Spülvorgänge (Labor)

Aus Technische Beeinflussbarkeit der Geschmacksache Kaffee
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Hendrik Wegjan, 23.05.23 - Abschlussbemerkung

Der Programmcode für die Spülvorgänge wurde erprobt und funktioniert. Die Schrittmotorproblematik (s. 09.05.2023) konnte gelöst werden. Bei der Pumpenansteuerung musste im Python-Code auf der STM32-Elektronik (main-Programm) ein Sicherheitsmechanismus umgangen werden, damit die Pumpe auch bei einem durchschnittlichen Druck > 12 bar eingeschaltet werden kann. Dies ist für die Rückspülreinigung notwendig. Langfristig muss ein neues Konzept erarbeitet werden, wie der Sicherheitsmechanismus zu gestalten ist, damit sowohl die Sicherheits-, als auch die Reinigungsfunktion gegeben ist. Denkbar wäre z.B. das Übernehmen des Sicherheitsmechanismus in den GUI-Code, um ihn dort mittels einer Flag temporär auszuschalten, sollte eine Reinigung gestartet werden.

Es wurde eine weitere Property (Check_Reinigung) eingefügt, die den gesicherten Durchlauf eines Reinigungsprogramms (Flush/Rückspülung) garantiert.

Die Rückspülung wurde angepasst, es wird nun nur noch das Ventil Y07 verschlossen, Y01 und Y06 verbleiben geöffnet. Im Vergleich zum Eintrag vom 09.05.2023 hat sich zudem die „Durchspülzeit“ auf 15 Sekunden verringert.

Der Flush wurde angepasst, es findet nun kein Öffnen des Y08 am Ende des Vorgangs statt, da sich über Versuche gezeigt hat, dass kein Restdruck im Siebträger entsteht.

Die Parameter bei der Rückspülreinigung sind noch nicht auf ihre Wirksamkeit erprobt und müssen sehr wahrscheinlich noch angepasst werden. Diese Versuchsreihe wird, wenn möglich, zu Projektende noch gefahren. Ansonsten ist dies die Aufgabe der kommenden Versuchsgruppe.

Simon Thrainer, 09.05.23

Der vorhandene Programmcode wurde getestet und weiterentwickelt, sodass die durch die Fallunterscheidung erkannten Fälle „Flush“ und Fehlerfall wie geplant ablaufen:
Der Ablauf ist zum Softwarestand 09.05.23 bei beiden Fällen beiden Fällen gleich: nach der Fallunterscheidung wird als einziges Ventil das Rückspülventil Y08 geöffnet, um einen eventuell vorhandenen Druck aus der Brühgruppe abzulassen.
Da der Flush aber eigentlich ohne Siebträger stattfinden soll, wird dieser Fall zukünftig sofort nach der Fallerkennung durch Schließen aller Ventile und Abschaltung der Pumpe beendet.

Für die Rückspülung wurde ein Test-Ablauf geschrieben, bei dem nach Erkennung des Falls 3x 10 s gewartet und dazwischen je 2 s Wasser nachgefördert werden soll. Anschließend soll die Brühgruppe 20 s durchgespült werden. Die Schaltung der Ventile funktioniert dabei zuverlässig, die Pumpe wird aber beim Nachfördern teilweise nicht eingeschaltet.

Die Ansteuerung der Schrittmotoren im Reinigungsprogramm zur Einstellung der Bypass- und Dosierventilstellung funktioniert noch nicht und muss, bei Bedarf mit Unterstützung von Armin Rohnen umgesetzt werden.


Simon Thrainer, 08.05.23

Bisheriger Stand

Ausgehend von den vorherigen Untersuchungsergebnissen wurde der Grundaufbau des Programmcodes für die Spülvorgänge geschrieben. Zunächst wurde nur mit Statusausgaben geprüft, ob der Ablauf und die Erkennung des Fehlerfalls funktionieren.
Durch Nachfrage bei der Kaffeewerkstatt München ist nun bekannt, dass für das verwendete Reinigungsmittel eine Reinigungstemperatur von ca. 90…95 °C optimal ist.

Aktueller Stand

Es wurden die Ansteuerung der Ventile, Pumpenleistung und Drosselventile in den Programmcode aufgenommen.

Mit Softwarestand 08.05.23 funktioniert die Fallunterscheidung von "Flush", Rückspülung und Fehlerfall über die bereits beschriebene Doppelabfrage von Durchfluss und Brühgruppendruck in einer if-elseif-else-Bedingung. Alternativ könnte dies mithilfe von switch-case-Bedingungen umgesetzt werden, was evtl. zu besserer Übersichtlichkeit führen könnte, aber nicht unbedingt zweckdienlicher sein muss.
Der Reinigungs-Button im GUI wird bei Betätigung inaktiviert und nach Abschluss eines der Programme wieder aktiviert.

