Контроллер ректификационной колонны "Валерьяныч" и стабилизатор "Котофеич"

Форум самогонщиков, пивоваров, виноделов Оборудование Приборы и электр(он)ика
Z_h_e Кандидат наук г. Чайковский 401 76
28 Апр. 17, 20:11
Имея крайне скромный опыт в ректификации, все же начал постепенный процесс автоматизации данного процесса.
Контроллер "Валерьяныч" был опубликован мной ранее на другом ресурсе, там же и получил имя. Стабилизатор "Котофеич" нигде пока не афишировался и это его дебют.

I. Контроллер ректификационной колонны "Валерьяныч".
Предназначен для управления процессом ректификации или дистилляции.
Измеряет температуру в кубе и в царге (в одной точке). Управляет нагревом и отбором продукта.
Функционально состоит из двух логических блоков, блок нагрева и блок отбора.

Блок 1. Управление нагревом куба.
Управляет нагревом куба.  ТЭН может подключаться одним из двух способов:
- через твердотельное реле с детектром нуля, детектор нуля желателен, но не обязателен.Собственно ТТ реле - это симистор с опторазвязкой в одном корпусе. Мощность нагрева регулируется методом ШИМ. Период ШИМ около 1 сек, т.е. ругулировка нагрева с пропуском полупериодов сети.
- ТЭН подключается к стабилизатору "Котофеич". "Валерьяныч" им управляет.

 Режим 2 и 3. Нагрев браги или спирта-сырца. Режимы функционально одинаковые, но для каждого режимы используются свои уставки. Если температура куба ниже уставки 1, то нагрев 100%.  В других случаях мощность нагрева, согласно соответствующим уставкам.
При переходе через уставки выдается звуковой сигнал.

Имеется выход ШИМ, пропорциональный мощности нагрева, частота около 250 Гц.

Блок 2. Управление скоростью отбора.

Режим 1. Ручной. Задается скважность в %, период около 8 сек.

Режим 2. Авто. В момент пуска этого режима запоминается температура колонны. Скорость отбора стартует с начальной (задается). При превышении температуры, запомненной + дельта, отбор прекращается, до восстановления температуры.  При восстановлении температуры, скорость отбора уменьшается на значение шага понижения. При достижении минимальной скорости отбора, понижение прекращается.

Режим 3. Количество отборов. Задается период , длительность отбора и  количество доз. По окончанию выдается звуковой сигнал.

Можно установить одну уставку для звуковой сигнализации о некой температуре в кубе.

Есть еще уставка при превышения предела температуры в кубе, нагрев и отбор прекращаются, выдается звуковой сигнал. Например  при 99 градусов.

Схема электрическая принципиальная.


Схема выполнена на микроконтроллере Atmega8.  Внутренний тактовый генератор 8МГц (HFuse 0xD1, LFuse  0x64)


Индикатор символьный 1602, базе контроллер HD44780 со встроенной кириллицей.

Орган управления - энкодер со встроенной кнопкой (в схеме вместо энкодера мотор со встроенным энкодером и кнопка отдельно, не было в протеусе модели).

Пищалка без встроенного генератора.

Датчики температуры DS18B20 подключенные по схеме  паразитного питания, подключение по трехпроводной схеме не допускается.

Вся схема питается от 12В. Такое питание нужно для насоса (у меня не клапан, а перистальтический насос), при использовании другого насоса или клапана, питание должно быть соответствующим.

Выход ШИМ у меня реально не используется, желательно добавить токоограничивающий резистор от случайного КЗ.

Структура меню.


Структура меню делится на два раздела. Рабочий (верхний на схеме) и настройки (нижнее).

Переход от меню к меню в одном разделе производится вращением энкодера. Вход в меню, короткое нажатие. Переход по параметрам в меню - короткое нажатие. Изменение параметра - вращение энкодера. Выход из меню - долгое нажатие.

Переход из рабочего раздела в раздел настройки долгое нажатие из основного (первого меню). Возврат в рабочий раздел, долгое нажатие из любого меню раздела настройки.





II. Стабилизатор напряжения "Котофеич"

Мозгом стабилизатора является МК STM8S103F3P6. Стоит копейки, если покупать мешком.Я приобрел на плате, типа Ардуино. Тут уже "2 копейки".


Стабилизатор может работать в двух режимах. Первый режим ручной. Напряжение задается потенциометром установленный на его плату. Или же от внешнего источника - "Валерьяныча". В принципе можно добавить вариант управления от UART (например COM порт или bluetooth).
Метод стабилизации - фазовый ШИМ. Делается 450 выборок АЦП на период. Вычисляется true RMS и вносится поправка для ШИМ, если измеренное напряжение отклоняется от заданного.

