IoT-Lösung: Was eine vernetzte Melkanlage anders macht

• Eine IoT-Lösung (Internet of Things) gibt es jetzt auch am Melkstand
• Das neuartige Melksystem Calf35 imitiert ein Kalb beim Saugen und soll damit für schonendes Melken sorgen.
• Die Melkanlage ermöglicht eine dauerhafte Überwachung und weitreichende Analyse-Funktionalität zusammen mit hochpräzisen Mess- und Steuereinheiten.

Als Spezialist für Mess- und Steuerungssysteme wurde die BMC Messsysteme GmbH (bmcm) mit der Entwicklung der Elektronik und Software für das neue Melksystem Calf35 beauftragt. Bereits während der Entwicklungsphase stellte sich die Bedeutung einer Dauerüberwachung heraus. Die größte Herausforderung bei der Umsetzung einer IoT-Lösung war das benötigte Fachwissen aus verschiedensten Bereichen. Durch die langjährige Erfahrung in der IT, vor allem in Bereichen wie Local- und Online-Networking und der Messtechnik, war die bmcm der richtige Partner für so ein umfangreiches Projekt.

Das Prinzip des industriellen Melkens

Das Prinzip, das hinter dem industriellen Melken steckt, ist immer das gleiche: Mit einer speziellen Druckkurve schließt und öffnet sich der Zitzengummi um die Zitzen und führt dazu, dass der Milchfluss erfolgt. Calf35 nutzt nicht die klassische Druckkurve, die von rund-42kPa bis Atmosphäre reicht, sondern ahmt den Druckverlauf nach, der entsteht, wenn ein Kalb an der Zitze nuckelt. Die Maximalwerte des Verlaufs sind bei dem Calf35-System bei rund -36 kPa bis +6kPa. Diese Verschiebung der Kurve entlastet die Zitzen der Kuh und fördert zusätzlich durch den Überdruck die Zirkulation des Blutes und der Lymphflüssigkeit in der Zitze. Besonders wichtig ist dabei die Entlastung an der Zitzenspitze. Liegen dort zu hohe oder dauerhafte Drücke an, bildet sich eine Hornhaut um den Strichkanal (Hyperkeratose). Dadurch kann dieser nicht mehr komplett schließen und Bakterien können sich im Euter ansiedeln. Die Milch von Kühen mit akuten Euterinfektionen (Mastitis) darf nicht verkauft werden und die betroffenen Kühe müssen mit Antibiotika behandelt werden. Mit Calf35 sollen die Zitzen schonend behandelt werden, es bildet sich keine Hyperkeratose und die Eutergesundheit der Herde wird gepflegt und damit der Einsatz von Medikamenten signifikant reduziert.

IoT-Lösung: Jeden Melkplatz individuell steuern

Bei dem Einbau eines Calf35-Melksystem wird jeder Melkplatz mit einem Controller, C2-Controller genannt, und einem Schaltventil, dem Muzzle, ausgerüstet. Der C2-Controller fungiert als Anzeigeeinheit und dient als Kommunikationsschnittstelle für den Melkplatz. Alle Geräte sind durch einen RS485-Bus miteinander vernetzt, was große Vorteile bietet. Beispielsweise sind die einzelnen Muzzle damit in der Lage, die eigene Pulsation zeitlich mit allen anderen Melkplätzen abzustimmen. So schalten nicht alle Ventile gleichzeitig und erhöhen dadurch die Konstanz der Druckverhältnisse. Auch wenn ein C2-Controller oder Muzzle ausgetauscht werden muss, werden automatisch alle getroffenen Einstellungen an das neue Gerät übertragen und es ist sofort einsatzbereit.

Die Ventile selbst sind mit einem Mikrocontroller und hochsensiblen Drucksensoren ausgestattet und können so jeden Melkplatz individuell steuern. Da die Einhaltung der Kurvenform essentiell für die Qualität des Melkvorganges ist, wird an jedem Melkplatz jeder Einzelne der zwischen 80 und 90 Zyklen (Pulsen) pro Minute überwacht und ausgewertet. Der nötige spezifische Druckverlauf eines Zyklus wird durch das Calf35-System im Millisekunden-Bereich gesteuert, geregelt und angepasst.

Edge-Computing vermindert die Datenlast

Dieses Konzept des Edge-Computing sorgt für eine geringere Datenlast, sowohl auf dem lokalen Bus als auch bei der Mobilfunkübertragung zum Cloud-Server. Zusätzlich können die Melkplätze auch bei einer Störung des RS485 Buses oder Mobilfunkverbindung ohne Beeinträchtigungen weiter genutzt werden. Ausfallsicherheit und Autonomie sind essentielle Eigenschaften einer guten Melkanlage. 

