Vorn wissen, was hinten ankommt

Bekanntlich hängen die süßesten Früchte immer am weitesten oben. Doch der Fuchs schläft nicht, sondern er ruht. Und so wird für einen möglichst hohen Zuckerertrag in der modernen Zucht von Hilleshög, der weltweiten Marke für leistungsstarke Zuckerrüben, neben der Menge vor allem auf den Zuckergehalt der Feldfrüchte - auch für die Ethanolproduktion geachtet. Dahinter stehen 100 Jahre innovative Zuckerrübenforschung und -technologie im diversifizierten Agrarbusiness-Unternehmen Syngenta mit rund 21.000 Mitarbeitern in über 90 Ländern rund um den Erdball. Deutsche Pflanzenzüchtungszentrale der Gruppe ist die Syngenta Seeds GmbH in Bad Salzuflen. Deren Hauptaktivitäten sind die klassische Kreuzungszüchtung hochleistungsfähiger Hybrid- und/oder Liniensorten von Zuckerrüben, Winterraps, Mais, Sonnenblumen und Wintergerste.
Weil für die Ertragsstärke einer Rübensorte deren genetische Prädisposition im Zusammenwirken mit dem jeweiligen Anbaugebiet betrachtet werden muss, untersucht Syngenta diese durch Versuchsanbau auf rund 25.500 Parzellen in den klassischen Rübenanbaugebieten Deutschlands. Während der rund dreimonatigen Erntezeit - oder „Kampagne“ - werden die Rüben bodenschonend geerntet und von jeder Parzelle ein Sack mit rund 100 Rüben nach Bad Salzuflen geliefert. Dort betreibt Syngenta Seeds eine Rübenanalysestation, die rechtzeitig zur Kampagne 2007 von der PlanTec OHG (Leopoldshöhe) umfassend modernisiert wurde.
Eines der Hauptanliegen von Syngenta war dabei, in einem Pilotprojekt die eindeutige Identifizierbarkeit der Rübenproben beim Durchlauf durch die Anlage zu gewährleisten. Plantec, seit 2005 am Markt und spezialisiert auf Komplettlösungen im Anlagenbau von der Konstruktion bis zum Service, löste diese Aufgabe mit einem berührungslos arbeitenden RFID-System (Radio Frequency Identification) aus dem Sensorik-Spektrum von Siemens Automation & Drives.

 

Beispielloses Pilotprojekt

 

Was sich wie ein Allerweltsauftrag liest, war allerdings mit einigen Unbekannten behaftet. So gab es in der gesamten Agrarwirtschaft keine Referenzanwendung für den Einsatz von RFID-Technologie zur Identifizierung landwirtschaftlicher Schüttgüter dieser Art. Auch war nicht absehbar, ob und wie die mobilen Datenträger des RFID-Systems überhaupt mit den Rüben in Verbindung gebracht werden konnten.
Deshalb wurde das von PlanTec vorgeschlagene System zunächst während der Kampagne 2007 in einem Pilotprojekt getestet. Dabei sollten Erkenntnisse über den grundsätzlichen Systemaufbau und praktische Erfahrungen mit der automatischen Identifizierung der Rübenchargen in der Analysestation gewonnen werden. Trotz des Pilotprojektcharakters lief die Anlage in 2007 schon vollautomatisch im Wirkbetrieb.
Die Systementscheidung selbst war für Plantec schnell gefallen: „Wir setzen seit Jahren Automatisierungstechnik von Siemens ein, die sich aufgrund ihrer hohen Zuverlässigkeit und Durchgängigkeit wiederholt bewährt hat“, sagt Wolfgang Geiler, Geschäftsführer PlanTec. „Auf der Steuerungs- und Bedienseite hatten wir uns entschlossen, die Anlage bei Syngenta Seeds mit einer SPS Simatic S7 300 und einem Touch Panel TP177 zu modernisieren. Da lag es nahe, uns auch für die Identifizierung der Rüben in diesem Portfolio umzusehen. Mit Unterstützung von Siemens fanden wir in Simatic RF600 schnell das am besten geeignete System hierfür.“

 

Jede Probe zählt

 

