[Vorstellung] ((( ito )))

​

ITO SERIOUSLY SMALL
ito ist ein neues Mikrocontroller-Modul für IoT-Projekte ("Internet of Things" = Vernetzte Elektronik) mit Atmel CPU, WLAN/Wi-Fi, zwei 230V-Solid-State-Relais und integrierter 230V-Stromversorgung. 65x56mm groß und 18,5mm hoch:

Größenvergleich mit Espressotasse

​

PRESSURE PROFILING FÜR ALLE
project caffè wird in den nächsten Wochen die leva!-Firmware für ito entwickeln. Damit wird ito zur Brühdrucksteuerung für Espressomaschinen, die auf einfachste Art und Weise vor Vibrationspumpen installiert werden kann:

Einfachste Anschlußvariante​

Eine Espressomaschine mit leva! wird mit wählbarem Brühdruckverlauf brühen können, da die Leistung der Pumpe in feinen Schritten dosiert werden kann (über 100 Leistungsstufen durch Phasenanschnitt). Sie könnte beispielsweise mit dem fallenden Druckverlauf eines Handheblers brühen oder Preinfusion wie eine E61-Maschine durchführen.

In der einfachsten, oben abgebildeten Anschlußvariante kann leva! Preinfusion mit wenig Druck realisieren und den Druck tendenziell steuern, z.B. fallend. Dank Wi-Fi ist eine Konfiguration ohne Display möglich.

Für echtes Pressure-Profiling, d.h. für Pumpenleistungsregelung durch einen Regelkreis mit Rückkopplung des erreichten Drucks zur Realisierung eines gewünschten Brühdruckverlaufs, ist zusätzlich ein Drucksensor erforderlich:

Anschlußvariante für Druckregelung​

Empfehlenswert wäre dann auch ein Display mit Drehencoder. Damit sind spontane Eingriffe in programmierte Verläufe möglich, z.B. um den Druck zu senken, wenn es zu schnell fliesst, oder um die Preinfusion beim ersten Tropfen zu beenden:

Anschlußvariante mit Druckregelung und Display-Eingabe-Einheit​

OPTIONEN ENTWICKELT ZUM ERWEITERN
ito ermöglich folgenden Maximalausbau:

Alle Optionen im Überblick​

• Mögliche Optionen: LED zur Beleuchtung des Tassenbereichs, Wassertanksensor, Flowmeter, analoges Paddle und Status-LED.
• leva! wird dosieren können. Dazu wäre das zweite Relais von ito mit dem elektrischen 3-Wege-Ventil der Gruppe zu verbinden.
• Wer noch keinen PID-Temperaturregler in der Espresso-Maschine hat (oder keinen guten), wird leva! zusätzlich als PID nutzen können. Dafür wären ein Temperatursensor und ein SSR-Relais anzuschließen.
• Als Alternative zum Display kann ein verstecker Taster zum Verstellen der Temperatur installiert werden. Ein vorhandener PID könnte als Temperaturanzeige dienen.
• Man beachte, daß Anschlüsse von ito aus Platzgründen oft mehrfach belegt sind, d.h. es gibt jeweils einen (1) Anschluß für zwei LED / Relais / usw. Deshalb sollte man sich schon beim Kauf überlegen, was man haben möchte. Späteres Nachrüsten wäre nicht so einfach.

