Arduino oven controller Versie 1.0

Hi,

Marius
Ik ga daar later naar kijken en het daarna even testen.

necessaryevil
Beetje extra uitleg voor jou en anderen die niet alles gelezen hebben
Ik ben bezig met een dual oven systeem, dus de oven aan de buitenkant op ongeveer 40C en de oven die daar in zit op 42C.
De binnen oven blijft als je de electronica die hem stuurt goed ontwerpt binnen 1 a 2 duizendste graad stabiel over normale omgevings temperatuur variaties.
Denk dan aan 15 tot 30C omgevings temperatuur waar we hier in Nederland mee te maken krijgen.

Ik ga da nog een stap verder, omdat de componenten die ik gebruik ook voor vocht en druk gevoelig zijn.
Bijna alle electronica onderdelen zijn hier gevoelig voor, maar voor de meeste apparatuur die je er mee maakt, is dit niet van belang.
In de ovens komen spannings referenties.
De ovens worden ook nog luchtdicht en meet ik in de ovens de lucht vochtigheidsgraat en de luchtdruk.

Dat ik voor beide de gegeven ga geven is voor mij om een indruk te krijgen wat de verschillende thermische massa doet,
met de gegevens die uit jouw Excel sheet gaan komen.

Oke, even voor het plaatje: Wil je beide ovens een aparte regeling gaan geven?

Hi necessaryevil,

Dat klopt, maar de binnenoven krijgt zijn eigen lineaire regeling.
Maar ik wil wel graag weten als ik zo'n klein buisje van de binnen oven alleen gebruik wat dan het gedrag is.

De buiten oven test ik met de binnen oven gemonteerd i.v.m. de thermische massa, zodat ik een zo goed mogelijk plaatje krijg.
Die binnen oven wordtvoor deze test dan niet aangestuurd.

Dus twee testen
1e test
Buitenoven met binnen oven gemonteerd, binnen oven niet aangestuurd.

2e test
Alleen de binnen oven, om daar een goed beeld van te krijgen.

Groet,
Blackdog

Wat is het doel van de buiten en binnen oven, wil je zo bewerkstelligen dat je een verwarmde isolerende luchtlaag tussen de binnen en buitenoven krijgt?

Hi Lambiek,

Het doel is, dat de temperatuur veranderingen in het LAB niet kunnen doordringen tot de electronica die zich in de binnen oven bevind.

Het is al oude techniek veel toegepast in OCXO xtal osilatoren.
Ik plaats spannings referenties in de binnen oven.

Afhankelijk van je loopcontrol en isolatie haal, je tussen de 50 en 200x demping van de variatie van de LAB temperatuur.

Groet,
Blackdog

Hi,

Pfff, na een lange dag werk voor de afwisseling de REX-C100 even onder handen genomen.

Hier kunnen jullie zien dat ik twee Alu Oxide plaatjes op de voedingsprint heb gelijmd, en daar weer op 2x de 5V Stabilisator het is geen 7805 maar een type met hogere precisie en gemeten drop out bij 100mA van 1,8V.
De Alu Oxide plaatjes verspreiden de warmte over de voedingsprint.

Hier is de bedrading te zien en op het gele papiertje de twee gedemonteerde 5V regelaars.

Links achteraan is een Rubicon condensator zichtbaar, deze heb ik geplaatst, dit is een zeer goede, speciaal voor geschakelde voedingen gemaakt met een lage ESR.
Had ik gekocht voor een ander projectje, maar had er nog een paar over.
De input spanning van de regelaar waar deze voor is, is aan de lage kant ongeveer 7,8V.
En zoals ik al eerder heb latenzien, hoe lager de dropout spanning hoe slechter de onderdrukking voor stoorsignalen.

Toen werkte het natuurlijk niet meer...
De voeding was verder OK, alles uitgebreid doorgemeten voor de spanning er weer op ging.
Oorzaak was een breuk in de nogal gammele bandkabel die niet te zien was, zie cirkel, maar de breuk zat aan de bovenant van de print.
Soms was er gewoon verbinding toen ik hem uit zijn kastje had, raakte het draadje net weer even de print.
Uiteindelijk bij het onder spanning meten van het ding kwam de breuk te voorschijn.
Met het oog niet te zien, maar door de bandkabel iets opzij te drukken gaf een van de punten mee, BINGO!
De breuk zat in de sturing van de basis van de transistor die het Solidstate relais aanstuurd.
Dus mijn Powefet kreeg geen sturing door deze breuk, nu werkt het weer, draadje van de bandkabel geknipt/gescheurd en een nieuwe aangebgracht.

