Gewichtsgeregelte Flüssigkeitsdosierung

Autor: Asmaa Kachout Aarourou & Daniel Gosedopp & Florian Pichmann
Betreuer: Marc Ebmeyer

Einleitung

Im Studiengang Business and Systems Engineering wird im Rahmen des Fachpraktikums "Angewandte Elektrotechnik" ein Gruppenprojekt entwickelt.

Dieses Projekt befasst sich mit einer gewichtsgeregelten Flüssigkeitsdosierung, die für Anwendungen mit grammgenauen Gewichtsanforderungen verwendet werden kann. Als Beispiel kann hier die Chemieindustrie bei der Abfüllung von Reinigungs-/Pflegeprodukten oder das Mixen von Nährstofflösungen für Pflanzen genannt werden. Auch der Einsatz in Schulen zur Durchführung von Experimenten mit Flüssigkeiten ist möglich.

Der Automat soll eine gewünschte Flüssigkeitsmenge mittels einer Pumpe und Schlauchverbindungen aus einem Tank in ein bereitstehendes Gefäß einfüllen. Die Sollmengenvorgabe wird mit einem Touchscreen realisiert. Hier kann entweder direkt das Gewicht oder die bekannte Dichte der Flüssigkeit zusammen mit dem gewünschten Volumen in z.B. Milliliter vorgegeben werden. Der Regelkreis wird mithilfe einer Wägezelle als Sensor, auf der das Zielbehältnis platziert wird, und einer Peristaltikpumpe (Schlauchpumpe) als Aktuator realisiert. Die Software (Signalverarbeitung, Regler) läuft auf einem Mikrocontroller. Die Vorgehensweise bei der Bearbeitung des Projekts orientiert sich am V-Modell, weshalb auch dieser Wiki-Artikel in die Phasen des V-Modells bis zum Komponententest gegliedert ist.

Insgesamt besteht das Projekt aus den drei Hauptteilen Hardwareaufbau, Software für Signalverarbeitung und Regler sowie Software für das Touchdisplay. Die Arbeitsaufteilung innerhalb der Gruppe erfolgt an diesen Teilen.

Anforderungen

Tabelle 1: Anforderungsliste

ID	Typ (I = Info, A = Anforderung)	Kapitel	Inhalt	Ersteller	Datum	Geprüft von	Datum
001	I	1	Hardware
002	A		Es muss eine Wägezelle verbaut werden, welche in der Lage ist, die Flüssigkeitsmenge mit einer Genauigkeit von +/- 1g zu messen.	Pichmann	05.10.2023	Kachout, Gosedopp	06.10.2023
003	A		Es wird eine regelbare Peristaltikpumpe (Schlauchpumpe) verbaut.	Pichmann	05.10.2023	Kachout, Gosedopp	06.10.2023
004	A		Zur Sollwertvorgabe wird ein Touchdisplay verwendet (HMI). Hier kann entweder ein gewünschtes Gewicht oder die Dichte der Flüssigkeit zusammen mit dem gewünschten Volumen angegeben werden.	Pichmann	05.10.2023	Kachout, Gosedopp	06.10.2023
005	A		Für die Daten- und Signalverarbeitung, die Regelung und die Anbindung des Touchdisplays wird ein Arduino Mikrocontroller genutzt.	Pichmann	05.10.2023	Kachout, Gosedopp	06.10.2023
006	A		Es müssen zwei Behälter (z.B. Becherglas) vorhanden sein. Einer dient als Vorrat, der Andere als Zielgefäß.	Pichmann	05.10.2023	Kachout, Gosedopp	06.10.2023
007	A		Der Transport der Flüssigkeit zwischen den Behältern erfolgt durch Kunststoffschlauchverbindungen.	Pichmann	05.10.2023	Kachout, Gosedopp	06.10.2023
008	A		Die Energieversorgung wird von einem externen Netzteil übernommen. Dieses muss genug Leistung haben, um die gesamte Elektronik zu betreiben.	Pichmann	05.10.2023	Kachout, Gosedopp	06.10.2023
009	I	2	Software
010	A		Für die Erstellung der Software wird Matlab/Simulink verwendet. Ggf. wird aus dem Modell C-Code generiert, welcher auf den Arduino geflasht wird.	Pichmann	05.10.2023	Kachout, Gosedopp	06.10.2023
011	A		Die Software muss die Eingabe auf dem Touchdisplay zu einem Sollwert für die Regelung verarbeiten.	Pichmann	05.10.2023	Kachout, Gosedopp	06.10.2023
012	A		Es muss ein Kalibriermodus für die Wägezelle vorhanden sein. Die Kalibrierung wird ebenfalls mit Hilfe des Touchscreens vorgenommen. Hierzu ist ein Kalibriergewicht notwendig.	Pichmann	05.10.2023	Kachout, Gosedopp	06.10.2023
013	A		Das gemessene Ist-Gewicht wird mit dem Sollwert zu einer Regeldifferenz verrechnet, sodass der Regler eine Stellgröße zur Ansteuerung der Pumpe berechnen kann.	Pichmann	05.10.2023	Kachout, Gosedopp	06.10.2023
014	A		Es wird ein stetiger Regler verwendet.	Pichmann	05.10.2023	Kachout, Gosedopp	06.10.2023
015	I	3	Dokumentation
016	A		Alle Projektdateien werden in SVN hinterlegt.	Pichmann	05.10.2023	Kachout, Gosedopp	06.10.2023
017	A		Das gesamte Projekt wird im Wiki dokumentiert.	Pichmann	05.10.2023	Kachout, Gosedopp	06.10.2023