Схема электрическая принципиальная.




Как можно увидеть. Схема крайне проста. Имеет минимум деталей (индикатор можно вообще не ставить). Но требует осторожности при отладки, так как отсутствует гальваническая развязка (кроме вывода для подключения  "Валерьяныча"Подмигивающий.
Индикатор с регистрами сдвига я не собирал, купил сразу готовый (с общим катодом).


Блок питания на 5 В можно использовать любой, удобно взять зарядник для телефона. Дешев и компактен, особенно если вытащить из корпуса.

 Вывод UART предназначен для обновления прошивки  (через спец программу) и выдачи измеренного напряжения на внешний приемник. В планах добавить установку напряжения через него же.  Можно подключаться через USB-232(TTL), можно собрать «переходник».  Сопротивления R2 R3 в общем то не нужны, ставил на макетке чтобы вывода UART не «болтались» при выключенной плате.
a.   Для обновления прошивки удобно подключаться к компу преобразователем USB-232 (TTL). Дешевый и имеет вывод питания (т.е. от него сразу и запитать устройство, только надо от сети 220 обязательно отключать). Сигнал идущий на RX(D6) микроконтроллера нужно разделить до 3.3-3.7В , так как с USB-232 (TTL) идет сигнал 5В  , но я подключал напрямую.
b.   Во время эксплуатации устройства, для подключения внешнего устройства к UART нужно делать обязательную гальваническую развязку.

Прошивку стабилизатора пока выкладывать не буду, но могу высылать прошитые контроллеры для него. В контроллер встроен загрузчик через UART, который позволяет обновлять устройство.

-------------------------

Трассировка платы "Котофеич".
Трассировка платы "Валерьяныч". ШИМ 250ГЦ не разведен, т.к. был добавлен позже.
Прошивка "Валерьяныча"






 
contrkolonna..jpg
1011x711 85Кб
Menu.png
950x600 40Кб
Obvyazka.gif
1024x720 63Кб
Obvyazka_Ind.jpg
1024x720 38Кб
s-l1600.jpg
1024x1024 76Кб
s-l1600_Ind.jpg
1024x1024 59Кб
Лиц вкл.jpg
1024x576 40Кб
лиц выкл.jpg
1024x576 61Кб
обр.jpg
1024x576 47Кб
Contr_Kolonna.hex (22Кб - загружено 318 раз)
PlatataValeryan.rar (51Кб - загружено 72 раз)
Plata_Stab.lay6 (71Кб - загружено 367 раз)
Zzsteron Специалист Тверь 138 59
Отв.1  04 Мая 17, 18:47
Прошивку стабилизатора пока выкладывать не будуZ_h_e, 28 Апр. 17, 20:11
Прошивка "засекречена" по коммерческим соображениям или просто сырая ещё?
Z_h_e Кандидат наук г. Чайковский 401 76
Отв.2  04 Мая 17, 19:16, через 29 мин
На счет сырости:
стабилизатор отработал нормально, но это нормально очень субъективно. У меня нечем проверить качество стабилизации.   Я уже выслал платку с мк Антелу. Он обещал по возможности собрать и дать объективную оценку. Но пока видимо нет возможности.

На счет коммерции:
ложных иллюзий не строю. Денег заработать на этом не удастся, но вот несколько отбить затраты надеюсь.  В МК я зашил загрузчик, т.е. можно будет прошивку обновлять при необходимости. Обновления буду выкладывать сюда, само-собой с пояснением как это сделать.

Я пока не могу давать ссылки на сторонние ресурсы. На сайте Радиокот есть статья о контроллере "Валерьяныч", к ней привязан топик форума, последний пост - видео с ютуба. Наберу 10 сообщений - дам ссылку здесь.
sevpro Доктор наук Worldwide 779 269
Отв.3  05 Мая 17, 12:20
Сопротивления R2 R3 в общем то не нужны, ставил на макетке чтобы вывода UART не «болтались» при выключенной плате.Z_h_e, 28 Апр. 17, 20:11
Они не "в общем не нужны". Они в принципе не нужны и вредны. Или хотя бы тяни Rx к плюсу. R2 вообще не понятен.
R4 1кОм много. ТЭН на полную мощность никогда работать не будет. 360-390 ом оптимально. LM358 плохо работают около нуля при однополярном питании.
И последнее. Экономия двух несчастных копеечных оптронов на УАРТ не стоит опасности спалить компьютер или самому получить удар током.


