Open GraiNMaster

l'automate de brassage simple et abordable

par N.Master

Introduction

Salut à tous.

Certains ont suivi le sujet GraiNmaster sur le forum, la fabrication d'un système semi-automatisé de brassage.(voir ici [1])

Ce projet étant maintenant suffisamment abouti, j'ai choisi de partager avec vous un guide pour recréer la partie électronique de ce système !

Qu'est ce que c'est ?

Un petit montage électronique, assemblé à partir de modules tout faits, et qui s'occupe des températures et des temps de paliers lors d'un brassage

 

Que faut-t-il pour pouvoir s'en servir ?

 

une cuve munie d'un chauffage électrique. C'est pour ainsi dire la seule contrainte. Après celui qui est capable de piloter le gaz électriquement pourrait sans doute détourner un peu l'appareil pour s'en servir.

 

Pour quoi faire ?

Quand on brasse tout grain, on a pas mal de choses à gérer, et l'une d'elle concerne la température.

Il faut maintenir des paliers, pendant un temps donné, et à une température aussi précise que possible, surtout si on veut espérer brasser plusieurs fois une recette, ou espérer une certaine répétabilité dans le process.

 

Mais il existe déjà des choses similaires sur le marché ?

Oui et non :

Le marché évolue, il évolue vite, et entre le début de mon projet et le moment où vous lisez ces lignes, ça peut avoir changé.

Mais quand j'ai commencé les solutions existantes étaient un peu extrèmes :

 

- Soit le basique type PID chinois STC1000 + une minuterie de cuisine (ça marche, je dis pas le contraire)

- Soit du très compliqué équipé de série avec interface graphique sur écran 32" 6 millions de couleurs, smartphone, PC, wifi, multimédia, peinture métallisée, lecteur MP3 blutooth XD ...

- Soit on est un peu bricoleur et on peut bricoler le STC1000 pour le flasher avec un autre programme. 

Ces solutions ne me plaisaient pas, c'était soit trop cher, soit trop basique.

C'est pourquoi j'ai développé ma solution, avec l'avantage de pouvoir maîtriser et adapter  aussi bien le matériel que le logiciel

 

Concept et cahier des charges de départ

- On évite de réinventer la roue, le matériel c'est du kit, avec vraiment le strict minimum de circuits maison.

- On limite le budget au minimum, on s'accorde plus que le budget d'un PiD, mais nettement moins qu'une solution commerciale sophistiquée

- On s'arrange pour rester assez souple sur les possibilités.

Donc, il fallait partir d'autre chose...

 

Le projet Open GraiNMaster

A la base je comptais produire seulement quelques exemplaires, non pas pour en faire un business, mais plutôt pour ceux qui n'ont pas le temps de réinventer la même chose, ou pas les moyens financiers pour les solutions clef en main.

Et puis le temps a passé, faire des prototypes est couteux en temps et en finances, et je me suis dit que sans le partage des bouts de code, des librairies, et autres exemples sur le net, mon projet n'existerait pas. Et donc redistribuer gratuitement le projet me semble un juste remerciement à la communauté.

 

On va donc dire que c'est une licence Beerware, si vous aimez mon invention, envoyez moi une bière des bières un carton de bière de votre fabrication :D (j'ai rayé les mentions inutiles)

C'est exclusivement pour un usage amateur, pas d'usage commercial, et je veux pas que dans 15 jours des malins commercialisent un automate fabriqué en Chine suivant mes plans.

Et si vous envisagez un usage commercial, ça serait sympa de penser un peu à moi ;).

 

Prérequis

Avant d'aborder la réalisation, merci de vérifier :

0 - que c'est bien de ça que vous avez besoin, ça peut sembler évident, mais peut être que les solutions basiques vous suffisent, ou peut être que vous recherchez plus complexe sans que le prix ne soit un problème.

1 - que vous êtes dotés de bon sens (on utilise pas du matériel amateur pour faire autre chose que de la bière amateur, c'est pas interdit de s'en servir pour aller plus loin, mais c'est pas fait pour ça donc vous n'irrez pas pleurer si ça ne marche pas. Pas de SAV ni de garanties !)