Close-Up van de brdrading die naar de 5V stabilisators loopt, ik heb de print ontdaan van scherpe uitstekende puntjes, dit om de bedrading heel te houden.

De oven wordt nu weer opgestookt door de REX-C100 en we zullen zien of er verandering optreed,
ik laat hem vannacht aanstaan, dan zie ik morgen hoe het nu gaat.

Gegroet,
Bram

Ah, je hebt de controller een upgrade gegeven. Mooi werk. Leuk apparaat, ik zie in de manual trouwens ook dat je anti-wind up kan instellen, goed dat ze dat ook niet vergeten zijn om te implementeren. Anti-wind up zorgt ervoor dat je controller niet gaat overshooten na het inschakelen. Dit kan gebeuren omdat als je koud start je fout langdurig groot is totdat de oven warm is, je I-term loopt dan op. Met anti wind up zet je een maximum op je I-term.

Voor je binnenoven zal de functie waarschijnlijk minder hard nodig zijn.

Hi,

Ik heb wat testen gedaan met de PID instellingen, en kreeg de oven net iets mooier regelen.

Wat wel opviel was, dat de waarden in de PID veel hoger zijn dan die van de Autofunctie.
Window = 1Sec
P=6
I=15
D=3

Op het ogenblik ben ik aan het testen met:
Window = 1Sec
P=40
I=24
D=10

Dit allemaal met de REX C100.

Wat mij opviel bij mijn zoektocht naar het tunen van een PID controler is de zeer slechte uitleg bij de youtube.
Deze jongen laat het aan de hand van zijn quadcopter vrij goed zien.
https://www.youtube.com/watch?v=LtocGBngSrA

Deze man weet hij hij het over heeft
Bij de meeste is het bagger, beginnen direct met wiskunde i.p.v. te laten zien hoe het gedrag kan aanpassen aan de hand van voorbeelden...
Wescott doet het weer op een andere manier.
https://www.youtube.com/watch?v=drYO60z6_h4

Misschien weten jullie nog andere goede video's?

Ok, terug naarde REX C100, dit zijn de waarde die ik nu gebruik (17-10-2016)
Window = 3Sec
P=75
I=0
D=1

Ik heb de laatste twee dagen dus flink zitten spelen met allerlij instellingen zoals de het "window" zeg maar de frequentie van het PWM signaal.
Waar het voor mij situatie op neer komt, is adat P flink hoog kan staan en dat zowel I als ook D heel laag moeten staan.
De I en de D zijn per seconde in te stellen, dus van "0" naar 1 tm 3600 seconde.
Dat geeft volgens mij al aan, dat deze PID controler niet echt geschikt is voor het precies aansturen van mijn oven.
Wat trouwens gewoon een testopstelling is om ervaring op te doen met een PID controler, ik ga de REX C100 hier niet gebruiken.

Mijn voorlopige conclusie is, dat voor een goede instelmogelijkheid voor mijn toepassingen, I en D in 0,1 Sec stapjes instelbaar zouden moeten zijn.

Wat vreemd is, is dit dat soms minuten lang de temperatuur binne een paar duizenste graad blijft en daarna eeen redelijk grote sprong maakt van bijna 0,1C.

Dit is wat ik voor de korte termijn bereikt heb met de REX C100.
De sinus op de lijn is het gevolg van de "window" tijd.
De amplitude kan ik kleiner krijgen asl ik b.v. 1-Seconde als window tijd neem.
De plotselinge sprongen in de temperatuur nemen hierdoor wel toe.

