Smart Farming: Kundenspezifische Sensoren für die Automatisierung in der Landwirtschaft

Neue Möglichkeiten mit Automation

Die für die Landwirtschaft nutzbare Fläche nimmt ab, während die zu ernährende Weltbevölkerung immer weiter wächst. Der Druck, auf weniger Fläche größere Mengen zu ernten und gleichzeitig Ressourcen und Umwelt zu schonen, klingt fast wie die Quadratur des Kreises. Und doch macht die Automatisierung schon heute vieles möglich, was noch vor wenigen Jahren als undenkbar galt.

Cloud-Technologien ermöglichen die – sogar herstellerübergreifende – Vernetzung von Sensordaten und kompletten Maschinen. Ob KI oder autonomes Fahren: Was in der Industrie als 4.0 bezeichnet und dort mit Hochdruck entwickelt wird, hat als sogenanntes „Precision Farming“ längst auch in der Landwirtschaft Einzug gehalten. Intelligente Systeme ermöglichen es, Saatgut entsprechend den Bodenverhältnissen auszusäen, Dünger und Pflanzenschutzmittel präzise zu dosieren und nicht zuletzt die Ernteerträge genau zu überwachen.

Wie im Automobilbereich spielt auch in der Landwirtschaft die Effizienz der Antriebsmaschinen eine große Rolle. Mehr Leistung bei geringerem Kraftstoffverbrauch (und damit weniger CO2-Emissionen) ist angesichts steigender Kosten ein wichtiges Verkaufsargument.

Sensoren von der Stange? Nicht in der Landwirtschaft!

Die fortschreitende Automatisierung basiert auf intelligenten, digitalen Steuer- und Regelsystemen, die dank moderner Mobilfunknetze (Stichwort 5G) riesige Datenmengen verarbeiten und speichern. Ganz gleich, ob es sich um die Neigung eines Traktors auf unebenem Gelände, die Ablagetiefe des Saatguts oder das Gewicht des Ernteguts an einer bestimmten geografischen Position handelt. Um diese Messungen durchzuführen und als Signale an das Steuersystem zu übertragen, sind hochpräzise und zuverlässige Sensoren erforderlich. Was sich jedoch für andere mobile Anwendungen eignet und auf dem Markt erhältlich ist, entspricht nicht unbedingt den Anforderungen in der Landwirtschaft. Zuverlässigkeit, Robustheit, Langlebigkeit, Temperaturbeständigkeit von -40 °C bis +85 °C und natürlich Messgenauigkeit sind nur einige der Eigenschaften, die Sensoren für den Einsatz in Landmaschinen und landwirtschaftlichen Anlagen aufweisen müssen.

Ein weiteres häufiges Problem ist der Platzmangel an der Messstelle. Im schlimmsten Fall kann der Einbau eines Sensors teure Konstruktionsänderungen erfordern. Da es an speziell für die Landwirtschaft entwickelten Standardsensoren mangelt, entscheiden sich die Maschinenhersteller (OEMs) häufig für individuelle Lösungen. Verlässliche Messergebnisse und überschaubare Kosten sind in diesen Fällen ein absolutes Muss. Für die Herstellung kundenspezifischer Sensoren benötigen die Hersteller von Landmaschinen einen zuverlässigen Partner, der mit ihnen zusammen ihre spezifische Lösung entwickelt – möglicherweise sogar in einem langwierigen Prozess. Dieser Partner muss neben fundierter Branchenerfahrung auch über das notwendige technische Know-how verfügen, um die Herausforderungen einschätzen und verstehen zu können. Die Sensoren, ob in Kleinserien oder in großen Stückzahlen gefertigt, müssen höchsten Qualitätsansprüchen genügen und über die notwendigen Zertifizierungen für bestimmte Absatzmärkte verfügen.

Dehnungsmessstreifen: erste Wahl zur Bestimmung von Kraft und Last

Als einer der weltweit führenden Anbieter industrieller Sensoren und Messelektronik. Seit über 60 Jahren widmen wir uns der Messung kritischer mechanischer Veränderungen wie Kraft, Last, Druck, Gewicht oder Drehmoment. Unser großes Angebot an Sensoren umfasst auch digitale und analoge DMS-basierte Wägezellen verschiedener Genauigkeitsklassen (z. B. langlebige Biegebalkenwägezellen oder Ringtorsionswägezellen für große Lasten), die äußerst robust und korrosionsbeständig sind. Je nach Typ sind sie für stationäre oder mobile Anwendungen geeignet. Ein Beispiel für letzteres: Einer unserer Kunden setzt seit Jahren erfolgreich RTN-Wägezellen mit geringer Bauhöhe und Nennlasten von bis zu 470 Tonnen für die Siloverwiegung auf LKWs ein. Waren wie Pellets oder Futtermittel werden beim Endkunden entladen, das Gewicht eichfähig ermittelt und gleichzeitig mittels GPS berechnet. Die Daten werden in eichfähiger Form auf einer SD-Karte und in einer Datenbank gespeichert. Schließlich wird vor Ort die Rechnung für den Endkunden ausgestellt.

Wie zuvor bereits angemerkt, werden in der Landwirtschaft häufig auf die jeweilige Anwendung zugeschnittene Wägezellen oder Kraftsensoren benötigt, die die vorhandenen Geometrien (Platzmangel) berücksichtigen und rauen Umgebungsbedingungen standhalten. Dank der DMS-Technologie sind sowohl Wägezellen als auch Kraftsensoren hinsichtlich der Bauform flexibel und vielseitig in der Anwendung. So werden z. B. in Sämaschinen Anpressdruck-Sensoren eingebaut, um den Zustand der Krume zu ermitteln. Eine entsprechende hydraulische oder pneumatische Einstellung gewährleistet dann die richtige Pflanztiefe. Kraftsensoren werden auch für die Lastregelung von Ballenpresskraft und -druck verwendet. Wägezellen mit Dehnungsmessstreifen messen den Ertrag in Erntemaschinen sowie die erforderliche Menge an Dünge- und Pflanzenschutzmitteln anhand des Gewichts von Getreide, Saatgut und Düngemittelbehältern. Beides lässt sich sehr leicht an kundenspezifische Anforderungen anpassen.

