauçuğu Poka-Yoke sistemi proje uygulaması
Kimyasal hammadde ve pellet kauçuk grubu da benzer şekilde Poka-Yoke sistemi ile kontrol edilerek tanklara hammadde tedariki gerçekleştirilmektedir. Şekil 2. ve Şekil 3. de bu malzeme grupları için Poka Yoke sistemiyle malzeme tedariki detayları gösterilmektedir.
Şekil 3-a) Kimyasal hammadde tartım Poka-Yoke sistemi
Şekil 2-a) Polimer kauçuk doldurma tank Poka-Yoke proje
Şekil 3-b) Kimyasal hammadde tartım Poka-Yoke uygulaması
168
SAÜ Fen Bil Der 19. Cilt, 2. Sayı, s. 163-170, 2015
Kauçuk sektörü Poka-Yoke uygulaması
Malzeme bölümünde kanban sistemi çalışmaktadır. Poka-Yoke uygulaması ise kanban sistemi ile birlikte entegre olarak çalışmaktadır. Batch kart olarak tanımlanan kanban, üretim planına sokulduktan sonra üzerindeki barkod sisteme okutulması suretiyle poka yoke sistemini aktif hale getirilmektedir. Kauçuk hamuru reçeteleri ve reçetelerde tanımlanmış hamur içeriğinde bulunan hammaddeler önceden ilgili yönetici tarafından sisteme girilmektedir. Kauçuk hamuruna ait kanban üzerindeki barkot sistemde okutulduğunda sistemde o kauçuk hamurunun bileşeni olan tüm hammaddelerin bulunduğu tanklarda yeşil lambası yanmaktadır. Birinci sırada tartımı yapılacak olan malzemenin yeşil ışığı ise yanıp sönmektedir. Bu, sistemin sadece o malzemenin tartımına izin verdiğini göstermektedir. Sistemdeki tartım miktarı %±2 tolerans ile tanımlanmaktadır. Yani örneğin bir kimyasaldan 1000gr alınması gerekiyorsa sistem 980 gr ~ 1020gr aralığında alınmasına izin vermektedir. Eğer 1021 gr alınırsa tartım cihazı üzerinde kırmızı lamba yanarak sistem, operatörün tartım butonuna basıp bir sonraki aşamaya geçmesine izin vermemektedir. Sistemde tanımlanan toleransta tartım gerçekleştirildikten sonra tartım butonuna basılmasıyla tartılan hammaddeye ait yanan sönen yeşil ışık tamamıyla sönmekte ve yanan yeşil ışıklar içinden sistemde tanımlı bir sonraki kimyasalın yeşil ışığı yanıp sönmeye başlamaktadır. Bu aşamalar formülde tanımlı tüm kimyasallar ve diğer hammadde grupları için tamamlanmaktadır. Tartım operatörünün, tartım arabasında bulunan hammaddeleri kauçuk hamuru kanban kartı ile birlikte karıştırma makinesi operatörüne vermesiyle tartım süreci, Poka-Yoke sisteminin kontrolünde tartım operatörü tarafından tamamlanmaktadır. Poka-Yoke sisteminin izin verdiği şekilde tartım operatörü tüm hammaddeleri sırasıyla, sistemin belirlediği miktarlarda, “0 hata” ile üretime hazır hale getirmiş olmaktadır. 6. SONUÇ (CONCLUSION) Poka-Yoke, bilinen endüstrinin çeşitli sektörlerinde yaygın olarak kullanılan bir teknik olmakla birlikte kauçuk sektöründe malzeme bölümü için Poka-Yoke uygulaması, özellikle küçük ve orta ölçekli işletmelerde yaygın bir teknik olarak gözükmemektedir. Daha çok geleneksel tartım ve üretim metodu, yani insan odaklı bir bakış açısı görülmektedir. Bu tarz bir yaklaşımda insan etkisiyle vuku bulan hatalar kaçınılmaz olmaktadır. Bu yönüyle bakıldığında bu çalışma, uygulama yapılan işletmede sistematik ve kapsamlı yalın düşüncenin özüne tam olarak uygun bir Poka-Yoke uygulaması ortaya koymaktadır.
SAÜ Fen Bil Der 19. Cilt, 2. Sayı, s. 163-170, 2015
E.Pekin
Bu uygulama, proje planlama safhasından üretimde işlerlik kazandığı ana kadar ki dönemde firma personeli tarafından projelendirilmiş tipik bir yalın üretim çalışması olması sebebiyle de firmaya büyük kazanımlar sağlamaktadır. Üretim hattının devreye alınmasından önce yalın üretim felsefesiyle tasarlanmış bu sistem test edilip hazır hale getirilmekte ve işletmenin seri üretime başlamasıyla birlikte üretimde uygulanmaktadır. Poka-Yoke uygulamasıyla, tecrübeli, tecrübesiz tüm operatörler sistem eğitimini aldığı andan itibaren hatasız bir şekilde görevlerini yerine getirebilmektedirler ve sonuç olarak operatör kaynaklı malzeme tedarik ve tartım hataları ve buna bağlı kalite problemleri ortadan kalkmaktadır. İnsan hatasına bağlı kalitesizlik oranının sıfırlanması firma açısından önemli bir başarı sağlamaktadır. Yalın üretim sisteminin en hassas noktası, bütün yalın üretim tekniklerinin birbiriyle ilintili olması ve böylece bir yalın üretim tekniğinin diğer bir teknikle bütünleşik bir şekilde kullanılabilmesidir. Tam zamanında, stoksuz üretim için kanban sistemi uygulanmaktadır fakat bu sistemin uygulanması için hatasız, gecikmesiz malzemeye ihtiyaç duyulmaktadır. Hatasız ürün üretmek için Poka-Yoke tekniğinin iyi bir şekilde uygulanması gerekmektedir. Mevcut sistemin aksayan yönlerinin ortaya çıkarılması ve iyileştirilmesi için de kalite çemberleri ve Kaizen anlayışının benimsenmesi gerekmektedir. Kanban sistemiyle entegre bir sistem oluşturularak, üretime yabancı madde (formül dışındaki tüm hammaddeler de yabancı madde sayılmaktadır) girişini engellemek, üretim zamanını ve operasyonu standart hale getirmek ve aynı zamanda hedeflenen kalitede yarı mamuller üretmek uygulaması yapılan bu Poka-Yoke’ nin temel amacını oluşturmaktadır. Gerçekleştirilen bu Poka-Yoke uygulaması işletmedeki yalın üretim tekniklerini daha entegre hale getirmektedir. Yalın üretimin temeli olan israftan kaçınma, zamanında üretim, etkin ve verimli üretim, bu uygulama sayesinde gerçekleştirilebilmektedir. Firmanın yalın üretim hedeflerine ulaşmasında bu uygulama önemli bir aşama olarak gözükmektedir. Sonuç olarak ülkemizde yalın düşüncenin hayata geçirilmesi adına başarılı bir uygulama ortaya konulmaktadır. İşletme tarafından aktif olarak kullanılıyor olması ve zaman içerisinde kendini geliştirerek devam etmesi sebebiyle de firma adına önemli bir kazanım olmaktadır.
169
E, Pekin, İ.Çil
Kauçuk sektörü Poka-Yoke uygulaması
KAYNAKÇA (REFERENCES) [1]
[2]
[3]
[4]
[5]
[6]
[7]
[8]
[9]
[10] [11]
[12]
[13]
[14]
170
A. Okur, Yalın Üretim-2000'li Yıllara Doğru Türkiye Sanayii için Yapılanma Modeli, Söz Yayıncılık, 1997, pp. 52-59. R. Shah ve P. Ward, “Lean Manufacturing: context, practice bundles and performance,” Journal of Operations Management, cilt 21, no. 2, pp. 129-149, 2003. S. Shingo, Zero Quality Control: Source Inspection and the Poka-Yoke System, Productivity Press, 1986. Greg, “Poke-Yoke you can’t go wrong,” 2009. [Çevrimiçi]. Available: http://www.thetoyotasystem.com/lean_inventions /poka_yoke-you-can’t-go-wrong.php. [%1 tarihinde erişilmiştir27 03 2014]. C. Çetin, B. Akın,. V. Erol, Toplam Kalite Yönetimi ve Kalite Güvence Sistemleri(ISO 9000-2000 Revizyonu), Ankara: Beta Yayınevi, 2001. N. Bodek, “Improving Quality by Preventing Defect,” Shimbun N.K. Ltd/Factory Magazine, Productive Press, pp. 10-11, 1988. M. Bay, “Tam Zamanın Üretim Sisteminde Hata Önleyiciler:Poka-Yokeler,” Selçuk Üniversitesi İ.İ.B.F. Dergisi, no. Yerel Ekonomiler Özel Sayısı, 2007. S. Anderson, “Poka-Yoke:Mistake-Proofing as a Preventive Action,” The Informed Outlook Reprint, cilt 7, no. 3, 2002. M. S. D. Dudek-Burlikowska, “The Poka-Yoke method as an improving quality tool of operations in the process,” Journal of Achievements in Materials and Manufacturing Engineering, cilt 36, 2009. T. Yoshikazu, In Quality through Engineering Design, New York: Elsevier, 1993. J. Grout, “Production and Inventory,” Management Journal, cilt 38, no. 3, pp. 33-37, 1997. D. Stewart ve J. Grout, “Production and Operations Management,” Production and Operation Management Society, cilt 10, no. 4, pp. 440-459, 2001. A. Zhang, “Wireless Devices Enabled ISD PokaYokes,” Proceeding of the 6th CIRP- Sponsored International Conference on Digital Enterprise Technology, 2010. J. Bandyopadhyay, “Poka Yoke systems to ensure zero defect quality manufacturing,” International
[15] [16] [17]
[18]
[19] [20] [21]
[22]
[23]
[24]
[25]
[26]
[27]
Journal of Management, cilt 10, no. 1, pp. 29-33, 1993. W. Bodine, The Trend:100 percent quality verification, Production, 1993. R. Chase, “Make your Service fail-safe,” Sloan Management Review, pp. 35-44, 1994. M. Hinckley ve P. Barkan, “The role of variation,mistakes and complexity in producing nonconformities,” Journal of Quality Technology, cilt 27, no. 3, pp. 242-249, 1995. R. Felciano, “Human Error:Designing for Error in Medical Information Systems,” Stanford University, 1995. M. Henricks, “Make No Mistake,” Entrepeneur, pp. 86-89, 1996. M. Beauregard, The Basics of Mistake-proofing, New York: Quality Resources, 1997. K. Baseer, “A new Framework to Achieve High Quality in Large Scale Software Product Development Using Poka-Yoke Principles,” International Journal of Engineering Development and Research, 2014. C. Miralles, R. Holt, J. Garcia ve L. Daros,, “Universal design of workplaces through the use of Poka-Yokes:Case Study and implications,” Journal of Industrial Engineering and Management, cilt 4, no. 3, pp. 436-452, 2011. P. Patil, S. Parit ve Y. Burali, “Poka Yoke:The Revolutionary Idea In Total Productive Management,” International Journal of Engineering and Science, cilt 2, no. 4, pp. 19-24, 2013. A. Tarcisio, J. Ribieiro ve G. Vidor, “Framework for assessing poka yoke devices,” Original Research Article Journal of Manufacturing Systems, cilt 31, no. 3, pp. 358-366, 2012. K. Scyoc, “Process safety improvement-Quality and target zero,” Original Research Article Journal of Hazardous Materials, cilt 159, no. 1, pp. 42-48, 2008. J. Grout ve J. Toussaint, “Mistake-proofing healthcare: why stopping processes may be a good start,” Original Research Article Business Horizons, cilt 53, no. 2, pp. 149-156, 2010. H. Robinson, “Using Poka-Yoke Techniques for Early Defect Detection,” %1 içinde Sixth International Conference on Software Testing Analysis and Review, 1997.
SAÜ Fen Bil Der 19. Cilt, 2. Sayı, s. 163-170, 2015
SAÜ Fen Bil Der 19. Cilt, 2. Sayı, s. 171-186, 2015
Anaerobik fermantasyonla biyohidrojen üretim verimine etki eden faktörler İlknur Şentürk1*, Hanife Büyükgüngör2 01.07.2014 Geliş/Received, 24.09.2014 Kabul/Accepted
ÖZ Geleceğin en önemli enerji taşıyıcısı olarak kabul edilen hidrojenin anaerobik fermantasyonla biyolojik yoldan elde edilmesinde ortam koşulları ve çalışma parametreleri oldukça önemlidir. Aşı mikroorganizma türü, pH, sıcaklık, kullanılan substrat, reaktörde oluşan H2’nin kısmi basıncı, fermantasyon işlemi sırasında oluşan son ürünler, reaktördeki azot ve fosfor konsantrasyonu, metal içeriği, reaktör içerisindeki karışımın HRT’si, kullanılan enzimler ve reaktör içerisindeki metabolik reaksiyonlar açığa çıkacak H2 verimini kuvvetle etkilemektedir. Sürekli sistemde H2 üretimine geçilmeden önce tüm bu parametreler için maksimum işletme koşulları belirlenmelidir. Çünkü çalışma koşullarındaki iyileşme biyohidrojen üretim verimini olumlu yönde etkileyecektir. Bu derleme makale gerekli en uygun çalışma koşullarını araştırmak ve bu koşullar hakkında detaylı bilgi vermek amacıyla hazırlanmıştır. Anahtar Kelimeler: Anaerobik fermantasyon, biyohidrojen, önarıtım
Factors influencing fermentative biohydrogen production by anaerobic fermentation ABSTRACT In the achieved from biological way with anaerobic fermentation of accepted hydrogen as an energy carrier the most important of the future ambient conditions and operating parameters are considerably important. Type of seed microorganism, pH, temperature, the used substrate, partial pressure of H2 formed in the reactor, last products occurred during fermentation process, nitrogen and phosphorus concentration in the reactor, metal content, HRT of the mixture in the reactor, the used enzymes, and metabolic reactions in the reactor strongly influences to be released H2 efficient. Before from H2 production at the continuous system, the maximum operating conditions for all these parameters should be determined. Because improvement in working conditions will positively affect the efficiency of biohydrogen production. This review article was prepared to investigate the need optimal operating conditions and to provide detailed information about these conditions. Keywords: Anaerobic fermentation, biohydrogen, pretreatment
*Sorumlu Yazar / Corresponding Author 1 Ondokuz Mayıs Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Çevre Mühendisliği Bölümü, Samsun - ilknurg@omu.edu.tr 2 Ondokuz Mayıs Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Çevre Mühendisliği Bölümü, Samsun - hbuyukg@omu.edu.tr
Anaerobik fermantasyonla biyohidrojen üretim verimine etki eden faktörler
İ. Şentürk, H. Büyükgüngör
3. Asetik asit, H2 ve CO2’den metan üretimi [3].
1. GİRİŞ (INTRODUCTION) Hidrojen üretimi için kullanılan her metot, farklı bir enerji kaynağı (termal (ısı), elektroliz (elektrik) ya da fotolitik (ışık enerjisi) vs.) gerektirdiği için enerji ihtiyacı yüksektir ve çevresel açıdan her zaman yararlı değildir. Bu açıdan bakıldığında hidrojen üretimi, özellikle de biyolojik hidrojen üretimi, alternatif ve yenilenebilir enerji kaynağı olarak oldukça önemli gözükmektedir.
Biyolojik olarak yenilenebilir kaynaklardan mikroalg ve bakteriler tarafından üretilen biyohidrojen, sürdürülebilir enerji kaynağı için ümit verici bir alternatiftir. Karanlık fermantasyon ile H2 üretimi, karbonhidratlarca zengin substratlar üzerinde karanlıkta büyüyen anaerobik bakteri ile gerçekleştirilir. Ancak H2 fermantasyonunda, substratların enerji potansiyellerinin yalnızca %10-20’si H2 olarak geri kazanılabilir [1]. Bu verim, mevcut kimyasal veya elektrokimyasal hidrojen üretim prosesleri ile karşılaştırıldığında ekonomik bakımdan çok düşük olduğu görülür. Özellikle reaktör tasarımı ve işletme parametreleri konusundaki yoğun araştırmalar, prosesin geliştirilmesi için halen devam etmektedir [2]. 2.
ANAEROBİK FERMANTASYONLA H2 ÜRETİMİ (H2 PRODUCTION WITH ANAEROBIC FERMENTATION)
Havasız arıtma, farklı mikroorganizma gruplarının birlikte yardımlaşarak rol aldığı oldukça kompleks bir biyokimyasal süreçtir. Bununla birlikte başlıca 2 ana grup mikroorganizmanın, asit bakterileri ve metan bakterileri, esas görevi üstlendiği bilinmektedir. Bu iki grup da kendi arasında her biri ikişer alt gruba ayrılmaktadır. Başlıca anaerobik mikroorganizma grupları aşağıda verilmiştir [3]:
Asit bakterileri
Metan bakterileri
Bütirik ve propiyonik üretenler Asetik asit üretenler Asetik asit kullananlar Hidrojen kullananlar
asit
Biyolojik olarak bozunabilir kompleks organik maddelerin, anaerobik şartlarda ayrışması, genel olarak üç safhadan meydana gelmektedir: 1. Yüksek molekül ağırlıklı katı ve çözünmüş organik maddelerin hidrolizi, 2. Düşük molekül ağırlıklı organik maddelerin, asit bakterilerince uçucu yağ asitlerine ve ardından asetik aside dönüştürülmesi, 172
Karanlık fermantasyon, oksijensiz (anoksik) ya da anaerobik koşullar (oksijenin elektron alıcısı olarak kullanılmadığı durumlar) altında gerçekleşir. Geniş bir bakteri grubu, birincil metabolizmalarının muadillerini bertaraf etmek için, protonları hidrojene indirger. Diğer bir ifadeyle, bir bakteri organik bir besinin üzerinde büyüdüğünde (heterotrofik büyüme) bu besinler oksidasyon ile parçalanarak, büyüme için metabolik enerjinin eldesinde ve hücresel yapı taşlarının sentezinde kullanılır. Oksidasyon prosesi, elektriksel nötrlüğün bertaraf edilmesi için elektronların üretilmesinde kullanılmaktadır. Aerobik (oksijenli) ortamlarda, oksijen indirgenerek suya dönüşür. Anaerobik ya da oksijensiz ortamlarda ise, diğer bileşiklere elektron alıcısı (proton) olarak ihtiyaç vardır ve bu bileşikler moleküler hidrojene (H2) indirgenir. Anaerobik ortamlardaki alternatif elektron alıcılarına diğer bir örnek, nitratın azot gazına (N2) ya da sülfatın H2S’e indirgenmesidir. Eğer bir organik bileşik, elektron alırsa başka bir organik bileşiğe dönüşür. Örneğin mikrobiyal bütanol üretimi, bütirik asidin indirgenmesi ile oluşur. Mikroorganizmalarda, elektron alıcı enzimlerin indirgenmesini katalizleyen spesifik enzimler bulunur. Örneğin hidrojen üreten mikroorganizmalarda bulunan hidrogenaz enzimleri, H2 üretiminde rol oynar [4]. Hidrojen fermantasyon prosesinde glikoz, glikolitik yol izi ile ilk olarak piruvat’a dönüştürülür. Piruvat, asetilCoA’ya okside olur. Asetil-CoA, metabolik yol izinde asetil-fosfata dönüştürülür. Bu dönüşme işleminde ATP elde edilirken, yan ürün olarak asetat oluşur. Piruvatın, asetil-CoA’ya oksidasyonu için, ferrodoksinin (Fd) indirgenmesi gereklidir. İndirgenmiş ferrodoksin, hidrogenaz enzimi tarafından oksidasyona uğratılır ve bu işlem sırasında, moleküler H2 üretilir [5]. Reaksiyon kısaca aşağıdaki eşitlikteki gibi özetlenebilir; Piruvat + CoA + 2Fd (oksitlenmiş) 2Fd (indirgenmiş) + CO2 2Fd (indirgenmiş)
Asetil-CoA +
H2 + 2Fd (oksitlenmiş)
(1)
Anaerobik fermantasyon, oldukça basit bir proses yardımı ile geniş spektrumda kullanılabilir substratlardan (organik madde içeriği yüksek organik atıklar dahil) hidrojen üretimini mümkün kılar. Üstelik fermentatif H2 üretimi, dışarıdan ışık kaynağına gereksinim duymaz ve genellikle yüksek miktardadır. Fermantasyon prosesi için, karbonhidratlar (başlıca glikoz) karbon kaynağı olarak tercih edilir ve hidrojen üretimi, organik asit (asetat, bütirat vs.) ve/veya alkol üretimi ile birlikte
SAÜ Fen Bil Der 19. Cilt, 2. Sayı, s. 171-186, 2015
Anaerobik fermantasyonla biyohidrojen üretim verimine etki eden faktörler
gerçekleşir. Bu gösterilmiştir [5];
proses,
C6H12O6 + 2H2O (glikoz)
2CH3COOH + 2CO2 + 4H2 (asetat)
2C6H12O6 + 6H2O (glikoz)
aşağıdaki
eşitlikler
ile
(2)
CH3CH2CH2COOH + 8CO2 + 14H2 (3) (bütirat)
Anaerobik proseste, birden fazla organik asit üretimi olmaktadır. Bu durum da, H2 üretim verimini düşürmektedir. Genellikle, üretim için izlenen ana yol, asetat ve bütirat üzerindendir. Bu sebeple H2 üretim verimi, asetat/bütirat oranı üzerinden hesaplanır [5]. 1 mol glikozdan 4 mol H2 elde edilmesi, nispeten düşük enerji kullanımı ile sonuçlanır. Çünkü teorik olarak kimyasal oksijen ihtiyacının sadece %33’ü, glikozdan H2’ye dönüştürülebilir. Enerjinin geriye kalan kısmı ise çoğunlukla uçucu yağ asitlerine (VFA) (asetat, bütirat) dönüşür. Bu nedenle hidrojen üretimi her zaman, ikinci aşama olan metan üretim prosesi ya da diğer VFA/solvent kullanım prosesleri ile birleştirilmelidir [2, 6]. Anaerobik fermantasyon, organik maddeden hidrojen üretmek için mikroorganizmaların kullanıldığı fotosentetik proseslere benzer. Fakat fotosentetik sistemlere kıyasla daha avantajlıdır. Daha basittir, daha az pahalıdır ve hidrojen üretiminde çok daha hızlıdır. Ayrıca fermentatif yolla organik atıklardan H2 üretmek, büyük öneme sahiptir. Çünkü bu şekilde hidrojen üretimi sonucunda, sadece organik atıklar arıtılmaz, aynı zamanda temiz enerji de üretilir. Fakat anaeroblar, ışık enerjisini kullanma yeteneğine sahip değildir ve bu yüzden substratı tamamen parçalamak için kalıtsal termodinamik enerji bariyerini aşma yeteneğinden yoksundur. Birçok diğer hidrojen üreten organizmada olduğu gibi hidrogenaz enzimi, anaerobik bakteri içindeki hidrojen üreten reaksiyonların katalizlenmesinden sorumludur. Hidrojen verimini maksimize edebilmek için, substrat metabolizması, alkol ya da indirgenmiş asit üretiminden daha çok uçucu yağ asidi üretimi yönünde yürütülmelidir. Şu anda anaerobik bakteriden elde edilen maksimum hidrojen verimleri, geleneksel reformasyon teknikleri ile karşılaştırıldığı zaman fermentatif prosesi ekonomik açıdan çekici kılmamaktadır. Ancak geliştirilecek olan yeni teknolojiler ve metabolizma mühendisliğindeki ilerlemeler ile, fermantasyon yol izinin ideal olan asetat fermantasyonu yönünde kaydırılmasıyla verimin daha da artacağı düşünülmektedir [7]. Şekil 1’den de görüldüğü üzere anaerobik fermantasyonda üretilen gaz H2, CO2, CH4, CO ve bazı SAÜ Fen Bil Der 19. Cilt, 2. Sayı, s. 171-186, 2015
İ. Şentürk, H. Büyükgüngör
hidrojen sülfitlerin karışımından oluşur [8]. Bu yüzden yüksek saflıkta hidrojen elde etmek için, bu gaz karışımı içerisinden hidrojeni ayırmak gerekir. Ayırma işlemi sonrasında hidrojenin hangi kalitede olması gerektiği, kullanım tipine bağlıdır ve bu kaliteyi yakalamak için gerekli gaz arıtımı birkaç aşama gerektirebilir. Hidrojence zengin fermantasyon gazı içinde bulunabilen H2S, siloksanlar, su, amonyak ve CO2 gibi bileşikler (özellikle de H2S ve siloksanlar), pahalı fiziksel-kimyasal metotlar kullanılarak giderilmektedir. Bu nedenle daha az maliyetle biyolojik arıtım proseslerini gerçekleştirmek için, çalışmalar yapılmalıdır [6].
Şekil 1. Mikrobiyal konsorsiyum aracılığı ile organik maddenin anaerobik parçalanmasında hidrojenin rolü (Hydrogen role in the anaerobic degradation of organic matter by microbialconsortia) [9]
3. FERMENTATİF H2 ÜRETİMİNİ ETKİLEYECEK FAKTÖRLER (FACTORS INFLUENCING FERMENTATIVE H2 PRODUCTION)
Hidrojen fermantasyonunun kritik zorlukları, düşük hidrojen dönüşüm verimliliği ve stabil olmayan hidrojen üretimidir. Prosesin verimi kullanılan aşı, substrat türü ve miktarı, reaktör tipi, ortamdaki metal iyonları, sıcaklık, pH, inorganik besin maddeleri, çalışma koşulu vs. gibi birçok faktörden etkilenir [10]. pH, hidrolik alıkonma süresi, sıcaklık vs. gibi çalışma parametrelerini optimize etmek ve reaktör tasarımını geliştirmek, hidrojen dönüşüm verimliliğini artırabilir. Stabil olmayan hidrojen üretiminin, hidrojen üreten bakterinin metabolik değişime uğramasından dolayı kaynaklandığı düşünülür 173
Anaerobik fermantasyonla biyohidrojen üretim verimine etki eden faktörler
İ. Şentürk, H. Büyükgüngör
ve bu durum mikrobiyal üreme çalışması ile minimize edilebilir [11]. Aşağıdaki bölümde bu faktörlerin etkisi ayrıntılı bir şekilde açıklanmıştır.
Hidrojen üretme yeteneği olan mikroorganizmalar, Tablo 1’de görüldüğü üzere anaerobik bakteri, fermantasyon bakterisi, aerobik bakteri, fotosentetik bakteri ve alg olarak sınıflandırılmıştır [12]. Tablo 2’de ise, anaerobik bakteri sınıfındaki çeşitli mikroorganizmalarla hidrojen üretimi karşılaştırılmıştır [13].
3.1. Aşı Mikroorganizma Türü ve Aşıya Uygulanan Ön İşlemlerin Etkisi (Effect of Type of Seed Microorganism and Pretreatment)
Tablo 1. Hidrojen açığa çıkaran bakterilerin sınıflandırılması (Classification of hydrogen evolution bacteria)
Mevcut enerji biçimi Fotosentez yapan
H2 gelişim enzimi Hidrogenaz
Nitrogenaz
Bakteri sınıfı
Bakteri türü
Yeşil alg
Chlamydomonas
Mavi yeşil alg
Heterocyst
Fotosentetik bakteri
Non-Heterocyst Sülfür bakterisi değil Sülfür bakterisi
Fotosentez yapmayan
Hidrogenaz
Zorunlu anaerob
Azot sabitleyici bakteri
Fakültatif aerob Fakültatif anaerob
Sayısız saf kültür bakterisi, çeşitli substratlardan hidrojen üretmek için kullanılmaktadır. Clostridium (oksijene duyarlı), Enterobacter (fakültatif anaerob) ve Bacillus (aerob) türleri fermantatif H2 üretimi için aşı olarak, çok yaygın biçimde kullanılan saf kültürlerdir. C. Butyricum, C. Beijerinckii, C. Acetobutyricum ve C. Bifermentatnts gibi Clostridium türleri gram pozitif, çubuksu, kuvvetli anaerobtur ve endospor oluşturur. Halbuki Enterobacter gram negatif, çubuksu ve fakültatif anaerobtur. Anaerobik H2 üretimini içeren çalışmaların çoğunda, Clostridium bakterisi kullanılmıştır. Fermentatif H2 üretimi için saf kültür bakterinin kullanıldığı çoğu çalışma, substrat olarak glikoz kullanılarak kesikli sistemde gerçekleştirilmiştir. Fakat organik atıktan sürekli H2 üretimi, prosesin ticarileştirilmesi, enerji üretimi ve atık azaltım hedeflerine ulaşmak için daha uygundur [14].
Rhodobacter Rhodospirillum Chromatium Thiocapsa Clostridium Methanobacterium
Fakültatif anaerob
Nitrogenaz
Chlorella Anabaena Oscillatori Rhodopseudomonas
Escherichia Azotobacter Clostridium Klebsiella
Elektron verici Su Su Su Su Organik Madde (Organik asitler) Organik asitler Sülfatlar Sülfatlar Organik madde Organik madde (Şekerler) Organik madde (Şekerler) Şekerler Şekerler Şekerler Şekerler
fermentatif H2 üretimi için aşı kaynağı olarak kullanılmaktadır [15]. Karışık kültür kullanılan fermentatif H2 üretim prosesi, saf kültür kullanılarak yapılan çalışmaya göre daha uygulanabilirdir ve hidrojen üretimi proses süresince daha stabildir. Çünkü çalıştırmak daha basittir ve kontrol etmek daha kolaydır ve daha kapsamlı bir ham madde kaynağına sahiptir [15]. Ancak aşı olarak karışık kültür kullanıldığında, biyoreaktör içindeki öncelikli baskın türler sıcaklık, pH, substrat, aşı tipi, aşı ön arıtımı, hidrojen kısmi basıncı vb. gibi çalışma koşullarına bağlı olarak değişir. Aşıya ön arıtım uygulaması, karışık kültür içinde bulunan mikrobiyal toplulukların değişmesi ile hidrojen üretimini artırmak için kullanılmaktadır. Uygulanan ön arıtımın amacı, H2 tüketen bakteri aktivitesini kesmektir.
