Требования к контроллеру и вариант реализации v.Logman

[Logman]

К теме контроллера - задача и один ИЗ вариантов реализации (эскизно):

Общие подходы и резоны

Процесс производства сыра в сыроизготовителях (СИ) достаточно хорошо автоматизируем. Более того, автоматизируем процесс производства конкретных сортов сыра, база параметров процесса может содержаться в самом контроллере, загружаться с внешнего носителя (SD-карта) при старте или содержаться в базе данных на внешнем управляющем компьютере (планшете), передаваясь в контроллер, который в этом случае служит измерительно-исполнительным устройством. Такие типы систем управления/контроля и, в третьем типе – протоколирования производства конкретной партии сыра (а, в общем случае, и творога, йогурта, прочих кисломолочных продуктов резервуарным методом…), определяют как состав системы, так и стиль интерактивного общения с оператором.
Связывание системы с внешним анализатором молока позволяет получить как полноту протокола, так и откорректировать процесс по показателям белка/жирности молочной смеси.
При достижении ключевых точек процесса, контроллер должен оповещать оператора звуком/светом, а также, в зависимости от развитости системы, предлагать на интерактивном экране произвести конкретные действия, дополнительные измерения (pH), подтвердить продолжение процесса, позволить откорректировать ход следующих этапов.
Кроме того, производительность и развитость периферии современных контроллеров позволяет одновременно управлять прессованием по заданной формуле изменения давления, контролировать основные параметры рассола в солильных ваннах, контролировать и регулировать климат (как температуру, так и влажность) в камерах созревания сыров.

Контролируемые/измеряемые параметры (максимальный список):
(Синим – минимальный набор, красным – крайне желательно)

1. Температура молочной смеси
2. pH молочной смеси/сыворотки и даже зерна/сыра (в зависимости от типа внешнего электрода)
3. Температура воды в рубашке (варианты с паровой рубашкой не рассматриваем, там еще стоит контролировать давление), возможно в двух точках по уровню
4. Температура воздуха в помещении
5. Температура в дополнительных буферных емкостях с теплоносителем ил в ключевых точках инженерных магистралей (в зависимости от строения системы)
6. Уровень теплоносителя (в общем случае – воды) в рубашке сыроизготовителя (в зависимости от конструкции СИ)
7. Состояние кнопок встроенного пульта управления
8. Контроль аварийного состояния внешнего бойлера/проточного нагревателя
9. Температура в буфере жидкости охлаждения (при использовании отдельного буфера)


Сигналы управления (максимальный список):

1. Управление встроенными ТЭНами СИ при нагреве или термостатировании
2. Управление ТЭНами внешнего бойлера/проточного нагревателя (если используются)
3. Управление мотор-редуктором мешалки/лиры (и шаговым двигателем при перемещающемся вдоль СИ каретке мотор-редуктора, если используется)
4. Открытие/закрытие кранов/клапанов (моторизированных или соленоидных) на системе циркуляции теплоносителя
5. Управление насосом рециркуляции (при использовании в системе)
6. Отображение температуры молочной смеси
7. Отображение температуры теплоносителя рубашки
8. Отображение именования и времени текущего этапа
9. Отображение подсказок оператору по продолжению
10. Отображение сорта сыра работающей программы
11. Отображение работы насоса циркуляции
12. Отображение параметров (температуры) внешних аппаратов нагрева
13. Отображение всей программы для текущего сорта сыра с возможностью редактирования параметров
14. Световая/звуковая сигнализация при достижении конца текущего этапа и при аварийных ситуациях (с отображением сути ил кода ошибки)
15. Управление формированием и сохранением протокола варки

Исходя из минимального, выбранного оптимальным или максимального функционала, определяется платформа решения задачи создания системы.
Одним из подходов может быть задействование нескольких простейших контроллеров типа PIC/Arduino, связанных с головным контроллером или компьютером, использование Arduino в самом минимальном варианте - контроль 2х температур и управление встроенными ТЭНами + минимальное отображение температур на семисегментном, LCD или 2.4/3.5-дюймовой сенсорной панели + звуковая/световая сигнализация.
Однако, экономия по сравнению с использованием более мощной системы на платформе STM32, почти любой из которых способен справиться со всеми сразу задачами автоматизации, сегодня совершенно незначительная, порядка одной тысячи рублей.
Внешние исполнительные устройства при этом, включая даже стандартные распространенные шилды к Arduino, могут быть использованы/подключены к STM32.