Прошивку стабилизатора пока выкладывать не будуZ_h_e, 28 Апр. 17, 20:11
А по этой ссылке что?
Трассировка платы "Котофеич".Z_h_e, 28 Апр. 17, 20:11
capsolo Профессор Зелик 4797 1486
Отв.4  05 Мая 17, 13:10, через 50 мин
Z_h_e, хорошо, что нашего полку прибывает Улыбающийся Велком. Правила хорошего тона гласят, что канал управления силовым устройством необходимо опторазвязывать. Ну и на прошивке на этом форуме много отбить не получится - если поискать, то можно найти несколько похожих проектов. Касательно регулятора мощности, например:
[Регулятор напряжения и тока на Arduino Pro Mini]
Касательно отбора, например:
[Автоматизация управления отбором при помощи модуля STH0024 v3]
А если универсальная автоматика - то
[Доступная автоматика на Ардуино Мега 2560]

И это, конечно, далеко не все, что мы сделали.
Z_h_e Кандидат наук г. Чайковский 401 76
Отв.5  05 Мая 17, 17:54
А по этой ссылке что?sevpro, 05 Мая 17, 12:20
Да я еще не привык к интерфейсу данного форума, вместо трассировки каким-то образом прилепил еще раз прошивку "Валерьяныча". Сейчас поправлюсь, как до дома доберусь, через полчасика наверное.
Они не "в общем не нужны". Они в принципе не нужны и вредны. Или хотя бы тяни Rx к плюсу. R2 вообще не понятен.sevpro, 05 Мая 17, 12:20
Ну я же и писал, были нужны во время отладки. При выключенном питании терминальная программа задолбала портянками цифр. Вреда от подтяжки к нулю нет, 0.3мА мелочь, а подтягивать к выключенному плюсу питания эффекта не дает.
R4 1кОм много. ТЭН на полную мощность никогда работать не будет. 360-390 ом оптимально.sevpro, 05 Мая 17, 12:20
У данного триака ток открытия совсем маленький, нормально на 1кОм работает, смотрел осциллом. Есть конечно микроступенька открытия, не более одного градуса задержка.
И последнее. Экономия двух несчастных копеечных оптронов на УАРТ не стоит опасности спалить компьютер или самому получить удар током.sevpro, 05 Мая 17, 12:20
Ну я же написал в статье, что нужна развязка. Я UARТ не использую в принципе. Просто индикатор где то долго валялся на почте, сделал выдачу напряжения по UART чтобы однократно настроить. Для обновления прошивки не нужно подавать 220В.
LM358 плохо работают около нуля при однополярном питании.sevpro, 05 Мая 17, 12:20
Нормально они там работают. 5мВ типовое значение выхода низкого уровня. А вот выход на плюса питания далеко не дотягивает, потому и питание 5В у них, хотя на выходе не требуется выше 3.3В.
 
Z_h_e Кандидат наук г. Чайковский 401 76
Отв.6  05 Мая 17, 17:57, через 3 мин
Правила хорошего тона гласят, что канал управления силовым устройством необходимо опторазвязывать.capsolo, 05 Мая 17, 13:10
Ну развязан же Улыбающийся
Z_h_e Кандидат наук г. Чайковский 401 76
Отв.7  05 Мая 17, 18:37, через 41 мин
Ну вот. Исправляю криворукость. Трассировка "Котофеича".
Z_h_e Кандидат наук г. Чайковский 401 76
Отв.8  05 Мая 17, 18:43, через 6 мин
Видео с ютуб.
sevpro Доктор наук Worldwide 779 269
Отв.9  05 Мая 17, 20:58
Вреда от подтяжки к нулю нет, 0.3мА мелочь, а подтягивать к выключенному плюсу питания эффекта не дает.Z_h_e, 05 Мая 17, 17:54
Я про то, что тянуть УАРТ к земле некорректно, для него это активный уровень и означает начало передачи. Если без этого что-то идет не так, ищи косяки у себя.
Ну я же написал в статье, что нужна развязка. Я UARТ не использую в принципе. Просто индикатор где то долго валялся на почте, сделал выдачу напряжения по UART чтобы однократно настроить. Для обновления прошивки не нужно подавать 220В.Z_h_e, 05 Мая 17, 17:54
Насколько я понял, предполагается коммерциализация и самостоятельное обновление прошивки пользователем. Забыл человек после обновления прошивки отключить комп, воткнул в розетку и привет. Или сделал наружный разъем для обновления и дотронулся... Непрофессионально продавать устройство имеющее непосредственную связь с сетью без защиты, тем более как я говорил, цена - копейки.
По остальному я свою точку зрения изложил, дискутировать не буду.

