Überwachungs-Steuergeräts für das unbeaufsichtigte Betreiben von 3D-Druckern

Autoren: Noah Greis

Betreuer Prof. Dr.-Ing. Mirek Göbel

Einleitung

Dieser Artikel befasst sich mit der Projektarbeit für das Erstellen eines Überwachungs-Steuergerät für das unbeaufsichtigte Betreiben eines 3D-Druckers. Das Projekt wurde entworfen und umgesetzt, unter der Betreuung von Prof.Dr.-Ing. Mirek Göbel. Es wird Schritt für Schritt auf die Entwicklung eingegangen. Dabei geht es um die Brandgefahr, welche nach Möglichkeit verhindert werden soll.

Gefahrenanalyse

In der Gefahrenanalyse, wurde die Brandgefahr behandelt. Dabei ist auf Gründe und Folgen eingegangen worden.

Abb 1: Gefahrenanalyse zur Brandgefahr

Systementwurf

Aus der Gefahrenanalyse wurde ein Entwurf für das System erstellt. Dieser diente zusammen mit der Skizze der Planung für die Umsetzung. Es musste mit einem Relais die Möglichkeit gegeben werden, den Drucker bei erkannter Gefahr abzuschalten. Die Gefahr sollte durch eine Temperaturüberwachung und Raucherkennung verringert werden.

Abb 2: Systementwurf zum Überwachungssystem

Abb 3: Skizze zum Systementwurf

Hardware

Schaltung & Platine

Für die Schaltung, die benötigt wird, um ein Platinenlayout zu erstellen wurden zunächst alle anzuschließenden Elemente betrachtet und analysiert. Dies diente dem Erhalt einer groben Übersicht, welche notwendigen Verschaltungen im Einzelnen benötigt werden. Die Schaltung wurde dann mithilfe des Programms „NI Multisim“ entworfen. Bei der Schaltung gab es zwei verschieden Spannungsbereiche. Zum einen musste die 230V Netzspannung in die Schaltung einfließen und mit einem Relais durchgeschaltet, sowie in eine 9V DC Spannungsversorgung für den Arduino und Rauchmelder gewandelt werden. Zum anderen mussten die 5V DC vom Arduino genutzt werden, um die NTC-Widerstände zu versorgen, das Display zu nutzen und das Relais zu schalten.

Abb 4: Schaltung mit den Anschlüssen am Arduino

Abb 5: Schaltung mit den Anschlüssen für die 230V

Aus dieser Schaltung wurde eine Platine in NI Ultiboard erstellt, welche in folgender Abbildung dargestellt wurde.

Abb 6: Platine für das Überwachungssystem

Gehäuse

Das Gehäuse für den Drucker, besteht aus einer Plexiglaskiste, welche mit einer Holzgrundplatte ein luftdichtes Gehäuse bildet.

Abb 7: Gehäuse des Druckraums

Zusätzlich wurde ein Gehäuse für die Elektronik entworfen und mit dem 3D-Drucker der Projektwerkstatt gedruckt.

Software

Die Software wurde in der Arduino IDE erstellt und besteht aus verschiedene Funktionen, welche im folgenden erläutert werden.

Überwachung der Temperatur

Für die Temperaturbestimmung wurden zu Beginn die nötigen Parameter per define deklariert. In der Funktion selbst wird durch die Übergabe des NTC-Indizes mithilfe eines Switch-Case-Statement der passende analoge Pin ausgelesen und weiter verrechnet. Dazu wurden die Berechnungen aus der Abb. 8 genutzt.

Abb 8: Berechnung der Temperatur mittels eines NTC-Widerstandes

Erkennung des Rauchmelders

Das vom Rauchmelder ausgesendete Alarmsignal, kann am digitalen Pin 2 erkannt werden. Dazu wurde dieser Pin als Input definiert und wird regelmäßig in der loop-Funktion ausgelesen. Falls es hier zu einem High-Signal kommt, welches einer digitalen 1 entspricht, wird dieses in der Variable Rauchmelder gespeichert und führt zur Abschaltung des Relais. Das Relais ist wie aus der Schaltung zu entnehmen für die Stromzufuhr des 3D-Druckers verantwortlich.

Display Ausgabe

Das Display wird zur Ausgabe der Temperaturen sowie des Abschaltgrundes genutzt. Im Normalfall gibt das Display in der ersten Zeile die Hotendtemperatur und in der zweiten Zeile die Raumtemperatur an. Dabei wurde das Gradzeichen als eigenes Zeichen definiert, da dieses nicht wie in Schreibprogrammen vorhanden ist. Dafür wurden in temp_char die Werte der Pixel für ein Kästchen gespeichert und per lcd.write(1) ausgegeben. Bei einer Gefahr und der dadurch ausgelösten Abschaltung des Relais, wird zusätzlich im Display der Grund angezeigt. Dabei handelt es sich entweder um das Auslösen des Rauchmelders oder eine Unstimmigkeit in der Temperaturmessung.

Inbetriebnahme

Die Inbetriebnahme des Überwachungs-Steuergerätes lief zum größten Teil wie erwartet. Lediglich die Schaltung für das verlustfreie Messen mithilfe eines Impedanzwandlers führte zu Komplikationen. Das Gerät erkannte falsche Temperaturen und schaltete das Relais und somit den Drucker ab. Durch das Entfernen der Impedanzwandler-Schaltung in der Messkette konnte dieses Problem behoben werden. Der NTC-Widerstand des Druckers wird direkt vom Arduino ausgelesen und mit dem externen NTC-Widerstand verglichen.

Testen des Überwachungssystem

Das System wurde drei verschiedenen Testfällen unterzogen. Im ersten Fall wurde der Drucker in Betrieb genommen und auf 170°C aufgeheizt. Während dieses Vorganges kam es durch externes Eingreifen zum Ablösen des NTC-Widerstandes des Druckers. Das zu erwartende Ergebnis war, dass der Drucker durch das Betätigen des Relais ausgeschaltet wird und das Display eine Warnung anzeigt. Dieses Ergebnis ist nach Ablösen des Widerstandes sofort eingetroffen und das Display zeigte „Temperatur unstimmig!!“. Im zweiten Fall wurde der Drucker ebenfalls in Betrieb genommen. Kurze Zeit später wurde manuell ein Testalarm am Rauchmelder durch das Drücken der Taste am Alarm ausgelöst. Auch hier ist ein Abschalten des Druckers durch das Relais mit einer Warnung am Display zu erwarten. Wie erwartet wurde der Drucker abgeschaltete und auf dem Display erschien „Rauchmelder ausgelöst!!“. Der letzte Testfall hat sich mit der Heizspule beschäftigt. Dabei ging es darum, ob diese gelöst werden und aus dem Heatblock fallen kann. Dazu musste die Schraube, mit der die Spule verankert ist, etwas gelöst werden. Daraufhin wurde per Druck versucht, die Heizspule aus dem Heatblock zu schieben. Dies war so nicht möglich, da die Spule, wie in Abb. 9 zu sehen ist, mit den zwei NTC-Widerständen per Kaptonband verbunden ist.

Abb 9:Hotend mit verbauten Komponenten