Umiejętności w dziedzinie budowy maszyn, jak również wiedza praktyczna dotycząca sterowania systemami przyczyniły się do wyprodukowania zautomatyzowanego urządzenia do palenia i parzenia kawy znanego pod nazwą Javabot.
System magazynowania Javabot składa się z pojemników na ziarna palone i zielone. Każdy pojemnik charakteryzuje się budową modularną oraz własnym systemem dozującym umożliwiającym ich późniejsze stopniowe powiększanie.
Gdyby Willy Wonka zaprojektował sklep oferujący kawę, prawdopodobnie byłoby to coś w rodzaju kawiarni pod nazwą Roasting Plant Coffee Co. zlokalizowanej w Nowym Jorku. Roasting Plant wyposażona w skomplikowane urządzenie do zautomatyzowanej produkcji kawy, funkcjonuje, podobnie jak w przypadku małej fabryki, jak kawiarnia w sektorze handlu detalicznego. Ziarna kawy przemieszczają się nad głowami przez rury pneumatyczne, przemykając przez kolejne magazynki, stację palenia, młynek i maszynę do parzenia kawy.
Willy mógłby nie doceniać w pełni stopnia zautomatyzowania. Nowoczesny system sterowania sam przeprowadza całą operację bez dodatkowej obsługi. W rzeczy samej urządzenie w ogóle nie wymaga pracy manualnej z wyjątkiem takich czynności, jak wsypanie surowych ziaren kawy i podanie gotowej kawy.
Roasting Plant to pomysł Mike’a Caswell’a, byłego inżyniera firmy Starbucks, w której pracował on nad projektami łańcucha dostaw i efektywnością eksploatacyjną. Mile wspomina ten okres. – Starbucks naprawdę pomogło mi wzmocnić moją pasję do kawy – twierdzi. Wcześniej pracował również jako inżynier ds. produkcji, między innymi w Digital Equipment. Zatem również kwestia automatyzacji fabryki była mu dobrze znana, szczególnie jej potencjał związany z możliwością udoskonalania jakości produktu.
Jego koncepcja zautomatyzowanej kawiarni, której w Europie nadano patent, a w Stanach Zjednoczonych już go zgłoszono, nie polega na automatyzacji dla samej tylko automatyzacji. Nie uwzględnia ona również zastosowania automatyzacji tylko i wyłącznie w celu redukcji kosztów pracy. Automatyzacja służy Caswell’owi przede wszystkim jako spełnienie wewnętrznego pragnienia o zaparzeniu po prostu lepszej kawy. – Przystąpiłem do przygotowywania możliwie najświeższego i najsmaczniejszego kubka kawy. Automatyzacja właśnie to umożliwia – twierdzi.
I faktycznie, w dużej mierze, tak właśnie jest, ponieważ odnosi się ona do kwestii braku świeżości, którą Caswell uważa za największą przeszkodę w przygotowywaniu naprawdę dobrego kubka kawy. – Całkiem możliwe, że świeżość nie jest łatwo dostępna – dodaje, tłumacząc dlaczego większość miejsc sprzedających kawę nie pali ziaren kawy u siebie na miejscu. – Niektóre nawet nie wiedzą, kiedy ich ziarna kawy były zmielone, a tym bardziej kiedy palone. Automatyzacja umożliwia Roasting Plant połączenie palenia, mielenia oraz parzenia kawy w miejscu konsumpcji – zarówno w sensie fizycznym, jak i czasowym.
Automatyzacja zapewnia konsumentom możliwości większego wyboru niż jest to obecnie możliwe. Nawet drugi sklep Roasting Plant, który pod względem rozmiaru jest o połowę mniejszy od budowanego sklepu w innej części Nowego Jorku, oferuje wybór siedmiu rodzajów ziaren i standardowy zestaw parzonych napojów kawowych na bazie expresso. Ten zautomatyzowany system pozwala również klientom na mieszanie ziaren kawy na bieżąco. – Nie wiem czy system ten gwarantuje lepszą jakość kawy, ale tak naprawdę nie liczy się to, co ja myślę. Klient jest tu całkowicie pod kontrolą – twierdzi Caswell.
