Robotisierung und Automatisierung eines Brückenkrans für die Phänotypisierung von Pflanzen

Wir bei Thomas Constructions Mécaniques (TCM SAS) sind auf die Entwicklung, Herstellung und Inbetriebnahme von maßgeschneiderten Industriemaschinen spezialisiert. Wir haben vor Kurzem mit dem französischen Forschungsinstitut für Landwirtschaft, Ernährung und Umwelt INRAE (Institut national de recherche pour l’agriculture, l’alimentation et l’environnement) zusammengearbeitet, um eine Lösung zur Robotisierung und Automatisierung eines Brückenkrans für die Phänotypisierung von Pflanzen zu entwickeln.

Eine maßgeschneiderte Lösung für die Agrarforschung

Unser Team hat einen maßgeschneiderten Brückenkran für die Phänotypisierung von Pflanzen entwickelt und konstruiert, der mithilfe zerstörungsfreier Verfahren zur Charakterisierung der Vegetationsdecke eingesetzt wird. Diese Anlage erlaubt es, mithilfe integrierter Sensoren zeitliche Verlaufslinien von Phänotypen zu erstellen, die eine unvergleichliche Präzision bei der wissenschaftlichen Analyse der Pflanzendaten.

Der Brückenkran, der 168 Kulturkästen erfasst, ist vollkommen automatisiert. Er bewegt sich entlang von drei Achsen (X, Y, Z), um eine mit Sensoren ausgestattete Hängebühne über den Kulturkästen zu platzieren, was eine präzise und wiederholbare Datenerfassung ermöglicht. Dank einer eigens entwickelten Roboterschnittstelle können die Bewegungen des Brückenkrans und die Abfolgen der Datenerfassung programmiert und automatisch kontrolliert werden, was die Effizienz der Phänotypisierung optimiert.

Moderne Roboterschnittstelle

In der zweiten Entwicklungsphase haben wir eine entfernte digitale Schnittstelle angeschlossen, über die sich die Bewegungen des Brückenkrans automatisch steuern lassen. Der exakte Standort der Kulturkästen wird erfasst und die Bewegungen der Brücke und der Hängebühne werden selbstständig kontrolliert. Der Nutzer kann die Abfolgen der Datenerfassung von einem PC aus der Entfernung programmieren, was eine große Flexibilität bei der Versuchsdurchführung garantiert.

Das System ist so konzipiert, dass es vollständig modulierbar ist. Auf diese Weise kann die Datenerfassung entweder für einen Teil oder alle Kulturkästen zu frei wählbaren Zeitintervallen durchgeführt werden. Sobald eine Erfassung programmiert ist, wird sie vom Brückenkran vollkommen autonom durchgeführt, was eine präzise und verlässliche Phänotypisierung sicherstellt.

Eine leistungsstarke Software

Wir haben eine Server-Client-App entwickelt, die LabVIEW verwendet; hierdurch können die Sensoren und die automatische Steuerung des Brückenkrans über eine TCP/IP-Kommunikation kontrolliert werden. Diese robuste und erweiterbare Software-Architektur sorgt für eine optimale Verlässlichkeit und Instandhaltbarkeit, die für Forschungs- und Entwicklungs-Apps unverzichtbar sind.

Der Server übernimmt die Kontrolle der Sensoren und die Bewegungen des Brückenkrans, während der auf einem PC installierte Client eine intuitive Benutzerschnittstelle bietet, über die in Echtzeit die Versuche verfolgt, die gespeicherten Daten angezeigt und die Parameter der Datenerfassungs-Sequenzen eingestellt werden können.

