סגירת הלולאה בהלחמה על פני השטח: 4 שלבים

2024 מְחַבֵּר: John Day | [email protected]. שונה לאחרונה: 2024-01-30 09:18

הטמפרטורה נראית כמו הדבר הכי קל בעולם לשלוט בו. הפעל את הכיריים והגדר את הטמפרטורה שאתה רוצה. הפעל את התנור בבוקר והגדר את התרמוסטט. התאם את המים החמים והקרים כדי שהמקלחת תהיה בדיוק כמו שצריך. קַל! אבל מה אם אתה רוצה לשלוט בטמפרטורה מעבר ליישומים היומיומיים האלה? אם אתה רוצה טמפרטורות מחוץ לטווחים הנורמליים, או שאתה רוצה טמפרטורה יציבה בטווח צר, אתה בעיקר לבד.

במקרה שלי, רציתי לשלוט בטמפרטורה של צלחת חמה המשמשת להלחמה על פני השטח. בתחילה השתמשתי באפנון רוחב הדופק כדי לספק טמפרטורות יציבות והגדרות שנקבעו בניסוי כדי ליצור את פרופיל הטמפרטורה הנדרש. אתה יכול לקרוא הכל על זה במדריך זה. מערכת זו פועלת ובקרת הטמפרטורה באופן זה טוב ויפה, אך יש לה חסרונות.

חסרונות:

• עובד רק עבור הפלטה הספציפית שלי. אחרים דומים, אך אינם זהים ונדרשים ניסויים כדי לקבוע את ההגדרות והזמנים הדרושים להפקת הפרופיל הנדרש.
• אותו מצב אם אני רוצה פרופיל או טמפרטורה אחרים.
• תהליך ההלחמה אורך זמן רב שכן יש לגשת לאט לטמפרטורות יציבות.

באופן אידיאלי, נוכל רק לציין פרופיל זמן טמפרטורה, ללחוץ על כפתור, והבקר יגרום ללוח החמה לפעול כמתוכנת. אנו יודעים שזה אפשרי מכיוון שישנם תהליכים תעשייתיים רבים המשתמשים בדיוק בבקרה מסוג זה. השאלה היא האם ניתן לעשות זאת בקלות ובזול בבית?

כפי שאולי ניחשתם, מכיוון שאני כותב את המדריך הזה, התשובה היא כן! מדריך זה יראה לך כיצד לבנות בקר טמפרטורה בעוצמה תעשייתית משלך. אני אתמקד במיוחד בהלחמה על פני השטח, אך כל תהליך הדורש פרופיל טמפרטורת זמן מדויק יכול להשתמש במערכת זו.

הערה: כשאני משתמש בשם "ארדואינו" אני מתכוון לא רק לארדואינו המוגן בזכויות יוצרים (לא ממש), אלא גם לגרסאות הרשות הרבות הרבות המכונות "פרידוינו". במקרים מסוימים אני משתמש במונח "Ard/Free-duino", אך יש לראות במונחים להחלפה למטרות הוראה זו.

ערכת בקרת הטמפרטורה המשמשת במערכת הלחמה הר משטח קיצוני מכונה בקרת לולאה פתוחה. כלומר, ערך שהניב את הטמפרטורה הרצויה בעבר צפוי לייצר את אותה הטמפרטורה בעת שימוש חוזר. לעתים קרובות הדבר נכון ומביא לתוצאה הרצויה. אבל אם התנאים מעט שונים, נניח שהמוסך בו אנו עובדים הרבה יותר קריר או חם יותר, ייתכן שלא תקבל את התוצאה הצפויה.

אם יש לנו חיישן שיכול לקרוא את הטמפרטורה ולדווח על כך לבקר, אז יש לנו שליטה בלולאה סגורה. הבקר מסוגל להגדיר ערך התחלתי להעלאת הטמפרטורה, להסתכל על הטמפרטורה ככל שחולף הזמן ולהתאים את ההגדרה כך שהטמפרטורה תעלה או יורדת עד להגעה לטמפרטורה הרצויה.

