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In this part you will learn:
Eine Statemachine (oder Zustandsautomat) hat verschiedene Zustände (States) und Zustandsübergänge (Transitions), durch die sie ihren Zustand wechseln kann. Um den Zustand wechseln zu können, müssen bestimmte Bedingungen erfüllt sein.
Hier konkret: Die Heizungssteuerung verschiedene Zustände (Kalt, Aufwärmen, Warm, zu Warm, …), in denen verschiedene Aktionen ausgeführt werden (z.B. Pumpe an, Warnung ausgeben, …). Um von einem in einen anderen Zustand zu gelangen, müssen verschiedene Bedingungen erfüllt sein (bestimmte Temperaturschwellen müssen erreicht werden).
Eine Statemachine ist meist verhältnismäßig einfach zu verstehen und übersichtlich. Sie können das reale System einfach sehr gut abbilden. Deswegen nutze ich sie hier.
Hier mal ein Schaubild der Heizung. Eigentlich brauche ich nur drei Temperaturmessstellen (T_Oven, T_TankU, T_TankL), ich möchte mir aber, nur aus Interesse, weitere anzeigen lassen.
| Messstelle | Langbezeichnung (engl.) | Bedeutung | wichtig für Steuerung |
|---|---|---|---|
| T_Oven | Oven | Ofen | Ja |
| T_TankU | Tank Upper | Speicher Oben | Ja |
| T_TankL | Tank Lower | Speicher Unten | Ja |
| T_Gas | Gas | Gasheizung | Nein |
| T_Amb | Ambient | Umgebung (außen) | Nein |
| T_HeatF | Heater Flow | Heizungsvorlauf | Nein |
| T_HeatR | Heater Return | Heizungsrücklauf | Nein |
| T_Water | Water | Warmwasser | Nein |
| P1 | Pump 1 | Ladepumpe | Ja |
| P2 | Pump 2 | Heizungspumpe | Nein |
Gesteuert werden soll die zunächst nur Ladepumpe (P1). Die Heizungspumpe (P2) hat eine andere Steuerung, die ich noch nicht ersetzen will. Der Ofen wird mit Holz betrieben und ist die Hauptwärmequelle. Wenn gerade keiner da ist, wird auch mal die Gasheizung genutzt, aber eher selten. Die Gasheizung hat ebenfalls eine eigene Pumpe, die ich auch noch nicht steuern will.
Nun zum Ablauf:
Die Steuerung startet im Zustand „Cold“. Sobald mit dem Heizen begonnen wird, (Temperaturschwelle im Ofen überschritten), wird in den Zustand „HeatUp1“ gewechselt. Hier springt die Pumpe P1 an (natürlich nur, wenn die Temperatur im Speicher geringer ist als die im Ofen). Die Pumpe läuft solange, bis die Temperatur im Ofen zu klein wird (kleiner als Temperaturschwelle oder kleiner als die Temperatur im Speicher) und wechselt dann in den Zustand „HeatUp2“, in dem die Pumpe ausgeschaltet wird. Mit ausgeschalteter Pumpe steigt die Temperatur im Ofen wieder und ab einer gewissen Temperaturdifferenz (Ofen – Speicher) wird wieder in den Zustand „HeatUp1“ gewechselt. Diese beiden Zustände wechseln sich so lange ab, bis der Speicher warm (größer als Temperaturschwelle) ist. Dann wird in den Zustand „Hot“ gewechselt und die Pumpe geht aus. Das bewirkt, dass die Temperatur im Ofen weiter steigt und die Luftklappe automatisch zu und der Ofen aus geht. Sobald dann die Temperatur im Ofen wieder weit genug gesunken ist, wird wieder in den Zustand „Cold“ gewechselt und der Ablauf beginnt von neuem.
So zumindest die Theorie. Wir sollten aber auch Fehlerzustände berücksichtigen: Was passiert, wenn die Luftklappe hängt? Oder das Einschalten der Pumpe keinen Temperaturabfall im Ofen bewirkt, z.B. weil die Pumpe kaputt ist? Wenn die Temperatur im Ofen eine gewisse Temperaturschwelle übersteigt, soll in den Zustand „toHot“ gewechselt werden (Warnschwelle 1). Wenn die Temperatur dann noch weiter steigt, soll in den Zustand „muchToHot“ gewechselt werden. Was in diesen Zuständen dann genau passiert (Warn-Lampe, Ton, Meldung aufs Handy), können wir uns später überlegen. Ich habe nur ersteinmal die Zustände vorgesehen.
Mein Zustandsautomat sieht dann also so aus (zumindest zum Zeitpunkt, zu dem ich das hier schreibe. Wenn ich daran noch was ändere, schreibe ich noch ein Update). In Klammern habe ich immer einen Vorschlag für die Temperaturschwellen angegeben, die sollen aber einstellbar sein.
Falls du Heizungsbauer bist und eine Idee hast, wie man hier was besser machen kann, schreib es gern in die Kommentare.
