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BARTH lococube® mini-PLC STG-800 macht eine aromatische Tasse Kaffee

BARTHELEKTRONIK
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Beschreibung des Projektes:

Guten Espresso selber zu machen ist möglich. Aber auch mit Equipment für unter 400€ und ohne Verbrennungen dritten Grades zu erleiden? Ja, das geht; mit ESE – Pads! Wer Erfahrungen mit generischen Pad-Maschinen gemacht hat wird zunächst ungläubig den Kopf schütteln, aber Kaffepad ist eben nicht gleich Kaffeepad. Dabei enthalten beide ca. 7g Kaffee und bestehen aus kompostierbarem Filterpapier. In Profil und Draufsicht werden die Unterschiede aber schnell deutlich: Mit 44mm Durchmesser haben Easy Serving Espresso – Pads einen deutlich kleineren Durchmesser als ihr Senseo Pendant (70mm). Dafür ist die „Kaffeesäule“ in ihnen mit 10mm, im Vergleich zur 5mm starken Standard-Variante, deutlich höher (vgl. Abbildung 1). Nicht sichtbar hingegen ist der feine Mahlgrad des Kaffees im ESE – Pad (Korngröße 0,3mm), der dem Wasser eine möglichst große Kontaktfläche bietet.

Image showing ESE Pads

Das Geheimnis guten Kaffees liegt aber nicht allein im Pad; da die Flüssigkeitsmenge beim Espresso ca. 30ml betragen soll, bestimmt der Druck die Kontaktzeit zwischen Kaffeemehl und Wasser. Eine zu lange Kontaktzeit macht den Kaffee bitter, in einer zu kurzen werden nicht alle Geschmacksstoffe extrahiert und das Ergebnis ist fade. 20 bis 25 Sekunden gelten hierbei als Optimum für Espresso. Wer seinen Kaffee gerne mild genießt, kann daher die Wassermenge halbieren und erhält einen magenschonenden „Ristretto“. Für die große Kaffeelust kann der Espresso auch mit heißem Wasser auf ein Gesamtvolumen von 100ml gestreckt werden, der Italiener sagt hierzu „Americano“. Um den benötigten Druck von ca. 10 Bar zu erzeugen kommen Pumpen nach dem Schwingankerprinzip zum Einsatz. In diesen bewegt das Magnetfeld einer Spule einen magnetisierten Kolben mit Netzfrequenz linear in einer Buchse und Pumpt dadurch das kalte Wasser, durch ein Rückschlagventil, in die Brühgruppe. In dieser wird es auf ca. 92°C erhitzt. Die Temperatur sollte, trotz nachströmenden Wassers, während des Brühvorgangs möglichst konstant gehalten werden.

Am Markt tauchen derzeit günstige, kleine Maschinen mit der notwendigen Hardware für ESE- Pads auf. Doch was bekommt man für ca. 270€? Statt uns auf zweifelhafte „Kundenbewertungen“ zu verlassen haben wir die Maschine kurzerhand demontiert und waren positiv überrascht.

Unter dem Edelstahlkleid unseres Modells steckt eine Pumpe des namenhaften Herstellers „ULKA“, eine Brühgruppe aus Messing und eine gleichermaßen robuste wie einstellbare Kniehebelmechanik für die Padklemmung

Image of the BARTH EspressoMaker

Leider kann die durchdachte Konstruktion keine optimalen Ergebnisse erreichen, da das Gerät im Auslieferungszustand einen extrem komplexen Regelkreis für die Brühdauer verwendet: den Bediener. Er kann über die Taste an der Oberseite des Gerätes die Pumpe manuell steuern und muss die korrekte Wassermenge nach Gefühl ausgeben. Um wiederholbar optimale Espressi auszugeben, haben wir das Gerät daher mit einer unserer Steuerungen (Typ STG-800) automatisiert. Hierzu wurde das mechanische Thermostat durch einen 10kΩ NTC ersetzt.