הגישה שלנו תהיה להחליף את בקר PWM מבוסס AVRTiny2313 בבקר חזק יותר המבוסס על ATMega. התכנות ייעשה בסביבת Arduino. נשתמש במחשב (Linux-Mac-Windows) הפועל בעיבוד כדי להציג את התוצאות ולהתאים את הבקר.

עבור החיישן נשתמש בחיישן טמפרטורה אינפרא אדום מהנמל. חיישן ה- IR ישתנה כך שיוציא את הטמפרטורה כזרם נתונים סדרתי שהבקר יכול לקרוא. נשתמש ב- Ard/Free-duino כבקר, עם מחשב (Mac-Linux-Windows) לקלט לבקר. כשכולנו מסיימים, המערכת תיראה כמו התמונה. (עם זאת, ייתכן שיש לך פחות מעגלים זרים בלוח הלחם שלך. זה בסדר.)

שלב 1: שינוי חיישן ה- IR

תודה רבה לידידי החכם, סקוט דיקסון, על עבודת הבלש הקפדנית שלו בבחינת אופן פעולתו של מכשיר זה וכיצד להפוך אותו לשימושי בדרך כלל באמצעות בקר על ידי חשיפת הממשק הסדרתי שלו.

המכשיר שנתחיל ממנו הוא מספר חלק של Harbour Freight: 93984-5VGA. עולה בערך 25 $. אל תטרחו לקנות את האחריות.:)} הנה הקישור. איורים 1 ו -2 מציגים תצוגות מלפנים ומאחור. החצים באיור 2 מציינים היכן נמצאים הברגים שמחזיקים את המארז יחד. איור 3 מראה את החלק הפנימי של המארז כאשר הברגים מוסרים והארון נפתח. ניתן כנראה להסיר את מודול מצביע הלייזר ולשמש אותו לפרויקטים אחרים, אם כי עדיין לא עשיתי זאת. החצים מצביעים על הברגים להסרה אם ברצונך להוציא את הלוח להלחמה אליו (ברגים שהוסרו בתמונה זו). כמו כן מצוין האזור בו יש לבצע ניתוק עבור החיווט שלך ליציאה מהתיק. ראו גם איור 5. בצעו את החיתוך תוך הסרת הלוח, או לפחות לפני הלחמת החוטים. זה יותר קל ככה.;)} איור 4 מראה היכן יוחלמו החוטים. שים לב לאות של כל חיבור כדי שתדע איזה חוט הוא כאשר אתה סוגר את המארז. איור 5 מציג את החוטים המולחמים במקומם ומנותבים דרך החיתוך החוצה. כעת תוכל להרכיב את המארז מחדש והמכשיר אמור לפעול כפי שהוא פעל לפני הניתוח. שימו לב למחבר בחוטים. אני משתמש בחוטים ארוכים יותר כדי להתחבר למעשה לבקר שלי. אם אתה משתמש בחוט קטן, מחבר קטן ושומר על החוטים קצרים, אתה יכול להחזיר את כל זה למקרה אם תרצה והמכשיר נראה ללא שינוי. סקוט גם יצר את התוכנה כדי להתממשק למכשיר זה. הוא השתמש במסמך זה אם אתה רוצה את הפרטים. זהו זה! כעת יש לך חיישן טמפרטורת IR שעובד בין -33 ל -250 C.

שלב 2: תוכנה לבקרה

חיישן טמפרטורת ה- IR שימושי ככל שהוא, הוא רק חלק מהמערכת. כדי לשלוט בטמפרטורה, נדרשים שלושה פריטים: מקור חום, חיישן טמפרטורה ובקר שיכול לקרוא את החיישן ולפקוד על מקור החום. במקרה שלנו, הפלטה החמה היא מקור החום, חיישן טמפרטורת ה- IR (כפי שהשתנה בשלב האחרון) הוא החיישן שלנו, ותוכנה מתאימה המריצה Ard/Free-duino היא הבקר. ניתן להוריד את כל התוכנות למדריך זה כחבילת Arduino וכחבילת עיבוד.

