Elektroda.pl
Elektroda.pl
X
OptexOptex
Proszę, dodaj wyjątek dla www.elektroda.pl do Adblock.
Dzięki temu, że oglądasz reklamy, wspierasz portal i użytkowników.

Zautomatyzowane stanowisko browarnicze DIY

ghost666 04 Cze 2020 18:13 3414 5
  • Zautomatyzowane stanowisko browarnicze DIY
    Rys.1. Sprzęt domowego browarnika
    w trakcie budowy.
    W ostatnich latach moda na domowe warzenie piwa eksplodowała: coraz więcej osób eksperymentuje z piwowarstwem domowym, które może zacząć się od rozrywki, ale potrafi przerodzić się w prawdziwą pasję. W rzeczywistości proces warzenia piwa to relatywnie prosty przepis złożony z precyzyjnych kroków, których należy dokładnie przestrzegać, aby uzyskać takie piwo jak chcemy. Z uwagi na to, nawet domowi wytwórcy piwa muszą precyzyjnie przestrzegać przepisów i, jeśli chcą regularnie uzyskiwać taki sam trunek, robić to w powtarzalny sposób.

    To idealny przykład czynności, gdzie automatyzacja, taka jak w przemyśle, się sprawdzi. Maszyny doskonale nadają się do powtarzania pewnych czynności i realizacji przepisów. W poniższym artykule przeanalizujemy etapy produkcji piwa, które można łatwo zautomatyzować, aby uzyskać profesjonalne wyniki.

    Proces warzenia

    Istnieje wiele sposobów na zrobienie piwa. Każda droga zawiera jakiś przepis, który wykorzystuje zazwyczaj wodę, ziarna słodu jęczmiennego, chmiel, drożdże i inne surowce. Proces, który pokrótce zilustrowany jest w poniższym artykule to tzw. infuzja jednotemperaturowa. Proces ten obejmuje etapy zacierania, gotowania, chłodzenia i fermentacji.

    Zbiornik do zacierania jest najpierw napełniany wodą i podgrzewany, by doprowadzić wodę do temperatury określonej w recepturze. Wodę podgrzewa się za pomocą elementu grzejnego (grzejnik elektryczny lub kuchenka gazowa). Następnie umieszcza się w wodzie słód jęczmienny i pozostawia do zaparzenia w kontrolowanej temperaturze, aż złożone cukry (skrobia) zostaną przekształcone w cukry proste, które są fermentowane przez drożdże. W fazie tej temperatura może zmieniać się maksymalnie o 1°C, w przeciwnym wypadku istnieje ryzyko uzyskania piwa całkowicie innego niż oczekiwano. Wartość pH wody zacierającej należy również sprawdzić i dostosować zgodnie z potrzebami przepisu, w przeciwnym razie wydajność ekstrakcji cukrów zostanie zredukowana. Ponadto należy bezwzględnie uniknąć karmelizacji brzeczki, co może się zdarzyć, jeśli element grzewczy zapewnia zbyt dużo ciepła dla części płynu infuzyjnego. Zwykle realizuje się to poprzez mieszanie brzeczki przez zmotoryzowany mieszalnik lub poprzez zawracanie jej w obiegu zamkniętym - poprzez pobranie płynu z dna zbiornika i doprowadzenie go na powierzchnię za pomocą pompy elektrycznej.

    Po zakończeniu fazy zacierania nadchodzi czas na ekstrakcję ziaren słodu, podniesienie temperatury i doprowadzenie brzeczki do wrzenia przez czas określony w przepisie (zwykle od 60 do 90 minut). Jest to również czas na dodanie chmielu, ale po precyzyjnie ustalonym czasie. Po ugotowaniu brzeczka musi zostać schłodzona tak szybko jak to możliwe - najpopularniejszymi metodami stosowanymi przez domowych piwowarów jest zanurzenie miedzianej (lub z nierdzewnej stali) zwojnicy w brzeczce, wewnątrz której przepływa zimna woda lub użycie płytowego wymiennika ciepła, z zimną wodą przepływającą w jego środku. Cały ten proces musi być równie precyzyjnie kontrolowany.