Die Steuerung ermittelt über einen Analogeingang aus dem Spannungsfall über diesen Widerstand die Temperatur. Immer wenn sie unter den Schwellenwert fällt, wird über ein Halbleiterrelais die Heizpatrone eingeschaltet.

Die Eingänge sind mit den Tasten an der Gerätefront verbunden. Je nach gewählten Getränk wird hierdurch eine andere Ausgabezeit (entspricht Pumpen-Einschaltdauer) festgelegt.Ein Druck auf die Americano-Taste stellt die korrekte Menge an Heißwasser für das „Verlängern“ eines Espresso bereit. Damit die Temperatur des Wassers durch die große Ausgabemenge nicht zu stark absinkt, wird der Vorgang bei erreichen einer unteren Temperaturschwelle pausiert und nachgeheizt. Bei erreichen der Solltemperatur wird wieder Wasser ausgegeben. Dieser Vorgang wiederholt sich so lange, bis die Soll-Wassermenge ausgegeben wurde.

Barth Espresso Machine showing STG-800

Verkostungszeit

Beschreibung der Software:

Program for Bath Lococube mini-PLC

Die Spannung über den NTC-Widerstand liegt an IN1 an. Der Wert in Variable „Temp_Raw“ entspricht der gemessenen Spannung in Volt.

Eine Umrechnung der Temperatur in Kelvin wurde im Programm nicht vorgenommen, da es nur drei feste Schwellenwerte nutzt. Sinkt die Spannung unter 410mV (entspricht 92°C) wird „Heater_State“ wahr. Die Steuerung schaltet damit über OUT1 die Heizpatrone ein. Außerdem wird beim Drücken einer Taste geprüft, ob die Solltemperatur erreicht ist. Bei zu geringer Temperatur kann kein Kaffee bezogen werden.

Reicht die Temperatur aus, wird beim Drücken einer Taste das zugehörige Flipflop gesetzt.
IN3 für die Espresso-Taste ist ein analoger Eingang und muss daher anders ausgewertet werden als IN4 (Ristretto) und IN5 (Heißwasser); das Ergebnis wird mit dem Schwellenwert 12V verglichen. Dazu muss der Datentyp zunächst mit einem Converter-Baustein von FLOAT in WORD umgewandelt werden. Anschließend wird das Ergebnis mit 12V verglichen. Bei 24V am Eingang (gedrückter Taster) wird der Ausgang des Vergleichers wahr und das Flipflop gesetzt.

Mit setzen eines Flipflops wird wiederum die Variable „Dispensing_in_Progress“ wahr. Sie schaltet Pumpe und Heizpatrone gleichzeitig ein, um die Temperatur während des Bezugs möglichst konstant zu halten; allerdings nur, wenn die Temperatur unter 95°C (entspricht 380mV) liegt.

Während die Pumpe aktiv ist wird der Wert von „Dispense_Time“ jede Sekunde inkrementiert.
Ist die Sollzeit erreicht wird das jeweilige Flipflop zurückgesetzt und der Bezug endet. „Dispensing_in_Progress“ wird falsch und setzt damit auch den Zähler zurück. Bei Heißwasser wird der Bezug unterbrochen, sobald die Temperatur unter 86°C (entspricht 500mV) fällt.

Beim Heißwasserbezug kann der Nutzer ggf. nicht erkennen, ob bereits die gesamte Wassermenge ausgegeben wurde. Während das Programm abläuft blinken daher zwei LED-Module als optischer Indikator für den Betriebszustand.  

Im Anhang finden Sie die vollständige Teileliste und das STG-800 EspressoMaker-Programm.

As an owner-managed company, BARTH® Elektronik GmbH is one of the leading supplier in the field of miniaturized PLC technology. Our focus is set on principles such as professionalism, tradition and long-term perspectives - personally and rooted in the soil - and represents the basis of the more than 25-year successful company history. Both the goal-oriented implementation of our mission and the continuous further development contribute significantly to the success of BARTH® Elektronik GmbH.

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