Анализируя оптимальную емкость СИ, которая могла бы быть максимально востребована в домашнем или сыроделии в личном подсобном/фермерском хозяйстве, субъективно определена емкость как 20 л молока, которая позволяет обрабатывать и 6 литров при необходимости. Кроме того, исходя из желания создать максимально массовый СИ, стоит упомянуть, что в «квартирном» формате сыроделия, 20-литровая (брутто-23-литровая) циллиндрическая емкость СИ с пропорциями высота/диаметр 2 к 3, много менее удобна В ХРАНЕНИИ, чем вытянутая. Универсальность применения СИ для максимального числа сортов сыров, заставляет признать необходимым включение в состав мешалок/лир на мотор-редукторах, которых в удлинненном формате СИ необходимо 2 или 1+шаговый двигатель для перемещения каретки с ним.
Все это определяет СИ как требующий уже существенного уровня автоматизации, оптимумальный минимум которого представляется в нижеприведенном формате, реализованном на платформе STM8 (упрощенная 8-мибитная версия STM32) или самой STM32, предпочтительно (по минимальной разнице цены) даже на ядре Cortex M4, а не M3 или M0.

Схема (пока в нестандартном виде, умер софт рисования схем при перестановке системы, сорри, в Visio морочиться не стал, вроде и так понятно) включает контроллер STM32F4 (например – самая распростараненная отладочная плата STM32F4-Discovery (или VLD-Discovery на ядре M3) с ST-Link через USB на борту.
Выбирая переключением одного из элементов порта вход термопары (по умолчанию) или pH-электрода, через усилитель мы получаем сигнал для АЦП контроллера, который в соответствии с тестовой поверкой, интерспретируется в глобальной переменной температуры молока или значения pH.
Снятые для конкретного СИ кривые нагрева режима пастеризации (65С) позволяют по парам t теплоносителя (инерционный датчик, но для конкретного СИ будет без разницы) и t молока управлять оптимально ТЭНами посредством ШИМ-регулирования. При режиме термостатирования во внимание берется и температура окружающего воздуха.
Необходимым надо признать калибровку кривых нагрева в соответствии с введенным количеством обрабатываемого молока.
Также, при внешней термоизоляции корпуса СИ кривые должны быть пересняты.
Вывод в 3-секундном цикле температур и оставшегося до конца этапа времени на семисегментный индикатор (если мы не используем модуль часов реального времени, совмещаемого часто с ридером SD-карт, то можно использовать 3хсимвольный индикатор) признается (?) не лишним даже с при использовании сенсорного экрана, т.к. семисегментник виден издалека.
Использование SD-ридера может быть оправдано, если применять сменяемые карты для каждого сорта сыра и сохранения протокола его производства/отклонений.
Зуммер и световая индикация (возможно подключение более мощной и крупной, чем светодиод, лампы) оповещают пользователя о необходимости вмешаться в процесс.
Возможно удобно (вопрос цены) использовать ШИМ-регулирование не через симистор, а через мощные MOSFET-транзисторы, обеспечив им большую крутизну фронтов и низкое тепловыделение.
Wi-Fi шилд позволяет иметь доступ к ключевым переменным контроллера из сервисной программы компьютера или web-сервера. Для домашнего сыроварения проводные интерфейсы RS-232 или 485 могут быть неудобны, хотя применимы, так же как и сеть поверх USB (для самого «дешевого» варианта контроллера именно так и верно), т.к. лишние провода всегда мешаются.