Schematische Darstellung der Robotisierung :
  • Einbau eines robusten Industrie-PC (Bereich „Steuerung“) in das Gehäuse der Hängebühne, ganz in der Nähe der Sensoren, was die Zentralisierung der Kontrolle und Steuerung erlaubt.
  • Installation einer eigens entwickelten App, die als Kontroll- und Steuerungsserver fungiert und auf dem Industrie-PC installiert ist.
    Diese „Server“-App erlaubt :
    • mit den Kameras über deren API (Application Programming Interface) zu kommunizieren
    • über Modbus direkt mit dem Automaten zu kommunizieren
  • Auf dem Büro-Computer ist eine „Client“-App installiert, um über TCP/IP und UDP mit dem Server zu kommunizieren.
    Diese App verfügt über folgende Funktionen :
    • Programmierung der Versuche über eine ergonomische Schnittstelle: Zeitgebung + Einstellung der Sensoren und der Beleuchtung, individuell für jeden Kulturkasten
    • Kontrolle des Versuchsablaufs in Echtzeit (Positionen + letzte ausgeführte Erfassungen)
    • Anzeige der gespeicherten Daten
  • Die „Client“- und „Client“-Apps sind in LabVIEW entwickelt, die von National Instruments herausgegeben wird. Diese Grafiksprache ist besonders für Forschungs- und Entwicklungs-Apps geeignet und stellt eine gute Instandhaltbarkeit und einen erweiterbaren Code sicher.
  • Die „nativen“ IHMs der Sensoren und die Überwachung der Bewegungen der Brücke sind im Server installiert, um die Instrumente zu bedienen, sie einzustellen und die gesamte Installation zu warten.
Die eingesetzten technischen und Software-Lösungen erlauben :
  • eine modulierbare Datenerfassung: Sie kann an allen Kästen oder nur an dem Teil der Kästen durchgeführt werden, zu vom Bedienenden ausgewählten Zeitabschnitten.
  • spätere Veränderungen der in der Hängebühne angebrachten Ausrüstungen und deren Steuerung
  • die Bedienung des Industrie-PC („aktiver“ Bereich) aus der Entfernung – eine in der Lösung standardmäßig vorhandene Lösung
Software-Umgebung :
  • Der PC funktioniert mit Windows 10.
  • Die Software-Architektur ist eine Client-Server-Struktur. Die Kommunikation zwischen dem Client (Büro-PC) und dem Server (Industrie-PC) erfolgen über eine TCP/IP- und UDP-Verbindung (Ethernetkabel).
  • Der Server führt Aktionen aus und sammelt Informationen von den Instrumenten. Er empfängt Anfragen vom Client.
Die Server-Funktionen :
  • Kommunikation mit dem Automaten des Brückenkrans:
    • Permanenter Abruf der Informationen des Automaten: Informationen zu Position und Sicherheit
    • Senden von Positionsanweisungen an den Automaten
    • Senden von Beleuchtungsanweisungen an den Automaten
  • Kommunikation mit den Sensoren über ihre API:
    • Senden von Parametern an die Sensoren
    • Datenerfassung
  • Archivierung der Daten auf der lokalen Festplatte
  • Erstellung eines Ereignisprotokolls (Aktionen, Fehler …)
  • Empfang und Ausführung von Anfragen der „Client“-App:
    • Veränderung der allgemeinen Einstellungen
    • Anzeige des Systemstatus in Echtzeit (Position, neueste Bilder …)
    • Einstellungen der Zeitgebung
    • Übertragung der erfassten Daten
Die Funktionen des Clients :
  • Anzeige des Systemstatus in Echtzeit: Positionen, Sicherheit, Status der Sensoren …
  • Die Versuchssequenz programmieren und einstellen:
    • Eingabe der allgemeinen Versuchsinformationen (Name, Art der Untersuchung, Bedingungen …)
    • Definition der Positionssequenz und der Einstellungen der Sensoren
  • Die Sequenz steuern: Auswahl, Start, Stopp, Unterbrechung der Sequenz
  • Archivierung der Daten auf der lokalen Festplatte, auf Anfrage oder automatisch
  • Anzeige der archivierten Daten
IHM :
  • Die „Server“-App stellt keine Benutzer-Schnittstelle im eigentlichen Sinn dar, außer während der Phasen der Einstellung und der kontrollierten Wartung aus der Entfernung.
  • Die „Client“-App verfügt über eine Reihe von Registerkarten, unter anderem:
    • eine Registerkarte zur Anzeige des Systemstatus in Echtzeit mit Steuerung der Sequenz
    • eine Registerkarte zur Anzeige der Daten
    • eine Registerkarte (oder Unter-Schnittstelle) zur Programmierung der Sequenzen
    • eine Registerkarte (oder Unter-Schnittstelle) zur Wartung, die im erweiterten Modus zugänglich ist
  • Die verschiedenen Schnittstellen erhalten zahlreiche grafische Elemente (Knöpfe, Anzeigen, Menüs …), um sich wiederholende Eingaben zu begrenzen.

Kommunikation:

  • Der Server kommuniziert mit dem Automaten des Brückenkrans über das Protokoll Modbus TCP – Datenaustausch über ein Registrierungssystem.
  • Die Kommunikation mit den Sensoren geschieht über deren API.

Daten:

  • Die Daten werden nach dem speziellen Bedarf des Kunden (INRAE) archiviert.

Entwicklung:

  • Die Entwicklung erfolgte in Form eines LabVIEW-Projekts, das den Quellcode der beiden komplementären Apps „Client“ und „Server“ enthält.
  • LabVIEW ermöglicht die Erstellung einer modularen und hierarchischen Struktur (Programme/Unter-Programme), die die Einstellung erleichtert und in Stufen vom einzelnen Funktionstest bis zu Integrationstests reichen kann.

Bei LabVIEW kann jeder Entwickler seine eigenen Entwicklungsvereinbarungen anwenden und einfache, jedoch fachgemäße Architekturarten vorziehen, um erweiterbare und einfach zu bedienende Strukturen zu erhalten.

Erfahrung in der Robotisierung und Automatisierung

Wir bei TCM SAS verfügen über eine große Erfahrung in der Robotisierung, industriellen Automatisierung und Entwicklung von Sondermaschinen, die es uns erlaubt, selbst den kompliziertesten Bedürfnissen unserer Kunden zu entsprechen. Ob für die Agrarwissenschaft, die Lebensmittelindustrie oder andere Industriezweige: Wir bieten innovative und maßgeschneiderte Lösungen, die den besonderen Anforderungen jedes Projekts gerecht werden.

Unsere Teams stehen Ihnen gerne für weitere Informationen zur Verfügung und freuen sich, mit Ihnen über Ihre Projekte zu sprechen. Wenden Sie sich einfach an uns und erfahren Sie, wie wir Ihnen bei der Verwirklichung Ihrer Industrieprojekte zur Seite stehen können.