Gene Automatisierung

Servus liebe Foristi und stille Mitleser,

nach dem ich mich lange Zeit in diesem tollen Forum über diverse Maschinen, Techniken und Kaffeesorten informiert habe, möchte ich nun auch einmal ein kleines Projekt von mir vorstellen, dass mich die letzte Zeit beschäftigt hat.

Nach dem für mich nach einigen gerösteten kg Rohkaffee klar wurde, dass ich den Geschmack von mit Heißluft gerösteten Bohnen fast schon dem einer konventionellen Trommelröstung vorziehe (bin bislang kein so großer Fan von übermäßig ausgeprägten Röstaromen), habe ich mir doch mal die Zeit genommen, den Gene Café zu modifizieren.
Dabei ging es mir in erster Linie darum, die doch recht starken Temperaturschwankungen von um die ±4 °C etwas zu verringern. Nach einigen Recherchen bin ich dann an einer klassischen PID-Steuerung hängen geblieben, auch wenn sie eigentlich fast schon zu viel Regelung für den einfachen Regelkreislauf des Gene ist.
Da ich dabei auch ein bisschen was lernen wollte, habe ich mir also einen Arduino Uno und ein Solid State Relais (SSR) besorgt und einfach mal los gelegt. Da an dem Relais grob überschlagen 60 W an Wärme abfallen (habe es damals genauer gerechnet) und es nicht gerade in einer kühlen Umgebung arbeiten wird, sollte man es auf jeden Fall passiv kühlen. Hier war für mich eigentlich die größte Hürde zu überschreiten: das aufschneiden des sonst noch nagelneuen Gene, um die Passivkühlung des Relais nach außen hin montieren zu können. Leider war im inneren nicht genug Platz für das an den Kühlkörper geschraubte Relais. Die Montage selbst hat dann ganz gut geklappt (Abbildung 1), auch wenn das hitzefestere Plastik des Gene sich wie Lava wölbt beim rausdremeln.


Abbildung 1: Einbau des SSR

Um sowohl die „normale“ Röstfunktion als auch die PID geregelte nutzen zu können, wurde das SSR zunächst mit dem normalen Heizungsrelais des Gene in Reihe geschaltet. Über einen zusätzlich neben den beiden Drehknöpfen angebrachten Schalter konnte man dann das SSR auf „Dauer AN“ stellen, wobei die Regelung vom Gene normal lief, oder aber das SSR mit dem Arduino verbinden. In letzterem Fall würde man beim Röster die Maximaltemperatur und gewünschte Zeit auswählen. Darauf würde der Röster das normale Relais ununterbrochen AN schalten, um die maximale Temperatur zu erreichen. Die tatsächliche Temperaturregelung würde dann über den programmierten Arduino laufen, bis man die Röstung manuell am Gene abbricht oder aber die eingestellte Zeit abgelaufen ist. Ich habe auch ein vom Arduino angesteuertes Relais zur Betätigung des „roten“ Knopfs am Gene eingelötet, damit die Röstung vollautomatisch abgebrochen werden konnte. Alle anderen Funktionen laufen weiter über den Gene und man hat eine sehr gute Temperaturregelung.
Während der Röstung kann die tatsächliche Rösttemperatur dann über ein LCD Display-Shield in Echtzeit eingestellt werden. Natürlich ist dazu auch ein Temperatursensor nötig, der dem Arduino die Regelgröße vorgibt. Ich habe mich für diesen Zweck für ein Typ-K-Thermoelement entschieden, da diese relativ günstig zu haben sind, mit 0.25 °C eine ausreichende Auflösung haben, nicht kalibriert werden müssen und vor allem weil sie sehr schnell auf Temperaturänderungen reagieren. Leider war der gelieferte Temperaturfühler etwas zu kurz und schmal, als dass man ihn gegen den bereits am Trommelausgang verbauten Fühler hätte austauschen können. Die logischste Lösung war für mich, einfach ein Loch in die Rückseite des Luftkanals zu schnitzen und den Sensor beim erneuten Zusammenbau der beiden Hälften etwas festzuklemmen. Abbildung 2 zeigt den eingebauten Temperatursensor. Er sitzt genau gegenüber des Auslasses und sollte den vollen Luftstrom abbekommen. Nach dem alles wieder zusammen gebaut war, konnten bereits erste Tests folgen. Es hat auch alles soweit ganz gut geklappt. Beim suchen der perfekten PID Parameter habe ich den Röster öfters hochgeheizt und wieder abkühlen lassen. Auch die eine oder andere Röstung hat er mit Erfolg bestanden. Dann hat aber leider der Ausgang, der das mechanische Relais des Gene schaltet, plötzlich den Geist aufgegeben. Ich kann mir bis heute nicht erklären, wie es dazu kommen konnte, da der ursprüngliche Stromkreislauf nicht verändert wurde. Die einzige Erklärung, die mir einfallen würde, wäre, dass die Elektronik vom Gene das häufige Aus- und wieder Einschalten bzw. Aus- und wieder Einstecken nicht so lustig fand und sich dann der Ausgang des Relais verabschiedet hat. Was lernen wir daraus? – Nichts.


