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La macchina inutile: tanta confusione e divertimento! Parte 1

Alcuni anni fa, quando lavoravo per Kunbus, mi fu chiesto di organizzare una mostra che dimostrasse alla perfezione le funzionalità della nostra famiglia di prodotti Revolution Pi. Decidemmo di costruire una macchina spettacolare, controllata da un RevPi Core, che pompava ciclicamente e senza scopo dei fluidi colorati (olio e acqua) tra contenitori. L’evento diventò un disastro quando il nostro distributore (di quel periodo) si ritrovò addosso un lago di olio per friggere durante la fiera "sps ipc drive" di Norimberga.

Ma errare è umano e perseverare è divino. Nel frattempo gestisco la mia attività (che si chiama BEYOND normal) in cui progettiamo e realizziamo eccezionali espositori per i nostri clienti. A un certo punto ho pensato che era giunto il momento di costruire la Useless Machine 2 (detta anche "UM2") per lo stand di DesignSpark alla fiera WNIE. Come la definisce l’aggettivo, è inutile. Lo scopo principale di questa macchina inutile è quello di ispirare gli ingegneri a trovare il punto di incontro tra IT e automazione (vedere "Classical Automation enters Alien World of IT"): l'automazione classica con valvole e pompe incontra la moderna tecnologia IT. Non sono coinvolti sensori di flusso o di livello, ma l'unico input per gli algoritmi di controllo è una videocamera USB che osserva i serbatoi. Le biblioteche Python (ad es "openCV") vengono utilizzate per analizzare le immagini in entrata e rilevare i livelli dei fluidi, Python viene utilizzato per programmare una macchina di stato (vedere "PYTHON – Let the „Monty-language” enter Automation). Continuate a leggere e lasciatevi ispirare superando le vostre abitudini con l’utilizzo di metodologie esclusive per i vostri progetti!

Useless Machine Versione 1 a Electronica, Monaco

Useless Machine Versione 2 a WNIE, Regno Unito

A questo punto, qual è esattamente la funzione della macchina? Come ho detto, nessuna. Ci sono due serbatoi. Quello di sinistra contiene acqua di colore verde, quello di destra contiene olio di colore rosso. Entrambi i liquidi vengono pompati dai rispettivi serbatoi in un cilindro al centro (olio rosso che galleggia su acqua verde). La macchina quindi separa nuovamente i liquidi, riportandoli nei rispettivi serbatoi di origine. Sembra trattarsi di uno schema semplice.

Tuttavia, con questa configurazione, si riscontra l’enorme impurità di entrambi i fluidi dopo diversi cicli di pompaggio. Man mano che la pompa dell'acqua "V" aspira, la superficie del liquido tra acqua e olio si deforma, acquisisce la forma di un imbuto e quindi non si conosce un punto preciso in cui commutare la valvola "V" dal tubo dell'acqua a sinistra al tubo dell'olio a destra. E una volta che l'olio rosso entra nel serbatoio dell'acqua a sinistra, non c’è modo di tirarlo fuori di nuovo perché galleggia sopra l'acqua verde. Quindi nasce l'esigenza di trovare un modo per compensare questa incertezza di livello, di trovare un intervallo del livello all'interno del quale sia sicuro azionare la valvola. La soluzione sta nel disporre delle uscite sul serbatoio centrale:

a questo punto è necessario rimuovere l'acqua verde utilizzando l'uscita dell'acqua inferiore fino a quando il livello non si trova completamente sotto l'uscita superiore (olio). A questo punto, possiamo estrarre l'olio in sicurezza tramite l'uscita superiore. Due valvole separano completamente le due sezioni dei fluidi da qualsiasi differenza di pressione. Se l'uscita dell'olio è abbastanza piccola e la tensione superficiale e le forze adesive sono sufficientemente grandi, queste trattengono l'olio rosso all'interno delle sezioni del tubo tra la valvola e l'uscita. Altrimenti, la gravità avrebbe potuto spingere l'acqua nel tubo dell'olio e l'olio si sarebbe ritrovato sopra l'acqua ogni volta che il livello dell'acqua si trovava al di sopra dell'uscita.

Nella mia configurazione finale, utilizzo due pompe e due valvole per ciascun lato, perché le pompe che uso non possono essere invertite. Quindi una pompa e una valvola su ogni lato servono per riempire il serbatoio centrale, mentre l'altra pompa e l’altra valvola su ogni lato servono per svuotare il serbatoio centrale. Nel complesso, il controller deve commutare quattro pompe e quattro valvole.

Ho avuto la fortuna di trovare il materiale ideale per la configurazione meccanica: all’interno del "modding case" nei PC, l’apparecchiatura di raffreddamento CPU offre tutte le parti di conduzione del liquido (tubi, serbatoi, raccordi, pompe e valvole) per tali realizzazioni. Alphacool è una delle aziende leader nel settore del raffreddamento dei PC. I loro materiali sono progettati per offrire un look elegante e vengono utilizzati in vari allestimenti. Offrono anche straordinarie possibilità di illuminazione a LED per tubi, serbatoi e pompe. Quindi ho deciso di adottare la loro tecnologia e di aggiungere molti LED controllati da RevPi. Devo dire un sincero grazie ai team di marketing Alphacool e Kunbus, in quanto entrambi hanno ampiamente messo a disposizione tutto il loro materiale come sponsor per la UM2.