Toprak, sediman, kompost, aerobik ve anaerobik çamur ve benzeri doğal ortamlarda hidrojen üretme yeteneğine sahip bakteri geniş ölçüde bulunmaktadır. Günümüzde bu materyallerden elde edilen karışık bakteri kültürü, 174
SAÜ Fen Bil Der 19. Cilt, 2. Sayı, s. 171-186, 2015
Anaerobik fermantasyonla biyohidrojen üretim verimine etki eden faktörler
İ. Şentürk, H. Büyükgüngör
Tablo 2. Çeşitli mikroorganizmalarla hidrojen üretimi (Hydrogen production by various microorganisms) [13]
Organizma Anaerobik bakteri C. butyricum EB6 C. butyricum ATCC19398 C. acetobutyricum M121 C. tyrobutyricum FYa102 C. beijerinckii L9 C. thermolacticum C. thermocellum 27405 C. tyrobutyricum Fakültatif anaerobik bakteri
Substrat
Çalışma şekli
pH/ Sıcaklık
Maksimum H2 üretimi (L H2/L kültür ortamı)
Verim (mol H2/mol substrat)
POME*
Kesikli
5,5/37ºC
3,2
-
Glikoz (3 g/L)
Kesikli
7,2/35ºC
0,94
1,8
Glikoz (3 g/L)
Kesikli
7,2/35ºC
0,88
2,29
Glikoz (3 g/L)
Kesikli
7,2/35ºC
0,63
1,47
Glikoz (3 g/L) Laktoz (10 g/L) Delignifiye edilmiş ağaç lifi Glikoz (5 g/L)
Kesikli Sürekli
7,2/35ºC 7,0/58ºC
1,19 -
2,81 3,0
Kesikli
6,3/60ºC
-
1,6
Sabit
HRT 2 saat
7,2 L H2/L gün
223 mL/g heksoz
425,8 mL H2 (g kuru hücre saat)-1 1,0
E. aerogenes ATCC29007
Glikoz (118,06 mM)
Kesikli
6,13/38ºC
Klebsiella oxytoca HP1
Glikoz (10 g/L)
Kesikli
7,0/65ºC
Citrobacter sp. Y19
Glikoz (10 g/L)
Kesikli
7,0/36ºC
E. asburiae SNU-1 Termofilik bakteri T. thermosaccharolyticum PSU-2 T. saccharolyticum JW/SL-YS485
Glikoz (25 g/L)
Kesikli
7,0/30ºC
87,5 mL H2/L saat 32,2 mmol H2/g hücre saat 398 mL H2/L saat
Sakkaroz (10 g/L)
Kesikli
6,25/60ºC
12,12 mmol H2/L gün
2,53
Ksiloz (4 g/L)
Kesikli
6,2/55ºC
-
0,88
Glikoz (7,5 g/L)
Kesikli
6,5/65ºC
0,275
1,67
Kesikli
7,0/65ºC
0,29
1,84
Kesikli
7,0/70ºC
8,4 mmol H2/L
5,9
T. maritima DSM3109
T. neapolitana Glikoz (10 g/L) DSM4359 Caldicellulosiruptor Sakkaroz saccharolyticus (10 g/L) DSM8903 * Hurma yağı fabrikası çıkış suyu
Örneğin Clostridium ve Bacillus türleri, endospor oluşumundan dolayı, H2 tüketen metanojenlere kıyasla daha yüksek sıcaklıkları tolere edebilirler. Diğer taraftan H2 üreten bakteri, H2 tüketen metanojenlere kıyasla daha düşük pH’larda büyüyebilir [16]. Son yıllardaki çalışmalar, mikroflora dağılımının fermantasyon koşulları ile ilgili olduğunu göstermiştir [17]. Eğer çevresel bir koşul değişirse, anaerobik karışık kültürde mikroorganizmaların çeşitliliği değişebilir. Iyer ve diğ., [18] bir H2 üretim reaktöründe farklı koşullar altında bakteriyel popülasyondaki değişimleri izlemek için pH 5,5’de glikoz kullanılan bir sürekli karıştırmalı tank reaktörde (CSTR) çalışmıştır. 30 saatlik hidrolik alıkonma zamanında popülasyon daha farklılık SAÜ Fen Bil Der 19. Cilt, 2. Sayı, s. 171-186, 2015
2,49 -
gösteriyorken (Bacillaceae ve Enterobacteriaceae içeriyor), 10 saatlik hidrolik alıkonma zamanında yalnızca Clostridiaceae belirlenmiştir. 10 saatlik hidrolik alıkonma zamanında sıcaklık 30 ºC’den 37ºC’ye değiştiği zaman, Clostridium acidisoli’a ait popülasyondan C. acetobutylicum’a ait popülasyona bir popülasyon değişimi olmuştur. Saf kültür kullanımı ile daha yüksek H2 verimine ulaşılmasına rağmen, saf kültür endüstriyel uygulamalar için uygun değildir. Çünkü saf kültür, metanojenler ya da sülfat indirgeyen bakteri gibi çeşitli hidrojen kullanıcıları tarafından kolaylıkla kontamine olabilir [6]. Bunların yanı sıra doğal atık materyalleri parçalamak için saf kültür uygulaması, atık içerisindeki çeşitli organik 175
İ. Şentürk, H. Büyükgüngör
bileşikleri parçalamak için farklı bakteri türlerine ihtiyaç duyulmasından dolayı uygun değildir ve bu tür gerçek atıksu akımlarını sterilize etmek için gerekli maliyet de çok yüksektir. Teknik açıdan uygulanabilir prosesler için, doğal kaynaklardan elde edilen karışık kültürler ve steril olmayan substrat kaynakları ile çalışılmalıdır. Fakat karışık kültürden H2 üretimi sırasında, bazı engellerle karşılaşılmaktadır. Bu engellerden birisi, karışık kültür içinde hidrojen üreten bakteri ve moleküler H2 kullanımıyla enerji elde edebilen H2 tüketen anaerobların çeşitli tiplerinin (metanojen, asetojen ve sülfat indirgeyen bakteriler) bir arada bulunmasıdır [19]. Karışık kültür kullanımıyla H2 üretmek için metanojenler, asetojenler ve sülfat indirgeyen bakterinin aktivitesi önlenmeli ve aşı hidrojen üreten bakteri ile zenginleştirilmelidir. Karışık kültür içindeki hidrojen üreten bakteri aktivitesini zenginleştirmek için uygulanan ön arıtım metotları çoğunlukla şunlardır: ısıl şok, asidik ve/ya da bazik ön arıtım, havalandırma, dondurma ve çözme, kloroform, sodyum 2-bromoethanesulfonate ya da 2bromoethanesulfonic asit ve iodopropane gibi çeşitli kimyasal maddelerle temas [10]. Ancak aşılama koşulları, çalışılan ön arıtım metodu, her ön arıtım metodunun spesifik koşulu ve substrat türü arasındaki farklılıklar en iyi verimin alındığı ön arıtım metodunun seçimi konusunda bazı uyuşmazlıklara sebep olmaktadır [15]. 3.2. pH’ın Etkisi (Effect of pH) pH, hidrojen üreten bakterinin aktivitesini ve fermentatif H2 üretimini etkileyen önemli bir faktördür. Çünkü hem hidrogenaz aktivitesini hem de metabolik yol izini etkiler. Ayrıca pH, hidrojen tüketen metanojenik aktivitenin önlenmesi için de önemlidir. Hidrojen üretim verimliliği ve çözünebilir metabolitlerin bileşimi, pH’daki değişime duyarlıdır. Başlangıç pH’sının, yüksek hidrojen üretim hızı ve elde edilecek optimum dönüşüm verimliliği arasında hassas bir denge kurduğu söylenebilir. Kabul edilebilir aralık dışında kalan pH değeri, bakteri metabolizmasını değiştirerek hidrojen üretimini sınırlayabilir ve sistem başarısızlığına yol açarak mikrobiyal popülasyon kaymasına (özellikle karışık kültürde) sebep olabilir. Çoğu çalışmada H2 üretimi için optimum pH değeri, 6 ve 8 arasındadır [10]. Karışık mikrofloranın kullanıldığı bazı çalışmalar da ise, 4,2 ve 5 gibi düşük pH’ larda ve kuvvetli asidik koşullarda maksimum verimin alındığı görülmüştür [10]. Karbonhidratlardan hidrojen üretimi için optimum pH, 5,2-7,0 arasında değişmekle birlikte ortalama pH değeri, 6’dır [14]. Literatüre göre, pH 6’da en yüksek hidrojen üretim performansı sağlanmıştır [20]. Farklı çalışmaların sonuçları fermentatif yol üzerinden H2 üretiminin zayıf asidik koşullarda daha iyi desteklendiğini göstermiştir. Başlangıç pH’ı, kesikli 176
Anaerobik fermantasyonla biyohidrojen üretim verimine etki eden faktörler
sistem H2 üretiminde mikroorganizmanın aktif hale geçmesi için gerekli süreyi etkilemektedir. 4-4,5 aralığındaki düşük başlangıç pH’ında, 9 civarındaki yüksek başlangıç pH’ı seviyesine kıyasla, mikroorganizmanın aktif hale geçmesi için gerekli sürenin daha uzun olduğu görülmüştür [21]. Başlangıç pH’ı yükseltildiğinde ise, H2 üretim verimi azalmıştır. Yüksek başlangıç pH’ının tamponlama kapasitesini eş zamanlı olarak azaltan kısıtlayıcı seviyede yağ asidi üretimine sebep olması, H2 üretimindeki azalmanın nedeni olarak rapor edilmiştir. Sonuç olarak bakteri ortamdaki hızlı değişime adapte olamamış ve tükenmeye başlamıştır. Fakat diğer tarafta, daha düşük başlangıç pH’ındaki fermantasyon ortamı bakteri için tercih edilmemesine rağmen, bakterilerin bu koşullara adaptasyonu ile daha uzun süre orta hızda dereceli olarak H2 üretilebilmiştir. Çünkü düşük başlangıç pH’sında üretilen asidin seviyesi, pH’da etkili bir düşüş yaratacak seviyede değildir. Sonuç olarak; potansiyel H2 üreticiler, uygun pH koşullarında ulaşılan nispeten tutarlı bir ortamda daha uzun süre hayatta kalabilirler [10, 22]. Karanlık fermantasyon sırasında organik asitlerin sentezi, pH’ın düşmesine neden olur. Eğer pH’ın düşüşü kontrol altında tutulmazsa, solvent üretimi (etanol, bütanol, aseton) gerçekleşebilir. Asit birikiminden dolayı, pH’ın 4,5’e düşmesi tipik olarak solvent üretimini tetikleyecek ve hidrojen üretimini düşürecektir [23]. Fermantasyon ortamına pepton ilavesinin ani pH düşüşünü engellediği, organik asitlerin ve pH etkisinin hidrojen üretimi üzerine etkisinin araştırılmasına izin verdiği rapor edilmiştir [24]. Protein içeren maddelerin substrat olarak kullanımının, pH’ın sürdürülmesi için faydalı olduğu bilinmektedir. Fermantasyon ortamına protein içeren maddelerin eklenmesi ile pH 6-8 arasında sürdürülebilir ve sistemin inhibisyonu minimize edilir. Bu strateji, pH’ı 5,5 ve 6,5 arasında (optimum hidrojen üretimi için) tutmaya yardımcı olduğu için solvent üretim fazı oluşmaz [9]. Valdez-Vazquez ve Poggi-Varaldo [9] düşük pH’da metan üretiminin durduğunu ve esas gaz olan H2/CO2’nin oluştuğunu bildirmiştir. pH 5 civarındaki düşük pH’nın, metanojen aktivitesini sınırlandırmak ve H2 üreticilerce zengin bir aşı elde etmek için gerekli olduğu rapor edilmiştir. Genelde H2 üretimi için optimum pH, 5 ve 6,5 arasında değişir [9]. Fakat hidrojen üretimi için rapor edilen optimum pH değerleri, çelişkili ve tutarsızdır. Örneğin; arıtma çamurunun [21] kesikli fermantasyonu için optimum başlangıç pH’ı 11 iken, melas [25] ve glikozun [26] sürekli fermantasyonu için optimum pH, sırasıyla 7 ve 5,5’tir [19]. Karışık kültür ile fermentatif H2 üretiminde, 6’dan daha yüksek pH değerlerinde metanojenlerin oluşma riski artabilir. pH 6’ya çıkarıldığında 6 saatten daha kısa SAÜ Fen Bil Der 19. Cilt, 2. Sayı, s. 171-186, 2015
Anaerobik fermantasyonla biyohidrojen üretim verimine etki eden faktörler
İ. Şentürk, H. Büyükgüngör
hidrolik alıkonma süresinde (HRT), CSTR içerisinde metanojenlerin gelişimi rapor edilmiştir [27]. Fakat bazı araştırmacılar, prosesin sürekliliğine katkıda bulunabilen 6,5-6,6 pH değerlerinde, sürekli H2 üretim sisteminde, metanojenik popülasyon oluşumu gözlenmediğini bildirmiştir [28].
bütirik asitin ayrışmamış formlarının etkisi düşük pH (pH<4,5)’da büyüktür ve hücre büyümesini engelleyici özelliktedir. Ancak bu bölümde sunulan bilgiler ve literatür çalışmaları göz önünde tutulduğunda, karışık kültürler için uygun pH konusunda öngörüde bulunmanın doğru olmayacağı açıkça ortadadır [13].
Baskın çözünebilir metabolit olarak propiyonik ve asetik asit oluşumu ile birlikte, 5,0-6,8 pH aralığında genellikle en yüksek H2 üretimi rapor edilmesine rağmen [29], etanol ve asetik asit öncelikle baskın çözünebilir metabolit olduğu zaman, 4,5-5,0 pH aralığında yüksek H2 üretimi alınan çalışmalar da sunulmuştur [30]. Düşük pH değerlerinde çalışmak, metanojen ve homoasetojenleri baskılar [30] ve pH kontrolü için baz tüketimini de azaltır [19]. Karışım sıvısındaki gerçek pH, yağ asitlerinin üretiminden dolayı dereceli olarak azalmakla birlikte pH azalımının derecesi substrat ve çamur konsantrasyonları, sıcaklık, süreklilik ve bunun gibi birçok faktöre bağlıdır.
3.3. Sıcaklığın Etkisi (Effect of Temperature)
Genelde, kesikli ve sürekli çalışmaların her ikisinde de başlangıç pH’ı, hidrojen üretim oranı ve verimi üzerinde önemli bir etkiye sahiptir. Fakat gözlenen artış sürekli değildir. Yukarıda tartışıldığı ve Tablo 3’de verildiği üzere, fermentatif H2 üretimi için gerekli olan optimum başlangıç pH’ı konusunda bir fikir birliğine varılamamıştır. Bu durum kullanılan aşı türü, substrat konsantrasyonu ve tipi, diğer çalışma koşulları ve çalışılan aralıktaki başlangıç pH’larındaki farklılıktan kaynaklanmaktadır [7]. Reaktörde düşük derişimdeki biyokütle, VFA üretiminin azalmasına ve yüksek pH’a, yüksek substrat derişimi ise, reaktörde VFA’nın birikimine ve düşük pH’a sebep olur. VFA birikimi hidrojen üreten bakteriyi, hidrojen üretimini azaltan solvent üretimine sevk ederek hücrenin ölümüne yol açar. Reaktörde düşük pH, eğer mikroorganizmalar asidik olmayan ortamdan geliyorlarsa mikroorganizma aktivitesini engeller. Ayrıca pH azalırken, ayrışmayan asitlerin (asetik, bütirik) oranları artar, ayrışmayan formlar hücre membranından geçebilir, membran pH farkı zayıflar, hücre spor halini alır veya ölür. Ayrıca kesikli sistemlerde substrat derişimi arttığında, hidrojenin kısmı basıncı artar ve mikroorganizmalar alkol üretimine başlar. Böylece hidrojen üretimi engellenir [2, 16]. Yüksek derişimde ayrışmış asitler, çözeltinin iyonik gücünü artırır ve sistemin, hidrojen üretiminden solvent üretimine dönmesine sebep olur. Düşük pH’da polar olmayan ayrışmamış asitler hücre duvarından geçebildiği için, engelleyici etki meydana gelir. Hücre içinde pH çok yüksekse, proton salınır. Bu durum enerji ihtiyacı artışına sebep olur. Bir etki olarak, glikolizden dolayı glikoz akışı azalır. Hücre içi asit derişimini koruyacak ana parametre, hücre dış ortamının pH’ıdır. Hidrojen üretimi için uygun pH aralığı 5-7, en uygun değer ise 5,5’dir. Asetik ve
SAÜ Fen Bil Der 19. Cilt, 2. Sayı, s. 171-186, 2015
Sıcaklık fermentatif H2 üretimi üzerinde etkili olan en önemli çalışma parametrelerinden biridir. pH gibi, hem metabolik yol izini (pathway) hem de hidrogenaz aktivitesini etkilediği için H2 üretimi ve hidrojen üreten bakterinin aktivitesi sıcaklıktaki değişimden etkilenmektedir [10, 15]. Uygun bir aralıkta artan sıcaklık, fermentatif H2 üretimi süresince hidrojen üreten bakterinin H2 üretme yeteneğini artıracaktır. Fakat sıcaklığı çok yüksek seviyede artırmak, artan verimin azalmasına sebep olacaktır. Ayrıca sıcaklıktaki değişim etanol, asetik asit, propiyonik asit ve bütirik asit konsantrasyonunu etkilediği için, buna bağlı olarak H2 verimi de etkilenmektedir [15]. Karanlık fermentatif H2 üretim reaksiyonları, farklı sıcaklık aralıklarında gerçekleştirilmektedir. Reaksiyonlar, 25-40°C (mezofilik), 40-65°C (termofilik), 65-80°C (aşırı termofilik) ve >80°C (hipertermofilik) sıcaklıkta yürütülebilir. Reaktördeki çalışma koşullarındaki farklılıklardan dolayı (substrat, aşı ve diğer proses koşulları), farklı sıcaklık aralıklarında elde edilen hidrojen verimlerini karşılaştırmak zordur. Çizelge 4’de fermentatif H2 üretimi üzerine farklı sıcaklıkların etkisi karşılaştırılmıştır. Ancak tam bir kıyaslama yapabilmek için hidrojen verimlerinde birimsel eşitlik sağlanamamıştır. Hidrojen üreten Clostridium sp.’nin çoğu mezofilik koşulları tercih ettiği için, fermentatif H2 üretimi alanındaki çalışmaların büyük bölümü mezofilik sıcaklıklarda yapılmıştır (yaklaşık 37°C) [6]. Literatüre göre karanlık fermentatif H2 üretimi, mezofilik sıcaklıklarda çok yaygın olarak uygulanır [20]. Termofilik koşullar ise, çok daha az tercih edilir [10]. Termofilik H2 prosesleri, H2 üretimi için yüksek verim vermesine rağmen, bu tür prosesler genellikle düşük hacimsel üretim hızları ile karakterize edilir. Çünkü birçok termofilik mikroorganizma, sıvı kültür içinde yüksek hücre yoğunluğuna ulaşamaz. Düşük hacimsel üretim hızları ise, bu organizmaların faydalı kullanımını sınırlar [31]. Yüksek sıcaklıklar, mikroorganizma aktivitesini etkileyen proteinlerin doğal özelliklerini kaybetmesine neden olabilir. Ayrıca termofilik proseslerin diğer potansiyel dezavantajı, artan enerji maliyetidir. Bu reaktörleri ısıtmak için gereken enerji, üretilen hidrojen ile karşılanacağı için faydamaliyet analizi yapılarak sistemin ekonomik açıdan uygun olup olmadığı belirlenmelidir.
177
Anaerobik fermantasyonla biyohidrojen üretim verimine etki eden faktörler
İ. Şentürk, H. Büyükgüngör
Tablo 3. Fermentatif biyohidrojen üretimi üzerine farklı pH’ların etkisi (Effect of different pH on fermentative biohydrogen production) [10]
Aşı
Substrat
Kompost Anaerobik çamur Clostridium butyricum CGS5
Sukroz Nişasta Sukroz Gıda atık suyu
Atık aktif çamur Thermoanaerobacterium thermosaccharolyticum PSU-2 Citrobacter Y-19 Citrobacter CDN-1 Enterobacter clocae IIT-BT-08 Karışık kültür Anaerobik çürütülmüş çamur
Başlangıç pH’ı Çalışılan Optimum aralık pH 4,5-6,5 4,5 5,0-7,0 5,0 5,0-6,5 5,5
Verim 214 mL/g KOİ 1,1 mol/mol heksoz 2,78 mol/mol sukroz
4,0-8,0
6,0
4,71 mmol/g KOİ
Sukroz
4,0-8,5
6,2
2,53 mol/mol heksoz
Glikoz Glikoz Sukroz Sukroz Pirinç bulamacı
4,0-9,0 4,5-6,5 4,5-7,5 3,4-6,3
7,0 5,0 6,0 4,2
11,7 mmol/g hücre saat 2,1 mol/mol glikoz 6,0 mol/mol sukroz 1,61 mol/mol glikoz
4,0-7,0
4,5
346 mL/g nişasta
Tablo 4. Fermantatif biyohidrojen üretimi üzerine farklı sıcaklıkların etkisi (Effect of different temperatures on fermentative biohydrogen production)
Aşı
Substrat
Citrobacter CDN-1 Ethanoligenes harbinense YUAN-3 Anaerobik çamur Thermoanaerobacterium thermosaccharolyticum PSU-2
Glikoz
Hidrojen Verimi 2,1 mol/mol glikoz
Glikoz
20-44
37
1,34 mol/mol glikoz
Glikoz
25-55
40
Sukroz
40-80
60
Kentsel arıtma çamuru
Sukroz
30-55
40
Kentsel arıtma çamuru
Nişasta
37-55
55
İnek gübresi
İnek gübresi
37-75
60
Anaerobik çürütülmüş çamur
Organik atık
37-55
55
275,1 mL/g glikoz 2,53 mol/mol heksoz 3,88 mol/mol sukroz 1,44 mmol/g nişasta 743 mL/kg inek gübresi 360 mL/g uçucu katı
3.4. Kullanılan Substrat ve Konsantrasyonunun Etkisi (Effect of the Used Substrate and Its Concentration) Fermentatif H2 üretiminin sürdürülebilirliği, kullanılan substrata bağlıdır ve substratın fiziksel kimyasal özellikleri prosesin tüm verimliliğini kuvvetle belirler. Laboratuvar çalışmaları çoğunlukla saf substratlar (glikoz, sakkaroz, nişasta ve selüloz gibi) üzerine odaklanmasına rağmen, pilot ölçekli uygulamalar daha kompleks substratların kullanımını gerektirir. Sürdürülebilir biyohidrojen üretimi için kullanılacak ham maddenin bazı kriterleri karşılaması gerekir. Bu kriterler şu şekilde verilebilir: Ham madde, özellikle sürdürülebilir kaynaklardan üretilebilen karbonhidrat olmalıdır [6].
178
Sıcaklık Çalışılan Optimum aralık değer 27-40 30
Fermentatif dönüşüm, enerji kazanımını tercih edilebilir yapacak yeterli konsantrasyona sahip olmalıdır. Açığa çıkan enerji, kullanım açısından tercih edilebilir olmalıdır. Ham madde, düşük maliyetli olmalı ve minimum ön arıtım gerektirmelidir. Bulunabilirlik ve parçalanabilirliliği yüksek sürdürülebilir kaynaklar olmalıdır [32, 33]. Hidrojen, sadece karbonhidratlardan elde edilebildiği için, birçok substrat H2 üretimi için kullanılamaz. Yağlar ve proteinler gibi, kullanılabilir substratların sayısı genişletilebilirse prosesin uygulanabilirliliği artacaktır. Nişasta ve selüloz gibi kompleks karbonhidratlar ise, heksoz moleküllerine (glikoz) ayrıldıktan sonra hücrenin ihtiyaç duyduğu enerjiyi üretmek için daha ileri bir aşamaya ayrışır. Ancak bu şekilde, H2 üretimi için uygun hale gelmiş olur. Şekil 2’de, selüloz ve nişasta içeren SAÜ Fen Bil Der 19. Cilt, 2. Sayı, s. 171-186, 2015
Anaerobik fermantasyonla biyohidrojen üretim verimine etki eden faktörler
tarımsal atık ve gıda sanayi atıksuyundan hidrojen üretimi özetlenmiştir [33]. Tercih edilen karbon kaynakları arasında glikoz ve sükroz, fermentatif hidrojen üretimi çalışmalarında sıklıkla kullanılan substratlardır. Nişasta ya da selüloz gibi daha kompleks karbonhidratlar ve melas gibi karbonhidratça zengin atıklar da, hidrojen üretim çalışmalarında daha dar kapsamlıda olsa substrat kaynağı olarak kullanılabilmektedir [19]. Çünkü karbonhidratça zengin atıksu ve katı atıkların birçoğunda bu maddeler bulunur. Biyohidrojen üretiminde kullanılan diğer substrat kaynakları, protein ve yağca zengin atıklardır. Bu tip atıklar, karbonhidratça zengin atıklar ile karşılaştırıldığında bulunabilirlikleri az olmasına rağmen, organik atıkların biyolojik dönüşümü ile hidrojen eldesi için, potansiyel besinlerdir. Çalışmalarda kullanılan substratların çoğu şu şekilde tanımlanmaktadır; polisakkaritler: selüloz; heksozlar: glikoz; pentozlar: ksiloz, arabinoz ya da disakkaritler: sükroz ve maltoz. Substrat olarak kullanılacak olan ham maddenin maliyeti, hidrojen üretim prosesinin ekonomik olması yönünden önem arz eder. Bu nedenle toksik olmayan endüstriyel atıksular ve bazı biyolojik parçalanabilir karbonhidratları içeren atıksular (örneğin; peyniraltı atıksuyu, kentsel katı atık sızıntı suyu, şeker ve melas üretim fabrikalarından çıkan atıksu, yemekhanelerden çıkan gıda atığı ya da gıda işleme fabrikası atıksuyu, alkol üretim prosesinden çıkan atıksu, nişasta üreticileri atığı, pirinç şarabı, makarna fabrikası, yağ fabrikası, ekmek mayası ve bira fabrikası atıksuları vb.), farklı işletme parametrelerine sahip fermentatif hidrojen üretim prosesleri için kullanılabilir [7, 34].
İ. Şentürk, H. Büyükgüngör
Bazı kompleks substratlar (atık aktif çamur, birincil çamurlar, domuz gübresi vb.) kompleks yapılarından dolayı fermentatif H2 üretimi için uygun değildir. Fakat ön arıtımdan sonra, hidrojen üreten bakteri tarafından kullanılabilirler. Kentsel atıksu arıtma tesisinden çıkan atık aktif çamur, yüksek seviyede organik madde içerir. Bu yüzden H2 üretimi için potansiyel bir substrattır. Uygun önarıtım işlemleri uygulandıktan sonra atık aktif çamurdan hidrojen üretmek için, hidrojen üreten bakterinin yeteneği geliştirilebilir. Tablo 5’de, atık aktif çamurdan fermentatif H2 üretimi için uygulanan farklı ön arıtım metotları ve elde edilen sonuçlar özetlenmiştir. Optimum şartların sağlanması için atık aktif çamura uygulanacak en uygun önarıtım metodu, fermentatif H2 üretimi için kullanılan aşı, substrat ve çalışma koşullarına bağlı olarak değişiklik gösterir [7]. Fang ve diğ., [35] yaptığı çalışmada, H2 fermantasyonu için pirinç bulamacı ve gıda proses atığı kullanmıştır. Pirinç bulamacı ile 6 farklı konsantrasyonda (2,2; 5,5; 8,3; 11,0; 13,8 ve 22,1 g karbonhidrat/L) çalışmalar yapılmış ve 5,5 g karbonhidrat/L konsantrasyonda, 15,4 mM/g karbonhidrat H2 ile en yüksek verim rapor edilmiştir. Maksimum verim alınan konsantrasyon değeri üzerine çıkıldığında, H2 verimi sürekli olarak azalmıştır. Verimdeki bu azalma, biyoreaktör içinde üretilen yüksek konsantrasyonda VFA ve alkol üretiminden kaynaklanabilir. Diğer tarafta Yang ve Shen [36], substrat olarak nişasta kullanmışlar ve çözünebilir nişastanın konsantrasyonundaki artıştan (5, 10, 20, 30 ve 40 g nişasta/L) H2 üretiminin önemli derecede etkilenmediğini ancak; 20 g/L nişasta konsantrasyonunda daha fazla H2 üretildiğini rapor etmişlerdir. Literatürden elde edilen veriler, optimum substrat konsantrasyonunun farklı koşullar altında değiştiğini göstermektedir. Bu nedenle her çalışma için, en iyi koşulların tanımlanması oldukça önemlidir.
Şekil 2. Nişasta veya selüloz içeren tarımsal atıklar ve gıda endüstrisi atıksularından biyohidrojen üretim şeması (A schematic diagram for biohydrogen production from cellulose/starch containing agricultural wastes and food industry wastewaters)
SAÜ Fen Bil Der 19. Cilt, 2. Sayı, s. 171-186, 2015
179
Anaerobik fermantasyonla biyohidrojen üretim verimine etki eden faktörler
İ. Şentürk, H. Büyükgüngör
Tablo 5. Atık aktif çamura uygulanabilecek önarıtım metotları (Pretreatment methods for waste activated sludge)
Aşı
Reaktör tipi
Clostridium bifermentans
Kesikli
Clostridium bifermentans
Kesikli
Pseudomonas sp. GZ1
Kesikli
Eubacterium multiforme/ Paenibacillus polymyxa
Kesikli
Önarıtım metodu Dondurma ve çözme, ultrasonikasyon, asidifikasyon, sterilizasyon ve metanojenik inhibisyon Dondurma ve çözme, ultrasonikasyon, asidifikasyon, sterilizasyon Sterilizasyon, mikrodalga ve ultrasonikasyon pH 11’de alkali ön arıtım
3.5. H2 Kısmi Basıncının Etkisi (Effect of H2 Partial Pressure)
Sıvı safha içindeki hidrojenin kısmi basıncı, H2 üretimini etkileyecek önemli faktörlerden biridir. H2’nin kısmi basıncındaki azalma, verimin artmasını sağlarken; artan H2 kısmi basıncının etkisi, daha yüksek besleme gücünün kullanımını sınırlayabilir. Hidrojen konsantrasyonu arttığı için, metabolik yol izi hidrojen yerine indirgenmiş ürünlerin üretimi yönünde kayar. Yüksek konsantrasyonda H2 elde etmek için, metanojenler tarafından tüketilmeden ya da H2 üretiminin baskılanmasına sebep olmadan önce, hidrojen sistemden yapay olarak giderilmelidir [37]. Reaktör içerisinde H2’nin kısmi basıncındaki azalma, hidrojen üretimini artırabilir. Sıvı içindeki H2 konsantrasyonu arttığı zaman, hidrojen üretim reaksiyonları daha az tercih edilir [32]. Kesikli testlerde gaz basıncının aralıklı olarak serbest bırakılması ile hidrojen üretiminin % 43’e kadar arttığı rapor edilmiştir [38]. Argon ya da azot gazı püskürtmek sureti ile hidrojen kısmi basıncını azaltmak da sürekli kültür içindeki H2 üretim verimini artırmaktadır. Doğal ekosistemlerde ise düşük H2 kısmi basıncı, hidrojen üreten bakteriler ve metanojenler gibi hidrojen tüketen bakteriler arasındaki aynı yönlü ortaklık aracılığı ile sağlanır [19]. Diğer bir parametre olan karıştırma hızı da, H2 verimini etkilemektedir. Artan karıştırıcı hızının, çözünmüş H2 konsantrasyonunu daha da düşürdüğü görülmüştür [32]. 3.6. Fermantasyon Son Ürünlerinin Etkisi (Effect of Fermentation Last Products)
Anaerobik karışık kültür ile biyohidrojen üretimi karışık kültür sisteminin davranışından ve hidrojenin çevresel koşullara duyarlılığından dolayı çok kompleks bir biyolojik sistemdir. Anaerobik karışık aşı çamur, farklı biyolojik özelliklere sahip çeşitli fermentatif bakteri 180
En uygun metot
Maksimum hidrojen verimi
Dondurma ve çözme
2,1 mmol/g KOİ
Dondurma ve çözme
4,1 g/kg kuru katı
Sterilizasyon
15,02 mL/gTKOİ
pH 11’de alkali ön arıtım
16,6 mL/g kuru katı
türleri ve sporlarından oluşur. Her grup farklı bir biyokimyasal yolu tercih eder ve kendi türüne özgü bir yan ürün ya da son ürün üretir. Bir bakteri grubu biyohidrojen üretiyorken, diğer bir bakteri grubu onu tüketebilir. Diğer tarafta bazı bakteri türleri çevresel koşullar uygunsa, hidrojeni hem üretip hem de tüketebilir. Bu duruma en iyi örnek, biyohidrojen üretimine karşı asetat oluşumudur. Asetik asit son ürün olduğu zaman, teorik olarak maksimum 4 mol H2 elde edilir. C6H12O6+2H2O
2CH3COOH+2CO2+4H2
(4)
C. aceticum gibi Clostridia’nın bazı türleri, H2 ve CO2’i asetata dönüştürmekle aşağıdaki reaksiyonda olduğu gibi H2 verimini düşürebilir. Bu yüzden artan asetat üretimi, H2 veriminin arttığına dair bir kanıt değildir [32]. 2CO2+4H2
CH3COOH+2H2O
(5)
Bakteriyel fermantasyon, mikroorganizmanın büyümesi ve sürekliliği için gerekli enerjiyi elde ederken bir substrat kaynağına ihtiyaç duyar ve metabolik yol izi süresince organik asit, alkol ve hidrojen gibi bazı ara ürünler üretilir. Fermantasyon yol izi süresince ara ürün olarak H2 üretimi, asetik asit, propiyonik asit, bütirik asit ve laktik asit gibi fermantasyon son ürünlerinden etkilenir (Eşitlik 4-6). En yüksek teorik H2 verimi, fermantasyon son ürünü olarak asetat oluşumu ile ilişkili olmasına rağmen; pratikte en yüksek H2 verimi, asetat ve bütirat fermantasyon ürünlerinin karışımı ile ilişkilidir. Karışımın asetik asit ve bütirat içeriği propiyonattan daha yüksek olduğu zaman, H2 verimi daha da yüksektir. Bütirat son ürün olduğunda ise,1 mol glikoz başına maksimum 2 mol H2 elde edilir. Fakat bu bilgilere
SAÜ Fen Bil Der 19. Cilt, 2. Sayı, s. 171-186, 2015
Anaerobik fermantasyonla biyohidrojen üretim verimine etki eden faktörler
rağmen, fermantasyon yol izi ve hidrojen üretim yeteneği arasındaki ilişki tam olarak çözülememiştir [39].
C6H12O6+2H2O
CH2CH2CH2COOH+2H2+2CO2 (6)
Kullanılan organik besin maddeleri ve bakteri türlerine bağlı olarak açığa çıkan organik asitler (malat, laktat, propiyonat, bütirat ve/ya da asetat), anaerobik bakterinin fermentatif metabolizması ile desteklenemez ve bunların H2’ye dönüşümü enerji açısından tercih edilebilir bir reaksiyon değildir. Bu yüzden bu organik asitler, büyüme ortamında birikir ve mikroorganizma büyüme hızlarında azalmaya sebep olduğu için H2 üretim verimi azalır. Sonuç olarak H2 üretim reaksiyon süresi, nispeten kısa olabilir ve verim organik asitlerin birikiminden dolayı azalabilir [40]. Biyohidrojen üretimi, anaerobik fermantasyon prosesinde laktatın üretimi ile negatif olarak etkilenir. Gerçekte laktat, karanlık fermantasyon ile H2 üretimi için esas problemdir. Büyük miktarda laktat üretilirse, Laktobasillus türü laktat fermantasyon bakterisi fermantasyon ortamında baskın olabilir. Laktat üreten bakteri baskınsa, piruvat reaksiyonlarında hidrojenin tüketiminden dolayı H2 üretilemeyebilir. Sıvı alkoller H2 üretiminde tercih edilmeyen diğer ürünlerdir. Laktat üreten bakteri, diğer anaerobik fermentatif bakteriler ile uyum sağlayabildiği için ayarlanmış pH ve sıcaklık altında laktat üretimi mümkün değildir. Bu durum sık sık meydana gelmesine rağmen, anaerobik fermantasyonla biyohidrojen üretimi için çok önemli bir risktir. Ek olarak laktat, anaerobik karışık kültür içindeki Clostridia sp. tarafından üretilebilir. Laktat ile H2 üretilebilse bile, H2 verimi düşüktür ve H2 üretim hızı, bütirat ve asetat gibi diğer yol izlerinden daha yavaştır. Propiyonatın oluşumu ve birikimi, hidrojen oluşumundaki verimsizlik ve toksik etkisinden dolayı sistem için diğer bir problemdir. Normal olarak propiyonik asit, diğer ürünler ile birlikte üretilir. Fakat asidik ve konvansiyonel anaerobik proseslerde, diğer ürünler artıyor iken propiyonat seviyesi azalır. Propiyonatın birikimi, sistem için büyük bir risktir. Çünkü bu koşullar altında, ne hidrojen ne de diğer ürünler üretilebilir. pH 5,3 ya da daha düşük pH değerlerinde, asidik fermentatif proses içinde propiyonat üretimi önlenebilir [41].
İ. Şentürk, H. Büyükgüngör
Hidrojen, çoğunlukla bütirat, asetat ve etanol yol izi ile üretilebilir. Etanol, sistem içindeki stabil fonksiyonundan dolayı, fermentatif hidrojen için önemli bir üründür. Literatür araştırması gösteriyor ki etanol, anaerobik karışık kültür içindeki bütün ürünler ile bir arada olabilir. H2 verimini etkileyen etanol oluşumunun, optimum seviyesini bulmak önemlidir. Ren ve diğ., [42] yaptığı çalışmada, asetat/etanol oranı yaklaşık olarak 1 olduğunda en iyi hidrojen veriminin elde edildiğini rapor emiştir. H2, ara ürünlerin her biri ile üretilse de üretilmese de sistem onlardan sadece birini üretse bile, inhibisyon etkisinden dolayı, hidrojen üretim hızı azalabilir ya da durabilir. H2 verimini maksimize etmek için, bakterinin metabolizması alkolden (etanol, bütanol) ve uçucu yağ asitleri yönünden indirgenmiş asitlerden (laktat) uzakta yönetilmelidir [43]. Çünkü ayrıştırılamayan asitler, hücre membranından geçebilir, transmembran pH değişim derecesini düşürebilir ve bu yüzden hücre ölümüne ya da spor oluşumuna sebep olabilir [19].
3.7. Azot ve Fosfor Konsantrasyonunun Etkisi (Effect of Nitrogen and Phosphorus Concentration)
Azot, protein nükleik asit ve enzimler için çok önemli bir bileşen olmasından dolayı hidrojen üreten bakterinin büyümesi için gerekli en önemli besin maddelerinden biridir. Bu yüzden uygun miktarda azot ilavesi, hidrojen üreten bakterinin büyümesine ve fermentatif H2 üretimine olumlu yönde etki edecektir. Bu amaçla en çok kullanılan azot kaynağı, amonyak azotudur. Fosfor, besin değeri ve tamponlama kapasitesinden dolayı hidrojen üretimi için gereklidir. Azot ve fosfor konsantrasyonunu artırmak, verimi artırır. Fakat fazla miktarda artış, artan verimin azalmasına sebep olacaktır. Bu nedenle uygun C/N ve C/P oranı, fermentatif H2 üretimi için gereklidir. Kullanılan deneysel şartlardan dolayı optimum N, P, C/N, C/P oranları hususunda, ortak bir karara varılamamıştır [2, 15].
Özellikle de aseton ve bütanol gibi bazı ara ürünlerin oluşumu ile de, hidrojen üretimi negatif olarak etkilenir. Asetat üretildiği zaman var olan 2H+ kullanılarak, aseton üretilebilir. Bütanolun, bütirat yolizinden çıkan 4H+ kullanılarak üretilebildiği de bilinmektedir [30]. SAÜ Fen Bil Der 19. Cilt, 2. Sayı, s. 171-186, 2015
181
Anaerobik fermantasyonla biyohidrojen üretim verimine etki eden faktörler
İ. Şentürk, H. Büyükgüngör
Tablo 6. Fermentatif biyohidrojen üretimi üzerine farklı metal iyonlarının etkisi (Effect of different metal ions on fermentative biohydrogen production)
Metal iyonu
Konsantrasyon (mg/L) Çalışılan Optimum aralık kons.
