Brennofensteuerung mit Raspberry Pi und 16A-Relais

Ich würde ein Halbleiterrelais zum Schalten verwenden. Die schalten 
normalerweise AC im Nulldurchgang. Damit kann man die Leistung mittels 
Pulspaketsteuerung genau regeln. Zusätzlich kannst Du noch ein 
klassisches Relais in Serie schalten, falls Du kein Vertrauen ins 
Halbleiterrelais hast. Dieses dient dann zur Notabschaltung.
z.B.: https://at.rs-online.com/web/p/halbleiterrelais/9224999/

Jakob schrieb:
> Gibt es noch Dinge, auf die besonders zu Achten ist?

Nö. Außer dass ich das "dicke" Relais und die 16A Leitungen in einem 
gewissen Abstand zur Elektronik platzieren würde. Aber das hast du ja 
selbst schon angesprochen.

Hallo,
vielen Dank für die schnellen Antworten.

@Harald W.
Der Ofen kann meines Wissens per Se nicht mehr leisten, als man einer 
230V-Phase/ dem Haus-FI zumuten kann. Das wären dann eben die 230V/16A. 
Die Last ist als fast rein Ohmsche Last anzunehmen. An ein Schütz hab 
ich auch gedacht, habe aber auch in der alten Steuerung (Marke Naber, 
heute vermutlich als Nabertherm bekannt) ein 16A-Relais gefunden.

@Rainer S.
Am Thermoelement sind Schraubterminals, am MAX31865-Board ist ebenfalls 
eins. Der durch die weiteren Verbindungen (jede wirkt bekanntlich selbst 
wie ein Thermoelement) entstehende Offset wird auf dem Board mit der 
internen Cold-Junction-Kompensation zumindest teilweise ausgeregelt. Den 
Restoffset würde ich nicht weiter beachten, weil er in einem 
Temperaturbereich bis 1240°C (laut Ofen-Typenschild) in der 
Nichtlinearität des Sensors und anderen Störgrößen untergeht.

Hutschienen klingen als saubere Lösung gut, in Kombination mit meinem 
3D-Drucker (Aktuell nur PETG)und einem gut ausgestatteten 
Werkstattkeller könnte die Idee als Schaltschranklösung gar nicht 
abwegig sein.

Aktuell ist das alles noch ein fliegender Aufbau mit Dupont-Kabeln. Ich 
möchte versuchen, Raspberry, Messverstärker und Display in einem eigenen 
Gehäuse zu Platzieren. Vielleicht lass ich es auch gesteckt und verwende 
nur anständige Flachkabel. Für's Schalten des Hauptstroms und die 
Bereitstellung des DC12V-Hilfsstroms will ich einen Schaltkasten an der 
Ofenrückseite verwenden. Dann bleiben die Fingerchen auch immer schön 
weit weg von hohen Spannungen und Leitung zum Heizdraht schön kurz.

@ESD
Das macht mich Neugierig ;). Bringt die mir Vorteile im Vergleich zum 
normalen Relais, von denen ich profitieren kann? Bisher hatte ich den 
Anspruch, damit wieder Keramik zu brennen. Temperaturtoleranzen sind 
hier riesig und das System "Ofen" schätze ich als dermaßen träge ein, 
dass eine genauere Steuerung mit SSR (weniger Hysterese) den gleichen 
Effekt wie ein gut abgestimmtes Relais haben wird. Ich lasse mich gern 
umstimmen, aber die Diskussion habe ich auch schon gegen mich selbst 
geführt.

@Helmut L.
Ja, haben Sie da zufällig eine Idee, was bei so hohen Temperaturen noch 
schalten kann? Zu viel Systemredundanz gibt's ja bekanntlich nicht. Ich 
werde vor der "Abnahme" der Steuerung noch mal eine Aufheizkurve 
aufnehmen. Diese sollte sich näherungsweise mit der Lösung der 
eindimensionalen Diffusionsgleichung beschreiben lassen. Durch 
Extrapolation versuche ich dann herauszufinden, ob eine gefährliche 
Übertemperatur überhaupt erreicht werden kann.

Bilder folgen, sobald sie ansehnlich sind und ich ein paar hübsche 
Kurven präsentieren kann.

