XXII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

«Мойлабстек-мойщик лабораторного стекла» на базе конструктора MINDSTORMS EV3

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Зырянов С.Е. 1Меньш Я.А. 1

---

1Школа интеллектуального развития "Мистер Брейни"

Будрёнкина А.В. 1

---

1Школа интеллектуального развития "Мистер Брейни"

Работа в формате PDF

1.8 MB

Автор работы награжден дипломом победителя I степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

Нефтегазовая добыча, как отрасль включает в себя множество специфических процессов, направленных на поиск, добычу, анализ, контроль, транспортировку, хранение и переработку сырья.

При каждом месторождении существуют химико-аналитические лаборатории, в которые несколько раз в день привозят пробы сырья, анализ которого прогнозирует путь его переработки. Для определения качества сырья используются высокотехнологичные приборы, при каждом типе лабораторного исследования, однако мытье пробирок, обработка и подготовка их к последующим испытаниям до сих пор проводится вручную, отнимая время лаборантов и химиков. Проконсультировавшись с сотрудниками лаборатории, мы выяснили, что работа по очистке пробирок, в среднем, занимает ежедневно от полутора до двух с половиной часов.

Наша команда увидела проблему в том, что, несмотря на использование сложных, высокоточных приборов для анализа сырья, оптимизация монотонных и простых действий в лабораториях не налажена за счет использования современной техники.

Для нас данная проблема актуальна, так как Тюмень является нефтегазовой столицей России, многие предприятия работают в этой отрасли, и она является основной в нашем регионе. Мы хотим применить свои знания для улучшения условий работы и оптимизации ее процессов.

В связи с чем, мы выбрали объектом исследования оптимизацию процессов подготовки рабочего оборудования, используемого в лабораториях нефте-газодобывающей отрасли.

Целью нашего исследования является создание эффективной роботизированной системы, направленной на оптимизацию работы химических лабораторий нефтегазовой отрасли, за счет подготовки и обработки лабораторного стекла.

Мы определили для себя следующие задачи:

-изучить способы мытья пробирок в нефте-химических лабораториях;

-проанализировать принцип работы посудомоечных машин, и приборов позволяющих дезинфицировать лабораторное оборудование;

-создать роботизированную систему, предназначенную для подготовки и обработки лабораторного стекла «Мойлабстек»;

-продемонстрировать возможности модели «Мойлабстек» на примере одного использования;

-проанализировать эффективность роботизированной системы «Мойлабстек» в сравнении с, применяемыми на сегодняшний день, технологиями обработки лабораторного стекла.

В процессе работы над проектом мы использовали несколько методов работы, а именно: анализ литературы, беседа с экспертами, тестирование комплектующих модели, анализ эффективности применения системы «Мойлабстек».

Данная система была спроектирована впервые, так как аналогов использования предложенного нами способа обработки лабораторного стекла с применением механического воздействия на пробирки нет.

В результате исследования была определена оптимальная структура роботизированной системы «Мойлабстек», обеспечивающая эффективную оптимизацию работы химических лабораторий нефтегазовой отрасли, за счет подготовки и обработки лабораторного стекла.

В процессе работы мы использовали такие источники как:

- LEGO Гаджеты. Полный гид по строительству необычных механизмов;

- Курс «Машины и механизмы», ШИР«Мистер Брейни»;

- Lego удивительные творения;

- findlab.su;

- businessmodelgeneration.com/canvas.

Глава 1. Теоретическое обоснование создания «Мойлабстек»-мойщика лабораторного стекла на базе конструктора MINDSTORMS EV3

1.1 Приборы для мытья лабораторного стекла и принцип их работы

При конструировании прототипа мы пользовались интернет-источниками и литературой, предоставленной школой интеллектуального развития «Мистер Брейни».

Наша команда изучила несколько лабораторных посудомоечных машин разной мощности. Например, мы рассмотрели лабораторную посудомоечную машину высокой мощности «Лавия-С Плюс». (Приложение, Рисунок 1.1.1) [4]

Данный аппарат потребляет до 18 кВт энергии, вмещает в себя два яруса лабораторной посуды. Принципе действия схож с принципом действия бытовой посудомоечной машины, пробирки устанавливаются вертикально, вверх дном и под струями пара и воды пробирки очищаются. После промывания включается режим сушки с возможностью регулировать температуру.

