Folie 1 - (FEI), Bonn
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Bayerisches Landesamt für Gesundheit und Lebensmittelsicherheit DFG/AiF-Clustervorhaben Minimal Processing in der automatisierten Feinzerlegung von Schweinefleisch (Schinken) TP 1: Minimal Processing in der Feinzerlegung von Schweinefleisch A. Delgado1, V. Heinz2, M. Nagel1, K. Franke2, Q. Xie1, S. Procelewski1, S. Hubert1, F. Groß1, S. Hupfer1 1Lehrstuhl für Strömungsmechanik, Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg, Erlangen 2Deutsches Institut für Lebensmitteltechnik e.V., Quakenbrück Überblick – Minimal Processing FluoreszenzLichtquelle 3D-Kamerasystem Raman-Spektrometer Qualitätsbestimmung Fleischsortierung US-Scanner Teilprojekt 4,5,6 Kamerasystem Schnittbahnerkennung Teilprojekt 2 Automatisierungssystem Zerlegebox Teilprojekt 3 Datenbank Datenbank Teilprojekt 1-LSTM Zerlegung Teilprojekt 1-DIL Informationsfluss Befehl Roboter Motivation - Zielsetzung Zielsetzung des Teilprojektes 1 Realisierung einer automatisierten Feinzerlegung von Schweinefleisch durch einen Roboter mit implementierter online-Bestimmung der Fleischqualität sowie der Fleischsortierung Modellierung bzw. Simulation der Stoff- und Energieströme in automatisierten Prozessketten mithilfe von Referenz-PetriNetzen, um den Einsatz von Ressourcen zu minimieren (Minimal Processing) Sortierung Fleischsortierung 3 Schwerpunkte TP 1 1. Jahr I II III 2. Jahr IV I II III 3. Jahr IV I II III IV AS 1 Aufbau der Betriebsdatenerfassung und -auswertung als Grundlage der Automation des Zerlegungsprozesses 1.1 1.2 1.3 Aufbau des OPC-Servers und Betriebsdatenerfassung Auswertung der erfassten Daten Anbindung an das AutomatisierungsSystem Automatisierung AS 2 Etablierung eines Referenz-Petri-Netz basierten hybriden Systems zur Simulation des Produktionsprozesses 2.1 Aufbau der Referenz-Petri-Netze 2.2 Entwicklung der Bewertungskriterien für einzelne Teilströme Durchführung und Bewer-tung der Simulationen 2.3 Simulation AS 3 Entwicklung und Erprobung der adaptiven Schneidtechnik für die automatische Feinzerlegung (ohne Roboter) 3.1 Anpassung der Messerform für roboterunterstütztes Schneiden 3.2 Adaption von Sensorsystemen für die Schnittführung am Knochen 3.3 Erprobung an Modellkörpern mit fleischanaloger Struktur und an Fleischstücken Adaptive Schneidtechnik AS 4 Erprobung der Schneidtechnik am Roboter im Labor und in der Zerlegebox 4.1 4.2 Laborerprobung mit Ermittlung von Schneidkurven Erprobung in der Zerlegebox 4 Automatisierungsstruktur RSLogix 5000 FactoryTalk Transaction Manager (FTTM) Datenbank auf Microsoft SQL Server Workstation Sensoren & Aktoren Automatisierungssystem 5 Datenspeicherung Relationale Datenbank mit den Schinken bzw. Teilstücken (Oberschale, Nuss,..) als zentrale Tabellen im Entity-Relationship Modell Schinken Teilstücke 6 Prozessmodellierung Referenz Petri Netz - einfaches und benutzerfreundliches Werkzeug zur Modellierung und Simulation von Prozessen [] = 3 2/4 sortierung 4 5 TP 2 TP 4 6 TP 5, 6, 2 6 TP 1, 2 TP 1 Minimal Processing: 1 Energetische Betrachtung, Alternative Prozessplanung 2 7 Prozessmodellierung Referenz Petri Netz - einfaches und benutzerfreundliches Werkzeug zur Modellierung