Bauprojekt: Dual-Thermoblock, Dual-Kolbenpumpe, Single Group Maschine

Ich weiß es leider nicht, da ich damit keine Erfahrung habe.

Ich habe mich da tendenziell Mal an den bewährten Kolben Espressomaschinen orientiert wie beispielsweise die Pavoni. Eine entsprechende Lippendichtung "Typ N" aus NBR (v-förmig, wie bei der Pavoni) habe ich ebenfalls gewählt. Dichtungen aus O-Ringen kann ich im Notfall auch einbauen, denke aber dass diese Lippendichtungen besser sind.
Und da die Pavoni auch gefettet wird, habe ich das auch geplant.

Übrigens kann der Schrittmotortreiber die Belastung des Motors messen. So kann man eventuell auch eine "Fette mich" Nachricht am Display ausgeben. Aber bisher habe ich in diese Richtung noch nichts programmiert, lediglich die Messwerte lese ich in jedem Servozyklus aus.

 

So,
kleines Stück bin ich weiter.
Es sind mittlerweile fast alle mechanischen Komponenten fertig. "Fast" leider nur deshalb, weil ich ein Zahnrad nicht fest genug in die Drehmaschine eingespannt hatte, so dass dieses sich am Meisel herausgedreht hat. Aber Mädler hat davon ja genug...
Mittlerweile ist mir auf einem Teil auch aufgefallen dass die Löcher "verrutscht" sind. Hier gab es wohl beim Hersteller eine Kollision. Das bekam ich aber hingefeilt. Dafür gab es einen Gutschein für die nächste Bestellung. Ansonsten musste ich noch etwas schmerzlich feststellen dass Motoren auch Kabel haben, so dass ich zwar die Halterungen gut abgemesen habe, das Kabel (welches seitlich herausgeführt wird) allerdings nicht mit durchgesteckt werden kann. Hier muss ich auch noch feilen.

Jetzt habe ich einen der beiden Kolben fertig zusammengeschraubt und einem Funktionstest unterzogen. Das Sicherheitsventil habe ich jetzt mal auf etwa 12bar eingestellt. Der Test zuvor mit 16 bar hat genau so funktioniert.
Hier noch der Kolben in Einzelteilen (Tellerfeder für die Vorspannung vergessen):



und hier das Prachtstück auf der Waage (falls sich jemand fragt was das wiegt):



Ansonsten ist hier noch der Mini Funktionstest mit Manometer und Sicherheitsventil. Ich war überrascht wie gut das Teflonband alles abdichtet (später werde ich aber alles kleben)



Nebenher mache ich noch mit der Bedieneroberfläche weiter. Momentan muss ich mir überlegen wie ich die Rezepte speichere (gerade ist es *.JSON) und in einer Vorschau anzeigen kann, und was mit dieser Vorschau während dem Bezug passiert wenn die nächste Phase früher oder später beginnt. (Beispielsweise die Preinfusion läuft so lange mit konstantem Flow bis 6 Bar erreicht werden. Ich kann ja nicht vorher genau wissen wann das passiert, deshalb rate ich eine Zeit welche in der Vorschau dargestellt wird. Beim Bezug hätte ich natürlich gerne die wahren Werte über dem Rezept, da sonst alles verschoben ist. Das heißt ich muss auch das Rezept während dem Bezug variabel darstellen.)

Ich habe mittlerweile auch einen Plan wie ich die PFA-Schläuche legen werde. Aber erst einmal muss die Mechanik stehen.

 

Hi,
für das Regler-Tuning habe ich ein Hardware-in-the-loop Matlab Simulink gebastelt, bei dem der Regler dann auf einem PC läuft. Bei den langsamen Temperaturen sollte das nichts ausmachen.

Mit den Graphen hast du glaube ich falsch verstanden. Ich möchte ja verschiedene Rezepte anlegen. Manche Flow-gesteuert, manche Druck-gesteuert, manche sind Mischungen. Diese sollen in der Vorschau aussehen wie bei der Decent Espresso Maschine:


Aber wenn ich das Rezept starte, habe ich zwei Möglichkeiten. Ich nehme diese Vorschau und zeichne diese dünn vor, und die aktuellen Daten werden dicker darüber dargestellt. Damit sieht man schnell ob alles läuft wie es soll. Oder ich starte mit einem leeren Screen und baue gleichzeitig punktweise die Rezeptkurve und und Sensorwerte auf, wie es beispielsweise hier zu sehen ist (ebenfalls Decent Espresso):


Die zweite Variante hat den Vorteil, dass ich nicht anfangen muss irgendwelche Teile der Rezeptkurve zu stauchen oder strecken. Wenn beispielsweise im oberen Bild die Preinfusion länger oder kürzer als die eingestellten 20 Sekunden dauert (was natürlich immer Schwankungen unterliegt), muss ja die komplette Rezeptkurve auf einmal verschoben werden. Deshalb tendiere ich zur zweiten Variante. So kann ich in der Vorschau eine Beispielkurve anschauen, die Rezeptkurve wird aber während dem Bezug adaptiv mit aufgebaut.

