„Die Idee ist das Ergebnis von Neugier und akutem Bedarf. Schon nach wenigen Jahren hat sich das Projekt mit zahlreichen weiteren Anwendungen weiterentwickelt, darunter auch die Düngung."
Hintergrund
Die Firma Gefion S.r.l. ist ein italienisches Unternehmen, das sich auf die Planung und den Bau von landwirtschaftlichen Bewässerungsanlagen spezialisiert hat.
Das Unternehmen richtet sich seit vielen Jahren an die Bedürfnisse von Landwirten, die hochmoderne, auf ihre spezifischen Produktionsanforderungen zugeschnittene Lösungen auf ihrem Land einsetzen wollen. Zu diesem Zweck bietet es Bewässerungs- und Düngemanagement-Systeme mit selbstreinigenden, wartungsfreien Filtrationslösungen an, die über ein privates VPN oder das Mobilfunknetz ferngesteuert werden können.
Gefion entwickelt für jede Parzelle die am besten geeignete Lösung auf der Grundlage der Daten, die ein spezialisierter Techniker während der Vermessungsphase gesammelt hat - dazu gehören Informationen über die bewässerbare Fläche, den Pflanzenabstand, die Höhenunterschiede und die Entfernung zwischen Anbau und Wasserquelle.
Was das Unternehmen auszeichnet, ist die kontinuierliche Investition in Forschung und Entwicklung mit dem Ziel, den Endanwendern Lösungen anzubieten, die Produktionszyklen sowohl vereinfachen als auch automatisieren und damit die Produktion optimieren, um Wasser und Energie zu sparen.
Dafür arbeitet Gefion seit fast zehn Jahren mit Eaton zusammen und hat dadurch die Möglichkeit, auf das spezialisierte Technikerteam von Eaton zuzugreifen - sowie auf dessen Lösungen, Technologien und Fachwissen rund um Industry 4.0.
Herausforderung
Angesichts der zunehmenden Unberechenbarkeit des Klimas und damit des Ernteertrags sowie der dringenden Notwendigkeit, die Produktion zu optimieren und die Umweltbelastung durch die Landwirtschaft zu reduzieren, stehen Landwirte vor weitaus komplexeren Herausforderungen als früher - was bedeutet, dass sie verlässliche, innovative Partner brauchen, die sie bei der digitalen Transformation unterstützen, um auf dem Markt wettbewerbsfähig bleiben zu können.
IoT (Internet of Things) und Big Data ermöglichen, Informationen schneller und genauer zu erhalten und zu verwalten. Im Agrarsektor ermöglicht dies den Landwirten, ansonsten unverbundene Produktionsaktivitäten zu automatisieren, um den Ertrag und die Nachhaltigkeit verschiedener Anbaukulturen wie Weinreben, Granatäpfel und Haselnussbäume zu verbessern.
Eine ausgewogene Versorgung mit Wasser und Düngemitteln ist beispielsweise essentiell für die Reben, um die erwarteten Produktionsergebnisse im Sinne eines nachhaltigen Weinbaus zu erzielen. Welche Düngemittel auf jeder einzelnen Parzelle eingesetzt werden, muss nach den Eigenschaften des Weinbergs und dem weinbaulichen Ziel entschieden werden, das der jeweilige Winzer verfolgen will - also Menge und/oder Qualität.
Die Winzer können nun bereits ab März/April vorhersagen, wie der Jahrgang ausfallen wird und die Produktion durch die sogenannte Fertigation, d.h. die Technik, die eine optimale Verteilung von Wasser und Nährstoffen auf dem zur Verfügung stehenden Raum und in der zur Verfügung stehenden Zeit ermöglicht, entsprechend anpassen.
Damit der Weinberg ertragreich bleibt, ist es ebenso wichtig, dass die Reben nicht in Wassermangel geraten und dadurch Schutzmechanismen aktivieren: Zu wenig Wasser und Nährstoffe können nämlich zu sichtbaren äußeren Zeichen führen, die einen geringeren Ertrag zur Folge haben.
Bei mangelnder Bewässerung entzieht die Pflanze der Traube Wasser, die daraufhin zu schrumpfen beginnt. Man kann diesen Austrocknungsprozess bereits im Vorfeld verhindern, indem man die Wasserzufuhr und das Gewicht der Trauben kontrolliert.
Gefion wollte seinen Weinbaukunden nicht nur intelligente Maschinen anbieten, die in der Lage sind, die Rebstöcke gezielt und effizient zu bewirtschaften und dabei die tatsächlichen Anbaubedürfnisse sowie die biochemischen und physikalischen Eigenschaften des Bodens zu berücksichtigen, sondern auch die Möglichkeit, die Bewässerung und das System aus der Ferne zu überwachen und zu planen.