Liebe Grüße
Jakob Wagner

Jakob Wagner schrieb:
> Bringt die mir Vorteile im Vergleich zum
> normalen Relais, von denen ich profitieren kann?

SSR schalten immer im Nulldurchgang ab, wenn gerade kein Strom fließt. 
Dadurch entstehen weniger Spannungs-Spitzen beim Abschalten, was für die 
elektromagnetische Verträglichkeit vorteilhaft ist.

Andererseits kann man diese bei Relais mit Hilfe von Snubbern 
(Funkenlöschkreis) auch wirksam unterdrücken.

Andererseits reagieren SSR empfindlicher auf Kurzschlüsse und 
Überspannung. Relais dieser Größenordnung gehen davon praktisch nie 
kaputt.

> SSR schalten immer im Nulldurchgang ab, wenn gerade kein Strom fließt.
> Dadurch entstehen weniger Spannungs-Spitzen beim Abschalten, was für die
> elektromagnetische Verträglichkeit vorteilhaft ist.
>
> Andererseits kann man diese bei Relais mit Hilfe von Snubbern
> (Funkenlöschkreis) auch wirksam unterdrücken.

Spannungsspitzen bei einer ohmschen Last ???

Motorschutzschalter ???

Not Aus ???

Galvanische Trennung ???

Hallo, das ist ein Ofen.
Temperaturbegrenzer ist eine sehr gute Idee, unbedingt notwendig.
Aber alles andere ist Overkill.
Da bewegt sich nix wo man sich den Arm abhacken kann, da wird keine 
Induktivität geschaltet.
Fehlt nur noch der Schutz gegen EMP...

Helmut L. schrieb:
> kann nur kaputt gehen

Das in meinen Augen ein gute Argument, Schaltungen so einfach wie 
möglich und so komplex wie nötig zu machen.

Jakob schrieb:
> Hierzu habe ich bisher besorgt:
> 1x Raspberry Pi Zero W
> 1x 1.3" OLED-Display
> 1x K-Type Thermoelement (Keramikummantelt, bis 1300°C)
> 1x MAX31856 Messverstärker
> 1x 16A-Relais (Finder 40.61.9.012.0000, 12V zum Schalten, 250V werden
> geschaltet)
> 1x DC-DC-Wandler von 12V auf 5V USB
> 1x Irfz44N
> 1x Nockenschalter für Netzspannung und bis 20A
> 1x Schaltnetzteil 12V 8A (ohne Gehäuse)
> ... Sicherungen, Widerstände, Freilaufdioden ect.

Warum denkt man nicht vorher nach ?

Benutze ein S-Typ Thermoelement, K-Typ halt nicht.

Benutze einen Netzschalter für das ganze Gerät (möglicherweise ist der 
Nockenschalter ein solcer) dann reicht zur Regelung ein SSR.

Benutze einen fertigen PID Regler oder besser gleich einen Kiln Ramp 
Controller.

Fertig.

Wenn du unbedingt die Heizkurve graphisch auf einem Display darstellen 
willst, dann nicht so ein winziges. Und Knöpfe müsste man auch haben, 
also besser gleich mit Touch.

Jakob schrieb:
> Die Ansteuerung des Relais sehe ich am einfachsten mit einem IRFZ44N,

Da reicht ein GPIO des rPi nicht zur Ansteuerung, es müsste ein MOSFET 
sein, der bei 2.8 oder 2.5V UGS spezifizierten RDSon hat.

> einer Freilaufdiode, 330kOhm zwischen drain und source des Mosfets und
> 330Ohm als Widerstand zwischen Gate und Signal. Auf Leistungsseite ist
> nur noch eine Schmelzsicherung vorgesehen. Die gesamte Stromzufuhr soll
> durch den Nockenschalter und eventuell noch einen Notausschalter an
> anderer Stelle unterbrochen werden können.
> Gibt es noch Dinge, auf die besonders zu Achten ist? z.B. Abstand
> zwischen Leiterbahnen,

Nö, Netzstrom fliesst ja nur jenseits des Relais. Aber du brauchst einen 
PID Regelalgorithmus, und da du die Parameter deines Ofens nicht kennst, 
sm Besten einen mit autotuning.

