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Dreitanksystem

Über EasyLabFallstudien und Anwendungen → Dreitanksystem

Themen auf dieser Seite:
  1. Problem- und Aufgabenstellung
  2. Testaufbau
  3. Testlauf
  4. Ablaufsteuerung
  5. Regelung

1. Problem- und Aufgabenstellung

An Universitäten wird ein Dreitanksystem gewöhnlich für die Untersuchung von Ausgleichsvorgängen genutzt. Hierfür werden die mathematischen Modelle aufgestellt, anhand derer später geeignete Regler dimensioniert werden. Als vereinfachten Versuchsaufbau kann man in der Berufsschulausbildung Mischprozesse oder Abfüllvorgänge, sowie indirekte Befüllung ohne eine Pumpe beschreiben.

2. Testaufbau

In einem traditionell aufgebauten Dreitanksystem befinden sich die Tanks auf gleicher Höhe und in Reihe nebeneinander. Jeder Tank ist mit seinem Nachbarn verbunden. Außerdem gibt es ein Wasserreservoir, aus welchem Wasser in die beiden äußeren Behälter gepumpt werden kann und aus welchem an einer Seite Wasser aus dem System abfließen kann. Abweichend vom traditionellen Aufbau wurde am vorliegenden System eine zusätzliche Verbindung zwischen den beiden äußeren Tanks angelegt. Sämtliche Verbindungen können separat geöffnet und geschlossen werden, so dass eine Vielzahl von Betriebsarten möglich ist. Das System wurde aus zwei von der Firma FESTO Didactic vertriebenen EduKit PA sowie einem zusätzlichen großen Wasserreservoir und einem zusätzlichen Füllstandssensor aufgebaut.

Dreitanksystem mit Steuer-PC
Abbildung 1: Dreitanksystem mit Steuer-PC

Als Sensorsysteme sind für die drei oberen Behälter jeweils ein Füllstandssensor und oberhalb der Pumpen jeweils ein Durchflusssensor angeschlossen. Alle besitzen einen Analogausgang. Somit können sie leicht an die EasyKit-Elektronik angeschlossen werden. Um ein größeres Kabelgewirr zu vermeiden, wurden die Sensorsignale auf eine Anschlussbox (Abbildung 1 links unten) gelegt, an welche die EasyKit-Elektronik angeschlossen werden kann. Die Pumpen und Ventile benötigen eine hohe Leistung. Diese kann von der EasyKit-Elektronik nicht zur Verfügung gestellt werden. Daher wurden in die Elektronikbox eine zusätzliche Spannungsversorgung und Leistungsverstärker eingebaut.

3. Testlauf

Wie es bei jedem System üblich ist, wurde zunächst die Funktion der einzelnen Sensoren und Aktoren überprüft. Hierzu wurde ein Programm wie in Abbildung 2 mit EasyLab erstellt, mit welchem das Dreitanksystem manuell bedient werden kann. Die Pumpen und die Ventil können von Hand ein- und ausgeschaltet werden und die Füllstände der Behälter können beobachtet werden. Dieses Programm ist sehr nützlich, um das System in einen bestimmten Zustand zu fahren, also zum Beispiel einen bestimmten Füllstand von Hand einzustellen.

Testprogramm zur Handsteuerung des Dreitanksystems
Abbildung 2: Testprogramm zur Handsteuerung des Dreitanksystems

4. Ablaufsteuerung

Das Programm zur Handsteuerung wurde nur als Datenflussgraph programmiert. Um die Möglichkeiten der Ablaufsteuerung zu zeigen, wurde ein weiteres Beispielprogramm, wie in Abbildung 3, Abbildung 4 und Abbildung 5 gezeigt, umgesetzt.