Abbildung 2: Zweiter Temperatursensor am Trommelausgang (in der Mitte)

 

Jetzt verabschieden wir den Konjunktiv und kommen zur für mich vorerst finalen Version des Rösters. Nach dem der ursprüngliche Gene endgültig „hin“ war, konnte es erst so richtig losgehen! Es müssen also die Trommel und der Lüfter mit dem Arduino angesteuert werden. Das ganze sollte am besten noch Strom vom Röster selbst bekommen, damit man nicht immer auf Batterien angewiesen ist oder ein eigenes Netz- bzw. USB-Kabel für den Arduino mitschleppen muss. Also habe ich mich im Internet schlau gemacht und letztendlich ein eigenes kleines Netzteil gebaut, dass den von 230 V auf gemessene 24 V transformierten Strom gleichrichtet und etwas entstört. Das ganze wurde mit einem auf 12 V eingestellten Spannungswandler für den Arduino und zwei an den 24 V hängenden Leistungstransistoren auf eine Platine gelötet. Die beiden Leistungstransistoren sind deswegen mit den 24 V verbunden, weil ich mir zu dem Zeitpunkt noch nicht sicher war, ob ich den Arduino mit 5, 9 oder doch 12 V betreiben sollte, da man selbige Spannung ja auch als interne Spannungsquelle für eventuell später hinzukommende elektronische Bauteile verwenden kann. Die am Transistor anliegenden 24 V können ja auch nicht ganz ausgenutzt werden und über die Software ein maximaler Wert festgelegt werden. Da das interne Gene-Relais allerdings immer noch in Reihe mit dem SSR hängt, habe ich mich dann letztendlich für 12 V entschieden. Diese werden abgegriffen und schalten das mechanische Relais dauerhaft durch (Abbildung 3). Ich war mir nicht sicher, ob auf der Relaisplatine Bauteile zur Entstörung des Stromnetzes von der Heizung des Rösters sind und konnte hierzu leider auch keine Informationen im Netz finden. Deshalb ist die ganze Platine sicherheitshalber mal drinnen geblieben. Wer hierzu mehr weiß, kann mich gerne aufklären.