Voor de algemene info, de hier weergegeven temperatuur variaties zijn die van de ovenbuis, die 3Hz variatie van de window tijd kan je niet terug vinden in de electronica die je aan het verwarmen bent.
De sensor zit ook nog eens vlak onder het weerstandsdraad dat op de buis gewikkeld is.
Deze regeling met de REX C100 zou ruim voldoende zijn als buitenoven regeling maar ik ga het proberen met een arduino uit te voeren.

necessaryevil
Mijn versie die nu op de bank licht, heeft iets minder instelmogelijkheden dan in e documentatie staat.
Maar het insteleln van de ARW is wel mogelijk Anti-Reset-Windup en dat loopt tussen de 1 en 100%, default staat dit op 100%.

Gegroet,
Blackodg

@blackdog, jouw REX-C100 is anders dan die van mij. Ik heb een versie met 2 blauwe relais op de print.

Hi,

Roland,
Ik was er ook la achter gekomen dat er meerdere versies zijn van dit model.
Er moet nog een andere binnenkomen, hopelijk deze week.
Die zal ik dan ook open trekken, en als het goed is, zijn daar ook de alarm uitgangen bij aanwezig.

Terug naar de Arduino controler.
Ik had al wat laten zien, maar dit is nu het display met de informatie die voor mij tijdens het testen nuttig is.
Op de bovenste regel staan de waarde waarde PID software mee moet gaan werken.
De laatste waarde op die regel is de "window" waarde hier 2000mSec.
De waarde hier aangegeven zecht weinig, moest even wat in staan
Tweede regel, "Oven = 1" geeft aan dat de ovenuitgang van de Arduino hoog is.
PH op de zelfde regel geeft aan de de "PreHeath" aan staat en dus dat deze uitgang ook hoog is.
Regel drie geeft links de bitwaarde aan die als referentie temperatuur dient, "ST=" dat hieronder staat is dan de berekende temperatuur van deze waarde.
418 op regel drie geeft de bitwaarde na 200 samples en de waarde "T= 22,02" is de werkelijke temperatuur van de TMP37 sensor.

Door de temperaturen op 26 en 28 graden in te stellen heb ik kunnen testen of de LED's op het breadboard omschakelde
en of deze ook verschenen op het display, "0" is uit en een "1" is aan, simpel als poepen.
Alleen het uitlezen van de status van een digitale uitgan was niet makkelijk, ik heb me echt rot gezocht met Google.
Natuurlijk kom je ook hiervoor ongelovelijk veel geneuzel tegen van de prutsers zoals ik
Het is gelukt met dit commando voor de uitgangen 5 en 6, hier voor uitgang 5: lcd.print(bitRead(PORTD,5));
Zo blijf je worstelen/leren en als het meezit kan ik morgenmiddag een test doen met deze setup.
De code en het breadboard is voor nu alleen voor de buitenoven en de test of een PID met de TMP37 goed werkt.
Ik kan altijd nog omschakelen naar een lineaire regeling met een DAC.

Dat was hem voor vandaag met als laatste de code die nog niet netjes van alle omschrijving is voorzien en ook nog niet optimaal gegroepeerd is.
Het is werkcode waar nog aan gewerkt moet worden en wat er nu bij staat is voor mij voldoende om niet de weg kwijt te raken.

/********************************************************
 * PID RelayOutput Example
 * Same as basic example, except that this time, the output
 * is going to a digital pin which (we presume) is controlling
 * a relay.  the pid is designed to Output an analog value,
 * but the relay can only be On/Off.
 *
 *   to connect them together we use "time proportioning
 * control"  it's essentially a really slow version of PWM.
 * first we decide on a window size (5000mS say.) we then
 * set the pid to adjust its output between 0 and that window
 * size.  lastly, we add some logic that translates the PID
 * output into "Relay On Time" with the remainder of the
 * window being "Relay Off Time"
 ********************************************************/

#include <PID_v1.h>
#include <Wire.h>
#include <LCD.h>
#include <LiquidCrystal_I2C.h>
LiquidCrystal_I2C  lcd(0x3F,2,1,0,4,5,6,7);         // 0x27 (0x3F) is het I2C bus addres for een ongemodificeerde PCF8574 12c naar parallel interface print 

const float uref = 1.0787;                          // De gemeten interne Referentie spanning van de microcontroler, nodig voor de berekening van de temperatuur