Enrico Manieri, Leiter der Forschung und Entwicklung bei Gefion, kommentiert: „Aus Gesprächen mit Fachleuten, ging zunächst hervor, dass sie in der Lage sein müssen, ihr Feld zu überwachen, unabhängig davon, wo sie sich befinden, also Rückmeldungen vom Feld und vom System zu erhalten - dies ist wichtig, weil sie nur so sicher sein können, was auf ihrem Land aktuell passiert. Unsere Kunden benutzten früher Steuergeräte mit traditionellen Zeitschaltuhren und hatten keinerlei Technik in ihren Anlagen installiert. Dadurch war es unmöglich, den Zustand des Bodens, Wasserverluste oder -mangel zu überwachen, und folglich gab es keine Rückmeldung über den Produktionsprozess. Ebenso mussten die Winzer die Bewässerung zu jeder Tages- und Nachtzeit manuell ein- und ausschalten, entsprechend den von den Bewässerungskonsortien festgelegten Zeiten und Schichten. Die Idee wurde aus Neugierde und aus einem echten Bedürfnis heraus geboren. Schon nach wenigen Jahren hat sich das Projekt mit zahlreichen weiteren Anwendungen weiterentwickelt, darunter auch die Fertilisation."
Lösung
Damit die Rebe richtig wachsen kann, muss das Gleichgewicht zwischen den Mineralstoffen im Boden und in der Pflanze genau richtig sein. Da entweder ein Mangel oder ein Überschuss an Mineralien schädlich sein kann, muss eine ausgewogene Mischung verwendet werden, um ein gesundes Wachstum zu gewährleisten.
Basierend auf den vom Winzer geschätzten greifbaren Vorteilen der Pflanzenbewässerung implementierte Eaton modulare E/A-Systeme der Serie XN300, mehrere Umrichter (einschließlich DE1 und DA1) und verschiedene Taster in die Gefion-Systeme, je nach Komplexität der Maschine.
So konnte das Unternehmen den Landwirten eine Lösung für die Integration des Bewässerungssystems mit wartungsfreundlichen Automatisierungssystemen anbieten, die in der Lage sind, die von der Pflanze benötigte Düngermenge auf der Grundlage der über die Reben und den Boden erfassten Daten passend und kontrolliert zu dosieren. Diese Daten werden durch das Gefion-Softwarepaket Hydro Evolution V3 verarbeitet, das den Fertigationsteil verwalten kann (Anwendung CODESYS 3). Die Filtrationsanlagen verfügen über Rührwerke zum Umrühren des Wassers in den Behältern und Sonden zur Kontrolle der Temperatur und zur Überwachung von Durchfluss, EC und pH-Wert des Wassers.
Die auf Basis spezifischer, flächenproportionaler Parameter berechnete Bewässerungsmischung, die je nach agronomischem und ernährungsphysiologischem Bedarf konfiguriert werden kann, wird so kalibriert, dass die darin enthaltenen wasserlöslichen Düngemittel in der richtigen Menge aufgelöst werden. Wenn nämlich zu viel Dünger zugeführt wird oder die Wassertemperatur nicht ideal ist, löst sich der Dünger nicht auf und verbleibt in der Schwebe, was zu Problemen im System führt. Dieses Problem ist in traditionellen Systemen weit verbreitet und verursacht viele Schwierigkeiten im Verteilungsbereich, indem es die Landwirte glauben lässt, dass die Düngung stattgefunden hat, obwohl dies in Wirklichkeit nicht der Fall ist.
Die Sensoren von Eaton senden Daten über den Eingangs- und Ausgangsdruck sowie den Zustand der Filter und der Düngestrecke an die Management-Software Hydro V3. So kann das Hydro V3-System den Versorgungsdruck für die Düngung korrigieren, wodurch sichergestellt wird, dass die Düngung linear in den Bewässerungsstrom eingespritzt wird und somit eine korrekte Verteilung der Düngemittel in der Feldkultur erfolgt.
Die Eaton-Komponenten in den Gefion-Maschinen ermöglichen eine intelligente Überwachung der Bewässerungs- und Fertigationsanlagen. Die Lösung ermöglicht die Ausführung verschiedener Funktionen auch aus der Ferne, z. B. die Verwaltung der Filterstufe, die Überwachung des Eingangs- und Ausgangsdrucks des Filters und die Einleitung von Waschzyklen bei Bedarf oder bei Verstopfung des Filters, die Benachrichtigung des Benutzers über den Druckstatus, die Überprüfung und Überwachung des Betriebsstatus der Pumpe und die Anzeige von Störungen sowie die Verwaltung der Grundwasserbelastung.
Zusätzlich wurde die Stromversorgung durch Photovoltaik für die Versorgungspumpen der Anlage und für das Elektronikmanagement ausgebaut. Dadurch sind die Lösungen von Gefion einzigartig und 100 % umweltfreundlich. So können autonome „Inseln“ geschaffen werden, die sich selbst verwalten können und den Landwirten das Leben leichter machen.
