La Marzocco Strada EP – Decent- und Slayer-Mod und mehr?

So, wie angekündigt möchte ich mein Projekt meines Kaufes einer Strada EP und ihren Modifikationen in den letzten 12 Monaten vorstellen. Die Strada EP ist, denke ich, hinlänglich als eine der ersten Espressomaschinen mit echtem Pressure/Flow-Profiling bekannt. Da ich jedoch die unhandliche Software von La Marzocco zur Erstellung einiger Profile sowie die manuelle Durchführung besagter Profile umgehen wollte, habe ich eine eigene Steuerung umgesetzt. Es folgt eine kleine List mit den neu erworben Features:

- Automatisches Pressure-Profiling

- Automatisches Flow-Profiling

- Erstellen/Bearbeiten der Profile auf einer Website

- Ergänzen der Maschine um einen zweiten Drucksensor und zweiten Flusssensor

- Einbau eines Nadelventils a la Slayer mit Magnetventil zur Steuerung

- Einbau eines Microcontrollers zur Profil-Steuerung

- Einbau eines zweiten Microcontrollers zwecks “Data-Logging”, Anzeigen von Infos und Interaktion mit der Maschine

- Einbau zweier Displays und weiterer Platinen

- Implementation einer (externen) Waage, die in die Profile und Steuerung eingebunden ist

- Verbindung zu Home-Server mit Visualisierung der Shots und Speichern aller Informationen

Dann ein paar optische Aufbesserungen:

- Brühgruppencover und Kabelabdeckung von Titus in poliertem Edelstahl

- Eigens gelaserte Abdeckung für die Tassenablage, um Vibrationen zu minimieren

- Ausstehend: ein Kollege baut für mich aus Holz (dunkel) ein Paddle und den Knauf für den Dampf

Im Folgenden möchte ich für alle Interessierten ein paar Details schildern, die doch recht umfangreich sind. Alle Einzelheiten werde ich nicht erläutern können, aber ich versuche zumindest das Nötigste zu nennen.

 

Ich fange mal damit an ein paar der Teile aufzuzeigen.
Bei Digmesa in der Schweiz habe ich den hochsensiblen Flusssensor aus der Nano Serie (wie er bei der Dallacorte Mina verbaut ist, allerdings mit anderen Optionen) bestellt. Der ermöglicht mir, recht präzise Flussraten bis hinab zu 0,8 ml/s zu messen. Dieser ist recht klein, ich kann dafür definitiv eine Empfehlung aussprechen (Preis ist jedoch hoch!).


Als nächstes habe ich ein Nadelventil von Swagelok (über Frank) gekauft. Verbaut ist alles erstmal mit Flex-Tubes, bis ich permanent alles mit Kupferleitungen legen werde. Bisher jedoch noch nie eine Undichtigkeit gehabt!


Man sieht es auf dem Bild oben links verbaut. Die Flussrate bei 6 bar vor dem Nadelventil ist auf etwa 1,5 ml/s eingestellt. Der Drucksensor vor dem Nadelventil ist neben dem Magnetventil zum Schalten der Flusswege zusätzlich eingebaut worden. Das Magnetventil wird über ein Solid-State Relais geschaltet. Von außen sieht man davon übrigens weniger

 

Jetzt wird es spannend, das davor war nur „Spielerei“ und nicht sonderlich kompliziert. Es folgte das Design zweier Platinen, die die beiden ESP32 MCU beherbergen und alle notwendigen Informationen verarbeiten sollen.


Verpackt sieht das dann so aus und wird in die Halterung des internen Wassertanks eingebaut:


Verkabelt werden wollte das auch alles:

 

Die Waage wurde auf Basis einer „Dipse 2000g“ von Amazon gebaut. Das Display der Waage wurde gegen Knöpfe ausgetauscht und funktioniert nun als Waage und Interface gleichermaßen:


Ein Display wurde mit Hilfe einer Adapterplatine inkl. integrierter LED auf der Frontplatte der Strada angebracht, das andere dient lediglich zum Debugging.


