Steuerungselektronik für Espressomaschinen

 

Durch die modulare Systemelektronik wird aus der elektromechanischen Espressomaschine ein Industrie 4.0 Produkt. Die Kernaufgaben der Systemelektronik sind definiert als


1.) Übergabe der Bedienanforderung (Tasten) an den Controller

2.) Übergabe Systemparameter (Sensoren) an den Controller

3.) Übergabe der Stellgrößen (Ventilstellungen, Pumpensollwert) vom Controller an die Mechatronik

4.) Übergabe von Nutzerinformationen vom Controller an die Mechatronik


Im weiteren muss die Systemelektronik die Aufgabe


5.) Datenübergabe von Controller an WLAN oder Bluetooth


sicher gestellt werden. Wobei dies u.u. durch den Controller selbst geleistet werden kann.


Für die Systemelektronik ist eine dreistufiger Entwicklungsprozess definiert. Zunächst erfolgt die Hardwareentwicklung der erforderlichen elektronischen Schaltungen um die Kernaufgaben der Systemelektronik sicher zu stellen. In dieser Phase ist die Nutzung eines Raspberry Pi PICO als MCU möglich, weil diese Schnittstele dazu integriert wird. Zur Vereinfachung des Entwicklungsprozesses ist primär die Kopplung der Systemelektronik mit einem Raspberry Pi als Schnittstelle zum PC mit MATLAB® vorgesehen. Auf der Platine der Systemelektronik ist der Bauraum für die Ziel-MCU nebst Bluetooth/WLAN-Controller vorzuhalten. Die Belange aus den angrenzenden Projekten, Pumpenprüfstand und labortechnische Espressomaschine (Ein- und Zweigruppig) sowie die noch nicht final entschiedene Sensorik, sind zu berücksichtigen. Zwangsläufig wird dies eine Maximum-Systemelektronik (Basiselektronik), die auch für spätere Projekte zum Einstieg dienen wird.


In einer Zwischenphase wird für die Softwareentwicklung der Basisfunktionalität unter Beachtung der Ziel-MCU der Raspberry Pi PICO als MCU eingesetzt. Die Softwareentwicklung erfolgt modularisiert und parametrisiert, so dass ein Umstieg auf eine andere MCU lediglich eine Umparametrisierung erfordert. Programmiersprache vorzugsweise microPython. Für die zweite Entwicklungsphase wird keine neue Systemelektronik entwickelt.


Die finale Systemelektronik wird auf Basis der Basiselektronik und in Abstimmung der beteiligten Prozesspartner definiert. Operativ ist dies eine Reduktion der Basiselektronik auf die erforderlichen Komponenten. Letztlich werden einzelne Schaltungen aus der Basiselektronik entfernt und die Ziel-MCU integriert.


Als Ziel-MCU wird aktuell ein ESP32 betrachtet.


Die Systemelektronik baut auf einer Basisplatine auf. Hierzu gibt es durch [6] einen ersten Entwurf. Dieser ist jedoch nicht funktionsfähig. Von einer nicht vollständig funktionsfähigen Basisplatinenvariante existieren drei Exemplare.

Die Basiselektronik ist wie folgt definiert:


1.) Spannungsregler

externes Netzteil 24 V DC 250 W

5,1 V DC mindestens 3 A für die Versorgung der Basiselektronik nebst Raspberry Pi

3,3 V Displayversorgung


2.) SSR-Insel

5 SSRs zum Schalten von elektrischen Lasten 230 V AC 50 Hz 2 A

1 Signaldurchleitung

230 V AC Verteiler

- Netzteil

- nächste SSR-Insel

- Heizelement


3.) NTC-Messplatine (Temperatursensoren)

Ausgelegt für 4 NTCs 10 kOhm mit TP-Filter 10 Hz

Signalverstärkung auf den Messbereich des ADCs der Ziel MCU (üblich 3,3 V)


4.) Brückenschaltung-Messplatine

Ausgelegt auf 4 Sensoren in Brückenschaltung

Abgleichbare Signalverstärkung auf den Messbereich des ADCs der Ziel MCU (üblich 3,3 V)

Abgleichbare Nullpunktverschiebung

TP-Filter 10 Hz


5.) Spannungs-Messplatine

Ausgelegt auf 4 Sensoreingänge

Abgleichbarer Spannungsteiler mit TP-Filter 10 Hz


6.) Displayplatine

Montage und Ansteuerung des Displays

Aufnahme der Spannungsteilerlogik für die Drucktasten


7.) Elektronikumfang der Basisplatine

- 3 x Füllstand mit Zustandsanzeige (LED) über Kurzschlussdetektion

  (funktionsfähige Schaltung vorhanden), als Spannungseingang aufgelegt

- 2 x Flowmeter mit ISR an MCU

- 2 x links/rechts Erkennung mit ISR an MCU

- 16 LEDs Zustand am GPIO-Expander

- 2 x Ananolg-Sollwertsignal 0 bis 10 Volt über DAC und Operationsverstärker

- 2 x 8 auf 1Multiplexer für die Analogeingänge, verteilt auf zwei ADC-PINs

MUX1

- 4 x NTC

- 4 x Druck


MUX2

- 3 x Füllstand

- Spannungsteiler Tasten

- 4 x Spannung von Spannungsmessplatine


- MCP23017, (I2C) GPIO Expander für die Ansteuerung der SSRs

- Datum und Uhrzeit

- LED-Beleuchtung, Helligkeit über PWM ( > 100 Hz) aus der MCU

- Integration Helligkeitssensor ggf. auf Spannungs-Messplatine

- Referenzspannung für ADC und NTC-Messplatine



Verfasser:

Armin Rohnen



Institut für Kaffeetechnologie, armini gbr Ingenieursdienstleistungen