POWER IM KLEINEN FORMAT

Die Platine wird durch ein Acryl-Shield (75x66mm) von der Umgebung isoliert.​

• ito enthält auf 65x56mm ein WLAN/Wi-Fi-Modul mit programmierbarer 80/160MHz-CPU (4MB Flash), zwei Solid-State-Relais und rückseitig einen ATMega-Microcontroller für die Schnittstellen mit 128KB Flash. Das Modul kann mit externem 5V-Netzteil oder einem 100-240V-Netzteil auf der Platine betrieben werden (Hi-Link-Modul in Bildmitte).
• ito unterstützt WLAN (2.4 GHz 802.11 b/g/n). Es kann sich in Netze einbuchen (d.h. sich mit Deinem Router verbinden) oder Access-Point mit DHCP sein (d.h. Betrieb ohne Router; nur WLAN-Funktion im Computer erforderlich).
• Die On-Board-Relais sind für 1A/230Watt-Lasten mit 8A Einschaltstrom geeignet, z.B. kleine Motoren, Pumpen und Ventile. Sie sind vom Typ "random control", d.h. sie unterstützen Leistungsregelung per Phasenanschnitt.
• Ein 5V-SSR-Anschluß für zwei externe Relais, z.B. 25A-Relais vom Typ "zerco cross" für PID-Regelung
• Ein PWM-Anschluß für zwei helligkeitsgesteuerte LED.
• Ein AUX-Anschluß für zwei digitale Sensoren, z.B. ein kapazitiver Wasserstands-Sensor und ein TSic-Temperatursensor (oder zwei TSic-Temperatursensoren). Dieser Anschluss kann auch als RS232 TTL-Schnittstelle benutzt werden.
• Ein ADC-Anschuß mit zwei 10bit-ADC-Kanälen für analoge Sensoren, z.B. Potentiometer (Paddle) und Drucksensor. Das Modul ist damit kompatibel zu preiswerten ratiometrischen 5V-Drucksensoren aus Edelstahl, die ca. 20 EUR kosten.
• Ein SPI-Displayanschluss für OLED-Displays. Dieser Anschluss kann auch als ISP-Schnittstelle benutzt werden.
• Ein IMPULSE-Zähler-Anschluß, z.B. für ein Flowmeter.
• Die Abmessungen der Platine und die Lage der Montagebohrungen sind identisch mit dem Raspberry Pi A+. Die Bohrungen sind mit 3,2mm statt 2,75mm etwas grösser.
• Die Platine ist für Umgebungen bis 60 Grad konzipiert, das Display für 70 Grad, die Kabel für 180 Grad.

Zur Interaktion mit Benutzern gibt es einen Buzzer sowie Anschlussmöglichkeiten für ein grafisches OLED-Display und für einen Drehencoder mit Tastfunktion. Ein Modul, das beides integriert, ist verfügbar (50x31mm):

Displaymodul mit kontrastreichem OLED-Grafikdiplay und Drehencoder mit Tastfunktion​

Zu dieser Einheit könnte eine 65x31mm-Alublende gefertigt werden - damit passt das Display zu den verbreiteten 58mmx25mm-PID-Ausschnitten. Oder man installiert sie hinter einem Blech vom Lasercut-Dienstleister (typischer Preis 20 EUR), wie es hier mit einem ähnlichen Display gemacht wurde:

​

SOFTWARE EINSTELLEN BEOBACHTEN VERBESSERN

Die Konfiguration kann dann per Display-Modul erfolgen. Oder per Computer - denn nachdem sich PC und ito über WLAN verbunden haben, kann man ein virtuelles Display starten:

Virtuelles LCD unter Windows​

Alle Messwerte werden als Kurven live an den Computer übertragen, was die Einstellung und Erkundung mit der Status-Monitor-Software für Windows zum Vergnügen macht:

Statusmonitor​

Bei der ersten Inbetriebnahme ist ito als "WLAN Access Point" vorkonfiguriert und man benötigt mindestens einmal ein Endgerät mit WLAN-Funktion (Computer, Notebook, Tablet oder Smartphone), um sich mit ito zu verbinden und um die Netzwerkeinstellungen über ein Web-Interface zu konfigurieren:

​

Im Gegensatz zu Notebooks hat nicht jeder Computer WLAN (es reicht nicht, einen WLAN-Router zu besitzen). Dann benötigt man mindestens einmal einen USB-WLAN-Adapter, wie den TL-WN722N. Damit kann man ito so einstellen, dass es sich als Station an einem vorhandenen WLAN-Router anmeldet, also im lokalen Netzwerk verfügbar wird. Firmware-Aktualisierungen sind "over the air" möglich.

