Projekt 24: Wasserstandsregelung

Dieser Wiki-Beitrag ist Teil eines Projektes, welches im Rahmen des WS 17/18: Fachpraktikum Elektrotechnik (MTR) im 5. Semester Mechatronik absolviert wurde. Ziel des Beitrags ist es, eine nachhaltige Dokumentation zu schaffen, welche die Ergebnisse festhält und das weitere Arbeiten am Projekt ermöglicht.

Autoren: Brandt, Eidhoff
Betreuer: Prof. Dr. Göbel

Aufgabe

Das Projekt „Wasserstandsregelung“ befasst sich mit einer selbständigen und kontinuierlichen Regelegung der Höhe des Wasserstandes in einem Behälter. Die Aufgabe besteht darin, bei einer beliebigen Ausflussmenge des Mediums den Wasserstand möglichst konstant zu halten. Es handelt sich hier um eine klassischee Anwendung aus der Regelungstechnik.

Erwartungen an Ihre Projektlösung

Planung eines mechanischen Aufbaus
Planung eines elektrischen Aufbaus
Erstellen einer "Bill of Material" (BOM)
Entwurf eines Regelkreises
Recherche zu bestehenden Lösungen
Programmieren eines Arduino Uno (Programmiersprache: C)
Testen der Regelung
Erstellung einer wissenschaftlichen Dokumentation
Live Vorführung während der Abschlusspräsentation

Einleitung

Der Aufbau ist zu Präsentationszwecken folgendermaßen gewählt worden: In einer handelsüblichen 3 Liter Sonnenblumenöl Flasche ist das zu fördernde Medium Wasser. Durch einen Absperrhahn wird ein Auslass an der Unterseite simuliert, welcher als Störgröße der Regelung fungiert. Das Wasser läuft über einen Schlauch in eine Wasserwanne, aus welcher das Medium mittels einer Pumpe wieder oben in die Sonnenblumenölflasche gepumpt werden soll.

Nach abwägen verschiedenster Möglichkeiten der Regelung wurde folgender Ansatz zur Lösung der Problemstellung gewählt:

Druckmessung mit einem Drucksensor
Sollwertbestimmung mit einem Potentiometer
Regelung mittels Software des Arduino Uno
Pumpen des Wasser mit einer Tauchpumpe je nach Bedarf

Anforderungen

Regeln des Wasserstandes auf eine einstellbare Höhe
Einstellen der Höhe
Kein Überlauf des Behälters
stetige Regelung

Regelkreis

Regelkreis:

Auswahl der Elektronikkomponenten

Aufbau eines Diffenrenzdrucksensors http://www.hjs.com/aftermarket/produkte/elektronik/sensorik.html

Auswahl der Reglerkomponente: Arduino Uno

Bereits im Praktikum verwendet
sehr bedienerfreundlich
günstig
Programmiersprache C (bereits bekannt)
umfangreiche Dokumentationen vorhanden

Auswahl des Motortreibers und der Pumpe:

Spannungsregler auf Motortreiber sorgt für eine 5V Versorgungsspannung für den Arduino
einfache PWM-Ansteuerung der Pumpe
Förderleistung der Pumpe von 12L/min
kostengünstig

Auswahl des Drucksensors: Differenzdrucksensor

unempflindlich gegen Wasser
Auflösung: 450mV pro kPa --> 45mV pro Zentimeteränderung der Wassersäule

Materialliste

Artikel	Anzahl	Lieferant	Artikelnr.
12V Pumpe	1	Conrad	539082 - 62
Differenzdrucksensor	1	Reichelt	MPX 5010DP
Stiftleiste	1	Reichelt	SL 1X32G
Potentiometer	1	Conrad	452867 - 62
Arduino Uno	1	Conrad	191789 - 62
Motortreiber	1	Conrad	1573541 - 62
Rohrnippel 3/4" 100mm	1	Globus	GLO782144626
Floraworld Kugelhahn 3/4"	1	Globus	GLO782140012
Rohrnippel 3/4" 40mm	1	Globus	GLO782144630
Temperguss Reduzierstück 3/4" 1"	4	Globus	GLO782144607
Teflonband	1	Globus	GLO782145948
Sonnenblumenöl Flasche	1	Lidl
Multiplexplatte	2x1m	Eigenbestand
Systembox	1	Globus	GLO655700394
PVC-Schlauch 4mm	1m	Globus	GLO680453095
1/2" Schlauch	1m	Eigenbestand
13mm Rohr	20mm	Eigenbestand
Stahlrohr 40mm	70cm	Eigenbestand

Aufbau

Mechanik

Arbeitsschritte:

Sägen und Zusammenbau der Wände und Zwischenlagen des Präsentationstisches
Durchbohren der Tischplatte mit anschließender Befestigung der Rohrleitungen
Installation des Sonnenblumenöltanks über dem Kugelhahn
Schweißen einer Befestigungsplatte an das Halterohr
Befestigung des Halters an der Tischplatte
Schlauchdurchführung zur Befüllung des Tanks
Anbringen des Differentialdrucksensors und der Elektronik auf der Tischplatte

Elektronik

Die Elektronik wurde nach folgendem Schaltplan aufgebaut:

Auslegung des Regelkreises

Implementierung

Zuerst wurde die angeschlossene Peripherie (Drucksensor, Pumpe, Potentiometer) mit einem seriellen Monitor getestet.

Implementierung mit Arduino:

Bedienung

Die Sollgröße des Wasserstandes kann mit einem Potentiometer eingestellt werden. Ist das Potentiometer voll aufgedreht, wird die Sollgröße auf den maximalen Wasserstand (Kein Überlauf!) gestellt. Die Sollhöhe der Wassersäule ist proportional zu dem Potentiometer.

Durch Öffnen des Kugelhahns wird eine Störgröße simuliert. Ist der Kugelhahn voll aufgedreht reicht allerdings die Förderleistung der Pumpe nicht aus, um den Verlust der Höhe direkt zu kompensieren. Zum testen der Regelung sollte daher der Kugelhahn nicht maximal aufgedreht werden.

Projekterkenntnisse

Zeitliche Planung eines komplexeren Projekts
Planung / Auslegung von Bauteilen (BOM)
Schnittstellen zwischen Hardware und Software
Eigenständige Recherche von Datenblättern
Orientierung in technischen Datenblättern
Implementierung eines PID-Reglers
Funktionstests und Optimierung

Fazit/Reflexion

Sowohl der mechanische als auch der elektrische Aufbau haben auf Anhieb einwandfrei funktioniert. Bei der Bauteilauswahl wären folgende Änderungen für weitere Aufbauten sinnvoll:

kleinerer Querschnitt des Kugelhahns, damit bei vollem Aufdrehen Vzu > Vab ist
Rückschlagventil direkt an der Pumpe (verhindert die Totzeit)
Wassereinlass verlängern, sodass es durch "plätschern" keine verfälschten Messwerte des Drucksensors gibt

Durch die bereits gemachten Erfahrungen mit dem Arduino Uno stellte die Implementierung keine größeren Probleme dar.

Es gibt verschiedene Möglichkeiten das Projekt weiterzuführen:

Optimierung des mechanischen Aufbaus (Rückschlagventil, anderer Kugelhahn, Verlängerung des Wassereinlasses)
Berechnung des gesamten Regelsystems (zum Beispiel die Übertragungsfunktion der Regelstrecke Ks)
Testen des Systems mit einem Einheitssprung

Youtube-Video

Weblinks

Literatur

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