und Simulation von Prozessen Unternetz – Fleischsortierung [] = Unternetz – Mikrobiogische Kontrolle TSV Unternetz - Imaging Unternetz – Schnittbahnberechnung Unternetz – Zerlegung Minimal Processing: pH24 Energetische Betrachtung, Alternative Prozessplanung pH45 Unternetz – QB_und_US TP 2 TP 4 TP 5, 6, 2 TP 1, 2 TP 1 8 Energetische Betrachtung • Realisierung in den Petrinetzen mittels zeitbehafteten Kanten und Energieerweiterung − In welchem Prozess wird Energie gebraucht? − In welcher Form wird Energie benötigt? − Wie lange wird die Energie eingesetzt? − Wie viel Energie wird innerhalb einer Zeitspanne bzw. -einheit benötigt? 100 Watt 0.02 Minuten 9 Simulationsergebnisse Energiebedarf pro Schweinekeule ID Energiebedarf [Wattminuten] Zeit [Minuten] 5, 575 9, 575 7, „PSE“, „Unterschale“ 6, „PSE“, „Unterschale“ 4, „PSE“, „Unterschale“ 3, „PSE“, „Unterschale“ 2, „PSE“, „Unterschale“ 10, „Standard“, „Unterschale“ 8, „Standard“, „Unterschale“ 1, „Standard“, „Unterschale“ 10,1619 5,575 1,1619 8,1619 7,1619 9,575 6,1619 4,1619 3,1619 2,1619 ID + Fleischklasse + Fleischkomponente ID + benötige Energieeinheit 10 Alternative Prozessplanungen PP2-PP4 PP8 PP1 Relative Zeit ta/ts [-] PP5 1 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 PP1 PP5 PP6 PP2 PP7 Förderband Anzahl der IDs Sensorbox Zerlegebox (Zerlegung und Raman/US) Robotereinheit (Roboter 1+2) Zerlegebox (Raman/US) Zerlegebox (Zerlegung) PP3 PP4 PP8 1 10 100 1000 PP8 Zerlegezeit ~ 20 % von PP1 Anzahl IDs [-] 11 Automatisierung DIREKTE Automatisierung über die Petrinetze, die auch zur Simulation verwendet werden Petrinetz Sensoren Soll-Zustand, Ist-Zustand, Parameter Handbetrieb FactoryTalk Transaction Manager Übertragung Soll-Zustand, Ist-Zustand Parameter Datenbank SPS - Automatisierung Soll-Zustand wird von den Petrinetzen bzw. der Handsteuerung in der Datenbank gesetzt und in die SPS übertragen Ist-Zustand wird aus der SPS in die Datenbank gelesen für den Zugriff durch die Petrinetze und die Handsteuerung Parameter wie Motorgeschwindigkeiten, Drehmomente (variabel zur Optimierung im Sinne des Minimal Processing) SPS als „State Machine“ Schrittketten zur Erreichung der Soll-Zustände hinterlegt: z.B. Transfix auf Schneideposition fahren für Soll-Zustand „Tansfix in Schneideposition“ (unter Nutzung der Parameter) 12 Automatisierung Handsteuerung als Web-App Mit Zugriff auf die Soll-Zustände = Schalter und Ist-Zustände = Visualisierung Plattformunabhängig: Jeder freigegebene Computer, Smartphone, Tablet, … im Netz 13 Automatisierung Handsteuerung als Web-App Mit Zugriff auf die Parameter: Geschwindigkeit, Drehmomente etc. Petrinetze haben in ihrer Funktion zur Automatisierung UND in ihrer Funktion zur Prozesssimulation und Optimierung Zugriff auf die selben „Schalter“ (Soll-Zustände), „Visualisierungen“ (Ist-Zustände) und Parameter. ANSATZPUNKT FÜR DAS MINIMAL PROCESSING 14 Zusammenfassung und Highlight TP1 - LSTM Ansatzpunkt für das Minimal Processing: Kommunikation zwischen Petrinetz und Automatisierung Simulation der Stoff- und Energieströme Simulation Petrinetze „Virtueller Prozess“ Anpassung, Validierung der Simulation Petrinetze Parameterund Ablaufoptimierung „Realer Prozess“ Automatisierung Alternative