​

Anmerkungen und Anforderungen

• Die Pumpensteuerung der leva!-Firmware wird ausschließlich Vibrationspumpen unterstützen. Empfehlenswert ist die oft eingebaute ULKA EP5 oder EX5.
• Die erreichbare Qualität der Druckregelung hängt von Details des Fluidsystems ab und ist nicht vorhersehbar. Installierte Drosseln, Leitungsmaterialien, schwingungsfähige Komponenten (z.B. Expansionsventile und Membranregler) und der Typ der installierten Pumpe (Kennlinie) wirken sich aus. Die Regelung ist vom Anwender passend zur Maschine zu konfigurieren.
• Pressure-Profiling ist eingeschränkt, wenn die Brühgruppe einen Mechanismus enthält, der den Druckverlauf im Siebträger vom Druck am Drucksensor (Pumpendruck) entkoppelt. Damit sind insbesondere E61-Gruppen mit Preinfusionskammer und die billigen Brühgruppenstöpselventile in manchen Einsteiger-Maschinen gemeint.
• Automatische Dosier- und Aufwärmprogramme stehen nicht zur Verfügung, wenn die Brühgruppe manuell geöffnet werden muss. Damit sind insbesondere nicht-elektrifizierte E61-Gruppen mit Hebelchen gemeint.
• Der Messbereich der Temperatursensoren endet bei 150 Grad. Sie sind für Espressomaschinen mit Boiler (Einkreiser, Zweikreiser und Dualboiler) geeignet, möglicherweise aber nicht für jeden Thermoblock.
• Wegen der auf der Platine integrierten Antenne hängt die Wifi-Verbindung davon ab, wie stark das Gehäuse, in dem ito eingebaut wird, abschirmt. Obwohl das Signal durch kleinste Spalte und Plastikelemente (Schalter, Tankdeckel) kommt, könnte im Einzelfall eine Verbindung unmöglich sein. Alternativ kann die Firmware über ein Displaymodul bedient werden.
• Die maximal zulässige Umgebungstemperatur für das Displaymodul ist 70 Grad. Das könnte bei manchen Espressomaschinen den Einbau im Deckel nicht ratsam erscheinen lassen, insbesondere nicht direkt über einem Boiler.
• Aus Haftungsgründen wird ito ohne eingelötetes 230V-Netzteil angeboten. Die Verbindung mit 230V erfolgt in eigener Verantwortung und darf nur von qualifizierten Personen durchgeführt werden. Ein 100-240V-Schaltnetzteilmodul zum Einlöten ist lieferbar. Alternativ kann ito mit 5V=/600-1000mA-Netzteil betrieben werden.
• ito-Website, Dokumentation und Firmware sind nur in Englisch verfügbar.

 

ito wird nur zu bestimmten Terminen (siehe Produktionsplanung) produziert, dazwischen ist das Produkt im Shop nicht verfügbar. Die individuell gewählten Komponenten bestimmen den Preis:

Beispielkonfiguration 1:
ito als unsichtbarer PID ohne Display*

Beispielkonfiguration 2:
ito als PID mit OLED Grafik-Display*

Beispielkonfiguration 3:
ito für Pressure-Profiling mit OLED-Grafikdisplay aber ohne PID-Funktion

Beispielkonfiguration 5:
ito für einfaches Pressure-Profiling (Preinfusion) ohne Drucksensor*, ohne PID-Funktion / Display

Beispielkonfiguration 5:
ito für Pressure-Profiling und PID mit OLED-Grafikdisplay

Alle Beispielkonfigurationen enthalten ein Flowmeter, weil es eine Dosierfunktion in der leva!-Firmware geben wird und weil ein Flowmeter eine bessere PID-Regelung ermöglicht (Feed-Forward).

Zum Drucksensor gibt es etwas Einbaumaterial ("installation kit"), aber je nach Maschine braucht man mehr. Hier ein komplettes Beispiel für die Rancilio Silvia.

​

*: Installationen ohne Drucksensor reichen für Preinfusion a la "Druckaufbau bis Pi mal Daumen 2,5bar", aber nicht für reproduzierbare Druckprofile.

 

Man wird den wesentlichen Aspekt des Feder-Handhebler-Druckverlaufs bekommen: Den langsamen Abfall des Drucks über den Bezug. Mit fortschreitendem Bezug verliert der Kaffee einen Teil seiner Inhaltsstoffe, so dass weniger Stoffe pro Zeiteinheit im durchströmenden Wasser gelöst werden. Dem wirkt ein Absenken der Durchflussgeschwindigkeit (durch Absenken des Drucks durch Pressure-Profiling oder Feder) entgegen.