Так же мы рассмотрели компактный автомат для мойки и дезинфекции лабораторной посуды «Лавия-С Компакт». (Приложение, Рисунок 1.1.2) [4]

От рассматриваемого нами ранее прибора «Лавия-С Плюс», данный отличается в основном размерами и обширным наличием держателей для лабораторного стекла, которые обеспечивают безопасность обработки.

Обе модели требуют достаточно небольшого объема воды за один цикл работы, небольшое количество моющего средства, однако достаточно долго работают с мытьем лабораторной посуды.

Данные приборы справляются с мытьем только при помощи воды, мы в своей работе решили, что большее преимущество будет у приборов с возможностью использования механического воздействия.

Наш прототип имеет ключевое преимущество в использовании двух видов держателей для пробирок-платформа, на которой они перемещаются, и щетки для мытья, которые так же могут играть роль держателей и фиксировать пробирки на необходимом месте, для более тщательной обработки. Так же применение механического воздействия еще больше сокращает объем потребляемой воды и моющего средства.

1.2 Экономическое обоснование создания «Мойлабстек»-мойщика лабораторного стекла на базе конструктора MINDSTORMS EV3

В данной таблице мы рассмотрели варианты рационального создания и дальнейшего продвижения нашего проекта, возможности его производства и реализации в промышленных масштабах.

Глава 2. Модель «Мойлабстек»-мойщика лабораторного стекла на базе конструктора MINDSTORMS EV3

2.1 Конструкция модели «Мойлабстек»-мойщик лабораторного стекла базе конструктора MINDSTORMS EV3

Модель роботизированной системы «Мойлабстек» можно разделить на несколько частей:

-внешний короб;

-система управления;

-распылитель;

-кран-транспортировщик;

-станция механической обработки;

-нагревательный элемент (диоды).

В основе модели-короб из прозрачного полистерола, благодаря которому можно увидеть все строение роботизированной системы, ее механизмы, микросхемы, провода. (Приложение, Рисунок 2.1.1)

В системе управления находятся два модуля EV3, благодаря которым осуществляется запуск основных рабочих элементов модели. (Приложение, Рисунок 2.1.2)

Демонстрирует работу пара, очищающего пробирки-ультразвуковой распылитель, работающий от стандартного блока EV3 благодаря каналу управления большим мотором 8 Вольт. Это напряжение понизили до 5 Вольт через преобразователь напряжения и подали на ультразвуковой испаритель. (Приложение, Рисунок 2.1.3)

Вода поступает к фильтру испарителя из небольшого резервуара, находящегося на дне короба.

Механическое воздействие на пробирки оказывают щетки, вращающиеся при помощи ременной передачи. Работает данная система при помощи двух больших моторов EV3. Щетки обеспечивают более качественную очистку пробирок от тяжелых загрязнений. (Приложение, Рисунок 2.1.4) [1]

Кран-транспортировщик выполняет две основные функции: перевозит платформу с пробирками из помывочной в сухожаровую часть, управляет положением пробирок в вертикальной плоскости при помощи лебедок. (Приложение, Рисунок 2.1.5) [2]

Колесный ход, отвечающий за движение крана по направляющим, происходит при помощи большого мотора, работу лебедок обеспечивает средний мотор. (Приложение, Рисунок 2.1.6) [3]

Нагревательный элемент, обеспечивающий высыхание и дезинфекцию пробирок мы изобразили при помощи светодиодов. Принцип работы светодиодов от модуля EV3 аналогичен принципу работы ультразвукового испарителя. (Приложение, Рисунок 2.1.7)

Последовательность работы «Мойлабстек» следующая: пробирки размещаются в специализированную платформу и надеваются на щетки, возле модуля располагаются датчики касания, по их сигналу щетки начинают вращаться, лебедка поднимает платформу вверх вниз позволяя очистить пробирку по всей длине. Кран-транспортер увозит платформу в сухожаровый отдел, где предполагаемые нагревательные элементы сушат и дезинфицируют пробирки, затем платформа с пробирками при помощи крана возвращается в исходное положение. Можно забирать пробирки готовые к работе. В нашем прототипе использовано 10 пробирок и десять щеток, работа одного цикла рассчитана на 1 минуту.

2.2 Управление моделью «Мойлабстек»-мойщик лабораторного стекла базе конструктора MINDSTORMS EV3

Для достижения большей схожести нашего проекта «Мойлабстек» с реальными, уже существующими лабораторными приборами мы использовали датчики касания.