Se avete bisogno di raffreddare un server, date un’occhiata al sito Web Alphacool, che offre le migliori soluzioni all-in-one e non solo per i miner bitcoin ;-)

Dopo aver compreso quale materiale è possibile utilizzare per costruire la macchina, le ho dato forma in DSM come modello 3D (il file è scaricabile dal link alla fine di questo articolo). Alphacool e Kunbus forniscono modelli STP per i loro prodotti. Quindi ho terminato con un disegno realistico e dimensioni precise:

Una parte è una struttura di base con montanti in alluminio da 40 mm e un pannello inclinabile. La struttura è posizionata su dei piedini regolabili. I profili elastici sono stati premuti all'interno delle scanalature del profilo (nell'immagine in basso a sinistra lo dimostro con un pezzo di legno). Successivamente, essi fungeranno da sostegno dei pannelli Dibond in alluminio che racchiudono la base. I supporti del pannello utilizzano leve di bloccaggio per consentire un'angolazione costante. Di seguito sono riportate alcune immagini che forniscono un'idea di questa parte:

Il pannello è una piastra in alluminio da 3 mm che ho fatto prontamente stampare e tagliare da un produttore di cartelloni commerciali. Dispone di una guida DIN con un RevPi 3+, due moduli di uscita digitali (DO) (con complessivamente 32 canali di uscita PWM per l'impressionante gioco di luci a LED), un modulo di ingresso/uscita digitale misto (DIO) per quattro pompe, quattro valvole, tre interruttori illuminati e l'interruttore a chiave. La guida DIN dispone inoltre di otto relè Finder per le pompe e le valvole poiché le loro correnti di spunto (quando vengono attivate) potrebbero superare la corrente di uscita massima di 500 mA dei moduli DO RevPi.

Vi prego di notare i cavi FE verde/giallo su ciascun modulo. Ho spesso visto installazioni in cui i clienti hanno lasciato i FE senza pin. "FE" sta per "messa a terra funzionale" e non ha nulla a che fare con la "messa a terra di protezione" (PE). È invece l'unico modo per ottenere potenti impulsi EMI dai moduli. Pertanto, se si lascia fuori questo cavo, si finisce con una protezione EMI interna quasi assente. Se l'installazione non ha accesso ad alcun FE (è possibile utilizzare il pin PE delle prese da 230 V a tale scopo), è necessario collegare almeno tutti i pin FE a un GND centrale. Nel mio caso, li ho collegati ai morsetti di terra sulla guida DIN (ad esempio, alla massa del telaio), anch'essa collegata al negativo a 12 V per il funzionamento a batteria. Per una fiera commerciale, spesso non esiste altra possibilità, ma per l'utilizzo stazionario, cerco sempre di collegare i PE al telaio anche se viene utilizzato un alimentatore SELV. In tal caso, NON collegare il negativo a 12 V al telaio.

È inoltre disponibile un display TFT HDMI da 7" (Waveshare) e un pulsante di arresto di emergenza. Utilizzo un cavo piatto HDMI che è diventato lo standard per le telecamere quadricottero ed è disponibile in diverse lunghezze.

L'interruttore a chiave a tre posizioni consente tre modalità di funzionamento: "Setup" (Impostazione), "Normal" (Normale) e "Auto" (Automatica). In modalità normale, l'utente deve premere il pulsante verde "Start" (Avvio) ogni volta per avviare un ciclo di pompaggio completo, in modalità automatica il sistema avvia cicli continui per l'intera giornata. La modalità Setup consente all'operatore di impostare più parametri dell'analisi dell'immagine openCV per adattare il sistema alle diverse condizioni di luce ambientale.

È inoltre presente un pulsante rosso "Stop" (Arresto) per interrompere il ciclo di pompaggio corrente. Dopo tali interruzioni, il sistema deve essere ripristinato alla condizione di avvio premendo il pulsante blu "Reset". Qualsiasi pulsante che identifica lo stato corrente del sistema lampeggia nella parte retrostante.

Di seguito sono riportate le immagini del pannello finale:

Tutti gli IO sono collegati a un enorme array di morsetti per guida DIN sul retro del cruscotto. È inoltre presente un piccolo hub USB attivo collegato alla parte posteriore del pannello anteriore (immagine in basso a sinistra). Un ricetrasmettitore Wi-Fi per IoT, un ricetrasmettitore per una combinazione tastiera/mouse wireless Logitech (utilizzato solo per la configurazione), la fotocamera USB e il display sono tutti alimentati da questo hub. L'intero impianto funziona a 12 V (Revolution Pi consente tensioni comprese tra 12 e 24 V) in quanto si tratta della tensione normalmente utilizzata nel modding case. Un piccolo convertitore cc-cc da 12 a 5 V genera la tensione di alimentazione per l'hub USB.

I LED, le valvole e le pompe non sono direttamente collegate all’array di morsetti perché ciò non consentirebbe di separare le due parti della macchina. Ho utilizzato quattro connettori per PC colorati per consentire la separazione.

Se siete entusiasti di questa inutile progettazione, date un’occhiata alla parte 2; descriverò in dettaglio la struttura principale e vi mostrerò come preparare il core RevPi.

VdH

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.