Eine vernetzte Melkanlage für glückliche Kühe

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Melken mit vernetzter Anlage: Mit Calf35 werden Kühe schonend gemolken. Über eine Mobilfunkverbindung lässt sich die Anlage überwachen und gleichzeitig stehen dem Landwirt Analysefunktionen zur Verfügung.

Die Digitalisierung macht auch in der Landwirtschaft nicht halt und kann dort Bauern und Landwirte bei ihrer täglichen Arbeit unterstützen. Jetzt haben Ingenieure ein spezielles Melksystem entwickelt, das für schonendes Melken sorgen soll. Die Anlage hat man zudem um einen Mobilfunk-Zugang erweitert. Damit soll es möglich sein, die Kühe über die Melkanlage zu überwachen und über die gewonnenen Daten den Melkprozess zu analysieren.

Obwohl die Effizienz und Leistung des Melkvorgangs weiter im Mittelpunkt stehen, kommen jetzt das Tierwohl und die Qualität der Milch hinzu. Alles unterstützt von Messtechnik. Doch die Entwickler mussten sich im Vorfeld mit dem industriellen Melken auseinandersetzen. Mit einer speziellen Druckkurve schließt und öffnet sich der Zitzengummi um die Zitzen und führt dazu, dass der Milchfluss erfolgt. Das System mit dem Namen Calf35 nutzt nicht die klassische Druckkurve, die von ungefähr -42 kPa bis Atmosphäre reicht, sondern ahmt den Druckverlauf nach, der entsteht, wenn ein Kalb an der Zitze nuckelt.

Controller und Ventil

Die Maximalwerte des Verlaufs sind bei dem Calf35-System bei rund -36 kPa bis 6 kPa. 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. Die Milch von Kühen mit akuten Euterinfektionen (Mastitis) darf nicht verkauft werden und die betroffenen Kühe müssen mit Antibiotika behandelt werden. Mit Calf35 werden die Zitzen schonend behandelt. Bei dem Einbau eines Calf35-Melksystem wird jeder Melkplatz mit einem speziellen Controller und einem Schaltventil 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 Schaltventile 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 Ventil ausgetauscht werden muss, werden automatisch alle getroffenen Einstellungen an das neue Gerät übertragen und es ist sofort einsatzbereit.

Ausfallsicheres System

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.

Das 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-Busses oder Mobilfunkverbindung ohne Beeinträchtigungen weiter genutzt werden. Ausfallsicherheit und Autonomie sind essentielle Eigenschaften einer guten Melkanlage.

Erfasste 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. Das 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 oder Druckschläuche) gezogen werden.

Dynamische Signale in Echtzeit

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. Das Frontend 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.

Im Backend findet sich die Benutzerverwaltung. Hier werden die Berechtigungen eingestellt. Beispielsweise 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. Die Dauerüberwachung ist vor allem für die ersten Wochen nach der Umstellung wichtig. In dieser Phase gewöhnen sich die Kühe schrittweise an die neue Melkanlage.

Netzabdeckung als große Hürde

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- bzw. 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.

Calf35: Patentiertes Melkverfahren (externer Link)

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