DesignSpark Electrical Logolinkedin
Menu Suche
Ask a Question

5 Nov 2019, 11:29

Useless Machine: Macht eine Sauerei und habt Spaß! Teil 1

Vor einigen Jahren, als ich für Kunbus arbeitete, musste ich ein Exponat erstellen, das die Fähigkeiten unserer Revolution Pi-Produktfamilie perfekt demonstrieren würde. Wir entschieden uns damals für eine spektakuläre Maschine, die von einem RevPi Core gesteuert wurde. Die Maschine pumpte dabei zyklisch und völlig sinnlos gefärbte Flüssigkeiten (Öl und Wasser) zwischen Behältern hin und her. Es kam zu einer enormen Sauerei, als der Stand unseres (damaligen) Hauptvertriebspartners auf der „sps ipc drives“-Messe in Nürnberg mit Frittieröl überschwemmt wurde.

Aber Irren ist menschlich, es erneut zu versuchen, göttlich. In der Zwischenzeit leite ich mein eigenes Unternehmen (namens BEYOND normal): Wir entwerfen und konstruieren außergewöhnliche Exponate für unsere Kunden. Deshalb kam mir der Gedanke, dass es an der Zeit wäre, die Useless Machine 2 (auch “UM2” genannt) für den Stand von DesignSpark auf der WNIE-Messe zu bauen. Wie der Name schon sagt, ist die Maschine wiederum nutzlos. Ihr wichtigster Zweck ist es, Ingenieure und Techniker dazu zu inspirieren, sich mit der Verbindung von IT und Automatisierung zu befassen (siehe „Klassische Automatisierung trifft auf die fremde Welt der IT“): Klassische Automatisierung mit Ventilen und Pumpen wird kombiniert mit moderner IT-Technologie. Es gibt keine Pegel- oder Flusssensoren, der einzige Input für die Steuerungsalgorithmen kommt von einer USB-Kamera, die die Behälter überwacht. Python-Bibliotheken (z. B. „OpenCV“) werden für die Analyse der eingehenden Bilder und das Erkennen der Flüssigkeitspegel verwendet. Python wird auch zur Programmierung eines Zustandsautomaten verwendet (siehe „PYTHON – Automatisierung mit der ‚Monty-Sprache‘“). Lesen Sie also weiter und lassen Sie sich inspirieren, „out of the box“ zu denken und einzigartige Methoden in Ihren Projekten zu nutzen!


Useless Machine Version 1 auf der electronica, München


Useless Machine Version 2 auf der WNIE, Großbritannien

Was macht die Maschine jetzt genau? Wie gesagt: Nichts Nützliches. Es gibt zwei Behälter. Der linke enthält grün gefärbtes Wasser, der rechte enthält rot gefärbtes Öl. Beide Flüssigkeiten werden aus ihren Tanks in einen Zylinder in der Mitte gepumpt (rotes Öl schwimmt auf grünem Wasser). Die Maschine trennt die Flüssigkeiten dann wieder und pumpt sie zurück in ihre ursprünglichen Behälter. Hier ein einfaches Schema:

Mit diesem Aufbau würden Sie jedoch bald eine massive Verunreinigung beider Flüssigkeiten feststellen, nachdem die Flüssigkeiten mehrmals durchgepumpt wurden. Beim Ansaugen mit der Wasserpumpe „V“ wird die Flüssigkeitsoberfläche zwischen Wasser und Öl verformt und trichterförmig. Daher gibt es keinen genauen Zeitpunkt, an dem das Ventil „V“ vom linken Wasserschlauch zum rechten Ölschlauch geschaltet werden muss. Und sobald rotes Öl in den linken Wasserbehälter gelangt, gibt es keine Möglichkeit, es wieder herauszuholen, da es auf dem grünen Wasser schwimmt. Daher muss eine Möglichkeit gefunden werden, diese Ungewissheit bezüglich des Pegels auszugleichen. Wir müssen einen Pegelbereich finden, in dem das Ventil sicher umgeschaltet werden kann. Dies ist möglich, indem der Behälter in der Mitte mit zwei Ausgängen ausgestattet wird:

Nun muss das grüne Wasser über den unteren Wasserauslass abgepumpt werden, bis sein Füllstand definitiv unterhalb des oberen (Öl-)Auslasses liegt. Anschließend können wir das Öl sicher über den oberen Auslass abpumpen. Zwei Ventile trennen die beiden Flüssigkeitsabschnitte vollständig von Druckunterschieden. Es stellt sich heraus, dass der Ölauslass klein genug ist und dass die Oberflächenspannung plus Bindekräfte groß genug sind, um das rote Öl in den Schlauchabschnitten zwischen Ventil und Auslass zurückzuhalten. Andernfalls könnte das Wasser durch die Schwerkraft in den Ölschlauch gedrückt werden, und das Öl würde auf das Wasser gehoben, wenn der Wasserstand über dem Auslass liegt.

In meinem endgültigen Aufbau verwende ich zwei Pumpen und zwei Ventile für jede Seite, da die Pumpen, die ich verwende, nicht umgekehrt werden können. Eine Pumpe und ein Ventil auf jeder Seite dienen zum Befüllen des mittleren Behälters, eine zweite Pumpe und ein zweites Ventil auf jeder Seite dient dem Entleeren dieses Behälters. Insgesamt muss die Steuerung also vier Pumpen und vier Ventile schalten können.

Ich hatte das Glück, das ideale Material für den mechanischen Aufbau zu finden: Es stellte sich heraus, dass die „Case-Modding“-Szene mit ihren Wasserkühlern für solche Konstruktionen alle flüssigkeitsführenden Teile (Rohre, Tanks, Armaturen, Pumpen und Ventile) anbietet. Alphacool ist eines der führenden Unternehmen für PC-Kühlung. Das Material sieht gut aus und ist dafür gedacht, sich zu präsentieren. Das Unternehmen verfügt sogar über hervorragende LED-Beleuchtungsmöglichkeiten für Rohre, Tanks und Pumpen. Daher entschied ich mich für ihre Technologie und füge viele RevPi-gesteuerte LEDs hinzu. Ich möchte den Marketingteams von Alphacool und Kunbus herzlich danken, da sie beide großzügig ihr gesamtes Material als Sponsoren für die UM2 zur Verfügung gestellt haben.

Wenn Sie jemals einen Server kühlen müssen, sollten Sie unbedingt auf die Website von Alphacool gehen; sie bieten hervorragende All-in-One-Lösungen, und dies nicht nur für Bitcoin-Miner. ;-)

Nachdem ich wusste, welches Material für die Konstruktion der Maschine verwendet werden kann, habe ich sie in DSM als 3D-Modell erstellt (die Datei finden Sie am Ende dieses Artikels). Alphacool und Kunbus stellen STP-Modelle für ihre Produkte bereit. Ich habe also eine realistische Zeichnung und präzise Abmessungen erhalten:

 

Ein Teil ist ein Grundrahmen aus 40-mm-Aluminiumstreben und eine neigbare Armaturentafel. Die Struktur steht auf verstellbaren Füßen. Elastische Lippen wurden in die Profilrillen gedrückt (in der Abbildung unten links zeige ich dies mit einem Stück Holz). Später werden sie die Aluminiumplatten stützen, die den Boden umschließen. Die Halter der Armaturentafel verwenden Klemmhebel, um einen gleichmäßigen Winkel zu ermöglichen. Hier sind einige Bilder, die einen Eindruck von diesem Teil vermitteln: 

Die Armaturentafel ist eine 3-mm-Aluminiumplatte, die ich von einem kommerziellen Schilderhersteller fertig drucken und ausschneiden ließ. Darauf angebracht sind eine DIN-Schiene mit einem RevPi Core 3+, zwei RevPi Digital Out (DO)-Module (mit insgesamt 32 PWM-Ausgangskanälen für die eindrucksvolle LED-Lichtshow), ein gemischtes digitales In/Out (DIO)-Modul für vier Pumpen, vier Ventile, die drei beleuchteten Schalter und den Schlüsselschalter. Auf der DIN-Schiene befinden sich zusätzlich acht Finder-Relais für die Pumpen und Ventile, da ihre Einschaltströme den maximalen Ausgangsstrom von 500 mA der RevPi DO-Module möglicherweise überschreiten würden.