Aşı
Substrat
Reaktör tipi
Anaerobik çamur
Nişasta
Kesikli
Fe+2
0-4000
150
Anaerobik çamur
Glikoz
Kesikli
Fe+2
0-1500
350
Clostridium saccharoperbutylacetonicum N1-4 (ATCC13564)
Glikoz
Kesikli
Fe+2
1-100
25
7,73 mL/saat
Clostridium acetobutylicum
Glikoz
Kesikli
Fe+2
0-1000
25
408 mL/g glikoz
Anaerobik çamur
Palm yağı işleme atıksuyu
Kesikli
Fe+2
2-400
257
6,33 L/L
Çürütülmüş çamur
Glikoz
Kesikli
Ni+2
0-50
0,1
Hidrojen üreten bakteri B49
Glikoz
Kesikli
Mg+2
1,2-23,6
23,6
+2
Clostridium acetobutylicum
Glikoz
Kesikli
Mg
0-1000
0,0
Anaerobik çamur
Glikoz
Kesikli
Cu+2
0-400
400
Sürekli
Ca
+2
0-300
150
+2
0-27,2
27,2
0-500
250
Çürütülmüş çamur
Sukroz
Kentsel atık çamur
Sukroz
Sürekli
Ca
Anaerobik çamur
Glikoz
Kesikli
Zn+2
Hidrojen verimi 279,9 mL/g nişasta 311,2 mL/g glikoz
296,1 mL/g glikoz 2360,5 mL/Lsaat 77,5 mL/L saat 1,74 mol/mol glikoz 3,6 mol/mol 2,19 mol/mol sukroz 1,73 mol/mol glikoz
3.8. Metal İyonunun Etkisi (Effect of Metal Ion) Yüksek metal iyonu konsantrasyonu, H2 üreten bakterinin aktivitesini sınırlandırabilmesine rağmen iz miktarda metal iyonu, fermentatif H2 üretimi için gereklidir. Ortamda bulunması hidrogenaz enzimi açısından gerekli olduğundan Fe2+, fermentatif H2 üretimi için çok geniş ölçüde araştırılan bir metal iyonudur. Biyohidrojen üretimi, fermantasyon süresince bakteriyel metabolizma için gerekli mikronütrientleri gerektirir. Na, Mg, Zn ve Fe gibi elementlere bakteriyel enzimin kofaktörü, taşınım prosesleri ve dehidrogenaz tarafından ihtiyaç duyulduğu için, mikroorganizmalar içindeki H2 metabolizmasını etkileyen önemli iz metallerdir. Tablo 6’da fermentatif H2 üretimi üzerine farklı metallerin etkisi incelenmiştir [10]. Ağır metallerin zehirliliği de, hidrojen üretim sistemlerinde dikkate alınmalıdır. Yapılan çalışmalarda bazı metallerin zehirlilik seviyelerinin, Cu>NiZn>Cr>Cd>Pb şeklinde değiştiği görülmüştür [15]. 182
Mineral tuz içeriği de, hidrojen üretimini etkiler. Uygun içerik ile elde edilen hacimsel hidrojen üretim hızı (VHPR), geleneksel asidojenik nütrient formülasyonu ile elde edilen değerden %66 daha yüksektir. Demirin yanı sıra magnezyum, sodyum ve çinko, bakteriyal enzim kofaktörleri, taşınım prosesleri ve dehidrogenaz için gerekli olduğundan VHPR’yi etkileyen önemli iz metallerdir [16]. 3.9. Hidrolik Alıkonma Süresi (HRT) (Hydraulic Retention Time)
HRT, sürekli sistemde işletilen reaktörlerde hidrojen üretim hızını ve/ya da verimini potansiyel olarak etkileyen bir faktördür. Ayrıca HRT’nin, substratın fermantasyonu sırasında ürün bileşimini de etkilediği görülmüştür. En uygun HRT, çeşitli faktörlere (reaktör şekli, kullanılan substrat, belirli mikroorganizma veya mikrobiyal topluluklar) bağlı olarak değişmekle birlikte, her sistem için belirli bir özelliktir. Uygun aralıkta HRT artışı bakterilerin hidrojen üretim yeteneğini artırır. Fakat çok yüksek seviyelerdeki HRT, azaltır [2]. Wongtanet ve SAÜ Fen Bil Der 19. Cilt, 2. Sayı, s. 171-186, 2015
Anaerobik fermantasyonla biyohidrojen üretim verimine etki eden faktörler
diğ., [44] 35oC’de ve pH 5,5’de CSTR’de anaerobik karışık kültür ile yaptıkları çalışmada, HRT’yi 3 günden 1 güne azalttıklarında, hidrojen veriminin 0,66’dan 1,24 mol H2/mol glikoz’a arttığını rapor etmiştir. Çok düşük HRT’de çalışmak, biyokütle yıkanmasına yol açabilir. Ancak çok yüksek HRT’de çalışmak da, uygun değildir. Çünkü yüksek seviyede uçucu yağ asidi birikimiyle, hidrojen üretiminin inhibisyonuna yol açabilir [19]. Esasen kısa HRT’de, hidrojen tüketiciler, birincil olarak da metanojenler, ortamdan uzaklaştırılabilir. Bu nedenle HRT’nin kontrolü, aşı çamurun ön arıtımı olmaksızın hidrojen tüketicileri sınırlandırmak için diğer bir strateji olabilir. Lin ve Jo [45], metan üretimini tamamen inhibe edebilmek amacıyla, 8 saate kadar HRT’yi kademeli olarak azaltarak anaerobik ardışık kesikli reaktörde hidrojen üretim verimini artırmayı başarmışlardır.
İ. Şentürk, H. Büyükgüngör
Bu yüzden etanol oluşumu, her zaman düşük hidrojen üretim veriminin işareti değildir. Hidrojen üretecek bakterinin metabolik yol izi, çeşitli çevresel faktörlerden önemli derecede etkilendiği için bu durum çok iyi bir şekilde araştırılmalıdır [29]. 3.11. Enzim (Enzyme) Biyohidrojen üretimi, mikroorganizmalarda bulunan hidrojen üreten enzimlere bağlıdır. Bu enzimler, çok basit redoks reaksiyonlarında (2H+ + 2e− → H2) katalizör olarak görev yapar. Bu reaksiyonu gerçekleştiren enzimlerin birçoğu, aktif yerlerinde karmaşık metalli gruplar ve özel proteinler içerirler. Birçok hidrojen üretim sistemi tarafından kullanılan üç ana hidrojen üreten enzim (nitrogenazlar, [NiFe]-hidrogenazlar ve [FeFe]-hidrogenazlar) vardır.
3.10. Metabolik Kayma (Metabolic Shift)
Nitrogenazlar, azotu amonyağa bağlayan reaksiyonu katalizler ve aynı anda protonların (H+) hidrojene zorunlu indirgenmesini sağlar.
Şekil 3’de karbonhidratların fermantasyonu ile oluşan olası fermantasyon ürünleri gösterilmektedir [42]. Pratikte yüksek H2 verimleri, asetat ve bütirat fermantasyon ürünlerinin karışımı ile düşük H2 verimi ise, alkol ve laktik asit gibi indirgenmiş son ürünler ve propiyonat ile ilişkilidir [43]. Fakat düşük pH değerleri gibi (4,5-5,0) özel çevresel koşullar altında, etanol tip fermantasyon ile H2 elde edilebileceği de göz önünde bulundurulmalıdır.
[NiFe]-hidrogenazlar, hidrojen üretiminde nitrogenazlardan 15 kat daha etkilidir. [NiFe]hidrogenazlar, sadece hidrojen üretmez ayrıca onlar uptake hidrogenazlar (hidrojen tüketen enzimler) olarak da görev alabilir. Hidrojenden gelen elektronları nikotinamid adenindinükleotid fosfatı (NAD(P)) indirgemekte kullanır. En etkili hidrojen üretim enzimi, [FeFe]hidrogenazlardır. Nitrogenazlardan 1000 kat, [NiFe]hidrogenazlardan ise 10-100 kat daha iyi aktiviteye sahiptir. [FeFe]-hidrogenazlar, çevrelerine bağlı olarak ya hidrojen üretir ya da tüketirler. Bu enzimlerin üçü, genel olarak oksijene hassastırlar ve uygun hızda hidrojen üretmek için oksijenin ortamdan uzaklaştırılması gerekir. [NiFe]-hidrogenazlar ve [FeFe]hidrogenazlar, anaerobik mikroorganizma karışımı veya saf kültürler tarafından karanlık fermantasyonlarda kullanılabilir. Bu reaksiyonlarda oksijen üretilmediği veya tüketilmediği için, her iki hidrogenaz tipinin oksijen tarafından pasif hale getirilme olasılığı çok düşüktür [2]. 4. SONUÇ (CONCLUSION)
Şekil 3. Bazı diğer yan ürünler ve fermentatif hidrojen oluşumu için örnek yol izi (Fd, Oksitlenmiş ferrodoksin; FdH2, İndirgenmiş ferrodoksin) (Representative pathways of fermentative hydrogen evolution and some other by-products (Fd, oxidized ferredoxin; FdH2, reduced ferredoxin).
C6H12O6 + 3H2O + 2H2
C2H5OH + 2CH3COOH + 2CO2 (7)
SAÜ Fen Bil Der 19. Cilt, 2. Sayı, s. 171-186, 2015
Gelecekte olması muhtemel enerji krizlerine çözüm arayışları geçmişten bugüne artan bir hızda devam etmektedir. Bu yönde ortaya atılan çözüm önerilerinden bir tanesi de önemli bir enerji taşıyıcısı olan hidrojenin enerji kaynağı olarak kullanımının ve üretiminin artırılması yönündedir. Hidrojen üretim yöntemlerinden olan biyolojik hidrojen üretimi ve bunun bir alt uygulaması olan karanlık fermantasyonla hidrojen üretimi, enerji verimliliği ve temiz enerji üretimi açısından avantajlı gözükmektedir. Ancak derleme 183
İ. Şentürk, H. Büyükgüngör
çalışmamızda da anlatıldığı üzere, anaerobik fermantasyonla H2 üretimini etkileyen pek çok faktör vardır. Çalışma parametrelerini optimize etmek ve reaktör tasarımını geliştirmek yapılan çalışmalardaki hidrojen üretim verimliliğini artıracaktır. Bu nedenle, bundan sonra yapılacak olan karanlık fermantasyonla biyohidrojen üretim çalışmalarından, daha önce yapılmış çalışmalara kıyasla daha olumlu sonuçlar alınabilmesi için makalemizde belirtilen faktörlerin optimizasyonuna ayrıca önem verilmesi gerektiği açıkça ortadadır. Yapılmış ve yapılmakta olan çalışmalar da ilerleme kaydedilmesi durumunda hem karanlık fermantasyon ile elde edilen hidrojen veriminde artış gözlenecek, hem de ticari açıdan uygulanabilirliliği artacaktır. KAYNAKLAR (REFERENCES) [1]
[2]
[3] [4]
[5]
[6]
[7]
[8]
[9]
[10]
184
D.H. Kim, S.K. Han, S.H. Kim, H.S. Shin “Effect of gas sparging on continuous fermentative hydrogen production”, International Journal of Hydrogen Energy, 31, pp 2158-2169, 2006 N. Genç, “Fermentatif biyohidrojen üretim proseslerinde hidrojen veriminin geliştirilmesindeki yaklaşımlar”, Erciyes Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Dergisi, 26(3), pp 225-239, 2010 İ. Öztürk “Anaerobik arıtma ve uygulamaları”, 2. Baskı, Su vakfı, İstanbul, 2007 E. Aksöyek “İmmobilize biyoreaktörde hidrojen üretiminin incelenmesi”, Yüksek lisans tezi, Ege Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Biyomühendislik Anabilim Dalı, İzmir, 291147, 2011 K. Nath, D. Das “Improvement of fermentative hydrogen production: Various approaches”, Applied Microbiology and Biotechnology, 65, pp 520-529, 2004 J. Bartacek, J. Zabranska, L. Piet “Developments and constraints in fermentative hydrogen production”, Biofuels, Bioproducts and Biorefining, 1, pp 201–214, 2007 H. Hafez “A novel system for biological hydrogen production from wastes”, PhD Thesis, Studises The University of Western, School of Graduate and Postdoctoral, London, Ontario, Canada, ISBN:978-0-494-73366-0, 2010 M. Ni, D.Y.C. Leung, M.K.H. Leung, K. Sumathy, “An overview of hydrogen production from biomass”, Fuel Processing Technology, 87, pp 461-472, 2006 I.M. Valdez-Vazquez, H. Poggi-Varaldo “Hydrogen production by fermentative consortia”, Renewable and Sustainable Energy Reviews, 13, pp 1000–1013, 2009 P. Sinha, A. Pandey “An evaluative report and challenges for fermentative biohydrogen
Anaerobik fermantasyonla biyohidrojen üretim verimine etki eden faktörler
[11]
[12]
[13]
[14]
[15]
[16]
[17]
[18]
[19]
[20]
[21]
[22]
production”, International Journal of Hydrogen Energy, 36, pp 7460-7478, 2011 S.M. Kotay, D. Das “Biohydrogen as a renewable energy resource- prospects and potentials”, International Journal of Hydrogen Energy, 33, pp 258-263, 2008 J. Miyake, T. Matsunaga, A.S. Pietro, “Biohydrogen II An Approach to Environmentally Acceptable Technology, Permagon, 2001 M.L. Chong, V. Sabaratnam, Y. Shirai, A. Hassan “Biohydrogen production from biomass and industrial wastes by dark fermentation”, International Journal of Hydrogen Energy, 34, pp 3277-3287, 2009 C.L. Li, H.H.P. Fang “Fermentative hydrogen production from wastewater and solid wastes by mixed cultures”, Critical Reviews in Environmental Science and Technology, 37, pp 139, 2007 J. Wang, W. Wan “Factors influencing fermentative hydrogen production: A review”, International Journal of Hydrogen Energy, 34, pp 799–811, 2009 G. Davila-Vazquez, S. Arriaga, F. AlatristeMondragon, A. Leon-Rodriguez, L.M. RosalesColunga, E. Razo-Flores, “Fermentative biohydrogen production: trends and perspectives”, Reviews in Environmental Science and Biotechnology, 7, pp 27-45, 2008 F.R. Hawkes, I. Hussy, G. Kyazze, R. Dinsdale, D.L. Hawkes, “Continuous dark fermentative hydrogen production by mesophilic microflora: Principles and progress”, International Journal of Hydrogen Energy, 32, pp 172-184, 2007 P. Iyer, M.A. Bruns, H. Zhang, V.S. Ginkel, B.E. Logan, “H2 producing bacterial communities from a heat-treated soil inoculum”, Microbial Biotechnology, 66, pp 166–173, 2004 B. Baghchehsaraee “Batch and continuous biohydrogen production using mixed microbial culture”, PhD Thesis, The University of Western Ontario, School of Graduate and Postdoctoral Studies, London, Ontario, Canada, ISBN:978-0494-54265-1, 2009 L. Özkan “Dark fermentative biohydrogen production from sugar-beet processing wastes”, MSc. Thesis, Middle East Technical University, The Graduate school of natural and aplied sciences, Ankara, 259209, 2009 M.L. Cai, J.X. Liu, Y.S. Wei, “Enhanced biohydrogen production from sewage sludge with alkaline pretreatment”, Environmental Science & Technology, 38 (11), pp 3195-3202, 2004 S.K. Khanal, W.H. Chen, L. Li, S. Sung, “Biological hydrogen production: effects of pH SAÜ Fen Bil Der 19. Cilt, 2. Sayı, s. 171-186, 2015
Anaerobik fermantasyonla biyohidrojen üretim verimine etki eden faktörler
[23]
[24]
[25]
[26]
[27]
[28]
[29]
[30]
[31]
[32]
[33]
[34]
[35]
and intermediate products”, International Journal of Hydrogen Energy, 29, pp 1123-1131, 2004 K. Vijayaraghavan, D. Ahmad, M. Khairil Bin Ibrahim, H. Naemmah Binti Herman, “Isolation of hydrogen generating microflora from cow dung for seeding anaerobic digester”, International Journal of Hydrogen Energy, 31, 6, pp 708–720, 2006 S.S. Cheng, S.M. Chang, S.T. Chen, “Effects of volatile fatty acids on a thermophilic anaerobic hydrogen fermentation process degrading peptone”, Water Science and Technology,46 (4/5), pp 209–214, 2002 C.H. Chau, J.J. Lay, “In: A mixture design approach to hydrogen-producing anaerobs using molasses”, Proceedings of Anaerobic Digestion, Montreal, Canada, 2, pp 856-861, 2004 S.E. Oh, P. Lyer, M.A. Bruns, B.E. Logan, “Biological hydrogen production using a membrane bioreactor”, Biotechnology and Bioengineering, 87 (1), pp 119-127, 2004 H.H.P. Fang, H. Liu, “Effect of pH on hydrogen production from glucose by a mixed culture”, Bioresource Technology, 82 (1), pp 87-93, 2002 K.S. Fan, N.R. Kan, J.J. Lay, () “Effect of hydraulic retention time on anaerobic hydrogenesis in CSTR”, Bioresource Technology, 97 (1), pp 84-89, 2006 N.Q. Ren, B.Z. Wang, J.C. Huang, () “Ethanoltype fermentation from carbohydrate in high rate acidogenic reactor”, Biotechnology and Bioengineering, 54 (5), pp 428-433, 1997 M.H. Hwang, N.J. Jang, S.H. Hyun, I.S. Kim, “Anaerobic biohydrogen from ethanol fermentation: the role of pH”, Biotechnology, 111, pp 297-309, 2004 P.C. Hallenbeck, “Fundamentals of the fermentative production of hydrogen”, Water Science and Technology, 52 (1-2), pp 21-29, 2005 F.R. Hawkes, R. Dinsdale, D.L. Hawkes, I. Hussy, “Sustainable fermentative hydrogen production: challenges for process optimisation”, International Journal of Hydrogen Energy, 27, pp 1339–1347, 2002 I.K. Kapdan, F. Kargı, “Biohydrogen production from waste materials”, Enzyme and Microbial Technology, 38 (5), pp 569–582, 2006 X. Wu, “Fermentative hydrogen production from liquid swine manure with glucose supplement using an anaerobic sequencing batch reactor”, PhD Thesis, The University of Minnesota, A dissertation submitted to the faculty of the graduate school, United States Code, UMI Number: 3366955, 2009 H.H.P. Fang, C.L. Li, T. Zhang, “Acidophilic biohydrogen production from rice slurry”,
SAÜ Fen Bil Der 19. Cilt, 2. Sayı, s. 171-186, 2015
İ. Şentürk, H. Büyükgüngör
[36]
[37]
[38]
[39]
[40]
[41]
[42]
[43]
[44]
[45]
International Journal of Hydrogen Energy, 31, pp 683-692, 2006 H. Yang, J. Shen, “Effect of ferrous iron concentration on anaerobic biohydrogen production from soluble starch”, International Journal of Hydrogen Energy, 31 (15), pp 21372146, 2006 S. Tanisho, M. Kuromoto, N. Kadokura, “Effect of CO2 removal on hydrogen production by fermentation”, International Journal of Hydrogen Energy, 23 (7), pp 559-563, 1998 Logan, B.E. Oh, S.E. Kim, I.S. Ginkel, S.V. (2002) “Biological hydrogen production measured in batch anaerobic respirometers”, Environmental Science & Technology, 36, pp 2530-2535. N. Ren, Y. Li, A. Wang, J. Li, J. Ding, M. Zadsar, “Hydrogen production by fermentation: Review of a new approach to environmentally safe energy production”, Aquatic Ecosystem Health & Management, 9 (1), pp 39-42, 2006a A. Malis, M.R. Melnicki, “Integrated biological hydrogen production”, Hydrogen Energy, 31, pp 1563-1573, 2006 Y. Mu, H.Q. Yu, G. Wang, “Evaluation of three methods for enriching H2-producing cultures from anaerobic sludge”, Enzyme and Microbial Technology, 40 (4), pp 947-953, 2007 N. Ren, J. Li, B. Li, Y. Wang, S. Lui, “Biohydrogen production from molasses by anaerobic fermentation with a pilot-scale bioreactor system”, Hydrogen Energy, 31, pp 2147-2157, 2006b D.B. Levin, L. Pitt, M. Love, “Biohydrogen production: prospects and limitations to practical application”, International Journal of Hydrogen Energy, 29, pp 173-185, 2004 J. Wongtanet, B.I. Sang, S.M. Lee, D. Pak, “Biohydrogen production by fermentative process in continuous stirred-tank reactor”, International Journal of Green Energy, 4, pp 385-395, 2007 C.Y. Lin, C.H. Jo, “Hydrogen production from sucrose using an anaerobic sequencing batch reactor process”, Journal of Chemical Technology & Biotechnology, 78, pp 678-684, 2003
185
SAÜ Fen Bil Der 19. Cilt, 2. Sayı, s. 187-196, 2015
Ürün varyant konfigürasyon yönetiminin ürün ağacı ve hataları üzerindeki etkilerinin incelenmesi Ferit Karayazı1*, İ. Hakkı Cedimoğlu2
ÖZ Müşteri taleplerinin değişkenlik göstermesi işletmelerin karmaşık bir ürün yelpazesi oluşturmasına neden olmaktadır. Bu durum işletmelerin sipariş, tasarım, üretim süreçlerinde ürün ağacı yönetimini karmaşık bir hale getirmekte ve bu durum hataların oluşmasına neden olmaktadır. Bu nedenle işletmeler kullandıkları bilgisayar destekli (CAD-ERP vb) yazılımları müşteri taleplerine hızlı cevap verebilecek bir yapıya uygun bir hale getirmek zorunda kalmaktadır. Bu çalışmada ürün kompleksliğini azaltmak, müşteri taleplerine hızlı cevap verebilecek esnek bir yapı oluşturmak için geliştirilmiş olan varyant konfigürasyon yönetim sisteminin ürün ağacı yapısı ve ürün ağacı hataları üzerindeki etkileri incelenmektedir. Anahtar Kelimeler: varyant konfigürasyon, ERP, kompleks ürünler, ürün ağacı, ürün ağacı hataları
The analysis of product variant configuration management on bill of material and its faults ABSTRACT Variability of customer demand drives businesses to grow their range of product portfolios to be able to adopt against the demand fluctuation however it pushes business boundaries to consider more integrated project and logistics control tools in order to be able to deliver and manage essential but crucial business processes as wells as balancing higher product complexity. That’s why companies have to use computer-aided (CAD-ERP, etc.) in a suitable way to provide quick answers to customer demands. In this study, to reduce product complexity, a flexible structure that can respond quickly to customer demand, which was developed to create a variant of the configuration management system bill of material (BOM) structure and its effects on BOM failures are examined. Keywords: variant configuration, ERP, complex products, bill of material, faults of BOM
*
Sorumlu Yazar / Corresponding Author 1 Sakarya Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Endüstri Mühendisliği Bölümü, Sakarya - fkarayazi@otokar.com.tr 2 Sakarya Üniversitesi, Bilgisayar ve Bilişim Sistemleri Fakültesi, Bilişim Sistemleri Mühendisliği Bölümü, Sakarya
F. Karayazı, İ. H. Cedimoğlu
1. GİRİŞ (INTRODUCTION) Günümüzde artan küreselleşme sürecine bağlı olarak üretime dayalı itme modelinden müşteriye dayalı itme ve çekme modeline geçişe ihtiyaç duyan yeni bir yayılma ve dönüşüm süreci ile karşı karşıyadır. Bu yeni dönüşüme geçişin en temel nedenleri arasından müşterilerin standart ürün taleplerinin daha özel ürün taleplerine geçmesi ve üreticiden bu yönde beklentilerinin oluşmasıdır [1]. Son yıllarda müşteriler taleplerinde daha seçici, kritik bir yapıya ve üreticinin önerdiği ürünlere karşı daha özel ve kendine özgü taleplere sahiptirler. Müşterilerin işletmenin ürün özelliklerine ve üretim süreçlerine hâkim bir şekilde taleplerini belirlemek istemesi nedeniyle üretici işletmeler için müşteri odaklı ürün üretimi gittikçe önem kazanmaktadır. Sonuç olarak birebir üretim tipi son zamanlarda yaygınlaşmaya başlamıştır. Müşteri taleplerinin çeşitliliği seri üretim ile karşılaştırıldığında ürün varyant sayısı büyük artış göstermektedir. İşletmelerin başarısı için üretim ve tasarım hız ve esnekliği oldukça önemlidir ve bu durum üreticiler için önemli bir rekabet unsuru teşkil etmektedir [2]. Her yeni ürün için ayrı bir mamul ürün ağacı oluşturulması tasarım, konfigürasyon ve mühendislik değişiklik yönetimi süreçlerinde kompleksliği artırarak ürün ağaçlarında mükerrer parça tanımlama, benzer bileşenler arasında yanlış kodlu bileşenin seçilmesi vb. pek çok ürün ağacı hatalarına neden olmaktadır. Bu hatalarda kullanılmayan parçanın mamul ürün ağacında tanımlı olması nedeniyle sipariş açılıp stoğa girmesi ve daha sonra atıl stok maliyeti oluşmasına, eksik parça nedeniyle üretim duruşlarından dolayı işçilik zamanı kayıplarına vb. sorunlara neden olmaktadır. Müşteriye özel ürünler üreten sektörlerde siparişler tamamen müşterinin verdiği tanım ve değerler doğrultusunda o siparişe özgü olarak üretilmektedir. Bundan dolayı müşteriye özel üretim yapmak oldukça karmaşık bir ürün ağacı yapısını yönetmeyi de gerektirmektedir. Eğer işletmeler sektörlerinde en büyük kalmak, büyürken müşteri odaklı ve esnek olmaktan vazgeçmek istemiyorsa farklı bir ERP ürün ağacı modellemesine ihtiyaçları vardır. Sağlıklı ve iyi işleyen bir üretim süreci için tüm engelleri aşacak yöntemleri bulmak, geliştirmek ve entegre etmek gerekir [3]. 2. ÜRÜN VARYANT KONFİGÜRASYON SİSTEMİ (PRODUCT VARIANT CONFIGURATION SYSTEM) Varyant konfigürasyon modeli ürün çeşitliliğinin fazla olduğu kompleks üretim alanlarında kullanılan bir ürün
188
Ürün Varyant Konfigürasyon Yönetiminin Ürün Ağacı Ve Hataları Üzerindeki Etkilerinin İncelenmesi
yapısı yönetim şeklidir. Üretici firma genelde mevcut ürünlerinin varyantlarını üretmektedir. Bu varyantları var olan diğer varyantlardan türeterek veya değiştirerek oluştururlar. Burada kritik nokta müşteri talebine en hızlı şekilde cevap verebilecek bir yapıda olmasıdır. Varyant, ürüne ait özellik bilgilerini tanımlayan tüm parametre değerlerini bir bütün olarak içeren yapıdır. Temel olarak ürün ağacı ise bir ürüne ait bileşen ve bu bileşenlerin birbirleriyle olan hiyerarşik ilişkilerine göre yapılandırılmış olan ve malzeme ihtiyaç planlamasının temel girdisini teşkil eden yapılardır [4]. Ürün konfigürasyon modeli üreticinin tasarımdan siparişe veya siparişten montaja kadarki tüm süreçlerde müşterinin kendi tercihini yapabilmesine imkân sağlayacak araçları barındıran bir yapıdır. Müşteri odaklı çalışan şirketlerde ürün konfigürasyon yapısı kişiden bağımsız ve sistemi sınırları tanımlanmış olmalıdır. Bunun yanında konfigürasyon yapısı yeri geldiğinde ürün tasarım uzmanlığının ötesinde ortaya çıkabilecek konfigürasyon problemlerine de cevap verebiliyor olmalıdır [5]. Ürün varyant konfigürasyonu temel olarak birbiriyle ilişkili olan parçalar arasındaki ilişkiyi tanımlayan bir ürün yapısı yönetim modeli şeklidir. Bu sistem modeli nihai ürün için kullanılan parçaları tanımlayarak bir ürün için etkin bir tasarım sürecine imkân sağlar. Ürün varyant konfigürasyon sistemi ERP' nin diğer modülleriyle en sık ve etkin kullanılan bir sistemdir [6]. Ürün çeşitliliği fazla olan, yüksek adetlerde üretim yapılan ve binlerce bileşenden meydana gelen ürünlerin üretildiği üretimlerde ürün karmaşıklığını azaltmanın en etkili yöntemlerinden birisi ürün yapılarının modüler bileşenlerden oluşmasını sağlamaktır. Özellikle tasarım sürecindeki modüler konfigürasyon yapısının oluşturulması esnek üretim sistemlerinde daha düşük maliyet oluşmasına imkân sağlar [7]. Varyant konfigürasyon sistemi ürün ile ilgili tüm süreçlerde ürün için doğru seçimin elde edilmesini, satış sürecinde kolay seçim yapılmasını, daha hızlı ve anlaşılır bir iletişim kurulmasını ve üretim için doğru parça seçimini sağlar. Parça listelerini azaltır ve sipariş sürecini hızlandırır. Yönetilebilir ve şeffaf bir kontrol yapısı sağlar ve bilgi karmaşasını azaltır [8]. Varyant konfigürasyon yapısı karmaşık ürün yapılarının tek bir merkezden daha hızlı ve etkin bir biçimde yönetilmesi için geliştirilmiş olmasına rağmen PDM sistemleri gibi CAD/CAM ortamındaki verilere direk bağlanamamaktadır. Varyant ürün ağaçları üründeki değişkenlikleri modellemesi için geliştirilmiş olmasına karşın CAD/CAM sistemlerindeki verilere bağlı olarak çalışamamaktadır. Bu sorunun çözümü için, farklı veri
SAÜ Fen Bil Der 19. Cilt, 2. Sayı, s. 187-196, 2015
Ürün Varyant Konfigürasyon Yönetiminin Ürün Ağacı Ve Hataları Üzerindeki Etkilerinin İncelenmesi
kaynaklarındaki verileri gerçek zamanlı kullanabilecek nesne tabanlı ürün ağaçları geliştirilmiştir. Genellikle ürün ağacı verileri kayıt tabanlı bilgi modelinde kullanılan ilişkisel bir veri tabanında saklanır. Özellikler ilişkisel ürün ağacı verilerinin performansını sınırlandırır. Bu sınırlandırma daha çok geniş bilgi sistemlerine sahip işletmelerde daha belirgindir [9]. Bir işletme müşteriye özgü çözümler sunmak için mümkün olan tüm seçenekleri ortaya koymaya ihtiyaç duyar. Her ne kadar varyant ürünleri bir katalog olarak müşteriye sunulmuş olsa da burada aslında binlerce varyanttan söz edilebilir ve bu her bir müşteri ihtiyacına cevap verebilecek ürünleri içerir. Burada varyant konfigürasyon yapısının sağlıklı oluşturulması ticari olarak ta başarıyı getirir [10].
F. Karayazı, İ.H. Cedimoğlu
Şekil 1’de ürün konfigürasyonu genel yapısı gösterilmektedir. Müşteri, Satış, Tasarım ve Mühendislik çalışmaları sonucu ürün konfigürasyonuna ait genel kısıtlar ve şartlar belirlenmektedir. Bu şart ve kısıtlar konfigürasyonun teknik olarak oluşturulması için temel girdi teşkil etmektedir. Oluşturulan şart ve kısıtlar tasarım ve mühendislik birimlerince değerlendirilerek konfigürasyonun teknik olarak fonksiyonları ve fiziksel yapısı tanımlanır. Ürün konfigürasyonu tanımlaması yapıldıktan sonra bu verilere göre ürün varyant yapısı oluşturularak ürün ağacı sürecinin tanımlanması sağlanır. Daha sonra ürün konfigürasyon sistemi içerisinde müşteri taleplerine göre ürün konfigürasyon fonksiyonelliği kullanılarak seçim yapılır. Tanımsız bir varyant talebi satış, tasarım ve mühendislik tarafından değerlendirilerek konfigürasyon değişiklik sistemi kullanılarak ürün konfigürasyon yapısı güncellenir.
Sembugamoorthy and Chandrasekaran (1992) kompleks ürünlerin anlaşılmasını sağlamak için fonksiyonellik modeline ihtiyaç olduğunu ortaya koymuşlardır[11]. Ürün fonksiyonelliğini tanımlamak için ürünün ne olduğunu ve ürün bileşen ilişkisinin tanımlanmasına ihtiyaç vardır [2]. Konfigürasyon tasarım aşamasında ürün fiziksel ve fonksiyonel özellikleri göz önünde bulundurularak kabaca gruplandırılabilir. Ürünlerin fonksiyonel olarak modellenebiliyor olması varyant konfigürasyon yaklaşımının oluşturulmasında ön koşullardan birisidir. Bu durum iki yönden ele alınmalıdır; Özel bir uygulama durumunda ürün fonksiyonelliği modellenebilmelidir, Bir ürünün fonksiyonelliği ve yapısı arasında ilişki olduğu kabul edilmelidir. Konfigürasyonda fonksiyonların tanımlanması ve bu fonksiyonların ilişki yapısının kurulması en temel unsurlardan birisidir. Bir işletme için konfigürasyon veri modelinde fonksiyonların tanımlanması aşağıdaki avantajları sağlar [2]; Belli bir ürünün aranmasında rehber görevi üstlenir, Problemlerin detaylı ayrıştırılmasında kullanılabilir, Belirli bir fonksiyonun uygulanabilmesi için tüm parçaların bulunmasını sağlar, Bir fonksiyonun gerçekleştirilmesi için ortaya konması gereken tüm kısıtlamaları formüle etmeye imkân sağlar.
