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6 Dec 2019, 8:44

无用机器:开开心心地大闹一场!第 1 部分

几年前在 Kunbus 工作时,我需要制作一件能够完美展示 Revolution Pi 产品系列功能的展品。我们决定搭建一台由 RevPi Core 控制的特别机器,它毫无用处地在各个容器之间循环泵送彩色液体(油和水)。结果在纽伦堡国际电气自动化系统及元件展 SPS IPC Drives 上,这台机器把我们的(当时的)主要经销商的展台变成了一片漂着浮油的水滩,闹了个人仰马翻。

然而犯错的不是机器,而是人:不断重复,却又是神圣的。与此同时,我正在发展自己的业务(称为 BEYOND normal):我们为客户设计并制作别具一格的展品。于是我想,在英国电子展 WNIE 为 DesignSpark 展台构建“无用机器 2”(即“UM2”)是个不错的时机。顾名思义,这台机器仍然毫无用处。它的主要意义在于启发工程师们拓展 IT 和自动化的交叉点(详见“传统自动化进入 IT 异世界”):传统自动化的阀门和泵机遇到现代 IT 技术。这台机器中没有使用液位或流量传感器,唯一用于控制算法的组件是一个对准容器的 USB 摄像头。Python 库(例如“openCV”)用于分析传入图片并检测液位,而 Python 则用于状态机的编程(详见“PYTHON – 让“Monty 语言”进入自动化行业”)。继续阅读,获得启发,跳出思维框架,用别具一格的方法开发项目!

慕尼黑电子展 Electronica 上的无用机器第 1


英国电子展 WNIE 地毯上的无用机器第 2 版

言归正传,这台机器到底能做什么?正如我之前所说:它没有什么真正的用处。它包含两个容器。左边的容器装有绿色的水,而右边的容器则装有红色的油。两种液体通过泵机输送从各自的容器中输送至位于中间的圆筒中(红色的油漂浮在绿色的水上)。然后机器分离两种液体,再把它们用泵机送回原容器。下面是该机器的简图:

然而在这种设计下,数个输送周期之后,两种液体的纯度很快就会大幅降低。水泵“V”抽吸时,油与水之间的液面变成漏斗形,因此不存在阀门“V”从左侧水管精确切换至右侧油管的时间点。而一旦红色的油进入左边的水容器中,就无法再分离出来,因为油会浮在绿色的水面上。于是我们需要找出液位不确定的补偿方法。我们要找出适合切换阀门的液位范围。这可以通过在中间容器上使用两个出口来实现:

现在我们需要使用下面的出水口排出绿色的水,直到液位完全低于上面的(油)出口。然后我们使用上面的出口安全地将油排出。两个阀门使两种液体部分完全摆脱了任何压差的影响。出油口尺寸够小,表面张力加上附着力够大,足以使红色的油留在阀门和出口之间的管道部分内。否则,重力可将水压入油管,而只要水面高于出口,油就会漂浮至水面。

最后一步,我在两侧各使用两台泵机和两个阀门,因为我使用的泵机无法反向。因此每侧的一组泵机和阀门用于向中间容器灌注,而另一组则用于排放。总的来说,控制器需要切换四台泵机和四个阀门。

幸运的是,我找到了机械安装的理想材料:含水冷设备的“机壳改装”场景提供了这类装置所需的所有液体输送零件(管道、水槽、管件、泵机和阀门)。Alphacool 是 PC 冷却的市场领导者之一。该公司设计的材料十分美观,适合用于展览。它甚至还为管道、水槽和泵提供出色的 LED 照明选项。于是我决定选用该公司的技术,同时还增设了大量由 RevPi 控制的 LED。此外 Alphacool 和 Kunbus 营销团队赞助了制作 UM2 所需的材料,因此在这里我想对他们致以最诚挚的谢意。

如果你需要冷却服务器,请务必浏览 Alphacool 网站;该站提供顶级的多功能解决方案,且适用范围不仅仅是比特币矿工 ;-)

在了解了可用于搭建机器的材料后,我用 DSM 做了一个 3D 模型(在本文结尾处查找文件)。Alphacool 和 Kunbus 为 STP 模型提供了各自的产品。因此我最终得到了一份逼真的制图和精准的尺寸:

 

其中一个部分是 40 毫米铝杆制成的底座框架和可倾斜的仪表板。该结构具有可调节支脚。弹性唇型件已压入型材的凹槽中(在左下角的图片中,我用一块木片对此进行演示)。之后,它将支撑用作底座外壳的 Dibond 铝板。仪表板支架使用支撑杆,可固定在任何角度。此部分的细节图如下:

仪表板是一块 3 毫米铝板,我已经用商业标牌机打印并切割好。它上面的 DIN 导轨上装有一个 RevPi core 3+、两个 RevPi 数字输出 (DO) 模块(共计 32 PWM 输出通道,以打造令人难忘的 LED 灯光秀),用于四个泵、四个阀门、三个发光开关以及钥匙开关的混合数字输入/输出 (DIO) 模块。此外,DIN 导轨上还装有 8 个用于泵和阀门的 Finder 继电器,因为涌入电流(开启时)可能会超过 RevPi DO 模块的 500 mA 最大输出电流。

请注意连接至各模块的绿色/黄色的 FE 线。我常见到客户不连接 FE 引脚。“FE”表示“功能接地”,与“保护接地”(PE) 无关。它是防止高能量 EMI 脉冲进入模块的唯一方法。因此如果不连接此电线,结果就会几乎没有内部 EMI 保护。如果你的装置无法连接 FE(为此也可以使用 230 V 插座的 PE 引脚),应至少将所有的 FE 引脚连接至中央 GND。本例中,我将它们连接至 DIN 导轨上的接地夹(即底座 GND),同时将导轨连接至用于电池供电的 -12 V 电源。展会展览上通常只是固定使用,即使已使用 SELV 电源,我也总会尝试将 PE 连接至底座。在这种情况,禁止将 -12 V 电源连接至外壳。

此外还有一个 7 in. HDMI TFT 显示器 (Waveshare) 和一个紧急停止按钮。我使用了 HDMI 扁平电缆,这种电缆已成为四轴摄像头的标配,并有数种长度可选。

三位钥匙开关包含三种操作模式:“设置”、“正常”和“自动”。在正常模式下,用户必须在每次启动一个完整的泵送周期时按下绿色的“启动”按钮,而在自动模式下,系统则全天不间断地运行周期。设置模式可用于设置 openCV 图片分析的多个参数,使系统适应周围的照明条件。

此外还有一个红色的“停止”按钮,用于停止当前泵送周期。停止后,必须按下蓝色的“复位”按钮将系统复位至起始状态。系统状态当前可识别的所有按钮都将背光闪烁。

最终仪表板如下所示:

所有的输入/输出都通过电线连接至位于仪表板背面的一个巨大 DIN 导轨夹组上。此外还有一个小型主动式 USB 集线器固定在前板的背面(左下图)。用于 IoT 的 Wifi 收发器、用于 Logitech 无线键盘/鼠标套件(仅限设置用途)的收发器、USB 摄像头和显示器均由该集线器提供电源。整个系统的电源电压为 12 V(Revolution Pi 适用于 12 - 24 V 电压),因为这是外壳改装场景的电压。一个小型 12 V 转 5 V 直流-直流转换器生成 USB 集线器适用的电压。

LED、阀门和泵不直接连接至夹组,因为这样无法区分机器的两个部分。我使用四个霓虹色彩的 PC 连接器来进行区分。

如果你喜欢这类无用的机械设计,请关注第 2 部分,届时我将详细介绍顶部框架,并演示如何进行 RevPi Core 的准备工作。

Volker de Haas started electronics and computing with a KIM1 and machine language in the 70s. Then FORTRAN, PASCAL, BASIC, C, MUMPS. Developed complex digital circuits and precise analogue electronics for neuroscience labs (and his MD grade). Later database engineering, C++, C#, hard- and software developer for industry (transport, automotive, automation). Ended up designing and constructing the open source PLC / IPC "Revolution Pi". Today engaged in advanced development as a service.

6 Dec 2019, 8:44