Weighturtemp: Unterschied zwischen den Versionen

Version vom 19. Januar 2021, 22:51 Uhr

Autoren: Stefan Großecoßmann, Nils Hartmann
Betreuer: Prof. Göbel

→ zurück zur Übersicht: WS 20/21: Fachpraktikum Elektrotechnik (MTR)

Einleitung

Dieses Projekt ist im Rahmen des GET-Fachpraktikums im 5. Semester im Mechatronik-Studiengang entstanden. Hier sollen die Grundlagen und Kenntnisse aus der Mess- und Regelungstechnik-Vorlesung erprobt und vertieft werden. Zudem wird Wert auf eigene Planung und Projektmanagement, sowie der Durchführung in Eigeninitiative gelegt. Von der Planung bis zum fertigen Ergebnis wird so ein kompletter Entwicklungsprozess einer Anlage durchlaufen. Bei folgendem Projekt wird besonders das Zusammenspiel aus Mechanik, elektrotechnischer Komponenten und dem ausführenden Programm deutlich.

Das Projekt wurde am 11.10.2020 bewertet und genehmigt. Ausstellung und Präsentation erfolgt am 21. Januar 2021 in einer Online-Projektmesse.

Weightturtemp ist eine mechatronische Anlage, die zur universellen Mischung von Flüssigkeiten angewendet werden kann. Sie kann aus zwei Behältnissen nach 2 Parametern Mischungsverhältnisse realisieren:

Masse (Weight)
Trübung (Turbidity)

Dabei bietet die Anlage durch kontinuierliche Prozessüberwachung (Ausgabe von temporären Daten) und einfacher Bedienung dem Anwender einen besonderen Komfort. So können aktuelle Werte zu der gemischten Masse, der aktuell auftretenden Trübung, sowie zu den Füllständen der beiden Behälter abgefragt werden.

Anforderungen

Die Anlage soll folgende Funktionalitäten aufweisen:

Mischung von 2 Flüssigkeiten in Mengen von einigen hundert bis über 1000ml
Mischungskriterien sind Masse und Trübung
Erfassen der Füllstände
Erfassen der Trübung des Gemisches
Erfassen der Masse des Gemisches
Kommunikation mit dem Benutzer durch Taster/Stellglieder und optische Signale
Menüstruktur mit LCD-Display zu leichten Steuerung
Schutz des Anwenders vor Verletzungen

Funktionaler Systementwurf/Technischer Systementwurf

Nach der ersten Ideenfindung wurden alle Anforderungen und zentralen Bauteile in einem Blockplan zusammengefasst. Danach wurde mithilfe eines online-Diagrammeditors ein Fließschema erstellt. Dort sind die wesentlichen Komponenten und die Fließrichtung des Mediums eingezeichnet.

Erste Skizze
Blockdarstellung
Aufbau-/ Fließschema

Galerie des fertigen Projekts

Hauptansicht
Frontansicht
Seitenansicht
Leitungsführung mit Kabelkanälen
Rühreinrichtung und Ventile
Füllstandsmessung mit Ultraschall
Wäägezelle
Bedienpanel
Schaltschrank innen

Komponentenspezifikation

Mechanische Komponenten

Gerüst: Aluminium-Profile 30x30 (ca. 2,10m)
T-Nutensteine M4 (ca. 60 Stk.)
M4x12 Schrauben (ca. 60 Stk.)
Winkel aus PVC (26 Stk.)
Kabelkanäle aus Edelstahl
Aluminiumbehälter 1x groß, 2x klein
Schlauchtüllen aus Edelstahl G1/4" (4x)
Kugelhahn G1/2"
Dichtungen (versch. Größen)
Anlagenfüße aus PVC (4x)
Kunststoffschlauch (6mm-Innendurchmesser)
Rührstab vom Mixer
eigene Konstruktion zum Befestigen der Kabelkanäle
eigene Konstruktion zum Befestigen des Motors

