PC-basierte Steuerungstechnik für DNA-Tests bei der Nutztierhaltung
Seit Jahren – so RML Machinery – steht Neuseeland an der Spitze der technischen Entwicklung in der Landwirtschaft und sorgt für Effizienz und Modernisierung in der Nutztierhaltung. Aktuelles Beispiel sind die DNA-Tests SNPshot™, die mit aktueller Technologie – auch von Beckhoff – den Bedürfnissen der zwei Endnutzergruppen gerecht werden: nämlich Landwirten, die Proben im Feld nehmen, und DNA-Labors, welche die resultierenden Proben verarbeiten.
Das in Neuseeland ansässige Unternehmen für Automatisierungs- und Robotertechnik, RML Machinery, arbeitet bereits seit einem Jahrzehnt eng mit Beckhoff zusammen, wenn es um die Integration von Steuerungssystemen geht. RML bietet einen ganzheitlichen Lösungsansatz für viele der führenden FMCG-Marken (Fast Moving Consumer Goods) in Australien, die den flexiblen Ansatz „Herausforderungen angenommen“ in der Automatisierungstechnik umsetzen. Dabei mache der zukunftsorientierte, flexible und zuverlässige Arbeitsstil Beckhoff zum idealen Partner für RML, der ganz im Sinn der immer ausgefeilteren Lösungen immer einen Schritt vorausdenke.
DNA-Probenahme auf dem Hof – präzise und schnell
Die Einsätze der DNA-Tests SNPshot™ sind weitreichend, da weltweit etwa 15 Mio. Proben pro Jahr genommen werden, um z. B. Zuchthengste, Schafe und gezüchteten Lachs identifizieren zu können. Der SNPshot™-DNA-Sampler ist sowohl mit RFID- als auch mit Barcode-Lesegeräten ausgestattet, die unterschiedlichste Tiermarken erfassen können. Außerdem werden als praktisches Verifizierungs- und Risikomanagement-Tool die GPS-Koordinaten zum Zeitpunkt der Probenahme aufgezeichnet.
Der Sampler liest beispielsweise die Ohrmarke eines Tieres und verknüpft diese mit einem QR-Code auf der zugehörigen Kartusche, während die Gewebeprobe entnommen wird. Nachdem ein Landwirt die Probenahme für den Tag abgeschlossen hat, kann er über Bluetooth die Probenahmedaten, d. h. den QR-Code der Kartusche und die verknüpfte Tier-ID, auf die SNPshot™ Mobile App eines Smartphone übertragen und bei Bedarf mit dem cloudbasierten SNPshot™ Hub synchronisiert. Nach der Probenahme werden die Röhrchen aus den Kartuschen entnommen und dann per Kurier an ein DNA-Labor geschickt. Die Röhrchen enthalten eine Pufferlösung, sodass sie während des Versands nicht gekühlt werden müssen. Die Kartuschen – mit recycelbaren Hüllen – sind schnell und einfach in den Sampler zu laden. Die meisten Anwender tragen hierfür einen einfachen zweiteiligen Werkzeuggürtel, mit frischen Kartuschen auf der einen und gebrauchten Kartuschen auf der anderen Seite.
Da für jedes Tier eine neue Kartusche verwendet wird, ist die Gefahr für eine Kontamination der Proben minimal. Ein weiterer Vorteil liegt darin, dass die Kartuschen mit Standard-Laborröhrchen funktionieren und die im DNA-Labor ankommenden Probenröhrchen daher in normale Laborgeräte passen. Die durchgängige Digitalisierung des Prozesses minimiert zudem die bisherigen Probleme bei der Tieridentifizierung.
Komplexe Kartuschen-Herstellung
Die Probenahmekartuschen bestehen aus neun Komponenten, von denen eine mit einer Kochsalzlösung gefüllt ist. Die Herstellung dieser Kartuschen war bislang sehr arbeitsintensiv und wurde als Flaschenhals in der Produktion identifiziert. SNPshot™ benötigte daher ein System, das den Prozess automatisiert und fertige Kartuschen mit 20 Einheiten pro Minute produziert. Als Lösung schlug RML eine A101-Spritzgießteil-Montagemaschine vor. Diese kann die Kartuschenkörper direkt von einer Spritzgießmaschine übernehmen. Die anderen acht Komponenten werden in separate Schalenförderer geladen, wo sie vereinzelt und als separierte Einheiten zum Laden bereitgestellt werden können.
Die Montagemaschine besteht aus drei Robotern, drei Beckhoff Servoachsen für die Präzisionspositionierung, acht Kameras für die Teileidentifizierung, einer Spendereinheit für Kochsalzlösung, einem QR-Barcode-Drucker und einer Datenbankintegration für die vollständige Rückverfolgbarkeit aller Komponenten. Jede Kappe in der Kartusche ist mit einem vorgedruckten Miniatur-Data-Matrix-Code versehen. Während des Montageprozesses wird dieser Code gelesen und über eine RestAPI-Schnittstelle an eine Cloud-Datenbank gesendet. Der Code wird dann validiert und ein sekundärer QR-Code wird über dieselbe Schnittstelle zurückgegeben. Dieser sekundäre QR-Code wird dann auf die Außenseite des Kartuschenkörpers gedruckt.
Leistungsfähiger Industrie-PC und komfortable Visualisierung
Als Steuerung wurde ein Ultra-Kompakt-Industrie-PC C6030 von Beckhoff mit einem Quad-Core-Prozessor Intel® Core™ i7 mit 3,6 GHz Taktfrequenz gewählt. Dieser Hochleistungsprozessor verfügt über die für diese Anwendung erforderliche Rechenleistung. So werden laut Jon Marden von RML komplexe Bewegungsaufgaben, die Bildverarbeitungssteuerung der insgesamt acht Kameras sowie der cloudbasierte Datenaustausch, die Schnittstellensteuerung für drei Roboter und das ausgeklügelte HMI-System, das all diese Module in einer benutzerfreundlichen Bedienerschnittstelle zusammenführt, zuverlässig ausgeführt. Und weiter: „Diese hohe Rechenleistung steht in einem äußerst kompakten Formfaktor zur Verfügung, der es ermöglicht, die Größe des Schaltschranks im Vergleich zu anderen Produkten auf dem Markt zu reduzieren.“
Für hohen Bedienkomfort sorgen zwei an den Beckhoff Industrie-PC angeschlossene Touchscreenmonitore: einer mit TwinCAT HMI für die komfortable Visualisierung und Maschinensteuerung und ein weiterer für einen Live-Feed von jeder Kamera in der Bildverarbeitungsanwendung. Auf diese Weise erhält der Bediener einen klaren Einblick in den kompletten Prozessablauf.
Die Präzisionsachsen sind über einen Beckhoff Servoverstärker AX5103 realisiert, der über EtherCAT mit dem Industrie-PC kommuniziert. Als Software kommen – neben dem TwinCAT 3 HMI Server zur Visualisierung – noch TwinCAT 3 PLC und TwinCAT 3 NC PTP sowie für die effiziente Datenkommunikation TwinCAT 3 Database Server, TwinCAT 3 TCP/IP und TwinCAT 3 IoT HTTPS/REST zum Einsatz. Die Offenheit der PC- und EtherCAT-basierten Steuerungstechnik von Beckhoff ermöglichte es RML dabei laut Jon Marden, ein hochpräzises Positionierungssystem bereitzustellen und dabei nicht auf einen einzigen Hardware-Lieferanten beschränkt zu sein.
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