Meine GUI sieht übrigens im Moment noch so aus:

Noch etwas langweilig und ungestylt, aber das kommt erst am Ende. Links sieht man oben die beiden Zylinder, darunter der Tank und darunter das Gesamtgewicht der Abtropfschae plus Tassen.

Habe übrigens gerade noch meine Glockenkonstruktion angebaut und scheint erst einmal alles gut zu passen und der Siebträger steht ziemlich genau auf 6 Uhr: (links steht die Kamera etwas heraus)

 

So, es durfte alles Probesitzen.
Schlauchtechnisch sollte alles passen. Hie rein paar Eindrücke (leider ist es recht schwierig mit meiner Handykamera den Kontrast zwischen dem glänzenden Edelstahl und den dunklen Teilen wie Ventile, Dämmung usw. herzustellen):




Und darauf wird dann das Blech gesetzt, an welches die Elektronik geschraubt wird:

 

Mini Update:

Die Fittinge werden gerade zusammengeklebt. Ich habe noch eine schickere Konstruktion für die Fittinge an den Zylindern gefunden. Außerdem hoffe ich dass mein Loxeal auch ohne Aktivator hält (habe erst jetzt gesehen dass passive Werkstoffe wie Edelstahl oder Kunststoff erst mit Aktivator besprüht werden sollten, den hatte ich aber nicht).

Die Waagenkonstruktion/Auffangschale funktioniert gut wie geplant:
Wägezelle an den Rahmen geschraubt und ein "Adapterblech" auf die andere Seite mit Zylinderschrauben:


Die Zylinderschrauben werden dann genutzt um die Schale und das Abtropfblech in Position zu halten und dabei wiegen zu können:


Außerdem durfte die Elektronik das erste Mal probesitzen. Oben ist die Controllerplatine welche die Ventile schaltet, Temperaturen misst, das Gewicht der Abtropfschale misst, die Drücke misst, die Schrittmotoren ansteuert und die Heizungssteuersignale ausgibt. Darauf aufgesteckt ist ein Raspberry, der das Display vorne steuert, die Kamera an der Brühgruppe auswerten kann und auch die Stellsignale (Wunschdruck, -Flow und -Temperatur) an das Controllerboard sendet.
Darunter das Netzteil (recht groß, da ich die Ventile mit 24V schalten wollte und da doch einiges zusammenkommt) und darunter die Platine mit welcher beide Heizungen angesteuert werden. Ich habe noch einen dritten Ausgang falls ich doch einmal die Brühgruppe beheizen möchte:


Die LED Beleuchtung (dimmbar) durfte ebenfalls einziehen:


Wenn alle Fittinge und Ventile verklebt sind (ich mache das auf ein paar Tage verteilt, damit ich so gut wie möglich rechte Winkel bekomme) und ich die PFA-Schläuche verlegt habe muss ich "nur" noch alle Kabel (Ventile, Sensoren) verlegen, verkrimpen und anschließen. Wenn dann alles dicht ist kann ich die ersten Probeläufe starten... (ok, für einen Espresso muss ich noch die Duschplatte aus PTFE drehen, das ist aber das letzte mechanische Teil).

 

Ich habe das Loxeal 58 - 11.
In Datenblatt ist zumindest eine Kurve für Edelstahl drin. Dauert länger und wird nicht ganz so hart, aber wenn es dicht bleibt reichen die ~70% Härte.

 

So, gerade leider relativ wenig Zeit, also ein Miniupdate.
Die Inbetriebnahme ist im Gange. Im Moment schau ich, dass auch die Grenzen des Zylinders vom Mikrocontroller korrekt eingehalten werden (da kommen sonst ziemlich hohe Kräfte auf die Lager) und auch so alles weitere passt (Position darf der Mikrocontroller beispielsweise auch bei Stromverlust nicht vergessen).

Als nächstes kommt die Druckprüfung, bei der ich schaue ob die ganze Maschine dicht ist, wobei da noch ein paar Gedanken rein gesteckt werden müssen (Druckregelung sollte nicht groß herumzicken, Ventile müssen korrekt geschaltet sein, Puck-Simulator muss noch gebohrt werden (Blindsieb mit einem 0.3mm Loch)). Danach kommt die (erst einmal einfache) PI-Regelung für die Thermoblöcke. Eine Lampe kann ich zumindest mit dem selbst gebautem SSR ansteuern
Die Sensorwerte sehen auch gut und rauschfrei aus. Die Drucksensoren haben wohl eine etwas andere Kennlinie als im Datenblatt angegeben, da mir alle drei -0.2bar anzeigen (ein Multimeter bestätigt dass keine 0.5V anliegen, sondern etwas weniger).