Abbildung 3: Neue Elektronik und Verkabelung

Die Verbindung zu einem in einer Brotzeitbox befindlichen Arduino UNO mit LCD-Display wird über einen 18 Pin VGA Stecker realisiert. Der Gedanke dahinter war, dass man sich unterschiedlich lange VGA-Kabel je nach gedachtem Einsatzzweck besorgen und als Verbindung zwischen beiden Geräten nutzen kann. Leier musste ich beim aufschneiden eines China-RGB-Kabels feststellen, dass nicht mal die Hälfte der Pins auch mit Drähten verbunden sind. Also durfte ich ein 18-Poliges VGA-Kabel selber löten. Nach einigen Änderungen im Code (Trommel und Lüfter werden jetzt mitgeregelt) und vielen Tests und Fehlerbehebungen konnte dann endlich wieder geröstet werden. Jetzt ging es wieder an das finden geeigneter PID-Parameter im realen Prozess, sprich während der Röstung.
An dieser Stelle wäre es vielleicht gut zu wissen, dass ich aufgrund des eher unangenehm nachhängenden Geruchs gegen Ende der Röstung einen Schlauch am Gene und aus dem Fenster hängen habe. Als die Heizung des Gene nicht mehr ausgehen wollte, habe ich mir also zunächst nichts weiter gedacht. Die Temperatur ist schließlich auch nicht weiter gestiegen, also wird die Wärme schon in die Bohnen und aus dem Glasbehälter gehen. Nach einer knappen Minute kamen dann quietschende Geräusche aus dem Röster. Das war dann wohl der Lüfter, der noch mal Lebewohl sagen wollte. Also die Röstung sofort abgebrochen, Kaffee raus (war noch nicht so dunkel geröstet/keine Öle) und alles auf den Balkon und eine volle Gießkanne daneben. Zum Glück noch mal alles gut gegangen! Nach einer recht kurzen Analyse war klar, dass ein neuer Lüfter her musste. Die anliegenden 24 V am Transistor wurden wohl zu wenig gedrosselt für den Lüfter und er ist mitten unterm Rösten abgeraucht. So ein Lüfter besteht inzwischen ja nicht mehr nur aus einem Motor und einer Freilaufdiode, sondern hat eine komplett eigene Steuerung verbaut. Die Suche nach einem Ersatz war gar nicht so leicht, bis mir durch Zufall bei einem Verkäufer in der Bucht aufgefallen ist, dass das angegebene Höhenmaß des Radiallüfteranschlusses bei der Baugröße keinen Sinn ergibt. Der somit recht günstig erstandene Ersatzlüfter hat also nicht nur exakt gepasst und wurde innerhalb weniger Tage geliefert, sondern ist auch noch auf 24 V ausgelegt und hat minimal mehr Leistung als der ursprüngliche Lüfter vom Gene. Außerdem kann man aus Fehlern ja bekanntlich lernen und somit wurde der Temperaturfühler auf der Heizungsseite des Gene ebenfalls gegen ein Typ K Thermoelement ausgetauscht. Dieses mal hat es fast genau gepasst. Das Loch wurde minimal aufgebohrt, um den an einer Schraube hängenden Temperaturfühler in das Metall schrauben zu können (Abbildungen 4, 5 und 6).


Abbildungen 4, 5 und 6: Temperaturfühler direkt nach dem Heizelement

 

Leider war jetzt der Punkt erreicht, an dem am Arduino Uno nicht nur die Ein- und Ausgänge knapp wurden, sondern auch der Speicherplatz dank der benötigten Libraries und dem ausladenden Programmcode voll wurde. Ein Arduino Mega 2525 konnte beiden Problemen Abhilfe schaffen. Jetzt konnte der Code um ein Sicherheitselement erweitert werden, das die Temperaturen der beiden vor und nach der Rösttrommel befindlichen Temperatursensoren ausliest und deren Werte vergleicht. Sollten die voneinander um einen vordefinierten Wert abweichen, geht der Röster in den Kühlmodus und gibt einen Fehler aus. In diesem Fall wird davon ausgegangen, dass etwas mit den Temperatursensoren, dem SSR (wenn defekt schalten sie gerne mal durch) oder dem Lüfter nicht stimmt. Um einen falsch empfangenen Temperaturwert auszuschließen, wird stets der laufende Mittelwert aus drei Temperaturmessungen gebildet. Dies gilt allerdings nicht für den Temperaturwert der PID-Steuerung, da dieser im schlimmsten Fall einen falschen Stellwert verursacht, der jedoch mehrmals in der Sekunde (ca. 6 mal) erstellt wird. Theoretisch kann man den zweiten Temperatursensor auch für Spielereien wie Aufheizrate der Bohnen, Heizungstemperatur (vor allem beim Abkühlen interessant) o.ä. verwenden. Vielleicht kommt so etwas noch in einer späteren Revision.
Letztendlich war auch hier der Aufwand vorerst umsonst. Abbildung 7 zeigt sowohl den Temperaturverlauf an Rösttrommelein- und -ausgang als auch die inneren Temperaturen nahe dem Lüfter und dem Luftauslass. Man kann gut erkennen, dass man je nach verwendeten Bohnen und Bohnenmenge schon mal mit einer Temperaturdifferenz von 100 °C rechnen kann bzw. sollte. Ich weiß nicht, ob die Differenz so viel größer wird, sollte z.B. der Lüfter einmal ausfallen, da der Heizungsfühler ja eher über der Heizung ist und nur noch sehr passiv durch die aufsteigende Luft erwärmt werden würde. In Tests mit kleinen Temperaturdifferenzen hat der Code erfolgreich (in diesem Fall leider) die Röstung abgebrochen. Mit einer Temperaturdifferenz um die 100 °C z.B. zu erzielen durch „Trommel entfernen und laufen lassen“ habe ich allerdings keinen Versuch gemacht und habe es auch nicht vor, da sich hier gerne mal Plastikteile o.ä. verabschieden können.


