Приветствую, харбажители!

Представляю вашему вниманию интересный лонгрид про свою разработку

Предыстория

В моей семье в целом стараемся вести здоровый образ жизни, как минимум в питании.

И вот возникла идея купить маслопресс для изготовления сыродавленного масла из разных культур — подсолнечник, лён, кунжут, тыква, чёрный тмин, конопля, расторопша, кокосовая стружка. 

Такие масла очень полезны, например, в льняном масле содержится 55% Омега-3, а по маслам штирийской тыквы и чёрного тмина есть множество публикаций и исследований, в том числе на PubMed. 

Качественное сыродавленное масло без нагрева и контакта с металлом можно получить только на гидравлическом прессе — массивная станина с гидроцилиндром и маслостанцией, нагнетающей давление в систему.

Недостаток – долгий процесс отжима. От 40 мин на 0,5 л подсолнечника и до 3 часов на 0,25 л масла чёрного тмина.

Есть ещё масло амаранта, эффективного при лечении и профилактике онкологии, так вот его давят 12+ часов на 100-тонном пресса, и выход масла всего 4-5%, то есть с одной закладки 2 кг семян за 12 часов накапает 100 мл максимум. 

По причине трудоёмкости процесса сыродавленные масла существенно дороже “магазинных”, полученных методом экстракции или на шнеке. И хранить готовые масла нужно в холодильнике (кроме кунжутного).

Нарисовал наклейки и решил масло понемногу продавать. Ну как продавать, просто рассказывал друзьям-знакомым

Так как у меня есть основная работа, масло отжимал в обеденных перерывах и вечерами-ночами. 

Процесс требует определённых временных и силовых затрат:

1. Засыпать семена в тканевые мешочек, поместить в бочонок (помещается до 2 кг сырья)

2. Установить бочонок под гидроцилиндр (около 15 кг с семенами)

3. Положить сверху семян проставку из капролона, сверху проставку из металла, выровнять относительно штока гироцилиндра

4. Педалью, подключённой к  маслостанции, опустить шток, наблюдая за давлением

5. После окончания отжима нужно выпрессовать жмых: сбросить давление, дождаться подъёма штока, вытащить бочонок, поставить деревянную колодку, убрать бочонок с донца, поставить его на колодку, опустить шток до тех пор, пока шайба со жмыхом не выйдет из бочонка

Тут важный момент – за давлением нужно следить во время всего цикла отжима. Нельзя вот просто так включить и уйти – давление нужно повышать постепенно от 0 до примерно 600 бар. Причём по мере прессования сырья давление в системе падает, и нужно постоянно подкачивать.

Например, со старта накачивается давление 60 бар, жду пока упадёт до 30-40 бар, снова подкачать до 60.

Через несколько минут можно дать давление 100 бар, и удерживать его в диапазоне 80-100 бар в течение нескольких минут. И так далее до 600 бар, там уже давление не так быстро падает. 

На отжим тыквенного масла уходит до 2,5 часов, и всё это время нужно сидеть в обнимку с маслопрессом и поддерживать давление.

А если отжимать нужно несколько раз в день? А если несколько прессов?

Процесс стал забирать довольно много времени, я задумался..

Поиск решения

Тут я вспомнил, что я “айтишник” с опытом электронщика в школьные и студенческие годы, и задумался об автоматизации процесса.

Стал изучать, какие есть готовые решения на рынке. 

Как описывал выше, повышать давление нужно постепенно, то есть должна быть автоматическая поддержка давления в разных диапазонах, причём переключаться эти диапазоны должны по времени, которое в свою очередь зависит от культуры.

Мягкие культуры (лён, подсолнечник, кунжут, орехи) “разгоняются” медленно, около 30 мин нужно плавно повышать давление до максимального, для твёрдых культур (тыква, расторопша, чёрный тмин) давление можно повышать быстрее, затем удерживать давление в максимальном диапазоне 1-3 часа.

Если давление повысить быстро, то масло пойдёт через верх поршня, может порваться ткань.

Итак, чтобы что-то автоматизировать, нужно понимать алгоритм.

Таким образом, задача состоит в автоматическом поддержании давления в определённом диапазоне, причём эти диапазоны нужно переключать по времени каким-то волшебным образом.

Давление в системе можно снимать датчиком давления и далее обрабатывать на микроконтроллере по алгоритму, определённому для каждой культуры.

Я начал изучать, какое решение лучше подойдёт для моей задачи. Выбор пал на Arduino, в основном из-за наличия большого сообщества и низкого порога входа для любого инженера.

Реализация

Купил набор c Arduino Nano и стал штудировать уроки на канале Alex Gyver. Всем, кто хочет прикоснуться к автоматизации чего угодно, горячо рекомендую!