הורד את הקובץ IR_PID_Ard.zip. פתח אותו בספריית Arduino שלך (בדרך כלל המסמכים שלי/Arduino). הורד את הקובץ PID_Plotter.zip. פתח אותו בספריית העיבוד שלך (בדרך כלל המסמכים שלי/עיבוד). הקבצים יהיו זמינים כעת בספרי הסקיצות המתאימים.

התוכנה שבה נשתמש נכתבה במקור על ידי טים הירזל. הוא משתנה על ידי הוספת הממשק לחיישן ה- IR (המסופק על ידי סקוט דיקסון). התוכנה מיישמת אלגוריתם בקרה המכונה אלגוריתם PID. PID מייצג פרופורציונאלי - אינטגרלי - נגזרת והוא האלגוריתם הסטנדרטי המשמש לבקרת טמפרטורה תעשייתית. אלגוריתם זה מתואר במאמר מצוין של טים ווסקוט שעליו ביסס טים הירזל את תוכנתו. קרא את המאמר כאן.

כדי לכוון את האלגוריתם (קרא על כך במאמר שהוזכר) ולשנות הגדרות טמפרטורת יעד, נשתמש במערכון עיבוד, שפותח גם הוא על ידי טים הירזל. הוא פותח לצליית פולי קפה (יישום אחר של בקרת טמפרטורה), והוא נקרא בקר החשוף לבנים, או BBCC. שם בצד, זה עובד נהדר עבור הלחמה הר משטח. אתה יכול להוריד את הגרסה המקורית כאן.

שינוי התוכנה

להלן, אני מניח שאתה מכיר את Arduino ועיבוד. אם אינך, עליך לעבור על ההדרכות עד שהדברים יתחילו להיות הגיוניים. הקפד לפרסם תגובות למדריך זה ואנסה לעזור.

יש לשנות את בקר ה- PID עבור ה- Arduino/Freeduino שלך. יש לחבר את קו השעון מחיישן ה- IR לסיכת הפסקה. על Arduino, זה יכול להיות 1 או 0. ב- Freeduinos מסוגים שונים, אתה יכול להשתמש בכל הפרעות הזמינות. חבר את קו הנתונים מהחיישן לפין סמוך אחר (כגון D0 או D1 או סיכה אחרת לבחירתך). קו הבקרה אל הפלטה יכולה להגיע מכל סיכה דיגיטלית. בשיבוט הפרדואינו הספציפי שלי (תאר כאן), השתמשתי ב- D1 והפרע המשויך (1) לשעון, D0 לנתונים ו- B4 לקו הבקרה אל הפלטה.

לאחר הורדת התוכנה, הפעל את סביבת ה- Arduino שלך ופתח את IR_PID מפריט התפריט קובץ/סקיצות. בכרטיסייה pwm, אתה יכול להגדיר את HEAT_RELAY_PIN כמתאים לגרסת Arduino או Freeduino שלך. בכרטיסיה זמני, בצע את אותו הדבר עבור קוד PIN_ IRCLK, קוד PIN_DATA ו- IR_INT. אתה צריך להיות מוכן לאסוף ולהוריד.

באופן דומה, התחל את סביבת העיבוד שלך ופתח את סקיצת PID_Plotter. התאם את ה- BAUDRATE לערך הנכון והקפד להגדיר את האינדקס המשמש ב- Serial.list () [1] לערך הנכון עבור המערכת שלך (היציאה שלי היא אינדקס 1).

שלב 3: חיבור הכל

מערכת בקרת AC של הלוח החם מפורטת ב- Extreme Surface Mount הלחמה הוראה שכבר הוזכרה, או שאתה יכול לקנות SSR משלך (ממסר מצב מוצק). ודא שהוא יכול להתמודד עם עומס הצלחת עם מרווח מספיק, נניח דירוג של 20 עד 40 וואט, מכיוון שהבדיקות שנעשו על ידי הסינים עשויות להשאיר משהו לרצוי. אם אתה משתמש בבקר AC של הלוח החם מ- Instructable שלי, ולאחר מכן הפעל מגשר מהנגד בכניסת הבקרה לקרקע על ה- Ard/Free-duino ומגשר מפלט הבקרה (B4, או מה שבחרת) אל Signal Control קֶלֶט. ראו את תמונת הבקר. המגשר הצהוב הוא קלט אות הבקרה והמגשר הירוק עובר לקרקע. אני אוהב להשתמש בלינקלייט (המוביל עם הנגד לקרקע) על סיכת הפלט כדי שאדע מתי הוא דולק. חבר את המגשר בין הלייד ליציאה כפי שמוצג. עיין בתרשים החיבור של Teensy ++.