Tabelle 2: Bill of Materials (BOM)

Anzahl	Komponente	Preis
1	Kamoer KCM Peristaltikpumpe	50,38€
1	Arduino Mega 2560	15,95€
1	Wägezelle RBS15855	1,95€
1	HX711 24 Bit ADU	0,89€
1	Touchdisplay	€
1m	Kunststoffschlauch 6mm	9,49€

Funktionaler Systementwurf/Technischer Systementwurf

• 

  Abbildung 1: Skizze funktionaler Systementwurf

• 

  Abbildung 2: Skizze technischer Systementwurf

Komponentenspezifikation

Die erforderlichen Komponenten und ihre spezifischen Anforderungen sind in diesem Abschnitt detailliert beschrieben. Der Schwerpunkt liegt auf der Implementierung komplexer Projektmethoden zur gewichtsgeregelten Flüssigkeitsdosierung. Um eine präzise und benutzerfreundliche Dosierung sicherzustellen, wurden während dieser Untersuchungen mehrere wesentliche Schlüsselkomponenten und Funktionen sorgfältig implementiert.

Wägezelle

Die Wägezelle ist für die präzise Messung des Gewichts der zu dosierenden Flüssigkeit verantwortlich. Die Wägezelle verstärkt und digitalisiert das Signal mit kalibrierter Genauigkeit und dem HX711 24-Bit Analog-Digital-Wandler. Diese Kombination bildet das Fundament für eine äußerst präzise Dosierung, da sie eine beeindruckende Genauigkeit von +/- 1g bei der Messung der Flüssigkeitsmenge ermöglicht.

Kamoer Peristaltikpumpe

Die Peristaltikpumpe ist sehr präzise darin, Flüssigkeit zu dosieren. Diese Schlauchpumpe ermöglicht nicht nur eine präzise Steuerung des Flüssigkeitsflusses, sondern hilft auch, die zu dosierenden Substanzen schonend zu handhaben, indem sie peristaltische Bewegungen verwendet.

Eingänge

• Wartezeit [s]
• Regeldifferenz

Ausgänge

• STEP An Motortreiber: Puls löst Motorbewegung um einen Schritt aus
• DIR An Motortreiber: Drehrichtung des Motors
• ENABLE An Motortreiber: Motorbewegung zulassen oder nicht

ID	Kapitel	Inhalt	Ersteller	Datum
1	1	Sobald die Regeldifferenz Null bzw. fast Null ist, wird keine Motorbewegung zugelassen, d.h. ENABLE ist auf LOW.	Kachout, Gosedopp	13.11.2023
2	1	ENABLE wird auf HIGH gesetzt, solange geregelt wird.	Kachout, Gosedopp	13.11.2023
3	1	Am DIR-Pin liegt immer der Pegel für die korrekte Pumprichtung an. Da nur in eine Richtung gepumpt wird, ist dieser Pegel konstant und hängt von der Einbaurichtung ab.	Kachout, Gosedopp	13.11.2023
4	1	Der STEP Pin erzeugt immer einen HIGH-Puls, geht dann wieder auf LOW und wartet die vom Regler vorgegebene Wartezeit ab ehe erneut ein HIGH-Puls ausgegeben wird.	Kachout, Gosedopp	13.11.2023

Touchdisplay

Ein innovatives Touchdisplay ermöglicht eine einfache Sollwertvorgabe. Hier kann der Benutzer nicht nur das gewünschte Gewicht, sondern auch die Dichte und das Volumen der Flüssigkeit einstellen. Um eine einfache Interaktion zu ermöglichen, bietet dieses interaktive Human-Machine-Interface (HMI) eine angemessene Displaygröße, eine ansprechende Oberfläche und die Kompatibilität mit dem Arduino.