Ansonsten hört sich die Maschine ganz gut an. Mit einer Handmühle wecke ich so vermutlich niemanden auf. Ich habe noch leichte Resonanzen, aber die bekomme ich vielleicht noch mit ein paar Einstellungen oder einer Stromanpassung weg.

 

Das wollte ich vermeiden um Kabel zu sparen. Auch mechanisch war es immer unschön die Schalter irgendwo anzubringen. So möchte ich mir auch das Wasser im Tank "merken".
Die Schrittmotortreiber haben auch ein "StallGuard"-Modus, bei dem eine plötzliche Laständerung sofort gemeldet wird. So kann man auch ohne Endschalter den Endanschlag zerstörungsfrei finden.
Aber ich kenne auch deine Geschichte mit den Endschaltern

 

Ich weiß gar nicht ob das interessant ist. Ich habe mir Gedanken zum Dichtheitstest gemacht.
Im Gegensatz zu klassischen Maschinen habe ich ja kein OPV, bei dem die Pumpe aufgrund ihrer Kennlinie dazu gezwungen wird, nicht mehr als eben der eingestellte Druck zu liefern. Ich habe zwar Sicherheitsventile, diese sollen aber eben nur im Notfall öffnen.

Ich muss also den Druck mit Hilfe des Flusses regeln (da ich ja nur den Fluss vorgeben kann, und den Druck nur messen kann). Hierfür habe ich mit Matlab einen PI-Regler ausgelegt. Als Übertragungsfunktion habe ich den Puck-Widerstand, welcher von einer Decent Espressomaschine aufgenommen wurde, genommen, welchen ich mit einer Lookup-Table angenähert habe. Als Eingang wird der Fluss integriert und heraus kommt der Druck, der sich nach Decent: Widerstand = Pressure / Flow^2 berechnet.

Typischerweise wird ja zwischen Flow und Pressure Profiling unterschieden. Diese Unterschiede habe ich nie wirklich verstanden, da ja beide (ungefähr) nach der oben genannten Gleichung zusammenhängen. Ich habe mich deshalb für einen Ansatz wie bei einem Labornetzteil entschieden, bei dem man die maximale Spannung (hier Druck) und den maximalen Strom (hier Flow) einstellen kann. Wenn man dann einen Widerstand an das Netzteil hängt, wird entweder der Strom oder die Spannung limitiert, damit keiner der eingestellten Werte überschritten wird.

Ein klassischer Espresso könnte dann schon bezogen werden, indem man sagt "Maximal 9bar Druck und maximal 4ml/s Flow". Zu Beginn wird der Druck durch den Durchfluss limitiert (Preinfusion), bis der Puck gesättigt wird und sich Druck aufbaut. Der Druck steigt weiter an, bis er 9bar erreicht. Anschließend würde der Druck weiter steigen, so dass der Fluss herunter geregelt wird. Das macht bei einer klassischen Maschine typischerweise das OPV.

Ich habe mir also einen PI-Regler mit klassischem back-calculated Anti-Windup zusammengeklickt und den flussabhängigen Widerstand hinzugefügt. Außerdem habe ich bei der Schrittmotorsteuerung eine Beschleunigungsrampe einprogrammiert, welche ich ebenfalls mitsimuliert habe (Slope Limiter). Um das Verhalten der Sprungantworten zu bekommen, habe ich Sprünge im Flow von 0ml/s (Beginn), 4ml/s (1 Sekunde) und 1ml/s (18 Sekunden) und auch einen Sprung im Druck (6bar zu 9bar) eingestellt.

Hier das Matlab-Modell:


und hier das virtuelle Oszi:


Man sieht vielleicht auch wie ich das meine, dass ich sowohl Maximaldruck wie auch Maximalflow vorgebe, und je nachdem wird eines der beiden heruntergedrosselt um die Grenzen einzuhalten.

Mit der Simulation habe ich die Gainwert ermittelt und die Tage programmiere ich das ein. Dann kann ich hoffentlich den Dichtheitstest laufen lassen. Ich überprüfe auch in der Software regelmäßig ob fest eingestellte Werte nicht überschritten werden und schalte im Notfall alles ab, so dass Thermosicherung und Sicherheitsventil hoffentlich nie auslösen.
Ansonsten ist noch ein kleiner Umbau geplant, da sich die Resonanzen der Motoren ja direkt an den Rahmen übertragen, da sie dort ja fest angeschraubt sind. Deshalb habe ich mir kleine Gummipuffer bestellt, weshalb ich allerdings noch einmal die Motorhalterungen anpassen muss. Obwohl sie schon deutlich leiser ist als meine Lelit mit Vibrationspumpe, erhoffe ich mir schon eine nochmalige Reduktion in der Lautstärke. Falls es nichts bringt ist es aber auch nicht schlimm.

So, falls solche "theoretischen" Updates uninteressant sind, auch gerne schreiben, dann mach ich einfach weiter Bilder sobald es was neues zu sehen gibt.

Liebe Grüße
Gerald