Der wahre „Rockstar“ der ganzen Geschichte ist jedoch diese kleine Platine:


Sie kann das Potentiometer kapern, welches auf der Brühgruppe der Strada sitzt und der Profilsteuerung dient. Es wird also das manuelle Bewegen des Potentiometers emuliert – der ESP32 spielt der Strada also unmittelbar Profile vor. Ist der Druck zu niedrig, wird das Paddle (virtuell) nach links bewegt um die Motordrehzahl der Getriebepumpe zu erhöhen und vice versa.

 

Übrigens: das Folgende war der größte Aufwand von allen, noch vor dem Platinendesign etc.: die Software zu schreiben. Zwei PIDs zur Fluss- und Druck-Steuerung sind in Reihe geschaltet. Die Profile werden ausgelesen und in Echtzeit abgespielt. Damit kommt man von dem (Theorie):


Zu dem (Praxis):


Wer genau hinguckt kann erkennen, dass oben eine „Goal Brew-Ratio“ angegeben wird. Die Autostop Funktion wurde mit Hilfe der Waage implementiert. Die Gewichtsdaten des Shots werden aufgezeichnet und gefittet durch ein Polynom n-ten Grades. Damit kann der voraussichtliche Stopzeitpunkt vorhergesagt werden (der bei der Strada durch diverse Verzögerungen der La Marzocco Steuerung bei 700-800 ms liegt). Das Stoppen passt so meist auf +- 0,2 g genau (ich schaffe 1 bis 2 g Genauigkeit).
Um die korrekte BR für den Shot verwenden zu können, muss das Gewicht vom Mahlgut bekannt sein. Dafür steht unter der Nautilus ein Wägesystem, das Scheibendrehzal und Mahlgut-Gewicht erfasst. Nach Beenden des Mahlvorganges wird das Gewicht an die Strada versendet, so dass dieses direkt für den folgenden Shot verwendet werden kann. Es passiert also alles automatisch, keine zusätzlichen Schritte notwendig. Bei Bedarf kann ich das auch gerne genauer erläutern.

Die aufgezeichneten Daten zu Gewicht, Druck, Fluss etc. werden (wie oben ersichtlich) an einen eigenen kleinen Server (Raspberry Pi 4) verschickt und über eine Website angezeigt. Übrigens kann man mit der Strada auch chatten, dafür bietet sich aufgrund verschiedener Umstände Telegram an:


Darüber gibt es eine kurze Zusammenfassung des Shots und man kann an einer kurzen Umfrage zum Geschmack des Shots teilnehmen (Geschmack generell, Säure, Bitterkeit, Körper, Clarity, etc).

Insgesamt bin ich nun richtig zufrieden, alles läuft und mit leckerem Kaffee, gemahlen in der Nautilus und extrahiert durch das WAFO Spirit schmeckt es wirklich hervorragend!

 

Danke!

Es handelt sich hier nicht um "physische" PIDs, sondern im Microcontroller softwareseitig programmierte PIDs. In Reihe "geschaltet" sind sie, damit bei Fluss-/Druckprofiling der jeweilige Gegenpart (Druck/Fluss) limitiert werden kann. Sie greifen also ineinander und beeinflussen sich gegenseitig.

Das stimmt theoretisch. Da der Fluss bei niedrigen Drücken jedoch selbst bei geringen Drehzahlen sehr hoch ist (s. Pumpenkennlinien), lässt sich gerade im Rahmen der Präinfusion der Fluss kaum unterhalb von 2 ml/s regeln. Dazu kommt, dass vor der Getriebepumpe noch eine Rotationspumpe sitzt, die auf mindestens 2 bar eingestellt sein muss (eher mehr). Diese pumpt bis zu dem besagten Druck mit fast beliebig viel Fluss. Da hilft das Nadelventil einfach das ganze kontrolliert ablaufen zu lassen und vor allem Flüsse unter 2 ml/s sauber regeln zu können.