Vielleicht wäre der REX-C100 eine Alternative zur Eigenkonstruktion. 
Schau dir mal diesen Link an:

https://thorst-metall.de/Temperaturregelung_mit_PID-Regler_und_SSR_Relais_f%C3%BCr_15%E2%82%AC

Ich sehe das ähnlich wie @HansG.

Der Nockenschalter soll sowohl Phase als auch Null trennen. In keiner 
Brennofensteuerung, die ich bisher gesehen habe habe ich was anderes als 
ein stinknormales Relais gesehen. Das ein SSR u.U. besser funktioniert, 
will ich aber nicht bestreiten und Überlege mir, das eventuell auch so 
umzusetzen.

@MaWin würde ich ganz gern darum bitten, selbst einen kurzen Gedanken an 
die Systembeschaffenheit und Eigenschaften eines Ofens zu verschwenden. 
Wir reden hier von Aufheizgeschwindigkeiten von maximal 150°C/h. Und 
Höchsttemperaturen von 1240°C. Warum in aller Welt brauche ich ein 
Platin/Platin-Rhodium-Thermoelement, das bis 1768°C messen kann?
Und warum nen Autotune-PID? Das Ding schaltet nicht öfter als alle 
10-20s. Eher weniger. Auch interessieren mich Temperaturschwankungen im 
Bereich von +-10°C nicht die Bohne. Der Temperaturgradient im Brennraum 
selbst kann durchaus schon mehrere Grad betragen.

Ob da was komplizierteres als ein P-Regler nötig wird, stellt sich in 
der Praxis raus. Glücklicherweise ist sowas ja im RPi ja kein allzu 
großer Aufwand

Das Display zeigt selbstverständlich nur die aktuelle Temperatur, den 
Namen der geöffneten Sollkurvendatei und den Schaltzustand des Relais 
an. Und dafür reicht's.

Zum IRFZ44N: Warum sollte das nicht reichen, Wenn im Datenblatt als Vgs 
2-4V angegeben sind? Ein Treiber sollte zwar kein großer Extraaufwand 
sein, aber bisher hab ich da keinen Grund gesehen, wenn ich mit 3.3V 
schalte.

Jakob Wagner schrieb:
> Zum IRFZ44N: Warum sollte das nicht reichen, Wenn im Datenblatt als Vgs
> 2-4V angegeben sind? Ein Treiber sollte zwar kein großer Extraaufwand
> sein, aber bisher hab ich da keinen Grund gesehen, wenn ich mit 3.3V
> schalte.

2-4V bedeutet, dass er irgendwo zwischen 2 und 4V so gerade eben anfängt 
zu reagieren. Also wenn er erst auf 4V reagiert und sich bei 3,3V völlig 
tot stellt, dann ist der Transistor in Ordnung.

Du brauchst einen, dessen Schwellenspannung auch im ungünstigsten Fall 
und 3,3V liegt. Außerdem muss der Transistor bei 3,3V den Laststrom 
schalten können, sonst brennt er durch.

IRFZ44N ist für 10V spezifiziert. Nur für 10V garantiert der Hersteller, 
dass er einen bestimmten Strom schalten kann. Für alle anderen 
Spannungen zwischen der nicht genau definierten Schwelle von irgendwo 
zwischen 2 und 4V gibt er nur das Typische verhalten als Diagramm an. 
Das ist aber eben nur typisch, nicht versprochen.

Lies dazu 
http://stefanfrings.de/mikrocontroller_buch/Einstieg%20in%20die%20Elektronik%20mit%20Mikrocontrollern%20-%20Band%202.pdf 
Kapitel 2.2 und 3.4

Jakob Wagner schrieb:
> @MaWin würde ich ganz gern darum bitten, selbst einen kurzen Gedanken an
> die Systembeschaffenheit und Eigenschaften eines Ofens zu verschwenden.
> Wir reden hier von Aufheizgeschwindigkeiten von maximal 150°C/h. Und
> Höchsttemperaturen von 1240°C. Warum in aller Welt brauche ich ein
> Platin/Platin-Rhodium-Thermoelement, das bis 1768°C messen kann?
> Und warum nen Autotune-PID? Das Ding schaltet nicht öfter als alle
> 10-20s. Eher weniger. Auch interessieren mich Temperaturschwankungen im
> Bereich von +-10°C nicht die Bohne. Der Temperaturgradient im Brennraum
> selbst kann durchaus schon mehrere Grad betragen.