В моём распоряжении на тот момент был небольшой опыт программирования на Python, Swift, ну и конечно HTML+CSS+JS. И тут пришлось осваивать C++, который терпеть не мог в универе.

Сначала реализовал механизм поддержания давления в определённом диапазоне, тут всё просто:

// главный алгоритм, поддерживающий давление в диапазоне minPress-maxPress

 if (pressure >= maxPress && isFilled) {

   pump_off();
   isFilled = 0;

 } else if (pressure <= minPress && isFilled == 0 && wasStartedFlag) {

   pump_on();
   isFilled = 1;

 }

В целом с учётом недавнего рефакторинга в проекте на Arduino Nano получилось 850 строк кода

Самым сложным оказалось реализовать логику отображения нужной информации на экране OLED. Вот список экранов:

• Главный экран с перечнем культур с возможностью прокручивать список

• Экран с временем отжима выбранной культуры

• Экран с диапазонами давлений

• Экран с графиком зависимости давления от времени

• Экран с процессом отжима

• Аварийный экран

• Экран окончания процесса

Вот, к примеру, алгоритм отрисовки главного экрана. С виду несложно, но я потратил около недели, чтобы выкристаллизовать пару тернарных операторов

void mainScreen() {
 currentScreen = MAIN;
 oled.setScale(2);
 oled.clear();
 oled.home();

 for (uint8_t i = 0; i < 4; i++) {

   byte coin;
   chozenSeed <4 ? coin = i: coin = i+(chozenSeed-3);
   if (chozenSeed == coin) oled.invertText(true);

   // Цикл, выводящий 4 пункта на дисплей
   oled.println(seeds.getName(chozenSeed > 3 ? i + (chozenSeed - 3) : i));

   // Выводим пункты + скроллинг при достижении последней строки указателем
   // Если указатель > 3, то сдвигаем список пунктов на chozenSeed - 3
   oled.invertText(false);
 }

 oled.update();

}

Крутилка-энкодер перелистывает список культур или диапазонов в зависимости от того, на каком экране находится пользователь.

Дисплей TM1637 отображает давление в системе в любой момент времени, кнопки старт-стоп и светодиод для аварийного режима.

Аварийный режим останавливает процесс, если по какой-то причине маслостанция работает больше определённого времени, сделано для крайних случаев, если случается прорыв контура гидросистемы.

Датчик давления вкручивается в гидроцилиндр, реле подключается к маслостанции

Видео работы 1-го прототипа: https://youtu.be/dbVDzJbZ3hc?si=uPXk2gghFIghS3po 

Я состою в Союзе маслоделов (есть такой канал в ТГ, увы, присоединиться можно только по приглашению), там рассказал про своё устройство, и по началу кто-то заинтересовался, были и скептики, не очень верящие в успех автоматизации. Но я упорно шёл к цели, ничто так не мотивирует, как лень! 

После демонстрации прототипа посыпались вопросы, народу стало интересно, и через я месяц получил первый заказ.

Потихоньку начал получать единичные заказы и новые просьбы и вопросы от потенциальных пользователей

На самом деле существует множество конструкций маслопрессов с разными гидроцилиндрами: 50, 75, 100 тонн и больше. Также бывают бочонки с разным диаметром, а значит усилие, приложенное к семенам, будет отличаться.
К примеру, давление 100 бар на 50-тонном прессе с диаметром бочонка 150 мм (как у меня) даёт одно усилие на семена, а на 100-тонном прессе с бочонком 120 мм совсем другое.

У меня нет зоопарка маслопрессов, поэтому на тот момент была только одна программа для каждой культуры.

Пользователи задавали вопросы “А как можно самостоятельно внести изменения в программу?” 

Ведь необходимое усилие на отжим может понадобится разное в зависимости от типа маслопресса, влажности культуры, поставщика и других параметров. Где-то нужно уменьшить время отжима, где-то увеличить.
А ещё у меня не было программ для экзотичных культур, таких как мак, гвоздика, облепиха, семена чиа, горчица.

Вопрос вполне закономерный, и я начал искать способ, как бы для пользователя сделать возможным менять параметры отжима самостоятельно.

Вариант 1. Реализовать изменение параметров прямо на экране OLED с помощью энкодера. Но намучившись с выводом минимально необходимой для маслоделов информации на дисплей я сразу отмёл эту идею

Вариант 2. Поставить экран побольше с тачскрином, менять параметры на нём. Но нет, это удорожает конструкцию и сильно усложнит реализацию в коде

Вариант 3. Вебсервер – подходит! Но знаний как с этим работать тогда было примерно ноль.

Эволюция

Датчику давления нужно 12 В, а ESP32 питается от 3,3 В, поэтому пришлось ставить отдельный DC-DC преобразователь.

А для процесса отжима крайне важно точно измерять давление на максимальных пределах. А тут получается АЦП будет выдавать одинаковое значение в диапазоне 3.1 - 3.3В. Не подходит! 

