21 Dicembre 2012

 

Pubblicazione articolo: "BioGEST: gestione di un impianto di compostaggio con NI LabVIEW e Arduino"

Autore: Pierpaolo Giovannozzi

Articolo:


Breve riassunto

Il sistema sviluppato per l'azienda ProEng utilizza due schede Arduino Mega2560 per il monitoraggio e la gestione degli hardware presenti nelle aree dell'impianto. Sulla prima scheda è stata montata una interfaccia realizzata nei nostri laboratori che comunica con 12 sensori di temperatura tipo PT100 e, sulla seconda scheda, una interfaccia per la gestione di 12 inverter collegati a ventilatori da 15kW, 5 elettrovalvole e 1 inverter per la gestione di un ventilatore da 75kW.

La gestione di tutti questi hardware in maniera semplice, compatta ed affidabile è stata effettuata con NI LabVIEW e LabVIEW Interface for Arduino.

Articolo

L'esigenza principale per la quale è stato scelto di realizzare un sistema di controllo e gestione per l'impianto in oggetto, era rappresentata dagli alti consumi che si dovevano sostenere facendo funzionare in maniera costante i 12 ventilatori da 15kW che servono ad inviare aria ai vari cumuli di biomasse dell'impianto.

Era necessario un sistema automatico che potesse, in maniera autonoma, regolare l'avviamento dei motori dei ventilatori che servono ad ossigenare le biocelle evitando che la biomassa presente al loro interno raggiungesse temperature elevate e, allo stesso tempo, permettendo una corretta ossigenazione dei cumuli, il tutto evitando un funzionamento continuo e sregolato dei ventilatori e la necessità di un costante controllo in loco dell'impianto da parte di un operatore.

L'impianto è suddiviso in quattro aree:

- zona di biossidazione nella quale sono presenti 4 ventilatori da 15kW e 4 elettrovalvole per umidificazione;

- zona di maturazione nella quale sono presenti 8 ventilatori da 15kW;

- biofiltro nel quale è presente 1 ventilatore da 75kW e 1 elettrovalvola per umidificazione;

- area uffici dislocata rispetto alle precedenti.

La presenza delle 4 elettrovalvole, nella zona di biossidazione, è necessaria ad umidificare i cumuli per abbassare le temperature regolarmente.

Scelta dell'hardware

La prima scelta effettuata, è stata quella di fornire l'impianto di 12 sensori di temperatura tipo PT100 con i quali monitorare le temperature dei cumuli di biomassa nelle aree di stoccaggio. In base ai dati acquisiti è stato possibile controllare gli inverter collegati ai ventilatori e le elettrovalvole tramite software LabVIEW e il microcontrollore Arduino.

La soluzione adottata è stata quella di utilizzare due schede Arduino Mega2560 con interfacce realizzate appositamente dal nostro gruppo e su cui è stato precedentemente caricato il firmware LIFA_BASE del pacchetto LIFA per poter interagire con l'hardware direttamente tramite LabVIEW.

Le due schede, collegate tramite due porte usb 2.0, comunicano con il pc sul quale gira il software BioGEST per la gestione dell'impianto: una scheda acquisisce le temperature dalle sonde mentre l'altra viene usata per inviare i comandi agli inverter e alle elettrovalvole.

Il sistema è stato poi collegato tramite antenne wireless ad alto guadagno alla rete aziendale degli uffici, permettendo il controllo del sistema da ogni postazione presente nell'impianto.

Il progetto è stato così suddiviso:

- acquisizione delle temperature dalle sonde presenti nelle aree di stoccaggio;

- controllo degli inverter per la gestione dei ventilatori;

- controllo delle elettrovalvole per l'umidificazione dei cumuli di biomassa;

- collegamento wireless alla rete aziendale per interagire con il Front Panel.

Funzionamento del software e dell'hardware

Tramite il pacchetto LIFA sono state inizializzate le singole schede e, tramite Arduino Palette, è stato possibile sia  acquisire i segnali in ingresso dai sensori di temperatura, sia controllare l'avviamento degli inverter e l'apertura delle elettrovalvole.

I sensori PT100 sono stati dotati di trasmettitore e convertitore di segnale per poter collegare il segnale in uscita da essi agli input analogici della prima scheda Arduino Mega2560.

Tramite Analog Read Pin è stato acquisito il segnale e, tramite il software, convertito in temperatura in modo da essere visualizzato sulla scheda presente nel Front Panel di ogni area.

Nella scheda di ogni settore, la temperatura viene visualizzata su un chart in grado di mantenere lo storico dell'andamento durante ogni singola fase del cumulo.

Ad ogni istante la temperatura viene confrontata con quella minima per l'accensione del ventilatore: se la temperatura è superiore a quella stabilita si invia, tramite Digital Write Pin, il comando all'interfaccia della scheda la quale converte il segnale da inviare all'inverter regolando l'avviamento del ventilatore collegato alla biocella in questione.

Nel momento in cui la temperatura scende al di sotto della soglia di accensione, viene inviato un segnale all'inverter, che immediatamente attua lo spegnimento del motore del ventilatore.

L'avviamento dei ventilatori è possibile anche con un sistema temporizzato a cicli regolari esente dal controllo delle temperature e selezionabile da Front Panel.

La temperatura deve essere, durante le fasi di fermentazione, sempre superiore a quella stabilita per legge: è stato così inserito nel software un sistema di controllo che monitorizza la temperatura e controlla l'effettivo andamento della fase di igienizzazione del cumulo secondo i termini di legge, visualizzando i tempi di maturazione della biomassa e avvertendo l'operatore nel caso in cui la fase sia terminata in maniera regolare.

In questo modo i ventilatori entrano in funzione solo nel momento in cui è effettivamente necessario introdurre ossigeno nelle biocelle evitando inutili sprechi elettrici in tutto l'impianto.

In ogni scheda relativa alle varie aree dell'impianto, al termine della fase di igienizzazione, è possibile salvare un report che contiene l'andamento della temperatura durante tutto l'arco della fase e sancisce l'effettiva regolarità secondo normativa.

La gestione dell'apertura delle elettrovalvole, per le aree di biossidazione, avviene in maniera automatica tramite temporizzatore orario gestito via software, il quale invia il segnale di apertura delle valvole ogni ora a tempi prestabiliti dall'operatore, utilizzando dei relè collegati alle uscite digitali della seconda scheda Arduino adibita esclusivamente all'azionamento degli inverter e delle elettrovalvole.

Vantaggi della soluzione

La soluzione ha portato ad una diminuzione sensibile dei costi di gestione dell'impianto, il quale gestisce in maniera completamente autonoma l'avviamento e lo spegnimento di ogni motore.

Dal Front Panel del software BioGEST è possibile controllare lo stato di ogni singolo ventilatore ed umidificatore e verificare, in tempo reale, il corretto avanzamento delle fasi dei cumuli di biomassa.

E' possibile inoltre accedere all'interfaccia grafica del software da ogni postazione nella rete aziendale, permettendo il controllo dell'effettivo funzionamento dell'impianto da ogni terminale.

Conclusioni

La versatilità delle schede Arduino e la LabVIEW interface for arduino (LIFA) hanno permesso di realizzare un sistema di controllo embedded basato su LabVIEW molto compatto ed affidabile che soddisfa pienamente gli obiettivi che si volevano raggiungere.

Si considera inoltre la possibilità di collegare il sistema ad internet per poter visualizzare il funzionamento dell'impianto anche tramite dispositivi mobili e da ogni postazione avente accesso alla rete internet.