Ich geh mal davon aus, dass in dem Ofen Töpferwaren gebrannt und 
glasiert werden, oder Metalle geschmolzen. Da sind 10 GradC die grösste 
Abweichung die akzeptabel ist, die hat aber schon ein PID Regler. Auch 
und vor allem wenn man definierte Rampen haben will, ist es mit 
Einschalten alleine nicht getan.

Der ist in meinem Ofen:
https://www.ebay.de/itm/Ramp-Soak-Temperature-Controller-Kiln-SSR-Thermocouple-Programmable-Control-60S/121092751239

K-Typen halten Temperaturen über 1200 GradC nur ein paar mal aus, dann 
sind die wegoxidiert. Ein Typ-S kostet nun nicht die Welt

https://www.ebay.de/itm/300mm-S-Typ-Platin-und-Rhodium-Thermoelement-Temperatursensor-Messkopf-WRP-100/353059588122

Hallo an Alle,
hier ein kurzes Update:

1: Drei SSR (JC216SC, Datenblattausschnitt angehängt) wurden bestellt 
und sind angekommen. Einen passenden Kühlkörper sollte ich noch im 
Keller liegen haben.

2: Das Python-Skript enthält jetzt einen PID-Regler (bisher nicht 
autotuned) und soll das SSR mit einem Software-PWM-Signal füttern. Ein 
Lastzyklus soll zunächst ca. 0.5s dauern. Bei dieser Zyklenlänge brauch 
ich mir keine Sorgen um Synchronisierung machen, falls ich mir da 
überhaupt welche machen sollte. Die Lastzyklus-Parameter kann man ja 
auch nachträglich einstellen. Echtzeit ist das zwar alles noch nicht, 
aber ein paar Millisekunden Abweichung sind zunächst tolerierbar. 
Abhilfe in absehbarer Zukunft könnte eine zusätzliche IIC-Realtime-Clock 
bringen.

3: Das K-Type-Element behalte ich, habe aber schon vor längerem ein 
S-Type-Element (dem vorgeschlagenen sehr ähnlich) bestellt. 
Versandlaufzeiten aus Shenzhen liegen aber erfahrungsgemäß bei ein paar 
Wochen bis Monaten. Prinzipiell muss ich in der MAX31856-Library nur 
einen Parameter ändern, wenn ich damit messen will.

4: Einem Kumpel ist das K-Type gestern runtergefallen, sodass die 
Keramikhülle an der Spitze zertrümmert ist. Ich befürchte daher jetzt 
auch, dass im ungeschützten Zustand die Prophezeiung von @MaWin früher 
oder später eintreffen wird.

Ich bin mir durchaus bewusst, dass es fertige Regler und Ofensteuerungen 
auf dem Markt gibt. Und das gar nicht mal allzu teuer. Selbst eine neue 
Steuerung von Nabertherm wäre bei ca. 200€. Aber ich will wirklich von 
Plug'n'Play-Kauflösungen absehen, auch wenn die vielleicht zunächst 
besser sind. Ich will mit diesem Projekt meinen Horizont erweitern und 
den gesamten Entwicklungsprozess von Hardware und Software selbst 
durchschreiten.

Ich werde mich heute ans Layout des Schaltkreises machen. Einen groben 
Plan habe ich schon mal im zweiten Foto angehängt. Hat jemand spontane 
Treibervorschläge für die SSRs, bevor ich mich auf die Suche mache? Da 
ich gleich 3 SSRs bestellt habe (gleicher Preis wie ein einzelnes) 
könnte ich das Board auch für 3 Phasen auslegen.
ZUR INFO: Ich werde trotzdem nur eine Phase verwenden, da ich keinen 
Drehstromanschluss besitze. Aber die Möglichkeit für einen Umbau ohne 
weitere Lötarbeiten wäre dann gegeben.

Noch eine Frage: Brauche/Darf ich einen Snubber verwenden, wenn die SSRs 
einen Nulldurchgangsschalter haben? Rein theoretisch sollte eine 
kritische dV/dT von 30V/µs bei Standard-Netzfrequenz und -Spannung und 
nahezu rein Ohmscher Last kein Problem sein.