Elektrische Komponenten

Arduino Mega 2560
Reihenklemmleiste mit Hutschiene (31 Klemmen)
Schaltschrank
Relaismodul (8 Relais)
12V-Akkupack
9V-Netzteil für Arduino
5V-Motor
12V Ventile 6mm (2x)
Aderleitungen 0,75mm²
4-adrige PVC-Mantelleitung 1,5mm² (ca. 1,5m)
2-adrige PVC-Mantelleitung 0,75mm² (1,5m)
Aderendhülsen 0,75mm²/1,5mm², Kabelschuhe, Schrumpfschlauch
KEYESTUDIO Trübungssensor
Funduino Waage bis 10kg
Funduino Ultraschallsensoren (2x)
Taster (2 Öffner, 3 Schließer)
Potentiometer
LCD-Display mit I²C-Anschlussmöglichkeit
verschieden farbige LEDs

Einige der verwendeten Bauteile können mit den unter "Weblinks" angegebenen Webseiten käuflich erworben werden. Das Arduino-Basisset stammt von Funduino.

Umsetzung (HW/SW)

Umsetzung der Hardware

Nachdem der Funktionsumfang des Systems eingegrenzt und eine Aufbauskizze angefertigt wurde, begann die hardwareseitige Umsetzung des Aufbaus.

Grundgestell

Als Material für das Grundgestell wurden passend abgelängte Aluminiumsystemprofile 30mm x 30mm Nut 8 gewählt. Die Aluminiumsystemprofile bot gegenüber Schweißkonstruktionen den Vorteil, dass diese keine permanente Verbindung darstellen und je nach Bedarf wieder gelöst und neu montiert werden können. Die Befestigung untereinander geschah dabei über Kunststoffwinkel, welche mit Hilfe von M4-Schrauben und M4-Hammermuttern, einzelne Profilelemente verbinden. Um in einer späteren Phase des Aufbaus die Anschlussleitungen für die elektrischen Komponenten zu befestigen, sind Edelstahlgitterkanäle auf den Profilen montiert worden.

Behälter mit Anschlüssen

Um die Flüssigkeiten in dem System zu lagern, wurden Aluminiumgussbehählter benutzt. Damit die Behälter untereinander verbunden und mit Sensoren ausgestattet werden konnten, wurden verschiedene Bohrungen angefertigt. In die beiden oberen Behälter wurden jeweils Bohrungen für die Ultraschallsensoren und Schlauchtüllen und in den unteren Behälter Bohrungen für den Kugelhahn, die Schlauchtüllen, den Mixerstab und den Trübungssensor gebohrt. In die angefertigten Bohrungen wurden die Bauteile eingesetzt. Um Dichtheit der Behälter zu gewährleiten, wurden Dichtringe unter den Schlauchtüllen und dem Kugelhahn verwendet. Der Trübungssensor wurde dicht eingeklebt.

Rühreinrichtung und Verschlauchung

Nachdem die Behälter montiert waren, wurde eine Halterung für eine Rühreinrichtung aus Blech gefertigt. Durch mehrfaches Biegen und Bohren entstand eine Vorrichtung, in der der Motor untergebracht war und der Rührstab in seinem Lauf fixiert wurde. Der Rührstab wurde mit dem DC-Motor über eine flexible Kupplung, die einen Axial- und Winkelversatz ausgleichen konnte, verbunden. Zudem konnten die Ventile mit den Behältern verschlaucht werden.

Schaltschrank

Der Schaltschrank wurde ebenfalls vor der Montage angepasst. In den Deckel wurden verschiedene Bohrungen für die Status LEDs und die Drucktaster gebohrt. Eine rechteckige Aussparung für das LCD-Display wurde ausgesägt. Die Taster und LEDs wurden in dem Schaltschrankdeckel verklebt und verdrahtet. Innerhalb des Schaltschrankes wurden Elemente von einer Hutschiene mit Reihenklemmleisten verschraubt. Dies ermöglichte eine übersichtliche Platzierung der einzelnen elektrischen Komponenten, wie dem Arduino Mega 2560 und den Relais, sowie eine ordentliche Verdrahtung über die Klemmleiste. Über Schrauben und Hammermuttern wurde der Schaltschrank direkt am Gestell montiert.