2 - que vous comprenez au moins les bases de l'électronique (le fil rouge sur le bouton rouge ...XD)

3 - que vous MAITRISEZ PARFAITEMENT les règles de sécurité électrique et que vous n'allez pas les contourner pour économiser 3 radis. J'inciste TRES lourdement sur ce point car il en va de votre vie. L'électricité TUE, et mal maîtrisée, elle peut aussi causer d'autre accidents domestiques (incendie par exemple)

4 - que vous savez vous servir d'un ordinateur, d'un tournevis, et d'un fer à souder, et peut être aussi d'un multimètre basique

5 - que vous comprenez le français, car pour l'instant je ne me suis pas donné la peine de traduire quoique ce soit

 

Maintenant que c'est dit, voici donc les éléments clefs qu'il vous faudra pour faire un automate Open GraiNmaster :

 

La réalisation

Je vais vous parler de 3 options possibles :

 

• La version Eco (Je fais de la bière parce que la Kro c'est trop cher :D )
• La version standard (Je fais de la bière parce que c'est ma passion)
• La version originale (Je suis un birjik, et aussi un vrai geek, j'aime mieux faire compliqué)

 

Toutes les version sont identiques point de vue interface utilisateur. La différence vient plutôt du côté matériel :

 

Version Eco : compter un budget d'environ 50€ (boitier compris, 35€ sans la boite)

Sonde : DS18B20

Puissance : Relais ou SSR

Pilotage de la chauffe : tout ou rien

 

Version standard : budget environ 65€ (50€ sans la boite)

Sonde : DS18B20

Puissance : SCR du commerce modifié

Pilotage de la chauffe : proportionnel

 

Version originale : environ 100€ ?

Sonde : PT100

Puissance : SCR du commerce modifié

Pilotage de la chauffe : proportionnel

 

Quelle version choisir ?

La version standard est recommandée pour tous.

La version dite éco, a pour seule différence qu'elle se passe d'élément de commande proportionelle, pour privilégier un système tout ou rien parfois plus économique à l'achat, et plus polyvalent.

La seule raison de préférer la version originale, c'est si vous avez déjà un équipement utilisant des sondes PT100 ou PT1000, ou si vous avez un autre circuit de mesure de température capable d'envoyer une information proportionnelle en tension 0-5V.

 

Matériel

Pour toutes les versions :

- un arduino Mega 2560 R3. Soutenir les créateurs officiels est toujours sympa, mais si vous êtes fauchés, on peut en trouver à moins de 10€ chez Aliexpress ou ebay.

- un LCD shield: prix environ 2€ chez ces mêmes vendeurs

- Un lecteur de cartes SD (Si on l'enlève, le montage fonctionne quand même très bien, mais pour 3€ ça serait dommage de s'en priver, surtout que dans ce cas, ça oblige à modifier le code "en dur" pour toucher aux paramètres PID)

- une carte SD (une toute petite de récup suffit très très largement) (5€ si on l'a pas)

- Facultatifs d'un point de vue purement fonctionnel, mais indispensables d'un point de vue sécurité : un disjoncteur réarmable (3€ tant qu'on tape pas dans de la haute puissance > 15A) , ou à défaut un fusible bien choisi (0.5€ chez le voleur du coin)

- Un boîtier décent pour isoler toute la partie puissance, on trouve des boîtiers corrects pour tableau électrique à environ 15€

- facultatif : un buzzer, avec son électronique de pilotage si il consomme plus de quelques milliamperes

- Suivant votre usage, une rallonge électrique à sacrifier 5€ (ATTENTION A LA PUISSANCE QUE VOUS TIREZ A LA PRISE : en général un circuit de prise électriques murales est prévu pour 15A, mais c'est parfois moins)

 

Pour la version Eco :

- Une sonde 1 wire DS18B20 adaptée à votre usage (donc de préférence avec fourreau inox et étanche) 2€

- 2 résistances (1 kopek)

- une alimentation pour votre montage (9V si on se sert du régulateur de l'arduino - 5V si on se branche en direct) 2 à 10€

+ au choix : 

- Un relais 5V assez puissant pour contrôler votre élément de chauffe (ne pas hésiter à fortement sur-dimentionner) en tapant "relay arduino' on trouve pas mal de choses.

Choisir impérativement une version optocouplée. comptez 3-4€ pour un module comprenant deux relais. A réserver aux petites puissances, les relais 5V sont rarement prévus pour les grosses charges.

Pour info, on trouve une plaque signalétique sous les appareils avec indiqué les puissances, à partir de cette info, on peut estimer l'ampérage (l'intensité) nécessaire en Ampères.

En alternatif, P = U x I x Cos(Phi)

Mais ne vous vrillez pas le cerveau, pour un élément de chauffage (en théorie purement résistif), on peut s'autoriser une petite simplification et considérer que :

P = U x I et donc  Intensité = Puissance / tension 

Donc pour un appareil de 2000W et sous 230V, on aura une intensité de 1000/230 = 8.6A

Donc en théorie, un relais 10A suffirait à contrôler cet élément de chauffe. Cependant attention à toujours prendre une bonne marge de sécurité.