    Po przeniesieniu brzeczki do fermentora drożdże są zaszczepiane do brzeczki, a temperatura musi być cały czas dokładnie kontrolowana, aby drożdże pracowały w optymalnym dla siebie zakresie temperatur. Po fermentacji piwo można już butelkować, a po dojrzewaniu jest ono w końcu gotowe do spożycia.

    Sprzęt do robienia piwa może być bardzo złożony. Dobry system obejmuje oczywiście część hydrauliczną (zbiorniki, złączki, rury), ale obecnie wielu piwowarów domowych korzysta również z elektronicznych urządzeń sterujących, które pomagają im w całym procesie technologicznym warzenia piwa. Na rysunku 1 można zobaczyć przykładowy zautomatyzowany system browarniczy.

    Zautomatyzowane stanowisko browarnicze DIY
    Rys.2: Elektrozawór 12 V.
    Elektronika dla browarnika

    Jak można się domyślać, proces warzenia piwa może wykorzystywać elektronikę do automatyzacji większości etapów: sterowania elektrozaworów do obiegu wody czy brzeczki, pomiaru ilości wody w zbiorniku, kontroli temperatury podczas zacierania i fermentacji, sterowania pompą elektryczną do recyrkulacji brzeczki, miernikiem pH. System taki może robić wiele rzeczy automatycznie, a o potrzebie wykonania innych informować operatora, na przykład wykorzystując sygnały akustyczne.

    W tym celu wykorzystać można moduł MULTI-IO – uniwersalną płytkę deweloperską, która idealnie nadaje się do tego rodzaju zastosowania: umożliwia automatyzację całego procesu warzenia piwa i może być używana wszędzie tam, gdzie istnieje potrzeba konieczność sterowania procesami i wykonywania pomiarów.

    Płytka MULTI-IO

    Płyta MULTI-IO, pokazana na rysunku 3, to uniwersalna płyta rozwojowa dostępna na stronie internetowej ESPdevices. Jest ona wyposażona w moduł ESP32-WROOM. To naprawdę ciekawe urządzenie dla wielu elektroników i projektantów, ponieważ oferuje szeroki zakres możliwości komunikacyjnych (ESP32 wyposażony jest w Wi-Fi i Bluetooth) oraz wiele opcji GPIO: płytka zawiera 10 przekaźników, cztery elementy sterujące PWM (z których trzy są zasilane), osiem styków wejścia/wyjścia, port komunikacyjny RS485, port komunikacyjny UART, diodę LED (która może być sterowana przez mikrokontroler) oraz diody LED, które sygnalizują stan zasilania oraz stany wszystkich 10 przekaźników.

    Zautomatyzowane stanowisko browarnicze DIY
    Rys.3.Modele 3D płyty rozwojowej płytki MULTI-IO.


    Zasilacze i mikrokontroler

    Rysunek 4 pokazuje schemat zasilania i sekcji z mikrokontrolerem. Zasilanie płytki może pochodzić ze złącza micro-USB lub z listwy zaciskowej, na której podawane jest napięcie stałe 5 V. Napięcie 3,3 V, wymagane przez moduł ESP32, stabilizowane jest przez stabilizator liniowy (LDO) na płytce.
    Zautomatyzowane stanowisko browarnicze DIY
    Rys.4. Sekcja zasilania i mikrokontroler.


    Płytka zawiera osobny zasilacz do sterowania mocą PWM, jeden dla siedmiu przekaźników, a drugi dla pozostałych trzech przekaźników; wszechstronność sekcji uruchamiającej jest w ten sposób zmaksymalizowana.

    Modułem sterującym całą płytką Multi-IO jest ESP32-WROOM firmy Espressif, który umożliwia komunikację bezprzewodową z aplikacjami mobilnymi i z chmurą poprzez Internet, w celu wydawania poleceń sterujących. Dzięki temu nasz smartfon staje się również wyświetlaczem i sterownikiem płytki MULTI-IO.

    Oprogramowanie układowe dla ESP32 można zapisać w module, poprzez złącze do programowania - P1 (PROG) – lub poprzez USB, dzięki wbudowanemu konwerterowi USB-UART (CP2104), podobnie jak w klasycznych płytkach rozwojowych dla ESP32.