Liebe Grüße,
Jakob Wagner

Mich wundert, dass du ein 12V Netzteil verwendest. Du kannst doch die 
3,3V oder 5V vom Raspberry Pi verwenden.

Stefan ⛄ F. schrieb:
> Mich wundert, dass du ein 12V Netzteil verwendest. Du kannst doch die
> 3,3V oder 5V vom Raspberry Pi verwenden.

Ich finde die 12V praktisch. Damit könnte er das Gate vom Mosfet über 
einen vorgeschalteten Transistor wunderbar durchsteuern.

Hallo an Alle!
Anbei die Ergebnisse meines ersten Tests an einem kleinen 
900W-Emaillierofen. Die Ergebnisse sind in Ordnung dafür, dass ich noch 
keine realistischen Regelparameter gewählt habe (P=0.75 I=0.01 D=0.001).

GANZ WICHTIG: Dieser Test ist als Proof of Concept zu verstehen.

Ergebnis: Es lebt. Scheint noch Aggressionsprobleme zu haben, aber das 
ist eine Frage der Erziehung.

Als nächstes: Step-Response-Test. Extrapolation zur Ermittlung von 
Max-Temperatur. Abschätzen von Regelparametern.

Ich weiß, dass ich mit meinem Vorhaben viel zu viel Aufwand betreibe und 
gebe allen teilweise Recht, die einen PID-Regler, Raspberry-Pi usw. für 
übertrieben halten.
ABER: Ich will was lernen, worum ich mich schon länger drücke (Python). 
Ich will was bauen, was kompliziert genug ist um mir selbst was neues 
beizubringen. Mein Keramikofen ist also das "perfekte Opfer" (robust, 
nicht brennbar, weit entfernt von brennbarem Material aufgestellt und 
sowieso ohne Steuerung nutzlos).
Und falls da was gutes bei rumkommt, habe ich vielleicht auch schon 
einige Vorarbeit für meine nächstes Jahr anstehende Masterarbeit 
geleistet und Wissen gesammelt, das ich dann anwenden kann.

@Joachim B.: Schicker Ofen :) dagegen ist meiner ein Witz.
@Stefan F.: Das ist Geschmackssache. Mit den GPIO-Ports kann ich wenn 
dann eh nur ein SSR Schalten, weil der max. Schaltstrom gerade für ein 
SSR ausreicht.

Liebe Grüße
Jakob Wagner

Hallo an Alle!
Entschuldigt meine lange Pause, aber leider war ich beim Löten zu eilig 
und habe den RPi mit Lötzinn kurzgeschlossen. Der war schnell und billig 
ausgetauscht. Nur hat's den MAX31856 mit erwischt (äußerlich nix, 
vermutlich gebrickt oder überlastet). Lieferungen aus Großbritannien 
kurz vor Weihnachten waren auch eher kritisch, sodass ich jetzt erst 
nach einem Monat wieder voll ausgestattet bin.

Inzwischen ist alles auf einer Hutschiene montiert und funktioniert 
zuverlässig.
Die 230V-Seite hab ich gegen Überlast zusätzlich mit einem 
Einbauautomaten abgesichert. Ich glaube, über alle anderen 
Sicherheitsaspekte wurde hier schon genug geschrieben.
Das Python-Skript hat eine Logging-Funktion, die mir u.A. Soll- und 
Istwert einmal pro Sekunde speichert.

Der erste Test erscheint mir schonmal als gutes Ergebnis. Der 
Temperaturplot eines 200°C-Step-Response-Test ist beigefügt.
DISCLAIMER:
An dem Regler ist fast noch nichts eingestellt. Der P-Anteil ist bei 
1.1. I- und D-Anteil sind noch 0. Die richtige Reglereinstellung erfolgt 
erst am richtigen, großen Ofen.

Schönen Abend

H.Joachim S. schrieb:
> Ich habe echt gute Erfahrungen mit den Billig-Chinareglern
> gemacht:
> Ebay-Artikel Nr. 284145369294

Der kann doch nur 400 GradC, eas willst du den empfehlen ?