Verdrahtung

Nachdem alle Komponenten auf dem Gestell montiert worden sind, wurden diese verdrahtet und im Schaltschrank zusammengeführt. Der Motor und die beiden Ventile wurden über einfache Steckkontakte verbunden. Die Kontakte der Ultraschallsensoren wurden an vieradrige Mantelleitungen gelötet und von unten in den Schaltschrank eingeführt. Alle Anschlussleitungen die von außerhalb kommen, wurden auf die Unterseite der Klemmleiste gelegt. Von den oberen Kontakten der Klemmleiste wurden der Arduino Mega 2560, sowie die Relais und die Komponenten auf dem Schaltschrankdeckel untereinander verdrahtet.

Aufbau des Grundgestells
Aufbau des Schaltschranks

Umsetzung der Software

Die gesamte Programmierung der Software wurde in der Arduino IDE vorgenommen. Zum Beginn der softwareseitigen Umsetzung der Systemsteuerung wurden die einzelnen Komponenten mit einfachen Programmen einzeln ausgetestet. Dadurch wurde es ermöglicht, das Verhalten der einzelnen Komponenten, wie Waage, Trübungssensor etc., zu verstehen. In diesem Schritt fand der serielle Monitor der Arduino IDE eine umfassende Anwendung. In ihm können in Echtzeit Werte von beliebige Variablen angezeigt werden. Dies half vor allem in der Suche von Fehlern innerhalb des Quellcodes. Nachdem die einzelnen Programme für die Komponenten ausgetestet und optimiert wurden, wurden diese schrittweise in ein Gesamtprogramm zusammengefügt. Für eine verbesserte Übersichtlichkeit der Programmbauteile wurden häufig wiederkehrende Programmabschnitte in einzelne Funktionen ausgelagert.

Die verschiedenen Funktionalitäten des Systems wurden in einem Menü, welches mehrere Submenüs besitzt, eingebunden. Als Funktionen stehen dort eine automatische und manuelle Mischung, sowie eine Übersicht über die Prozessparameter, wie aktuelle Trübung, Gewicht und Füllstände, zur Verfügung.

Funktionsweise

Alle Funktionen die das System besitzt können durch ein Menü, welches auf dem LCD-Display dargestellt ist, genutzt werden. Mittels der Up- und Down-Buttons kann durch die einzelnen Menüeinträge navigiert werden. Durch Betätigung des Select-Buttons können einzelne Submenüeinträge ausgewählt werden. Der Return-Button ermöglicht es aus einem Submenü in das Hauptmenü zu gelangen. Die Drehgeschwindigkeit des Motors kann über ein Potentiometer am Schaltschrank verändert werden.

Das Hauptmenü weist vier Einträge auf. Dies sind der automatische Betrieb, der manuelle Betrieb, eine Übersicht über aktuelle Prozessdaten und ein Impressum.

Innerhalb des automatischen Betriebes kann ein Trübungsverhältnis zwischen 25% und 90% eingestellt werden. Durch Betätigung des Start-Buttons wird der Mischprozess gestartet. Während des automatischen Betriebes misst der Trübungssensor kontinuierlich die Trübung des Gemisches. Basierend auf der aktuellen Trübung werden die Ventile angesteuert und der Rührmotor betätigt. Dies geschieht solange bis das gewünschte Trübungsverhältnis erreicht wurde oder die Flüssigkeitsstände kritische Stände erreichen.

Der Hauptmenüpunkt manueller Betrieb beinhaltet die einzelne Ansteuerung der beiden Ventile und des Motors. Über den Up- und Down-Button können die Ventile durchgeschaltet werden und durch Betätigung des Start-Buttons beginnt der Motor für fünf Sekunden zu drehen.