Zum Programmstart werden zuerst die Ventile Y01, Y06, Y07 geöffnet, der Pumpenbypass auf 0 geschlossen und die Pumpenleistung auf 2000 mV eingestellt, sodass Mischwasser in die Brühgruppe gefördert wird. Da die vorgeschlagene Reinigungstemperatur von 90…95 °C zum letzten Labortag noch nicht bekannt war muss die Einstellung des Dosierventils neu erprobt werden.
Nach 15 s (, die sich als nötig bzw. ausreichend herausgestellt haben, um die Fälle unterscheiden zu können) wird die im Wiki-Eintrag vom 21.04.23 bereits beschriebene Doppelabfrage von Durchflussrate und Brühgruppendruck durchgeführt.

  • Bei Erkennung des "Flush" bei einer Durchflussrate > 3 cm3/s und Druck < 1bar werden die Pumpenleistung auf 0 mV und alle Ventile bis auf das Rückspülventil Y08 geschlossen, ü
    ber das der Druck aus der Brühgruppe für eine Sekunde abgelassen wird. Am Ende sind alle Ventile geschlossen.

  • Bei Erkennung der Rückspülung werden aktuell alle Ventile geschlossen, 100 s gewartet, damit sich das Reinigungsmittel auflöst und in der Brühgruppe einwirken kann. Anschließend wird ca. 20 s lang bei Öffnung von Y01, Y06, Y07, Y08 durch die Rückspülleitung durchgespült, die Pumpenleistung abgeschaltet und alle Ventile geschlossen.

  • Im Fehlerfall, d.h. wenn keiner der anderen beiden Fälle zutrifft, wird wie beim "Flush" zuerst die Pumpe abgeschaltet, über das Rückspülventil Y08 Druck abgelassen und dann alle Ventile geschlossen.

Zukünftige Aufgaben

Das gesamte Reinigungsprogramm muss noch ausgiebig getestet werden. Außerdem gibt es noch keine Erkenntnisse, ob die bisher angenommen Reinigungsabläufe, besonders die Rückspülung, zur Reinigung ausreichen.
Nach einer Demonstration des Rückspülvorgangs an einer normalen Siebträgermaschine durch Armin Rohnen könnte es nötig sein, mehrmals Druck aufzubauen bzw. Wasser nachzufördern, damit sich das Reinigungsmittel vollständig auflöst.
Das Maß für eine ausreichende Rückspülung ist, dass sich das Reinigungspulver vollständig aufgelöst hat und restlos aus der Maschine gespült wurde.
Eine Möglichkeit, die sich durch die Rückspülleitung ergibt, ist, bei geöffnetem Rückspülventil einen geringen Durchfluss in der Brühgruppe zu erzeugen, wodurch sich das Reinigungsmittel schneller lösen könnte.
Eine Optimierung der Reinigungsabläufe wäre als ToDo für eine zukünftige Versuchsgruppe denkbar.