 

Chaos herrscht nach Ausschalten des Nadelventils für kurze Zeit zwangsweise, da sich der Drücke vor und hinter dem Nadelventil unmittelbar ausgleichen. Leider nicht vermeidbar, aber sieht schlimmer aus als es ist (beim Druck kommt von dem Chaos wenig an). Dass der Fluss so "verwackelt" aussieht ist ein Effekt der Flussbegrenzung - ebenso wie die Tatsache, dass keine 6 bar erreicht werden. Im Grunde wäre das Profil oben ein Druckprofil, die Flussbegrenzung führt jedoch dazu, dass es im letzten Drittel genau andersherum ist.
Unten noch ein Beispiel einer Präinfusion ohne Nadelventil. Man sieht den deutlich höhren Fluss und tatsächlich das Erreichen von 6 bar, bevor die Flussbegrenzung den Druck auch hier verringert um 3 ml/s nicht zu überschreiten. Wollte nochmal demonstrieren, dass sich auch ohne Nadelventil der Druck/Fluss chaosfrei regulieren lassen kann

 

Fast richtig. Ich nutze eine Potentiometer-Chip (MCP 4151-103E/P). An den kann ich via SPI-Protokoll einen Wert zwischen 0-255 übergeben, der einem Spannungwert auf der Skala zwischen zwei angelegten Spannungen (hier 0V und 5V) entspricht. Der Vorteil ist, dass die Betriebsspannung der Strada direkt verwendet und diese zwischen 0 und 5V variiert werden kann (in Analogie zum Paddle). Das weiße Bauteil auf der Platine ist ein kleines Relais, welches ohne Aktivierung den normalen Weg zum Paddle an die Strada weiterleitet oder bei Aktivierung zum Poti-Chip.

Und das ist eine gute Frage, hätte ich vielleicht oben erwähnen können. Alles was ich gemacht habe ist aufgerüstet, umgebaut ist nichts! Alles ist komplett reversibel und keine Sicherheitsfeatures etc von der Strada sind umgangen. Das habe ich gemacht, um bei eventuellen Fehlern in meiner Konstruktion eine zweite Absicherung zu haben und um das Projekt so universell wie möglich zu lassen.

 

Ich habe nur einen recht kleinen Teil erwähnt. Es kommen unter anderem noch folgende Sachen hinzu: Plotten von Graphen auf dem OLED-Display während des Bezuges (Gewicht, Druck, Fluss, etc), ingesamt die ganze GUI (allein das sind >1000 Zeilen) und Interaktion mit den MCUs, Akquirieren aller Daten während des Bezugs und das Ableiten dutzender weiterer Parameter (Startzeitpunkt Fluss in die Tasse, Flussdauer, Linearität des Flusses, mittlere Flussgeschwindigkeit etc, um beim Beispiel Fluss zu bleiben), Programmieren der Website mit Einstellbarkeit aller Parameter und Abspeicherung auf externer micro-SD Karte, WiFi Konnektivität mit OTA-Updates, Kommunikation mit dem Server auf Basis von JSONs und vieles mehr.
Bei dem MCU für die Profile kommen hunderte Zeilen für den PID-Teil auf dem Dual-Core des ESP hinzu. Dazu das Auslesen der Waage, der beiden Drucksensoren, Flusssensor, Kommunikation mit dem anderen MCU über Seriell und so weiter. Glaube allerdings das ist nicht unbedingt etwas für hier, ehrlich gesagt

Aber du hast nicht Unrecht, es war natürlich trotzdem alles "Learning by Doing", also hat manches sicherlich länger gedauert als Notwendig. Bin weder von Haus aus Software- noch Hardware-Experte.