כעת הכן תמיכה שתחזיק את חיישן טמפרטורת ה- IR מעל הפלטה שלך. התמונה מראה מה עשיתי. הכלל פשוט אך חסון. הרחק כל דבר דליק היטב מהצלחת החמה; החיישן הוא מפלסטיק ונראה שהוא בסדר גמור 3 סנטימטרים מעל פני הצלחת. הפעל חוטים מהמחבר בחיישן לפינים המתאימים ב- Ard/Free-duino שלך. חיבורים לחיישן ה- IR מוצגים בתרשים החיבור של Teensy ++. התאם אותם לפי הצורך עבור ה- Ard/Free-duino שלך.

הערת בטיחות חשובה: לחיישן ה- IR יש מצביע לד המסייע לכוון אותו. אם יש לך חתולים כמו שלי, הם אוהבים לרדוף אחר המצביע הוביל. אז כסו את הלייד בקלטת אטומה כדי שהחתולים שלכם לא יקפצו על הצלחת כאשר אתם משתמשים בה.

לפני שתחבר את בקר AC של הלוח החם ל- 120V, הנה כיצד לבדוק את המערכת ולהגדיר ערכי יעד ראשוניים לטמפרטורה. אני מציע טמפרטורת יעד של 20 C כך שהחימום לא יתחיל מיד. ערכים אלה יישמרו ב- EEPROM וישתמשו בהם בפעם הבאה, לכן הקפד תמיד לאחסן ערך נמוך כטמפרטורת היעד כשתסיים עם הפעלת הלחמה. אני מוצא שזה רעיון טוב להפעיל את בקר הטמפרטורה כשהפלטה החמה מנותקת בהתחלה. וודא שהכל עובד לפני שאתה מחבר אותו לחשמל.

חבר את היציאה הטורית שלך ל- Arduino והפעל אותה. ריכז את המערכון של Arduino והורד אותו. התחל את סקיצת העיבוד כדי ליצור אינטראקציה עם הבקר ולהציג תוצאות. מדי פעם, מערכון Arduino לא יסונכרן עם מערכון העיבוד. כאשר זה קורה, תראה את ההודעה "אין עדכון" בחלון המסוף של מערכון העיבוד. כל שעליך לעשות הוא לעצור ולהפעיל מחדש את סקיצת העיבוד והדברים צריכים להיות תקינים. אם לא, עיין בסעיף פתרון בעיות להלן.

להלן הפקודות לבקר. "דלתא" הוא הסכום שפרמטר ישנה כאשר יפקוד עליו. תחילה הגדר את ערך הדלתא שבו ברצונך להשתמש. לאחר מכן התאם את הפרמטר הרצוי באמצעות דלתא זו. לדוגמה, השתמשו ב- + ו- - כדי ליצור דלתא 10. לאחר מכן השתמשו ב- T (הון "T") כדי להגדיל את הגדרת טמפרטורת היעד ב -10 מעלות צלזיוס, או t (באותיות קטנות "t") כדי להוריד את טמפרטורת היעד ב -10 מעלות. פקודות:

+/-: כוונן את הדלתא בפקטור של עשר P/p: למעלה/למטה להתאים את הרווח p על ידי delta I/i: למעלה/למטה להתאים את הרווח באמצעות delta D/d: למעלה/למטה להתאים את הרווח על ידי delta T/t: למעלה/למטה להתאים את הטמפ 'על ידי דלתא h: החלפת מסך העזרה לסירוגין R: אפס ערכים - בצע זאת בפעם הראשונה שאתה מפעיל את הבקר