Il est prudent de prendre un relais une gamme au dessus du besoin réel.

Exemple j'ai besoin de piloter 10A, je prend un relais 15A

Pour plus d'infos sur intensité, tension, puissance, voir par exemple ici : http://webetab.ac-bordeaux.fr/Pedagogie/Physique/Physico/Electro/e08puiss.htm  

- Solution plus sûre (mais nécessite un peu d'électronique) faire soi même l'optocoupleur, et piloter un relais acheté chez un revendeur sérieux (Farnell, radiospares, TME, mouser...) environ 10€ pour un relais 10A , 2€ pour un optocoupleur. Il faudra peut être prévoir d'alimenter le relais en 12V ce qui ajoute donc une alim dans les frais ...

- solution un peu usine à gaz : commander un petit relais 5V avec l'arduino, et ce relais pilote l'alimentation d'un gros relais ou d'un contacteur. Attention les contacteurs ça fait des gros CLAC! quand ça contacte, et ça peut surprendre. C'est pas économique du tout mais on peut envisager de très grosses puissances

- solution plus coûteuse : un relais "solid state" SSR attention toutefois à pouvoir le piloter en 5V. NE PAS PRENDRE UNE MERDE DE CONTREFACON !! il vaut mieux prendre un SSR 15A de marque shneider electric, Merlin gerin, siemmens qu'un 40A de marque king kong tong qui prendra feu dès qu'on lui tire 5A dessus !

Compter environ 30€ pour du matériel sérieux chez un distributeur sérieux. moins cher c'est forcément suspect. Economiquement cette solution présente finalement peu d'intérêt face à la version standard. Le seul intérêt c'est si vous avez déjà le SSR qui attend sagement sur l'étagère...

 

Pour la version Standard

 La même chose que précédemment mais à la place du relais il faut un régulateur de puissance 10000W

10 Kw ça parait énorme et surprenant oui, mais les chinois aiment annoncer des gros chiffres, et 40A serait sans doute plus "vrai" que 10 KW...

Je n' ai pas essayé de brancher 10 sèches cheveux sur mon variateur, cependant le modèle que j'ai entre les mains comprend bien un gros triac donné pour 40A maxi, ce qui sous 250V avec une charge purement résistive, à fond la caisse avec le vent dans le dos, donnerait effectivement 10KW

Il est monté sur un bon radiateur, et donc une charge de 2.5KW ne le fait même pas tiédir.

 Ça se trouve sous plein de références différentes, je suppose que ce sont tous des clones, mais il faut que ça soit le modèle avec un petit écran afficheur qui donne la puissance :

Ainsi il sera pratiquement "plug and play" pour notre usage.

Je l'ai eu sous le nom

"10000W Import SCR Super Power Digital Regulator Dimmer Speed Thermostat"  15€

  

Pour la version originale

le hardware ne sera pas abordé dans le détail car inutilement compliqué, et en plus assez cher.

Il faut la même chose que la version standard sauf qu'on remplace la sonde DS18B20

L'idée, c'est d'avoir une sonde de son choix, puis un circuit qui renvoie la lecture de la température sous forme d'une tension comprise entre 0V et +5V

Et ensuite on vient lire cette valeur pour connaître la température.

Pour plus de précision on utilise un DAC 16 bits, car les DACs intégrés à l'arduino sont assez imprécis.

J'ai utilisé : une sonde PT100

un convertisseur PT100 vers 0-5V

un DAC 16bits ADS1115 type adafruit

des circuits de filtrage, qui sont à adapter suivant le matériel utilisé pour la conversion PT100->0-5V (donc quelques résistances et condensateurs)

Sécurité

J'ai déjà parlé dans les prérequis et le matériel de la sécurité, mais je ne suis pas dupe, certains fous vont essayer de jouer les apprentis sorciers et faire des choses dangereuses.

Aussi, je me dit que certains rappels des bases ne feront pas de mal :

l'électricité tue, vous le savez certainement, mais elle tue facilement, et profitera d'une milliseconde d'inattention pour vous griller la tronche dans un déluge d’effets pyrotechniques ...

Et même l'électricien avec 30 ans de métier peut se faire piéger.. Sur un montage qu'on met au point, on branche, on débranche, on branche, on débranche, on branche, on débranche, puis d'un coup, on débranche et on branche, et là c'est le drame...

