Pumpensteuerung 2

 

Wer in Gegenden mit hohem Grundwasserspiegel wohnt und zudem noch einen tiefen Keller im Haus besitzt, hat nach längeren Niederschlagsperioden mitunter des Problem, dass Wasser in den Keller drückt. Wenn der Drainageschacht dann auch noch unterhalb der Niederschlagskanalisation liegt, ist es unumgänglich, das anfallende Wasser abzupumpen. Idealerweise sollte das automatisch funktionieren, also auch wenn man mal 3 Wochen im Urlaub ist. Die Schwimmerschalter gängiger Tauchpumpen reagieren erst bei ziemlich großen Niveauunterschieden und benötigen zudem Platz ,um reibungslos zu arbeiten. In einem engen Schacht kann es da schon mal vorkommem, dass der Schwimmer hängen bleibt. Wenn Wasser in den Keller eingedrungen ist, wäre es schön, wenn man dort am tiefsten Punkt auch noch eine geregelte Pumpe hätte.
Ausgehend von diesen Überlegungen habe ich eine Pumpensteuerung entwickelt, die ohne diese grobmotorischen Schwimmerschalter auskommt und zwei Pumpen komfortabel steuern kann. Hier die technischen Merkmale im Detail:

Es sind zwei Pumpen völlig unabhängig voneinaner steuerbar. Es können sowohl Niederspannungs- als auch 1-Phasen-230V-Pumpen angeschlossen werden. Der maximale Schaltstrom beträgt 7A.
Jeweils drei Betriebszustände sind auswählbar: manuell ein, manuell aus und Automatik. Es stehen wahlweise zwei Automatik-Betriebsarten zur Verfügung: Timer-Betrieb und  Level-Betrieb.
Für jede Pumpe stehen zwei stromgesteuerte, netzgetrennte Eingänge für die Erfassung der Pegelstände zur Verfügung. Das ermöglicht den Anschluss von Pegelsensoren mit open Kollektor-Ausgängen, unabhängig von ihrem Funktionsprinzip. Im einfachsten Fall können Schalter zwischen Sensoreingang und Masse verwendet werden. Aufgrund der  Niederohmigkeit können diese auch über lange Leitungen angeschlossen werden (ca. 20m wurde erprobt). Ein von mir entwickelter Sensor auf optischer Basis wird in einem eigenständigen Thema vorgestellt.
Das Steuergerät arbeitet mit einer externen Wechselspannung von12 V.  Wenn die Stromergiebigkeit der Spannungsquelle gegeben ist, kann diese so im Gerät verschaltet werden, dass sie direkt zum Betrieb von 12V Niederspannungspumpen verwendet werden kann. Zwei Taster und ein 4zeiliges LCD-Display sind für die Bedienung der Steuerung vorhanden.

Ich möchte zunächst die beiden Automatik-Betriebsarten erläutern, die bei der Steuerung zum Einsatz kommen.

  • Level-Betrieb

Bei dieser Betriebsart wird der Flüssigkeitsstand zwischen zwei Pegeln gehalten. Dafür sind zwei Pegelsensoren notwendig. Sind beide Pegel unterschritten (Fall 1), ist die Pumpe in jedem Fall abgeschaltet. Steigt das Wasser über den ersten Sensorpegel, bleibt die Pumpe weiterhin aus (Fall 2). Im Fall 3 hat der Flüssigkeitsstand den oberen Sensor erreicht. Jetz wird die Pumpe zugeschaltet. Das bewirkt, dass der Wasserstand wieder sinkt. Erreicht dieser jetzt den unteren Sensor, so schaltet die Steuerung die Pumpe wieder ab. Der Flüssigkeitsstand wird erneut bis zum oberen Sensor steigen und der beschriebene Vorgang wiederholt sich. Damit wird sich ein Regelzustand einstellen, bei dem der Wasserpegel exakt zwischen oberem und unterem Pegel gehalten wird. Die jeweiligen Zustände werden im Display als Symbole angezeigt. Der Vorteil dieser Betriebsart besteht in dem eindeutigen Regelverhalten aufgrund einer pegelabhängigen Hysterese. Der Niveauunterschied kann durch gezieltes Platzieren der Sensoren genau definiert werden. Regelschwingungen können durch eine geschickte Anordnung nahezu ausgeschlossen werden. Dieses System ist gut beherrschbar. Nachteilig ist die Notwendigkeit von 2 Sensoren.