// Variabelen voor de buiten oven
float tempU;                                        // Variabelen waar uiteindelijk na berekening de temperatuur in geplaatst word voor de binnen oven
float adcTempU= 0;                                  // Gemiddelde waarde van het aantal genomen monsters voor de binnen oven
word x = 0;                                         // Tijdelijke variabel nodig bij het tellen van het aantal monsters voor de binnen oven
float tempS = 0;                                    // Variabele voor het plaatsen van de verwachte temperatuur op het display

unsigned long tempReadingU;                         // Tijdelijke buffer voor het sommeren van de monsters voor de binnen oven
const byte tempPinU = 1;                            // Set de gebruikte analoge ingang voor de TMP37 sensor in de binnenoven
const word smplU = 200;                             // Set het aantal te nemen monsters voor de binnenoven
const float setOvenU = 40.00;                       // Set de binnenoven temperatuur
const float preHeathU = 38.00;                      // Set de PreHeath temperatuur voor de binnenoven
const int correctU = 0;                             // Correctie waarde om de temperatuur meting te kalibreren voor de binnenoven


// Variabelen voor P.I.D Library
#define PIN_INPUT 0
#define RELAY_PIN 6

const byte p = 2;
const byte i = 5;
const byte d = 1;
int WindowSize = 2000;
double Setpoint, Input, Output;


//Specify the links and initial tuning parameters
double Kp=p, Ki=i, Kd=d;
PID myPID(&Input, &Output, &Setpoint, Kp, Ki, Kd, DIRECT);

unsigned long windowStartTime;

void setup() {
  
  analogReference(INTERNAL);                        // Geeft opdracht aan de compiler om de interne referentie spanning van de gebruikte Arduino Nano te gebruiken (gemeten spanning 1.0xxxx)
  Wire.begin();                                     // Start de i2c bus voor weergave van de wwarden op het display
  Serial.begin(9600);                               // Start de serieele monitor voor debugging

// Steld het gebruikte display in
  lcd.begin (20,4);                                 // Steld het type LCD in: 16 x 2, met de achtergrond verlichting "aan"
  lcd.setBacklightPin(3,POSITIVE);                
  lcd.setBacklight(HIGH);                           // Zet de achtergrondverlichting van het display aan

// Variabelen/Settings voor de buitenoven uitgangen
  pinMode(5, OUTPUT);                              // Maakt van pin-5 een uitgang, doel is de PreHaeth sturing van de buitenoven
  digitalWrite(5, LOW);                            // Startwaarde uitgang 5, "aan" als de ingestelde preheath temperatuur nog niet is bereikt


//plaats vaste waarden op het display
     lcd.setCursor (0,0);                           
     lcd.print("P"); 
     lcd.setCursor (5,0);                           
     lcd.print("I"); 
     lcd.setCursor (10,0);                           
     lcd.print("D"); 
     lcd.setCursor (15,0);                           
     lcd.print("W");

  
  windowStartTime = millis();

  //tell the PID to range between 0 and the full window size
  myPID.SetOutputLimits(0, WindowSize);

  //turn the PID on
  myPID.SetMode(AUTOMATIC);
}

void loop() {

//berekening binnen oven temperatuur
  adcTempU = 0;                                          // Maakt de adcTemp variabel weer leeg, voor een nieuwe meting
  tempReadingU = 0;                                      // Maakt de tempReading variabel weer leeg, voor een nieuwe meting
  
  for(int x = 0; x < smplU; x++)                         // Hier wordt de analoge ingang voor de binnen oven "x" maal gemeten, x = de variabele "smplI"

  {
  tempReadingU +=analogRead(tempPinU);
  }
  
  adcTempU = tempReadingU / smplU;                       // Deelt de som van de metingen door het aantal monsters "smplI"
  tempU = (adcTempU + correctU) * (uref/1024.0) /0.02;   // Verrekend de verwerkte monsters met de TMP37 kalibratie waarde, referentie spanning, de ADC resolutie en het aantal V/C van de TMP37 en plaatst deze in de variabel "tempI"                              
  
  tempS = (Setpoint + correctU) * (uref/1024.0) /0.02;   // Plaatst voor het testen de te bereiken temperatuur op het display, deze waarde is afhankelijk van "setOvenU" en "correctU"
  
  
  Input = (adcTempU + correctU);
 
  Setpoint = 760;  
  
  myPID.Compute();