SAÜ Fen Bil Der 19. Cilt, 2. Sayı, s. 187-196, 2015
Şekil 1. Ürün Konfigürasyon Model Yapısı (The Structure of Product Configuration Model )
3. VARYANT KONFİGÜRASYONDA ÜRÜN AĞACI MODELİ (BILL OF MATERIAL MODEL IN VARİANT KONFİGURATION) Ürün ağacı, ürünü oluşturan tüm bileşenleri ve bu bileşenlere ait üretim verilerini içeren ve bu özelliğiyle üretimin en temel yapısını oluşturan ve ERP sistemlerinin diğer modülleriyle etkileşim içerisinde olan yapılardır. Üretim sürecinin temelini oluşturması nedeniyle ürün ağacı yapısının esnek ve hızlı oluşturulabilir bir biçimde tasarlanması gerekir. En temel ürün konfigürasyon seviyesi; müşteriye seçiminin adım adım değer girişi yaptırarak yönlendirilmesini sağlayan satış konfigürasyon yapısıdır. Bu seçim prosesi doğru konfigürasyon ürününün konfigürasyon sistemi üzerinde bulununcaya kadar devam etmesini sağlar ve ürün bulununca sonlanır. Ürün konfigürasyonu teknik kısıtlar ve izin verilen müşteri 189
F. Karayazı, İ. H. Cedimoğlu
talep kısıtlarını içeren; bu kısıtların tanımlanması ile sistem üzerinde ürüne ait ürün ağacı bilgilerinin otomatik oluşturulmasını sağlayan ve bunları üretim süreçlerinde uygulayan bir yapıdır. Ürün konfigürasyon modeli; mümkün olan değerleri içeren özellikler ailesinin tanımlandığı parametrelerin bağlantılar yardımıyla ilişkilendirildiği gelişmiş bir yapıdır [12]. Varyant konfigürasyon yönetim bir çeşit modeli birleştirilmiş veri yönetim modeli olarak düşünülebilir. Bu model ürün yaşam döngüsü sistemini temel alan bir sistemdir. Model karmaşık ve geniş ürün yelpazesi içerisinde benzer ürünlerin bir araya getirilmesini sağlar. Böylelikle tasarım ve ERP sisteminin etkin uyumu sağlanır [13]. Ürünler arası bileşen farklılığı nedeniyle her ürün için ayrı ürün ağacı oluşturma zorunluluğu MRP süreçlerinde ve buna bağlı olarak üretim süreçlerinde gecikmelere neden olmaktadır. Bu doğrultuda Kashkoush ve ElMaraghy bu durumu göz önünde bulundurarak ürün ağacı verilerini benzer ürün ağaçlarından elde etmek için bir çalışma yapmışlardır. Bu çalışma ile işlem planları ve tasarıma dayalı bazı veriler otomatik elde edilmiştir [14]. Ürün ağacı verilerinin tasarım ortamından ERP ortamına aktarılmasının yazılım aracılığı ile otomatik olarak yapılması ürün ağacı oluşturma süresini ortadan kaldırarak MRP ve diğer süreçleri kısaltacaktır. Böylelikle üretim ve sipariş planlamada gecikmeler ortaya çıkmayacaktır. Ürün varyant konfigürasyon yönetimi bu doğrultuda geliştirilmiştir. Varyant, ürünün karakteristik özelliklerini temsil edebilmek için her parametrenin değerini bir dizi olarak saklayan yapıdır [4]. Şekil 2’de Varyant konfigürasyon modeline göre oluşturulan bir ürünün modele göre bileşen yapısı gösterilmiştir. Çalışmada model olarak SAP ERP sistemi varyant konfigürasyon modeli ele alınmıştır. Daha öncede belirtildiği gibi varyant konfigürasyon daha az ürün ağacı ile daha çok ürün yapısının sistem tarafından otomatik oluşturulmasını sağlar. SAP varyant konfigürasyon modelinde varyant konfigürasyonun genel ürün ağacı ve rotalama, konfigürasyon profili, karakteristik, varyant sınıfı ve nesne bağlantıları bileşenlerinden faydalanılır. Varyant ürün ağaçlarında benzer özelliklere sahip mamuller (varyant malzemesi) için bir tane genel ürün ağacı ve bu ürün ağacında yer alan bileşenlere tanımlı tek bir rota bilgisi oluşturmak yeterlidir. Bu durum mamul ürün ağacı oluşumunda esnek bir yapı sağlar. Varyant ürünleri öncelikle ERP sisteminde hem ana veriler (parça kod, tanım, tedarik şekli vb bilgi alanları) hem de MRP parametre alanlarında konfigüre edilebilir ürün olarak tanımlanır. Varyant ürününü tanımlayan özellikler ve özelliklere ait değerler varyant sınıfı 190
Ürün Varyant Konfigürasyon Yönetiminin Ürün Ağacı Ve Hataları Üzerindeki Etkilerinin İncelenmesi
içerisinde tanımlanır. Varyant sınıfı içerinde saklanan varyant ürünü özellik bilgileri varyant konfigürasyon profili içerisinde genel ürün ağacı ile ilişkilendirilir. Daha sonra genel ürün ağacında pek çok varyant ürünü bileşenini içeren genel ürün ağacı yapısında nesne bağlantıları yardımı ile varyant ürünü ve genel ürün ağacı bileşeni formül oluşturularak bağlantı gerçekleştirilir. Genel ürün ağacı ve varyantın diğer bileşenleri arasındaki ilişkilendirmeler tamamlanarak ilgili varyant ürününün ürün ağacı sistem tarafından otomatik olarak oluşturulur. Konfigürasyon bileşenler arasındaki ilişki bağlantılar ile oluşturulur. Bu ilişkiler yapılacak bağlantının tipine göre prosedür, koşul veya kısıtlarla gerçekleştirilir. Örneğin ürünle ilgili fiyat bilgisi tanımlanmak istendiğinde prosedür bağlantı tipi kullanılır aynı şekilde herhangi bir varyant ürünü için bir karakteristik değerine göre seçimi yapılması istenen bir ürün ağacı bileşeni için seçim koşulu bağlantı tipi kullanılır. Operasyon tanımlamaları ana ürün ağacı üzerinde bileşene seçim koşulu bağlantısı girilerek gerçekleştirilir. Operasyonlar için istenildiği durumlarda proses sayfaları, makine atama ve üretim ekipmanlarının sistem üzerinde ilişkilendirilmesi de mümkündür. Bağlantılar izin verilen karakteristiklerin seçim kombinasyonlarını sınırlandırırlar. Aynı zamanda bir varyantın üretilmesi için ürün ağacında doğru bileşenin ve doğru operasyonun seçiminin yapılmasını sağlar. Bağlantılar aynı zamanda karakteristiklerle karakteristik değerleri arasındaki karşılıklı bağlantıyı tanımlar. Görev listesinden hangi operasyonun seçildiğini ve ürün ağacından hangi bileşenin seçildiğini kontrol eder. Konfigürasyon süresince operasyonlar ve ürün ağacındaki kalemlerde alan değerlerinin değiştirilmesini de sağlarlar [1,3]. Çok seviyeli ürün ağacı kalemleri ve miktarları için de aynı durum söz konusudur. “Çok seviyeli” esnek yapılandırma olarak adlandırabileceğimiz bu yapıda; her bir kademedeki malzemenin ürün ağacına, olabilecek tüm bileşenler bağlanılmaktadır [15]. Her siparişe özgün yarı mamul, müşteri siparişinde girilen karakteristik değerlerine göre otomatik seçtirilmekte ve yarı mamul kademelerindeki malzemelerde de çok seviyeli olarak o siparişe özgü konfigüre edilmektedir. Yarı mamul gereksinimleri en üst kademedeki sipariş miktarına göre belirlenip ihtiyaç planlaması yapılabilmektedir [16]. Oluşturulan ürün yapıları tanımlanan karakteristik ve karakteristik değerlerini bağlantılar, sınıf ve profil tanımlamalarıyla birbiriyle ilişkilendirilir ve her ürün yapısı bu tanımlamalara göre birbirinden bağımsız olarak oluşur [8]. Karakteristik tanımlamaları varyant sınıfı içerisinde tanımlanır. Karakteristik konfigüre edilebilir bir malzemenin özelliklerini tanımlamada kullanılır. Konfigürasyon malzemesinde karakteristik kullanımını mümkün kılmak için malzemeye sınıf tipi atanmalıdır. SAÜ Fen Bil Der 19. Cilt, 2. Sayı, s. 187-196, 2015
Ürün Varyant Konfigürasyon Yönetiminin Ürün Ağacı Ve Hataları Üzerindeki Etkilerinin İncelenmesi
F. Karayazı, İ.H. Cedimoğlu
Müşteri her bir karakteristik için farklı opsiyonlar arasından seçim yapabilir [17]. Bir malzemenin konfigürasyon profili satış siparişlerinde konfigürasyon süreçlerini kontrol eder. Konfigürasyon profili aynı zamanda konfigüre edilen bir nesnenin tek bir merkezden düzenlenmesini tanımlamak içinde kullanılır. Bu profilin kullanılması karakteristik oluşturulması esnasında tanımlanan karakteristik değerlerinin gizlenmesini de mümkün kılar [17]. Varyant konfigürasyonda sınıf konfigüre edilen malzemelerin karakteristik bilgilerini saklamak için kullanılır. Konfigüre edilen malzemeyi sınıfa bağlayarak sınıf karakteristiklerinde kullanılacak olan konfigürasyon malzemelerine izin verilmiş olunur [18]. Ürün varyant konfigürasyon uygulamasında farklılaşan her ürün için bir malzeme ve ürün ağacı yapısı oluşturmaya gerek yoktur. Mümkün olan tüm varyant ve operasyonların ortaya konması için genel ürün ağacı ve genel rotalama yeterlidir [19]. Şekil 2’de varyant konfigürasyon yapısı bileşenlerinin birbirleriyle olan ilişkileri E-R diyagramı olarak belirtilmiştir.
Şekil 3. Bisiklet ürün bileşen yapısı (The component structure of a bike product)
Genel süreç işleyişi aşağıdaki şekilde özetlenebilir; Ana ürün ağacı, bileşenler, varyant ürün kodları malzeme ana veri kayıtları ilgili parametre değerlerine göre tanımlanır. Örneğin ana ürün ağacı ve varyantlar sisteme mamul, bileşenler ise stok kalemi olarak tanımlanır. Ana ürün ağacı ile bileşenler hiyerarşik olarak ilişkilendirilir, yani ürün ağacı tanımlanır. Ürün karakteristik kodları ilgili parametre değerlerine göre tanımlanır. Ürün gruplarına ait sınıf kodları tanımlanır ve bu sınıflara ait karakteristikler sınıfa bağlanır. Varyant ürün kodlarının konfigüre edilebilmesi için sınıflandırma tanımlaması yapılır. Yani varyant ürün ağacı için hangi ana ürün ağacının referans alınacağı varyant kodunun ana kaydında tanımlanır. Konfigürasyon profilinde hangi ana ürün ağacından hangi varyant ürünleri hangi parametrelere göre tanımlanacağı belirlenir. Örneğin B ana ürün ağacından V1 varyant ürünün türetileceği sistem üzerinde belirtilir, bu işlem sırasında V1 için ürün ağacı açılım seviyesi ve MRP parametre değerleri tanımlanır.
Şekil 2. SAP Varyant konfigürasyon modeli varlık ilişkisi diyagramı (The E-R diagram of SAP variant configuration model)
4. BİSİKLET ÖRNEĞİ (THE BICYCLE SAMPLE) Bu uygulamada bir bisiklet ürün yapısı ele alınmaktadır ve varyant konfigürasyon modeline göre ürün ağacı yapısının nasıl oluşturulacağı anlatılmaktadır. Şekil-3 bir bisikleti oluşturan bileşenlerin yapısı gösterilmektedir. Müşteriye 4 ana model sunulmaktadır ve bu ana modellere ilaveten müşteri isteğine bağlı olarak istenen modele konfor paketi de eklenebilmektedir. Her model bir varyantı temsil etmektedir. SAÜ Fen Bil Der 19. Cilt, 2. Sayı, s. 187-196, 2015
Ana rota ve operasyon listesi kod verilerek ana ürün ağacına benzer şekilde tanımlanır. Ana ürün ağacında tanımlı bileşenlere bağlantı koşulu girilerek hangi bileşenin hangi varyant ürünü için seçileceği tanımlanır. Herhangi bir koşul girilmeyen bileşen ana ürün ağacının konfigürasyon profilinde belirtildiği tüm varyant ürünleri için geçerli olduğu anlamına gelir. Bağlantı ana ürün ağacındaki bileşen seçimi için kısıt teşkil eder.
191
F. Karayazı, İ. H. Cedimoğlu
Varyant ürün ağacı konfigürasyon profili tanımlaması, varyanta tanımlı sınıf ve bu sınıf altında yer alan karakteristik ve değerleri ile ana ürün ağacındaki bağlantı seçim koşullarının etkileşimi sonucunda sistem üzerinde otomatik olarak oluşturulur. Tablo 1’de modelimizde de belirttiğimiz gibi 4 ayrı modeli içeren bir ana ürün ağacı bileşen listesi verilmiştir. Örnekte ürün ağacı 2. seviyeden oluşturulmuştur, 1.seviye bileşenin yer aldığı ana grubu göstermektedir. Bu grup üretim ve MRP süreçlerinde dikkate alınmayan mühendislik ürün ağacı yapısına göre oluşturulmuş fantom(hayali) stok kalemi kodlarından oluşmaktadır. Ana ürün ağacında seçim koşulları 2. seviyedeki bileşenlere tanımlanmıştır. Böylelikle varyant ürün ağacı sistem tarafından otomatik oluşturulurken 2.seviyedeki bileşenler dikkate alınmaktadır. Bu bileşenler öncelikle sistemde ana veri kayıtları oluşturularak tanımlanır daha sonra ana ürün ağacı kodu sistemde tanımlanarak bileşenler bu kod altına bağlanır. Örnekte ana ürün ağacına B kodu verilmiştir. Bu ana ürün ağacından varyant konfigürasyon uygulanarak sistem tarafından otomatik oluşturulacak olan varyant ürünlerinin hangi koşullara göre oluşturulacağı ile ilgili bağlantı kuralları da ürün ağacı listesinde son sütunda belirtilmiştir. Bu işlemi yaparken varyant ürüne tanımlı olan karakteristik ve bu karakteristiğin aldığı değer dikkate alınır. Bileşenlere bağlantı girilmiş ise bu bileşen yalnızca belirtilen karakteristiğin kaynak kodunda geçen değeri için ilgili varyant ürününde seçilir, aksi durumlarda seçilmez. Örneğin V10 kodlu bileşen yalnızca STP karakteristiğinin ‘var’ değerinin tanımlı olduğu V1 varyantı için geçerli olur. Eğer bir bileşene herhangi bir bağlantı koşulu girilmez ise o bileşen ana ürün ağacının tanımlı olduğu tüm varyant ürünleri için geçerli olur. Tablo-1:Bisiklet ana ürün ağacı listesi ve bağlantı koşulları(The BOM list of the bicycle and dependency conditions) A Sv Bileşen Seçimi d Kod Tanımı e y. Koşulu t .1 V1 Vites Gr. 1 Eğer STP = 'Var' ise ..2 V10 10 vites kmp. 1 seç ..2 V12 12 vites kmp. 1 Eğer GP = 'Var' ise seç ..2 V17 17 vites kmp. 1 Eğer DP = 'Var' ise seç ..2 V21 21 vites kmp. 1 Eğer SP = 'Var' ise seç ..2 M1 Montaj resmi 1 ..2 KS1 Koruma sacı 1 ..2 P1 Pin1(V21) 2 Eğer SP = 'Var' ise seç ..2 C1 Cıvata 4 ..2 P2 Pul 8 .1 KB1 Ön-Arka Tk. 1 ..2 DKB Kontrol barı1 1 Eğer DP = 'Var' ise seç Eğer STP = 'Var' ise ..2 SKB Kontrol barı2 1 seç ..2 L1 Logo 1
192
Ürün Varyant Konfigürasyon Yönetiminin Ürün Ağacı Ve Hataları Üzerindeki Etkilerinin İncelenmesi ..2
T1
Bar tutamağı
2
..2 ..2 ..2 ..2
T2 UB1 AB1 AF1
2 1 1 1
..2
DT1
..2
DT2
.1
TG
Bar Tutamağı Üst boru Alt boru Arka Fren kmp. Dişli takım kmp.(17-21 vites) Dişli takım kmp.(standart) Tekerlek grubu
..2
AJ
Alüminyum Jant
1
..2
ÇJ
Çelik Jant
1
..2
DT
Dar Teker
1
..2
GT
Geniş Teker
1
..2 ..2
C2 P3
Cıvata Bağlantı Pulu
..2
M3
Parlatıcı (Çelik Jant )
.1
S1
4 4 0 , 2 1
..2
G1
..2 ..2 ..2
G2 G3 E1
..2
KP1
..2
KP2
..2
SD1
Sele komple Sele gözü (Standart ve Gezi) Sele gözü (Spor) Sele gözü (Dağ) Tutamak Kaplama(Tip 3 göz)
1 1
Eğer KP = 'Yok' ise seç Eğer KP = 'Var' ise seç
Eğer SP veya DP = 'Var' ise seç Eğer STP veya GP = 'Var' ise seç
2
1 1 1 2
Eğer STP veya GP = 'Var' ise seç Eğer SP veya DP = 'Var' ise seç Eğer STP veya GP = 'Var' ise seç Eğer SP veya DP = 'Var' ise seç
Eğer KP = 'Yok' ise seç Eğer STP veya GP = 'Var' ise seç Eğer SP = 'Var' ise seç Eğer DP = 'Var' ise seç
2
Eğer DP = 'Var' ise seç
Kaplama
2
Eğer DP = 'Yok' ise seç
Sele direği
1
Tablo 2’de rotalama ve operasyon listesi verilmektedir. Operasyonlar modelimizde de görüldüğü gibi ana ürün ağacına tanımlanır ve hangi varyant ürünü için hangi operasyonun geçerli olacağı yine bağlantı seçim koşulu kullanılarak belirlenir. Girilen bağlantı seçim koşuluna göre varyant üründe geçerli olan operasyonlar listesi ve buna bağlı olarak varyant ürünün üretim zamanı sistem tarafından otomatik oluşturulur. Tablo 2: Rotalama ve operasyon tablosu (Routing and operation table)
Rota Kodu
Öncül
Opr.
Opr. Kodu
Opr. tanımı
'Hat1
0001
Dağ bisiklet mnt.
20
'Hat1
0002
Spor bisiklet mnt.
18
'Hat1
0003
Gezi bisiklet mnt.
15
Rota kodu
süresi
(dk)
Seçim Koşulu Eğer DP = 'Var' ise seç Eğer SP = 'Var' ise seç Eğer GP = 'Var' ise seç
SAÜ Fen Bil Der 19. Cilt, 2. Sayı, s. 187-196, 2015
Ürün Varyant Konfigürasyon Yönetiminin Ürün Ağacı Ve Hataları Üzerindeki Etkilerinin İncelenmesi
'Hat1
0004
'Hat2
'Hat3
0005
'Hat3
'Hat1
0006
'Hat4
'Hat1
0007
'Hat5
'Hat4
0008
Standrt bisklt. mnt. Arka boru mnt Ön boru mnt Arka fren mnt Son mnttamaml .
'Hat6
'Hat5
0009
Kaplam a işlem-1
'Hat6
'Hat5
0010
Kaplam a işlem-2
Eğer STP = 'Var' ise seç
13
6
8
12
5
6
7
Eğer DP = 'Var' ise seç Eğer DP = 'Yok' ise seç
Tablo 3’te varyant ürünlerin tanımlandığı karakteristik bilgileri verilmiştir. Ürüne ait özellikler bu tabloda yer alır. Karakteristikler değerlerden oluşmaktadır. Varyant ürününe ait ürün ağacı varyanta tanımlanan karakteristik ve bu karakteristiğin aldığı değere göre bağlantı koşulu girilerek oluşturulur. Ürüne ait karakteristikler belirlendikten sonra bu karakteristikler bir sınıf altına tanımlanır. Sınıf varyant ürün ana veri kaydına girilir. Böylelikle varyant ürünün hangi karakteristiklerden oluşabileceği sistem üzerinde tanımlanmış olur. Örnekte SP, DP ve KP karakteristikleri SNF1 sınıfı altına tanımlanır. SNF1 sınıf kodu da V1 varyant ürünü ana verilerinde tanımlanır. Böylelikle V1 ürünü için hangi karakteristiklerin geçerli olduğu belirlenmiş olur. Tablo-3: Karakteristik tablosu (Characteristic table)
Krktr kodu SP STP DP GP KP
Krktr tanımı Spor paketi Standart paket Dağcılık paketi Gezi Paketi Konfor paketi
Krktr değere Var,Yok Var,Yok
Krktr. tipi Metin Metin
Var,Yok
Metin
Var,Yok Var,Yok
Metin Metin
SAÜ Fen Bil Der 19. Cilt, 2. Sayı, s. 187-196, 2015
F. Karayazı, İ.H. Cedimoğlu
Tablo 4’te varyant ürünlerinin karakteristik bilgilerinin saklandığı sınıf kodları ve bu sınıf kodlarına tanımlı karakteristik kodları gösterilmiştir. Buna göre SNF1 sınıfı için SP, DP ve KP karakteristikleri tanımlanmıştır. Bu tanımlama yapılarak sınıf, karakteristik ve varyant ürün arasındaki bağlantı kurulmuş olur. Örneğin V1 varyant ürününe SNF1 sınıf tanımlaması yapılarak V1 ürünün yalnızca SP, DP, KP karakteristik değerlerine sahip olan bileşenlerden oluştuğu bunun dışındaki karakteristiklerin bu ürün için tanımlanamayacağı dolayısıyla ürün ağacı bileşenlerinde bağlantı kodu seçim koşulu girilemeyeceği noktasında bir sınırlandırma yapılmış olur. Buda sistemin etkinliğini artırır. Örneğin V1 ürünü için STP karakteristiği ile ilgili bir bağlantı seçim koşulu oluşturulamaz bu durumda sistem hata verir ve ilgili karakteristiğin SNF1’e tanımlanması istenir. Tablo-4: Sınıf tablosu (The class table)
Sınıf kodu SNF1
Sınıf tanımı Özel model
SNF2
Normal model
Karakteristik Kodu SP DP KP STP GP KP
Tablo 5’te sistem tarafından B ana ürün ağacından otomatik oluşturulacak olan varyant ürünlerinin sınıf, karakteristik ve karakteristik değerleri gösterilmektedir. Örneğin V3 varyant ürünü için SNF1 sınıfı koduna tanımlı olan DP ve KP karakteristikleri tanımlanmıştır. V3 için bir bileşen seçimi girilen bağlantı değerinin “yok” olarak tanımlandığı seçim koşullarında geçerlidir. Tablo-5: Varyant ürün tablosu (Variant product table)
Vryn.
kodu V1
Vryn. tanımı
Krktr. kodu
Krktr. dğr.
Sınıf kodu
Varyant ürün 1
SP
Var
SNF1
KP STP
Var Var
SNF2
KP DP
Var Var
SNF1
KP STP
Yok Var
SNF2
KP
Yok
V2
Varyant ürün 2
V3
Varyant ürün 3
V4
Varyant ürün 4
Örnek çalışmaya sonuç olarak bakıldığında varyant konfigürasyon modeli yerine standart ürün ağacı tanımlaması yapılmış olması durumunda her ürüne ait 193
F. Karayazı, İ. H. Cedimoğlu
farklılaşan bileşen için yeni bir ürün ağacı oluşturmak yeni rota ve operasyonlar girmek gerekecektir. Böylece ürün yapısı karmaşık ve yönetilmesi zor bir durum elde edilmiş olunacaktır. Varyant konfigürasyon modeli yapısına göre ürün yapısı oluşturulduğunda tek bir ürün ağacı ile pek çok varyant ürününe ait ürün ağacı modeldeki tanımlamalara göre sistem tarafından otomatik olarak elde edilmiş olacak ve merkezi bir kontrol sağlanacaktır, böylelikle yeni ürün ve mevcut ürün değişikliklerin de kolaylık sağlayarak karmaşıklık ve hataları azaltacaktır. Özellikle otomotiv gibi binlerce bileşen ve yüzlerce varyant ürününden oluşan çok büyük sistemler düşünüldüğünde bu modelin önemi daha da artmaktadır. 5. VARYANT KONFİGÜRASYONUN ÜRÜN AĞACI HATALARI ÜZERİNDEKİ ETKİLERİ (THE EFFECTS OF VARIANT CONFIGURATION ON THE BOM FAULTS) Her ürün için ayrı ürün ağacı oluşturulmasının meydana getirdiği karmaşık ürün ağacı yapısı mühendislik değişiklik yönetimini de olumsuz yönde etkileyerek oluşturulan yeni ürün bileşen seçimlerinde hata yapılmasına buda ürün ağacı hatalarının oluşmasına neden olmaktadır. Hatalı ürün ağaçları MRP süreçlerine girerek yanlış parça siparişlerinin oluşmasına ve atıl stok oluşmasına veya eksik parça nedeniyle hat duruşu gibi işletmeye maliyet olarak yansıyan durumların oluşmasına neden olmaktadır. Bu bölümde varyant konfigürasyon ürün yapısının ürün ağacı hataları üzerindeki etkisi ticari araç (MinibüsOtobüs vb.) üretimi yapan bir firmanın 2011 yılı Haziran ayından itibaren tespit edilen ürün ağacı hatalarının varyant konfigürasyon uygulaması öncesi ve sonrasındaki karşılaştırması T-test istatistik analiz yönteminden faydalanılarak değerlendirilmiştir. Firma Minibüs ve 7,5 mt den 18 mt ye kadar uzunluğa sahip çeşitli boy ve modellerde otobüs üretimi yapmaktadır. Varyant konfigürasyon modeli uygulaması öncesinde firma benzer modellere ait varyant araçların ürün ağaçları birbirinden türeterek varyant araç ürün ağaçları oluşturulmaktaydı. Her varyant için ayrı ürün ağacı oluşturulması, çoklu ve bağımsız yapıdaki ürün ağaçlarının kontrol zorluğu ve mühendislik değişiklik yönetiminde değişikliklerin ilişkilendirilememesi hataların sürekli olarak artmasına neden olmaktadır. Firma üretimde tespit edilen ürün ağacı hatalarını 2008 yılı sonlarından itibaren kurduğu bir sistem üzerinde kayıt altına almakta ve takip etmektedir. Mevcut durum için bir çözüm olarak firma kullandığı SAP ERP paketinin varyant konfigürasyon modülünü uygulamaya almış ve ürün yapısını bu modül üzerinde oluşturmaya başlamıştır. Böylelikle daha az ürün ağacı oluşturarak merkezi bir ürün yapısı ile daha fazla varyant ürün ağacı 194
Ürün Varyant Konfigürasyon Yönetiminin Ürün Ağacı Ve Hataları Üzerindeki Etkilerinin İncelenmesi
yönetimine geçilmiştir. Bu durumda ürün ağacı hatalarında göreceli bir azalmaya neden olmuştur. Örnek çalışmamızda ise bu göreceli değişikliğin fiili değerler ele alınarak T test yöntemi ile karşılaştırması yapılmıştır. T-Test; hipotez testlerinde en yaygın olarak kullanılan yöntemdir. T testi ile iki grubun ortalamaları karşılaştırılarak aradaki farkın rastlantısal mı, yoksa istatistiksel olarak anlamlı mı olduğuna karar verilir. Biz örneğimizi T-test tekniğinin “ortalamalar için iki örnek” metodunu uygulayarak sonuçları değerlendireceğiz. Test sonucundaki ortalama farkı ve iki uçlu P değerine bakacağız. P değeri testimiz için 0,05 olarak alınmıştır, eğer sonucumuz 0,05 ten küçük ise varyant konfigürasyon uygulamasının hata bildirim adetlerini düşürmede etkili olduğunu söyleyebiliriz. Fakat bunun diğer değişken olan varyant âdetinin de T-test sonuçları değerlendirmesine bakarak yorumlamak daha doğru olacaktır. Bu durum da eğer varyant adetlerinin T-testi sonuçlarında ortalama arası fark ve iki uçlu P değerinin 0,05 ten büyük olması durumunda varyant konfigürasyonun ürün ağacı hataları üzerindeki etkisinin pozitif olarak etkili olduğunu söylenebilir. Örnekte varyant konfigürasyon öncesi ve sonrası her grup için 19 örnek sonuçları dikkate alınmıştır. Firma varyant konfigürasyon uygulamasına 2013 yılı itibariyle geçmiş ve ürün yapısını buna göre oluşturmuştur. 2013 yılı öncesinde ise her farklı varyanta sahip araç için ayrı bir ürün ağacı oluşturulmuştur. Örnek çalışma için 2011 Haziran ayından 2014 Temmuz ayına kadar geçen sürede tespit edilen ürün ağacı hataları dikkate alınmıştır. Örnekte üretilen varyant sayısı arttıkça ürün ağacı hata sayısının da arttığı varsayılmaktadır, bu nedenle örnek çalışmada ilgili ay içerisindeki üretilen varyant sayısı da dikkate alınmıştır. Tablo 6’da belirtilen dönemlerde üretim esnasında tespit edilen hatalar ve yine ilgili dönem içindeki üretilen varyant âdeti dönemlere göre verilmiştir. Örneğin 201208 satırı bize 2012 yılı Ağustos ayında toplam 56 hata tespit edildiğini ve bu ay içerisinde toplamda 25 farklı varyant ürününün üretildiğini göstermektedir. Biz T-test yöntemini kullanarak varyant konfigürasyon öncesi ve sonrasındaki hata adetlerinin varyant âdeti değişmemesine hatta artmasına rağmen hata adetlerinin belirgin şekilde azalıp azalmadığını test edeceğiz. Eğer varyant sayısı değişmemesine ya da azalmamasına karşın hata adetlerinde düşüş var ise bu durumda varyant konfigürasyon modelinin ürün ağacı hatalarının azaltılması noktasında etkin bir yöntem olduğu yorumu yapılabilir.
SAÜ Fen Bil Der 19. Cilt, 2. Sayı, s. 187-196, 2015
Ürün Varyant Konfigürasyon Yönetiminin Ürün Ağacı Ve Hataları Üzerindeki Etkilerinin İncelenmesi Tablo 6: Varyant konfigürasyon modeli öncesi ve sonrasındaki hata ve üretilen varyant adetleri (The units of fault and variant before and after variant configuration model)
Vrynt.Konf. Öncesi Dönem Hata Vrynt adt. adt. 201106 112 25 201107 144 35 201108 75 34 201109 118 39 201110 124 32 201111 87 26 201112 169 26 201201 55 18 201202 98 21 201203 57 28 201204 59 22 201205 101 21 201206 44 21 201207 51 20 201208 56 25 201209 97 31 201210 95 35 201211 75 28 201212 103 19
Vrynt .Konf. Sonrası
Dönem 201301 201302 201303 201304 201305 201306 201307 201308 201309 201310 201311 201312 201401 201402 201403 201404 201405 201406 201407
Hata adt. 86 87 72 66 84 74 105 68 76 21 28 58 23 98 30 44 19 53 21
Vrynt adt. 27 29 36 33 34 25 31 20 29 26 27 22 16 28 24 33 27 29 22
Örnek çalışmada önce varyant konfigürasyon öncesindeki hata adetleri ile varyant konfigürasyon sonrasındaki hata adetleri T testine göre karşılaştırılmıştır. Tablo 7’de Varyant konfigürasyon öncesi ve sonrasındaki hata değerleri verilmiştir. Tablo 8’de ise ilgili ay içerisinde üretilen varyant ürün adetlerinin varyant konfigürasyon öncesi ve sonrasındaki adetlerine göre T-test sonuçları test edilmiştir. Tablo 7: Hata adetleri karşılaştırması T-test sonuçları (The results of T-test for comparison of fault units)
t-Test:Ortalamalar için iki örnek Vrynt.Knf. Öncesi Hata Adeti Ortalama 90,52631579 Varyans 1140,596491 Gözlem 19 Pearson 0,522095421 Kolerasyonu Öngörülen 0 Ort.Farkı df 18 t stat 4,532782784
Vrynt.Knf. Sonrası Hata Adeti 58,57894737 801,8128655 19
SAÜ Fen Bil Der 19. Cilt, 2. Sayı, s. 187-196, 2015
F. Karayazı, İ.H. Cedimoğlu
P(T<=t) tek uçlu t Kritik tek uçlu P(T<=t) iki uçlu t Kritik iki uçlu
0,000128844 1,734063592 0,000257687 2,100922037
Tablo 7’de test sonuçlarına bakıldığında varyant konfigürasyon öncesi hata adetleri ortalaması arasında dikkate değer bir fark olduğu aynı şekilde iki uçlu P değerinin de 0,05 ten küçük olduğu görülmektedir Tablo 8: Varyant ürün adet karşılaştırması T testi Sonuçları (The result of T test for comparison of variant Product Units)
t-Test:Ortalamalar için iki örnek Vrynt.Knf. Öncesi Hata Adeti Ortalama 26,631157895 Varyans 38,80116959 Gözlem 19 Pearson 0,697345384 Kolerasyonu Öngörülen 0 Ort.Farkı df 18 t stat -0,608511063 P(T<=t) tek uçlu 0,27522557 t Kritik tek uçlu 1,734063592 P(T<=t) iki uçlu 0,550451141 t Kritik iki uçlu 2,100922037
Vrynt.Knf. Sonrası Hata Adeti 27,26315789 25,76023392 19
Tablo 8’de test sonuçlarında varyant ürün adetlerinin önceki ve sonraki duruma göre ortalamanın çok fazla değişmediği aynı zamanda iki uçlu P değerinin de 0,05 ten büyük olduğu görünmektedir. Bu durumda iki farklı test sonucuna bakarak varyant konfigürasyon modelinin ürün ağacı hataları üzerinde pozitif yönde etkisinin olduğu yorumu yapılabilir. Özetle test sonucu bize varyant konfigürasyon modelinin ürün ağacı hatalarını azalttığını göstermektedir. 6. SONUÇLAR (CONCLUSIONS) Ürün varyant konfigürasyonu sayesinde, her bir müşterinin farklı özelliklerdeki ürünleri için, sistemde yeni ürün ağacı ve yarı mamul ürün ağacı tanımlaması yapılmamaktadır. Aynı şekilde, yeni ürün ağacı ve reçete çoklanması zorunluluğu da ortadan kalkmaktadır. Bunun yerine konfigüre edilebilen esnek kodlar yaratılıp, karakteristikler yardımı ile şekillendirilerek, müşteri ihtiyaçlarına cevap verilebilmektedir. Böylece sadece işletmenin üretim sürecini belirleyen ana ürün grupları kadar; mamul kodu ve proses türlerinin sayısı kadar da; yarı mamul kodu yaratılmış olacaktır. Böylelikle, 195
F. Karayazı, İ. H. Cedimoğlu
Ürün Varyant Konfigürasyon Yönetiminin Ürün Ağacı Ve Hataları Üzerindeki Etkilerinin İncelenmesi
minimum kod sayısında kalarak, aynı zamanda stok yönetimini de etkileyecek bir kod karmaşasına da izin verilmemiş olacaktır [2].
[4]
E. Veen, J. Wortmann, "New Developments In Generative Bom Processing Systems", Production Planning & Control, 1992.
Tüm bu uygulamaların sonucunda sipariş alındığı noktada yeni malzeme kodu, ürün ağacı ve planlama reçetesi yaratılması sureti ile kaybedilecek vakit tamamen ortadan kaldırılacak, bunun yerine sadece belirli karakteristiklerin değerlenerek siparişin şekillenmesi sağlanmış olacaktır. Böylece müşterilere tam zamanında ve istedikleri şekilde hizmet verebiliyor imkânı daha fazla yaşanacaktır [3].
[5]
Sundaramoorthy, G., Variant Configuration Kt Doc, 2008. K. Edwards, L. Pedersen, "Product Configuration Systems -Implications For Product Innovation And Development", Department Of Manufacturing Engineering Technical University Of Denmark, 2004 D. Rebecca, P. Ward, G. Milligan, W. Berry, "Approaches To Mass Customization: Configurations And Empirical Validation", Journal Of Operations Management, 605-625, 2000. U. Blumöhr, M. Münch, M. Ukalovic, "Variant Configuration With Sap", 2009. F. Sandstrom, "Product Structures And Product Configuration", Master’s Thesis, Lulea University Of Technology, 2009. G. J. Fazio "Getting The Facts On Rule-Based Product Configuration", In: 1994 APICS Conference Proceedings, P.E12-E13. T. Mannisto, "Towards Management of Evolution in Product Configuration Data Models", 1998. A.J. Trappey, T. Peng, H.D. Lin, "An Object Oriented Bill Of Materials System For Dynamic Product Management", Journal Of Intelligent Manufacturing, Volume 7, Pp. 365-371, 1996. Batchelor, J., Andersen, H., R., “Bridging The Product Configuration Gap Between Plm And Erp – An Automotive Case Study, 2009. Hua, H., The Application Of The Assembly Data Management Model In Manufacturing Companies. Sanya, S. N. China, 2012 Kashkoush, M., Elmaraghy, H., Matching Bills Of Materials Using Tree Reconciliation. Procedia Cirp, Volume 7, P. 169 – 174, 2013 S. Schwartze, "Configuration Of Multiple Variant Products", Bwi, Zürich, 1996. A. C. Prasad, "Variant Configuration Overview", Erişim Tarihi:12.10.2013. http://scn.sap.com/docs/doc-25224, erişim tarihi: 05.01.2013. Sap Ag, Release 4.6c, Varyant Configuration(LoVc), 2001.