Im Menüpunkt Prozessdaten werden die aktuellen Prozessdaten Trübung in Prozent, Gewicht des Gemisches in Gramm und die beiden Füllstände der oberen Behälter in Zentimeter aufgelistet.

Im Impressum sind Informationen über die Personen, die am Projekt beteiligt waren, aufgeführt.

Neben der Menüdarstellung auf dem LCD-Display sind verschiedene Status-LEDs auf dem Schaltschrankdeckel angebracht.

grüne LED zeigt an, dass das System betriebsbereit ist
zwei blaue LEDs zeigen den aktuellen Betriebszustand der Ventile an
weiße LED zeigt Betriebszustand des Motors an
drei rote LEDs geben Warnungen über das Gewicht und die beiden Füllstände bekannt

Ergebnis

Das Projekt wurde erfolgreich beendet. Die oben genannten Anforderungen wurden gänzlich erfüllt. Zwei Flüssigkeiten werden automatisch gemischt, sodass sich ein Gemisch mit der gewünschten Trübung ergibt. Der Genauigkeitsgrad liegt bei +/- 1,5%. Auch die Steuerung mit den Tastern und dem LCD-Panel funktionierte zum Schluss reibungslos. Bei der Programmierung sind wir zwar immer wieder auf Hindernisse gestoßen, die uns zu neuen Überlegungen und Recherchen angeregt haben, jedoch konnten wir die Probleme selbständig lösen. So haben wir unser Projekt kontinuierlich verbessert.
Eine große Herausforderung war die Material- und Werkzeugbeschaffung für die Hardware. Aufgrund des Lockdowns waren alle Baumärkte mit Material und Werkzeug geschlossen. Somit wurde das Material aus online-shops beschafft und das Werkzeug für z.B. größere Bohrungen wurde ausgeliehen. Desweiteren haben sich bei der Programmierung immer wieder Probleme aufgetan. So gestaltete sich die Menüstruktur mit mehreren Untermenüs als herausfordernd. Aber nach etwas Recherche und einigen Testläufen funktionierte auch dies. Ganz im Gegenteil verhielt sich dagegen das Auslesen der Sensoren. Sowohl der Trübungs- als auch die Masse- und Ultraschallsensoren ließen sich einfacher auslesen und in dem Programm implementieren als gedacht. Allerdings konnten die Sensorwerte erst nicht korrekt auf dem LCD-Display dargestellt werden. Gelöst wurde dies durch eine Umwandlung in ein char-array.

Als Verbesserung wären größere Schläuche zur schnelleren Regelung und für größere Durchsatzmengen angebracht. Desweiteren wären Pumpen anstatt zwei Ventile zu empfehlen.

Zusammenfassung

Lessons Learned

Ziel des GET-Fachpraktikums war es ein mechatronisches System zu realisieren. Dabei wurden alle Schritte von der Projektfindung, über die praktische Umsetzung, bis hin zur abschließenden Dokumentation durchlaufen. Die Projektdurchführung zeigte nicht nur die offensichtliche Bedeutung von Hardskills, wie die Programmierung von Mikrocontrollern oder mechanische Bearbeitung von Bauteilen, sondern auch die Wichtigkeit von Softskills, wie dem projektorientierten Arbeiten und, bedingt durch die Corona-Pandemie, die Nutzung von alternativen Arbeitsmethoden und Kommunikationswegen. Während des Bearbeitungszeitraum wurden bereits vorhandene Kenntnisse der Mess- und Regelungstechnik, Elektrotechnik, Informatik und Mechanik vertieft und in einigen Bereichen neues Wissen erlangt. Das Projekt und dessen Durchführung zeigte die praktische Seite von verschiedenen Inhalten, die in den Lehrveranstaltungen vermittelt wurden.

Projektunterlagen

Projektplan

Projektdurchführung

Klemmenplan der Reihenklemmleiste

YouTube Video

- folgt noch -

Weblinks

Aluminium-Profile

Literatur