HBK hat Hunderte Bauformen von kundenspezifischen Dehnungsmessstreifen für Erstausrüster (OEMs) in einer Vielzahl von Branchen entwickelt, darunter auch für Hersteller von Landmaschinen. Sie werden mit einem eigens entwickelten Klebstoff angebracht und mit einer speziellen Schutzschicht versehen, die sie besonders haltbar macht. Der Vorteil: Man kann auf eine bewährte, kostengünstige Technologie zurückgreifen, ohne Kompromisse bei der Präzision eingehen zu müssen. Sensoren, die mit Dehnungsmessstreifen arbeiten, sind wartungsfrei und liefern zuverlässig präzise Messergebnisse. Vorhandene Bauteile können verwendet und in Sensoren umgewandelt werden, ohne die Konstruktion zu beeinträchtigen.

Motorleistung auf die Räder übertragen - Drehmomentmessung

Eine wichtige Messgröße für Antriebsmaschinen (z. B. Traktoren) ist das Drehmoment. Das Drehmoment ist der entscheidende Faktor bei der Bestimmung des mechanischen Wirkungsgrads und der gleichmäßigen Verteilung der Kraft auf die Räder des Fahrzeugs. Ziele hinsichtlich Sparsamkeit und Kraftstoffeffizienz müssen mit der Erzeugung einer möglichst hohen Traktion und eines hohen Drehmoments bei kontrollierbaren Geschwindigkeiten in Einklang gebracht werden. Außerdem müssen die Fahrzeuge auf unwegsamem Gelände stabil bleiben und dürfen nicht umkippen. Auch im Hinblick auf das autonome Fahren wird das Drehmoment immer wichtiger und wird nun an einer Vielzahl von Punkten im Antriebsstrang und an den Rädern gemessen.

Bei beengten Platzverhältnissen können kundenspezifische Drehmomentsensoren mit Hilfe der DMS-Technologie in bestehende Bauteile des Antriebsstrangs eingebaut werden. Die Übertragung der Messdaten erfolgt drahtlos.

Kompetenzzentrum für OEM-Sensoren

An unserem Standort in Marlboro, Massachusetts (USA), arbeitet ein Team spezialisierter Ingenieure mit OEM-Kunden zusammen, um den geeigneten Sensor für ihre Messaufgabe zu definieren und schließlich zur Serienreife zu bringen.

„Ein kundenspezifischer Sensor wird üblicherweise in nur vier Schritten erstellt“, erläutert Hermann Merz, Head of IPC/WT OEM Sales bei HBK. „Nachdem die Anforderungen an den Sensor definiert und das passende Bauteil identifiziert wurde, entwickeln wir ein Konzept. Innerhalb nur weniger Wochen wird der Machbarkeitsnachweis (‚Proof of Concept‘) erstellt. Sobald der Kunde die Freigabe erteilt hat, wird ein Prototyp gebaut, der zunächst bei uns und dann beim Kunden geprüft und validiert wird. Der letzte Schritt ist der Übergang in die Serienfertigung an unseren Standorten in den USA und China. Im besten Fall dauert der gesamte Prozess nur wenige Monate“, so Merz. „Es ist wichtig, dass die Kontaktaufnahme mit uns in einem sehr frühen Stadium der Entwicklung erfolgt. Oft ist es zu spät, die ideale Lösung zu implementieren, weil der Entwicklungsprozess beim Kunden schon zu weit fortgeschritten ist“, so Merz weiter. „Wir sehen uns als Teil des F&E-Teams des Kunden und setzen alles daran, die bestmögliche Lösung für seine spezifische Messaufgabe zu finden. Das bedeutet nicht, dass die Entwicklungskosten hoch sein müssen. Ganz im Gegenteil! Unser Priorität ist der Austausch auf technischer Ebene und die Beratung. Sollte es zu einer Zusammenarbeit kommen, werden die Stückpreise für die Serienfertigung später zwischen Einkauf und Vertrieb ausgehandelt.“

Ausgangsbasis für sämtliche Gespräche mit dem Kunden ist es stets, den optimalen Sensor für seine Anwendung zu finden. Ist kein geeigneter Dehnungsmessstreifen verfügbar, fertigen wir einfach einen neuen an. Die möglichen anschließenden technischen Serviceleistungen reichen von der fachgerechten, serienreifen Verklebung des Dehnungsmessstreifens im Bauteil über die Entwicklung und Fertigung des kompletten Sensors bis hin zur Entwicklung oder Montage einer kompletten Baugruppe inklusive Verdrahtung, Gehäuse und der entsprechenden Elektronik. Schließlich können alle Produktdaten zur Rückverfolgbarkeit direkt in die Datenbank des Kunden übertragen werden. Für den Kunden liegen die Vorteile einer Komplettlösung auf der Hand: ein einziger Ansprechpartner, keine Schnittstellen- und Abstimmungsprobleme, sondern ganz einfaches „Plug & Play“.

Wir entwickeln und fertigen kundenspezifische Sensoren für namhafte OEM-Kunden weltweit in der Medizintechnik, Robotik, Energieerzeugung und vielen anderen Branchen.

Grafik der kundenspezifischen OEM-Sensoren von HBK auf einem Papierbogen

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