    Złącza wejściowe

    Wiadomo, że czujniki odgrywają podstawową rolę w kontrolowaniu procesu warzenia piwa. Płytka MULTI-IO pozwala na użycie do ośmiu linii IO (z czego cztery IO i siedem dodatkowych wejść jest wyeksponowane na terminalu stykowym i złączu IO w układzie). Piny te mogą być wykorzystane do pomiaru temperatury i przepływu wody.

    Zautomatyzowane stanowisko browarnicze DIY
    Rys.5. Przepływomierz ze stali
    nierdzewnej (po lewej) i czujnik
    temperatury DS18B20 (po prawej).
    Wykorzystując cyfrowe czujniki temperatury do zanurzenia w cieczy, takie jak DS18B20 (rysunek 5), możliwe jest sterowanie elementami grzejnymi. W oparciu o odczyt temperatury i temperaturę odniesienia, algorytm sterujący może zdecydować, czy włączyć czy wyłączyć w danym momencie elementy grzejne. W tej aplikacji należy wziąć pod uwagę bezwładność cieplną cieczy, a także opóźnienie wynikające z bezwładności cieplnej samej sondy. Ciepło w układzie rozchodzi się od punktu jego wytwarzania (emisji) do całej masy cieczy, ale nie natychmiast, a więc od chwili wyłączenia elementu grzewczego temperatura będzie powoli rosła; obliczenie współczynnika opóźnienia dla układu termicznego nie jest trywialne, ponieważ determinuje go wiele zmiennych, w tym temperatura otoczenia, temperatura brzeczki i masa podgrzewanej cieczy. Dobrą praktyką jest stosowanie wielu czujników wewnątrz zbiornika w różnych pozycjach i wyliczanie średniej z odczytanych wartości.

    Korzystając z przepływomierzy (takich jak na rysunku 5), algorytm sterowania może zdecydować, czy otworzyć lub zamknąć zawory elektromagnetyczne, sterujące obwodami hydraulicznymi. Dzięki temu mikrokontroler z łatwością może – z wykorzystaniem timera i licznika – zliczyć, ile impulsów przypada na jednostkę czasu, a następnie łatwo obliczyć tempo przepływu, np. brzeczki w czasie recyrkulacji i móc odpowiednio ustawić jej obieg za pomocą pompy lub też zmierzyć, ile wody wprowadzono do zbiornika.

    Sterowniki wyjściowe

    Na rysunkach 6 oraz 7 można zobaczyć schemat sterowników wyjść – sterownika dziesięciu przekaźników oraz kontrolera wyjścia PWM mocy (z zewnętrznym zasilaczem) i modułu PWM 5 V.

    Zautomatyzowane stanowisko browarnicze DIY
    Rys.6. Sekcja przekaźników.


    Zautomatyzowane stanowisko browarnicze DIY
    Rys.7. Sekcja wyjść PWM.
    Wszystkie przekaźniki są kontrolowane przez transoptor. Używając zworek na P6 i P7, styk każdego przekaźnika NO może zostać zwarty (w celu uzyskania normalnego zachowania przekaźnika) lub może być podłączony do zewnętrznego napięcia zasilającego, aby bezpośrednio dostarczyć prąd niezbędny do sterowania urządzeniami podłączonymi do listwy zaciskowej modułu, co ułatwia podłączenia modułu przez użytkownika.

    Przekaźniki służą do otwierania i zamykania elektrozaworów, które sterują z kolei różnymi obiegami w systemie do pompowania zarówno wody, jak i brzeczki. Mogą one być również używane do sterowania elektrozaworami gazowymi lub elektrycznymi elementami grzewczymi (w celu umożliwienia regulacji temperatury na podstawie danych z odpowiednich czujników) lub np. silnikami do mielenia ziaren czy mieszania brzeczki.

    Trzy sterowniki PWM mocy mogą być używane do sterowania silnikami prądu stałego (mieszanie brzeczki, pompa transferowa, pompa recyrkulacyjna), aby móc precyzyjnie sterować ich prędkością obrotową (co w przypadku pompy recyrkulacyjnej lub transferowej jest niezbędne, by uniknąć spienienia brzeczki, powodującego nadmierne jej natlenienie, co jest koszmarem każdego domowego piwowara). Sterownik PWM 5-VDC może być używany do sterowania np. brzęczykiem jako awaryjnym sygnałem akustycznym (na przykład przekroczenia temperatury lub do oznajmienia końca danego kroku).