Ich habe für solche Anwendungen (Statemachine) auch ein kleines Python-Modul geschrieben. Du kannst es dir mit upip.install("micropython-eydam-prototyping-statemachine") installieren.
Bevor wir die Statemachine umsetzen können, müssen wir uns aber erst einmal um die Temperaturschwellen kümmern. Die wollen wir wieder in der Weboberfläche einstellen können. Du kennst die nötigen Schritte dafür ja schon: Config-Datei erstellen, Rest-Server erstellen, HTML-Seite erstellen. Ich schreibe jetzt nicht jeden einzelnen Schritt auf. Du kannst dir die Dateien heater_http_v3.py, ht_config.json and ht_config_v1.html auf github dafür anschauen.
Jetzt können wir die Statemachine umsetzen. Ich lagere sie gleich in eine neue Datei statemachine.py aus. Die Statemachine muss einerseits die aktuellen Temperaturen kennen und andererseits auch die Schwellwerte. Wir übergeben ihr also zwei Funktionen, mit denen diese ermittelt werden können. Als nächstes definieren wir die States, dann die Transitions und zum Schluss ordnen wir die Transitions den States zu:
Als nächstes müssen wir einiges in der main.py ändern. Wir brauchen zuerst zwei Funktionen, mit denen die Statemachine die Sensorwerte und die Schwellen ermitteln kann. Dies mache ich mit Lambda-Funktionen, die jeweils einfach nur Werte aus Dictionarys auslesen. Um das Dictionary mit den Temperaturen zu füllen, können wir eine Funktion schreiben, die das im vorhin definierten Timer umsetzt. Hier arbeiten wir etwas ungenau: die Funktion ds.convert_temp() startet die Messprozedur in den Sensoren, sie wartet aber nicht, bis sie fertig sind. Das kann bis zu 750ms dauern. Wir wollen in einem Interrupt aber nicht warten sondern lesen die Temperaturen direkt aus und bekommen so die alten Temperaturen. Unsere Steuerung hängt also um einen Takt hinterher, was uns hier aber nicht stören soll.
Unsere main.py sieht jetzt so aus:
Es kann sein, dass du in der Weboberfläche den Sensor T_Ofen in T_Oven umbennen musst, damit das Folgende funktioniert.
Wenn du den ESP32 jetzt einmal neu startest, sollte die Steuerung an sich schon funktionieren. Das kannst du in der REPL einmal ausprobieren:
Wenn du den Sensor jetzt mal mit einem Feuerzeug heiß machst (Achtung, nicht übertreiben, er ist nur bis 125°C ausgelegt), sollte sich der Zustand der Statemachine ändern:
Super. Ob wirklich alles richtig funktioniert, testen wir, wenn wir auch die anderen Sensoren angeschlossen haben.
Jetzt müssen wir nur noch die Pumpe anschalten und Warnmeldungen ausgeben, wenn wir in die entsprechenden States wechseln. Auf dem SolidCircuit-HV3 sind bereits zwei Relais verbaut, du brauchst sie nur noch anzuschließen.
Eine Überlegung zum Anschluss der Pumpe: Das Relais hat zwei Klemmen, die du Nutzen kannst: N.O. (Normal Open) und N.C. (Normal Closed). Wenn du das Relais einschaltest, ist also der N.O.-Ausgang bestromt, ansonsten der N.C.-Ausgang. Du solltest hier überlegen, welche Fehlerfälle auftreten können und was wann am sichersten ist. Mal angenommen, der ESP32 hat eine Fehlfunktion und bleibt in einem State hängen. Hier kannst du nicht wissen, in welchem State er hängen bleibt, es ist also egal, ob du die Pumpe an N.O. oder N.C. anklemmst. Was passiert aber, wenn das Netzteil versagt? Dann startet der ESP32 nicht und das Relais wird nicht bestromt. Und du kannst es in diesem Zustand auch nicht so einfach einschalten, weil du ja irgendwo Strom für das Relais herbekommen müsstest. In diesem Zustand sollte die Pumpe lieber an als aus sein, damit der Ofen in keinem Fall überhitzt.
Für den Fall, dass der ESP32 eine Fehlfunktion hat, will ich mit einem Schalter dafür sorgen können, dass das Relais aus und die Pumpe eingeschaltet wird. Zusätzlich will ich über eine LED sehen, ob die Pumpe gerade an oder aus ist. Dafür habe ich mir folgende Schaltung überlegt:
Ich habe mir fertige LED-Module gekauft, in denen ein Vorwiderstand bereits eingebaut ist. Deswegen dimensioniere ich den Vorwiderstand hier nicht.
Dann brauche ich noch eine LED für die Warnungsanzeige.
Okay, jetzt schreibe ich mir noch ein paar Funktionen die ausgelöst werden sollen, wenn ein State betreten wird:
Okay, jetzt nochmal der Feuerzeug-Test und dann funktioniert die Steuerung an sich schon mal. In the next chapter werden wir die Messwerte per MQTT ausgeben und zum Schluss noch ein Display anschließen.