Пришлось экспериментировать и ставить доп. модуль с ADS1115 – 4-канальный 16-битный АЦП. Время отклика 860 FPS и разрядность меня устроила. В действительности этот АЦП выдаёт примерно 14.5 бит, но для измерений давления достаточно )

На АЦП нельзя подавать напряжение выше опорного, которое 3.3 В, пришлось добавлять резисторный делитель.

Снова изучение с нуля, первые скетчи управления светодиодом через вебморду. В итоге примерно через 1,5 месяца  получился такой интерфейс:

Для хранения данных отжима использую Arduino JSON, файловая система LittleFS.

При первом запуске контроллера проверяется существование файла с режимами отжима, если его нет, создаётся и записываются значения по умолчанию – базовый набор программ отжима для нескольких культур. 

Далее создаётся точка доступа WiFi с адресом 192.168.4.1 – стандартный для всех ESP32.

Далее собираются файлы для вебсервера с данными отжима из файла, уже живущего в файловой системе.

Возможности веб-интерфейса:

- отображение списка культур из памяти контроллера
- просмотр и изменение параметров отжима (название культуры, диапазоны давлений, время перехода между диапазонами)
- запуск и остановка процесса, отображение процесса отжима в реальном времени (используется ESPAsyncWebServer + WebSocket)
- изменение параметров аварийного режима, отключение звукового сигнала
- добавление/удаление диапазонов давлений
- добавление/удаление программ отжима

Конечно, всё это получилось не сразу, шёл от простого к сложному, благо уже 10 лет управляю сложными проектами, где разработка всегда ведётся итерациями.

Что дальше

В какой-то момент я понял, что OLED дисплей 128х64 довольно тесный, а хочется добавить красоты. 

Сказано - сделано! Ещё пару недель возни, переписал пол-проекта под новый экран TFT размером 2 дюйма

Надо сказать, что работа с TFT существенно отличается от OLED, было потрачено много мыслетоплива, чтобы получить то что хотел. Это и трюки с обновлением экрана, с загрузкой сглаженных кириллических шрифтов, работа со спрайтами – всё это на базе библиотеки TFT_eSPI.

Корпус пришлось использовать крупнее для удобства монтажа, получилось примерно так:

На TFT экране с разрешением 320х240 уже можно разгуляться

Как работает автоматика с WiFi

Пора было сделать сайтик с описанием автоматики, вот кому интересно: https://sunsok.ru/automation

Первые проблемы

Управление маслостанцией производится при помощи твердотельного реле, минимальный порог срабатывания 3 В, а высокий уровень на выходе ESP32 - 3.3 В.
В некоторых случаях реле срабатывает как-то криво, маслостанция начинает работать грубо, буквально подскакивает! И с какого-то момента я начал устанавливать оптопару FR120N, чтобы выдавала на реле 12 В.

К тому же стали попадаться релюшки, не подходящие для индуктивной нагрузки, которой является электродвигатель маслостанции.

Была ещё проблема – с увеличением количества программ и диапазонов в них в некоторых случаях контроллер внезапно перезагружался. Долго искал причину, помог рефакторинг проекта в части работы с веб-сервером.

Разделил загрузку контента на куски:

void SendHTMLStream(AsyncWebServerRequest *request) {
 // Создаем потоковый ответ с типом "text/html"
 AsyncResponseStream *response = request->beginResponseStream("text/html");
 response->print(htmlStart);
 response->print(CSS_CONTENT);
 response->print(htmlMiddle);
 response->print("const data =" + jsonString + ";const paramsData = " + jsonParams + ";");
 response->print(JS_CONTENT);
 response->print("</body></html>");
 request->send(response);
}

При первом обращении к веб-серверу просто запрос одной строкой:

server.on("/", HTTP_GET, SendHTMLStream);

И ещё несколько обработчиков

// Если кликнули на кнопку "Сохранить", отправляется полученная data с json-ом и записывается в файл
 server.on("/sendfile", HTTP_POST, [](AsyncWebServerRequest * request) {
   handleSendFile(request);
 });

 // Если кликнули на кнопку "Сохранить параметры", отправляется полученная data с json-ом и записывается в файл
 server.on("/sendsettings", HTTP_POST, [](AsyncWebServerRequest * request) {
   handleSendSettings(request);
 });

 server.on("/startform", HTTP_GET, [](AsyncWebServerRequest * request) {
   handleStartForm(request);
 });

 server.on("/web-stop", HTTP_GET, [](AsyncWebServerRequest * request) {
   handleWebStop(request);
 });

Пришлось поработать с partition table: по умолчанию ESP32 использует 1.3 Мб flash из доступных 4 Мб, я расширил до 2 Мб. Размер моего скетча 1.2 Мб.

