01.10.2014

Hightech im Kuhstall

Das Bild von Milchviehbetrieben ist immer häufiger geprägt von modernem Herdenmanagement mit auf Hochleistung getunter Technik. Dabei stellt die Automatisierung der vielen täglich mehrfach wiederkehrenden Tätigkeiten, wie dem Melken, besondere Anforderungen an die Anlagen. Sie müssen dem aggressiven Stallmilieu gewachsen sein sowie gleichzeitig einen sorgfältigen und sanften Umgang mit den Tieren gewährleisten. Wie wichtig hierbei Robustheit, Präzision und Zuverlässigkeit sind, zeigt der Einsatz von magnetischen Drehgebern in Melkrobotern.

Autor: Stefan Horvatic, Produktmanager Drehgeber, Pepperl+Fuchs GmbH


Magnetische Drehgeber

Die Drehgeber mit magnetischem Abtastprinzip basieren auf einem Zwei-Achsen-Hall-Sensor, der über ein rotierendes Magnetfeld ein Sinus- bzw. Kosinussignal erzeugt. Das Signal wird über einen internen Prozessor bearbeitet, sodass der Prozesswert dem Ausgangswert eines Absolutwert-Drehgebers mit optischer Abtastung gleicht. Ein zusätzlicher Wiegand-Sensor macht daraus einen Multiturn-Absolutwert-Drehgeber. Ein über dem Wiegand-Sensor rotierendes Permanent-Magnetfeld erzeugt im Kern des Sensors einen Wechsel der Magnetfeldrichtung. Dies führt zu einer Induktionsspannung in der darüber gewickelten Spule. Somit steht immer bei Magnetfeldrichtungswechsel, also jeweils zweimal pro Umdrehung, Energie zur Verfügung. Diese dient zur elektronischen Zählung der Umdrehungen und Speisung der Elektronik. Eine interne Batterie zur Speisung der Elektronik ist daher nicht mehr notwendig und beim Wiederhochfahren stehen alle Positionswerte zur Verfügung. Zudem lassen sich mit der neuen Technologie Drehgeber mit geringen Bauvolumen realisieren. Die Magnetfeld-Technologie passt sogar in Gehäuse mit lediglich 36mm Durchmesser.

Aufbau der Drehgeber mit magnetischem Abtastprinzip
Bild: © Edler von Rabenstein - Fotolia.com

"Zuerst kommt das Vieh", lautet seit jeher die Stalldisziplin in der durch Tierhaltung geprägten Agrarwirtschaft. Daraus ergeben sich tägliche Routinen wie das Melken, die früh morgens auch noch mit fast nächtlichem Aufstehen verbunden sind. Dies ist einer der Gründe, warum seit den 1980er-Jahren die Entwicklung von automatischen Melksystemen respektive Melkrobotern vorangetrieben wird. Die Idee ist, dass Milchkühe, angelockt durch eine Portion Kraftfutter, von Zeit zu Zeit freiwillig in eine Box kommen und dort der gesamte Melkvorgang vollautomatisch abläuft: Beginnend mit einer Erkennung, wo die Kuh genau steht bzw. sich die Zitzen befinden, deren gründliche Reinigung mit Waschen und Trockenföhnen, dem Vormelken zum Anregen des Milchflusses und letztlich das Ansetzen der eigentlichen Melkbecher bis hin zum abschließenden Desinfizieren. Die Herausforderungen sind allerdings sehr anspruchsvoll und das nicht nur wegen der Positionserkennung. Schließlich ist ein Kuheuter eine amorphe Masse, sprich weich und bei Weitem nicht immer gerade und gleichmäßig gewachsen. Obwohl das Melken für die meisten Kühe selbstverständlich ist, reagieren sie doch immer wieder unterschiedlich und treten schon bei der kleinsten Störung aus. Kühe sind im wahrsten Sinne des Wortes höchst lebendig, oft unruhig und in ihren Bewegungen unkalkulierbar. Daher müssen solche Anlagen robust und standfest, aber zugleich mit viel Technik und Elektronik ausgestattet sein, um ihre komplexen Aufgaben zu erfüllen. Hinzu kommt eine hohe Belastung durch das aggressive Stallmilieu. Schmutz, Staub, Temperaturschwankungen, Fliegen, Feuchtigkeit usw. sind unvermeidbar. Außerdem herrscht im Stall durch die Ausscheidungen der Kühe ein ammoniakhaltiges Klima, das die metallischen Komponenten der Anlage angreift. Daraus ergeben sich Aufgabenstellungen, mit denen man bei herkömmlichen Industrieanlagen nicht konfrontiert wird.

Exakt, sanft und robust

Aus diesen Gründen sind moderne Melkroboter Hightech-Automationslösungen, von Sensoren und Kamerasystemen zur Erkennung der Zitzen bis hin zur spezialisierten Steuerung und Datenverarbeitung. Nicht zuletzt aufgrund der rauen Einsatzbedingungen kommen auch im mechanischen Aufbau High-End-Komponenten zum Einsatz. Dies gilt besonders für die exakte Positionierung des Melkarmes, wofür Drehgeber als Bewegungssensoren ideal geeignet sind. Hier kommt es darauf an, die individuell detektierten Positionsdaten sehr exakt und sanft umzusetzen. Nur so wird die Kuh, trotz Kraftfutterverlockung, den Melkvorgang freiwillig wiederholen. Außerdem dient das exakte Ansetzen der Melkbecher der Eutergesundheit und ist folglich auch eine Frage der Milchmengen und Milchqualität. Um diese hohen Genauigkeitsanforderungen zu erfüllen, werden in solchen Applikationen neuerdings die von Pepperl+Fuchs entwickelten magnetischen Drehgeber der neuen 0,1° Performance-Klasse eingesetzt. Die Drehgeber mit magnetischem Abtastprinzip wurden speziell entwickelt für den Einsatz unter widrigsten Betriebsbedingungen. Ihr entscheidender Vorteil ist das berührungslose Abtastprinzip. Es gibt kein mechanisches Getriebe, das verschleißen kann oder Wartungs- bzw. Serviceaufwand verursacht. So liefern diese Drehgeber, unbeeinflusst von Umwelteinwirkungen, zuverlässige Messwerte. Solche Drehgeber gehören bei Pepperl+Fuchs schon seit Jahren zum Produktportfolio. Deren Weiterentwicklung in die 0,1° Performance-Klasse erfolgte vornehmlich im Bereich der Elektronik sowie unter Einsatz hoch präziser Fertigungsmethoden. Darüber hinaus tragen modernste 14Bit-Hall-Sensoren und eine optimierte Magnettechnologie sowie spezielle Softwareanpassungen zur Realisierung der neuen Performance-Klasse bei: Genauigkeiten bis 0,1°, mit einer Auflösung von bis zu 16Bit (in Multiturn-Ausführung gesamt bis 32Bit) und eine Dynamik, bezogen auf die Zykluszeit von <80µs, sprechen für sich.

Fazit

Die Stärken dieser Drehgeber prädestinieren sie für den Einsatz in rauen Umgebungsbedingungen, wie man sie auf ganz spezielle Art auch in Kuhställen vorfindet. Neben ihrer hohen Präzision trägt ihre 'Unerschütterlichkeit' maßgeblich zur Störungs- und Stressfreiheit der Melkprozesse bei. Die neuen magnetischen Drehgeber sind indirekt daran beteiligt, wenn Kühe Schlange stehen, um sich melken zu lassen, und wenn statt Melkschemel immer öfter Tastaturen und Displays das Bild in automatisierten Milchviehbetrieben prägen.

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