Abbildung 7: Temperaturverläufe während der Röstung

Kommen wir nun endlich zum Umgang mit dem neu elektrifizierten Röster. Das Menü des Arduino enthält unter anderem einen Menüpunkt mit den möglichen Einstellungen. Diese werden allerdings nicht gespeichert und müssen für jede neue Röstung bzw. nach jedem stromlos machen des Arduinos erneut eingestellt werden, wenn sie von den Standardeinstellungen abweichen sollen. Verändert werden können:

SETTINGS:
- Trommel Geschwindigkeit in % und mit Testlauf
- Lüfter Geschwindigkeit in % und mit Testlauf
- Abkühl-Endtemperatur (ab wann es kalt genug ist)
- Sofortiges Abkühlen auf gesetzte Temperatur (um z.B. nach Fehler manuell die Kühlung einschalten zu können)

Für die eigentliche Röstung gibt es folgende Menüpunkte:

ROAST:
- 1 Stage Roast
- 2 Stage Roast
- 3 Stage Roast

Dabei kann für jede Röststufe eine eigene Temperatur und Zeit festgelegt werden. Möchte man also z.B. in zwei Stufen rösten, wählt man zunächst diese Option aus. Danach wird man gefragt, auf welcher Temperatur die erste Stufe gestellt werden soll und für welche Zeitspanne die Temperatur gehalten werden soll. Nach erfolgter Eingabe und Bestätigung wird dasselbe Procedere für die zweite Stufe wiederholt. Danach kann die Aufheizrate festgelegt werden. Man kann entweder eine gewünschte Zeit einstellen, die es dauern soll, bin die Temperatur der zweiten Stufe erreicht ist, oder aber man stellt die Ramp-Rate ein. Diese stellt die Aufheizzeit in Grad Celsius pro Minute dar. Beide Einheiten werden von der Software ineinander umgerechnet. Man bekommt also stets beide Werte angezeigt. Nach erneuter Bestätigung muss nur noch eine gewünschte Vorheiztemperatur festgelegt werden. Erneutes Bestätigen startet den Röster und er heizt auf die eingestellte Vorheiztemperatur. Ist diese erreicht und man selbst bereit, die Bohnen einzufüllen, kann man über „Select“ das Vorheizen beenden. Der Röster fährt darauf in die Ausgansposition und die Bohnen können eingefüllt werden. Ist dies geschehen, bestätigt man mit einem weiteren Druck auf „Select“ und der eigentliche Röstvorgang beginnt. Der Röster führt nun automatisch die eingestellten Temperaturen und Zeiten ab. Dabei können zu jeder Zeit die beiden Werte „Zeit“ und „Temperatur“ manuell angepasst werden. Ein erneuter Druck auf „Select“ würde die Röstung sofort abbrechen. Nach erfolgter Röstung bzw. Abbruch kühlt der Röster automatisch auf die noch vom Gene beibehaltenen 60 °C runter und fährt anschließend in Parkposition.
Die PID- Steuerung ist dabei inzwischen auf 1 °C bzw. ± 0.5 °C genau. Das Bohnenbild ist meiner Meinung nach sehr gleichmäßig und der Geschmack exzellent. Die Ergebnisse sind auch, zumindest jetzt im Sommer, sehr gut reproduzierbar.