ברגע שאתה מקבל עדכוני טמפרטורה, החלון הגרפי של הסקיצה אמור להיראות כמו התמונה. אם יש לך שטח אפור גדול המוטל על המסך עם כמה פקודות שתוארו, פשוט הקלד "h" כדי לנקות אותו. כאשר אתה מתחיל בפעם הראשונה, ייתכן שתתבקש לאפס את הערכים הראשוניים. קדימה, עשה זאת. הערכים בפינה הימנית העליונה הם הקריאות וההגדרות הנוכחיות. "מטרה" היא טמפרטורת היעד הנוכחית והיא משתנה על ידי הפקודה "t" כמתואר לעיל. "Curr" הוא קריאת הטמפרטורה הנוכחית מהחיישן. "P", "I" ו- "D" הם הפרמטרים לאלגוריתם בקרת ה- PID. השתמש בפקודות "p", "i" ו- "d" כדי לשנות אותן. עוד רגע אדון בהם. "Pow" היא פקודת ההפעלה מבקר ה- PID אל הצלחת החמה. זה ערך בין 0 (תמיד כבוי) ל -1000 (תמיד מופעל).

אם אתה שם את היד שלך מתחת לחיישן, אתה אמור לראות את הטמפרטורה (Curr) קריאה עולה. אם תגדיל כעת את טמפרטורת היעד, תראה את עליית ערך ההספק (Pow) והפלט יבהב. הגדל את טמפרטורת היעד והפלט הוביל יישאר לאורך זמן. כאשר הפלטה מחוברת ופועלת, הגדלת טמפרטורת היעד תגרום להפעלת הלוח החם. ככל שהטמפרטורה הנוכחית מתקרבת לטמפרטורת היעד, הזמן בזמן יפחת כך שתתקרב לטמפרטורת היעד תוך ירי מינימלי. לאחר מכן, הזמן יהיה מספיק כדי לשמור על טמפרטורת היעד.

כך ניתן להגדיר את הפרמטרים לאלגוריתם PID. אתה יכול להתחיל עם הערכים שאני משתמש בהם. P של 40, I של 0.1 ו- D של 100. המערכת שלי תעשה צעד 50C תוך כ -30 שניות עם צילום יתר של פחות מ -5 מעלות. אם המערכת שלך מתפקדת באופן שונה באופן משמעותי, תרצה לכוון אותה. כוונון בקר PID יכול להיות מסובך, אך המאמר שהוזכר לעיל מסביר כיצד לעשות זאת ביעילות רבה.

עכשיו הגיע הזמן לדבר האמיתי. חבר את הפלטה לבקר AC של הלוח הפלטה כמתואר בהלחמה על משטח קיצוני. הקפד לקרוא גם את כל האזהרות שם. מקם את חיישן הטמפרטורה כך שהוא יהיה בערך 3 סנטימטרים מעל הפלטה שלך ומצביע ישירות עליו. הפעל את ה- Ard/Free-duino שלך. ודא שכל החיבורים נכונים ושהתוכנה שלך (בקר ה- PID ותוכנית הניטור) פועלת כראוי. התחל עם טמפרטורת היעד שנקבעה ל- 20 C. לאחר מכן הגדל את טמפרטורת היעד ל 40 C. הצלחת החמה צריכה להדליק והטמפרטורה צריכה לעלות בצורה חלקה ל- 40C +/- 2 C. כעת תוכל לנסות להגדיל את הטמפרטורה תוך כדי התבוננות בביצועים. של המערכת שלך. תבחין שלוקח הרבה יותר זמן לצלחת להתקרר מאשר לחמם אותה.

פתרון תקלות

אם סקיצת העיבוד לא פועלת או לא מעדכנת את הטמפרטורה, עצור את סקיצת העיבוד והפעל מסוף סידורי (Hyperterminal ב- Windows, למשל). הקש על מקש הרווח והקש חזרה. הארדואינו אמור להגיב עם קריאת הטמפרטורה הנוכחית. התאם את הגדרות קצב השידור וכו 'עד שתקבל את התשובה הרצויה. ברגע שזה עובד, סקיצת העיבוד אמורה לפעול. אם עדיין יש לך בעיות, ודא שהקצות הסיכה שלך תואמות את החיווט הפיזי שלך וחיברת חשמל וקרקע לפינים המתאימים של חיישן הטמפרטורה.