Два датчика касания соединены между собой при помощи балки, для того, что бы синхронно запускать работу крана-транспортировщика и щеток. (Приложение, Рисунок 2.2.1) [3]

Третий датчик касания используется для регулирования работы крана-транспортировщика и служит для него маркером для возвращения в исходное положение. Так же по сигналу этого датчика ПО, при помощи звукового сигнала, сообщает о завершении работы прибора. (Приложение, Рисунок 2.2.2)

Для нашей модели «Мойлабстек» мы выбрали программное обеспечение MINDSTORMS EV3. Выбранные нами задачи мы решили при помощи разветвляющейся структуры использовав переключатель, а так же циклическую структуру.

Так как нами было использовано два модуля, то один из них регулировал работу: диодов, ультразвукового распылителя, движение крана и работу моторов, отвечающих за щетки. (Приложение, Рисунок 2.2.3) Второй модуль отвечал за работу лебедки. (Приложение, Рисунок 2.2.4)

2.3 Демонстрация возможностей модели «Мойлабстек»-мойщика лабораторного стекла базе конструктора MINDSTORMS EV3 на примере одного запуска

После использования пробирок лаборант выливает содержимое для утилизации и располагает грязную лабораторную посуду на платформе с отверстиями.

Затем, когда набирается полная платформа, пробирки одеваются на щетки. По сигналу датчиков касания прибор начинает свою работу. Щетки, раскручиваясь промывают всю грязь из пробирок, распылитель активно увлажняет пробирки и щетки промывая все изнутри. Когда щетки прекращают свою работу, пар еще пару секунд промывает посуду от остатков загрязнения. По окончанию влажной очистки платформа с пробирками перемещается в сухожаровый отдел, где посуда сушится и дезинфицируется.

Окончив термическую обработку, платформа возвращается в исходное положение. Лаборант может забрать платформу с готовыми к работе пробирками.

2.4 Экспериментальное доказательство эффективности модели «Мойлабстек»-мойщика лабораторного стекла базе конструктора MINDSTORMS EV3

Для определения эффективности созданной нами роботизированной системы «Мойлабстек» мы провели голосование среди работников лабораторий связанных с нефтяной промышленностью. В голосовании мы описали характеристики созданного нами прибора и сравнили их с характеристиками уже существующих и попросили анонимно проголосовать. Всего в опросе поучаствовало 15 человек.

Итоги голосования.

По итогам голосования сконструированная нами роботизированная система выглядит наиболее эффективной, однко мы понимаем, что конструкция требует доработок.

Мы считаем главным залогом эффективности нашего прибора-механическое воздействие при помощи щеток, которое позволит сократить объем потребляемой воды, время работы приоров а соответственно и потребляемую им энергию.

Заключение

Нефтегазовая отрасль включает в себя множество специфических процессов, направленных на качественную работу с сырьем, однако, несмотря на использование сложных, высокоточных приборов для анализа сырья, оптимизация монотонных и простых действий в лабораториях не налажена за счет использования современной техники.

В связи с этим наша команда, используя различные методы исследования, создала роботизированную систему «Мойлабстек», позволяющую эффективно готовить к работе лабораторное стекло за счет его мытья при помощи механического воздействия щеток и обработки в сухожаровой камере.

Конструкция системы «Мойлабстек» достаточно проста и выполняет несколько функций, для оптимизации работы в лаборатории-мытье, сушка и дезинфекция пробирок за короткое время. Ее эффективность доказана сравнительным анализом характеристик схожих, уже существующих, моделей автоматической мойки лабораторной посуды и оценкой качеств моделей группой экспертов. Эти данные позволяют нам считать созданную нами роботизированную систему эффективной и позволяет построить вектор усовершенствования проекта.

По итогам выполненной нами работы, мы пришли к выводу, что не смотря на доказанную эффективность роботизированной системы «Мойлабстек» конструкцию можно совершенствовать за счет использования более точных механизмов, которые позволят минимизировать участие человека еще больше.

Так же данный проект мы предоставили на региональном этапе Российской Робототехнической Олимпиады и заняли первое место.

Список литературы

1. Курс «Машины и механизмы», курс «Основы робототехники», Школа интеллектуального развития «Мистер Брейн», - Режим доступа - https://vk.com/mrbrain_tmn;

2. «LEGOудивительные творения»; Сара Дис [пер. с англ. М. Карманова].- Эксмодетство, 2020 г.

3. «LEGO Гаджеты. Полный гид по строительству необычных механизмов»; [пер. с англ. Позина И. В., ред. Волченко Ю. С.].- Эксмодетство, 2019 г.

Интернет-источники

4. https://www.findlab.su/;

5. http://businessmodelgeneration.com/canvas.

Приложение