Aber das war es noch nicht. Da mir das Programmieren auch Spaß macht und bisher eigentlich viel zu kurz gekommen ist, musste ich noch eine weitere Idee ausprobieren.
Ein dritter Menüpunkt ermöglicht das Rösten nach einem auf einer SD-Karte gespeicherten Röstkurve. Um dieses Profil (oder mehrere) zu erstellen, braucht man eine Version von Microsoft Excel, Open Office Excel, oder etwas mehr Zeit zur Erstellung einer Textdatei. In vier Spalten können Zeitpunkt, Temperatur, Lüftergeschwindigkeit und Trommelgeschwindigkeit in dieser Reihenfolge eingetragen werden. Das Schöne an Excel ist, dass man sich auch gleich einen Graphen erstellen kann, der den voraussichtlichen Röstverlauf darstellt. Dazu kann auch eine Vorlage von mir genutzt werden. Aufheizzeiten müssen hier allerdings von Hand berechnet bzw. überlegt werden. Möchte man z.B in fünf Minuten von 170 °C auf 220 °C aufheizen, wären das 10 °C/min. Man würde also zum Beginn der Aufheizphase immer sechs Sekunden hinzuzählen und die dazugehörige Temperatur um ein Grad erhöhen. Mit Excel genügt es, diesen Vorgang zwei Mal in die Tabelle zu schreiben. Danach können die Felder markiert und extrapoliert, sprich nach unten gezogen werden. Lüfter und Trommelgeschwindigkeit werden in % angegeben (Abbildung 8). Ist man mit dem Ergebnis zufrieden, muss die Tabelle in eine Textdatei mit der Endung .txt kopiert werden. Dabei ist darauf zu achten, dass keine zusätzlichen Bezeichnungen, Zeichen o.ä. reinkopiert oder geschrieben werden. Außerdem darf der Name der Datei nur maximal 4 Zeichen (zweckmäßigerweise z.B. eine fortlaufende Zahl) enthalten, da es sonst zu Problemen beim Auslesen mit dem Arduino kommt. Dies könnte man noch beheben, ist allerdings nicht so wichtig, dass es mir im Moment den Aufwand wert ist.


Abbildung 8: Erstelltes Röstprofil - Vorgabe in Excel

Erkennt der Arduino, dass eine SD-Karte vorhanden ist, wird das zugehörige Menü eingeblendet. Jetzt kann eine erstellte Röstdatei ausgewählt werden. Nach dem Vorheizen (das auch aus der Datei ausgelesen und eingestellt werden kann), fährt der Röster wieder nach „Select“ in Parkposition, die Bohnen werden eingefüllt und das eingespeicherte Röstprofil automatisch nachgefahren. Dabei können wieder zu jedem Zeitpunkt Änderungen sowohl an der Zeit als auch an der Temperatur gemacht werden. Ebenfalls kann die Röstung mit „Select“ wieder beendet werden, falls man sich doch noch anders entscheidet. Das Schöne an diesem System ist, dass alle Parameter im Sekundentakt in eine separate Log-Datei geschrieben werden. Diese kann dann wieder in Excel eingefügt werden (ebenfalls eine Vorlage vorhanden). Jetzt kann man problemlos die eingestellten Parameter mit den tatsächlich gefahrenen Parametern vergleichen, wobei auch manuelle Änderungen der Röstparameter berücksichtigt bzw. angezeigt werden (siehe Abbildungen 9 und 10).


Abbildungen 9 und 10: Tatsächlicher Röstverlauf im Vergleich zur Vorgabe

Wenn man noch kein ideales Röstprofil gefunden hat, kann man auch mit wenigen festen Parametern starten, ähnlich den 1-, 2-, oder 3- stufigen Röstprofilen. Im Verlauf der Röstung können die Parameter dann optisch, nach Erfahrung oder nach Belieben verändert werden. Sollte man bei der Verkostung dann auf eine Offenbarung stoßen, kann man die Log-Datei als neues Röstprofil weiter verwenden. Abbildung 11 zeigt eine Röstung, die die nicht nur von der Sonne so braun wurde. Auch eine Modifizierung wäre problemlos möglich. Man hat also nahezu unbegrenzte Möglichkeiten, was die Optimierung eigener Röstprofile angeht. Theoretisch wäre auch ein (Aus-) Tausch von Röstprofilen gut möglich.