Prozessplanungen SPS Überblick – Minimal Processing FluoreszenzLichtquelle 3D-Kamerasystem Raman-Spektrometer Qualitätsbestimmung Fleischsortierung US-Scanner Teilprojekt 4,5,6 Kamerasystem Schnittbahnerkennung Teilprojekt 2 Automatisierungssystem Zerlegebox Teilprojekt 3 Datenbank Datenbank Teilprojekt 1-LSTM Zerlegung Teilprojekt 1-DIL Informationsfluss Befehl Roboter Bayerisches Landesamt für Gesundheit und Lebensmittelsicherheit Aufbau des Hinterschinkens Schnitt in Höhe Röhrenknochen Schema Hinterschinken mit Lage der Knochen blau: Schlossknochen Grün: Röhrenknochen Rot: Schienbein Violett: Wadenbein Schwarz: Fußknochen (angedeutet) Oberschale Nuss Unterschale Unterschale (Oberschale) Nuss Hüfte/Speck 17 Bayerisches Landesamt für Gesundheit und Lebensmittelsicherheit Bisherige traditionelle Zerlegung Manuell am liegenden Schinken auf einer Arbeitsplatte • Manuell weil: – jeder Schinken hat einen individuellen Aufbau, z.B. Lage der Knochen, Größe der Teilstücke Anpassung der Arbeiten an den Zerlegefortschritt ständig erforderlich • Aber: – körperlich anstrengende Arbeit, ungünstige Arbeitsbedingungen – hygienische Risiken durch Mensch – eingeschränkte Rückverfolgbarkeit 18 Bayerisches Landesamt für Gesundheit und Lebensmittelsicherheit Umsetzung einer automatisierten Feinzerlegung mittels Roboter • Externe und interne Vermessung des jeweiligen Schinkens – Kenntnis der genauen Lage der Knochen und der Teilstücke/Faszien vor der Zerlegung (TP 2) • Geeignete Einspannung des Schinkens – Zugänglichkeit aller Teile für den Zerlegeprozess – Fixierung an den relevanten Stellen • Schnittbahnen für den Roboter ergeben sich aus: – Reihenfolge der Zerlegung – Trennung der Fleischstücke untereinander – Lösen vom Knochen 19 Bayerisches Landesamt für Gesundheit und Lebensmittelsicherheit Einspannung des Schinkens • Senkrechte Einspannung für die automatisierte Zerlegung Zugänglichkeit aller Teile ist möglich Fixierung oben am Spitzbein (x,y,z fest) unten flexibel mit Möglichkeit der vertikalen Kraftaufbringung (x,y fest, z einstellbar) Unterschale (Oberschale) Obere Fixierung am Spitzbein (mit Klemme Nuss Hüfte/Speck Untere Fixierung am Schwanzknochen (Haken) 20 Bayerisches Landesamt für Gesundheit und Lebensmittelsicherheit Test der Zerlegung (mit/ohne Schwarte) • Offene Fragen für diese Zerlegung: Wird die Zerlegung durch die obere und untere Fixierungen beeinträchtigt? Hält der Knochenverbund als zentrale Achse des Hinterschinkens während der gesamten Zerlegung? Wie ist die Längenänderung des Knochenverbunds dabei? Welche Zugkräfte sind an der unteren Einspannung erforderlich und wie wirken sich diese auf die Längenänderung aus? Manueller Test der Zerlegung in der Einspannung 21 Bayerisches Landesamt für Gesundheit und Lebensmittelsicherheit Test der Zerlegung in der Halterung Auslösen der Oberschale Auslösen der Nuss Ablösen der Schwarte Auslösen der Unterschale + Hüfte 22 Bayerisches Landesamt für Gesundheit und Lebensmittelsicherheit Schlussfolgerungen • Die Zerlegung in der senkrechten Einspannung lässt sich auch am entschwarteten Schinken durchführen • Für das Offenhalten des Schnittes sind Kräfte zwischen 5 und 30 N erforderlich • Die Beträge der Kräfte