שלב 4: הלחמה על פני השטח

השימוש במערכת בקרת הטמפרטורה המתוארת במדריך זה משפר את הלחמת הר המשטח הקיצוני בשתי דרכים. ראשית, בקרת הטמפרטורה מדויקת ומהירה יותר באופן משמעותי. אז במקום שתהיה רמפה איטית מ- 120C עד 180C במשך 6 דקות בערך, נוכל לעבור במהירות ל -180C, להחזיק 2 עד 3 דקות וללכת במהירות ל -220C עד 240C במשך כדקה. אנחנו עדיין צריכים לצפות לנקודה שבה הלחמה זורמת ולכבות את החשמל, או פשוט להוריד במהירות את טמפרטורת היעד. מכיוון שהטמפרטורה יורדת לאט מאוד, אני בדרך כלל מחליק את המעגלים שלי מהצלחת החמה ברגע שהטמפרטורה התקררה מתחת ל -210 מעלות צלזיוס. שים אותם על פיסת לוח פרפר או עץ, לא מתכת. המתכת עלולה לגרום להם להתקרר מהר מדי. שים לב גם כי ייתכן שיהיה עליך להעלות את טמפרטורת היעד מעל 250C (המקסימום שהחיישן יקרא) על מנת לחמם את הצלחת באזורים מסוימים. הצלחת לא תגיע לטמפרטורה אחת על פני כל השטח אלא תהיה קרירה יותר באזורים מסוימים מאחרים. תלמד זאת על ידי התנסות.

תחום השיפור השני הוא צמצום הזמן בין מחזורי הלחמה. עם מערכת הלולאה הפתוחה, נאלצתי לחכות שהצלחת החמה תתקרר לטמפרטורת החדר (בערך 20C) כדי להתחיל מחזור הלחמה חדש. אם לא הייתי עושה זאת, אז מחזור הטמפרטורה לא יהיה נכון (שינוי התנאים ההתחלתיים). עכשיו אני רק צריך לחכות לטמפרטורה יציבה בסביבות 100C ואני יכול להתחיל מחזור חדש.

מחזור הטמפרטורה בו אני משתמש כעת משתמע למעלה, אך הנה הוא בדיוק. מתחילים ב 100C. הניחו את הלוחות שלכם על הצלחת למשך שתיים עד שלוש דקות להתחממות - ארוכות יותר עם רכיבים גדולים. הגדר את טמפרטורת היעד ל- 180C. טמפרטורה זו מגיעה תוך פחות מדקה אחת. החזק כאן למשך 2 וחצי דקות. הגדר את היעד שלך ל- 250C. ברגע שכל הלחמה זורמת, הורד את טמפרטורת היעד לכ- 100C. הטמפרטורה של הצלחת שלך תישאר גבוהה. ברגע שהוא יורד ל -210 מעלות צלזיוס, או שעובר זמן של דקה אחת, החלק את הלוחות שלך מהצלחת החמה אל פלטפורמת קירור של פרפבורד או עץ. ההלחמה נעשית.

אם ברצונך להשתמש בפרופיל טמפרטורה אחר, לא תהיה לך בעיה להשיג אותו באמצעות מערכת בקרה זו.

מומלץ להתנסות במיקום חיישן הטמפרטורה מעל הפלטה שלך. גיליתי שלא כל אזורי הפלטה מגיעים לאותה טמפרטורה בו זמנית. אז תלוי היכן אתה ממקם את החיישן שלך, הזמן והטמפרטורה בפועל הנדרשים בכדי לגרום לזרימת הלחמה יכולים להשתנות. לאחר שתגבש מתכון, השתמש באותו מיקום של החיישן לתוצאות החוזרות על עצמן.

הלחמה שמח!