Entwicklung einer Temperaturverlaufsregelung an einem elektrischen Kaffeeröster

Das Lieblingsgetränk der Deutschen ist der Kaffee. Um im industriellen Herstellungsprozess die enormen Mengen in der geforderten Qualität zu rösten, bedarf es während des Röstprozesses einer genauen Regelung des vorgegebenen Temperaturverlaufs, welche robust auf sich ändernde Rahmenbedingungen wie Bohnenmasse, Restfeuchtigkeit der Bohnen, Umgebungstemperatur oder Luftfeuchtigkeit ausgelegt sein muss.
Im Rahmen dieser Themenstellung ist ein Versuchsaufbau eines Trommelkaffeerösters auf Basis des Rösters Gene CBR-101 zu entwickeln. Dafür soll in einem ersten Aufgabenpaket die vorhandene manuelle Ansteuerung der Aktoren und Sensoren durch eine eigene Ansteuerung auf Basis eines Mikrocontrollers ersetzt werden. Die Tatsache der sehr hohen Rösttemperaturen (bis zu 250°C) und der daraus resultierenden Brandgefahr erfordern ein sinnvolles Sicherheitskonzept auf Ebene der Ansteuerung. Dieses muss die Überwachung der Betriebsparameter, der Sensorik und Aktorik sowie daraus resultierend die Abschaltung bzw. Notkühlung des Rösters im Fehlerfall sicherstellen. In einem zweiten Schritt soll die übergeordnete Temperaturverlaufsregelung über einen getrennten Steuerrechner auf Basis von MATLAB/Simulink erfolgen. Die Übertragung der Sensorwerte sowie der Steuerbefehle ist über Ethernet/UDP zu realisieren. Eine ausreichend genaue Modellierung und Simulation des Prozesses ist die Basis für die Auswahl der Reglerstrukturen und dem anschließenden Entwurf des Reglers. Dieser soll robust für variierende Prozessparameter ausgelegt sein. Die Verläufe der Mess-, Zustands-, und Stellgrößen während des Röstprozesses sind grafisch über ein GUI darzustellen.  

Im Rahmen der Themenstellung sind folgende Aufgaben durchzuführen:

  1. Analyse der vorhandenen Hardware und Reverse Engineering des Bedienpanels des Rösters zur Definition der notwendigen Schnittstellen
  2. Entwurf der Schaltungen zur Ansteuerung des Lüfter- und Trommelmotors (12V), der Temperaturmessung und der Heizungsansteuerung (220V) sowie das Erstellen und Testen der Platinen auf Basis des Mikrocontrollermoduls Mbed LPC1768 oder Arch Max STM32F407
  3. Programmieren der Grundfunktionen inklusive des Sicherheitskonzeptes
  4. Umsetzen der Anbindung eines MATLAB/Simulink-Steuerrechners inklusive Schnittstellendefinition per Ethernet/UDP zur Übergabe der Mess- und Stellgrößen
  5. Modellierung und Simulation des Röstprozesses unter Matlab/Simulink
  6. Diskussion und Auswahl der Reglerstruktur und Entwurf der Reglerparameter
  7. Programmieren eines GUI zur Darstellung der Verläufe der Mess-, Zustands- und Stellgrößen während und nach dem Röstprozess

Der Umfang der Arbeiten kann auf die Art der Tätigkeit angepasst werden.

Ansprechpartner

Dr.-Ing. Björn Kolewe, Haus 8, Raum 8112a