Beachten Sie die grün-gelben FE-Kabel zu jedem Modul. Ich habe oft Installationen gesehen, bei denen Kunden den FE-Pin frei gelassen haben. „FE“ steht für „Funktionserdung“ und hat nichts mit der „Schutzerdung“ (PE) zu tun. Es ist vielmehr die einzige Möglichkeit, leistungsstarke EMV-Impulse von den Modulen fern zu halten. Wenn Sie dieses Kabel also nicht anschließen, erhalten Sie nahezu keinen internen EMV-Schutz. Wenn Ihre Installation keinen Zugang zu einer FE hat (Sie könnten dazu den PE-Stift von 230-V-Steckdosen verwenden), sollten Sie zumindest alle FE-Stifte an einen zentralen GND-Anschluss anschließen. In meinem Fall habe ich sie an Erdungsklemmen auf der DIN-Schiene (d. h. am Gehäuse) befestigt, das ich ebenfalls mit einer Minus-12-V-Stromversorgung für den Batteriebetrieb verbunden habe. Bei einer Messe gibt es oft keine andere Möglichkeit, aber für den stationären Einsatz würde ich immer versuchen, PE mit dem Gehäuse zu verbinden, auch wenn ein SELV-Netzteil verwendet wird. In einem solchen Fall sollten Sie den Minus-12-V-Anschluss NICHT mit dem Rahmen verbinden.

Es gibt auch ein 7-Zoll-HDMI-TFT-Display (Waveshare) und einen Not-Aus-Knopf. Ich verwende ein HDMI-Flachkabel, das zum Standard für Quadrocopter-Kameras geworden ist und in verschiedenen Längen erhältlich ist.

Der Schlüsselschalter mit drei Stellungen ermöglicht drei Betriebsarten: „Setup“, „Normal“ und „Auto“. Im normalen Modus muss der Benutzer jedes Mal die grüne Taste „Start“ drücken, um einen vollständigen Pumpzyklus zu starten. Im automatischen Modus schaltet das System den ganzen Tag lang kontinuierlich um. Im Setup-Modus kann der Benutzer mehrere Parameter für die OpenCV-Bildanalyse festlegen, um das System an wechselnde Lichtverhältnisse anzupassen.

Es gibt auch eine rote „Stop“-Taste, um den aktuellen Pumpzyklus abzubrechen. Nach solchen Unterbrechungen muss das System durch Drücken der blauen „Reset“-Taste in den Startzustand zurückgesetzt werden. Bei jeder Taste, die derzeit vom Systemstatus erkannt wird, blinkt die Hintergrundbeleuchtung.

Hier sehen Sie Abbildungen der fertigen Armaturentafel:

Alle E/A-Baugruppen sind mit einer riesigen DIN-Schienen-Klemmvorrichtung auf der Rückseite der Armaturentafel verdrahtet. An der Rückseite der Frontblende befindet sich außerdem ein kleiner aktiver USB-Hub (Abbildung unten links). Ein WLAN-Transceiver für das IoT, ein Transceiver für eine drahtlose Tastatur/Maus-Kombination von Logitech (wird nur für Einrichtungszwecke verwendet), die USB-Kamera und das Display werden alle von diesem Hub mit Strom versorgt. Das gesamte System wird mit 12 V betrieben (Revolution Pi ermöglicht Spannungen zwischen 12 und 24 V), da dies die Spannung der Case-Modding-Szene ist. Ein kleiner DC/DC-Wandler von 12 V auf 5 V erzeugt die Versorgungsspannung für den USB-Hub.

LEDs, Ventile und Pumpen sind nicht direkt mit der Klemmenanordnung verbunden, da dadurch die Trennung der beiden Maschinenteile nicht möglich wäre. Ich habe vier neonfarbene PC-Steckverbinder verwendet, um die Trennung zu ermöglichen.

Wenn Sie von solch unnützem Engineering begeistert sind, freuen Sie sich auf Teil 2. Ich werde den oberen Rahmen ausführlich beschreiben und Ihnen zeigen, wie der RevPi Core vorbereitet wird.

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.

5 Nov 2019, 11:29

Kommentare