Добавлено через 12мин.:

Еще. Для общего развития ознакомьтесь с рекомендациями Atmel по организации питания atmegа
Z_h_e Кандидат наук г. Чайковский 401 76
Отв.10  05 Мая 17, 21:15, через 18 мин
Если без этого что-то идет не так, ищи косяки у себя.sevpro, 05 Мая 17, 20:58
Еще раз говорю. Притянул к земле, потому что когда отключал питание терминальная программа ловила мусор с проводов, они же как антенна при отсутствии питания (вернее при высокоимпедансном состоянии портов МК). Нужны были только в отладке. И я сам же указал в статье что они не нужны. Но мешаться они тоже не будут, не будет там нулевого логического уровня.
Непрофессионально продавать устройство имеющее непосредственную связь с сетью без защиты, тем более как я говорил, цена - копейки.sevpro, 05 Мая 17, 20:58
Я не продаю готовое устройство, только прошитый контроллер. И продаю то условно, всегда можно о чем то договориться. Поменяться на что-то.  И еще раз говорю, о  необходимости развязки, я в статье указал.
По остальному я свою точку зрения изложил, дискутировать не буду.sevpro, 05 Мая 17, 20:58
Ну я на Вашу точку зрения сделал аргументированные ответы, дискутировать не заставляю, Ваше право.
Z_h_e Кандидат наук г. Чайковский 401 76
Отв.11  05 Мая 17, 21:19, через 4 мин
Еще. Для общего развития ознакомьтесь с рекомендациями Atmel по организации питания atmegаsevpro, 05 Мая 17, 20:58
Именно у Atmega8 есть косяк в архитектуре, цифровое и аналоговое питание внутри практически закорочено. Так что работает нормально и без разводки аналогового питания. Я пробовал даже так АЦП использовать - работает очень не плохо и стабильно. А тут оно не используется.
woddy Доцент Новосиб 1275 480
Отв.12  09 Мая 17, 21:38
справедливости ради оставим ссылку на радиокот
http://www.radiokot.ru/lab/hardwork/133/
http://www.radiokot.ru/forum/viewtopic.php?t=139856
Z_h_e Кандидат наук г. Чайковский 401 76
Отв.13  24 Мая 17, 20:47
Добрый день.
Сделал некоторые испытания стабилизатора "Котофеич". В наличии древний советский стол монтажный с блоком питания, позволяющий дискретно изменять напряжение и цифровой осциллограф DSO5062B, умеющий измерять RMS. Правда RMS он измеряет грубовато, с шагом 4В при данной сетевой амплитуде, но все же хоть какие-то цифры. Лаборатория  запитана  от небольшушего Улыбающийся бесперебойного источника питания мощностью около 6кВт, синусоиду делает кривоватую, что даже интереснее для испытаний.

Сделал видео на телефон. Качество не очень, извиняюсь, но разглядеть можно.

Пояснение к видео:
Стабилизатор заранее установлен на максимальную мощность.
Подаю питание.
Затем задаю напряжение 144В (просто так получилось).
Затем резко изменяю входное напряжение (понижение на 35В) и так же резко возврат в обратное состояние.

По-моему работает нормально. Может разве что скорость реакции увеличить, но наверное и это не требуется.

---------------

На видео видно, что симистор открывается с некоторой задержкой. Я даже скажу, с задержкой около 9 градусов. Я это сделал преднамеренно (заложено в программе), на всякий случай, какого-либо заметного влияния на мощность на это задержка не оказывает.

Я еще около года назад, делал нехитрые расчеты зависимости фазы включения и выделяемой мощности. В инете я таких расчетов не видел, так что выложу, может кому пригодится.

Пришлось осилить интеграл и вывести вот такие формулы.

Фи - угол открытия симистора (радиан).
Ua - амплитудное напряжение
По первой формуле можно рассчитать напряжение RMS от угла открытия и  амплитудного напряжения исходной синусоиды.
По второй, мощность в % от угла фи при статичной нагрузке.
По третьей мощность в Вт. Правда эту формулу я не проверял, но и в нижеследующих расчетах она использоваться не будет. Имейте ввиду, может в ней быть ошибка.

