Ventilsteuerung (Teil 1)

Meine Gartenbewässerung befindet sich seit längerer Zeit in der Beta Phase und daher habe ich noch keine ausreichenden Erfahrungswerte mit den technischen Komponenten und der Stabilität/Sicherheit. Ein Punkt der mich seit längerem beschäftigt, ist das Verhindern von ungewollten Wasseraustritt. Aktuell ist die Bewässerung noch über einen Verteiler am Außenwasserhahn angeschlossen, da das Verlegen eines dedizierten Rohres aus dem Keller in den Garten noch nicht realisiert ist.

Wie auch bei einem normalen Aqua-Stop bei Geschirr- und Waschmaschine habe ich die Sorge, dass bei einem Leck oder nach dem Platzen von Rohren Unmengen von Wasser austreten. Das ist insbesondere Ärgerlich, wenn man mal nicht da ist. Und eigentlich kann eine Bewässerungsanlage erst dann ihr volles Problemlösungspotential entfalten, wenn niemand da ist.

Daher ist meine Idee einen WLAN Wasserstop an den Außenwasserhahn zu schrauben, der über MQTT ein Ventil öffnet wenn Wasser gebraucht wird. Ähnlich wie bei einem Aqua-Stop System.

Zielstellung

  • Ein elektrisches Ventil 3/4 Zoll wird über MQTT geöffnet und geschlossen.
  • Die Verbindung vom Wasserhahn zum Ventil ist relativ sicher, dass diese Wegstrecke als Fehlerquelle weitestgehend wegfällt.
  • Das Design des Ventils sollte akzeptabel sein, da es direkt am Außenwasserhahn hängen soll und daher für jeden sichtbar ist. Auch für meine Frau.

Anforderungen

  • Das Ventil sollte in 3/4 Zoll ausgelegt sein, damit ausreichend Druck auf der Bewässerung ist.
  • Steuerung auf Basis von Espressif Prozessoren (ESP8266 oder ESP32) erfolgen, da ich mit den MCU bereits viele Erfahrungen gesammelt habe.
  • Eine Erweiterbarkeit für den Bluetooth Empfang (Feuchtigkeitssensoren im Garten) sollte vorhanden sein.
  • Keine hohen Spannungen am Ventil, weil es offen angeschlossen ist und die Anschlussdrähte einige Zentimeter frei liegen und in ein Gehäuse laufen.
  • Gleichstrom wäre schön, weil man es für den Betrieb von Relais und ESP bereits auf dem PCB hat.
  • Wetterfest sollte es sein, also mindestens IP65.

Komponenten

Die folgenden Komponenten werde ich wohl für das Projekt benötigen.

  • 3/4 Zoll elektrisches Ventil
  • Prozessor für WLAN und Logik (ESP8266 oder ESP32)
  • Relais zur Ventilsteuerung (Transistoren oder Finder Relais)
  • Stromversorgung für alle elektrischen Komponenten
  • Fittings, etc.

Magnetventil oder Kugelhahn-Ventil

Zentrales Element ist ohne Frage das Ventil. Hier gibt es im Kern zwei verschiedene Arten von Ventilen. Das Magnetventil oder das Kugelhahnventil.

Der Unterschied liegt darin, dass bei einem Magnetventil permanent Strom fließt, um das Ventil in einem von zwei Zuständen zu halten (offen oder geschlossen). Bei Ventilen, welche die Eigenschaft NC (Normal closed) sind, die also im stromlosen Zustand immer geschlossen sind, wird also Strom benötigt um das Ventil zu öffnen. Dieser Strom wird dann über die gesamte Dauer, in der das Ventil geöffnet sein soll, benötigt. Ist der Strom weg, gesteuert oder ungesteuert (Ausfall), schließt das Ventil sofort. Der permanente Strom auf der Spule, welche den Magneten anzieht, kann dazu führen, dass die Spule sehr stark erhitzt und nach langer Schaltzeit kaputt gehen kann. Zudem kann das Gehäuse sehr heiß werden, so dass man sich leicht daran verbrennen kann.