Jörg Hempelmann, leitender Versuchstechniker Zuckerrübe bei Syngenta in Bad Salzuflen, zur eigentlichen Herausforderung der RFID-Anwendung: „Jede Probe ist für sich genommen unersetzlich, denn wir testen unser Saatgut unter unterschiedlichsten Bedingungen, um dann statistische Mittelwerte der Ertragskraft zu bilden. Wenn nur eine einzige Probe verloren geht bzw. keiner Parzelle eindeutig zugeordnet werden kann, stimmt die gesamte Datenbasis nicht mehr. Hinzu kommt, dass wir rund 10 Jahre brauchen, um eine neue, ertragreichere Sorte mit besserer Resistenz gegen Schaderreger im Rübenanbau zu züchten - was sich mit jeder nicht identifizierbaren Probe um weitere 12 Monate verzögert, erhebliche Zusatzkosten mit sich bringt und unsere Wettbewerbsfähigkeit insbesondere gegenüber Zuckerrohr beeinträchtigt.“
PlanTec entwickelte daher ein Erkennungskonzept, mit dem die Rüben jeder einzelnen Parzelle vollautomatisch durch die Verarbeitungsanlage verfolgt werden können. Als mobiler Datenträger dient ein „Smart Label“ - ein Papieretikett mit integriertem Schaltkreis (IC). Dieses steckt zum Schutz gegen Wasser und mechanische Beschädigung in einer Kunststoffröhre, die wiederum in einer rübenförmigen, verschraubten Kunststoffkapsel befestig ist. Je eine dieser Kapseln kommt bei der Ernte in jeden für Bad Salzuflen bestimmten Rübesack. Während der 1. Ausbaustufe des Pilotprojektes enthielt jede Datenkapsel außerdem noch ein Barcode-Etikett, das die Parzelle und Rübenprobe bisher identifizierte.
Die Smart Labels bieten einen Speicher für 96 Bytes. Sie lassen sich unbegrenzt auslesen, bis zu 100.000 Mal beschreiben und halten Einsatztemperaturen von -20 bis +70 °C stand. PlanTec hat sie zum Einsatz im Pilotprojekt einmalig mit einer fortlaufenden Kennnummer versehen. Diese wird beim Einlauf der Rübencharge in die Anlage und erneut vor dem Eintritt der Rüben in eine der beiden Waschmaschinen ausgelesen. „Entscheidend ist dabei auch, dass das RFID-System pro Charge nur eine einzige Nummer erkennt,“ unterstreicht Hempelmann. Bei Chargen ohne oder mit mehreren Datenkapseln wird das Förderband automatisch gestoppt, um Chargenvermengungen oder Fehler in der Identifizierung zu vermeiden.
Das RFID-System Simatic RF600 wird üblicherweise in den Bereichen Logistik und Produktion eingesetzt. Es arbeitet im UHF-Bereich (865 bis 868 MHz in Europa, 902 bis 928 MHz in den USA) und eignet sich mit je zwei Antennen in gegenüberliegender Montage für Leseabstände bis 10 m. Ausgelesen werden die Smart Tags über die Antenne Simatic RF660A mit dem Schreib /Lesegerät Simatic RF660R.

 

Robust und kostengünstig

 