Далее график: зависимость напряжения и мощности от угла открытия симистора. Предполагается, что сетевое напряжение в норме.



Видно что график очень нелинеен. Угол открытия симистора в 10 градусов на мощность влияния не оказывает. Но что значит не оказывает? Это визуально на графике. Поэтому предлагаю провести нехитрый следующий расчет.

Для наглядности пускай угол открытия будет 25 градусов Цельсия. На графике тут уже заметно небольшое снижение мощности. 25 градусов - это вот такая откусанная синусоида.

Не проведя расчетов, я бы не сомневаясь сказал, что тут мощность снижена не меньше чем на 15-20%. Однако это не так, выделяемая мощность составит 98,3%.
Воспользуемся формулой, которые предлагают производители водогрейных котлов, и посчитаем разницу нагрева по времени от 20 до 80 градусов Цельсия 40 л воды, если нагревать полной синусоидой и "откусанной" на 25 гр. нагревателем 3кВт. Время нагрева составит без малого час. А разница по времени всего-лишь минута. Для меня эта минута значения не имеет.

Глядя на графики, можно сказать что регулирование в области  (0... 20) градусов и (155... 180) практического смысла не имеет.

-------------
Напоследок маленький эксперимент.
sevpro, заявлял следующее.
R4 1кОм много. ТЭН на полную мощность никогда работать не будет.sevpro, 05 Мая 17, 12:20

Подключил нагрузку в виде масляного радиатора с заявленной мощностью 1500Вт. Принудительно закоротил симистор оптосимистора и снял осциллограмму. Получились вот такие, как я и говорил синусоида после ИБП не очень синосоидная. Ступенька открытия еле проглядывается.



sevpro, хочу добавить, что эксперимент с поиском ступеньки открытия не был нацелен чтобы как-то уязвить  Вас. Мне самому захотелось еще раз проверить не ошибся ли я (а ошибаться я умею еще как) и ничего другого.


Надеюсь, я не зря столько букв написал и данная информация окажется полезной для кого-нибудь.








 


hantek102_2.gif
800x480 48Кб
hantek102_3.gif
800x480 44Кб
RMS.gif
474x293 15Кб
Напряжение и мощность.png
796x448 64Кб
синус 25.gif
626x327 22Кб
sevpro Доктор наук Worldwide 779 269
Отв.14  03 Июня 17, 09:42
хочу добавить, что эксперимент с поиском ступеньки открытия не был нацелен чтобы как-то уязвить  Вас.Z_h_e, 24 Мая 17, 20:47
Да ну, никаких обид. "ступенька" легко считается, как и мощность. Много писать с телефона неудобно, поэтому тезисно несколько замечаний:
замыкать оптотиристор некорректно с точки зрения чистоты эксперимента,правильнее подать питание на светодиод оптотиристора. объяснять, наверное не надо, почему.
сейчас увидел, что используется тиристор с низким пороговым Iупр. надеюсь Вы осознаете все тонкости.
формулы расчета мощности есть, в том числе и на этом форуме. Коллега m16 приводил.
по поводу atmega8: ее баги/фичи мне известны, просто у меня подход профессиональный (надежность и получение заявленых характеристик), а у Вас радиолюбительский (минимализм, работает и ладно). А экономить два кондесатора ценой 2 рубля, вообще как-то по китайски. Без обид
Z_h_e Кандидат наук г. Чайковский 401 76
Отв.15  03 Июня 17, 09:58, через 16 мин
Никаких обид. Общение полезно.
замыкать оптотиристор некорректно с точки зрения чистоты экспериментаsevpro, 03 Июня 17, 09:42
Согласен, но я не думаю что это что-то изменит.
по поводу atmega8sevpro, 03 Июня 17, 09:42
Несомненно по правильному следовало развести и аналоговое питание, и дроссель повесить, а не только кондеры, коли так указано в ДШ, замечание то в целом верное, но это тоже ничего не изменит.
Z_h_e Кандидат наук г. Чайковский 401 76
Отв.16  03 Июня 17, 10:00, через 3 мин
Вот что действительно забыл указать в описании "Котофеича". Потенциометр задания напряжения нужно устанавливать с диэлектрической осью.
Z_h_e Кандидат наук г. Чайковский 401 76
Отв.17  01 Окт. 17, 16:24
По просьбе одного человека сделал прошивку для Валерьяныча на транслите, то есть под дисплей без кириллицы. Не тестировал.
Contr_Kolonna Trans.hex (22Кб - загружено 288 раз)