20€ Silvia PID Mod

Hallo zusammen,
ich hab die letzten 2 Tage ein kleines Projekt verfolgt und möchte gerne meine Erfahrungen teilen sollte jemand etwas ähnliches vorhaben. Mir ist bewusst dass es bereits zig fertige Kits gibt und auch genug dokumentierte DIY Lösungen aber basteln macht Spaß und gibt mir außerdem die volle Kontrolle.

Meine letzten Berührungen mit Programmierung und Regelungstechnik sind über fünf Jahre her, daher ist alles explizit work in progress und Weiterverwendung auf eigene Gefahr!



Verwendete Bauteile:

• K-Type Thermocouple 0,82€
• MAX31855 1,56€
• SSR 40DA 2,95€
• Raspberry Pi zero W 10,35€
• 8GB micro SD Karte 4,5€

Die Verkabelung ist simpel, beide Kontakte des 100°C Thermostats werden abgezogen und mit dem Ausgang des Relais verbunden. Außerdem wird der Temperaturfühler am Boiler befestigt, das wird im Endausbau noch mit Wärmeleitpaste und direktem Kontakt verbessert.
Der MAX31855 wandelt das analoge Spannung des Thermofühlers in einen digitalen Wert, Verkabelung mit dem RPi und es kann losgehen.



Das Regeln übernimmt ivPID, ein fertiger PID Controller für Python (ivmech/ivPID). Außerdem braucht man noch den Treiber für den Thermosensor (Tuckie/max31855). Mein Code tastet die Temperatur mit einer Sample Time von 0,2s ab und erzeugt daraus eine Leistungsregelung von 0-100%. Mir ist bewusst dass die PWM relativ dreckig gelöst ist, allerdings ist die Silvia ein derart träges System dass es für mich ausreichend ist.

Sourcecode: [Python] from ivPID.PID import PID from max31855.max31855 import MAX31855, MAX31855Error - Pastebin.com

Ich führe die Regelung bis alles endgültig fertig ist über SSH aus und bekomme direkt Feedback über aktuelle Temperatur und Duty Cycle der PWM. Außerdem wird im Moment für jeden Start ein Logfile erstellt.

Damit komme ich im Moment mit den Werten kp=3.4, ki=0.35, kd=35 auf folgendes Ergebnis:



Man sieht dass das erstmalige Erreichen der Zieltemperatur relativ lange dauert, das ist für mich aber kein Problem da ich ohnehin 20min vorheize. Zwischen Minute 30 und 35 wurde über 25s ein 14g Espresso gezogen, nach 90-120s ist die Silvia wieder im Zielbereich von 100+-0,5°C.

Erkenntnisse beim Bau:

• der Temperaturfühler ist anfällig gegenüber Einstreuungen, Abhilfe schaffen 10nF Kondensatoren zwischen T+ und T- sowie T- und GND.
• Da die Stellgröße nur in positiver Richtung funktioniert (heizen, kein kühlen möglich) habe ich versucht Überschwinger zu vermeiden. Regleroptimierung nach Faustformelverfahren sind daher meiner Erfahrung nach nicht zielführend. Ich habe bei I=0, D=0 den P Wert erhöht bis es gerade zu keinem Überschwingen kommt, anschließend I erhöhen bis das Überschwingen maximal 2°C beträgt. Zuletzt D erhöhen um das Überschwingen auszugleichen ohne dass der Regler zu sprunghaft wird.
• Ich hatte große Probleme mit dem D Faktor, die Vermutung war dass es am Rauschen und Quantisierungsfehler (Ausgabe in 0,25°C Schritten) des Temperaturfühlers liegt. Abhilfe hab ich geschafft indem sowohl für die Berechnung der aktuellen Temperatur als auch für den Duty Cycle ein Mittelwert über die letzten 5 Ergebnisse gebildet wird. Das verschlechtert natürlich das Regelverhalten, funktioniert aber in der Praxis ganz gut.

To-Do:

• Autostart
• Einbau ins Gehäuse
• Logs mit Datum versehen
• Code kommentieren
• Brühtemperatur messen und Kesseltemperatur anpassen
• Weitere Relais bestellen für Steuerung der Pumpe und Timerschaltung der Mühle

Ich hoffe es kann mit den Infos jemand etwas anfangen, bei ernsthaftem Interesse kann ich gern noch genauere Doku nachliefern. Auf Schnickschnack wie Webinterface oder ähnliches hab ich bewusst verzichtet, ich will dass die Schaltung einfach funktioniert ohne im Alltag aufzufallen.