Was die ersten Sekunden betrifft:
- Eine Vibrationspumpe kann den Druckanstieg von Pumpen mit höherer Förderrate nicht nachbilden. Da bei denen technische Massnahmen eingesetzt werden, um den Anstieg zu entschärfen, ist das egal.
- Der Druckanstieg einer Vibrationspumpe ist nicht "allmählich" im Sinne von graduell: Der Druck bleibt lange unter 1bar (würde ich eher als bedeutungslose Pause denn als Preinfusion sehen, da der Puck nur oberflächlich benetzt wird und z.g.T. trocken bleibt), dann steigt er schlagartig:

​

Die leva!-Firmware könnte der Pumpe einen graduellen Anstieg verpassen oder den Druck ein paar Sekunden bei 2bar anhalten oder...

 

Hier gibt es CAD-Dateien. Die Produktion eines Silvia-Blechs kostet bei fabtools.de 24,79EUR incl. Versand. Der gewählte Alps-Encoder hat dort, wo er durch das Blech tritt, D=6.8mm+0,2-0,1mm. Die CAD-Datei hat ein D=7mm-Loch. Knapp, aber es ist absichtlich nicht größer, damit man das Modul während der rückseitigen Installation präzise positionieren kann.

​

Statt dem Alps-Knopf des Kits aus schwarzem Plastik könnte man auch andere - niedrigere, breitere, schönere? - Knöpfe für abgeflachte 6mm-Achsen oder mit Klemmsystem einsetzen, z.B. aus Aluminium. Wenn man statt Lasercut eine 3mm-Blende produzieren lässt, muss man die Knopf-Frage vorab entscheiden, da man für manche Knöpfe eine Senkung im Knopfdurchmesser anbringen muss (wenn kein Platz für dicke Blenden bleibt).

> Kannst Du die Einschränkung bei einer E61 genauer beschreiben?

Nicht genau, ich habe keine. Ich kann es mir nur denken: Wegen der Feder der Preinfusionskammer ist der vom Drucksensor gemessene/geregelte Druck nicht der Brühdruck. Den Brühdruck kennt der Regler anfangs gar nicht, er existiert nur nach der Preinfusionskammer, wo man nicht messen kann. Was im Sieb passiert, bleibt unklar bzw. wie die E61 es will. Ein benutzerdefinierter (Preinfusions-)Druckverlauf ist nicht möglich. Es gibt eine Maschine mit Pressure-Profiling und E61 - bei der hat man die Preinfusionskammer stillgelegt. Ein ähnliches Problem hat man mit Gruppen-Stöpselventilen in Maschinen ohne 3-Wege-Ventil (u.a. Gaggia Classic Light): Auch die verbergen den Brühdruck vor dem Sensor.

Weiterhin kann man die Dosierfunktion nicht nutzen, wenn die E61 nicht elektrifiziert ist.

 

Eine Xenia sollte mit starkem 32bit/84MHz Arduino Due als Kern ihrer Blackbox ito nicht brauchen - da sollte Software reichen.

 

Bilder von einem ito-OLED-Display mit verschiedenen Knöpfen:

Ohne Knopf​

Knopf aus dem Kit, D=13mm​

Alternativer Knopf, D=10mm​

Displaytest, weißes Display mit D=10mm-Knopf​

 

> Dosierung/Pressureprofiling [...] nicht möglich bei E61

Kenntnisstand zur E61:

• Pumpende Programme (Dosieren, Schnelles Aufwärmen, Entkalken, Spülen der Gruppe), werden bei der E61 dann nicht möglich sein, wenn sie nicht elektrifiziert ist. Wenn der Hebel einen Schalter darstellt, der in der Gruppe mechanisch nichts bewegt, sondern ein elektrisches Ventil schaltet, steht den Funktionen nichts im Weg.
• Pressure-Profiling ist bei der E61 eingeschränkt, aber (IMHO) möglich. Die Preinfusionskammer wird sich zunächst auf unbekannte Art und Weise auf den Brühdruck auswirken, weil sie den Brühdruck vor dem Drucksensor verbirgt. Sobald die Kammer voll ist, fällt dieses Problem weg. Ich gehe davon aus, dass man mit E61 zwar keinen programmierbaren Brühdruckverlauf in der Preinfusionsphase bekommt, danach aber beispielsweise einen linear fallenden "Feder-Handhebler-Druckverlauf".