Automatyzacja gwarantuje również tak potrzebną powtarzalność i zgodność procesów palenia, parzenia i mielenia w stopniu, w jakim jest to dla człowieka niemożliwe. – Z przemysłowego punktu widzenia dobra kawa to sztuka, która wymaga dobrych palarek i pracowników, którzy wciskaliby przełącznik i przekręcali pokrętła, jednak w rzeczywistości bardzo łatwo jest ludziom zepsuć wyśmienity smak kawy – stwierdza Matt Youney z Youney Automation, jeden z dwóch budowniczych urządzenia, którzy pracowali nad systemem zaparzania kawy dla Roasting Plant. – Automatyzacja zapewnia kontrolę i niezawodność tego, co znane jest dziś jako czarna sztuka – dodaje.
Pogląd ten może nieco irytować miłośników kawy, jednak odbije się on echem wśród inżynierów czyniących starania, aby udoskonalić jakość produktów poprzez zautomatyzowanie procesów wykonywanych ręką ekspertów. W przypadku kawiarni Roasting Plant część doświadczenia i wiedzy specjalistycznej pochodzi od samego Caswell’a, jak również od firmy Kobricks Coffee zlokalizowanej w Nowym Jorku, która konsultowała się w kwestiach dotyczących selekcji ziaren kawy, profili palenia oraz przepisów na napoje kawowe.
Automatyczny Ekspres do Kawy
Automatyczny system przygotowywania kawy opracowany przez Roasting Plant znany jest pod nazwą Javabot. I chociaż jego wygląd został upiększony tak, aby dopasować się do otoczenia handlu detalicznego, urządzenie to jest duszą przemysłu. – Podeszliśmy do niego jak do każdego innego projektu przemysłowego – stwierdza Youney.
Caswell przedstawił specyfikację możliwości urządzenia, jednak konkrety związane z pracami projektowymi pozostawił Youney’owi i Dave’owi Phillips z Advanced Design Solutions. Obydwaj ściśle współpracowali od samego początku, Youney zajął się kwestią układu regulacji, natomiast Philips projektem mechanicznym.
Na pierwszy rzut oka maszyna, którą zaproponowali z mechanicznego punktu widzenia wydaje się być raczej prosta. Część urządzenia odpowiedzialna za magazynowanie składa się z przezroczystych ruropodobnych pojemników, sześciu, które przetrzymują zielone ziarna kawy zanim poddane zostaną procesowi palenia oraz siedmiu, które przetrzymują ziarna palone. Rury pneumatyczne łączą ze sobą pojemniki magazynowe jak również mikro-palarkę i automatyczne urządzenia do mielenia i parzenia.
Większość czynności wykonywanych przez Javabot realizowanych jest na żądanie. Kiedy klient zamawia kawę, ziarna wypuszczane są z pojemników magazynowych w kierunku mechanizmu mielącego i wrzucane do urządzenia parzącego. Przenoszenie, mielenie i parzenie ziaren kawy zajmuje jedynie 30 sekund.
Tymczasem proces palenia odbywa się codziennie, jednak nie każdorazowo dla każdej indywidualnego kubka kawy. – Ziarna potrzebują czasu na ostudzenie i odgazowanie. Większość ludzi nie chciałaby czekać aż tak długo – twierdzi Michael Hodor, szef ds. technologicznych w kawiarni Roasting Plant. Zatem po procesie palenia małych partii, ziarna transportowane są do pojemników magazynowych, których rurowy kształt oraz system dozujący zamontowany w dolnej ich części zapewnia, że ziarna wychodzą na zasadzie pierwszy na wejściu, pierwszy na wyjściu.
Mimo faktu, że urządzenie wydaje się proste, to od strony projektowej było dużym wyzwaniem dla konstruktorów. Philips odwołuje się do rur pneumatycznych i wagowych podsystemów dozujących wymagających optymalizacji z uwagi na fakt, że ziarna podczas przechodzenia przez system muszą pozostawać nienaruszone. – Ziarna kawy są delikatne i kruche, dlatego też spędziliśmy mnóstwo czasu upewniając się, że system jest wystarczająco delikatny – stwierdza. Koniecznym było stworzenie obrotowych rozdzielaczy/podajników, które precyzyjnie skierowują odpowiednią ilość ziaren do przenośnika pneumatycznego, który z kolei przetransportuje je do jednej z dwóch maszynek parzących kawę. Obie maszynki do parzenia kawy pochodzą z firmy Egro Swiss Coffee Systems.