In der Anlage von Syngenta wird der erste Lesevorgang durch eine Lichtschranke über dem Förderband getriggert, damit das System „weiß“, wann eine Rübencharge kommt und dass ein Smart Label vorhanden sein muss. Weil die Labels passive Bauelemente sind, erhalten sie die Energie zum Senden ihrer Daten per Induktion unmittelbar von der Antenne, sobald eine Datenkapsel in deren Lesefeld transportiert wird.
Mit der Schutzart IP65 sind Schreib /Lesegerät und Antennen bestens für den Einsatz unter erschwerten Umgebungsbedingungen geeignet, wie sie in der Rübenverarbeitungsanlage an der Tagesordnung sind. Insbesondere ihre Unempfindlichkeit gegen Verschmutzung - denn diese lässt sich in der Anlage nun wirklich nicht verhindern, da die Rüben frisch vom Feld stammen - war ein wesentliches Argument für Plantec, das System für diese Anwendung einzusetzen.
Weitaus gewichtiger noch wog der relativ günstige Preis der Papieretiketten, denn allein schon für das Pilotprojekt wurden über 2.500 dieser Smart Labels benötigt. Den Ausschlag gab schließlich der große Leseabstand zur Antenne, der größte Flexibilität beim Einbau mit höchster Erkennungssicherheit verbindet. So werden auch Datenkapseln, die sich unter mehreren Rüben verstecken, zuverlässig erfasst. Um zusätzlich eine gewisse Redundanz zu schaffen, hat PlanTec das System voll ausgebaut und an das Schreib /Lesegerät zwei weitere Antennen angeschlossen, die jede Rübencharge noch einmal vor dem Eintritt in eine der beiden Waschmaschinen erfassen. Dort werden die Rüben dann 60 s lang intensiv gewaschen.
Das Schreib /Lesegerät übermittelt die jeweils ausgelesenen Nummern über Ethernet an die Simatic-Steuerung. Das daran angeschlossene Bedienpanel zeigt in einem Übersichtsbild anhand der Nummern die Position der jeweiligen Chargen. „Früher hatten wir an den Waschmaschinen wiederholt Staus und Störungen,“ sagt  Jörg Hempelmann. „Wenn die Freigabe für eine Waschmaschine kam, konnte es passieren, dass Rüben aus mehreren Chargen gemeinsam gewaschen und vermengt wurden. Dann musste fast immer die Anlage leer gefahren werden. Jetzt sind beliebige Stopps möglich. Die Anlage merkt sich, wo welche Rüben liegen, sodass keine Charge verlogen geht.“

 

45 Gramm genügen

 

Nach dem Waschen wird die Datenkapsel händisch von den Rüben getrennt und läuft über ein eigenes Band zur Etikettierstation für die Proben. Die gewaschenen Rüben wiederum werden automatisch angeschnitten, um Fruchtfleisch aus ihrem Inneren zu entnehmen und zu einem homogenen Brei zu verarbeiten. Als eigentliche Probe zieht Syngenta Seeds von diesem Brei dann ganze 45 g pro Charge. Jede Probe erhält anschließend ein Etikett mit Barcode, der mit den Daten der Rübenparzelle verknüpft wird. Dann werden die Proben tiefgefroren, denn der Rübenbrei ist leicht verderblich und würde sofort zu gären beginnen. Die eigentliche Analyse des Zuckergehalts und diverser anderer Inhaltsstoffe erfolgt im Zentrallabor von Syngenta in Schweden. Die restlichen Rüben werden an ein Zuckerwerk geliefert.
Das Pilotprojekt hat gezeigt, dass die Labels in den Datenkapseln völlig problemlos durch die Anlage laufen. Die Erkennungsleistung der Antennen erreichte 100 %, und zwar unabhängig von der jeweiligen Lage der Datenträger. Damit kann die Anlage in der nächsten Kampagne in der zweiten Ausbaustufe voll genutzt werden: „In der ersten Ausbaustufe haben wir die Labels ja eigentlich nur zur reinen Anwesenheitskontrolle der Datenkapsel genutzt,“ erläutert Jens Beckmann, Softwareentwickler bei PlanTec. „Im nächsten Jahr wollen wir sie während der Ernte auf dem Traktor beschriften. Dann hat jeder Roder einen PC und möglicherweise ein GPS-Modul an Bord, sodass die Daten der Ernteparzelle ohne Spezialwissen automatisch erfasst und auf das Label geschrieben werden können.“
Jörg Hempelmann sieht in der erfolgreichen Automatisierung der Chargenidentifikation einen weiteren Baustein im Ausbau der Forschung und Entwicklung zur Stärkung der Wettbewerbsposition  von Syngenta: „Wir sind mit den Ergebnissen unseres Pilotprojektes hoch zufrieden. In der zweiten Ausbaustufe erwarten wir eine höhere Datenqualität mit weniger Aufwand, da das neue System mehrere Fehlerquellen eliminiert. Die Antennen vergessen ganz einfach nicht, den Datenspeicher auszulesen. Außerdem müssen wir die Datenkapseln beim Etikettieren in Zukunft nicht mehr aufschrauben, weil der zusätzliche Barcode entfällt.“