Ein Vorteil eines Magnetventils ist, dass der Zustand (geöffnet/geschlossen) festgestellt werden kann. Wenn Strom fließt, ist das Ventil (wahrscheinlich) offen und wenn keiner fließt, ist das Ventil (wahrscheinlich) geschlossen. Zudem ist es durchaus praktisch, wenn das Ventil im stromlosen Zustand sofort schließt. Auch die Öffnungsgeschwindigkeit ist bei Magnetventilen im Vergleich zum Kugelhahn-Ventil sehr schnell. Das Magnet-Ventil macht klack und ist offen.

Bei einem Kugelhahn-Ventil wird nur für die Zustandsänderung Strom gebraucht. Ähnlich wie beim normalen Wasserhahn, bei dem auch nur die manuelle Arbeit bein Zustandswechsel benötigt wird. Die Öffnungsgeschwindigkeit kann je nach Ventil zwischen einige Sekunden bis zu 15 Sekunden dauern.

Hier eine kleine Tabelle ohne Anspruch auf Korrektheit oder Vollständigkeit. Einfach die Ergebnisse meiner kleinen Produkt-Recherche.

EigenschaftKugelhahn-VentilMagnetventil
StromverbrauchNur bei ZustandsänderungPermament bei einem Zustands.
Bei NC Ventilen immer Strom
wenn Ventil geöffnet ist.
WärmeentwicklungKeineGgf., je nach Bauart, wird die Spule und das Gehäuse sehr heiß und das Ventil kann kaputt gehen.
Öffnungs- und Schließ-geschwindigkeitLangsam. Einige Sekunden
bis zu 15 Sekunden oder mehr.
Sehr schnell.
ZustandsermittlungElektronisch nicht möglichDurch Messung des Strom kann
der Zustand ermittelt werden.
Vorausgesetzt das Ventil
klemmt nicht oder ist defekt.
LeistungHohe LeistungsanforderungGeringe
Leistungsanforderung
Vergleich Magnet-Ventil vs. Kugelhahn-Ventil

Ventile gibt es wie Sand am Meer, doch ich bin recht schnell beim Hersteller USSolid hängengeblieben. Dieser hat beide Ventilarten mit verschiedenen Spannungen und Gewindegrößen im Angebot. Ich habe dann die folgenden beiden Ventile bestellt, um beide mal auszuprobieren und mich dann zu entscheiden.

Motorisierter Kugelhahn- (1/4″, 1/2″ oder 3/4″) Rostfreier Stahl Elektrisches Kugelventil, 9-24V AC/DC und Einrichtung mit 3 Drähten

Elektrisches Magnetventil- 3/4″ (Messing oder Rostfreier Stahl) 12V DC Normalerweise Geschlossen, VITON

Prozessor

Da ich bereits recht viel Erfahrung mit den beiden Espressif MCUs habe, kommt einer von beiden hier zum Einsatz. Um die notwendigen Funktionen abzubilden, reicht im Prinzip ein kleiner ESP8266 völlig aus. Da ich aber als Erweiterung gerne auch Bluetooth Bodenfeuchtigkeitssensoren anbinden möchte, wird es wohl eher der ESP32 werden.

Stromversorgung

Die Art der Stromversorgung hängt natürlich stark an den zu nutzenden Komponenten. Da 230 Volt AC vor Ort gegeben sind, und ich auf jeden Fall 12 Volt DC für die Steuerung der Ventile brauche, kann ich sicher ein 12 Volt Netzteil einplanen. Da ich mit Meanwell sehr gute Erfahrungen gemacht habe, fiel die Wahl schnell auf das IRM-30-12TS. Das kann maximal 2,5 A liefern und ist als Printmontage oder Modul verfügbar. Da ich keine 230 Volt Leiterbahnen auf der Platine haben möchte, habe ich die Modulversion genommen.

Relais

Das Thema Relais ist recht umfangreich. Bei der Auswahl ist natürlich erstmal der zu schaltenden Strom/Spannung, sowie die Steuerspannung und -strom zu betrachten.