Wymagały one kilku modyfikacji mechanicznych w celu zintegrowania ich z Javabot. Ponieważ maszynki te zazwyczaj załadowywane są ręcznie, większość tych zmian związana była z możliwością odbierania ziaren z rur pneumatycznych.
Rurowy przenośnik pneumatyczny wymagał znacznie więcej pracy z zakresu inżynierii. Philips twierdzi, że zdołał zoptymalizować system pneumatyczny – w zwykły sposób – poprzez dopracowanie współczynników prędkości powietrza i układu rurowego, jak również zminimalizowanie wszelkich zwężeń rur. Pozwoliło to również na relatywne wyciszenie systemu.
Hałas z przenośnika pneumatycznego jest wciąż słyszalny, jednak zdecydowanie nie uciążliwy. Casewell jest zdania, że pewien poziom hałasu jest korzystny. – Chcemy, aby nasi klienci wiedzieli, że to, co robimy nie jest tylko teatrem. Częścią naszej marki jest to, że klienci wchodzą do nas niczym do ogromnej maszyny, która sama zaparza im kawę – dodaje.
Innym wyzwaniem mechanicznym w dziedzinie projektu jest mikro- palarka, która zazwyczaj obsługuje partie o wadze około pół kilograma. Celem zaoszczędzenia czasu i pieniędzy niezbędnych do wyprodukowania prototypowego urządzenia, Casewell wybrał gotową ręczną mikro-palarkę i poprosił Phillips’a, aby zintegrował ją z resztą mechanizmu Javabot. – Byłoby znacznie prościej wyprodukować zupełnie nową palarkę od podstaw – twierdzi Phillips.
Ostatecznie dokonał on obszernych modyfikacji mechanicznych maszynki, która do niedawna była ręcznie obsługiwaną palarką, włącznie z dodaniem uruchamianego pneumatycznie zaworu motylkowego, który przenosi ziarna z obszaru przejściowego do komory palenia znajdującej się poniżej. Dodał on również odcinek chłodzenia, który umieszczony jest pod komorą, co wymagało podniesienia całej palarki na podest. Kompletna palarka ma możliwości jednoczesnego organizowania, palenia i studzenia ziaren, co pozwala na dotrzymywanie kroku popytowi na kawę paloną.
Oprócz zmian mechanicznych gotowa palarka wymagała również unowocześnienia układu sterowania. – Posiadała ona niski poziom regulacji, jedynie rezystory nastawne i przełączniki – twierdzi Youney, dodając, że tak niewielkie odchylenia temperatury jak 0,5° C mogą powodować zauważalną różnicę w jakości palonych ziaren. – Nie można było zaakceptować nawet tak małych odchyleń temperatury – dodaje Youney. Zatem zmodernizował on układ sterowania palarki, wykorzystując do tego między innymi czujniki temperatury powietrza i regulację PID.
Kontrola Parzenia Kawy
Palarka nie była jedyną częścią składającą się na najwyższej jakości układ sterowania. Jak wiele dzisiejszych fabryk Javabot posiada to, co Youney określa jako – rozproszony system kontroli najwyższej jakości.
Nadzorujący komputer PC zajmuje czołowe miejsce w systemie zarządzając procesem palenia kawy w kawiarni Roasting Plant. PC wyposażony jest w ładny graficznie interfejs użytkownika systemu. – PC wykonuje właściwie takie operacje, w których komputery PC są naprawdę dobre – dodaje Young. Pod komputerem PC znajdują się dwa kompaktowe sterowniki PLC WAGO serii 750, jeden odpowiedzialny za nadzór operacji procesu palenia oraz drugi za kontrolę operacji związanych z magazynowaniem i transportowaniem – np. kontrolując prędkość powietrza w przenośniku pneumatycznym. Komunikacja odbywa się poprzez magistralę Modbus TCP/IP.
Najniższy poziom sterowania systemem występuje przy samych pojemnikach i urządzeniach Ergo. Wszystkie pojemniki posiadają własne mikroprocesory, które wymieniają informacje między sobą i z nadzorującym układem sterownia. Poszczególne mikrokontrolery współpracując ze sobą kierują operacjami dozowania poszczególnych pojemników magazynowania, podczas gdy większe ruchy ziaren, takie jak te związane z procesem palenia i wymianą ziaren pomiędzy pojemnikami obsługiwane są przez PLC.