Varyant konfigürasyon uygulaması göstermektedir ki özellikle müşterinin karar verdiği kompleks ürünler üretilen işletmelerde en uygun ürün yönetimi yapılarından birisidir. Hızlı sipariş ortamındaki bir değişiklik yoğun üretim yapısının özündeki karmaşıklığı artırır. Uygulamada görüldüğü gibi her bir araç talebi oluşturan kendine özgü binlerce bileşenden meydana gelir ve sonuç olarak çok büyük bir ürün miktarı ve üretim verisinin yönetimi gerçekleştirilmek durumu ile karşı karşıya kalınır ve bu miktarlar ürün çeşitliliğine bağlı olarak artar. Bu kadar geniş ürün sayısı ve model varyantı ürün geliştirme süreçlerindeki veri seviyelerinde çok büyük karmaşıklığının oluşmasına sebebiyet verir. Özetle belirtmek gerekirse yüksek yoğunlukta bir ürün konfigürasyonun desteklenmesi ihtiyacı siparişe dayalı ortamlarda kritiktir ve artan bir karmaşıklığa ve maliyete sahiptir [1]. Bu çalışma göstermektedir ki yoğun ve karmaşık üretim süreçlerine sahip olan işletmelerde gerek tasarım sürecindeki konfigürasyon ve ürün yapısı oluşturmada gerekse de üretim ve planlama süreçlerinin daha sağlıklı işleyebilmesinde varyant konfigürasyon uygulaması oldukça etkilidir ve bu yönüyle işletmenin gereksiz maliyetlerini azaltmada önemli rol oynamaktadır.
[6]
[7]
[8] [9]
[10]
[11]
[12]
[13]
[14]
KAYNAKLAR (REFERENCES) [15] [1]
[2]
[3]
196
Sap Ag, Managing Product Configuration In A High-Volume, Make-To-Order Environment, 2007. S. Schwarze, P. Schönsleben, "Recent Developments In The Configuration Of MultipleVariant Products, Institute Of Industrial Engineering And Management (Bwi)" Swiss Federal Institute Of Technology Eth Zürich , Pp. 243-254, 1998. http://global.sap.com/turkey/press.epx?pressid=4 803, Müşteriye Özel Ürün Üreten, Ambalaj, Tekstil, Metal Kâğıt Vb. Sektörler İçin Bir Esnek Yapılandırma Modeli, Erişim Tarihi: 10.04.2014.
[16] [17] [18]
SAÜ Fen Bil Der 19. Cilt, 2. Sayı, s. 187-196, 2015
SAÜ Fen Bil Der 19. Cilt, 2. Sayı, s. 197-201, 2015
Evaluating the impact of augmented reality of augmented reality systems for model-making in architectural education and design studios Gürkan Özenen1*, Sinan Mert Şener2 20.01.2015 Geliş/Received, 04.02.2015 Kabul/Accepted
ABSTRACT Architectural models are the easiest way of emphasizing the architectural plans, but it may not be easy to teach modelmaking in architectural education and design studio. Recently, computer aided design models, virtual and augmented reality techniques are used ascendant in every field of education. Therefore, the aim of this study is to determine an effective way of model-making for architectural education by using Augmented Reality tools. Keywords: architectural education, augmented reality, model-making
Mimarlık eğitimi ve tasarım stüdyosundaki maket yapımı yerine artırılmış gerçeklik sistemlerinin kullanımın etkisinin değerlendirilmesi ÖZ Mimari maketler, mimari planların anlaşılması için etkin bir yol olmasına karşın, mimarlık eğitiminde ve tasarım stüdyosunda maket kullanımın öğretilmesi kolay değildir. Günümüzde bilgisayar destekli modeller, sanal ve artırılmış gerçeklik teknikleri eğitimin her aşamasında etkin bir şekilde kullanılmaktadır. Bu çalışmada, mimarlık eğitiminde maket kullanımını, Artırılmış Gerçeklik araçlarını kullanarak daha etkin hale getirilmesi amaçlanmıştır. Anahtar Kelimeler: mimarlık eğitimi, artırılmış gerçeklik, maket yapımı
*
Sorumlu Yazar / Corresponding Author 1 Istanbul Technical University, Graduate School of Science, Engineering and Technology, Department of Informatics, Architectural Design Computing Program, Istanbul - gozenen@yahoo.com 2 Istanbul Technical University, Faculty of Achtitecture, Istanbul - mert@itu.edu.tr
G. Özenen, S.M. Şener
Evaluating the impact of augmented reality of augmented reality systems for model-making in architectural education and design studios
1. INTRODUCTION A model is generally considered as a presentation tool and it is essential for communicating within many disciplines including architecture. The use of models in design is different than its use in other disciplines. Models are frequently used as the basis of communicating, assessing, and realizing design intentions. [1]. The scaled model or a tangible representation of a building referred to study, share the aspects of an architectural design and to interpret the design opinions to the customer, committees, and the general public. Architectural models may be used for architectural education, , fundraising, obtaining permits, and sale purposes, for presentation of the design process. [2, 3]. Although architectural models are the best way of emphasizing the architectural plans, it is not easy and efficient to teach and use physical model-making in architectural education. Nevertheless computer aided design, virtual and augmented reality technologies are used in most fields of education nowadays. Modelmaking for architecture refers to both physical and digital model making unless a clear distinction is performed within the context of this study. The introduction of digital media like Augmented Reality (AR) changes the nature of the conversation. This research based on the role of digital three-dimensional architectural models and animated representations in the design conversation. This paper presents experiences with students in the use of Augmented Reality (AR) technologies versus manually made physical models in design tasks. Therefore, the aim of this study is to determine an effective way of modelmaking for architectural education by using AR. [4, 5, 6]. In this study students were able to use their tablets, smart phones in the three dimensional visualization of architectural projects through Augmented Reality and linking the desired information via Quick Response codes (QR codes). These codes are some barcode that may be seen in smart phones, tablets. (Fig. 1)
Figure 1. Understanding a QR-Code by QRMe
Augmented Reality uses displays. Head mounted displays are worn on the head within the virtual environment as video-see-through or optical see-through over the user’s scene (Fig. 2). [7].
Figure 2. Head Mounted Display [6].
Handheld displays are computing tools with a display, which may be hold (Fig. 3). [8].
Figure 3. Vuzix Wrap™ 920AR Augmented Reality Eyewear
198
SAÜ Fen Bil Der 19. Cilt, 2. Sayı, s. 197-201, 2015
Evaluating the impact of augmented reality of augmented reality systems for model-making in architectural education and design studios
2. AIM Architectural students are asked to build some physical models in their education system. Although it takes time and energy, the most effective way to have a 3D look to their project still seems to be these models. Nowadays the AR systems develop very fast and integrate in most educational platforms. Thus, the aim of this study was to determine the use of AR in architectural education for model-making. The main objective is also to state of satisfaction and student’s adaptation to the use of technological developmental tools in their education. 3. MATERIALS AND METHODS 3.1. Survey The survey design was focused on the measurement of the efficiency, effectiveness of the workshop and the fulfillment degree with the attendants’ preferences. In the evaluating progress the knowledge of the emerging computer aided software and hardware, the use of cloud technologies, and use of Augmented Reality were considered to improve the use of digital models during the architectural design phase. [9, 10, 11, 12]. 3.2. Workshop and Attendants A digital modelling workshop was set-up to develop this research as an open course for, bachelor, masters and PhD architecture students, at Istanbul Technical University. A profile was designed to select the attendants of this study and the inclusion criteria were having basic 3D software knowledge. [13]. No exclusion criteria were determined at this time. The attendants were all chosen from academically environment with architectural background. They were all volunteers and instructed about the contents before the study. Mostly students and academics were participated to the workshop and survey via online and social network announcements. Before the workshop, it was asked to have basic knowledge of CAD software experience. By this way, the attendants were able to bind with in a specific type of users to focus on the desired topics. [14, 15]. The age range was also being considered because of the effect on evaluation. [16]. 3.3. Augmented Reality Design Studio Use
G. Özenen, S.M. Şener
architectural models etc. After the first survey, a brief introduction was given about the tasks in the following workshop. Then, the use and the specifications of Augmented Reality plug-in AR-media™ were tutored. The attendants were free to use by choosing the suited 3D modelling tool for them. Mostly preferred 3D modelling tools were Autodesk 3ds Max® and Trimble SketchUp™. In the beginning of the workshop, a conceptual design of a building was asked to design directly in 3D medium. The task was to design the model within a pre-modelled, sloped terrain with an environmental data of trees, houses, landscape and view, which was provided before the design stage. Furthermore, an appendix was designed. The design process was limited with a specific time and the basic architectural programming. Attendants were inspired of learning by real time and modelling directly in 3D. After the design process 3D models were prepared for the augmented reality display. Some attendants had more than one proposal so they registered each proposal in different layers. Some of them had animated the sequence of the design process. All these possibilities were exported to the augmented media. The augmented media designed by the participants were simultaneously uploaded to a cloud storage client. This opportunity was used to storage all files performed during the workshop, and turned into a cloud workspace to share with colleagues, exchange documents, track changes and assign some tasks. Cloud storage files helped accessing, sharing and collaborating on files anywhere through mobile apps. Also we could exchange feedback and save these files. There is also opportunity for offline access. For viewing the augmented reality objects a Wrap™ 920AR augmented reality eyewear and personal smart handheld devices were used during the workshop. The survey data were analyzed with SPSS 14.0 as calculating the frequencies and percentages. 4. RESULTS The results of the present study revealed 47.37% of the students spend at least 5 days for physical model-making. (Fig. 4).
This was a two-step studio workshop. The first step was asking the attendants to fill out a survey. The second step was designing the model using AR technology. The attendants were asked to answer the level of their 3D design knowledge, whether they had made physical architectural models, the time they had spent on physical SAÜ Fen Bil Der 19. Cilt, 2. Sayı, s. 197-201, 2015
199
G. Özenen, S.M. Şener
Evaluating the impact of augmented reality of augmented reality systems for model-making in architectural education and design studios
Figure 4. The percentage graphic about time consumption for modelmaking
Besides spending that time, 52.63% of the students were determined to spend €10.00-20.00 while 42.11% of them spend €20.00 or more. (Fig. 5)
Figure 6. (A,B). Percentage Graphics of the Remarkable Anwers to the Survey
5. DISCUSSION
Figure 5: The percentage graphic about budget of models
An interesting result came up which shows that 36.84% of the students did not physically get their models back after their submission and finalize their projects. The survey results revealed 70% of the students to spend more time for physical model-making and architectural design process then the AR systems and architectural design process. But the rest of them did not have the same opinion due to lack of tangibility of the models. 95% of the students were already using AutoCad, 85% of them were able to use 3D modelling softwares. All the students were determined to agree that AR designed models gave highly detailed digital projects then the physical models. The ability of exhibiting an interactive project was found to be more affective then physical model making. The percentage graphics of the remarkable anwers to the survey are displayed at Figure 6A and 6B.
200
Regarding the project in its educational aspect, using AR versus pyhsical model-making in architecture showed very acceptable results for the students with no prior training of AR. The AR technology was used within the combination of visualization and 3D modelling, incorporating with a high level of usability digital graphics tools. Studying on a pre-modeled 3D environment provided convenience for the time consuming of the designing process. Therefore, using AR may decrease the time that is going to be spend for building-up a physical model. This result may reflect the increasing presentation quality of the designs and projects for both architectures and students as well. Redondo et al., asserted that the AR technology visualize architectural projects and also has great potential for users of that area. [17]. The present study also revealed AR technology has a potential to be used in architectural education. Redondo et.al., stated at their another study that the digital model-making helped to verify feasibility since proposals became more understandable, once virtual information was overlapped on real space. [18]. The attendents of the present study also claimed that it was more clear to see the overall design with AR sofware. In architectural education the models that have been designed by the students are considered as very important in their portfolios. Thus, providing a digital portfolio as having visualization of the 3D models is a SAÜ Fen Bil Der 19. Cilt, 2. Sayı, s. 197-201, 2015
Evaluating the impact of augmented reality of augmented reality systems for model-making in architectural education and design studios
G. Özenen, S.M. Şener
reputation and may be defined as top-line for the architectural education. [12] 6. CONCLUSION Considering the results of the present study it is concluded that the experience using AR technology has contributed new educational values that have a direct impact on model-making for architectural design courses. Students and educators are required to develop their knowledge as well as their utilization of the advancing technology. Regarding these reflections, architectrural academic staff might take more challenging tasks and consolidated designs as technology develops. REFERENCES [1]
[2]
[3] [4]
[5]
[6]
[7] [8]
[9]
[10]
[11]
C. Cannaerts, “Models of/ Models for Architecture,” eCAADe 27, 781-786, Istanbul, 2009 W. Knoll ve M. Hechinger, “Architectural Models: Construction Techniques,” London: McGraw-Hill, 2000 D.A. Schön, “Designing: Rules, Types ve Worlds, ” Design Studies, Cilt. 9, no. 3, pp.182-183, 1998. R.T. Azuma, “Survey of augmented reality. Presence: Teleoperators ve Virtual Environments”, Cilt. 6, no. 4, pp. 355-385, 1997. Augmented Reality Lvescape. http://augmentedrealitybiz.com/augmentedreality-lvescape (Last accessed: March 2014) G. Reitmayr, G., ve D. Schmalstieg, “Location based applications for mobile augmented reality,” In: Proceedings of the Fourth Australasian User Interface Conference on User Interfaces, Australian Computer Society, Inc.,2003, pp. 6573. B. Furht, “Hvebook of Augmented Reality”, Cilt. 71, New York: Springer, 2011, pp 10-11. D. Wagner, ve D. Schmalstieg, “Hveheld Augmented Reality Displays,” M.S. Dissertation, Graz University of Technology, Austria, 2008 H. Kaufmann, ve A. Dünser, “Summary of usability evaluations of an educational augmented reality application,” in: Virtual Reality, Berlin, Heidelberg: Springer, 2007, pp. 660-669. S. Green, G. Chase., X. Chen, ve M. Billinghurst, “Evaluating the Augmented Reality HumanRobot Collaboration System,” International Journal Intelligent Systems Technologies ve Applications, Cilt. 8, no. 1, pp.130-143, 2010. J. Seokhoee, S. Hyeongseop, ve J.K. Gerard, “Viewpoint Usability for Desktop Augmented
SAÜ Fen Bil Der 19. Cilt, 2. Sayı, s. 197-201, 2015
[13]
[14]
[15]
[16]
[17]
[18]
Reality,” International Journal of Virtual Reality, Cilt. 5, no. 3, pp. 33-39, 2006. S. Henderson, ve S. Feiner, “Evaluating the Benefits of Augmented Reality for Task Localization in Maintenance of an Armored Personnel Carrier Turret,” International Symposium on Mixed ve Augmented Reality, pp.135-144, 2009. J. Nielsen, “ Usability Laboratories,” Behaviour & Information Technology, Cilt. 13, no.1-2, pp. 3-8, 1994. S. Hampton-Reeves, C. Mashiter, J. Westaway, P. Lumsden, H. Day, H. Hewertson, ve A. Hart, “Students' Use of Research Content in Teaching ve Learning), ” A Report for the Joint Information Systems Council (JISC), 2009. Regulatory Services, Guidance for enrolling University Students as Research Subjects & Using Student Subject Pools, University of Texas, 2005. D. Richter, C. Dietzel, ve U. Kunzmann, “Age differences in emotion recognition: the task matters,” The Journals of Gerontology Series B, Psychological Sciences ve Social Sciences, Cilt. 66, no. 1, pp. 48-55, 2011. E. Redondo, D. Fonseca, A. Sánchez, ve I. Navarro, “Mobile learning in the field of Architecture ve Building Construction. A case study analysis,” Universities ve Knowledge Society Journal, Cilt. 11, no. 1, pp. 152-174, 2014. E. Redondo, D. Fonseca, A. Sánchez, ve I. Navarro, “Augmented reality in architecture degree. New approaches in scene illumination ve user evaluation,” Journal of Information Technology ve Application in Education, Cilt. 1, no. 1, pp. 19-27, 2012.
201
SAÜ Fen Bil Der 19. Cilt, 2. Sayı, s. 203-210, 2015
Bir HCCI motorun 0-boyutlu yanma analizi Üsame Demir1*, Ömer Mustafa Göbeloğlu2 Hakan S.Soyhan3, Ekrem Büyükkaya4 16.05.2014 Geliş/Received, 02.10.2014 Kabul/Accepted
ÖZ Bu çalışmada, homojen karışımlı sıkıştırma ile ateşlemeli (HCCI) bir motorda yanma analizi yapılmıştır. Analizde, sıfır boyutlu yanma ve kimyasal mekanizma analizi yapılabilen Chemkin-Pro programı kullanılmıştır. Analiz sonuçları Shell araştırma merkezinde yapılan deney sonuçları ile doğrulanmıştır. Chemkin-Pro ile deneysel ortamlarda elde edilen veriler kullanılarak üretilen mekanizmalar ile değişik durumlara ait analizler hızlı bir şekilde yapılabilmektedir. Motor içerisindeki yanmanın analizini yapabilmek için hazırlanmış kimyasal kinetik mekanizmalar mevcuttur. Analizlerde deneysel motorda test edilen PRF yakıta uygun iki adet kimyasal kinetik mekanizma kullanılmıştır. Aynı yakıt için geliştirilen iki farklı kimyasal mekanizmanın deneysel sonuçlara olan yakınlıklarına göre performansları incelenmiştir. Ayrıca diğer bir performans kriteri olarak çözücülerin ve mekanizmaların toplam analiz süresine etkileri de incelenmiştir. Analiz sonuçları, deneysel olarak mevcut olan basınç değerleri ile kıyaslanmıştır. Chemkin-Pro programında detaylı piston modellemesi olmadığından dolayı deneysel basınç değerleri ile analiz sonuçları arasında farklılıklar görülmüştür. Deneysel olarak elde edilen CO, CO2 ve O2 yanma sonu ürünleri de analiz sonuçları ile kıyaslanmış ve çok yakın sonuçlar elde edilmiştir. Deneysel olarak elde edemediğimiz sıcaklık ve yakıt değerleri için kimyasal kinetik mekanizmalar arasında kıyaslama yapılmıştır. Anahtar Kelimeler: HCCI motor, Yanma analizi, Chemkin-Pro, Egzoz Emisyonu
Zero dimensional combustion analysis of an HCCI engine ABSTRACT In this study, experimental results from a homogenous charge compression ignition (HCCI) engine fueled with PRF85 (85% iso-octane and 15% n-heptane) were used to zero dimensional. In this study, combustion analysis of homogenous charge compression ignition (HCCI) engine are examined. In the analysis, chemkin-pro software was used which can analysis 0-D combustion and chemical mechanism. Anlysys results are compared with the results of Shell research center. With the help of Chemkin-Pro, results of experiments and various combination mechanisms results can be easily compared. Prepared chemical kinetic mechanisms exist in order to make the analysis inside the engineer. Two chemical kinetic mechanism which is compatible to PRF fuel are used inside the experimental engine. Two different chemical which were developed for the same fuel are examined based on performance similarities on the experiments. Besides, effect of solvents and mechanism on total analysis time are also studied as performance criteria. Analysis results are compared with the existing experimental the pressure values. Since there is not a piston modeling inside the Chemkin-Pro, differences between experimental pressure values and analysis results are observed. Experimentally obtained combustion products of CO, CO2 ve O2 are also compared with the analysis results and similar results are observed.Temperature and fuel results which can not be obtained via experimentally are compared with the kinetic mechanisms. Keywords: HCCI engine, combustion analyses, chemkin-pro, exhaust emission
*
Sorumlu Yazar / Corresponding Author 1 Sakarya Üniversitesi Mühendislik Fakültesi, Makine Mühendisliği Bölümü, Sakarya, Türkiye - udemir@sakarya.edu.tr 2 DELTA Teknik Mühendislik., Adapazarı, Sakarya, Türkiye - maknimus@gmail.com 3 TEAM-SAN Ltd., Sakarya Üniversitesi, Teknokent, B07, Sakarya, Türkiye - hsoyhan@sakarya.edu.tr 4 Sakarya Üniversitesi Mühendislik Fakültesi, Makine Mühendisliği Bölümü, Sakarya, Türkiye - ebkaya@sakarya.edu.tr
Ü. Demir ve diğ.
1. GİRİŞ (INTRODUCTION) Yüksek karbonlu yakıtlar için geliştirilen detaylı kimyasal kinetik mekanizmalar genelde fazla sayıda bileşene ve kimyasal reaksiyona sahip olmaktadırlar. Zamana bağlı olmayan, sabit yanma şartlarına sahip analizlerde sıfır boyutlu çözücüler ile yüksek karbonlu yakıtlar için detaylı kimyasal mekanizmalar kullanılarak çözüm yapmak günümüz bilgisayarı ile dakika mertebesine kadar indirgenmiştir [1]. Son yıllarda geliştirilen, sıfır boyutlu yanma analizi yapabilen yazılımlara, içten yanmalı motorları doğru ve efektif olarak simule edebilme kabiliyeti kazandırılmaya çalışılmaktadır. Bu yazılımlardan biri olan CHEMKINPro’nun [2] asıl geliştirilme amacı, kimyasal reaksiyon mekanizmalarının doğruluğunu yanma gecikmesi analizi ile tespit etmektir[3,4] . Bunun yanında farklı reaktör tiplerinde de analiz yapabilme kabiliyeti bulunmaktadır. Bu reaktör tiplerinden biride sıfır boyutlu içten yanmalı motor reaktörüdür. Motor yanması için daha önce yapılan sıfır boyutlu çalışmalar ile yakıt sarfiyatı, EGR, giriş sıcaklığının ve farklı yakıtların homojen karışımlı sıkıştırmalı yanma (HCCI) motordaki yanmaya etkisi incelendiği bilinmektedir [5-13]. Bu çalışmada CHEMKIN-Pro yazılımı kullanılarak HCCI motoru için aynı koşullarda ve iki farklı kimyasal mekanizma ile analizler yapılmıştır. Aynı yakıt için geliştirilen iki farklı kimyasal mekanizmanın deneysel sonuçlara olan yakınlıklarına göre performansları incelenmiştir. Ayrıca diğer bir performans kriteri olarak çözücülerin ve mekanizmaların toplam analiz süresine etkileri de incelenmiştir. Analiz programlarının performans değerlendirmesinin daha sağlıklı olabilmesi için kullanılan 2 farklı mekanizmadan biri detaylı diğeri ise tam indirgenmiş kimyasal kinetik mekanizmadır. Analiz sonuçları, deneysel olarak mevcut olan basınç ve değerleri ile değerlendirilmiştir. Deneysel olarak elde edilen CO, CO2 ve O2 yanma sonu ürünleri de analiz sonuçları ile karşılaştırılmış ve mekanizmaların performansları ayrıca son ürünlere göre incelenmiştir. Bunun yanında deneysel olarak ölçülmesi zor olan emisyon verileri açısından da HCCI yanması incelenmiştir. 2. MODELLEME ÇALIŞMASI (MODELLING STUDY)
Deneysel çalışmalar İngiltere’de bulunan Shell laboratuvarında özel olarak tasarlanan tek silindirli, 4 valfli, eğimli çatılı silindir kafasına sahip deneysel Ricardo Hydra motorunda yapılmıştır. Motor özellikleri Tablo 1’de ayrıntılı olarak verilmiştir. Deneysel kurulumda HCCI şartlarını yakalayabilmek için piston tepesini yükselterek sıkıştırma oranı 14.04 değerine getirilmiş ve silindir içine giren havanın sıcaklık değeri 204
HCCI Motorun 0-Boyutlu Bir Program İle Yanma Analizi
250 oC'ye yükseltilmiştir. Yapılan deneysel çalışmada emme manifoldundan silindir içine giren havanın basıncı 1 bar ve farklı Hava Fazlalık Katsayısı (HFK) değerleri olacak şekilde ön karışım odasında hava yakıt karışımı hazırlanmıştır. Deneysel çalışmada kullanılan PRF yakıtı %85 iso-oktan ve %15 n-heptan (PRF-85) karışımından oluşmaktadır. Tablo 1. Motor parametreleri (Engine parameters) Parametre Değer Birim 86 Silindir çapı mm 86 Strok mm 143.5 Biyel kolu uzunluğu mm 14.04 Sıkıştırma oranı Motor devri
1200
dev/dak
Emme valfi çapı Toplam valf sayısı Emme valfi açılma zamanı
32
mm KMA
Emme valfi kapanma zamanı Egzoz valfi açılma zamanı Egzoz valfi kapanma zamanı
4 340 ÜÖNÖ 108 ÜÖNÖ 120 ÜÖNS 332 ÜÖNS
KMA KMA KMA
Modelleme çalışması için 2 farklı analiz yapılmıştır. Yapılan analizler temel olarak iki grup altında toplanmıştır. 1. Gruptaki analizler indirgenmiş kimyasal kinetik mekanizma kullanılarak yapılmıştır. 2. Grup analizleri ise indirgenmiş mekanizma yerine detaylı kimyasal mekanizma kullanılarak yapılmıştır. Her iki analiz için kullanılan kimyasal kinetik mekanizmalar PRF yakıtı için geliştirilmiştir. Özellikle indirgenmiş kimyasal mekanizmalar, özel yanma şartlarına göre düzenlenmiş olmakla beraber bu çevre şartları aralığında çalıştırıldıklarında çok daha iyi performans göstermektedirler [14]. Analizler için kullanılan kimyasal kinetik mekanizmalardan indirgenmiş olanı Tsurushima [15] tarafından geliştirilen, 33 bileşen ve 38 reaksiyondan oluşan kimyasal mekanizmadır. Detaylı kimyasal mekanizma ise Westbrook ve ark. [16] tarafından geliştirilen 1550 bileşen ve 6000 reaksiyon içeren mekanizmadır ve literatürde PRF yakıtı için referans mekanizma olarak kullanılmaktadır. Bu çalışmada, homojen karışımlı sıkıştırma ile ateşlemeli (HCCI) bir motor 0 boyutlu yanma analizi ve kimyasal mekanizma analizi yapan Chemkin-Pro programı içerisindeki Internal Combuston Engine modu yardımıyla analizler yapılmıştır. Deneysel veriler Shell araştırma merkezinde yapılan HCCI verileridir. 1 deneysel veri sonucu alabilmek için yaklaşık 100 saatlik bir çalışma yapılması gerekmektedir. İşte bu zaman alan çalışmaları hızlandırmak için chemkin tarzı programlara başvurulmaktadır. Deneysel ortamlarda elde edilen verilerden üretilen mekanizmalarla değişik durumlara ait analizler hızlı bir şekilde yapılabilmektedir. Bu veriler ile chemkin-pro programında yapılan analizler basınç olarak kıyaslanmış ve deneysel olarak alınamayan SAÜ Fen Bil Der 19. Cilt, 2. Sayı, s. 203-210, 2015
HCCI Motorun 0-Boyutlu Bir Program İle Yanma Analizi
Ü. Demir ve diğ.
emisyon değerleri chemkin-pro programı yardımıyla elde edilmiştir. Bu çalışmada PRF yakıt kullanılmıştır. Altı farklı HFK (λ) incelemiştir. Bunlar sırasıyla ( λ = 3, 3.25, 3.5, 3.75, 4, 4.25 ) bu değerler için chemkin pro programında yanmayı simule edebilmek için her iki kimyasal mekanizma da kullanılmıştır. Analiz sonuçları deneysel sonuçlarla uygunluk göstermektedir. Fakat Chemkin-pro programında piston modellemesi mevcut olmadığı için 3 boyutlu yanma analizi yapan programlara göre çok iyi olmasada yinede iyi sonuç verdiği gözlemlenmiştir. Bu çalışmada bu iki farklı mekanizma için altışar adet olmak üzere toplamda 12 adet analiz yapılmıştır. Analiz sonucunda sayısal veriler elde edilmiştir. Çıkan sayısal değerler yardımıyla grafikler çizilmiştir. 3. ANALİZ SONUÇLARI (ANALYSES RESULTS) Analiz sonuçlarından krank açısına göre basınç değişimi, sıcaklık, C7H16, C8H18, CO, CO2, H2O2 ve OH ele alınmıştır. Deneysel çalışmadan elde edilen basınç, yüzdesel CO, CO2 ve O2 değerleri analiz sonuçları ile kıyaslanmıştır. Deneysel olarak elde edilmesi zor olan krank açısına bağlı C7H16, C8H18, CO ve CO2 bileşenleri analiz verileri kullanılarak yakıt tükeniminin nasıl gerçekleştiğini görmek için çizdirilmiştir. Bunun yanında HCCI yanmasında önemli rolü olan ara bileşiklerden H2O2 ve OH’ı yanmanın nasıl gerçekleştiğini görmek için yine sadece analiz sonuçları kullanılarak çizdirilmiştir. Şekil 1’de yer alan 6 adet basınç-krank açısı grafiklerinde farklı HFK değerleri için Tsuhurima ve Westbrook kimyasal kinetik modellerinin deneysel sonuçlara göre kıyaslanması görülmektedir. Grafiklerden de görüleceği üzere deneysel verilere göre daha hızlı basınç artışları yaşanmaktadır. Fakat basınç artışındaki ani yükselmelere rağmen mekanizmalar deneysel verilere oldukça yakın çıkmıştır. İki mekanizma arasında bir analiz yapılacak olursa, indirgenmiş kimyasal mekanizma detaylı kimyasal mekanizmaya göre daha iyi sonuçlar vermiştir. Deneysel sonuçlara daha yakındır. Şekil 1. Silindir İçi Basınç Grafikleri Sırasıyla λ = 3, 3.25, 3.5, 3.75, 4, 4.25 (Pressure Curves in Cylinder Respectively λ = 3, 3.25, 3.5, 3.75, 4, 4.25 )
SAÜ Fen Bil Der 19. Cilt, 2. Sayı, s. 203-210, 2015
205
Ü. Demir ve diğ.
HCCI Motorun 0-Boyutlu Bir Program İle Yanma Analizi
Şekil 2. .Silindir İçi Sıcaklık Grafikleri Sırasıyla λ = 3, 3.25, 3.5, 3.75, 4, 4.25 (Temperature in Cylinder Curves Respectively λ = 3, 3.25, 3.5, 3.75, 4, 4.25 )
Şekil 3. .Yakıt Tükenim Grafikleri Sırasıyla λ = 3, 3.25, 3.5, 3.75, 4, 4.25 (Fuel Consumption Graphics Respectively λ = 3, 3.25, 3.5, 3.75, 4, 4.25)
Yukarıda yer alan sıcaklık-krank açısı grafiklerinde sadece kimyasal kinetik mekanizmalar kıyaslanmıştır. Farklı HFK değerleri için Tsurushima ve Westbrook mekanizmalarının sıcaklık eğrilerine bakıldığında yanma anındaki ani sıcaklık artışları göze çarpmaktadır. Maksimum sıcaklığın 2000 K mertebesinde olduğu görülmektedir.
Yukarıdaki yakıt grafiklerine genel olarak bakıldığında yakıtın kütlesel olarak %15’i olan C7H16 bileşenin krank açısına bağlı olarak tüketimi indirgenmiş kimyasal kinetik mekanizma olan Tsurushima mekanizmasında daha hızlıdır. Başlangıçta 0,001 mol oranında bulunan yakıt yaklaşık olarak -25 krank açısı değerinde tükenmeye başlamıştır. Aynı bileşen için başlangıçta 0,001 mol oranında olan yakıt detaylı kimyasal kinetik
206
SAÜ Fen Bil Der 19. Cilt, 2. Sayı, s. 203-210, 2015
HCCI Motorun 0-Boyutlu Bir Program İle Yanma Analizi
Ü. Demir ve diğ.
mekanizma olan Westbrook mekanizması için ise -10 krank açısı değerinde tükenmeye başlamıştır. Yakıtın kütlesel olarak kalan kısmını oluşturan C8H18 bileşeninin krank açısına bağlı olarak tüketiminde ise indirgenmiş kimyasal kinetik mekanizma olan Tsurushima mekanizması için başlangıçta 0,0045 mol oranında olan yakıt -25 krank açısında tükenmeye başlamıştır. Yine aynı miktardaki yakıt diğer mekanizma olan Westbrook için -10 krank açısında tükenmeye başlamıştır. Grafikte de belirgin olarak görüldüğü üzere detaylı mekanizmada yakıt daha geç yanmaya başlamasına rağmen daha hızlı tükenmektedir. Tsurushima mekanizma değerleri için yakıt daha erken yanmaya başlamıştır. Normal şartlarda yakıtın yanmaya başlaması için ilk önce buharlaşması ve ardından buhar fazında iken yanmaya başlaması gerekmektedir. Yani yakıtın yanma olayının gerçekleşebilmesi için belirli bir süre geçmesi gerektiği bilinmektedir. Bu grafiklere bakıldığında Westbrook ve ark. Tarafından geliştirilen mekanizmanın yanma olayını çok kısa bir sürede gerçekleştirdiği görülmektedir. Fakat Tsurushima tarafından geliştirilen mekanizmada ise yanma olayı için belirli bir zaman geçirdiğinden dolayı gerçek yanmayı temsil edebilecek durumda olduğu görülmektedir. Şekil 4’deki grafiklerde karbon monoksit ve karbondioksit oluşumunun krank açısına göre durumu incelenmiştir. Detaylı kimyasal kinetik mekanizma değerleri için CO grafiklerinde krank açısı -5 değerindeyken artmaya başlamıştır. -1 değerinde ise maksimum noktaya ulaşmıştır. Daha sonra sabit bir şekilde davranış gösterdiği görülmektedir. Detaylı kimyasal mekanizma değerleri için CO2 grafiklerinde ise -1 krank açısında ani bir yükselişle çok kısa zamanda maksimum noktaya ulaşmaktadır. Daha sonra sabit davranış göstermekte olduğu gözlenmektedir. İndirgenmiş kimyasal kinetik mekanizma için CO grafiklerinde krank açısı -15 değerindeyken yükselmeye başlamıştır. Krank açısı -2 değerindeyken maksimum noktaya ulaşmış ve sabitlenmiştir. Yine indirgenmiş kimyasal mekanizma için CO2 grafiklerinde -1 krank açısında yükselmeye başlamıştır. Ani bir yükselişle yine aynı krank açısında maksimum seviyeye yükselmiş ve sabitlenmiştir. Genel olarak grafiklerden anlaşılacağı üzere yanmayı etkileyen hem kimyasal kinetik mekanizma hemde HCCI motorun modellenmesi olduğu görülmektedir. Chemkin-pro yazılımdan detaylı bir boyutlandırma olmayışı motor içerisindeki türbülansı etkilemektedir. Aynı zamanda HCCI motor modunda yazılım içeride mükemmel bir karışım varsyarak yanma gerçekleştirdiği için yanmanın çok hızlı gerçekleştiği görülmektedir.