Das ist eigentlich eine gute Idee und könnte man sicher in Angriff nehmen! Bin aktuell sehr zufriedener Nutzer meines Graphana Dashboards im Intranet, das deckt inzwischen alles (und mehr) von dem ab, was ich benötige. Visualizer wäre trotzdem nett.

Genau. Frank hat dieses eine Diagramm zur Verfügung gestellt, in dem doch sehr linear die Scheibendrehzahl für eine angelegte Spannung bestimmt wurde. Die Funktion, die sich aus dem Graphen ergibt, nutze ich zur Umrechnung Spannung->Drehzahl.

Mein Plan wäre es, in Zukunft hinter das Netzteil ein ESC zu schalten. Da der Nautilus Motor (meine ich) ursprünglich ein E-Scooter Motor ist, dürfte das eigentlich kein Problem sein. Dann würde ich auch mal mit "Drehprofilen" herumprobieren Und vor allem Auto-Purge einrichten, das wäre was...

 

Zur Zeit alle 10 ms, also 100x in der Sekunde. Es würde sicherlich auch deutlich weniger reichen, aber die Rechenpower auf dem zweiten Kern ist da - also warum nicht nutzen

Das Flowmeter sitzt hinter der Pumpe und hinter dem Nadelventil, allerdings vor dem Brühkesser. Also im Hochdruck-Bereich. Das ist notwendig, damit ich auch während der Nutzung des Nadelventils den Fluss akkurat steuern kann.

Das ist so, auch bei mir. In dem Flussensor ist eine Düse mit gewisser Größe, die einem Erlaubt den Fluss bis hin zu den winzigen Flussgeschwindigkeiten wie 0,8 ml/s zu messen. Der Trade-Off ist, dass der Flussensor wie ein (großer) Gicleur wirkt. Bei mir kann ich allerdings problemlos Flussraten bis 12-16 ml/s im freien Fluss erreichen, das ist für mich mehr als genug.

Gute Frage. Sie lässt sich ausschalten (und nur für den Dampfkessel nutzen), jedoch stellt mich das in meinem Fall vor Probleme. Ich nutze einen externen Tank unterhalb meines Kaffeetisches und eine Getriebepumpe mag keine Unterdruck auf der Eingangsseite. Deshalb möchte ich vermeiden, dass sie für das Ansaugen des Wassers zuständig ist. Diesen Part übernimmt die Rotationspumpe und stellt damit stabile Bedingungen für die Getriebepumpe her, weshalb die Rota im Bezug ebenfalls läuft. Ich wollte immer einen Druckminderer zwischen Rota und Getriebepumpe einbauen, um >2 bar für den Dampfkessel und ~1 bar für den Bezug zu haben. Aber irgendwie wurde das nie notwendig mit Nadelventil etc, die Präinfusionen sind auch so lange genug damit das kaum Einfluss hat.

 

Zwei Drucksensoren sind notwendig, da ich zum einen den Druck zwischen Pumpe und Nadelventil wissen möchte: während der Präinfusion möchte ich z.B. konstante 6 bar (oder irgendwas anderes) vor dem Nadelventil haben, um Bedingungen wie bei der Slayer zu erzeugen und eine kontrollierte Präfusion durchführen zu können. Zum anderen brauche ich einen Drucksensor so dicht an meinem Puck wie möglich für Auskunft über den tatsächlichen Druck zur Extraktion, das erledigt der von Haus aus installierte Drucksensor am Brühkessel (den lese ich einfach mit aus). Beide kann ich als Grundlage für meine Druckregelung verwenden, je nachdem worauf ich Wert lege.
Dass zwei Flusssensoren verbaut sind ist weniger relevant. Der eine ist auch von Haus aus eingebaut, jedoch ungenau und für meine Zwecke wenig hilfreich. Daher habe ich den Digmesa nachgerüstet und an die Stelle gebaut, die mir sinnvoll erschien. Der alte ist noch drinnen, um möglichst wenig zu modifizieren - und da die Strada selber über den auch eine handvoll Daten gewinnt.