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** Entwicklung der Regelungs. und Betriebssoftware für die Multi-MCU-Elektronik
** Entwicklung der Regelungs. und Betriebssoftware für die Multi-MCU-Elektronik
** Finale Konstruktion der Glasboilermaschine
** Finale Konstruktion der Glasboilermaschine
* 07. August 2023 - Kaffeemaschinen Montag, Präsentation der aktuellen Projekte
* 24. Juli 2023 - Kaffeemaschinen Montag, Präsentation der aktuellen Projekte


Schauen Sie immer wieder mal rein, es bewegt sich was.  
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Version vom 11. Mai 2023, 16:07 Uhr

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Technische Beeinflussbarkeit der Geschmacksache Kaffee

Ausgehend von den Projektarbeiten zum Kaffeeröster der Kaffeewerkstatt München entstand zum Wintersemester 2016/17 die Idee, über eine labortechnische Espressomaschine mehr über die technische Beeinflussbarkeit der Geschmacksache Espresso zu erforschen.

Beginnend mit der ersten Bachelorarbeit von Kilian Stach mit dem Titel „Entwicklung einer labortechnischen Mehrkreis- und Mehrkessel-Espressomaschine“ [1] konnte zum Wintersemester 2017/18 dieses Vorhaben umgesetzt werden.

Im Zuge der Inbetriebnahme der labortechnischen Mehrkreis- und Mehrkessel-Espressomaschine wurden weitreichende Erkenntnisse gesammelt, die dazu führten, dass ein Forschungsbetrieb dieser Espressomaschine nie erfolgte. Die Erkenntnisse führten zu einer Erfindungsmeldung [12] mit den patentfähigen Merkmalen der kalten Brühgruppe, dem kalten Siebträger, dem Wassermischsystem und dem Borosilikatglasboiler.

Status

Was steht an?

  • 20.04.2023: neben dem Literaturverzeichnis sind nun auch die Bereiche Systemelektronik, Systemsoftware, Konzeptentwicklung, Mess-System zur Parametererfassung und Pumpenprüfstand vollständig auf das öffentliche Wiki umgezogen. Aktuell erfolgt der Umzug der Dokumentation der labortechnischen Espressomaschine auf das öffentliche Wiki.
  • Projekte im Sommersemester 2023
    • Erweiterung der Betriebssoftware in MicroPython und MATLAB®
    • Inbetriebnahme Pumpenprüfstand
    • Entwicklung der Regelungs. und Betriebssoftware für die Multi-MCU-Elektronik
    • Finale Konstruktion der Glasboilermaschine
  • 24. Juli 2023 - Kaffeemaschinen Montag, Präsentation der aktuellen Projekte

Schauen Sie immer wieder mal rein, es bewegt sich was.


Labormaschine

Labortechnische Espressomaschine geeignet für Labore und Kaffeeröster
Diese Maschine dient der Entwicklung der erforderlichen Regelkreise und soll andere im Markt befindliche Siebträger-Espressomaschinen abbilden können. Damit dient diese Maschine dem Kaffeeröster dazu, dem Kunden die Geschmacksunterschiede unterschiedlicher Espressomaschinen demonstrieren zu können, ohne über die entsprechende Auswahl an Hardware verfügen zu müssen. Diese Maschine benötigt für die Bedienung einen PC.

Die Glasboilermaschine - Style

Technisch identisch zur labortechnischen Espressomaschine oder wahlweise zur Baristavariante, jedoch mit einem Boiler aus Borosilikatglas. Darstellbar ist diese Variante mit bis zu drei Brühgruppen, welches enbensovile Borosilikatglasboiler erforder. Im Wintersemester 2020/21 wurde hier eine weitere Variante konstruiert, bei der sich im sichtbaren Bereich lediglich der Glasboiler und der Brühturm befinden. Alle anderen Komponenten wurden so angeordnet, dass sie unsichtbar unterhalb der Arbeitsplatte angeordnet sind.

Wie schaut es in einem Boiler aus, bei dem gerade der Dampf abgelessen wird? Das zeigt dieses Video des ersten Prototypen eines Glasboilers https://www.youtube.com/watch?v=SLgYQBe_Mdc

Systemsoftware

Die Systemsoftware lässt sich nicht ohne die Beachtung der Systemelektronik erstellen. Hierzu wurde ein mehrstufiger Entwicklungsprozess definiert:

  • Nutzung einer MCU auf der MicroPython verwendet werden kann. Dies ist durch das STM32F411 nucleo Board der Basiselektronik bzw. durch den Raspberry Pi Pico der Multi-MCU-Elektronik gegeben.
  • Auf der MCU werden lediglich die elementaren Grundfunktionen (GPIO schalten und erfassen, Messwert erfassen, PWM Ausgeben, Sollwert ausgeben, etc.) realisiert und über eine MicroPython zu MATLAB® Schnittstelle [41] wird die Funktionalität in einer MATLAB® GUI hergestellt.
  • Die Softwareentwicklung startet mit der labortechnischen Espressomaschine und wird auf die weiteren Projekte schrittweise transportiert. Dazu ist die Maschinenelektronik gleich zu halten und es sind die gleichen Anschluss-Pins zu verwenden.
  • Nach Abschluss der Testphase der MATLAB® Bedienung wird schrittweise die Betriebssoftware in MicroPython auf der MCU implementiert, so dass am Ende dieses Prozessschrittes die MATLAB®-Verbindung lediglich für weiterführende Datenerfassung und grafische Darstellungen verwendet wird, welche nicht mit dem Display der Maschine möglich ist oder dort nicht dargestellt werden soll.
  • Ob eine Portierung des MicroPython-Codes nach Microcontroller C durchgeführt wird, ist derzeit nicht entschieden.

Es wurden mehrere, die Softwareentwicklung vorbereitende FMEAs durchgeführt. Die hierdurch entstandenen Dokumentation befinden sich in der Dokumentationsauflistung. Im weiteren wurde eine Projektarbeit zur Konzeptfindung für die Badienung durchgeführt. Auch die hierdurch entstandenen, teilweise auf die FMEA aufbauenden Dokumente befinden sich in der Dokumentationsliste.

Systemelektronik

Modulare Systemelektronik für Siebträger 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 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 definiert, weil diese Schnittstele dazu integriert wird. Zur Vereinfachung des Entwicklungsprozesses ist primär die Kopplung der Systemelektronik mit einem Raspberry Pi PICO als Schnittstelle zum PC mit MATLAB® vorgesehen. 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.

Für den Barista

Basierend auf der Laborvariante ausgestattet mit zwei Brühgruppen einer Skalierbarkeit zu noch mehr Brühgruppen, und versehen mit der Parametrierbarkeit aller relevanten Parameter für die Geschmacksbeeinflussung. Allerdings gegenüber der Laborvariante mit eingeschränkter Anzahl an „Profilen“ und einem Touch-Display-Bedienungskonzept.