variieren beim gleichen Teilstück je nach Fortschritt der Zerlegung (Schwerkraft) • Die Variation der Kraftrichtung ist in horizontaler Richtung relativ gering kann sich aber in vertikaler Richtung je nach Zerlegefortschritt ändern 23 Bayerisches Landesamt für Gesundheit und Lebensmittelsicherheit Umsetzung mit dem Roboter - Simulation • Schritt 1: Nutzung des RobotStudio von ABB für die Simulation – Vereinfachter Nachbau des Maschinenkonzeptes (TP 3) in der Simulationsumgebung – Ein Schinken virtuell als 3D-Modell (TP 6) in das Transfix eingehängt und ausgerichtet Aufgabe: Test der Erreichbarkeit der Positionen und Bahnen, die für die Zerlegung angefahren werden müssen 24 Bayerisches Landesamt für Gesundheit und Lebensmittelsicherheit Umsetzung mit dem Roboter – Test Vorschneiden Freischneiden Schwanzknochen Freischneiden unterer Bereich Schlossknochen Freischneiden oberer Bereich Schlossknochen 25 Bayerisches Landesamt für Gesundheit und Lebensmittelsicherheit Umsetzung mit dem Roboter – Herauslösen der Oberschale (Vorgehensweise) 1) Anschneiden und Schneiden in der Faszie zwischen Unter- und Oberschale (einschl. Schnittöffnung) 2) Anschneiden und Schneiden in der Faszie zwischen Oberschale und Nuss (einschl. Schnittöffnung) OS US N 3) Waagerechtes Abtrennen der Oberschale vom Eisbein 4) Auslösen der Oberschale 26 Bayerisches Landesamt für Gesundheit und Lebensmittelsicherheit Umsetzung mit dem Roboter – Herauslösen der Oberschale (Faszie Ober/Unterschale) Anschneiden der Faszie zwischen Unter- und Oberschale Schneiden in der Faszie zwischen Unter- und Oberschale (mit Schnittöffnung) 27 Bayerisches Landesamt für Gesundheit und Lebensmittelsicherheit Umsetzung mit dem Roboter – Herauslösen der Oberschale (Faszie Oberschale - Nuss) Schneiden in der Faszie zwischen Oberschale und Nuss (Teil 1) Schneiden in der Faszie zwischen Oberschale und Nuss (Teil 2) 28 Bayerisches Landesamt für Gesundheit und Lebensmittelsicherheit Umsetzung mit dem Roboter – Herauslösen der Oberschale (Abtrennen vom Eisbein und Auslösen) Waagerechtes Abtrennen der Oberschale vom Eisbein Auslösen der Oberschale 29 Bayerisches Landesamt für Gesundheit und Lebensmittelsicherheit Umsetzung der Zerlegung des Hinterschinkens mit dem Roboter – Schlussfolgerungen Eine 1:1 Umsetzung der manuellen Zerlegung des Hinterschinkens mittels Roboter ist nicht möglich Spezielle Einspannung ist erforderlich, um die Lage der Teilstücke und der Knochen im Raum während der Zerlegung zu sichern Senkrechte Fixierung am Spitzbein und am Schwanzknochen ausreichend, Knochenverbund bleibt erhalten Aufgrund der Nachgiebigkeit des Fleisches und unterschiedlicher Festigkeiten einzelner Partien sind die Schnittbahnen mehrfach zu durchfahren, um die erforderliche Schnitttiefe sicherzustellen Tiefes Schneiden in den Faszien erfordert Messer mit variabler Schärfe entlang der Schneide 30 Bayerisches Landesamt für Gesundheit und Lebensmittelsicherheit Danke für Ihre Aufmerksamkeit! Das Forschungsvorhaben wurde im Programm zur Förderung der „Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF)” vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (via AiF) über den Forschungskreis der Ernährungsindustrie e.V. (FEI) gefördert.