Madita vom Stein, 21.04.2023

20230417 Abbildung 4.png

Für die Einführung eines Reinigungsprogrammes wurden am 17.04.2023 weitere Versuche durchgeführt.
Durch die Versuche sollte die Unterscheidbarkeit von Fehlerfällen zu den beiden Reinigungsoptionen (Flush oder Rückspülung) anhand des Brühgruppendruckes, sowie des Durchflusses quantifiziert werden. Die einzelnen Fälle sind im Eintrag vom 04.04.2023 näher erläutert.
In den Versuchen wurde der Fehlerfall, also der Start des Reinigungsprogrammes bei eingespanntem Siebträger mit Kaffee, mit variierenden Parametern simuliert. Im Reinigungsprogramm wird voraussichtlich eine Wassertemperatur an der Brühgruppe um die 70 °C angestrebt, wobei der genaue Temperaturwert bei der Kaffeewerkstatt München erfragt wird.
Der Versuch mit den Parametern 2000 mV Pumpenleistung, Durchflussventil 80 % geschlossen, Pumpenbypass 0 % offen, Mahlgrad 4 hat ergeben, dass der in diesem Fall auftretende Maximaldruck in der Brühgruppe von 10,5 bar nach 20 Sekunden auftritt. Dadurch, und durch die vorangegangenen Versuche mit Blindsieb und ohne Gegendruck, ist die Fallunterscheidung nach 15-20 Sekunden mit folgenden Werten für das Reinigungsprogramm denkbar. Vorausgesetzt ist aktuell ein Reinigungsprogramm, das mit 2000 mV Pumpenleistung, 80% geschlossenem Dosierventil und geschlossenem Pumpenbypass fährt [Diagramm 1].
Sind 15-20 Sekunden nach Start des Reinigungsprogrammes gleichzeitig der Durchfluss höher als 3 cm3/s und der Boilerdruck kleiner als drei bar, so wird der Fall 1) Flush erkannt. Dieses Reinigungsprogramm wurde also korrekt durchlaufen und stoppt nun regulär.
Werden nach Ablauf von 15-20 Sekunden nach Start der Reinigung hingegen ein Durchfluss von kleiner 1 cm3/s, sowie ein Boilerdruck von über 12 bar gemessen, wird der Fall 2) Rückspülung erkannt. Aufgrund des Blindsiebs liegt ein hoher Druck vor, der wiederum das Abschalten der Pumpe herbeiführt und den Durchfluss stoppt. Es wird eine noch näher zu spezifizierende Zeit lang abgewartet, damit das Reinigungsmittel in das Blindsieb und in die Brühgruppe einwirken kann. Ob zusätzlich ein mehrmaliger Druckaufbau zur Reinigung notwendig ist, wird noch festgestellt. Anschließend wird die Pumpenleistung wieder auf 2000 mV gesetzt, um zu spülen. Hierfür wird das Rückspülventil (Y08) geöffnet. Hiernach stoppt der Durchfluss erneut, damit das Reinigungsmittel auch in den Schläuchen der Rückspülung einwirken kann. Zum Abschluss des Programmes wird die Pumpe noch einmal aktiviert und so die Maschine gespült.
Liegt keiner der beiden beschriebenen Parameterkombinationen vor, liegt ein Fehlerfall vor. Sollte ein Siebträger mit Kaffee eingespannt sein und versehentlich die Reinigung gestartet werden, liegt ein Brühgruppendruck von ungefähr 10,5 bar vor und es gibt je nach Mahlgrad wenig bis keinen Durchfluss. Es wird eine Fehlermeldung ausgegeben.
Mit den genannten drei Parameterkombinationen sind die beiden Reinigungsoptionen, sowie der vorstellbare Fehlerfall abgedeckt. Um auch auf weitere, nicht absehbare Fehler durch fehlerhafte Betätigung des Reinigungsprogrammes korrekt reagieren zu können, soll der Fehlerfall im Programmcode nicht als weitere If-Abfrage mit Parametern erkannt werden, sondern automatisch durch eine „else“-Anweisung eingeleitet werden, sollte keiner der beiden Reinigungszustände durch die Doppelwertprüfung erkannt werden.

Übersicht über die Versuchsdaten

  • Pumpenleistung 2000 mV
  • Dosierventilstellung 80
  • Bypass 0, Mahlgrad 4
  • Reinigungstemperatur (ca. 70 °C)

-> ca. 10,5 bar max. Brühgruppendruck nach ca. 20 sek.

Hendrik Wegjan, 04.04.2023

Abbildung 3: Erreichen des Maximaldrucks mit Blindsieb (Fall 2)


Abbildung 2: Erreichen des Maximaldrucks bei Kaffeebezug mit Mahlgrad 3 (Fehlerfall)


Abbildung 1: Kaffeebezug mit Mahlgrad 4, kein Erreichen d. Maximaldrucks


Für die Umsetzung der Spülvorgänge wurden zunächst geeignete Prüfparameter zur Unterscheidung der einzelnen Prozesse definiert.

Fall 1) Kein Siebträger oder Siebträger ohne Kaffeepuck
Im Fall 1 bildet sich an der Brühgruppe kein/kaum Gegendruck auf, als erster Grenzwert wurde 1 bar festgehalten. Außerdem steigt der Durchfluss deutlich über 1cm3/s an. Bei Erkennung dieses Falles wird ein sogenannter „Flush“ (Durchspülung) aktiviert.

Fall 2) Siebträger mit Blindsieb
Hier entsteht der bei der vorgegebenen Pumpenleistung maximal mögliche Gegendruck in der Brühgruppe, zudem wird der Durchfluss 0. Bei Erkennung dieses Falles wird eine Rückspülreinigung initiiert.