SAÜ Fen Bil Der 19. Cilt, 2. Sayı, s. 203-210, 2015
Şekil 4. CO ve CO2 Oluşum Grafikleri Sırasıyla λ = 3, 3.25, 3.5, 3.75, 4, 4.25 (CO and CO2 Formation Graphics Respectively λ = 3, 3.25, 3.5, 3.75, 4, 4.25)
207
Ü. Demir ve diğ.
HCCI Motorun 0-Boyutlu Bir Program İle Yanma Analizi
grafiklerine bakıldığında krank açısı -10 ile +3 değerleri asasında iken ani bir yükselişe geçmektedir. Oluşum miktarı açısından maksimum değeri indirgenmiş mekanizmadan daha az seviyede olduğu görülmektedir. Yine 30 krank açısında tükenmektedir. Tsurushima indirgenmiş kimyasal mekanizması için H2O2 emisyon değerleri 3, 3.5, 4, 4.25 HFK değerleri için -25 krank açısında yükselmeye başlamıştır. 3.25 ve 3.75 HKF değerlerinde ise +3 krank açısında yükselmeye başlamıştır. Westbrook detaylı kimyasal mekanizması için H2O2 emisyon değerleri ise 3, 3.5, 4, 4.25 HFK değerlerinde -12 krank açısında yükselmeye başlamıştır. 3.25 ve 3.75 HFK değerlerinde ise -25 krank açısında yükselmeye başlamaktadır. Westbrook detaylı kimyasal kinetik mekanizmasında tüm HFK değerleri için +2 krank açısında H2O2 emisyon değerlerinin sıfıra geldiği görülmektedir. Tüm grafiklerden görüleceği üzere indirgenmiş kimyasal kinetik mekanizma değerleri detaylı kimyasal kinetik mekanizma değerlerinden daha yüksektir. Dolayısıyla H2O2’nin reaksiyonu daha hızlı gerçekleşmektedir.
Şekil 6. Karbonmonoksit Emisyonun Yanma Sonu Yüzdesel Değeri (Carbonmonoxide emission value as percentage of at the end of combustion )
Şekil 5. .H2O2 ve OH Oluşum Grafikleri Sırasıyla λ = 3, 3.25, 3.5, 3.75, 4, 4.25 (H2O2 and OH Formation Graphics Respectively λ = 3, 3.25, 3.5, 3.75, 4, 4.25)
Şekil 7. Karbondioksit Emisyonun Yanma Sonu Yüzdesel Değeri (Carbondioxide emission value as percentage of at the end of combustion )
Yukarıdaki grafiklerde krank açısına bağlı olarak OH oluşumu ve H2O2 emisyon değerleri görülmektedir. Tsurushima indirgenmiş kimyasal kinetik mekanizma değerleri için OH grafikleri -1 ile +3 krank açısında ani bir yükselişle maksimum noktaya ulaşmakta ve daha sonra krank açısındaki artışla orantılı olarak azalmakta ve 30 krank açısı değerinde tükenmektedir. Westbrook detaylı kimyasal kinetik mekanizma değerleri için OH 208
SAÜ Fen Bil Der 19. Cilt, 2. Sayı, s. 203-210, 2015
HCCI Motorun 0-Boyutlu Bir Program İle Yanma Analizi
Ü. Demir ve diğ.
Emisyonlara bakıldığında ise Chemkin-Pro programının deneysel emisyon değerlerine çok yakın olduğu gözlemlenmektedir. Chemkin-Pro programının kimyasal kinetik mekanizma geliştirmede iyi olduğu bu sonuçlardan belli olmaktadır.
Şekil 8. Oksijen Emisyonun Yanma Sonu Yüzdesel Değeri (Oxygen emission value as percentage of at the end of combustion )
Yukarıdaki grafiklerde deneysel sonuçlar ile 2 farklı mekanizma ve 6 farklı HFK değeri için analiz sonuçları görülmektedir. Egzoz subapının açılma anındaki CO (a) ve CO2 (b) emisyonları yüzdesel olarak verilmiştir. CO emisyonları bakımından Chemkin-Pro programının her iki mekanizma için deneysel sonuca çokta iyi yakın değerler ulaşamadığı görülmektedir. CO2 ve O2 egzoz anındaki yanma sonu ürünleri bakımından her iki mekanizmanın deneysel sonuca çok iyi yakınsadığı açıkça görülmektedir. 4. SONUÇ (CONCLUSION) Yapılan bu çalışmada 0-Boyutlu yanma analizi yapan Chemkin-Pro yazılımı ile hem detaylı hem de indirgenmiş kimyasal kinetik mekanizma ile yapılan analiz sonuçlarına bakıldığında aşağıdaki yorumlar ortaya çıkmıştır. Modelleme yaparken detaylı mekanizmanın indirgenmiş mekanizmaya göre daha istikrarlı ve iyi sonuç vermiş olduğu giriş sıcaklığının deneysel değere daha yakın olduğundan anlaşılmaktadır. Emisyon grafiklerine bakıldığında ise normal şartlarda kimyasal kinetik mekanizma içerisindeki bileşen sayısı arttıkça analiz sonuçlarının daha iyi olacağı düşünülmekte olduğundan bilinmekte olan genel kanın aksine indirgenmiş mekanizmanın emisyon değerleri açısından neredeyse detaylı mekanizma ile aynı olduğu grafiklerden görülmektedir. Detaylı mekanizmanın kullanılmasının dezavantaj ise çözüm süresi olarak indirgenmiş mekanizmaya göre Chemkin-Pro programında analiz süresinin 10 kat artmasına neden olmuştur. Chemkin-Pro programı 0-Boyutlu analiz programı olması nedeniyle ve tüm yanma hacmini HCCI motor için homojen kabul ederek analiz yaptığı için analiz sonuçlarından özellikle silindir içi basınç eğrisi olarak deneysel sonuçlara çok iyi yaklaşamadığı basınç eğrilerinde görebilmekteyiz.
SAÜ Fen Bil Der 19. Cilt, 2. Sayı, s. 203-210, 2015
Chemkin-Pro programının diğer bir üstünlüğü çok hızlı analiz yapabilmesidir. Analiz süresi olarak 3Boyutlu programların saatler bazında analiz yaptığı bilinmektedir. Fakat Chemkin-Pro ile aynı analizlerin dakikalar mertebesinde ya da daha az bir sürede gerçekleştirilebilmesi en büyük artısıdır. KAYNAKLAR (REFERENCES) [1]
[2] [3]
[4]
[5]
[6]
[7]
[8]
[9]
J.C.G. Andrae, T. Brinck and G.T. Kalghatgi, “HCCI experiments with toluene reference fuels modeled by a semidetailed chemical kinetic model’, Combustion and Flame, vol. 155, December, pp. 696-712, 2008 http://www.reactiondesign.com adresinden ulaşılabilir. H.S. Soyhan, F. Mauss and C. Sorusbay, “Chemical Kinetic Modelling of Combustion in Internal Combustion Engines Using Reduced Chemistry” ,Combustion Science and Technology ,Vol. 174, Pages 73-91, 2002 H. Karadeniz, H.S. Soyhan, C. Sorusbay, "Reduction of large kinetic mechanisms with a new approach to the necessity analysis method" ,Combustıon And Flame ,Cilt 159 , Pages 14671480, 2012 W. Easley, A. Agarwal, and G. Lavoie, "Modeling of HCCI Combustion and Emissions Using Detailed Chemistry," SAE Technical Paper 200101-1029, 2001 M. Oguma, S. Goto, K. Oyama, K. Sugiyama, "The Possibility of Gas to Liquid GTL as a Fuel of Direct Injection Diesel Engine," SAE Technical Paper 2002-01-1706, 2002 T. Løvås, F. Mauss, C. Hasse, and N. Peters, "Modeling of HCCI Combustion Using Adaptive Chemical Kinetics," SAE Technical Paper 200201-0426, 2002 M. Elkelawy, Z. Yu-Sheng, H. El-Din and Y. Jing-zhou, "A comprehensive Modeling Study of Natural Gas HCCI Engine Combustion Enhancement by Using Hydrogen Addition," SAE Technical Paper 2008-01-1706, 2008 J. Zheng, J.A. Caton “Use of a single-zone thermodynamic model with detailed chemistry to study a natural gas fueled homogeneous charge compression ignition engine” Energy Conversion and Management, Volume 53, Issue 1, January ,Pages 298-304, 2012 209
Ü. Demir ve diğ.
[10]
[11]
[12]
210
J. Zheng J., J.A. Caton, “Effects of operating parameters on nitrogen oxides emissions for a natural gas fueled homogeneous charged compression ignition engine HCCI: Results from a thermodynamic model with detailed chemistry” ”, Applied Energy, Volume 92, April ,pp 386-394, 2012 U. Demir, N. Yılmaz, G. Coşkun, H.S. Soyhan, “Evaluation of zero dimensional codes in simulating IC Engines Using Primary Reference Fuel” , Applied Thermal Engineering, Volume 76, Februaray, Pages 18-24, 2015 A. Turkcan, A.N. Özsezen, M. Çanakcı, G. Coşkun, H.S. Soyhan, U. Demir, “An Experimental and Modeling Study to Investigate Effects of Two Stage Direct Injection Variations on HCCI Combustion”, Combustion Science and Technology, Volume 187, Issue 4, April, Pages 642-658, 2015
HCCI Motorun 0-Boyutlu Bir Program İle Yanma Analizi
[12]
[14]
[15]
[16]
H.S. Soyhan, “Performance of a homogeneous charge compression ignition engine fuelled with gasoline”, International Journal of Vehicle Design, Volume 59, Pages 223-233, 2012 C.J. Montgomery, D.A. Swensen, T.V. Harding, M.A. Cremer, M.J. Bockelie “A computational problem solving environment for creating and testing reduced chemical kinetic mechanisms” Advances in Engineering Software, Volume 33, Issue 2, February, Pages 59–70, 2002 T. Tsurushima “A new skeletal PRF kinetic model for HCCI combustion”, Proceedings of the Combustion Institute, Volume 32, Pages. 2835– 2841, 2009 M. Mehl, W.J. Pitz, C.K. Westbrook, H.J. Curran “Kinetic modeling of gasoline surrogate components and mixtures under engine conditions”, Proceedings of the Combustion Institute, Volume 33, Pages 193–200, 2011
SAÜ Fen Bil Der 19. Cilt, 2. Sayı, s. 203-210, 2015
SAÜ Fen Bil Der 19. Cilt, 2. Sayı, s. 211-217, 2015
Tek kaynaktan çıkan maksimum sayıdaki tepe ayrık yolların bulunması probleminin sayımlama tekniği ile etkin çözümü Murat Erşen Berberler 1*, Zeynep Nihan Berberler2 22.07.2014 Geliş/Received, 26.03.2015 Kabul/Accepted
ÖZ Tepe ve ayrıt olmak üzere iki türe ayrılan ayrık yolların bulunması problemi ile gerçek zamanlı iletişim, çok geniş ölçekli tümleşim, çizelgeleme, bidon paketleme ve yük dengeleme gibi birçok yöneylem araştırması probleminde alt problem olarak karşılaşılmaktadır. Bu çalışmada uygulama alanlarının bolluğu nedeniyle çok önemli bir yere sahip olan tepe ayrık yolların bulunması probleminin NP_tam karmaşıklık sınıfına ait eniyileme (optimizasyon) versiyonu ele alınacaktır. Ait olduğu problem sınıfının zorluğundan dolayı sezgisel algoritmalar ile yaklaşık çözümler üretilerek üstesinden gelinmeye çalışılan bu probleme tam ve etkin bir çözüm getirebilmek için sayımlama tekniğine dayanan bir algoritma önerilecek ve yöntemin ayrıntılı analizi yapılacaktır. Anahtar Kelimeler: tepe ayrık yollar, maksimum bağımsız küme, sayımlama tekniği
Finding an efficient solution for the maximum number of single source node disjoint paths by enumeration ABSTRACT The problem of finding node or edge disjoint paths is encountered as a sub problem in many operations research problems such as real time communication, very large scale integration, scheduling, bin packing and load balancing etc. In this paper, due to the majority of application fields, the optimization version for the problem of finding node disjoint paths related to NP_complete class is handled. An algorithm is proposed based on enumeration technique in order to find an exact and efficient solution for the problem of finding maximum number of single source node disjoint paths that is recently tried to overcome by generating approximate solutions by heuristic algorithms due to the complexity class that it belongs to and the method is analyzed in detail. Keywords: node disjoint paths, maximum independent set, enumeration technique
* Sorumlu Yazar / Corresponding Author 1 Dokuz Eylül Üniversitesi, Fen Fakültesi, Bilgisayar Bilimleri Bölümü, İzmir - murat.berberler@deu.edu.tr 2 Dokuz Eylül Üniversitesi, Fen Fakültesi, Bilgisayar Bilimleri Bölümü, İzmir - zeynep.berberler@deu.edu.tr
M. E. Berberler, Z. N. Berberler
Tek kaynaktan çıkan maksimum sayıdaki tepe ayrık yolların bulunması probleminin sayımlama tekniği ile etkin çözümü
1. GİRİŞ (INTRODUCTION) Ayrık yolların bulunması problemi iletişim ağlarında önemli bir rol oynamaktadır, çünkü iletişimde olan herhangi iki tepe arasında ayrıt veya tepe ortaklığı olmayan yollar etkin bir şekilde bulunabilirse bu tepeler arasındaki veri trafiği alternatif yollar üzerinden paylaştırılarak bant genişliği değeri korunabilir [1]. Eğer ağ üzerinde sadece ayrıt ayrık yolların bulunması problemi ile ilgilenilirse Menger teoremine göre tüm ayrıtların ağırlıkları bir birim alınarak en büyük akış problemini çözen bir algoritma yardımıyla çok terimli (polinom) zamanda sonuca ulaşılabilir [2]. Ancak ayrıt ayrık yollar, ağın yapısına bağlı olarak bazı tepeleri ortak kullanabileceğinden bu tepelerde oluşabilecek bir arıza nedeniyle sistemin önemli bir bölümü etkilenecek ve özellikle bant genişliği gibi iletişim kalitesini arttıracak yaklaşımların etkisi büyük oranda azalacaktır. Her ne kadar ayrıt ayrık yollar çok işlem yükü gerektirmediği için gerçek zamanlı iletişimde tercih edilse de ortak tepe kullanma dezavantajından dolayı statik yapılarda tercih edilmeyip onun yerine tepe ayrık yollar kullanılmaktadır.
Şekil 1. Örnek problem (The sample problem)
Yöntemin ilk adımında 0 ve 1 değerlerini kullanarak bitişik tepeleri gösteren matrisi tepelerin etiketlerini gösterecek şekilde değişikliğe uğratılır ve benzer şekilde çarpma işleminde değişmeden kullanılacak olan baz matrisi oluşturulur. Yöntemin sonraki adımlarında matrisinin kuvvetleri hesaplanır, ancak burada yapılacak matris çarpımında çarpma ve toplama işlemleri yerine karakter veri yapısına uygun olarak birleştirme(arka arkaya ekleme) ve listeleme(virgül ile ayırma) operatörleri kullanılır. Çarpma işlemine ait yinelemeli formül = ′ şeklinde olup yöntemin örnek problem üzerindeki çıktıları Şekil 2’de görülmektedir.
Tepe ayrık yolların kullanılması iletişim kalitesini korumayı maksimum seviyede tutmakla birlikte bu yolların bulunması problemi NP-tam karmaşıklık sınıfına aittir [3]. Problemin ait olduğu sınıfın zorluğundan dolayı uygulamada genellikle sezgisel algoritmalar yardımıyla bu probleme yaklaşık çözümler aranmakta [4] olup uygulamada ağ yönlendirme ve güvenli iletişim gibi öyle problemler [5], [6] vardır ki kesin çözüme ihtiyaç duyulduğu için yaklaşık çözümler kabul edilemez. Bunun dışında tepe ayrık yolların bulunması problemi özel ağ türleri üzerinde çözülerek NP-tam karmaşıklık sınıfından P karmaşıklık sınıfına kaydırılmakla [7],[8],[9],[10] birlikte bu çalışmalar uygulamada karşılık bulmamaktadır. Çünkü gerçek dünyada yer alan iletişim ağlarının çok büyük bir bölümü kaotik yapıda olup atıf yapılan çalışmalarda belirtildiği oranda basit bir düzen içermemektedir. 2. YAZIN TARAMASI (LITERATURE REVIEW) Maksimum sayıda tepe ayrık yolların bulunması probleminin tam çözümüne dair bilinen yegâne algoritma bitişiklik matrisinin kuvvetlerinin hesaplanmasına dayanmaktadır. Herhangi bir çizgeye ait bitişiklik matrisi bir uzunluklu yürüyüşleri vermekte olup, matrisin . kuvveti hesaplandığı takdirde uzunluklu yürüyüşler elde edilebilir [11]. Yürüyüş rotaları içinden tekrar eden ayrıtlar çıkarıldığında zincirler, tekrar eden tepeler çıkarıldığında da yollar bulunmuş olur. Yöntemin detaylı analizi için Şekil 1’de görülen örnek kullanılacaktır.
212
Şekil 2. Yöntemin örnek problem üzerindeki çıktıları (Outputs of the method for the sample problem)
SAÜ Fen Bil Der 19. Cilt, 2. Sayı, s. 211-217, 2015
Tek kaynaktan çıkan maksimum sayıdaki tepe ayrık yolların bulunması probleminin sayımlama tekniği ile etkin çözümü
Bu yaklaşım yardımıyla tepe ayrık yolları bulmanın bazı dezavantajları vardır. adet tepeye sahip bir çizgedeki tüm yolları bulmak için − 1 adet matris çarpma işlemi gerekir, ayrıca hızdan bir miktar kazanmak adına tüm ( ) ( )= ( ) matrisler bellekte tutulursa gibi bir bellek karmaşıklığı ile karşılaşılır. Formülde yer alan değeri saklanması gereken adet matrisi temsil etmektedir, ilk ( ) karmaşıklığı matrislerin herhangi bir hücresindeki karakter veri yapısının kapladığı yer olup ikinci ( ) karmaşıklığı ise her bir matrisin boyutundan gelen maliyettir. Dolayısıyla problem bu yaklaşımla çözülmek istendiğinde tepe sayısının büyük değerleri için pratikte bellek problemleri çıkacağı açıkça görülmektedir. Öte yandan sadece iterasyon formülünde kullanılacak olan , , ′ matrislerini bellekte tutarak bir önceki yaklaşıma nazaran daha az olan ( ) ( ) = ( ) bellek karmaşıklığı ile bu 3 kez yürütme zamanından büyük ölçüde ödün verilecektir, çünkü her adımda matrislerin içeriklerinin birbirlerine aktarılması gerekecektir. Bu yöntemin diğer dezavantajı da zaman karmaşıklığının yüksek olmasıdır, çünkü boyutlu iki matrisi çarpmanın maliyetinin ( ) olduğu göz önüne alınırsa − 1 adet çarpma işlemi ( ) = ( ) gibi bir yapılacağından ( − 1) zaman karmaşıklığı sadece çarpmanın maliyetidir. Her bir çarpma işlemi sonucunda matrisin hücreleri içerisinde tekrar eden tepelerin ayıklanması için de ( ) ‘lik bir işlem maliyeti olduğu göz önüne alınırsa toplam zaman ( ) = ( ) olarak bulunur. karmaşıklığı ( ) Maksimum sayıda tepe ayrık yolların bulunması problemi için önerilen sezgisel algoritmalar en kısa yol problemine çözüm getiren algoritmaları baz almaktadır [4]. Söz konusu iki tepe arasında rota bilgisiyle birlikte bir adet en kısa yol bulunur ve bu yola ait tepe ve ayrıtlar çizgeden atılır, ardından geriye kalan çizge için yeni bir en kısa yol bulunur. Bu işlem iki tepe arasında yol bulunamayıncaya kadar devam eder. Eksik rota bulma potansiyeli yüksek olan bu sezgisel yaklaşımın dezavantajları üçüncü bölümde örnek verilerek ele alınacaktır. 3. ÇÖZÜM YAKLAŞIMI (SOLUTION APPROACH) Sezgisel yöntemlerin düzeltme kullanmazsa genelde yanlış sonuç bulduğu ve önerilecek algoritmanın güçlü yönlerinin ön plana çıkarılabileceği örnek bir problem Şekil 3’de görülmektedir.
M. E. Berberler, Z. N. Berberler
Bu örnekte 1 numaralı tepeden diğer tüm tepelere maksimum sayıdaki tepe ayrık yolların bulunması istenseydi sorun yaratan durum büyük bir olasılıkla 1 ve 4 tepeleri arasında oluşacaktı. Çünkü problemi çözmek için önerilen açgözlü sezgisel algoritmalar genellikle en kısa yol problemini çözen algoritmaları baz aldığı için 12-3-4 rotası aç gözlü sezgisel tarafından kullanılarak problemin çözümü için toplamda 1 rota verilecekti. Oysa problemin en iyi çözümü 2 olup, bunlar 1-2-7-8-4 ve 15-6-3-4 rotalarıdır. Bu çalışmada önerilecek algoritmanın etkin olabilmesi için tüm veri yapıları bellek karmaşıklığı anlamında alt limitlerde seçilmiştir. Örneğin tepelerin birbirleri arasındaki bağlantı bilgisi düzensiz dizi mantığına dayanan bir veri yapısında tutulmuş olup örnek probleme ait yapı Şekil 4’te verilmiştir.
Şekil 4. Düzensiz dizi veri yapısı (Jagged array data structure)
Şekilde sol baştaki kolon tepe numaralarını içermekte olup, onun hemen yanında yer alan ve sıfır indisi ile belirtilen kolon ilgili tepenin kaç adet bağlantısı olduğunu belirtmektedir. Sıfır indisli kolon sayesinde klasik bitişiklik matrisi kullanımında karşılaşılan ve çalışma zamanını olumsuz etkileyen bir yaklaşım olan bağlantısı olmadığı halde matris hücrelerinin gereksiz yere dolaşılması durumu burada söz konusu olmamaktadır. 1, 2 ve 3 indisleri ile belirtilen kolonların satırlardaki tepe numaraları ile kesiştiği hücrelerde ise ilgili tepenin bağlantılı olduğu tepeler yer almaktadır. Algoritmanın ilk yaptığı işlem, başlangıç tepesine ait satıra konumlanarak bu tepeye bitişik tepeleri indis sırasına göre kuyruğa eklemektir. Örnek problem için başlangıç tepesi olarak 1 numaralı tepe seçilirse algoritma ilk adımda Şekil 5’te verilen kuyruk yapısını oluşturacaktır.
Şekil 3. Örnek problem (The sample problem)
SAÜ Fen Bil Der 19. Cilt, 2. Sayı, s. 211-217, 2015
213
M. E. Berberler, Z. N. Berberler
Tek kaynaktan çıkan maksimum sayıdaki tepe ayrık yolların bulunması probleminin sayımlama tekniği ile etkin çözümü
Şekil 5. Algoritmanın ilk adımı çalıştıktan hemen sonra kuyruğun durumu (The status of the queue immediately after the execution of the first step of the algorithm)
Kuyruğun her bir elemanının içeriğinde; kuyrukta yer aldığı sıra numarası (1. satır), karakter dizisi (3. satır) ve tepelerin kullanılma durumunu gösteren tepe numaraları vektörü (4. satır) öğeleri yer almaktadır. Şekilde görülen 2. satır sembolik olup indisleri belirtmektedir ve gerçek yapıda yer almamaktadır. Kuyruğun 1 numaralı elemanına ÖN ve 2 numaraları elemanına ARKA işaretçi atamaları yapılarak algoritmanın ilk adımı tamamlanır. Algoritmanın yoğun bir şekilde yineleme yaptığı ve kuyruğun tamamlanması işlemini gerçekleştirdiği ikinci adımı, ÖN işaretçisi ARKA işaretçisinden farklı olduğu sürece tekrarlanır. İlk etapta ÖN işaretçisinin temsil ettiği elemana ait karakter dizisinin son üyesine bitişik olan tepeler kuyruğa eklenir ve eğer bitişik tepelerden herhangi birisi daha önceden kullanılmış bir tepe ise problemin tanımı gereği (tepe ayrık) göz ardı edilir. Örneğin birinci düğümü gösteren ÖN işaretçisinin gösterdiği karakter dizisinin son elemanı olan 2 tepesine bitişik olan tepeler 1, 3 ve 7 sırasıyla Şekil 4’te verilen veri yapısından çekilir. Ardından tepe numaraları vektöründe 1 tepesi kullanımda olduğu için sadece 3 ve 7 tepeleri kuyruğa eklenerek ÖN işaretçisi için ikinci düğüm ve ARKA işaretçisi için de dördüncü düğüm güncellemeleri yapılır. Kuyruğa yapılan bu eklemeler ve güncellemelerden sonraki durum Şekil 6’da görülmektedir.
Şekil 6. Algoritmanın ikinci adımı çalıştıktan sonra kuyruğun durumu (The status of the queue after the execution of the second step of the algorithm)
Algoritmada kuyruğun oluşturulması adımı ÖN ve ARKA işaretçileri eşitlendiğinde sonlanır. Ele alınan örnek problem için toplam 24 adımda tamamlanan kuyruk Şekil 7’de görüldüğü gibi olacaktır.
Şekil 7. Örnek problem için tamamlanmış kuyruk veri yapısı (Completed queue data structure for the sample problem)
214
SAÜ Fen Bil Der 19. Cilt, 2. Sayı, s. 211-217, 2015
Tek kaynaktan çıkan maksimum sayıdaki tepe ayrık yolların bulunması probleminin sayımlama tekniği ile etkin çözümü
Kuyruk tamamlandığında başlangıç tepesinden diğer tüm tepelere tepe ve ayrıt ortaklığı kısıtı olmaksızın tüm alternatif rotalar elde edilmiş olur. Bu noktada problemin tanımı gereği tekrar eden tepelerin ayıklanarak en çok sayıda alternatifin oluşturulması işleminin yapılması gerekmektedir. Algoritmanın ikinci ana bölümü bu işlemi yapmak üzere tasarlanmış olup sırasıyla her bitiş tepesi için o tepeye ait alternatif yollar kullanılarak bitişiklik matrisi oluşturulur. Bitişiklik matrisi oluşturulurken başlangıç ve bitiş tepesi haricinde tepe ortaklığı olan yollar bir ayrıtla bağlanır, bu durum Şekil 8’de görülmektedir.
M. E. Berberler, Z. N. Berberler
numaralı tepeye ait küçük problem ele alınabilir. Gösterim kolaylığı açısından 1-2-3-4 yolu a harfi, 1-2-78-4 yolu b harfi, 1-5-6-3-4 yolu c harfi ve 1-5-6-3-2-7-84 yolu da d harfi ile temsil edilsin, bu durum Şekil 9’da görülmektedir. Alt programda kullanılacak her bir tepeye ait küme tipindeki veri yapıları da ak={a,b,c,d}, bk={a,b,d}, ck={a,c,d} ve dk={a,b,c,d} olup ilgili tepenin bitişik olduğu tepeler kümenin elemanı seçilerek oluşturulmuştur.
Şekil 9. 4 numaralı tepe ile biten yollar (Paths ending with node 4)
Şekil 8. 1 numaraları tepeden çıkan tüm yollar (All paths starting from node number 1)
Bu aşamadan sonra maksimum sayıdaki tepe ayrık yolların bulunması probleminin çözümü için NP-tam karmaşıklık sınıfına ait olan “Maksimum Bağımsız Küme Problemi” nin çözülmesi gerekmektedir. Maksimum bağımsız küme probleminin tam çözümünde detayları [12]‘de belirtilen ve küme veri yapısını temel alan alt program kullanılacaktır. Bu alt programın çalışmasını kısaca açıklamak için Şekil 8’de yer alan 4 SAÜ Fen Bil Der 19. Cilt, 2. Sayı, s. 211-217, 2015
Sayımlama işlemi sırasında, çözüme giren tepeleri içeren “Çözüm Kümesi (ÇK)” ve çizgede yer alan tüm tepelerin kullanılıp kullanılmadığının kontrolü için de “Tepeler Kümesi (TK)” ele alınan temel veri yapılarıdır. Her adım başlarken ÇK ve TK boş küme olarak belirlenecek ve tüm tepeler TK kümesinde yer alana kadar yineleme devam edecektir. Alfabetik olarak öncelik a harfinde olduğundan a tepesini içeren {a} kümesi ÇK={} kümesiyle, bu tepeye ait olan ve komşulukları içeren ak kümesi de TK={} kümesi ile birleşim işlemine tâbi tutulur ve ÇK={a}, TK={a,b,c,d} sonuçları elde edilir. TK kümesi tüm tepeleri içerdiği için a tepesine ait olan yineleme tamamlanmış olur. Algoritmanın ilk adımı olduğu için mevcut ÇK en iyi sonuç olarak atanır ve b tepesinin kullanıldığı ikinci adıma geçilir. Bu adımda b tepesini içeren {b} kümesi ÇK={} kümesi ile ve bu tepeye ait olan bk kümesi de TK={} kümesi ile birleşim işlemine tabii tutularak ÇK={b}, TK={a,b,d} sonuçları elde edilir. Bu aşamada TK kümesi tüm tepeleri içermediğinden, yineleme TK içinde yer almayan ve sıradaki ilk eleman olan c tepesi ile devam ederek ÇK={b,c} ve TK={a,b,c,d} kümeleri elde edilir. Bu adımda bulunan ÇK kümesinin eleman sayısı rekor olarak tutulan bir önceki adımdakinden daha fazla olduğu için rekor 2 olarak güncellenir. Algoritma bu şekilde c ve d tepeleri için de çalışır ve değeri 2 olan rekordan daha büyük bir sayı bulunamadığından sonuçta ÇK={b,c} ve |ÇK|=2 elde edilir. b harfi ile 1-2-7-8-4 yolu ve c harfi ile de 1-5-6-3-4 yolu temsil edildiğinden 1 tepesinden çıkan ve 4 tepesinde son bulan tepe ayrık en çok iki yol olduğu ve bunların da 1-2-7-8-4 ve 1-5-6-3-4 oldukları elde edilmiş olur. Alt programın 4 numaralı tepe ile biten yollar için adım adım çalıştırılmasını gösteren Şekil 10 aşağıda görülmektedir.
215
Tek kaynaktan çıkan maksimum sayıdaki tepe ayrık yolların bulunması probleminin sayımlama tekniği ile etkin çözümü
M. E. Berberler, Z. N. Berberler
görüleceği üzere boş küme hariç tüm alt kümelerin ele alındığı 7 adet durumun yineleme adımları bulunmaktadır ki bunun anlamı algoritmanın 2 − 1 formülü ile elde edilen 7 farklı alt kümeyi taradığını göstermektedir.
Şekil 10. 4 numaralı tepeye ait örnek için algoritmanın adım adım çalıştırılması (The step by step execution of the algorithm for the sample of node 4)
4. ALGORİTMANIN ANALİZİ VE HESAPLAMA DENEMELERİ (ANALYSIS OF THE ALGORITHM AND COMPUTATIONAL EXPERIMENTS)
Algoritmanın analizini yapabilmek için Şekil 11’de görülen 4 tepeli tam çizge ele alınacaktır.
Şekil 11. 4 tepeli tam çizge (Complete graph with 4 nodes)
Bu örnek için kuyruğun oluşturulması tamamlandığında 1-2, 1-3, 1-4, 1-2-3, 1-2-4, 1-3-2, 1-3-4, 1-4-2, 1-4-3, 12-3-4, 1-2-4-3, 1-3-2-4, 1-3-4-2, 1-4-2-3, 1-4-3-2 olmak üzere toplamda 15 adet rota elde edilmektedir. Bu rotalar, 1 numaralı başlangıç tepesi ilk pozisyonda sabit kalmak koşuluyla 2, 3 ve 4 uzunluklu 1-X, 1-X-X, 1-X-X-X kalıpları kullanılarak olası tüm permütasyonların oluşturulmasıyla bulunmuştur. Sayısal olarak ta 1-X:1*3, 1-X-X:1*3*2, 1-X-X-X:1*3*2*1 değerleri hesaplanıp toplanırsa (3,1) + (3,2) + (3,3) = 3 + 6 + 6 = 15 (1) ‘deki formülün toplam rota sayısını verdiği açıkça görülmektedir. n 1
(n 1)!
(n k )!
Tüm uygun çözümlerin oluşturulması ve bu çözümler içinden maksimum sayıda yolları verenlerin seçilmesi kısımlarından oluşan algoritma rastgele oluşturulmuş örnekler üzerinde çalıştırılmış ve sonuçlar Tablo 1’de paylaşılmıştır. Tablonun solunda yer alan kolonu problemin boyutunu yani ele alınan çizgedeki tepe sayısını, %20 ile %90 arasında değer alan kolonlar ise çizgedeki ayrıt yoğunluğunu göstermektedir. A kolonu bu çalışmada önerilen algoritmaya, B kolonu ise yazın taraması kısmında bahsedilen yönteme ait olup milisaniye cinsinden CPU sürelerini içermektedir. Tablo 1. Hesaplama denemelerinin sonuçları (Results of the computational experiments)
20% n 20 30 40 50 60 70 80 90
(1)
k 1
Algoritmanın diğer önemli kısmını oluşturan ve maksimum bağımsız küme probleminin çözdürüldüğü alt program olan ikinci bölümünde ise 3 tepeli ve etiketleri {a,b,c} olan boş bir çizge üzerinde algoritma çalıştırıldığında Şekil 12’de görülen tablo elde edilir. Ele alınan çizge boş olduğu için hiçbir bağlantı içermeyeceğinden komşuluk bilgisini tutan ak={a}, bk={b} ve ck={c} küme veri yapıları sadece kendi etiketlerini içerecektir. Tablonun sol kolonunda 216
Şekil 12. 3 tepeli boş çizgeye ait veri yapısı (Data structure for empty graph with 3 nodes)
A 20 160 810 2610 6110 15140 29790 52740
B 30 280 1310 4210 10260 23220 46890 85800
40% n 20 30 40 50 60 70 80 90
A 60 390 1810 5780 15840 32230 66210 116890
B 80 590 2570 8030 22310 47210 94130 174250
30% A 40 260 1010 3160 8520 20040 40050 66070
B 60 440 1980 6180 16240 35520 70370 129520
50% A 70 510 2230 6950 21060 40030 81570 164450
B 90 740 3120 10150 29010 59820 118050 219890
SAÜ Fen Bil Der 19. Cilt, 2. Sayı, s. 211-217, 2015
Tek kaynaktan çıkan maksimum sayıdaki tepe ayrık yolların bulunması probleminin sayımlama tekniği ile etkin çözümü
n 20 30 40 50 60 70 80 90
60% A B 80 110 710 910 2820 3760 9450 12200 27850 36160 48670 61490 101320 132270 201910 265010
70% A B 90 120 830 1050 3250 4310 10720 14050 32360 42110 56880 74060 121660 156110 234310 309970
n 20 30 40 50 60 70 80 90
80% A B 110 140 970 1210 3940 4900 13170 16100 39580 48200 71240 86990 147850 180230 291640 355130
90% A B 130 150 1160 1370 4650 5540 15080 17900 46340 54160 84910 98010 172340 204840 340060 401230
5. SONUÇ (CONCLUSION) İki tepe arasında yer alan maksimum sayıdaki tepe ayrık yolların bulunması problemi NP-tam karmaşıklık sınıfındandır. Bu çalışmada problem bir adım öteye götürülerek bir tepeden diğer tüm tepelere maksimum sayıdaki tepe ayrık yolların bulunması şekline dönüştürülmüş ve sayımlama yöntemiyle probleme tam ve etkin bir çözüm getirebilmek için yeni bir algoritma önerilmiştir. Elde edilen sonuçlar önerilen algoritmanın bellek ve zaman karmaşıklığı ölçütleri bakımından yazın taraması bölümünde bahsedilen yöntemden daha etkin olduğunu göstermekte olup hesaplama denemelerinde kullanılan kaynak kodlar http://kisi.deu.edu.tr/murat.berberler/midp/ adresinde yer almaktadır. KAYNAKLAR (REFERENCES) [1] Z. Xie, Z. Chen, H. Leng ve J. Zhang, «Finding Arc and Vertex-Disjoint Paths in Networks,» Eighth IEEE International Conference on Dependable, Autonomic and Secure Computing, Chengdu, 2009.