Youney twierdzi, że mikroprocesory zainstalowane w pojemnikach wraz z oprogramowaniem systemu czynią z Javabot urządzenie bardzo elastyczne. Dla przykładu: owa elastyczność związana jest np. ze zmianami zawartości poszczególnych pojemników. Jeśli do danego pojemnika doda się nową odmianę kawy lub gdy istniejącą już odmianę przeniesie się do innego pojemnika, zmiana ta dokonuje się kaskadowo wstecz całego procesu aż do systemu zarządzania przepisami.
Innym dobrym przykładem jest proces mieszania na bieżąco. Architektura kontrolno-programowa systemu umożliwia klientom tworzenie własnych mieszanek składających się z różnych ilości kawy pochodzących z dwóch lub więcej pojemników.
Urządzenia do kawy Ergo wymagały pewnych prac integracyjnych, by mogły wejść w skład Javabot . – Urządzenia te pracują na mikrokontrolerach 8,051, co wcale mi nie przeszkadzało. Miałem już z nimi styczność – dodaje Youney. Problem polegał na tym, że urządzenia te zazwyczaj same zarządzały procesem mielenia i parzenia. Youney musiał rozwiązać ten problem w taki sposób, aby przyjmowały one parametry mielenia i parzenia z nadzorującego systemu kontroli Javabot. W tym celu stworzył on nowy protokół komunikacyjny, który przekazuje wszystkie te parametry – ponad 25 – po połączeniu temperatur parzenia, czasu zaparzania, ciśnienia z różnymi stopniami mielenia.
Zatem jak precyzyjne muszą być wszystkie te systemy kontrolne? – Nawet małe odchylenia w systemie mogą wpłynąć na smak kawy – stwierdza Casewell. Rozważmy przykładowo wagę. – Ludzie zazwyczaj nie mają pełnej kontroli nad wagą. Aby zaserwować sobie mocne expresso może być potrzebne 14 g kawy, jednak pracownik kawiarni może wsypać 10 lub na przykład 16. My mamy pełną kontrolę w tym względzie – dodaje.
Faktycznie system dozujący Javabot, który uwzględnia również wielkość ziarna i jego gęstość, charakteryzuje się – dokładnością do pojedynczego ziarna – stwierdza Youney, dodając, że próby dokładności systemu dozującego wykazały standardowe odchylenie 0,25 g.
Skalowalność Projektu
Pierwsza kawiarnia Roasting Plant w Nowym Jorku codziennie już podaje kawę miejscowym w okolicy Lower East Side, jednak pod wieloma względami to pierwsze urządzenie Javabot jest prototypowe. Caswell buduje obecnie swoją drugą kawiarnię w innej dzielnicy Nowego Jorku, ale tu Javabot będzie około dwa razy większe zarówno pod względem rozmiaru urządzenia do parzenia, jak i pojemników magazynowania. W nowy systemie znajdą się również specjalnie zaprojektowane palarki zamiast gotowej – zmodyfikowanej palarki – wykorzystanej w modelu prototypowym. Hodor stwierdza, że nadzorujący układ sterowania zostanie przeniesiony do Apple Macintosh, który stanowi również platformę wykorzystywaną przez Roasting Plant w swym systemie POS (punktu sprzedaży – point of sale).
Rozbudowa Javabot najprawdopodobniej nie będzie niczym specjalnie trudnym. – Urządzenie to zostało już samego początku zaprojektowane tak, aby umożliwić jego rozbudowę – stwierdza Youney. Jego oprogramowanie, na przykład, posiada wszystkie dodatkowe punkty podłączenia niezbędne do zainstalowania nowych urządzeń i pojemników. – Oprogramowanie to posiada nawet cały zestaw funkcji, który nie został wykorzystywany w modelu prototypowym – dodaje. Zestaw ten zawierał, między innymi, możliwości zamawiania poprzez Internet, profile klientów z kodami kreskowymi oraz inteligentny harmonogram palenia zależny od szacowanego popytu. Natomiast modularna budowa pojemników z samodzielnymi systemami dozującymi i mikroprocesorami umożliwia rozbudowę systemu o kilka dodatkowych rur.
Caswell planuje w pełni wykorzystać tę możliwość skalowalności podczas otwierania nowych punktów Roasting Plant. – Kolejna zaleta automatyzacji to możliwość ciągłego powielania naszej koncepcji – dodaje.
dn