Alle erfassten Daten, wie Statusmeldungen, Druck- und Temperaturwerte der einzelnen Melkplätze werden von einem zusätzlichen Master-Controller gesammelt. Dieser ist mit einem 4G-Mobilfunkmodem (2G Fallback) ausgestattet und baut selbständig eine verschlüsselte Verbindung zu einem Cloud- und Control-Server auf. So werden alle erfassten Daten der einzelnen Melkplätze kontinuierlich übermittelt. Dies ermöglicht eine genaue Auswertung jedes einzelnen Pulses. Anhand der gesammelten Daten werden eine Vielzahl von Informationen berechnet. Beispielsweise können Rückschlüsse zum Verschleiß verschiedener Gummi-Elemente im Melkstand (Zitzengummis, Druckschläuche, etc…) gezogen werden.

Um die Daten zu visualisieren, wurde eine umfangreiche Web-Applikation entwickelt. Diese ist in zwei Bereiche geteilt: Zum einen das Frontend für die Landwirte und Installateure, zum anderen das Backend zur Verwaltung der Höfe.

Visualisierung der Messwerte und Konfiguration der Anlage

Das Frontend der IoT-Lösung ist nochmals in zwei Bereiche aufgeteilt. Zum einen gibt es die Anzeige und Visualisierung der Messwerte und andererseits die Konfiguration der Anlage. Über diverse Bar- und XY-Graphen werden in Echtzeit dynamische Signale dargestellt. Zum Beispiel können in der Anlagenübersicht die Druckverhältnisse an allen Melkpfosten gleichzeitig angezeigt werden. So können Fehler oder Leckagen bei der Montage einfach lokalisiert und behoben werden.

Auf der Konfigurationsseite können alle Parameter der Melkanlage eingestellt werden – von Zyklen pro Minute über individuelle Anpassungen des Druckverlaufs, bis zur Anzeige der installierten Controller. Durch die Verbindung des lokalen RS485-Netzwerkes und dem Cloud-Server kann die Parametrierung zentral vorgenommen werden – auf jedem Computer, Tablet oder Smartphone mit Internetverbindung.

Quelle: BMC Messsysteme GmbHQuelle: BMC Messsysteme GmbH

Im Backend findet sich die Benutzerverwaltung. Hier werden die Berechtigungen eingestellt, zum Beispiel welche Bauernhöfe darf der Nutzer überwachen oder welche Einstellungen dürfen angepasst werden. In dieser Verwaltung wird auch die Alarmfunktionalität konfiguriert. Je nach Fehlermeldung können verschiedenen betroffene Personen auf unterschiedlichen Wegen eine Mitteilung erhalten, um Unregelmäßigkeiten innerhalb von Minuten zu beheben.

Diese Dauerüberwachung ist vor allem für die ersten Wochen nach der Umstellung wichtig. In dieser Phase gewöhnen sich die Kühe schrittweise an die neue Melkanlage und das Calf35-System kann kompromisslos an die Reaktion der Tiere angepasst werden.

Gesicherte Verbindung der IoT-Lösung in die Cloud

Sicherheit wird bei dieser Cloudlösung groß geschrieben. Sowohl die Verbindung von den Melk-Controllern zur Cloud über ein IoT-Gateway, als auch die Verbindung vom Cloudserver zum Browser ist mit einem SSL-Zertifikat gesichert. Zusätzliche Funktionen, wie Passwortschutz vor Ort und verschiedene Lese- oder Schreibmodi der Controller erhöhen die Sicherheit des Systems zusätzlich. Über das Online-Portal können ebenfalls aus der Ferne Software-Updates eingespielt werden.

Eine große Hürde bei der Umsetzung einer IoT-Lösung, vor allem beim Einsatz in abgelegenen Gebieten, ist immer noch die Netzabdeckung. Obwohl es Regionen in Europa gibt, in denen NB-IoT oder LTE-CatM Netze verbreitet sind, reicht die Abdeckung außerhalb großer Städte meist nicht aus. Deshalb wird bei Calf35 auf das 4G-LTE und das am weitesten verbreitete 2G Netz gesetzt.

Neuartige Technologien, ergänzt mit den neuen Fähigkeiten der IoT-Lösung, ergeben ganz andere Möglichkeiten für den Landwirt, Installateur und Servicetechniker.

Bilder: BMC Messsysteme GmbH

Weitere Informationen: https://www.bmcm.de/start.html

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