SAÜ Fen Bil Der 19. Cilt, 2. Sayı, s. 211-217, 2015
M. E. Berberler, Z. N. Berberler
[2] W. Kocay ve D. Kreher, Graphs, Algorithms, and Optimization, Florida: Chapman&Hall/CRC, 2005. [3] K. R., Complexity of Computer Computations, New York: Plenum Press, 1972. [4] M. Dahshan, «Maximum-Bandwidth NodeDisjoint Paths,» (IJACSA) International Journal of Advanced Computer Science and Applications, cilt 3, no. 3, pp. 48-56, 2012. [5] D. Dolev, C. Dwork, O. Waarts ve M. Yung, «Perfectly secure message transmission,» The Journal of the ACM (JACM), cilt 40, no. 1, pp. 1747, 1993. [6] S. DaeHo ve M. Thottethodi, «Disjoint-path routing: Efficient communication for streaming applications Parallel & Distributed Processing,» IEEE International Symposium, Rome, 2009. [7] L. Lipták, E. Cheng, J. Kim ve S. Kim, «One-tomany node-disjoint paths of hyper-star networks,» Discrete Applied Mathematics, cilt 16, no. 13-14, pp. 2006-2014, 2012. [8] C. Lai, «Optimal Construction of All Shortest Node-Disjoint Paths in Hypercubes with Applications,» IEEE Transactions on Parallel and Distributed Systems, cilt 23, no. 6, pp. 1129-1134, 2012. [9] Y. Xiang ve I. Stewart, «One-to-many nodedisjoint paths in (n,k)-star graphs,» Discrete Applied Mathematics, cilt 158, no. 1, pp. 62-70, 2010. [10] K. Kaneko ve Y. Suzuki, «Node-to-Set Disjoint Paths Problem in Pancake Graphs,» IEICE TRANSACTIONS on Information and Systems, Cilt E-86D, no. 9, pp. 1628-1633, 2003. [11] J. Bondy ve U. Murty, Graph Theory with Applications, North Holland: Elsevier Science, 1982. [12] E. Nasibov, M. Berberler ve C. Atılgan, «An Efficient Algorithm for Exact Solution of Maximum Independent Set Problem in Dense Graphs,» 3rd International Symposium on Computing in Science and Engineering, Aydın, 2013.
217
SAÜ Fen Bil Der 19. Cilt, 2. Sayı, s. 219-233, 2015
Kontenjans tablolarının analizinde log-lineer modellerin kullanımı ve sigara bağımlılığı üzerine bir uygulama Sevgi Yurt Öncel1*, Funda Erdugan2 04.02.2015 Geliş/Received, 26.04.2015 Kabul/Accepted ÖZ İki yönlü kontenjans tabloların istatistiksel analizlerinde ki-kare analizi kullanılmakta ancak daha büyük boyutlu kontenjans tabloların analizinde yetersiz kalmaktadır. Üç veya daha çok boyutlu kontenjans tablolarında ilişki yapılarının belirlenmesi için log-lineer modeller kullanılabilir. Log-lineer modeller yardımıyla nitel değişkenler arasındaki etkileşimler sorgulanabilmektedir. Bu çalışmada log-lineer modeller incelenmiş ve sigara bağımlılığını açıklayabilmek için uygulamalar yapılmıştır. Anahtar Kelimeler: FTND (nikotin bağımlılığı için fagerström testi), kategorik veri, kontenjans tabloları, ki-kare analizi, log-lineer analiz, sigara içme durumu
Using log-linear models in the analysis of contingency tables and an application on the smoking addiction ABSTRACT Two-way cross tables are used chi-square analysis of statistical analysis, but is insufficient for the analysis of larger cross tables. Log-linear model can be used to determine the structure of three or more multi-dimensional cross-table relationships. Loglinear model can be queried with the help of more interaction between qualitative variables. Loglinear models examined in this study and application is made to explain the smoking addiction Keywords: categorical data, chi-square analysis, contingency tables, ftnd (fagerstrom test for nicotine dependence), log-linear models, smoking status.
*
Sorumlu Yazar / Corresponding Author 1 Kırıkkale Üniversitesi, Fen-Edebiyat Fakültesi, İstatistik Bölümü, Kırıkkale - syoncel@gmail.com 2 Kırıkkale Üniversitesi, Fen-Edebiyat Fakültesi, İstatistik Bölümü, Kırıkkale - ferdugan@gmail.com
S. Y. Öncel, F. Erdugan
Kontenjans tablolarının analizinde log-lineer modellerin kullanımı ve sigara bağımlılığı üzerine bir uygulama
1. GİRİŞ (INTRODUCTION)
Kategorik verinin pek çok alanda önemli bir yerinin olduğu bilinmektedir. Yatay (satır) ve düşey (sütun) eksenlerde değişkenlere ait gözlenen frekans değerleri yazılarak elde edilen tablolara kontenjans (olumsallık) tablosu denir. İlgilenilen tüm değişkenler kategorik olduğunda veriler, kontenjans tabloları ile özetlenebilir. Kategorik verilerle yapılan çalışmalarda güdülen amaç, çeşitli kontenjans tabloları düzenlemek ve düzenlenen tablolar üzerinde yapılacak analizlere dayanarak değişkenler arasındaki karmaşık ilişki yapılarını ortaya çıkartmak ve araştırılan konuyla ilgili daha doğru ve daha kapsamlı bilgi sahibi olmaktır. Bu amacı gerçekleştirmenin bir yolu da kontenjans tablosunun boyutlarını oluşturan değişkenlerin açıklanan değişken üzerindeki ana etkilerini, iki değişkenli etkileşim etkilerini ve üç değişkenli etkileşim etkilerini kestirmek, sınamak ve en uygun log-lineer modelle ifade etmektir. Günümüzün en önemli sağlık sorunlarından birisi sigara bağımlılığıdır. Sigara tüketimi dünyada ve Türkiye’de başta solunum sistemi olmak üzere çeşitli hastalıklara neden olan önemli bir halk sağlığı sorunudur. Sigara bağımlılığı da diğer birçok bağımlılık gibi, hem genetik hem de çevresel yönleri olan kompleks bir davranıştır[15]. WHO Avrupa Bölge Raporuna göre, 2009 yılında, ABD'de yetişkinler arasında sigara içenlerin sayısı (erkek % 26,4, kadın % 22,3) % 24,3 olarak tahmin edilmiştir. İskandinav ve bazı Batı Avrupa ülkelerinde, kadınlar ve erkekler için sigara oranları benzer ve gittikçe azalıyor. Örneğin, erkek ve kadın sigara içenlerin oranları sırasıyla Norveç'te % 31 ve % 28, İrlanda’da % 31 ve % 26, Hollanda’da ve Finlandiya'da % 28 ve % 22’dir. Orta ve Güney Avrupa'da, erkeklerin sigara içmesi kadınlardan daha fazladır. Erkeklerin kadınlar karşı sigara içme oranları Yunanistan’da % 63’e % 41, Avusturya'da % 47’ye % 45 ve Bulgaristan’da % 48'e % 27 dir. Dünya Sağlık Örgütü (WHO) (2009)’nün Küresel Yetişkin Tütün Araştırmasına göre, tüm bireylerin (erkeklerde % 47,8, kadınlarda% 15,1) arasında Türkiye'de de düzenli sigara içme oranı 31,1 olarak tahmin edilmektedir [6-7]. Sigara bağımlılığının genetiğinde klasik Mendelyen kalıtım örüntüsü izlenmemektedir. İkizlerle yapılmış 14 farklı çalışmanın değerlendirildiği bir çalışmada nikotin bağımlılığının %60 genetik, %20 ailesel, %20 çevresel faktörlerden kaynaklandığı ifade edilmiştir. Yapılan çalışmalar sigara bağımlılığının gelişiminde; çevresel faktörlerin sigara içmeye başlama ile genetik faktörlerin ise düzenli içicilikten bağımlılığa geçişte daha belirgin bir rol oynadığını göstermiştir [3]. Bricker ve ark. [8] nın çalışmalarına göre yakın arkadaş, kardeş ve anne-babanın sigara kullanması, çocuklarının 220
sigara kullanması üzerindeki en büyük etkilerdi. ElSharkawy [9] çalışmasında belirtmiştir ki cinsiyetin erkek olması sigara bağımlılığını artıran bir risk faktörüdür. Öncel ve arkadaşları [10]’nın çalışmalarına göre sigara içen bir kişi olma riski, kadınlara göre erkeklerde 2,26 kat daha fazlaydı. Sigara içen bir kardeşe sahip olmak 1,95 kat, alkol kullanan bir kişi olmak 2,11 kat sigara içme riskini artıran faktörler olarak bulunmuştur. Aynı çalışmada, yaşları arasındaki fark 0-7 olan aynı cinsiyetten kardeşler arasında yapılan incelemelere göre sigara içen bir kardeşinin olması kadınlarda 4,7 kat, erkeklerde 5 kat sigara içme riskini artırdığı belirtilmiştir [10-11]. Sigara bağımlılığı araştırmalarında kullanılan yaygın yöntemlerden biri anket formuyla toplanan verilerden yola çıkarak kitle hakkında sonuç çıkarmaktır. Bu anket formlarında yer alan iki nitel değişken arasındaki ilişki klasik kontenjans tablo analizleri ile incelenebilir, ancak bu yöntem, ikiden fazla değişkenin ilişkisini aynı modelde inceleyebilmek için yetersiz kalmaktadır. Literatürde kategorik verilerin araştırılması amacıyla, 3 yönlü kontenjans tablolarında log-lineer modellerin kullanımı ile ilgili yapılmış birçok çalışma mevcuttur. Bu çalışmalarda genellikle ilgilenilen değişkeni etkileyen faktörler, uygun bir log-lineer model ile açıklanmaya çalışılmış ve anlamlı bulunan sonuçların yorumlanması ile ilgilenilmiştir. Bunlardan bazıları ise kısa bir şekilde özetlenmiştir. Erbaş ve İçöz [12] çalışmasında, 1994 yılı adalet istatistiklerini kullanarak modelin bir uygulamasını yapmıştır. Bülbül [13] çalışmasında, çok boyutlu çapraz tabloların çözümlenmesinde logaritmik doğrusal modellerin kullanımını, 6-17 yaş çocuk işgücüne ilişkin yerleşim yeri, çalışılan sektör ve cinsiyet kategorik değişkenlerinden oluşan üç boyutlu kontenjans tablosu üzerinde, verilere en uygun modeli belirleyerek model parametreleri ve birlikteliklerin hücre frekansları üzerindeki etkilerini incelemiştir. Altaş ve ark. [14] çalışmasında yurtdışında çalışıp Türkiye’ye dönen akademisyenler üzerinde elde edilen verilerden yararlanarak değişkenler arasındaki ilişki yapısını loglineer analiz ile incelemiştir. Filiz [15], üniversite öğrencilerinde sigara, alkol ve nargile içme sıklığını belirlemek ve bunları etkileyen risk faktörlerini incelemek amacıyla yaptığı çalışmasında log-lineer modelleri kullanmıştır. Farklı değişkenler için, üç yönlü kontenjans tablolarında oluşturulabilecek log-lineer modeller arasından uygun modelin seçimi üzerine çalışmış ve günlük içilen sigara sayısının, kardeş sayısı ve ailenin sosyal durumundan etkilenmediği, cinsiyet, yaş, barınma şekli ve sigara cinsinden etkilendiği sonucuna ulaşmıştır. Bu çalışmada ise sigara ile yapılmış diğer çalışmalardan farklı olarak özellikle sigara bağımlılık düzeyi değişkeni ele alınmış, bu değişken ile SAÜ Fen Bil Der 19. Cilt, 2. Sayı, s. 219-233, 2015
Kontenjans tablolarının analizinde log-lineer modellerin kullanımı ve sigara bağımlılığı üzerine bir uygulama
S. Y. Öncel, Erdugan
cinsiyet ve ebeveynlerin sigara içme durumu değişkenleri arasındaki ilişki yapısı araştırılmıştır Şıklar ve ark. [16] çalışmasında üniversite akademik personelinin iş tatminleri ve duygusal tükenmişliklerini log lineer analiz ve uyum analizi ile ele almıştır. Mete ve Ünsal [17], kategorik veriler için log-lineer modelleri kullanarak göç istatistikleri üzerine bir çalışma yapmışlardır. Yılmaz ve Aktaş [18], trafik kazalarını üç boyutlu kontenjans tablolarının log-linear modeller analizi ile açıklamışlardır. Bu çalışmada öncelikle iki boyutlu daha sonra da üç boyutlu kontenjans tabloları için log-lineer modellerin matematiksel yapısı tartışılmış ve son olarak da söz konusu modellerin kullanımı bir uygulama ile açıklanmıştır. Uygulamada, cinsiyet, ebeveynlerin sigara içme durumu ve nikotin bağımlılık düzeyi değişkenleri ile kurulan modellerde sigara bağımlılığı açıklanmaya çalışılmıştır. 2. LOG-LİNEER ANALİZ İLE İLGİLİ GENEL BİLGİLER (GENERAL INFORMATION ABOUT LOG-LINEAR ANALYSIS) İstatistiksel veri analizinin en önemli aşamalarından birisi değişken yapılarına göre uygulanacak analiz yöntemlerinin seçilmesidir. Bu çalışmada kesikli çok değişkenli veri analizleri yapılacaktır. Nitel değişkenlerden elde edilen kategorik verilerin kontenjans tablolarda gösterimi sıkça kullanılır. Bu tabloların en basiti iki yönlü olanlardır. Bu tablolarda, analiz bir tek hipotezi test eder ve durur. Daha ileri gitmek mümkün olamaz. Genelde pratikte veriler üç veya daha fazla sayıda değişkenlerin oluşturduğu kontenjans tablolar ile ifade edilirler. Böyle çok boyutlu tabloların analizinde uygun modeller kurulurken değişkenlerin karşılıklı bağımsızlığına, koşullu bağımsızlığına ve kısmi bağımsızlığına dair hipotezler kurulur. Çok boyutlu tabloların analizinde kullanılan istatistik modeller ise log-lineer modeller, lojistik modeller, probit modeller v.b dir [19-23]. İki kategorik değişken arasındaki ilişkinin incelendiği kontenjans tablo analizleri, değişken sayısı ikiden fazla olduğunda yetersiz kalmaktadır. Bu nedenle çok boyutlu tabloların analizinde kategorik değişkenlerin birbirleriyle olan etkileşimlerine ve değişkenlerin tek başına anlamlılığına dair hipotez testlerinin yapıldığı log-lineer analizler kesikli çok değişkenli analizler arasında önemli bir yere sahiptir. Kontenjans tablolarında log-lineer analizi, sürekli dağılıma sahip faktörün yanıt değişkenleri ile açıklandığı, varyans analizine (ANOVA) benzerdir. Log-lineer analiz, en iyi modelin bulunmasında ve kurulan modelin anlamlılığının test edilmesinde de kullanılanılır [22]. Bu çalışmada en iyi modelin elde
SAÜ Fen Bil Der 19. Cilt, 2. Sayı, s. 219-233, 2015
edilmesi konusu işlenmemiştir. Öncel ve arkadaşları [1011]’nın çalışmalarında anlamlı bulunan değişkenler için log-lineer analiz yapılarak model parametreleri ve etkileşim terimleri için parametre tahmini ve anlamlılıkları araştırılmıştır. Genel log-lineer model, kontenjans tablo içindeki her bir hücre frekansının logaritmasını, tabloda mevcut olan değişkenler arasındaki mümkün her etkileşimin bir doğrusal kombinasyonu olarak ifade eder. Kategorik değişkenlerden oluşan verilerin araştırılmasında ve bir değişkenin ya da değişkenlerin kombinasyonunun etkisinin gösterilmesinde, veri yapılarının bileşen parçalarına ayrılmasında yararlıdır. Ayrıca log-lineer analizi, parametre tahminlerinin elde edilmesini sağlamasının yanı sıra araştırıcıya karmaşık bir çoklu kontenjans tablonun içerdiği bilgiyi kısaltma olanağı da verir. Yani verinin daha sade bir formla temsil edilip edilemeyeceğini gösterir [21]. Log-lineer modelin matematiksel yönünü tartışmak için öncelikle boyutlu iki yönlü, sonrasında ise I J K boyutlu üç yönlü kontenjans tabloları ele alınmıştır. 2.1. İki Yönlü Kontenjans Tablolarında Log-Lineer Analiz (Log-Linear Analysis of Two-Way Contingency Tables)
İki yönlü ve I J boyutlu tabloların genel hali için loglineer modeli göz önüne alınsın. Satırda yer alan i 1, , I düzeyli kategorik değişken A ile, sütunda yer alan j 1, , J düzeyli kategorik değişken ise B ile gösterilsin. Bu durumda kontenjans tablosu Tablo 1. İki yönlü I J boyutlu log-lineer model (Two-way I J dimensional log-linear model) 2. Değişken (B)
1. 1 Değişken 2 (A) I Toplam
1
2
J
Toplam
f11
f12
f1J
f1
f21
f22
f2J
f2
fI1
fI 2
fIJ
fI
f1
f2
fJ
f
fij , A değişkeninin i .inci düzeyi ile B değişkeninin j .inci düzeyinde yer alan şeklinde olacaktır. Burada
lij ln fij hücrenin gözlenen frekans değeridir. olmak üzere, I J boyutlu tabloların doymuş (saturated) loglineer modeli 221
Kontenjans tablolarının analizinde log-lineer modellerin kullanımı ve sigara bağımlılığı üzerine bir uygulama
S. Y. Öncel, F. Erdugan
AB lij iA B j ij , i 1,, I ; j 1,, J (1)
biçimindedir. Burada sırasıyla, frekans tablosundaki A tüm gözelerin logaritmalarının ortalama değeri, i , A B değişkeninin i. inci düzeyinin ana etki parametresi; j , B değişkeninin j. inci düzeyinin ana etki parametresi ve ijAB , AB değişkenlerinin etkileşimlerinin i. ve j. kombinasyon düzeyinin etki parametresini göstermektedir. Sabit etkili ANOVA modeline paralel olarak log-lineer modelde de değişkenlerin kategorilerine ait katsayıların toplamları sıfıra eşittir. Yani model için kısıtlar A B AB AB (2) i j ij ij 0 i j i j şeklindedir. Model, tablodaki hücrelerin toplam sayısı yani I J kadar parametreye sahiptir. Bu parametrelere
değişim göz önünde bulundurulur. Varyans analizi modellerinde denemeler kategorik değişkenlerdir ve bu değişkenler sınıflandırılmış veya sıralanmış olabilir. Bu deneme düzeylerinde ölçme ile elde edilmiş verinin normal dağılıma sahip olması ANOVA’nın temel varsayımıdır. (3) eşitliği ile gösterilen model iki yönlü, etkileşimli varyans analizi modelidir. Eğer elimizde kategorik değişkenlerin her bir düzeyine ait frekans verisi varsa o zaman normal dağılım varsayımı gerektirmeyen log-lineer model kullanımı uygundur. Log-lineer modelde frekansların kendisi yerine doğal logaritmaları alınarak analiz yapılır. Varyans analizinde , i , j ve
ij terimleri ile gösterilen deneme etkileri, log-lineer A
Tablo 2. İki yönlü log-lineer model ve ANOVA modelinde tahmin ediciler (Estimators in two-way log-linear model and ANOVA model)
ij
frekans
toplamları
li ln fij
ve
j
l j ln f ij olmak üzere log-lineer modelin i
parametrelerinin tahmin edicileri Tablo 2’de verildiği gibidir. Ayrıca, bu tabloda log-lineer model ile ANOVA arasındaki benzerliğe dikkat çekmek için ANOVA etkilerine ait tahmin ediciler de verilmiştir. Gruplar arası farklılığın incelendiği ANOVA modellerinde deneme etkileri ve etkileşimlerinin yer aldığı model (3) X ijk i j ij eijk
biçimindedir. Varyans analizinde deneme etkilerini hesaplarken deneme ve blok ortalamaları etrafındaki
AB
ait tahminler ise genel frekans toplamı l ln fij marjinal
B
modellerde , i , j ve ij ile gösterilir.
ˆijAB
Log-lineer model etkileri l ˆ IJ l l ˆiA i J IJ l l ˆ jB j J IJ l l l j lij i lij ˆ ˆiA ˆ jB J I IJ ANOVA etkileri ˆ X ..
ˆi X i. X .. ˆ j X . j X .. ˆ ˆij X ij X i. X . j X .. Parametrelerin anlamlılığını araştırmak için Tablo 2’de verilen tahmin edicilerin asimptotik varyansları,
222
SAÜ Fen Bil Der 19. Cilt, 2. Sayı, s. 219-233, 2015
Kontenjans tablolarının analizinde log-lineer modellerin kullanımı ve sigara bağımlılığı üzerine bir uygulama
S. Y. Öncel, Erdugan
Var ˆrA
Var ˆcB
Var ˆsC
IJK
I J K 2 J K 1 1 j 1 k 1 f rjk i r j 1 k 1 f ijk
2
I J K 2 I K 1 1 i 1 k 1 f ick i 1 j c k 1 f ijk
2
J J K 2 I J 1 1 i 1 j 1 f ijs i 1 j 1 k s f ijk
1
IJK 1
IJK
Var ˆrcAB
2
1
1
IJ
ABC Var ˆrcs
2
J I I J 1 1 1 2 1 2 2 f rc j c f rj ı r f ic i c j r f ij
1
IJK J
2
2
I J K 1 1 1 2 1 2 2 2 f rcs i r f ics j c f rjs k s f rck
K
j c k s
I K I J I J K 1 1 1 1 2 2 f rjk i r k s f ick i r j c f ijs i r j c k s f ijk
formülleri ile hesaplanır. Burada I 1 , =J -1 , K 1 , r 1, , I , c 1, , J , s 1, , K dır. (4) eşitliğinde yer alan formüller, diğer ikili ve üçlü etkileşimler için benzer şekildedir. Bu parametrelerin anlamlılığını test etmek için
Z ˆ
(4)
ˆ
(5)
Var ˆ
formülü ile Pearson
2 istatistiği temeline dayanır.
Genelde G 2 istatistiği 2 ’ye göre daha çok tercih edilir.
G 2 testinin genel gösterimi fij G 2 2 f ij ln F ij
(7)
2 2 hem de G 2 testleri I 1 J 1 serbestlik dereceli biçimindedir. Kullandığımız model doğru ise hem
(5) formulu ile verilen test istatistiğinin hesaplanan Z değeri, (standart normal dağılım tablosundan ’lık alana karşılık gelen değer) tablo değeri ile karşılaştırarak karar verilir. Hesaplanan değerin mutlak değeri, tablo değerinden büyükse ilgilenilen parametrenin anlamlı olduğu sonucuna varılarak model-denkleminde bu parametreye yer verilir [23]. Şimdiye kadar verilerin modele iyi uyduğunu varsayarak log-lineer modellerle elde edilen parametre tahminlerini inceledik. Gerçekte test edilmesi gereken bir başka nokta da log-lineer modelin gözlem değerlerine iyi uyup uymadığıdır. Bu işlem önerilen model için beklenen değerlerin tahmin edilmesini ve bu değerlerin gözlenen değerlerle Pearson 2 veya olabilirlik oranı (likelihood ratio) G 2 testleri kullanılarak karşılaştırılmasını içerir. Yani belirli bir modelin verilere uyup uymadığını gösteren hipotezin testi, f ij : gözlenen değer, Fij : beklenen değer olmak
dağılımına sahiptir [22]. Uygulama olarak 2 yönlü 3 3 tipindeki bir kontenjans tablosu için kurulan log-lineer modelin parametre tahminleri ve yorumları Bölüm 3.1 de ayrıntılı bir şekilde verilmiştir.
üzere
k 1, 2,, K ilgili değişkenlerin kategorik düzeyini
2 i
j
f
ij
Fij Fij
2
(6)
SAÜ Fen Bil Der 19. Cilt, 2. Sayı, s. 219-233, 2015
2.2 Üç Yönlü Kontenjans Tablolarında Log-Lineer Analiz ( Log-Linear Analysis of Three-Way Contingency Tables)
Sırasıyla i 1, 2, , I ; j 1, 2,, J ; k 1, 2,, K indisli A, B, C değişkenleri ile gösterilen üç yönlü I J K boyutlu bir kontenjans tablosu için doymuş bir log-lineer model
lijk iA jB kC ijAB ikAC jkBC ijkABC
(8) ve kontenjans tablosu Tablo 3 ile verilmiştir. (2) eşitliği ile verilen kısıtlar bu modelde üç değişken için de j 1, 2,, J ; geçerlidir. Tabloda i 1, 2,, I ; göstermek üzere, i, j, k gözesinin gözlenen frekansı
223
Kontenjans tablolarının analizinde log-lineer modellerin kullanımı ve sigara bağımlılığı üzerine bir uygulama
S. Y. Öncel, F. Erdugan
fijk ile gösterilmiştir. Bu model için ana etki, ikili ve üçlü etkileşim parametreleri için tahmin ediciler ise Tablo 4’de verilen eşitlikler yardımı ile bulunur. Tablo 3. Üç yönlü I J K boyutlu log-lineer model (Threeway I J K dimensional log-linear model) A 1
B 1 2
J 2
1 2
J
f111
C 2 f112
f121
f121
1
f1JK
f1J
f211 f221
f212 f222
f21K f22K
f21 f22
f2J1
f2J 2
f2JK
f2I
I
fI11
fI12
fI 21
fI 22
Toplam
f12
f1J 2
J
f12K
f11K
Toplam f11
K
f1J1
1 2
fI1K
fI1
fI 2K
fI 2
fIJ1
fIJ 2
fIJK
fIJ
f1
f 2
f K
f
Üç boyutlu tablolar için yorumlanan logaritmik doğrusal modeller daha fazla değişken içeren tablolar için de genişletilebilir. Ancak değişken sayısının artması ilişki ve etkileşim terimlerinin yorumlanmasını, test edilmesi gereken hipotezlerin oluşturulmasını ve en iyi model seçim sürecini daha karmaşık ve zor yorumlanabilir bir hale sokmaktadır [19-23]. Bu nedenle Bölüm 3 de çalışmanın uygulama kısmına geçilmiştir. 3. UYGULAMA (APPLICATION) İki ve üç yönlü kontenjans tablolarının incelenmesinin hedeflendiği bu çalışma için uygulama verileri Kırıkkale Üniversitesi Fen-Edebiyat Fakültesi İstatistik Bölümü son sınıf öğrencilerinin gönüllü olarak çalışmaya katılmalarıyla toplanmıştır. Öğrencilerimiz kendi arkadaş, akraba ve komşu çevrelerindeki kişilere anket
yapmışlardır. Ankete katılmak istemeyen olmamıştır. Veriler yüz yüze görüşülerek anket formundaki soruların cevaplandırılması yöntemi ile elde edilmiştir. Her bir bireye ayrı ayrı anket formu doldurulmuştur. Verilerin toplanması ve SPSS 20 programına girilmesi 3 ay sürmüştür. Toplanan tüm veriler, veri kalite kontrolüne tabi tutulmuştur. Çalışmada kullanılmak üzere 33 ana sorudan oluşan bir anket formu tasarlanmış ve tasarımda benzer çalışmalar yapan kişilerin kullandıkları ulusal ve uluslararası anket formlarından yararlanılmıştır. Sorular hazırlanırken kendi toplumsal özelliklerimiz göz önüne alınmıştır. Bazı anket sorularının kendi alt şıkları da bulunabilmektedir. Daha önceki araştırmaların kullandığı sorulara ek olarak bireylerin sigara kullanımını etkileyebileceğini düşündüğümüz bazı sosyoekonomik koşulları belirleyebilmek için özel sorular hazırlanmıştır. Verilerin toplanması ve anketlerin yapılabilmesi için Kırıkkale Üniversitesi Etik Kurul onayı bulunmaktadır. Bireylerin her birine ayrı ayrı anket formu doldurtularak sosyodemografik bilgileri toplanmıştır. Yaş, cinsiyet, sigara içme durumu, ebeveynlerin sigara içme durumu hakkında sorular sorulmuştur. Nikotin bağımlılığı her sigara içende aynı düzeyde değildir. Nikotin bağımlılığı seviyesini değerlendirmek için çeşitli yöntemler geliştirilmiştir. En çok bilinen yöntem Fagerström Nikotin Bağımlılığı Testi (Fagerström Test for Nicotine Dependence -FTND) olarak bilinen ölçektir [24]. İsveçli psikolog Karl O. Fagerström tarafından nikotine olan bağımlılığın düzeyini saptamak amacıyla geliştirilmiştir. Sigara bağımlılığının düzeyini gösteren FTND skoru 6 soruya dayanmaktadır. Her cevabın 0-3 arası puanı vardır. Sigaraya bağımlılık arttıkça bu ölçekten alınan puan da artmaktadır. FTND sorularının cevaplarına göre, 0–3 puan düşük nikotin bağımlılığı, 4–6 puan orta derecede nikotin bağımlılığı, 7 ve üzeri bir puan güçlü bağımlılığı işaret eder. Bu şekilde kategorize edilmiş ordinal bağımlılık düzeyi değişkeni çalışmada FTND2 ismiyle kullanılmıştır. Buna göre 4 ve üzeri bir puan nikotin bağımlılığının var olduğunun bir işareti olarak kabul edilir.
Tablo 4. Üç yönlü log-lineer modelde tahmin ediciler (Estimators in three-way log-linear model)
ˆijkABC 224
Parametrelerin tahmin edicileri l ˆ IJK l ˆiA i ˆ JK l l l ˆijAB ij i j ˆ K JK IK lij li k l jk li l j l k ˆ lijk K J I JK IK IJ SAÜ Fen Bil Der 19. Cilt, 2. Sayı, s. 219-233, 2015
Kontenjans tablolarının analizinde log-lineer modellerin kullanımı ve sigara bağımlılığı üzerine bir uygulama
S. Y. Öncel, Erdugan
Cinsiyet Ebeveynin sigara içme durumu FTND2
3.Düzey
2.Düzey
1.Düzey
Tablo 5. Değişkenlere ait düzeyler (Levels of variables Risk Faktörleri
Değişke n isimleri
Bu çalışma için 745 bireye anket yapıldı. Bunlardan 447 (%60,1)’si erkek, 297 (%39,9)’si kadındı. Anket sonuçlarına göre, erkeklerden 290 kişi (%64,9), kadınlardan 127 kişi (%42,8) bir ay veya daha uzun süreden beri her gün sigara içen kişilerdi. Ailesinden kimse sigara içmemesine rağmen 103 (%42,4) kişi sigara içen kişilerdi. Sigara kullanan bireylerin yaşı, ne kadar süredir sigara içtiği (ay), günlük içilen sigara sayısı ve ftnd skoru için hesaplanan ortalama (standart sapma), erkeklerde sırasıyla 35 (11), 148 (125), 18 (9), 4.56 (2,29) kadınlarda ise 30 (10), 98 (89), 13 (7), 3.53 (2,72) olarak bulunmuştur. Sigara içen bireylerin cinsiyete göre sigara içmeye başlama nedeni olarak erkeklerde arkadaş etkisi %44,1, merak %28,6, özenti %27,2, stres %22,4, ortama uyum sağlama %14,8, ailenin diğer bireylerinin de sigara tüketmesi %7,9, filmler %3.4 ve reklamların etkisi %1,4 iken kadınlarda arkadaş etkisi %48, merak %34,6, özenti %22,8, stres %38.6, ortama uyum sağlama %15, ailenin diğer bireylerinin de sigara tüketmesi %7,1, filmler %0.8 ve reklamların etkisi %0,8 olarak bulunmuştur. Erkeklerde ilk sigaraya başlama yaşı en az 11 iken kadınlarda bu değer 15’dir. Ortalama erkekler 18 yaşında sigaraya başlarken kadınların 20 yaşında başladığı görülmüştür. Anne veya babanın ikisinin de sigara içmemesi veya her ikisinden yalnız birinin sigara içmesi veya her ikisinin de sigara içmesi şeklinde kategorik değişken olarak alınan ebeveynlerin sigara içmesi durumu ile bireyin sigara içmesi veya içmemesi durumunun birlikte değişiminin incelenmesi için kontenjans tablo analizi yapılmıştır. Analiz sonuçlarına göre Ki-kare hesap değeri 15,261 ( p 0, 05 ) olarak bulunmuştur. Buna göre bireyin sigara içmesi ebeveynlerinin sigara içmesinden bağımsız değildir, aralarındaki ilişki ise 0,265 (Gamma değeri)’ dir.