Ablaufsteuerung des Dreitanksystems – Hauptprogramm
Abbildung 3: Ablaufsteuerung des Dreitanksystems – Hauptprogramm

Ablaufsteuerung des Dreitanksystems – Befüllen
Abbildung 4: Ablaufsteuerung des Dreitanksystems – Befüllen

Ablaufsteuerung des Dreitanksystems – Entleeren
Abbildung 5: Ablaufsteuerung des Dreitanksystems – Entleeren

Mit diesem Programm sollen die Behälter erst gefüllt werden und, wenn alle einen vorgegebenen Füllstand erreicht haben, wieder entleert werden. Zum Befüllen (Abbildung 4) werden die beiden Pumpen so lange eingeschaltet, bis der jeweilige Soll-Füllstand in den zugehörigen Behältern erreicht ist. Der mittlere Behälter füllt sich durch den hydrostatischen Druck der beiden anderen Behälter. Ist in allen Behälter der Soll-Füllstand erreicht, sorgt die nachgeschaltete Logik dafür, dass die Variable voll auf wahr gesetzt wird, wodurch das Hauptprogramm (Abbildung 3) in den nächsten Zustand schaltet. In diesem Zustand, dem Entleeren (Abbildung 5), wird das Wasser aus dem System abgelassen. Auch hier sorgt die nachgeschaltete Logik dafür, dass die Variable leer auf wahr gesetzt wird, sobald in allen Behältern der Mindestfüllstand unterschritten wurde. Sobald dies geschieht, beginnt das Programm wieder mit dem Befüllen der Behälter.

5. Regelung

In der Realität ist natürlich meist das Ziel den Füllstand in allen Behältern auf einem vorgegebenen Niveau zu halten, auch wenn am Ablauf eine Veränderung vorgenommen wird. Hierfür muss eine echte Regelung umgesetzt werden. Eine solche Regelung für alle drei Zustände der Behälter ist in Abbildung 6 zu finden.

Zustandsregelung für das Dreitanksystem
Abbildung 6: Zustandsregelung für das Dreitanksystem

Die Sollwertvorgaben und die Istwerte der Sensoren werden mit Verstärkungen beaufschlagt und als Stellwerte für die Pumpen genutzt. Die Verstärkungen wurden vorher, basierend auf dem Modell des Dreitanks, in MATLAB bestimmt. Der Verlauf der Volumenänderungen, bei einer sprungartigen Veränderung des Sollwertes in den beiden äußeren Behältern, ist in Abbildung 7 zu finden.

Verlauf der Füllstände der Behälter des Dreitanks bei einer Sollwertveränderung
Abbildung 7: Verlauf der Füllstände der Behälter des Dreitanks bei einer Sollwertveränderung

Der Ablauf aus dem System befindet sich sehr nahe am Behälter 1 (rote Kurve). Daher fließt hier das meiste Wasser hinaus. Hier muss also auch am meisten Wasser nachgefüllt werden, um den Wasserspiegel zu halten, bzw. zu erhöhen. Beim Pumpen entstehen im Behälter relativ hohe Wellen, so dass im Signalverlauf ein starkes Schwingen zu erkennen ist. Um dies zu unterbinden, soll in Zukunft die Wasserbefüllung so geschehen, dass das Wasser am Rand des Behälters entlang fließt und somit möglichst wenig Wellen verursacht. In Behälter 3 (lila Kurve), welcher am weitesten vom Ablauf entfernt ist, muss am wenigsten Wasser nachgefüllt werden. Daher hält sich die Wellenbildung hier in Grenzen. Behälter 2 (grüne Kurve) wird nur nach und nach mit Wasser aus den beiden anderen Behältern gefüllt. Daher findet sich hier nur ein sehr langsamer Verlauf. Im Rahmen der Leistungsfähigkeit der Pumpen wird der Sollwert relativ schnell erreicht.

Es soll hier noch kurz erwähnt werden, dass beim Dreitanksystem die Wartungsschnittstelle (siehe Auswertung und Parametrierung) von EasyKit genutzt wird und somit auch eine Ansteuerung über MATLAB oder andere PC-Programme möglich ist. Die Ansteuerung über MATLAB wurde testweise umgesetzt. Im Rahmen eines Praktikumsversuchs wird der Testaufbau mit dieser Schnittstelle später weiter verwendet.