Tools fuer den Kaffeeroester
Historie
Ausgehend von einigen technischen Problemen am Kaffeeröster der Kaffeewerkstatt München wurde eine Definition getroffen, was eine optimale Regelungssoftware für Kaffeeröster leisten soll. Woraus sich mehrere Aufgabenstellungen ergaben, welche durch Analyse gelöst werden sollten.
Zielsetzung beim Rösten
- Durchrösten der Bohne, das heißt Innen- und Außentemperatur der Bohne sollten am Ende des Röstvorgangs gleich sein.
- Die Zieltemperatur der Bohne sollte immer gleich sein
- Die Röstung sollte reproduzierbar getrackt werden können
- Eine Regelung sollte ein vorgegebenes Röstprofil (Temperaturverlauf der Bohnentemperatur über die Zeit) "nachfahren"
Ermittlung der relevanten Einflussgrößen
(Nachweis der Relevanz)
- Umgebungsparameter: Temperatur, Luftfeuchtigkeit, Umgebungsdruck
- Rohkaffee: Feuchtigkeit, Temperatur, Härte/Dichte, Chargengröße
- System / Kaffeeröster: Ist die Bohnentemperatur die relevante Regelungsgröße?
- System / Kaffeeröster: Falls ja, wo muss der Messpunkt liegen?
- System / Kaffeeröster: Kann die Energie im System als relevante Regelungsgröße verwendet werden?
- System Kaffeeröster: Wie lässt sich die Energie im System ermitteln?
- Röstvorgang: Erkennen der relevanten Phasen des Röstens. Einfüllen, Einbringen der Energie, First Crack, Röstende
- Röstvorgang: Ist die Röstzeit die relevante Größe für das Röstende?
Abgeleitet daraus wurden bisher zwei Projektarbeiten durchgeführt.
Selbstkalibrierendes Regelungssystem für reproduzierbare Röstprofile
Zuerst wird der prinzipielle Aufbau des Kaffeerösters dargestellt, um einen ersten, allgemeinen Überblick zu gewinnen. Es wird hierbei auch auf einzelne wichtige Komponenten der Anlage hingewiesen und diese näher erklärt. Außerdem wird der Prozess des Kaffeeröstens genauer betrachtet.
Anschließend werden verschiedene Versuche durchgeführt und deren Relevanz erläutert. Zum einen wird die Wärmekapazität der gesamten Maschine bestimmt. Des Weiteren sollen Stoffwerte bestimmt, welche essentiell für weitere Berechnungen sind.
Im nächsten Abschnitt werden die vorherrschenden Phänomene der Wärmeübertragung auf die Kaffeebohne aufgezeigt. Des Weiteren werden thermodynamische Gleichungen aufgestellt, um den Röstverlauf in einem Zeit-Temperaturdiagramm darstellen zu können.
Der letzte Abschnitt befasst sich mit der Simulation des Röstprozesses, mit Hilfe der Software Matlab-Simulink.
Weiterentwicklung der Steuerung und Regelung zur Steigerung der Reproduzierbarkeit eines Kaffeerösters
In der industriellen Röstung werden die Bohnen bei sehr hoher Temperatur nur wenige Minuten geröstet. Dabei erhält der Kaffee eine bittere und saure Note. Beim handwerklichen Röstvorgang hingegen dauert dieser Vorgang je nach Röstprofil 12 bis 20 Minuten. Die Rösttrommel muss zunächst vorgeheizt werden, anschließend werden die Kaffeebohnen eingefüllt und die Temperatur erhöht sich langsam und wird ab einer bestimmten Bohnentemperatur wieder verringert. Auf diese Weise werden die Bohnen schonender geröstet und verlieren so ihre Bitterstoffe. Bei dieser Art des Röstens ist es allerdings schwierig, alle Einflussfaktoren wie optimale Temperatur, Außentemperatur, Qualität der Bohnen etc. zu berücksichtigen und immer zum gleichen Röstergebnis zu gelangen. Meistens orientiert sich der Kaffeerösterei-Meister an seiner eigenen Erfahrung, was dazu führt, dass jeder Röstvorgang zu einem anderen Ergebnis führt.
Deswegen sollte nun ein Prototyp eines vollautomatisierten Reglers entworfen und hergestellt werden, bei dem alle Einflussparameter miteinbezogen werden, um zu einem optimalen Röstvorgang zu gelangen und diesen möglichst immer zu reproduzieren.
Zum einen muss die Temperatur der Luft, die in den Kaffeeröster einströmt, gemessen werden, sowie die Temperatur der Bohnen und die ausströmende Luft. Bei zu geringer oder zu hoher Hitze muss der Brenner durch einen Regler ab- oder eingeschaltet werden, um ein optimales Röstergebnis zu erlangen. Auch die Drehzahl der Trommel muss gemessen und reguliert werden.
In der folgenden Arbeit geht es deswegen, um einen solchen Regler, der diese notwendigen Komponenten misst, auswertet und reguliert. Die Arbeit lässt sich in drei größere Teile untergliedern. Zuerst wird erläutert, welche Software benötigt wurde sowie die Programmierung dieser, um die benötigten Daten zu messen, weiterzuleiten, auszuwerten und nötigenfalls zu korrigieren. Im Anschluss daran werden die verwendeten Bauteile vorgestellt und erklärt. Im letzten Teil geht es um die Herstellung und die Inbetriebnahme dieses Reglers.
Wichtigstes Ziel des Projekts ist, dass der Vorgang des Kaffeeröstens beliebig oft und zu jedem Zeitpunkt mit dem möglichst gleichen optimalen Ergebnis durchgeführt werden kann.
Röster Temperatur Monitor
Der Röster Temperatur Monitor stellt den Ausgangspunkt einer modernen, auf Basis eines Mikrocontrollers arbeitenden modularen Systemelektronik dar.
Der Röster Temperatur Monitor selbst besteht aus einer Hardware (Elektronik) mit einem Rapsberry Pi Pico Mikrocontroller und insgesamt 6 MAX31855 Thermoelement Datenerfassungsmodulen. Damit können an bis zu 6 Messpunkten präzise Temperaturen erfasst werden. Erforderlich sind hierzu Typ K (NiCrNi) Thermoelemente.
Empfolen werden die Messpunkte:
- Trommeltemperatur (wie üblich)
- Bohnentemperatur (wie üblich)
- Ansaugtemperatur, Temperatur der Zuluft
- Abgastemperatur, Temperatur direkt am Gasaustritt
- Röstertemperatur, Gehäusetemperatur des Rösters an geeigneter Stelle
- Brennertemperatur, Temperatur im Brennraum an geeigneter Stelle
Der Röster Temperatur Monitor lässt sich zu einer vollwertigen Steuerung und Regelung erweitern.