C B
Kadın ikisi de içmiyor
Erkek biri içiyor
- ikisi de içiyor
A
0-3
4-6
7+
Bu değişkenlere ilişkin kontenjans tablosu Tablo 6’da verilmiştir. Bu kesimde, iki yönlü kontenjans tablosunun değerlendirilebilmesi için akla gelen ilk klasik analizler; bağımsızlık testi, dağılıma uyum iyiliği analizi, koşullu bağımsızlık testleri uygulamalı ele alınacaktır. Sadece A ve B değişkenlerinin oluşturduğu kontenjans tablosu olmak üzere “ H 01 : A ile B değişkenleri birbirinden bağımsızdır “ , “ H11 : A ile B değişkenleri birbirinden bağımsız değildir” hipotezlerini test etmek için gözlenen ( f ) ve beklenen (teorik) ( F ) frekanslar, Tablo 7’de verilmiştir. Tablo 6. A ve B değişkenleri için iki yönlü kontenjans tablosu (Two-way contingency tables for A and B variables)
B
A
0-3
İkisi de içmiyor 53
Biri içiyor 30
İkisi de içiyor 12
4-6
69
52
20
7+
29
24
12
3.1 İki Yönlü Kontenjans Tablolarında Analiz (Analysis of two way contingency tables) 3.1.1 Klasik Ki-kare Analizleri (Classical Chi-square Analysis)
Çalışmada kullanılacak olan değişken isimleri ve değişkenlere ait düzeyler ise Tablo 5’de verilmiştir. Burada FTND2, az bağımlı (0-3), orta bağımlı (4-6) ve çok bağımlı (7+) olacak şekilde üç düzeyli değişken; ebeveynin sigara içme durumu, ebeveynlerin hiç biri sigara içmiyor, ebeveynlerden yalnızca birisi sigara içiyor ve her ikisi de sigara içiyor şeklinde üç düzeyli değişken; cinsiyet ise kadın, erkek olacak şekilde iki düzeyli değişkendir. Çalışmanın bundan sonraki bölümlerinde (1)-(8) eşitlikleriyle verilen formüllerde kullanım kolaylığı olması bakımından, bu değişkenler sırasıyla A, B, C isimleriyle anılacaktır. SAÜ Fen Bil Der 19. Cilt, 2. Sayı, s. 219-233, 2015
Tablo 7. Bağımsızlık durumunda değişkenlerin gözlenen ve beklenen frekansları (Observed and expected frequencies of the variables in case of independence) B Toplam 1 2 3 1 53 30 12 95 f1 j 47,7 33,5 13,9 95,0 F1 j A 2 69 52 20 141 f 2j
F2 j
70,7
49,7
20,6
141,0
f3 j
29
24
12
65
F3 j
32,6
22,9
9,5
65,0
f j
151
106
44
301
3
Toplam
225
Kontenjans tablolarının analizinde log-lineer modellerin kullanımı ve sigara bağımlılığı üzerine bir uygulama
S. Y. Öncel, F. Erdugan
f ij (7) eşitliği ile verilen G 2 2 f ij ln Fij olarak hesaplanmıştır. Bu değer
2, 255263
3 1 3 1 4
serbestlik dereceli (sd)’li ki-kare tablo değeri ile karşılaştırıldığında 20.05;4 9, 49 2, 255263 olduğundan H 01 hipotezi red edilemez. Yani FTND2 değişkeni ile ebeveynlerin sigara içme durumu değişkenleri birbirinden bağımsız değişkenlerdir. Bu iki değişken arasında bir ilişki yoktur. Literatürde yer alan pek çok çalışmada yer alan genetik araştırmalarla elde ettiğimiz bu sonucun ters düşmesi nedeniyle daha ileri analizlerin yapılmasına gerek görülmüştür [3,6,7,10]. Bu şekilde elde edilmiş frekans verisi için dağılıma uyum iyiliği analizi için kurulan hipotez ise “ H 02 : Sigara içen
bağımsızlık analizi için kurulan hipotez ise “ H 03 : Sigara içen bireylerin FTND2 düzeyleri arasında anlamlı bir fark yoktur.”, “ H13 : Sigara içen bireylerin FTND2 düzeyleri arasında anlamlı bir fark vardır.” biçimindedir ve H 03 hipotezinin doğru olduğu varsayımı altında koşullu bağımsızlık için beklenen frekanslar Tablo 9’da verilmiştir. Tablo 9. Birinci koşullu bağımsızlık durumunda değişkenlerin beklenen frekansları (The expected frequencies of the variables in the first case of conditional independence) B Toplam 1 2 3 1 53 30 12 95 f1 j 50,3 35,3 14,7 95 F1 j 2 69 52 20 141 f1 j A 50,3 35,3 14,7 141 F 1j
3
bireylerin 9 gözeye dağılımı rasgeledir.”, “ H12 : Sigara içen bireylerin 9 gözeye dağılımı rasgele değildir.” biçimindedir. H 02 hipotezinin doğru olduğu varsayımı altında, beklenen frekanslar
301 33, 44 biçiminde 9
olacaktır. Tablo 8. Dağılıma uyum iyiliği analizinde değişkenlerin gözlenen ve beklenen frekansları (The observed and expected frequencies of the variables in goodness of fit analysis) B Toplam 1 2 3 1 53 30 12 95 f1 j 33,4 33,4 33,4 F1 j A 2 69 52 20 141 f 1j
3
Toplam
F1 j
33,4
33,4
33,4
f1 j
29
24
12
65
F1 j
33,4
33,4
33,4
f j
151
106
44
301
F j
151
106
44
verilmiştir. (7) eşitliği ile verilen G 2 94,96273 dir. Bu test istatistiği değeri 9 1 8 serbestlik dereceli kikare
tablo
değeri
ile
24
12
65
F1 j
50,33
35,33
14,7
65
151
106
44
301
Toplam
2
(7) eşitliği ile verilen G 31,72672 dir. Bu test istatistiği değeri 6 serbestlik dereceli ki-kare tablo değeri ile karşılaştırılır. 20.05;6 12, 6 31, 72672 olduğundan
H 03 hipotezi red edilir. Yani çalışmamızda yer alan sigara içen bireylerin FTND2 düzeyleri arasında anlamlı bir fark vardır. Tablo 6’daki gibi elde edilmiş frekans verisi için ebeveynlerin sigara içme durumları arasında anlamlı bir farklılık olup olmadığını araştıran koşullu bağımsızlık analizi için kurulan hipotez ise “ H 04 : Sigara içen bireylerin ebeveynin sigara içme durumu arasında anlamlı bir fark yoktur.”, “ H14 : Sigara içen bireylerin ebeveynin sigara içme durumu arasında anlamlı bir fark vardır”biçimindedir. Ayrıca H 04 hipotezinin doğru olduğu varsayımı altında koşullu bağımsızlık için beklenen frekanslar Tablo 10’da verilmiştir.
karşılaştırılır.
edilir. Yani, sigara içen bireylerin 9 gözeye dağılımı rasgele değildir.
Tablo 6’daki gibi elde edilmiş frekans verisi için FTND2 düzeyleri arasında fark olmadığını araştıran koşullu 226
29
20.05;8 15, 5 94,96273 olduğundan H 02 hipotezi red
f1 j
SAÜ Fen Bil Der 19. Cilt, 2. Sayı, s. 219-233, 2015
Kontenjans tablolarının analizinde log-lineer modellerin kullanımı ve sigara bağımlılığı üzerine bir uygulama
S. Y. Öncel, Erdugan
Tablo 10. İkinci koşullu bağımsızlık durumunda değişkenlerin gözlenen ve beklenen frekansları (The expected frequencies of the variables in the second case of conditional independence) B Toplam 1 2 3 1 53 30 12 95 f1 j 31,7 31,7 31,7 F1 j A 2 69 52 20 141 f 1j
3
F1 j
47
47
47
f1 j
29
24
12
65
F1 j
21,7
21,7
21,7
Toplam
151
106
44
301
(7) eşitliği ile verilen G 2 64,621 ’dir. Bu test istatistiği değeri 6 serbestlik dereceli ki-kare tablo değeri ile karşılaştırılır. 20.05;6 12, 6 64, 621 olduğundan H04 hipotezi red edilir. Yani ebeveynlerin sigara içmeleri arasında anlamlı bir ilişki vardır. Çevresel bir etkileşim olarak birbirlerinden etkilenerek sigara içen kişilerdir. Elde edilen sonuçlar aşağıda Tablo 11’de özetlenmiştir.
Tablo 11. Modellerin karşılaştırılması (Comparison of the models) Model No 1
Model Adı Bağımsızlık
2
Uyum iyiliği
3
1. koşullu bağımsızlık 2. koşullu bağımsızlık Doymuş
4 5
Model
G2
ln Fij B ln Fij j A ln Fij i A B AB ln Fij i j ij
2, 255263
s.d. 4
94,96273
A B ln Fij i j
2 G 2 değerinin, uygun serbestlik dereceli (sd) tablo
değerinden büyük olması H 0 hipotezinin red edilmesine yol açar
p 0,05 .
Yani modelin verilere
uymadığına karar verilir. Bu durumda yorumumuz iki değişkenin birbirinden bağımsız olmadığı aralarında anlamlı bir ilişkinin olduğu şeklindedir. Tablodaki modeller incelendiğinde sigara içme düzeyi ile ebeveynlerin sigara kullanma durumları arasındaki ilişkinin anlamlı olduğunu gösterirken Model 1, anlamlı çıkmamıştır. Dahası, kurduğumuz Model 3 ve Model 4’ün analizinde kurduğumuz hipotez testinden gelen 1. tip hata (testin anlam düzeyi) 2 kadar oldu. Bu problemden kaçmak için sabit terim, FTND etkisi, ebeveynin sigara içme durumunun etkisi ve bu değişkenlerin etkileşimlerinin yer aldığında model Tablo 11’de Model 5 olarak ifade edilmiştir. Aynı zamanda Model 5 ile bir kişinin sigara içmesini çevresel faktörler tetiklerken bağımlılığın düzeyi genetik faktörlerle açıklanmaktadır iddiası da araştırılabilecektir. Bu nedenle bilinen basit kontenjans tablo analizlerinin yetersizliğinden yola çıkarak Model 5 ile ifade edilen log-lineer modellerle çalışmanın önemi görülmektedir. Aşağıdaki kesimde bu tür modeller için uygulamalar yer almaktadır.
SAÜ Fen Bil Der 19. Cilt, 2. Sayı, s. 219-233, 2015
2
0.05
sd
P-değeri
9,49
0, 05
8
15,5
0, 01
31, 72672
6
12,6
0, 01
64, 621
6
12,6
0, 01
0
0
3.1.2. İki yönlü kontenjans tablosu için log-lineer analiz uygulamaları (Log-linear analysis applications for a twoway contingency table)
Sabit terim, sigara bağımlılık düzeyi, ebeveynin sigara içme durumları ve her iki değişkenin etkileşimlerinin yer aldığı doymuş log-lineer model s biçimindedir. Doymuş modelin olabilirlik değeri ve serbestlik derecesi başlangıçta sıfırdır. Aşağıda iki kategorik değişkenin etkileşim terimlerinin yer aldığı log-lineer model ile kontenjans tablolarının detaylı analizleri, model parametrelerinin tahmini ve anlamlılığı detaylı olarak elle çözümleri ile araştırılmıştır. Bu sayede okuyucuya log-lineerin analizinde parametre tahmini hakkında detaylı bilgiler verilmiş olup, SPSS paket programında analiz yapmanın zayıf yönleri ortaya konmuştur. Doymuş modelin parametre tahmini için Tablo 6’da verilen frekansların Tablo 12’de doğal logaritma değerleri verilmiştir. Bu logaritma değerleri lij olmak üzere bunlara ait satır, sütun toplamları, ortalamaları ve genel ortalama da Tablo 12’de verilmiştir.
227
Kontenjans tablolarının analizinde log-lineer modellerin kullanımı ve sigara bağımlılığı üzerine bir uygulama
S. Y. Öncel, F. Erdugan
Tablo 12. Frekansların logaritma değerleri (Logarithm values of frequencies) B
ikiside içiyor
li
3,9703
3,4012
2,485
9,856
4,2341
3,9512
2,995
11,181 3,727
3,3673
3,1781
2,4849 9,0303 3,010
l j 11,5717 10,5305 7,9655
l j
biri içiyor
0-3 A 4-6 7 +
ikiside içmiyor
3,8572
3,5102
li
3,285
30,06
-
-
3,340
2,655
Eşitlik (1) ile verilen modelin parametre tahmin değerleri, Bölüm 2.1’de yer alan Tablo 2’de verilen formüller yardımıyla Tablo 12’deki değerler l 3, 9703 3, 4012 2, 4849
4, 2341 3, 9512 2,9957 3, 3673 3,1781 2, 4849 30, 0677 l1 3, 9703 3, 4012 2, 4849 9,8564
228
3,3409 0, 0554 0,5163 0,1685 3, 9703
3,9703 53 olduğu görülebilir. Tablo 2 ile buradan ise e verilen parametre tahmin edicilerinden yararlanarak (1) modelinde yer alan parametreler için bulunan tahmin değerleri Tablo 13’de verilmiştir. Bu tablo ana etkiler ile ikili etkileşimlere ait tahmin değerlerini içermektedir. Bağımlılığın az olduğu düzeye ait ana etki -0,0554 iken ebeveynin her ikisinin de sigara içmediği düzeye ait ana etki 0,5164 dir. Ayrıca az bağımlı ve ebeveynin sigara içmediği düzey için etkileşim değeri 0,1685 olup çok bağımlı ve ebeveynin ikisinin de sigara içtiği düzey için etkileşim değeri 0,1605 dir.
0-3 A 4-6
ˆ
formülüyle elde edilir. Elde edilen bu tahmin değerleri her iki değişkeninin de ilk düzeyleri için modelde yerine yazılırsa l11 1A 1B 11AB
ikiside içmiyor
l3 2, 4849 2, 9957 2, 4849 7, 9655 olarak hesaplanır ve aşağıda doymuş modelin parametrelerinin tahminleri
0,1685 veya
3, 9703 3, 3409 0, 0554 0, 5163 0,1685
Tablo 13. Parametre tahmin değerleri (Estimations of the parameter) B
l2 4, 2341 3,9512 2, 9957 11,181 l3 3, 3673 3,1781 2, 4849 9, 0303 ve l1 3, 9703 4, 2341 3, 3673 11,5717 l2 3, 4012 3, 9512 3,1781 10, 5305
30, 0677 3, 3409 9 l l 9,8564 30, 0677 ˆ1A i 0, 0554 J IJ 3 9 l l 11, 5717 30, 0677 ˆ1B j 0, 5163 J IJ 3 9 l j l l ˆ11AB lij i J I IJ 3,9703 3, 2855 3,8572 3,3409
ˆ11AB l11 ˆ ˆ1A ˆ1B
biri içiyor
ikiside iciyor
0,1685
-0,0536
-0,1149
-0,055
-0,0093
0,3870
-0,0456
0,3862
7+
-0,1592
-0,0013
0,1605
-0,331
0,5164
0,1693
-0,6857
3,3409
Kurulan modeldeki parametrelerin anlamlılığını 0,05 anlamlılık düzeyinde test etmek için H : 0 H1 : 0 0 hipotezlerini göz önünde bulundurulur. Yukarıda (4) eşitliği ile verilen formül Var ˆ A 0,047343 yardımıyla olarak hesaplanmıştır.
SAÜ Fen Bil Der 19. Cilt, 2. Sayı, s. 219-233, 2015
Kontenjans tablolarının analizinde log-lineer modellerin kullanımı ve sigara bağımlılığı üzerine bir uygulama
S. Y. Öncel, Erdugan
Tablo 14. Parametrelerin önemlilik testi sonuçları (Significance test results of parameters)
Hipotez H0 : A 0
Test istatistiği
Z A 0, 25461
Z B 2,372881
H1 : A 0 H0 : B 0 H1 : B 0 H 0 : AB 0
Ho red edilir
Z AB 0,774415
H1 : AB 0
Karar Ho red edilemez
olarak hesaplanmıştır. Bölüm 2’de açıklanan ve Tablo 4’de yer alan formüllerle A, B, C terimlerine ait parametre tahmin değerleri Tablo 16.1’de, Tablo 16.1 Ana etki parametrelerinin tahminleri (Estimations of main effects parameters)
A 0, 0278
B 0, 5453
C 0, 4604
2A 0, 3091
2B 0, 0654
2C 0, 4604
A 1
Ho red edilemez
Tablo 14’den görülebileceği gibi FTND ve ebeveynlerin sigara içme durumları arasında etkileşim olmadığı ortaya çıktı. Bu durum [2-3] çalışmalarında verilen sonuçla çeliştiği için modele üçüncü bir değişken olan cinsiyet değişkeni de eklenerek 3 yönlü kontenjans tablosuna loglineer analiz uygulanacaktır.
B 1
C 1
3A 0,3370 3B 0, 6107
AB ikili etkileşim terimine ait parametre tahmin değerleri Tablo 16.2’de Tablo 16.2 İkili etkileşim parametrelerinin tahminleri (Estimations of the binary interaction parameters)
A
B 2
1
1
AB 11
AB 12
0,1943
3
0, 0313
AB 13
0,1630
AB 23
0, 0977
3.2 Üç Yönlü Kontenjans Tablolarında Loglineer Analiz Uygulaması (Log-linear Analysis Applications in Three-Way Contingency Tables) Üç yönlü kontenjans tablosu Tablo 15’ de verilmiştir. Her bir hücre içerisinde gözlenen frekans ile bu frekansların logaritma değerleri
AC ikili etkileşim terimine ait parametre tahmin değerleri Tablo 16.3’de
Tablo 15. A, B, C değişkenleri için üç yönlü kontenjans tablosu (The three-way contingency tables for A, B, C variables)
Tablo 16.3 İkili etkileşim parametrelerinin tahminleri (Estimations of the binary interaction parameters)
21AB 0, 0692
22AB 0,1669
3
31AB 0,1251
32AB 0,1356
33AB 0, 2607
C
C
1
1 A B 2
3
2
A 1
1
2
11AC 0, 2942
12AC 0, 2942
2
21AC 0, 2695
22AC 0, 2695
3
31AC 0, 0247
32AC 0, 0247
fijk ln fijk
fijk ln fijk
0
33 (3,4965)
20 (2,9957)
1
23 (3,1355)
7 (1,9459)
2
4 (1,3863)
8 (2,0794)
BC ikili etkileşim terimine ait parametre tahmin değerleri Tablo 16.4’de
0
57 (4,0431)
12 (2,4849)
Tablo 16.4 İkili etkileşim parametrelerinin tahminleri (Estimations of the binary interaction parameters)
1
42 (3,7377)
10 (2,3026)
2
16 (2,7726)
4 (1,3863)
0
21 (3,0445)
8 (2,0794)
1
21 (3,0445)
3 (1,0986)
ve ABC üçlü etkileşim terimine ait parametre tahmin
2
6 (1,7918)
6 (1,7918)
değerleri Tablo16.5’da verilmiştir.
SAÜ Fen Bil Der 19. Cilt, 2. Sayı, s. 219-233, 2015
2
B 1
11BC
1 0, 0436
C
12BC 0, 0436
2
21BC 0, 3013
22BC 0, 3013
3
31BC 0, 3449
32BC 0, 3449
2
229
Kontenjans tablolarının analizinde log-lineer modellerin kullanımı ve sigara bağımlılığı üzerine bir uygulama
S. Y. Öncel, F. Erdugan
ABC 122 0,1273
3
ABC 131 0,1679
ABC 132 0,1679
1
ABC 211 0, 0056
ABC 212 0, 0056
2
ABC 221 0, 3137
ABC 222 0, 3137
3
ABC 231 0, 3081
ABC 232 0, 3081
1
ABC 311 0, 0462
ABC 312 0, 0462
3
ABC ABC 321 0,1865 322 0,1865 ABC 331 0,1403
ABC 332 0,1403
Bu tablolarda yer alan parametrelerin üstündeki indis değişkenleri ve alt indis ilgili değişkenlerin düzeylerini sırasıyla göstermektedir. Bir parametre için tahmin edici ve bu tahmin edicinin varyansı elimizde varsa bu parametre için aynı zamanda hipotez testleri yapılabilir. Yukarıda (4) eşitlikleri ile verilen formüllerle parametrelerin tahmin edicilerinin asimptotik varyansları hesaplandığında (4) eşitliği kullanılarak FTND2 değişkeninin 2. Düzeyi olan orta bağımlılık parametresi için varyansın tahmin değeri 1 1 1 1 1 1 1 Var ˆ2A 4 2 33 20 23 7 4 8 18
1 1 1 0, 01135 57 12 6 olarak hesaplanır. (5) eşitliği ile verilen test istatistiğinin 0,3091 Z ˆ A 2,9014 2 0,10653 5 hesaplanan değeri ,
z 0, 05 1, 96 tablo değerinden büyük olduğu için
H 0 : 2A 0 hipotezi red edilir. Yani log-lineer modelde yer alması gereken bir parametredir. FTND2 değişkeninin 2. düzeyinin modele önemli bir etkisi vardır. Yani sigara bağımlılığının orta düzeyde olması hücre frekansı üzerinde önemli bir katkısı vardır. Benzer şekilde ebeveynlerin sigara içme durumu (B) ve Cinsiyet z (C) değişkenlerine ait model parametrelerine ait hesap değerleri sırasıyla
0,5453 Z ˆ B 5,5530 1 0, 0982 s olup 1.96 değerinden büyük olduğu için için H0 : 1B 0 ve H 0 : 1C 0 hipotezleri red edilir. Yani
230
değerinden küçük olduğu için s hipotezi red edilir. Yani log-lineer modelde yer alması gereken bir parametredir. Yani, 221 gözesindeki frekansa FTND2 değişkeninin 2. Düzeyi, Ebeveynlerin sigara içme durumu değişkeninin 2. Düzeyi, Cinsiyetin 1. düzeyi etki etmektedir. Bu da [5] iddiasını destekleyen bir sonuçtur. Klasik kontenjans tablo analizlerinden elde edilemeyen bir sonuçtur. Böyle bir analiz SPSS paket programı yardımıyla
HILOGLINEAR B(0 2) C(1 2) A(1 3) /METHOD=BACKWARD /CRITERIA MAXSTEPS(10) P(.05) ITERATION(20) DELTA(0) /PRINT=FREQ RESID ASSOCIATION ESTIM /DESIGN .
kodu ile de yapılabilir. Ancak aşağıdaki tabloda da görülebileceği gibi hangi parametrenin hangi düzeyi için anlamlı bir sonuç elde edileceği net bir şeklide görülememektedir. Tablo 17. Üç yönlü log-lineer analizin SPSS çıktısı (SPSS output of the three-way log-linear analysis)
p-değeri
ABC 121 0,1273
BCA
1
,041
,134
,304
,761
2
,006
,132
,042
,966
3
,127
,155
,823
,410
4
-,314
,146
-2,155
,031
BC
1
,044
,098
,444
,657
2
,301
,113
2,666
,008
BA
1 2 3
,194 -,069 -,031
,134 ,132 ,155
1,455 -,524 -,202
,146 ,600 ,840
4
,167
,146
1,146
,252
CA
1
-,294
,111
-2,651
,008
2
,269
,107
2,530
,011
B
1
,545
,098
5,551
,000
Zhesap
2
2
2
Std. Hata
3
ABC 112 0, 0406
ABC 111
Tahmin
2
1 0, 0406
B 1
Parametre
C A 1
log-lineer modelde yer alması gereken parametrelerdir. Ebeveynlerin sigara içme durumu (B) ve Cinsiyet (C) değişkenlerinin 1. düzeylerine ait model parametrelerinin modele önemli bir etkisi vardır. Yani ebeveynlerden birinin sigara içmesi ile cinsiyetin erkek olması hücre ABC frekansı üzerinde önemli bir katkısı vardır. parametresinin anlamlılığını test etmek için (5) eşitliği ile z verilen formül kullanılarak hesaplanan hesap değeri 0,314 Z ˆ ABC 2,1507 221 0,146 1,96 değeri
Etki
Tablo 16.5 Üçlü etkileşim parametrelerinin tahminleri (Estimations of the triple interaction parameter)
SAÜ Fen Bil Der 19. Cilt, 2. Sayı, s. 219-233, 2015
Kontenjans tablolarının analizinde log-lineer modellerin kullanımı ve sigara bağımlılığı üzerine bir uygulama
S. Y. Öncel, Erdugan
2
,065
,113
,579
,563
C A
1 1 2
,460 ,028 ,309
,080 ,111 ,107
5,766 ,251 2,902
,000 ,802 ,004
Tablo 17’de elde edilen SPSS çıktısında her bir ana etki için sahip olduğu düzey sayısının 1 eksiği kadar, etkileşim terimlerinde ise ilgili değişken düzeylerinin 1 eksiklerinin çarpım sayısı kadar parametre tahmin değerlerinin olduğu görülmektedir. Bunun nedeni ise parametre toplamlarının sıfıra eşit olması kısıtının varlığıdır. Buna göre (2) eşitliği ile verilen kısıt gereği her bir değişken için eksik olan parametre tahmini değişkenin diğer düzeylerine ait tahmin değerlerinin toplamının ters işaretlisi olarak bulunabilmektedir. p değerlerinin yer aldığı sutunda, koyu renk ile gösterilen değerler 0, 05 anlam düzeyi ile karşılaştırıldığında p 0, 05 ise oluşturulan hipotez red edilir. Yani bu terim önemlidir ve modelde yer almalıdır. Bu analizin SPSS çıktısında olabilirlik oran test değeri 7, 667 ve p 0, 467 olarak bulunduğundan kurulan log- lineer modelimiz yine anlamlı bulunmuştur. 4. SONUÇLAR VE TARTIŞMA (RESULTS AND DISCUSSION) Bu çalışmada, iki ve üç yönlü kontenjans tabloların loglineer analizi ile değerlendirilmesinin bilinen klasik kontenjans tablo analizlerine göre üstünlükleri incelenmiştir. Log-lineer modeller yardımıyla daha çok nitel değişken arasındaki etkileşimlerin araştırılması uygulamalı olarak verilmiştir. Uygulamada günümüzün önemli bir bağımlılık problemi olan nikotin bağımlılık düzeyi ile cinsiyet ve ebeveynlerin sigara içme durumları arasındaki ilişki gerçek verilerle araştırılmıştır. Bu çalışmada kullanılan veriler sadece Kırıkkale ilinden toplandığı için takip eden çalışmalarımızda farklı desenlerdeki toplumlardan alınacak verilerle kurulan modellerin daha da anlamlı olacağı düşünülmektedir. Tablo 6 ile verilen sigara bağımlılık düzeyi ve ebeveynlerin sigara içme durumu değişkenleri için iki yönlü kontenjans tablosu analizi sonucunda kişinin sigara bağımlılık düzeyi değişkeni ile ebeveynlerinin sigara içme durumu değişkenleri birbirinden bağımsız değişkenlerdir, bu iki değişken arasında bir ilişki yoktur sonucu elde edilmiştir. Literatürde yer alan [2-3] sonuçları ile zıt bir sonuç elde edilmesi süphe uyandırmış ve aşağıda ki daha ileri analizlerin yapılmasına gerek görülmüştür Tablo 11’deki 2-5 numaralı modeller, kişinin sigara içme düzeyi ile ebeveynlerinin sigara kullanma durumları arasındaki ilişkinin anlamlı olduğunu gösterirken, Model 1 anlamlı çıkmamıştır. Dahası, ayrı ayrı kurduğumuz SAÜ Fen Bil Der 19. Cilt, 2. Sayı, s. 219-233, 2015
Model 3 ve Model 4’ün analizlerinde kurduğumuz hipotez testlerinden gelen 1. tip hata (testin anlam düzeyi) 2 kadar oldu. Bu problemden kaçmak için sabit terim, FTND etkisi, ebeveynin sigara içme durumunun etkisi ve bu değişkenlerin etkileşimlerinin yer aldığında model kurulup Tablo 11’de Model 5 olarak ifade edilmiştir. Model 5, sabit terim, kişini sigara bağımlılık düzeyi, ebeveyninin sigara içme durumları ve her iki değişkenin etkileşimlerinin yer aldığı doymuş log-lineer modeldir. Analiz sonucunda bağımlılığın az olduğu düzeye ait ana etki -0,0554 iken ebeveynin her ikisinin de sigara içmediği düzeye ait ana etki 0,5164 olarak hesaplanmıştır. Ayrıca az bağımlı ve ebeveynin sigara içmediği düzey için etkileşim değeri 0,1685 olup çok bağımlı ve ebeveynin ikisinin de sigara içtiği düzey için etkileşim değeri 0,1605 olarak hesaplanmıştır. Tablo 14’de yer alan parametrelerin önemlilik testi sonuçlarına göre kişinin sigara bağımlılık düzeyi değişkeni ve ebeveynlerinin sigara içme durumu değişkenleri arasında etkileşim olmadığı ortaya çıktı. Bu durum [2-3] çalışmalarında verdiği sonuçla çeliştiği için modele üçüncü bir değişken olan cinsiyet değişkeni de eklenerek daha ayrıntılı bir analiz olarak 3 yönlü kontenjans tablosunda log-lineer analiz uygulanmıştır. Cinsiyet, ebeveynlerin sigara içme durumu ve nikotin bağımlılık düzeyi değişkenleri ile kurulan bu 3 yönlü kontenjans tablosuna log-lineer analiz uygulandığında sigara bağımlılığının orta düzeyde olması hücre frekansı üzerinde önemli bir katkısının olduğu görülmüştür. Ebeveynlerden birinin sigara içmesi ile cinsiyetin erkek olmasının model frekansı üzerinde önemli bir katkısının olduğu görüldü. Bu çalışmadaki sonuçlarımıza göre de Kırıkkale’de yaşayan ve sigara kullanan bir bireyin, sigara bağımlılık düzeyinin düzeyinin orta, cinsiyetinin erkek ve ebeveynlerinin birinin sigara içmesi log-lineer modeldeki frekansı artıran çok önemli bir etkendir. Bu verileri toplamaktaki amacımız sigara içmeyen bir toplum olabilmemiz için öneriler geliştirmekti. Buna göre kadınlara nazaran sosyal çevrede daha çok yer alan bir erkek birey olmak ve ebeveynlerinin birinin sigara içiyor olması bağımlılık üzerinde çevresel ve genetik etkilerin beraber araştırılması gerektiğini ortaya koymaktadır. Sigara bağımlılığını önleme çalışmalarında, ebeveynlerin kendi çocuklarının gelecekte sağlıklı bireyler olması için, öncelikle anne ve babanın sigara konusunda daha da bilinçlenmesi önemlidir. Bilimsel olarak zararı ispatlanmış olan sigaranın kullanılmaması gerektiğini sözel olarak çocuklarımıza ifade etmenin tek başına yeterli olmayıp, aynı zamanda ebeveynlerin kendi davranışlarıyla da iyi 231
S. Y. Öncel, F. Erdugan
Kontenjans tablolarının analizinde log-lineer modellerin kullanımı ve sigara bağımlılığı üzerine bir uygulama
bir rol model olması gerekmektedir. Türk toplumunda erkeklere yüklenen rol model gereği erkeklerin sigara içmedeki özentilerinin önüne geçilmesine yönelik çalışmalar yapılmalıdır. 5. TEŞEKKÜR (ACKNOWLEDGEMENT) Çalışmamıza anket formunu doldurarak katılan herkese minnettarız. Bu çalışmada, bize veri toplama hususunda gönüllü olarak yardımcı olan Kırıkkale Üniversitesi İstatistik Bölümü öğrencilerine teşekkürlerimizi sunarız. KAYNAKLAR (REFERENCES) [1]
L.İ. Yargıç ve H. Baykan, “Severe mental disorders, depression and smoking cessation”, Anadolu Psikiyatri Dergisi, cilt 14, no. 1, pp. 7783, 2013. [2] E. Abay ve İ. Ateş, “Bağımlılığın genetiği”, Bağımlılık Dergisi, cilt 2, no. 2, pp. 68-70, 2001. [3] P. F. Sullivan, K. S. Kendler. “The genetic epidemiology of smoking”, Nicotine & Tobacco Research, cilt 1, no. 2, pp. 51-57,1999. [4] A. Yorgancıoğlu ve A. Esen, “Sigara Bağımlılığı ve Hekimler”, Türk Toraks Dergisi, cilt 1, no. 1, pp. 90-95, 2000. [5] O. Okutan ve T. Çalışkan, “Sigara ile İlişkili İnterstisyel Akciğer Hastalıkları”, Solunum Dergisi, cilt 13, no. 3, pp. 131-139, 2011. [6] “World Health Organization (WHO). WHO report on the global tobacco epidemic”, 2011a. [Çevrimiçi]. Available: http://www.who.int/tobacco/surveillance/policy/ country_ profile/. [Erişildi: 1 Mayıs 2014]. [7] “World Health Organization (WHO). WHO global youth tobacco survey”, 2011b. [Çevrimiçi]. Available: http://www.who. int/tobacco/surveillance/gyts/en/.. [Erişildi: 1 Mayıs 2014]. [8] J. B. Bricker, A. V. Peterson, M. R. Andersen, B. G. Leroux, K. B. Rajan ve I. G. Sarason, “Close friends', parents', and older siblings' smoking: reevaluating their influence on children's smoking”, Nicotine & Tobacco Research, cilt 8, no. 2, pp. 217-226., 2006. [9] G.F. El-Sharkawy, “Cigarette smoking among University students: family related and personal risk factors”, Journal of American Science, cilt 7, no. 3, pp. 1-9, 2011. [10] S. Öncel ve F. Aliev, “The Influence of Family Factors on Smoking Behavior in Turkey”, International Journal of Statistics in Medical Research, cilt 3, no. 2, pp. 116-125, 2014. 232
[11] S. Yurt Öncel, D. M. Dick, H. H. Maes ve F. Aliev, “Risk Factors Influencing Smoking Behavior: A Turkish Twin Study”, Twin Research and Human Genetics, cilt 17, no. 6, pp. 563-573, 2014. [12] S. Erbaş ve S. İçöz, “Sosyal Bilimlerde Niteliksel Veri Analizi Üzerine Bir Çalışma”, Ekonomik Yaklasim, cilt 9, no. 9, pp. 91-94, 1998. [13] S. Bülbül, “ Üç boyutlu çapraz tablolarda logaritmik doğrusal analiz: Çocuk işgücü değişkenleri arasındaki etkileşimler”, Uludağ Üniversitesi İktisadi ve İdari Bilimler Fakültesi Dergisi , cilt 25, no. 2, pp. 41-70, 2006. [14] D. Altaş, M. Sağırlı ve S. Giray, “1. Altaş, D., Sağırlı M., Giray S., 2006 Yurtdışında Çalışıp Türkiye’ye dönen akademisyenlerin eğitim durumları, gidiş ve dönüş sebepleri arasındaki ilişki yapısının log-lineer modeller ile incelenmesi”, Marmara Üniversitesi İ.İ.B.F. Dergisi, cilt XXI, no. 1, pp. 401-421, 2006. [15] Z. Filiz, “Üç yönlü log-lineer modeller ile üniversite öğrencilerinin sigara, alkol ve nargile içme nedenlerini etkileyen faktörlerin belirlenmesi”, Eskişehir Osmangazi Üniversitesi Sosyal Bilimler Dergisi, cilt 8, no. 2, pp. 225250, 2007. [16] E. Şıklar, V. Yılmaz, D. Çoşkun “ Eskişehir’deki Üniversitelerde Görevli Akademik Personelin İş Tatmini ve Duygusal Tükenmişliklerinin LogLinear Modeller ve Correspondence Analizi ile İncelenmesi,”, Dokuz Eylül Üniversitesi İktisadi ve İdari Bilimler Fakültesi Dergisi, cilt 26, no. 2, pp. 113134, 2011. [17] S. Mete ve A. Ünsal, “Kategorik veriler için logaritmik doğrusal modeller vegöç istatistikleri üzerine bir uygulama”, Aksaray Üniversitesi İİBF Dergisi, cilt 2, no. 1, pp. 9-20, 2010. [18] V. Yılmaz ve C. Aktaş, “Üç boyutlu kontenjans tablolarınınanalizinde log-linear modellerin kullanımı ve trafik kazalarına uygulanması”, Osmangazi Üniversitesi Sosyal Bilimler Dergisi, no. 2, pp. 169-182, 2001. [19] M. Kateri, Contingency table analysis: Methods and implementation using R, 2010. [20] B. Lawal, Categorical Data Analysis with SAS and SPSS Applications, London: Lawrence Erlbaum Associates, 2003. [21] R. Christensen, Log-Linear Models and Logistic Regression, New York : Springer-Verlag, 1997. [22] D.C. Howell, Statistical Methods for Psychology (Seventh Edition), Belmont: Wadsworth Cengage Learning, 2009. SAÜ Fen Bil Der 19. Cilt, 2. Sayı, s. 219-233, 2015
Kontenjans tablolarının analizinde log-lineer modellerin kullanımı ve sigara bağımlılığı üzerine bir uygulama
S. Y. Öncel, Erdugan
[23] S. K. Lee, “On the asymptotic variances of u terms in loglinear models of multidimensional contingency tables”, Journal of the American Statistical Association , cilt 72, no. 358, pp. 412419, 1977. [24] K.O. Fagerström, “Measuring degree of physical dependence to tobacco smoking with reference to individualization of treatment”, Addictive Behaviors, cilt 3, pp. 235-241, 1978.
SAÜ Fen Bil Der 19. Cilt, 2. Sayı, s. 219-233, 2015
233