    Zautomatyzowane stanowisko browarnicze DIY
    Rys.8. Sekcja RS485.
    Inne urządzenia peryferyjne - komunikacja przez RS-485

    Płytka MULTI-IO jest wyposażona w transceiver RS-485, który umożliwia komunikację z wykorzystaniem tej magistrali z innymi urządzeniami. Jeśli w systemie chcemy korzystać, np. z mierników pH lub innych czujników lub urządzeń wykonawczych, komunikujących się przez interfejs MODBUS, jest to najlepsze rozwiązanie. Istnieje również możliwość wstawienia na płytce opornika, terminującego magistralę RS-485. Rysunek 8 pokazuje sekcję RS-485 w module.

    Za pomocą zworek można wybrać, czy UART0 modułu ESP32 podłączony będzie do transceivera RS-485, czy do złącz nagłówka do programowania układu.

    Podsumowanie

    Domowe warzenie piwa to fascynujący świat ciekawego hobby, w którym można zautomatyzować wiele żmudnych procedur, dzięki czemu browarnik może skoncentrować się na przepisie, z pewnością eliminując wszystkie niesystematyczne błędy i zawsze uzyskując ten sam rezultat.

    Źródło: https://www.eeweb.com/profile/davidedigesualdo/articles/working-title

    Fajne! Ranking DIY
    Potrafisz napisać podobny artykuł? Wyślij do mnie a otrzymasz kartę SD 64GB.
    O autorze
    ghost666
    Tłumacz Redaktor
    Offline 
    Fizyk z wykształcenia. Po zrobieniu doktoratu i dwóch latach pracy na uczelni, przeszedł do sektora prywatnego, gdzie zajmuje się projektowaniem urządzeń elektronicznych i programowaniem. Od 2003 roku na forum Elektroda.pl, od 2008 roku członek zespołu redakcyjnego.
    ghost666 napisał 9836 postów o ocenie 8049, pomógł 157 razy. Mieszka w mieście Warszawa. Jest z nami od 2003 roku.
  • OptexOptex
  • #2
    spec220
    Poziom 18  
    Bardziej rozbudowane sterowniki PLC też posiadają wbudowane Wi-Fi, RS232, RS485, Względnie Ethernet. Zrobienie samego programu pod taki sterownik to bajka Nie trzeba znać C, i tym podobnie nielogicznych, tajemniczych środowisk. Wystarczy znać proces technologiczny produkcji piwa, oraz ogarniać ogólną logikę matematyczną O 1 binarną oraz analogową.
  • OptexOptex
  • #3
    ghost666
    Tłumacz Redaktor
    spec220 napisał:
    Bardziej rozbudowane sterowniki PLC też posiadają wbudowane Wi-Fi, RS232, RS485. Bądź Ethernet. Zrobienie samego programu pod taki sterownik to bajka. Nie trzeba znać C i tym podobnie nielogicznych, tajemniczych środowisk. Wystarczy znać proces technologiczny produkcji piwa, oraz ogarniać ogólną logikę matematyczną O 1 binarną, oraz analogową.


    Po pierwsze: cena, ile kosztuje taki PLC? Dużo więcej niż taki moduł ESP32.
    Po drugie: dla mnie język drabinkowy jest o wiele mniej czytelny i logiczny niż C, więc to kwestia względna.
  • #4
    Krzysztof Kamienski
    Poziom 43  
    ghost666 napisał:
    no dla mnie język drabinkowy jest o wiele mniej czytelny i logiczny niż C, więc to kwestia względna.

    A dla mnie FBD, np. LOGO! albo Array :D i biorąc jego cenę pod uwagę, mocno bym się zastanawiał przed budowa sterownika ,,na piechotę". :cry: Na LOGO ! zbudowałem niemal identyczna machinę, ale do produkcji syropów owocowych.
  • #5
    pawelr98
    Poziom 38  
    Drabinka powstała dlatego, żeby elektrycy mogli robić logikę nie znając "prawdziwego" języka programowania.

    Jak dla mnie drabinka jest OK do prostej logiki.
    Do czegokolwiek bardziej rozbudowanego wolę w przypadku PLC ST czyli język zbliżony do C.