Чуть позже добавил возможность обновления прошивки по воздуху с библиотекой ElegantOTA. Примечательно, что библиотека не работает, если разметить partition контроллера на 4 Мб.

Ещё добавил возможность указать в настройках свою домашнюю сеть WiFi, чтобы контроллер подключался к роутеру.

Эксперименты

Патент

Решил я запатентовать своё устройство. Кто-то меня спрашивал “Зачем?”. Ответ был простой: “Потому что могу и хочу” 

Недавно от патентного поверенного пришло сообщение о необходимости переквалифицировать полезную модель в полезное изобретение, так как описываемая конструкция больше под под это подходит. Так что процесс неспешно продолжается.

Что бы ещё сделать

Контроллер для сушилки

От одного клиента, заказавшего автоматику для маслопресса, поступил заказ сделать такой же контроллер, только для домашней сушилки овощей-фруктов. Принцип действия очень похожий – поддержания температуры в разных диапазонов в течение 1-2 суток.

Немного переделал алгоритм, поставил вместо датчика давления датчик температуры, протестировал в духовке и отправил клиенту 

Тестирование буронабивных свай

Кто бы мог подумать, что автоматику для маслопресса можно применить в строительстве.

По словам заказчика, прежде чем вводить в эксплуатацию такое оборудование, нужно провести испытание под разным давлением в течение суток. Люди засыпают, пропускают смену циклов давления, в общем простой человеческий фактор приводит к срыву испытаний.
И тут такое совпадение – нужная автоматика с небольшой доработкой подходит для испытания оборудования. Конечно же, отправил клиенту версию с WiFi, чтобы тот смог самостоятельно добавлять и изменять режимы. 

Варка янтаря

Пару месяцев назад поступил более интересный заказ – изготовить автоматику для поддержания давления и температуры для оборудования варки янтаря! “Вот это экзотика” – подумал я. 

Янтарь нагревается до температуры 200 градусов, затем создаётся давление около 400 бар. Дальше 10 шагов изменения температуры и давления по алгоритму заказчика.

Заказчик оказался на редкость технически грамотным и предоставил довольно чёткое ТЗ в виде таблицы – какие значения температуры и давления сколько по времени поддерживать. 

В какие-то моменты нужно сбрасывать давление, а это ещё один исполнительный механизм, а также необходимо измерять и выводить показания температуры. Таким образом, предстояло подключить ещё несколько модулей к контроллеру.

В ESP32 и так уже были задействованы почти все возможные GPIO, значит нужно или выбирать другой контроллер или ставить расширитель портов. 

Я имел раньше опыт работы с PCF8574, однако у этого расширителя есть особенность. При включении все выводы подтянуты к питанию, есть и другие особенности использования портов.

К расширителю портов подключил исполнительные механизмы – твердотельные реле через оптопары с подтяжкой напряжения 12 В для уверенного срабатывания реле. Ну и светодиоды для индикации срабатывания реле.

По условию заказчика, датчик давления предполагалось подключать на расстоянии несколько метров от контроллера, поэтому датчик с выходом 0-5 В не подходит, может быть просадка напряжения и соответственно искажение показаний.

Немного про бизнес

Когда я купил маслопресс, то планировал делать масло для себя и немного на продажу, просто чтобы давать людям качественный полезный продукт. Однако получилось так, что автоматика продаётся лучше, чем масло )

Но не всё так просто. Рынок маслоделия в стагнации, так как самое сложное в любом деле – реализация товара. И для этого нужны ощутимые вложения в маркетинг, ну или долгое время на раскрутку своего бренда. 

У меня есть клиенты, которые купили по 3-4 комплекта автоматики для своих мини-производств, желаю им всяческого процветания.

Это с большой натяжкой можно назвать бизнесом, я занимаюсь автоматизацией как хобби, мне просто дико интересно, ну и мозги тренировать надобно.

За те 9 месяцев, в течение которых собираю контроллеры, я не обнаружил восходящего тренда спроса на автоматику. Изредка попадаются интересные заказы. И если масштабироваться, то нужно искать новые ниши. Например, автоматизация сушильных камер покраски, сушилок древесины. 

Есть более интересные и амбициозные задачи промышленной автоматизации, но там целесообразнее применять ПЛК типа Siemens или Овен. Я пробовал изучать документацию по программированию ПЛК – нужно полностью менять мышление, переход с C++ на релейные схемы это боль

Эпилог

Надеюсь, статья былы интересной и где-то даже познавательной. Цель - дать понять, что автоматизация это не так сложно, и возможно, это чтиво кого-то сподвигнет начать что-то мастерить: превращения своой дом в умный или автоматизировать процессы.

Прогресс не стоит на месте, и будущее точно за автоматизацией и упрощением ручного труда.

Дерзайте!