  /************************************************
   * turn the output pin on/off based on pid output
   ************************************************/
  if (millis() - windowStartTime > WindowSize)
  { //time to shift the Relay Window
    windowStartTime += WindowSize;
  }
  if (Output < millis() - windowStartTime) digitalWrite(RELAY_PIN, LOW);
  else digitalWrite(RELAY_PIN, HIGH);


  if (tempU > preHeathU) {                                // Deze vergelijking kijkt of de "preheath" temperatuur al is bereikt, als dit zo is, dan wordt uitgang "5" laag en worden de verwarmings elementen omgeschakeld van parallel naar serie
     digitalWrite(5, LOW);
     lcd.setCursor (16,1);                           
     lcd.print(bitRead(PORTD,5));
   } else {
     digitalWrite(5, HIGH);
     lcd.setCursor (16,1);                           
     lcd.print(bitRead(PORTD,5));
   }




  lcd.setCursor (0,3);                                 // 
  lcd.print("ST=");
  lcd.setCursor (10,3);                                 // 
  lcd.print("T=");
  lcd.setCursor (13,3);                                 // 
  lcd.print(tempU);
  lcd.print((char)223);                                // 
  lcd.print("C");

  lcd.setCursor (0,1);                                 // 
  lcd.print("Oven = ");
  lcd.print(bitRead(PORTD,6));

  lcd.setCursor (10,1);                                 // 
  lcd.print("PH = ");
  lcd.setCursor (16,1);                                 //
  lcd.print(bitRead(PORTD,5));                          //
  
  lcd.setCursor (1,0);                                 // 
  lcd.print(p);

  lcd.setCursor (6,0);                                 // 
  lcd.print(i);

  lcd.setCursor (11,0);                                 //
  lcd.print(d);

  lcd.setCursor (16,0);                                 // 
  lcd.print(WindowSize);

  lcd.setCursor (4,3);
  lcd.print(tempS);

  lcd.setCursor (0,2);
  lcd.print(Setpoint + correctU);
  
  lcd.setCursor (10,2);
  lcd.print(adcTempU + correctU);

  Serial.println(bitRead(PORTD,5));
  Serial.println(Input);
}

Gegroet,
Blackdog

Ik ben inmiddels wel niewsgierig naar je metingen nu je zelf ook met tuningswaarden komt! Kijken of ik betere waarden kan 'verzinnen'.

//edit
Plotselinge sprongen, dat lijkt me op een meetprobleem. Hysterese in de sensor of de een of andere elektrische beïnvloeding.

[Bericht gewijzigd door necessaryevil op maandag 17 oktober 2016 22:03:57 (34%)]

Hi necessaryevil,

Ik heb net de KeySight BenchVue software ge-updated en de eerste meting loopt.
Als het goed is krijg je daar een mooie excel file van.
Ik doe het in een paar stapjes, ik ben begonnen met 25 Seconde meting van de rust toestand hier in het LAB.
Hierna is de voeding ingeschakeld en gaat er nu 1,005-Watt in het verwarmings element.
Na 17 minuten begint nu ligt de kromme zichtbaar te worden die hem naar de eindtemperatuur brengt voor dit vermogen.
Ik zal proberen de omgevingstemperatuur niet te veel te laten veranderen.

Wat beteft de REX C100 metingen, ik denk dat het waarschijnlijk noise burst zijn in de meetversterker die in de REX C100 zit.
Dit is een LF353 als ik het goed heb Fet op amp en nu niet direct een ruisarm type.
Ik gebruik een PT100 als sensor en deze geeft rond de 40C een delta R van ongeveer 0,5-Ohm/C.
Ik heb het nog niet gemeten, maar dat is bij 1mA stroom door de PT100 geeft dit 500uV/C
Als de ruis/variatie dan beneden de 0,1C zit kan die opamp best de rede daar van zijn.
Vooral de Popcorn Noise lijkt mij een goede candidaat.
Ik kan er natuurlijk een mooi opampje in solderen

Als de metingen klaar zijn plaatst ik hier de excel file.

Groet,
Bram

Dat is een mooie grafiek, Blackdog! De grafiek ziet er ook heel erg eerste orde uit, dat wil zeggen dat er weinig 'warmtecapaciteit' tussen je sensor en je proces zit. Mooi!

