Abschlussarbeit Jan Budnick

Verfasser

Jan Budnick

Einleitung

Im Zuge verschiedener studentischer Projekte und Kooperationen wurden mehrere Espressomaschinen entwickelt. Wichtiger Bestandteil aller Modelle ist die Parametrierbarkeit. Diese ist vor allem wichtig, um das Hauptziel der Maschinen zu ermöglichen: Das Abbilden verschiedener Maschinen in einer. Um dies zu erreichen, besitzen diese Maschinen verschiedene Modifikationen gegenüber marktüblichen Modellen. Sie haben eine unbeheizte Brühgruppe. Die Brühgruppe besteht aus Kunststoff mit geringer Wärmkapazität, um dem Wasser möglichst wenig Energie zu entziehen. Dies ermöglicht verschiedene Wasserbezugstemperaturen, ohne auf das Aufheizen oder Abkühlen der Brühgruppe zu warten. Die unterschiedlichen Temperaturen werden durch einen dosierbaren Mischer in der Bezugsstrecke ermöglicht. Zusätzlich werden Wasserdruck und Durchfluss (Flowrate) durch eine drehzahlgeregelte Zahnradpumpe einstellbar. Das heiße Wasser wird durch einen Wärmetauscher, in Form einer Wasserwendel, bereitgestellt. Diese befindet sich in einem Wasserkessel, der für die Dampfbereitstellung verwendet wird.

Um verschiedene Maschinen abbilden zu können werden Regler benötigt. Die ersten Regler werden in dieser Arbeit beschrieben. Dies beinhaltet eine Füllstands- und Heizregelung für den Kessel sowie eine Durchfluss- und Temperaturreglung für das bezogene Kaffee- und Teewasser. Betrieb und Bedienung der Maschinen werden über ein STM32F411RE (im weiteren MCU genannt) und eine grafische Oberfläche realisiert. Die MCU steuert Aktorik und liest Sensorik mittels Maschinenbefehlen aus. Diese werden in der Programmiersprache MicroPython ausgeführt. Die grafische Oberfläche (fortan App genannt) wird in MATLAB® APPDESIGNER realisiert (auf einem separaten Gerät). Diese nimmt die Messwerte der MCU entgegen, verarbeitet sie und zeigt sie dem Nutzer an. Zusätzlich laufen Regler und Programme (z.B. Kaffeebezug) in der App. Die Interaktion des Nutzers wird durch verschiedene Bedienelemente wie Knöpfe, Schalter und Bearbeitungsfelder ermöglicht. Nachdem die App Regler und Programme abgearbeitet hat, übergibt diese die Aktorenbefehle an die MCU mittels serieller Kommunikation.

Das Objekt dieser Arbeit ist vorrangig die Labortechnische Espressomaschine. Die Entwicklung einer Betriebssoftware inkl. Regler zum Bezug von Kaffee ist das Ziel dieser Arbeit. Im Zuge dessen werden auch Probleme untersucht und einige physische Anpassungen vorgenommen. Dort, wo es an Zeit oder Mittel mangelt, werden passende Lösungsideen bereitgestellt. Es wird dabei nicht auf jedes Detail eingegangen. Vielmehr versucht diese Arbeit einen Überblick über die abgeleisteten Arbeiten und die Herangehensweise zu geben. Im Vordergrund stehen die Untersuchung und Lösung von Problemen. Genauso wird die entwickelte Software nicht im Detail erklärt, sondern die Aufgabe untersucht, ein Ansatz erklärt und Verbesserungsmöglichkeiten präsentiert. Die Erkenntnisse dieser Arbeit sind übertragbar auf die anderen Modelle. Auch die Software lässt sich an die anderen Modelle anpassen.

Inhaltsverzeichnis

1 Einführung
2 Stand der Entwicklung
3 Aufbau der Labortechnischen Espressomaschine
3.1 Magnetventile
3.2 Pumpe
3.3 Dosierventil
3.4 Kesselheizelement
3.5 Weitere hydraulische Komponenten
3.6 Temperatursensoren vom Typ NTC
3.7 Vorkalibrierte Sensoren mit Spannungsausgabe (inkl. Füllstand)
3.8 Flowmeter
4 Betrieb der Maschine (Software)
4.1 MATLAB® App im Überblick
4.2 Kommunikation und Befehlsausführung
4.3 Messwertglättung
4.4 Füllregler
4.5 Heizregler
4.6 Durchflussregler/Flowregler
4.7 Mischwassertemperaturregler
4.8 Programme (switch app.program)
4.9 Manueller Modus
4.10 Automatischer Modus
5 Zusammenfassung und Ausblick

Dateien

Datei:20220807 Bachelorarbeit Jan Budnick.pdf