Abbildung 11: Fertig gerösteter Kaffee

In den nächsten Tagen lade ich noch ein paar Videos hoch, in denen Ihr den Röster in Aktion sehen könnt.

Ich bin schon gespannt auf eure Meinungen zu diesem Mod.

Viele Grüße
Nico

 

Für mich hat sich der Aufwand auf jeden Fall gelohnt. Ein Dimmer-Umbau wäre auch sinnvoll, da der Gene schon starke Temperaturschwankungen hat. Aber so ist man auch ziemlich wetterunabhängig. Ausserdem lässt sich der Code problemlos auf größere Röster übertragen.

 

Nein, zumindest nicht geloggt. Ich kann aber bei der nächsten Röstung mal mitzählen. Alles in allem schaltet das Relais nicht so oft, wie man es vielleicht erwarten würde. Trotz des Luftstroms ist die Heizung noch sehr träge und kühlt nicht so schnell runter. Allerdings ist mir aufgefallen, dass meine alten Temperaturverläufe nicht 1:1 übertragbar sind. Da der Gene ja eine Mischung aus den beiden Temperaturmessungen anzeigt, liegt die gemessene Ablufttemperatur meist einige Grad unter der ursprünglichen Einstellung bzw. wenn ich jetzt 225 °C einstelle, dann wären das bei dem unmodifizierten Gene um die 230°C.

 

Das Video ist jetzt endlich fertig. Hier der Link:

@argmax: Das SSR schaltet ca. 12 mal pro Minute bei 235 °C. Es lohnt sich also schon, ein SSR zu verbauen.

 

Die Heizung ist immer 2.5 s an, dann 2.5 s aus. Wie willst du das mit einem Dimmer vergleichen?

 

Also dein Vorgehen klingt auf jeden Fall sinnvoll. Nur was du mit Hystereseart meinst, ist mir nicht ganz klar. Könntest du das kurz erklären? Wie gleichmäßig wird denn das Ergebnis mit dem Dimmer? Ist das dann Sommer wie Winter reproduzierbar, oder müssen die Parameter dann angepasst werden?
Ich habe mir auch mal diesen Mod überlegt, aber als dann manche mit Schwankungen im Stromnetz daher kamen, die man auch beachten soll, wurde es mir dann doch zu aufwendig. Der große Vorteil von der PID-Steuerung ist, dass man in diesem Fall alles über Vor- und Nachbereitung der Röstung einstellen kann. Die Röstung selbst ist dann relativ stressfrei.

 

Ach so. Ich dachte, du hast einen Dimmer-Mod mit Dimmer und nicht mit einem SSR. Was hindert dich an einer PID-Steuerung? Du könntest dir auch einen Drehknopf anbringen, mit dem du immer auf die aktuelle Temperatur stellen kannst, die du möchtest.
Worum es mir eigentlich auch in diesem thread geht ist, mal zu fragen, ob für so einen Umbau Interesse besteht. Man könnte sicher ein kleines Set zusammenstellen bestehend aus einer Platine für den Gene zum Anschluss der gewollten Komponenten und einem programmierten Arduino mit Display. Dann könnte man sich besser über ein Forum austauschen, was verschiedene Nuancen in den Röstprofilen angeht.

 

Naja, ein SSR kann man ja nur ein- oder ausschalten. Zusammen mit der Trägheit der Heizung stellt man dann die Temperatur. Genau genommen habe ich einen P-Regler mit Offset. Das reicht für mich von der Genauigkeit aus.
Du hast nur gefragt, wie oft das SSR bei 235 °C schaltet. Ich habe eine Minute gestoppt und dann geschaut, wie oft es an geht. 60 s / 12 mal an = 5 mal an pro Sekunde entspricht ca. alle 2.5 s Änderung des Schaltzustands.