Hi necesaryevil,

Dat wil zeggen dat er weinig 'warmtecapaciteit' tussen je sensor en je proces zit.

Daar streef ik meestal naar om een zo goed mogelijke regeling te kunnen maken.
Daarom boor ik mijn sensoren meestal in het metaal van de oven als dit toepasbaar is.
Bij mijn oventjes op een ceramische weerstand zit de sensor meestal midden op het weerstadn element
vlak naast de transistor die de weerstadn aanstuurd.
Dit zorgt er dan ook voor dat ik zeer weinig "lag" heb.
Een aantal van de oventjes kon ik zonder condensator in de loop stabiel krijgen.
Mooier kan eigenlijk niet, maar dat gaat je nooit lukken met de dikke ovenpijp die ik voor deze oven gebruik.
Het zou mooi zijn als ik deze pijp in het koper zou kunnen kopen, maar 9CM in het rond met 5mm wanddikte, ik denk het niet

Gegroet,
Blackdog

Hi,

Het duurt toch een stuk langer dan ik vermoede, dat zal wel komen onmdat de binnen oven ook nog gemonteerd zit en deze ook op temperatuur gebracht moet worden.
Ik denk niet dat hij boven de 27C gaat uitkomen en dit betekend dat als mijn berekeningen kloppen,
dat bij normale LAB temperaturen(20 a 22C) er niet meer dan 3-Watt in de buiten oven gaat om hem op 40C te houden.

Ik laat hem nog een uurtje staan, en dan exporteer ik het .csv bestand.

Groet,
Blackdog

Het komt ook dat je heel precies aan het meten bent. Het is een asymptoot, in dit geval wil dat zeggen dat je theoretisch gezien nooit helemaal horizontaal komt. Door je precisie duurt het lang voordat je praktisch een horizontale lijn krijgt.

Hoeveel vermogen heb je de oven gevoerd voor en na de wijziging?

Hi,

Daar is hij dan, een dikke .csv file bij 1-Watt geinjecteerd vermogen.

www.bramcam.nl/Arduino/Testoven/Necessaryevil-2016-10-18.csv

De meting loopt nog steeds en je can in de csv file zien dat de LAB temperatuur iets omhoog is gegaan, ik heb verder geen energie verhoging toegepast.

Groet,
Blackdog

dus je gaat van 0 naar 1 watt?

Hi,

Yes! erg he...
De eerste 25 seconde is de oven al langere tijd in rust en dan gaat de 1-Watt aan energie er in met als uitkomst de csv file.

Groet,
Bram

Oke, dankje dat is duidelijk. Dat is belangrijk voor de resultaten

Bram, probleem. Als ik excel de boel laat splitsen bij de komma dan krijg ik dit:
"2016-10-18 11:09:25.55020" 5127166
"2016-10-18 11:09:25.97420" 5127539
"2016-10-18 11:09:26.40620" 5127507
"2016-10-18 11:09:26.89020" 5126729
"2016-10-18 11:09:27.31620" 5128042
"2016-10-18 11:09:27.73620" 5128334
enz.

Dat lijkt me nogal warm.

Hi,

En hij is nu in rust, 4,5 uur!
De kleine lift rond de 3,5 uur is de 0,6C hogere temperatuur hier in het LAB.

Groet,
Bram

Hi necessaryevil,

Wil je het bestand nogmaals downloaden, ik heb de datum er uit gehaald.
Kijk eens of je er dan wel goed mee kan werken.

Groet,
Bram

Ja zo lukt het wel. Het probleem is 1) Dat de scheiding niet precies door komma's ging of excel doet gek. 2). ik verwachte 2 temperaturen en niet zoveel getallen achter de komma bij de tijd.

Daar streef ik meestal naar om een zo goed mogelijke regeling te kunnen maken.

Dat wist ik, maar leuk dat je dat ook in de meting kan zien. Theorie klopt met de praktijk. Dat moet natuurlijk ook, anders dan klopt de theorie niet

Hi,

voor de liefhebbers, een plaatje gemaakt met excel, dit na wat filtering en weghalen van niet relavante gegevens.
Het plaatje is klikbaar.

En dit is de eerst twee minuten na dat de verwarming aan ging...

Groet,
Bram