Sistema di monitoraggio e controllo per due bio-reattori per la produzione di micro-alghe
Nelle premesse era richiesto un sistema di monitoraggio e controllo basato su piattaforma Arduino o simile, quindi di facile manutenzione, integrazione con periferiche unbranded e di semplice replicabilità.
Due sistemi sperimentali per la coltivazione di microalghe, in un brodo derivato da reflui di altre produzioni, vengono messi in confronto a parità di condizioni operative.
Il primo sistema, denominato Thin Layer, consiste in uno scivolo lungo 20 metri, su cui corre libera l'acqua che contiene le alghe.
Il secondo sistema, denominato Flat Panel, consiste in due reattori da 1 metro quadro ciascuno, verticali, chiusi da due pareti di cristallo, con 100 litri complessivi di liquido ciascuno.
I parametri da monitorare nei due sistemi sono in parte gli stessi:
pH, D.O. - ossigeno disciolto, T - temperature. Nel primo sistema si aggiungono un controllo in caso di pioggia, un controllo di livello automatico per reintegrare quanto perso per evaporazione e una misura indiretta della insolazione.
I controlli da attuare sono invece: pompe di ricircolo e prelievo nel primo sistema, elettro-valvole per prelievi e pompe per rabbocchi nel secondo sistema.
Entrambi i sistemi sono dotati di un controllo della temperatura con riscaldatore e scambiatore termico per il freddo.
Due sistemi sperimentali per la coltivazione di microalghe, in un brodo derivato da reflui di altre produzioni, vengono messi in confronto a parità di condizioni operative.
Il primo sistema, denominato Thin Layer, consiste in uno scivolo lungo 20 metri, su cui corre libera l'acqua che contiene le alghe.
Il secondo sistema, denominato Flat Panel, consiste in due reattori da 1 metro quadro ciascuno, verticali, chiusi da due pareti di cristallo, con 100 litri complessivi di liquido ciascuno.
I parametri da monitorare nei due sistemi sono in parte gli stessi:
pH, D.O. - ossigeno disciolto, T - temperature. Nel primo sistema si aggiungono un controllo in caso di pioggia, un controllo di livello automatico per reintegrare quanto perso per evaporazione e una misura indiretta della insolazione.
I controlli da attuare sono invece: pompe di ricircolo e prelievo nel primo sistema, elettro-valvole per prelievi e pompe per rabbocchi nel secondo sistema.
Entrambi i sistemi sono dotati di un controllo della temperatura con riscaldatore e scambiatore termico per il freddo.
All'interno di un progetto per lo studio e la verifica di sistemi sperimentali per il trattamento di reflui della produzione lattiero-casearia, abbiamo progettato e realizzato piccoli gruppi di monitoraggio e controllo dei processi basati su piattaforma Arduino.
Questi sistemi utilizzano bio-reattori nei quali i reflui alimentano colture algali.
I parametri che vengono controllati sono pH, Ossigeno Disciolto, temperature, flusso nelle pompe di ricircolo, erogazione di CO2 per la correzione dell'acidità, erogazione di aria nei bioreattori e insolazione.
Per il sistema aperto viene anche gestito l'evento "pioggia", con segregazione del liquido contenente alghe e nutriente ed eliminazione dell'apporto di acqua piovana.

Nelle premesse vi era la richiesta di utilizzare strumenti e software "open", che potessero essere adattati alle necessità del progetto e in futuro ricondizionabili per poterne seguire l'evoluzione.
La piattaforma utilizzata per lo sviluppo è stata una versione industrializzata di Arduino, nota come Industruino.
A questa è stato affiancato un lato server per la gestione del dialogo con gli attuatori, il log delle operazioni e la parte di automazione e alerting.
Il lato server scelto è stato Node-RED, un ambiente che permette di collegare dispositivi, sensori e servizi attraverso una interfaccia grafica molto flessibile e intuitiva.
Node-RED gira in un server virtuale, nel nostro caso, con costi di esercizio minimi e alta affidabilità.
Come attuatori dei comandi elettrici sono stati scelti i controlli remoti di Itead distribuiti sotto il nome di SonOff, basati su processore ESP8266, che sono stati resi agnostici aggiornandoli con un firmware Tasmota.
Questo ha permesso di utilizzare dispositivi con marchio CE in tutte le fasi del progetto con estrema modularità.
Tutta la linea di comando/feedback è stata realizzata utilizzando messaggi MQTT - Message Queuing Telemetry Transport con una connessione della stazione/periferiche attraverso un punto di accesso wi-fi e una linea 3G sul campo.
Questi sistemi utilizzano bio-reattori nei quali i reflui alimentano colture algali.
I parametri che vengono controllati sono pH, Ossigeno Disciolto, temperature, flusso nelle pompe di ricircolo, erogazione di CO2 per la correzione dell'acidità, erogazione di aria nei bioreattori e insolazione.
Per il sistema aperto viene anche gestito l'evento "pioggia", con segregazione del liquido contenente alghe e nutriente ed eliminazione dell'apporto di acqua piovana.

Nelle premesse vi era la richiesta di utilizzare strumenti e software "open", che potessero essere adattati alle necessità del progetto e in futuro ricondizionabili per poterne seguire l'evoluzione.