Fall 3) Siebträger mit Kaffeepuck (Fehlerfall)
Bei einem regelkonformen Kaffeebezug entsteht ein Brühgruppendruck von ca 9 bar und ein Durchfluss von 1 cm3/s. Diese Werte werden auch hier verwendet, um die fehlerhafte Eingabe zu erkennen. Bei Erkennung dieses Falles wird ein Fehler ausgegeben.

Weiterhin wurde ein geschlossener Bypass für sämtliche Reinigungsprogramme definiert. Zielsetzung ist es, eine Reinigung mit möglichst hohem Druck (Fall 2) bzw. mit möglichst hohem Durchfluss (Fall 1) und somit in möglichst kurzer Zeit durchzuführen. Die Wirksamkeit dieser Parameter muss noch ermittelt werden.
Direkt zu Beginn der Versuchsreihe wurde neues Kaffeepulver (Tanzania Coffee, Röstzeit 18:19 Minuten, T-Out 186 °C) geöffnet. Dies führte zu Problemen im parametrierten Kaffeebezug. Ferner ist auch die Bypass-Schließung als Problemfaktor zu notieren.
Eine Unterscheidung zwischen Fall 1 und 2 gelang sehr zügig, da beide Messwerte (Durchfluss und Brühgruppendruck) stark divergieren.
Problematisch gestaltet sich die Erkennung des Fehlerfalls 3. Bei den gefahrenen Testreihen konnte zeitweise kein Unterschied zwischen Fall 2 und 3 erkannt werden, da sich in beiden Fällen ein Gegendruck von ca 13 bar und ein Durchfluss von 0 cm3/s einstellte (s. Abb. 2 und 3).
Eine Veränderung des Mahlgrades verbesserte die Differenzierung zwischen Fall 2 und 3, da nun ein Durchfluss (ca. 1,5 cm3/s) sowie ein geringerer statischer Brühgruppendruck (9-11 bar je nach Mahlgrad) für Fall 3 festgestellt werden konnte (s. Abb. 1).

Als erste Erkenntnis kann somit festgehalten werden, dass ein spezifischer Mahlgrad je nach Kaffeesorte eingehalten werden muss, um eine fehlerfreie Erkennung zwischen Fall 2 und 3 zu ermöglichen.
Im aktuellen Fall (Pumpenleistung 2000 mV; Bypass 0; Dosierventil 30; Tanzania Coffee, Röstzeit 18:19 Minuten, T-Out 186 °C) ist dies der Mahlgrad 4.
Folgeversuche sind jedoch notwendig, um eine gewisse Wiederholgenauigkeit erzielen zu können.
Sind diese erfolgreich, so kann eine erste Programmierung der Fallunterscheidung vorgenommen werden.
Außerdem ist es sinnvoll, eine Kennlinie Maximaler Brühgruppendruck bei Bypass auf 0 Schritte/Pumpenleistung zu erstellen, um das Reinigungsprogramm auch für neue Parameter zu befähigen.
Im weiteren Verlauf (voraussichtlich nach der initialen Programmierung und Testphase) muss geprüft werden, inwiefern der Parameter Durchfluss als Messwert zur frühzeitigen Erkennung des Falles 2 geeignet ist. In Testläufen dauerte es ca. 15 Sekunden, bis ein Durchfluss von 0 und somit das Vorliegen einer Rückspül-Reinigung festgestellt werden konnte.

Im Umkehrschluss bedeutet dies, dass bei einer Miteinbeziehung dieses Wertes in die Fallunterscheidung frühestens nach 15-20 Sekunden erkannt werden kann, ob tatsächlich eine Rückspülreinigung stattfinden soll oder ob der Fehlerfall 3 eingetreten ist.

Armin Rohnen, 21.02.2022

Auf Tastendruck soll ein Spülvorgang ausgelöst werden. Befindet sich kein Blindsieb im Siebträger ist bei definierter Pumpenleistung ein Durchfluss zu erkennen. Dabei sollte zwischen dem Zuständen "Siebträger mit Kaffeepuk", "Siebträger ohne Kaffeepuk" und "ohne Siebträger" unterschieden werden können. Für die Fälle "Siebträger ohne Kaffeepuk" und "ohne Siebträger" soll ein Flush-Vorgang aktiviert werden. Für "Siebträger mit Kaffeepuk" wird eine Fehlbedienung angenommen.

Befindet sich ein Blindsieb im Siebträger, dann stellt sich bei definierter Pumpenleistung ein statischer Druck ein und es erfolgt kein bzw. lediglich marginaler Durchfluss. Dieses Merkmal wird dazu verwendet eine halbautomatische Rückspülreinigung durch zu führen.