Partez donc du principe, que oui, on veut vous tuer, et vous devez être parano pour survivre. Et un bon parano qui se respecte, se protège avec toutes les armes à sa portée :

• arme n° 1 : le disjoncteur de la maison. Normalement si vous n'êtes pas dans un appartement vétuste des années 30, vous devriez avoir un disjoncteur différentiel. Chatouilleux, c'est mieux pour votre survie. Vous n'en avez pas ? Alors il vaudrait mieux laisser tomber l'idée de faire de l'électricité amateur ...
• arme n°2 : le fil de terre, qui couplé au disjoncteur, vous évitera des problèmes si un câble mal isolé vient toucher la carcasse ou la cuve de votre appareil de brassage.
• arme n°3 : des gants en plastique. Même moi qui bricole beaucoup, et qui « joue » avec l'électricité, j'ai pris l'habitude de mettre des gants au moment du raccordement final au secteur. Car même si il ne m'est jamais arrivé de pépin, oublier de débrancher puis ripper sur une partie non isolée peut arriver
• arme n°4 : le boitier et les composants de sécurité électrique. Il est tentant de laisser un montage « en l'air » juste « pour le temps de tester » mais on connait tous le fameux provisoire devenu définitif... et avec le temps on se méfie moins de ce fil mal isolé qui trainait là, et PAF !
• arme n°5 : Vigilance et bon sens : on ne touche pas à l'électricité quand on est pas en forme. Il faut être concentré. Si vous êtes bourrés, fatigués, énervés, et que le chien vous casse les oreilles, c'est pas le bon moment pour bricoler !

Et je ne le répète jamais assez ON NE RADINE PAS SUR LA SÉCURITÉ. Si vous avez voulu gratter 30€ sur le SSR, et que votre SSR à 10€ met le feu à votre maison, vous regretterez amèrement cette économie....

Fonctions du logiciel

version actuelle (V1.002):

Première version que je diffuse, elle est pleinement fonctionnelle, je m'en suis servi sur plusieurs brassins, et je n'ai pas noté de plantages ni problèmes étranges.

Fonctionnalités actuelles

Programmation et gestion de 7 étapes de brassage :

 - Préchauffage (température uniquement)

- Palier 1 (température et durée)

- Palier 2 (température et durée)

- Palier 3 (température et durée)

- Palier 4 (température et durée)

- Mash out/rinçage (température uniquement)

- ébullition (température et durée)

 Les étapes peuvent être sautées, ou annulées après confirmation

Affichage de la température pendant le refroidissement

Enregistrement du log sur carte SD (journal des températures en fonction du temps)

Programmation depuis la carte SD en éditant un fichier de configuration (certains paramètres système ne peuvent être modifié que par ce biais, ou en modifiant le code)

Gestion (sommaire) des erreurs type "pas de carte SD branchée" ou appuis involontaires sur un bouton pendant le brassage

Buzzer qui sonne pour prévenir qu'une étape est atteinte

Possibilité de modifier la température d'un palier "à la volée"

 

Ce qui pourrait être amélioré

 - Le code utilise beaucoup de variables, et certaines pourraient sans doute être mieux gérées

- Pour le moment ça tourne sur un arduino Mega. Avec de l'optimisation, ou en supprimant les fonction inutilisées de la version originale, on devrait pouvoir tourner sur un arduino UNO

- On peut changer les températures d'un palier à la volée, mais pas le temps du palier en question

- On pourrait envisager des alarmes différentes avec le bipeur ou des témoins lumineux

- les paramètres de réglage du système ne sont accessibles que par carte SD

- un auto-tune du PID ?

- traductions ?

 

 

Bugs connus

- il n'y a pas de fin programmée pour l'enregistrement sur carte SD. Toutes les minutes une info est écrite, et si on retire la carte pile poil quand il faut pas (une chance par minute), il peut se produire une erreur d'écriture sur la carte.

 Ce qu'il serait techniquement possible de faire

(mais ça serait un fork du projet initial)

On pourrait avec le même matériel, et en modifiant le code, faire fonctionner l'Arduino en mode 'esclave' c'est à dire qu'on vire tout le côté programmation et interface utilisateur, et on ne lui laisse que la partie commande, et on ajoute un protocole de communication avec un système maître/esclave.

En gros l'Arduino reçoit en I2C une consigne de type "chauffe 30 min à 80°", et il se débrouille, en retournant la température actuelle quand on lui demande gentiment.

Ça permettrait de chaîner plusieurs Arduino esclaves, pilotés par un système maître aussi puissant et sophistiqué que souhaité.

 

Réalisation

Toutes les étapes pour sa Réalisation >>