 

  • Timer-Betrieb

Bei dieser Betriebsart wird nur der untere Sensor verwendet. Damit existiert keine pegelabhängige Hysterese. Der Sensor liefert sowohl Einschalt- als auch Ausschaltkriterium. Das hat zur Folge, dass wilde Regelschwingungen um den Sensorpegel entstehen. Dem kann mit einer zeitlichen Hysterese entgegengewirkt werden. Dazu muss nur das Einschaltsignal über einen Timer verzögert werden. Außerdem ist dieser Einschalttimer auch noch regetriggert. In der Praxis funktioniert das folgendermaßen:
Der Wasserstand steigt solange, bis er den Sensor erreicht hat. Die Pumpe bleibt weiterhin aus und wird erst nach Ablauf der einstellbaren Verzögerungszeit zugeschaltet. Während dieser Zeit ist der Pegel schon etwas weiter angestiegen. Dieses Wasser wird jetzt abgepumpt, bis der Sensorpegel wieder unterschritten wird und die Pumpe sofort abschaltet. Aufgrund von Wellenbewegungen auf der Wasseroberfläche entstehen zunächst Schwingungen um den Ober- und Unterpegel, was auch durch wechselnde Symbole angezeigt wird. Jedes Überschreiten startet den Einschaltcounter,  jedes Unterschreiten setzt ihn wieder auf 0 zurück. Wenn sich der Pegel langsam  wieder erhöht, wird die Wahrscheinlichkeit, dass es zu einer Unterschreitung kommt, immer geringer. Es wird dann der Fall eintreten, dass der Counter nicht mehr zurückgestzt wird und er die Pumpe nach Ablauf der Verzögerungszeit wieder einschaltet.
Dieses Verfahren hat den Vorteil, dass es nur mit einem Sensor auskommt. Die Einstellung einer sinnvollen Verzögerungszeit ist aber entscheidend von den realen Gegebenheiten des physikalischen Systems abhängig. Das muss in jedem Fall experimentell ermittelt werden. Generell kann nur folgende Aussage getroffen werden: Je langsamer sich beim Pumpen der Pegel ändert, um so längere Timer-Zeiten sind auch einzustellen. Analog sind kürzere Zeiten bei Systemen einzustellen, in denen sich der Pegel beim Pumpen schnell abbaut.


Kernstück der Schaltung ist ein ATMEGA48, der alle Regelaufgaben übernimmt. Als Eingabe fungieren dieTaster S1 und S2, die jeweils einer Pumpe zugeordnet sind. Zur Ausgabe wird ein 4zeiliges LCD-Display LSU7S1011A verwendet. Es wird über SPI vom Controller gesteuert. Die Zuschaltung der Pumpen erfolgt über zwei Relais, die durch zwei MOSFETS getrieben werden. Zum Flashen ist ein DEVBOARD-kompatibler Pfostenstecker vorhanden. Über die serielle Schnittstelle (9600/8/keine/1/keine) können die aktuellen Status-Daten an ein Monitor-Programm übertragen werden. Die Pegelsensoren werden über die Schnittstellenwandler IC3 und IC4 an den ATMEGA angeschlossen. Die ICs sind einfache Doppeltransistoren mit integrierten Vorwiderständen. Jeder Sensoreingang stellt  GND, 12V Betriebsspannung und einen Signaleingang für externe Sensoren zur Verfügung. Die Eingänge sind mit 12kOhm Pullup-Widerständen beschaltet. Der Sensor kann entweder als Schalter gegen GND oder als open-Kollektor-Ausgang ausgelegt sein. Die Eingänge sind L-aktiv. Kurzschluss nach GND oder durchgeschalteter open-Kollektor bedeuten, dass der Flüssigkeitspegel den Sensor erreicht hat. Die Spannungsversorgung der Steuerung erfolgt aus einer externen 12VAC-Quelle. Die gleichgerichtete und gesiebte Rohspannung liegt an K4 an. Über entsprechende Drahtbrücken zu den Relaisausgängen, kann damit direkt eine Niederspannungspumpe angesteuert werden. Voraussetzung ist natürlich, dass die Spannungsquelle den geforderten Pumpenstrom liefern kann. Die Absicherung wurde mit 4A vorgenommen. Aus der Rohspannung wird über einen 5V-Linearregler auch die Betriebspannung für die  Steuerelektronik gewonnen.
Die Steuerleiterplatte ist in ein Kunststoff-Wandgehäuse eingebaut. Die Baugruppe sollte an zentraler Stelle installiert werden (z.B. im Keller). Die Anschlüsse werden fest über Klemmen ausgeführt. Bei Netzspannungs-Pumpen ist es zweckmäßig, diese über Steckdosen anzuschließen, wobei die Phase über den entsprechenden Relaiskontakt zu führen ist. Eine Zugentlastung der Anschlusskabel wird über Kabelbinder vorgenommen, die um die Sicken am unteren Leiterplattenrand geschlungen werden. Alle Klemmen sind eindeutig bezeichnet. "1" und "2" bezieht sich auf das jeweilige Pumpensystem ; "o" und "u" bedeuten oben und unten. "Sensor1o" an Klemme KL5 bedeutet demzufolge oberer Sensor für Pumpe 1. Die Einschaltung der Steuerung erfolgt über einen Schalter, der K1 und K2 brückt. Er kann nach Belieben zusätzlich im Gehäuse eingebaut oder extern neben der Steuerbaugruppe platziert werden.