La piattaforma utilizzata per lo sviluppo è stata una versione industrializzata di Arduino, nota come Industruino.
A questa è stato affiancato un lato server per la gestione del dialogo con gli attuatori, il log delle operazioni e la parte di automazione e alerting.
Il lato server scelto è stato Node-RED, un ambiente che permette di collegare dispositivi, sensori e servizi attraverso una interfaccia grafica molto flessibile e intuitiva.
Node-RED gira in un server virtuale, nel nostro caso, con costi di esercizio minimi e alta affidabilità.
Come attuatori dei comandi elettrici sono stati scelti i controlli remoti di Itead distribuiti sotto il nome di SonOff, basati su processore ESP8266, che sono stati resi agnostici aggiornandoli con un firmware Tasmota.
Questo ha permesso di utilizzare dispositivi con marchio CE in tutte le fasi del progetto con estrema modularità.
Tutta la linea di comando/feedback è stata realizzata utilizzando messaggi MQTT - Message Queuing Telemetry Transport con una connessione della stazione/periferiche attraverso un punto di accesso wi-fi e una linea 3G sul campo.
La catena di collegamento dei dispositivi ha un singolo punto di accesso a internet attraverso il modem 3G, dal quale parte una rete ethernet a cui si collega uno switch 5 porte da cui derivano: l'industruino del sistema Flat Panel e l'Access Point 2,4GHz.
Modem 3G Conel UR5i v2 con antenne MIMO, alimentazione 12VDC, 1 porta ethernet con scheda SIM
switch Netgear 5 porte 10/100/1000 alimentato a 12VDC
Access point Ubiquity 2,4 GHz alimentato via PoE.
I device wireless si collegano all'Access Point come client ottenendo un IP dinamico dal server DHCP integrato.
Modem 3G Conel UR5i v2 con antenne MIMO, alimentazione 12VDC, 1 porta ethernet con scheda SIM
switch Netgear 5 porte 10/100/1000 alimentato a 12VDC
Access point Ubiquity 2,4 GHz alimentato via PoE.
I device wireless si collegano all'Access Point come client ottenendo un IP dinamico dal server DHCP integrato.
SONOFF 4CH Controllo remoto con relè 4x10A, controllabile a distanza via server NodeRed dedicato alla installazione e in locale attraverso telecomando 433MHz.
SONOFF 1CH 16A con ingresso per sonda temperatura e umidità, controllabile a distanza attraverso server NodeRed dedicato
Termostati Inkbird ITC-308-WIFI con sonda di temperatura. Dedicati al controllo della temperatura dei dispositivi Flat Panel. Controllabili in remoto attraverso la app proprietaria InkbirdSmart.
Attuatori principali
Elettrovalvole 1/2" controllo 220VAC
Elettrovalvole 1/2" controllo 12VDC
Pompe a 220V con girante arretrata
Pompa peristaltica per refill su Thin Layer
Memorizzazione dei valori in uscita dalle sonde attraverso il servizio Cayenne di Mydevices.com a questo link
Logica di controllo
Industruino con modulo ethernet
SONOFF 1CH 16A con ingresso per sonda temperatura e umidità, controllabile a distanza attraverso server NodeRed dedicato
Termostati Inkbird ITC-308-WIFI con sonda di temperatura. Dedicati al controllo della temperatura dei dispositivi Flat Panel. Controllabili in remoto attraverso la app proprietaria InkbirdSmart.
Attuatori principali
Elettrovalvole 1/2" controllo 220VAC
Elettrovalvole 1/2" controllo 12VDC
Pompe a 220V con girante arretrata
Pompa peristaltica per refill su Thin Layer
Memorizzazione dei valori in uscita dalle sonde attraverso il servizio Cayenne di Mydevices.com a questo link
Logica di controllo
Industruino con modulo ethernet
Industruino è una scheda di controllo della famiglia "Arduino", prodotta da un progetto belga di Loic De Buck per portare solidità industriale nel mondo di Arduino.
É una scheda con display LCD integrato che si monta su barra DIN ed ha sia isolamenti elettrici interni di livello industriale, sia morsettiere a vite, tolleranza nelle alimentazioni, ingressi/uscite multifunzione e moduli di espansione.
Nel setup standard del nostro progetto è stato utilizzato un modulo Industruino con modulo di espansione ethernet. Del modulo sono poi stati utilizzati alcuni ingressi 4..20mA, il bus I2C e un ingresso 0-10V che legge il voltaggio in uscita da un piccolo pannello solare utilizzato come indicazione dell'insolazione incidente sul sito.
É una scheda con display LCD integrato che si monta su barra DIN ed ha sia isolamenti elettrici interni di livello industriale, sia morsettiere a vite, tolleranza nelle alimentazioni, ingressi/uscite multifunzione e moduli di espansione.
Nel setup standard del nostro progetto è stato utilizzato un modulo Industruino con modulo di espansione ethernet. Del modulo sono poi stati utilizzati alcuni ingressi 4..20mA, il bus I2C e un ingresso 0-10V che legge il voltaggio in uscita da un piccolo pannello solare utilizzato come indicazione dell'insolazione incidente sul sito.