Eingänge

• Clock (erzeugt in jedem Sample eine Flanke, ohne funktioniert Simulinkmodell nicht)

Ausgänge

• Sollgewicht [g]
• Istgewicht [g]

ID	Kapitel	Inhalt	Ersteller	Datum
1	2	Das Sollgewicht (Sollwert der Regelung) wird über das Touchdisplay entweder direkt eingegeben oder über die Formel Sollgewicht = Dichte * Volumen berechnet.	Kachout	10.11.2023
2	2	Es gibt einen "Löschen" Button, um falsche Eingaben zu korrigieren.	Kachout	10.11.2023
3	2	Im Kalibriermodus wird mit einem bekannten 500g Gewicht kalibriert. Dazu wird zunächst der empfangene Digitalwert ohne Gewicht gespeichert . Danach wird das bekannte Gewicht aufgelegt und der Digitalwert erneut gespeichert (kalWert). Dieser Wert wird im EEPROM des Arduino gespeichert.	Gosedopp	10.11.2023
4	2	Mit den Kalibrierwerten berechnet sich das gemessene Gewicht zu: Istgewicht = (500g / kalWert) * Digitalwert	Gosedopp	10.11.2023
5	2	Es wird bei Eingaben auf dem Touchdisplay jeweils vorher angezeigt, in welchen Einheiten die Eingaben zu tätigen sind.	Gosedopp	10.11.2023
6	2	Das Gewicht wird in Gramm eingegeben. Die Dichte wird in kg/m³ und das Volumen in Milliliter.	Gosedopp	10.11.2023
7	2	Läuft die Messung, dann wird das Sollgewicht sowie das Istgewicht auf dem Display angezeigt.	Gosedopp	10.11.2023
8	2	Eine laufende Messung kann abgebrochen werden ("Abbruch"-Button).	Gosedopp	10.11.2023
9	2	Ist die Messung abgeschlossen, kann durch einen "Fertig"-Button auf die Startseite zurückgekehrt werden.	Gosedopp	10.11.2023

Regler

Eingänge

• Sollgewicht [g]
• Istgewicht [g]

Ausgänge

• Wartezeit (zwischen zwei Step-Pulsen)

Parameter

• Kp
• Ki
• Kd

ID	Kapitel	Inhalt	Ersteller	Datum
1	3	Ein stetiger Regler berechnet aus der Regeldifferenz eine Stellgröße. Diese ist konkret eine Wartezeit zwischen zwei HIGH-Pulsen. Ein HIGH-Puls erzeugt mittels Schrittmotortreiber eine Drehung um einen Schritt.	Kachout, Gosedopp	13.11.2023
2	3	Negative Regeldifferenzen werden durch einen "Saturation"-Block eliminiert (zu Null gesetzt), da die Pumpe die Flüssigkeit nicht zurückpumpt.	Kachout, Gosedopp	13.11.2023
3	3	Die Regelgröße darf nicht überschwingen, ebenfalls aus dem Grund, dass die Pumpe nicht zurückpumpt.	Kachout, Gosedopp	13.11.2023
3	3	Der Regler besitzt gutes Führungsübertragungsverhalten, da keine Störungen in Form von Abflüssen vorliegen.	Kachout, Gosedopp	13.11.2023
4	3	Der Regler muss in der Lage sein, die Sollgröße stationär zu erreichen.	Kachout, Gosedopp	13.11.2023

Signalverarbeitung

Eingänge

• Istgewicht [g]

Ausgänge

• Istgewicht_filt [g]

Parameter

• T (Filterzeitkonstante)

ID	Kapitel	Inhalt	Ersteller	Datum
1	4	Je nach Güte des Sensorsignals wird ggf. ein Tiefpassfilter zur Glättung eingesetzt.	Kachout, Gosedopp	13.11.2023

Umsetzung (HW/SW)

Hardware

Die Umsetzung der Hardware umfasst die Verkabelung und Verlötung der elektrischen Komponenten, sowie die Entwicklung eines Gehäuses, worin die Komponenten untergebracht werden können.
Für das Gehäuse wurde zunächst mittels CAD-Software ein 3D-Modell entworfen, worin auch die einzelnen Komponenten mit deren Abmessungen berücksichtigt wurden. Dadurch konnten die Anordnung der Komponenten und entsprechende Größen einzelner Bauteile bestimmt werden. Durch den benötigten Bauraum stellte sich heraus, dass ein Gehäuse aus Holz sehr gut Umsetzbar ist. In diesem befinden sich dann die Peristaltikpumpe, der ArduinoMega, ein Netzteil zur Spannungsversorgung, ein Spannungswandler, ein Treibermodul für die Pumpe und ein 24bit-Analog-Digital-Umwandler, welcher das Messsignal der Wägezelle verarbeitet. Die Wägezelle selbst wird vor dem Gehäuse montiert. Diese benötigt Abstand zum festen Untergrund und zu dem "Wiegeteller", auf dem das Gefäß, in dem die Flüssigkeit gewogen wird, abgestellt werden kann. Durch diese Montageweise ist gewährleistet, dass sich die Wägezelle durch die erzeugte Gewichtskraft verformen kann und die Dehnungsmessstreifen eine elektrische Spannung erzeugen. Das HMI zur Eingabe der Flüssigkeitsdosierung wird, entgegen der ursprünglichen Idee, auf dem Gehäuse montiert, um es einfacher bedienen zu können.
Neben dem Gehäuse aus Holz wurden weitere Bauteile aus Kunststoff mittels dem Fused Deposition Modelling (FDM) Verfahren gefertigt, welche hauptsächlich die Funktion haben, einzelne Komponenten in Position zu halten. Folgende Bauteile wurden per FDM gefertigt und verbaut:

• Aufnahme für das HMI (Deckel des Gehäuses)
• 2 Ausgüsse mit Schlauchdurchführung, inkl. 2 Halter für die Ausgüsse
• Halterung für das Netzteil
• Halterung für die Peristaltikpumpe
• Wiegeteller

In den folgenden Abbildungen ist links das 3D-Modell und rechts die Umsetzung dessen in die Realität zu sehen:

EINFÜGEN

Die elektrische Verbindung von HMI zu dem ArduinoMega erfolgt über ein Flachbandkabel. Der Arduino selbst ist so im Gehäuse montiert, dass seine USB-Schnittstelle für eventuelle Änderungen gut zugänglich ist. Alle Verkabelungen, welche vom Arduino abgehen, sowie die Verbindungen am Spannungswandler sind fest verlötet. Die restlichen Verbindungen sind steckbar.

In folgender Abbildung ist der Verdrahtungsplan zu sehen:

EINFÜGEN

Software

Die Umsetzung der Software wird auf dem Mikrocontroller ArduinoMega mittels der Mathworks Software Simulink realisiert. Sie besteht aus vier wesentlichen Bestandteilen:

• Darstellung und Funktionen des Touchdisplays
• Messsignalverarbeitung
• Regler
• Pumpenansteuerung

Für die Programmierung des Displays sind verschiedene Bibliotheken erforderlich, welche zum Beispiel Funktionen für Buttons und deren Darstellung beinhalten, worüber dann unter Anderem Sollwerte vorgegeben und eine Kalibrierung durchgeführt werden können.
Das Messsignal wird als Digitalwert empfangen. Nach korrekter Kalibrierung des Gewichtssensors, kann aus dem Digitalwert ein Gewicht abgeleitet werden.
Der verwendete P-Regler regelt den Füllvorgang des Behälters, indem er das Fördervolumen der Pumpe steuert. Das Füllen des Behälters entspricht einem System mit I-Verhalten und bildet unsere Regelstrecke.
Bei der Peristaltikpumpe handelt es sich um einen Stepmotor, welcher mittels Pulsweitenmodulation (kurz: PWM) angesteuert wird.
Aus diesen Komponenten lässt sich dann folgender Regelkreis zur Regelung des Gesamtsystems erstellen und umsetzen:

EINFÜGEN Screenshots

Sensorik

• 

  Abbildung 3: Messkette des Sensors

Wägezellen sind Sensoren, die Kraft oder Druck in elektrische Energie umwandeln. Die Größe dieser elektrischen Leistung ist direkt proportional zur ausgeübten Kraft. Die Wägezelle verfügt über einen Dehnungsmessstreifen, der sich bei Druckeinwirkung verformt. Bei einer Verformung erzeugt der Dehnungsmessstreifen dann ein elektrisches Signal, da sich sein effektiver Widerstand verformt. Eine Wägezelle besteht normalerweise aus vier Dehnungsmessstreifen in einer Wheatstone-Brückenkonfiguration. Die von der Wägezelle erzeugten elektrischen Signale bewegen sich im Bereich von wenigen Millivolt. Da diese Signale einer weiteren Verstärkung bedürfen, kommt der HX711-Wägesensor ins Spiel. Das HX711-Wägesensormodul integriert einen HX711-Chip, einen hochpräzisen 24-Bit-Analog-Digital-Wandler (ADC). Der HX711 verfügt über zwei analoge Eingangskanäle, die durch Programmierung eine Verstärkung von bis zu 128 ermöglichen. Das HX711-Modul amplifiziert somit die geringe elektrische Leistung der Wägezelle und konvertiert dieses verstärkte Signal in digitale Werte. Diese digitalen Werte werden daraufhin in ein Arduino-Mikrocontroller-System eingespeist, um das Gewicht präzise abzuleiten.

Projektunterlagen

Projektplan

Literatur

---

→ zurück zur Übersicht: WS 22/23: Angewandte Elektrotechnik (BSE)