Ist alles ordnungsgemäß verkabelt, kann die Betriebsspannung zugeschaltet werden. Nach einer kurzen Einschaltmeldung erfolgt die Anzeige des Status-Screens. Zeilen eins und zwei zeigen den Status von Pumpe 1, Zeilen drei und vier den von Pumpe 2. Voreingestellt ist für beide Pumpen der Betriebszustand Automatik mit Level-Betriebsart. Der Betriebszustand wird unter der jeweiligen Pumpe angezeigt. Daneben erfolgt die Anzeige der Betriebsart. -L-/-T- bedeuten Level-/Timer-Betriebsart. Das Symbol hinter der Pumpenbezeichnung kennzeichnet den Pumpen-Status. der Schrägstrich bedeutet, dass die Pumpe "aus" ist. Bei einer eingeschalteten Pumpe erscheint an dieser Stelle eine Animation. Das letze Zeichen in dieser Zeile zeigt den Sensor-Zustand an. Diese Zeichen entsprechen den Symbolen in den bereits erläuterten Grafiken weiter oben im Text. Hier kann man sich also jederzeit ein Bild vom Füllstand im Pumpenbehälter machen. Mit den Tastern S1/S2 kann man zyklisch die jeweiligen Betriebszustände, also ein, aus, automatik anwählen. Werden beide Taster gleichzeitig gedrückt, gelangt man in das Konfigurationsmenü. Hier kann die Betriebsart für jede Pumpe getrennt eingestellt werden. Durch Druck auf die Bedientaste  wird vom Level-Betrieb in den Timer-Betrieb gewechselt. Dabei wird links die Einschaltverzögerungszeit in Sekunden angezeigt. Jeder Tastendruck zählt diesen Timer weiter. Der maximal einstellbare Wert ist 9s. Ein weiterer Tastendruck schaltet wieder auf -L-. Mit einem erneuten Druck auf beide Tasten gleichzeitig, wird das Menü wieder verlassen. Die eingestellte Konfiguration ist jetzt gültig.
 

Statusanzeige:
Pumpe 1 im automatischen Level-Betrieb, Pumpe ist aus, Wasserstand unter den Sensoren
Pumpe 2 im automatischen Timer-Betrieb, Pumpe ist aus, Wasserstand unter dem Sensor

Konfigurationsmenü
Pumpe 1 im Level-Betrieb
Pumpe 2 im Timer-Betrieb, 3s Einschaltverzögerung

Im Timer-Betrieb wird beim Auslösen des Sensors die Verzögerunszeit als Countdown angezeigt. Auch das anfängliche Retriggern durch Wellenbewegungen wird in der Anzeige dargestellt. Die Zeitdauer der Schwankungen zwischen Ober- und Unterpegel kann gut über den Wechsel der Sensorsymbole verfolgt werden. Daraus lassen sich Rückschlüsse über die Einstellung einer optimalen Verzögerungszeit schließen.

 

Achtung, die Installation von Netzspannungsgeräten darf nur durch Fachleute oder Fachkundige erfolgen!