[sally555]

+1000000! Ну вы Сергей "Монстр" в смысле глобального подхода, мне бы столько не написать, да еще так основательно! Я практически со всем согласен, не считая небольших нюансов, и мне особо даже нечего добавить, ну есть конечно вопросы. Я даже согласен, что STM32 лучше Ардуино , в смысле мощнее(производительность, ресурс памяти, количество периферии) и не многим дороже. Но пока переходить на STM32 не хочу по нескольким причинам, которые озвучу в новой параллельной ветке, дабы не мусорить здесь.
Первый вопрос по рНметру, где предполагаете его располагать, или он будет мобильный? И я бы все же разделил нормирующие усилители термопары и рН-электрода, вариант с одним усилителем большой экономии не даст.

[Logman]

...
Первый вопрос по рНметру, где предполагаете его располагать, или он будет мобильный? И я бы все же разделил нормирующие усилители термопары и рН-электрода, вариант с одним усилителем большой экономии не даст.

1. Контроллер в своем корпусе вставляется (в "ухо", без закрепления винтами) в корпус сыроизготовителя и так же легко снимается, главное сделать надежный силовой разъем на ТЭНы. В принципе - он в этом смысле мобилен. Да и полметра-метр кабеля pH-электрода достоточно, чтобы при нужде (?) воткнуть его куда-то кроме ванны СИ или стаканчика с пробой.
2. Я совместил в одном усилителе. Но так и не сделал (недосуг искать / покупать) качественное реле на коммутацию входов, отключал просто "лишний сигнал". Базовой была эта схема, последний операционник изъял и использовал на доп. вход термопары (классика с мостом и задающим диодом).

[Logman]

!!! Случайно вышла ошибочка на схеме - интерфейс на сенсорный экран не I2C, а SPI !!!

[Niky]

Но так и не сделал (недосуг искать / покупать) качественное реле на коммутацию входов

Раньше (время моей молодости ) использовали малогабаритные герконовые реле.
Может придётся бороться с помехами от ТЭНа?
Да, снимаю шляпу. Молодец Сергей.

[Logman]

Спасибо за оценки, но одна из объявленных целей, а именно - контроллер с обвязкой электроники к повторению сообществом НЕдоДостигнута. Из стадии рабочих уже макеток и массы паяных проводков аппарат не вышел, ибо частично пострадал вместе с совсем погибшим pH-электродом в результате "семейного взрыва" (оставил на кухне ). После чего я бы послан в село строить сыроварню и там "городить огороды", но до сих пор ищу соинвестора. Так что "правильный" контроллер с печатными платами, человеческой индикацией, мощными силовыми разъемами будет создан лишь в процессе инвестиций, увы!

Может здесь бросить клич типа "сыровары Москвы и М.О. - объединяйтесь!!!" ??? (со мной)

[abdulvaliev]

Может здесь бросить клич типа "сыровары Москвы и М.О. - объединяйтесь!!!" ??? (со мной)

Может посмотреть в сторону готовых решений? Пускай даже в качестве направления работ
Я давно варю пиво (красиво так, по старинке с маханием веслом), но иногда ленюсь и использую "автоматическую" самодельную "кастрюлю"
Погуглите ради интереса "Speidel Braumeister", это оборудование давно уже клонировали и умельцы за "небольшую" денюжку (если сравнивать с оригиналом) штампуют их чуть ли не в промышленных масштабах (и полный комплект и блоки управления).
Если есть руки то можно собрать и самому, самый известный открытый проект автоматики для пивоварения "Open Ardbir". Уверен что среди участников этого проекта есть и те кто занимается и сыром.

[Logman]

Может здесь бросить клич типа "сыровары Москвы и М.О. - объединяйтесь!!!" ??? (со мной)

Может посмотреть в сторону готовых решений? Пускай даже в качестве направления работ
...

Я тут слегка истерю на тему своего проекта сыроварни на 1.5-2.0 тонны в смену, по которому выпал потенциальный партнер из-за потери им работы и который (проект) готов к запуску, но все тормозится, т.е. речь о другом...