Schaltstrom: Beide Ventile benötigen 12 Volt, haben aber unterschiedliche Leistungsanforderungen. Das Kugelhahn-Ventil benötigt lt. Datenblatt eine Leistung von 2 Watt, was bei 12 Volt dann 166 mA wären. Also nicht so viel. Das Magnet-Ventil benötigt hingegen benötigt das 10fache, also 20 Watt. Damit wären wir bei ca. 1,6 Ampere.

Ich nutzte gerne die Finder Printrelais aus der Baureihe 36. Die haben alle Spulenspannungen und Leistungsbereiche im Angebot. Das Problem in der Zusammenarbeit mit dem ESP8266 oder 32 ist, dass die GPIOs nur 3,3 Volt können und maximal 40mA. Während es von Finder sogar ein Relais mit einer Spulenspannung von 3 Volt gibt, reicht die Stromstärke von 40mA auf keinen Fall aus der Relais zu schalten. So oder so muss also ein Transistor als Schalter her.

Und wenn ich schon einen Transistor brauche, dann kann ich auch gleich ein 5 Volt Relais nehmen, wenn man ggf. bereits 5 Volt für die Versorgung eines ESP32 Development Moduls hat.

Eigenbau-Relais oder Relaisboard

Bei den Relais stellt sich die Frage, ob man mit eigene Relais verbaut oder auf Relaisboards zurückgreift. Für einen solchen Einsatzzweck setzte ich gewöhnlich Relais mit 5 Volt Versorgungsspannung eingesetzt. Diese Relaismodule gibt es überall für wenig Geld in verschiedenen Ausführungen mit 1,2,4 oder 8 Relais auf einer Karte. Da ist meist noch ein Optokoppler dabei und schicke LED die den Status der Relais anzeigen.

Der diskrete Aufbau mit Prozessor, Widerständen, Dioden, Transistoren macht natürlich mehr Spaß, doch führt zu einer deutlich längeren Entwicklungsphase (Siehe Home-Controller). Zudem lassen sich beim Modulansatz auch Komponenten bündelt.

So hat das ESP32 Development Board bereits einen 3,3 Volt Buck Converter an Board, der den Anschluss von 5 Volt ermöglicht. Also genau die Spannung, die ich auch für die Relais brauche. Zudem ist ein USB Port integriert, der ein Software Upgrade (Wenn OTA mal nicht geht), ermöglicht.

OK, dann also das ESP32 Dev. Board. Es tut zwar ein bisschen Weh das zu verbauen, aber so ist wohl sinnvoller als jetzt alles manuell zu engineeren.

Bei der Ansteuerung muss zwischen der Betriebsspannung und der Steuerspannung unterschieden werden. Als Betriebsspannung werden bei diesen Modulen auf jeden Fall 5 Volt gebraucht, doch die notwendige Trigger-Spannung, also die Spannung die das Relais schaltet, kann zwischen 3 und 7 VDC liegen. Je nach Relais sind die Spannungen aber anders. So ist der Arbeitsbereich des Finder Relais 36.11.9.005.4011 lt. Datenblatt zwischen 3,7 und 7,5 Volt. Der GPIO wird ein Finder Relais also nicht schalten können. Also muss eine Schaltung mit Transistoren her.

Auch hier stellt sich wieder die Frage Einzelkomponenten oder Module. Relaismodule gibt es ja auch für sehr kleines Geld in mit 1, 2, 4, 8 oder sogar 16 Relais. Also nicht lange überlegt und das 2 Relais Modul bestellt. Geht so alles etwas fixer. Die Relais können max. 30 VDC mit max. 10 A. Das sollte also reichen.

Damit ist dann auch die Frage der Stromversorgung geklärt. Ich brauche also einen DC/DC Converter von 12VDC zu 5 VDC. Damit kann ich dann den ESP und das Relais mit 5 Volt versorgen.

Erstes Design

Nun habe ich alle Designentscheidungen getroffen und kann das Ganze mal visualisieren.

Im nächsten Teil geht es um die elektrische Planung und den Aufbau auf dem Breadboard.

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