Sascha S. schrieb:
> Falls das Brenngut hohen Wert hat, nimmt man zwei Thermoelemente / ein
> Dual-TC und überwacht beid

Gute Idee. Mein Brennofen mit kiln ramp controller hat voriges Mal 
gesponnnen, Isttemperatur schwankte um 250 GrafC in Sekunden, mal 200, 
mal 450, bei 175 GradC real, und ich rätsle noch, warum. Bruch im 
Sensor, hmm, ist im kalten Zustand offenbar heile, Problem mit 
Elektronik, es hatte nur 4 GradC im Raum, muss mal Testlauf machen.

Sascha S. schrieb:
> Masseschlüsse der Wendelanschlüsse in Folge
> von Nestbildung der Wendeln.

Damit bin ich nicht vertraut, aber es klingt interessant. Kannst du den 
Effekt erklären, falls es nicht allzu viel Aufwand macht?

MaWin schrieb:
>
> Der kann doch nur 400 GradC, eas willst du den empfehlen ?

> Mein Brennofen...

...hat neuronentötenden Fusel gebrannt?

> gesponnnen, Isttemperatur schwankte um 250 GrafC in Sekunden, mal 200,
> mal 450, bei 175 GradC real

Um nicht gleich als Troll durchzufallen, sollte ein MaWin mindestens in 
der Lage sein seinem Computer ein °C zu entlockt. Ist auch weniger 
Fehleranfällig. ;-)

> td1.0

Dein erster Beitrag im Forum, in dem du von deiner überragenden 
Intelligenz berichten musst, oder wechselst du das Mäntelchen nach jedem 
Furz ?

MaWin schrieb:

> oder wechselst du das Mäntelchen nach jedem
> Furz ?
Genau wie Du, ich wechsele. Schlüpfe allerdings nicht in fremde Mäntel.

Danke Sascha

Hallo an Alle!
Die Einstellung des Reglers gestaltet sich aktuell relativ schwierig. 
Leider ist die Totzeit auf der Regelstrecke recht hoch. Anbei der 
Verlauf einer einfachen Sprungantwort. Selbst bei P=1 schwingen die 
Messwerte deutlich über.

Gerade arbeite ich noch an meinem kleinen Emaillierofen und habe den 
Temperaturfühler einfach durch eine Bohrung in der Klappe eingelegt. 
Daher wird die höhere Totzeit herrühren. Aber als kleine Herausforderung 
will ich dennoch versuchen, was dabei rauszubekommen. Sollte an sich ja 
nicht unmöglich sein.

Hilft, Den Regler fast zum kriechen zu bringen und dann I und D 
einzusetellen? mit aktuellen Ergebnissen weiter zu machen, ist ja 
Sinnlos.

@Sascha S.: Meinst du etwa sowas (zweites Bild)? Wirkt aber so, als wäre 
"zurückbiegen" da ein ganz gutes Mittel zur Reparatur.

Hoppla, den Hinweis hab ich überlesen. Anbei nochmal.

Joachim B. schrieb:
> Mit elektronischer Regelung reichte ein 2-Punktregelung völlig, sobald
> der Wert überschritten ist schaltet man ab und wenn der Wert
> unterschritten wird ein.

Und um wie viel schwingt der beim Hochfahren über? 100 °C?

Mein Regler am Härteofen hört schon mehrere Minuten vor dem Erreichen 
der Solltemperatur auf mit heizen. Muss dann oft nochmal kurz nachheizen 
und kann dann auf paar Grad genau halten.
Kommt halt auch drauf an wie viel im Ofen ist.

Sascha S. schrieb:
> leider werden die "Skizzen" oben nicht so angezeigt wir im Editor.

1

neu:

2

   /   /   /   /   /   /

3

alt:

4

             / / ///////

Besser so?
Da fehlten das Tagging mit

1

[pre]

Jakob Wagner schrieb:
> Anbei nochmal.

Warum  n o c h m a l ?

Sascha S. schrieb:
> Hat deine Messumformer / deine Schaltung eine Open-TC-Detection?

Ja, und Alarmausgang.
Aber die Thermoelementspannung war wohl noch im Rahmen.
Inzwischen hab ich den Sensor neu verdrahtet und er hat wieder 
funktioniert.