> Ist der Einbau des Flowmeters dennoch empfehlenswert (Feed-Forward?)

Ein Flowmeter ist ein minimaler Kostenfaktor und immer empfehlenswert.

• Das Flowmeter dient dem PID (optional) dazu, die Heizleistung quasi verzögerungsfrei anzupassen, wenn es einen Fördervolumensprung gibt – das ist die Feed-Forward-Komponente der Regelung.
• Das Flowmeter dient zum Dosieren. Dafür ist es nicht unersetzlich. Man kann auch nach Zeit dosieren lassen.
• Der Flowmeter dient dem Durchlauf-Entkalkungsprogramm zum Erkennen des entleerten Tanks. Dieses Programm nutzt nicht den Tanksensor, um den Tank vollständig zu entleeren (teure Entkalkerflüssigkeit).
• Es dient der Firmware zur Kontrolle, dass die Pumpe den Befehlen folgt. Manche Programme brechen ab, wenn kein Flowmeter bestätigt, dass gepumpt wird.

> finde das OLED Display wahnsinnig klein [...] Bei meiner Lelit

Diese Grösse wurde gewählt, weil sie bei vielen Maschinen, inklusive mancher Lelit, zur vorhandenen PID-Öffnung passt. Auf der ito-Displayplatine gibt es keinen Platz für 1.3"-Displays. Es spricht andererseits nichts dadagegen, ein loses 1.3"-OLED und einen losen Encoder anzuschliessen. Das Display müsste ein 7-Pin-SPI-Interface und einen SSD1306-Chip haben (SH1106 möglicherweise später auch).

> Füllstandsschalter mit Feder [...] an den zweiten digitalen Anschluss (OPTION B: CONTACT)

Ja.

 

Beurteilungen konkreter, mir i.d.R. völlig unbekannter Maschinen wären meinerseits nur Spekulation. Die Besitzer müssten die Kompatibilität selber abschätzen:

Gibt es Platz? Wird die zulässige Temperatur eingehalten (<= 70 Grad für OLED; 60 Grad für ito, was tiefen Einbau nahelegt)? Gibt es einen Einbauort für das Display? Wenn man Pressure-Profling will: Gibt es eine Vibrationspumpe und kann ein Drucksensor so installiert werden, dass der Brühdruck gemessen wird? Usw. Weitere Anforderungen stehen im ersten Beitrag.

Bei Thermoblocks wäre als Besonderheit das impulsweise Schalten der Pumpe beim Dampfen zu berücksichtigen. Damit das weiterhin - ohne Überlagerung mit Pressure-Profiling - möglich ist, sollte das Stromversorgungskabel, das diese 230V-Impulse liefert, direkt zur Pumpe führen. Nur das Stromversorgungskabel, das vom Pumpenschalter kommt, sollte über ito laufen.

ito richtet sich an qualifizierte Personen, die mit 230V umgehen können, die einfache Schaltkreise verstehen und die die ito-Anschlusspunkte ohne Fotos finden.

 

> [kann man ito mit] easy kit2 Display mit den 6 Testern betreiben ?

Das Bedienungskonzept wird ein Display mit Dreh-Encoder erfordern, oder gar keins. Der Encoder wird eine gewisse Qual bei der Bedienung des Menüs werden (Cancel muss durch einen längeren Druck ersetzt werden), aber die Vorteile an anderer Stelle überwiegen:
1. Drehen ist ein Quantensprung beim Pressure-Profiling. Das interaktive Eingreifen wird Spaß machen.
2. Ein Display mit Knöpfen führt unvermeidlicherweise zu Fingerberührungen am Deckelblech. Nach kurzer Zeit sieht es um das Display herum schrecklich aus. Man muss ein Display mit Tastern oft putzen, ein Display mit Encoder praktisch nie.
3. Die, die nasse Tassen auf den Deckel stellen, sollten das Display mit einer Glasscheibe abdichten. Die einzige verbleibende Öffnung würde dann hinter dem Encoder-Knopf liegen (ein wenige Zehntelmillimeter breiter Spalt). Besser als sechs Tasteröffnungen.