„Die Fertigation ermöglicht eine Reduzierung der Düngerdosierung im Vergleich zu den Dosierungen, die für traditionell gedüngte Pflanzen angegeben sind. Dank der neuen Technologie, die Eaton mit der Managementsoftware Hydro V3 implementiert hat, kann das Gemisch überwacht und die Verteilung aufgeteilt, lokalisiert und zielgerichtet vorgenommen werden. Dies ist zweifellos ein Vorteil, nicht nur in Bezug auf den Umweltschutz, sondern auch dank der Möglichkeit, die Belastung der Grundwasserspeicher effektiver zu verwalten“, sagt Herr Manieri.
Darüber hinaus hat Gefion das letzte Jahr damit verbracht, mit der Grundwassersteuerung zu experimentieren, die in die aktuellen Systeme eingeführt werden soll. Diese Steuerung ist in der Lage, die Wasserbedarfsbelastung zu überwachen, die ein Bewässerungssystem auf einen Brunnen ausüben kann. Das System erkennt, wenn der Grundwasserleiter zu stark beansprucht wird, und passt über einen Algorithmus in der Schalttafel/SPS den Wasserbedarf automatisch an den Untergrund an, um eine Bewässerung zu gewährleisten, die die Kulturpflanzen nicht in Wassermangel versetzt.
Das HMI-SPS-Panel XV300 von Eaton wurde ebenfalls in den Systemen von Gefion installiert, um die Interaktion zwischen Mensch und Maschine zu verbessern und das Systemmanagement erheblich zu vereinfachen sowie dank der intuitiven Benutzeroberfläche eine mit einem Smartphone vergleichbare Einfachheit zu bieten.
Die XV300 HMI-SPS bietet fortschrittliche Grafiken und ermöglicht ein sehr schnelles Laden von Operationen, auch wenn die Seiten sehr detailliert sind.
„Gefion achtet sehr auf die Art der Erfahrung, die Benutzer bei der Interaktion mit ihren Maschinen machen. Die Zuverlässigkeit, die Einfachheit und die benutzerfreundliche Grafik der mit Galileo realisierten Hydro V3-Software sowie die vertrauensvolle Beziehung, die wir mit dem Unternehmen haben, waren für uns ausschlaggebend für die strategische Entscheidung für Eaton als Partner gegenüber den Wettbewerbern.“ Kommentiert Manieri.
Ergebnis
Durch die kontrollierte Verteilung der Düngemittel im Wasser wird die Nährstoffaufnahme der Pflanzen verbessert und gleichzeitig eine effizientere Wassernutzung gewährleistet: Durch die Fertigation wurde eine Synergie zwischen Wasser und Dünger erreicht, von der die Winzer sowohl in Bezug auf den Wasserverbrauch als auch auf die Produktionskontinuität profitieren. Das Management der Grundwasserbelastung sorgt für eine bessere Ergiebigkeit des Grundwassers und eine längere Nutzung des Brunnens, wodurch schädliche und teure Entwässerungsmaßnahmen am Brunnen vermieden werden.
Darüber hinaus hat die Installation der Photovoltaikanlage eine geringe Umweltbelastung zur Folge und vereinfacht vor allem die Installation der Anlage sowie den Bedarf an Infrastrukturen, die für den Betrieb einer Standardanlage notwendig sind. Die Tatsache, dass das System vollständig aus der Ferne verwaltet werden kann, und die eingehende Analyse von Daten/Alarmen erleichtert nicht nur die Programmierung der Bewässerungszyklen, sondern auch die Wartung und Verwaltung der Systeme.
In den Sommermonaten könnte die Einstellung von Warnungen für nicht ordnungsgemäß funktionierende Komponenten den Ertrag um 30-40 % verbessern. Die von Gefion erstellten Filtrations- und Bewässerungssysteme haben Energie- und damit Wassereinsparungen von 25-30% pro Jahr erzielt, was zum Teil auch auf den Einsatz von Eaton-Lösungen in ihren Maschinen zurückzuführen ist. Hinzu kommt, dass durch die Fernsteuerung des Systems ungewollte Ausfallzeiten vermieden werden können, was sich positiv auf die Produktivität auswirkt und volle Transparenz für die Bewässerungszyklen bietet.
„Die Eaton-Technologie bietet erhebliche Verbesserungen in Bezug auf die Zuverlässigkeit und die Möglichkeit, die Fertigation und die Diagnose aus der Ferne zu steuern. Wir konnten uns von einem traditionellen Produktionszyklus hin zu einem innovativen, sehr wettbewerbsfähigen Zyklus bewegen, mit äußerst positivem Feedback auch von unseren Kunden. Derzeit befinden wir uns in Gesprächen mit Eaton, um neue Wetterfunktionen in das System einzuführen, um die Weinproduktion weiter zu optimieren. Dank der Flexibilität, die das Portfolio von Eaton bietet, können wir weiterhin an der Entwicklung neuer Anlagen arbeiten, die es uns ermöglichen, die sich ständig ändernden Bedürfnisse unserer Kunden zu erfüllen“, fasst Herr Manieri zusammen.
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