    Parę dni temu robiłem układ logiki na stanach na drabince, ot taki kaprys prowadzącego przedmiot.
    W C czy ST to może chwilka roboty, w LD czy FBD to samo ustawianie bloczków więcej zajmuje.

    Mała czytelność LD wynika jak dla mnie z ilości bloków, które trzeba użyć do realizacji algorytmu.
    To co w ST/C zajmuje może stronę, w LD potrafi zabrać kilka stron.
    Nie mogę wzrokiem objąć całości i skakać wzrokiem z linijki na linijkę, żeby poukładać sobie ten program w głowie.

    C to akurat łatwy język, dzieci się go w szkołach uczą.

    Ale wracając do samego projektu.
    PLC to droga zabawa a mikrokontroler też można programować drabinką.
    https://cq.cx/ladder.pl

    Co trzeba też zauważyć, to mikrokontroler spokojnie może współpracować z niemal dowolnym interfejsem.
    Chcesz użyć i2c albo SPI to proszę bardzo, łatwa sprawa.
    A biorąc pod uwagę niedrogie moduły i układy scalone korzystające z tych interfejsów to można sobie za grosze budować całkiem rozbudowany system automatyki.

    Jeśli chodzi o sam moduł, to wolałbym tu widzieć więcej wyjść tranzystorowych zamiast przekaźnikowych.
    Nie ma denerwującego klikania, można sterować bezpośrednio PWM każdym wyjściem oraz nie ma problemu zgrzania styków lub zużycia.

    Do tego jeszcze tranzystory bipolarne do przełączania elementów mocy typu silnik.
    Dla diod czy tam przekaźników to użycie bipolarnych jest OK bo tam płynie mały prąd i w sumie nic ciekawego się nie dzieje. Ale do sterowania silnikiem pobierającym spory prąd brać darlingtona z napięciem nasycenia 2-4V ? Straty będą niemałe.
    Jeśli mamy dostępne 12V to już lepiej zrobić choćby prymitywny driver na jednym NPN i sterować bramkę jakiegoś mosfeta.
  • #6
    spec220
    Poziom 18  
    ghost666 napisał:
    Po pierwsze - cena. Ile kosztuje taki PLC? Dużo więcej niż taki moduł ESP32.

    No zgadza się, tylko ile kosztuje zrobienie takiego programu w C? Może produkcja domowego piwa nie jest dobrym przykładem, ale są takie procesy, w których oprogramowanie indywidualnego procesu więcej kosztuje niż cała szafa sterownicza.

    ghost666 napisał:
    Po drugie - no dla mnie język drabinkowy jest o wiele mniej czytelny i logiczny niż C, więc to kwestia względna.

    Język drabinkowy jest podobny do C, (tylko tam się używa symboli). I tak samo mało czytelny jak C

    Mając na myśli graficzne programowanie miałem na myśli taką nakładkę graficzną pod kod assembler/ C jak ta poniżej (wersja mocno obkrojona w stosunku do assemblera, jednak takie "ustrojstwo" do ważenia piwa pchnie się w tym z zamkniętymi oczami)


    Zautomatyzowane stanowisko browarnicze DIY


    Da się tu tworzyć własne biblioteki graficzne przez co całość staje się prosta, a w razie potrzeby bloki można sobie rozwijać/ modyfikować.

    Na zdjęciu przykład alarmu. Testuję go w piwnicy od roku. działa rewelacyjnie. Czujka PIR + kontaktron. Alarm generuje także na LCD zmienne kody, tak więc wszelka próba majstrowania generuje inny kod, i wiadomo jeśli ktoś coś tam kombinował, a nie było np. łączności GSM.

    Szkoda, że producent zaprzestał działalności. (piractwo, małe zainteresowanie) Moim zdaniem gdyby to pchnął tj. zapowiadał, to stworzył by mega środowisko programistyczne. Tak czytelną nakładkę graficzną pod kod C widziałem jedynie w amerykańskich bardzo drogich serownikach Emersona. Niemal że identycznie wyglądała jak ten kompilator, z tym że tam z boku można było rozwinąć kod C tego co narysowałeś. A kod np. szafy która ogarniała tysiące czujników oraz zależności był bardzo długi oraz podzielony na strony. Idzie się pogubić w C. Nad grafiką czasem trzeba spędzić kilka godzin. :)