Automatisierung ermöglicht neue Wege in der Traubenproduktion

Die technische und damit auch die weinwirtschaftliche Entwicklung der letzten Jahrzehnte wurde vor allem durch den starken und noch lange nicht beendeten Aufschwung der Automatisierungstechnik geprägt. Nicht nur die weinbaulichen Produktionstechniken und -verfahren, sondern auch die Winzer- und Winzerinnenarbeit insgesamt wurden revolutioniert und ändern sich weiterhin rasant. Ohne Automatisieren – der Begriff bedeutet nach DIN 19 233 künstliche Mittel einsetzen, damit ein Vorgang selbsttätig abläuft – wäre die Durchführung verschiedener neuer sowie die qualitative und quantitative Verbesserung bekannter Prozesse im Weinbau unmöglich. Der Inhalt der Automatisierungstechnik hat sich im Laufe der Zeit gravierend verändert: Vorstufe jeder Automatisierung war die Mechanisierung, die bis Anfang des letzten Jahrhunderts im Mittelpunkt stand. Danach, in den Jahren 1940 bis 1950, verzeichnete sie eine stürmische Entwicklung infolge des Einsatzes der Elektrotechnik, Elektronik und Nachrichtentechnik. Aktuell befindet sich die Automatisierung durch den verstärkten Einsatz der Mikroelektronik und Informationstechnologie in einer Phase, welche die Anwendung neuer Methoden und Verfahren – auch in der Weinbautechnik – ermöglicht. Beispiele hierfür sind mikroprozessorbestückte Messgeräte, Prozessleitsysteme oder Datenübertragungssysteme. Immer mehr also durchdringt die Automatisierung den täglichen Arbeitsprozess, was jedoch oft zu wenig wahrgenommen wird.

Bewässerung

Die moderne Automatisierungstechnik in der Weinbaubranche stellt sich vorrangig als elektronische, insbesondere auf Messen, Steuern und Regeln basierende Technik (MSR-Technik) dar. Als Paradebeispiel für moderne Automatisierungstechnik im Weinbau dient das Automatisieren der Bewässerung. Am Anfang der Entwicklung standen die visuelle Beurteilung (zum Beispiel hängende Ranken) bei der Einschätzung des Wasserversorgungszustandes der Reben und mobile Bewässerungsverfahren (Verteilschläuche, Wasserlanze u. a.). In der Folge wurden stationäre Bewässerungsanlagen (Überkronenberegnung, Tropfbewässerung) entwickelt. Als Geburtsstunde der automatischen Bewässerung gilt die Anwendung der MSR-Technik im Weingarten: Mithilfe von Sensoren (Messen der Bodenfeuchtigkeit), Transistoren (elektronische Schalter, die Signale verstärken) und Magnetventilen (durch Öffnen wird die Bewässerungsanlage eingeschaltet) lässt sich die auszubringende Wassermenge automatisch regeln.

Düngung

Im Weinbau sind Ertrag, Boden, Düngung und Umwelt in Einklang zu bringen. Dabei müssen die örtlichen Gegebenheiten des Bodens – Bodenart, Nährstoffversorgung, Wasserführung und Oberflächengestaltung – und die Rebenentwicklung berücksichtigt werden, um danach die Düngung gezielt nach dem angestrebten Ertrag auszurichten. Eine ertrags- und zugleich umweltorientierte Düngung setzt einen geschlossenen Informationskreislauf voraus, dessen Schlüsseltechnologie die Ortung als Basis für räumliche Zuordnung bildet. Derzeit stehen für die Ortung der Nährstoffverhältnisse im Weingarten ein halbautomatisches und ein vollautomatisches System zur Verfügung. Die halbautomatisierte Technik geschieht mit einer auf einem Fahrzeug montierten Vorrichtung für die Bodenprobenentnahme, deren Ortung per satellitengestütztem Navigationssystem (GPS bzw. DGPS) erfolgt. Zur Ermittlung des lokalen Düngerbedarfs werden die räumlichen GPS-Daten mit den Bodenanalysedaten aus dem Labor verknüpft. Bei der vollautomatisierten Technik kommt die Fernerkundung zum Einsatz, indem Daten über die Bodenverhältnisse bzw. Unterschiede in der Rebenentwicklung durch Satelliten oder Flugobjekte (Flugzeuge und -drohnen) gemessen werden. Ein derartiges System nutzt die Infrarotspektroskopie zur Bestimmung des Chlorophyllgehalts der Reben: Im nahen Infrarotbereich (NIR; 780 nm bis drei µm) besitzt das Chlorophyll der Laubwand eine deutlich höhere Reflexion als im sichtbaren, insbesondere grünen, Spektrum. Das gewonnene Datenmaterial lässt Rückschlüsse auf die Rebenvitalität und somit Nährstoffverfügbarkeit im Boden zu.

Rebschutz

Maßnahmen des Rebschutzes zur Ertragssicherung sollen zukünftig nur bei Pilz- und Insektenbefall bzw. bei physikalisch (mechanisch, thermisch) schwer bekämpfbaren Beikräutern erfolgen. Als Erfolgsgarant gilt auch hier – neben der lokalen Bonitur, der Prognose nach Schadschwellen und der Anwendung diverser Applikationstechniken – die Ortungstechnik, die eine rechtzeitige Erkennung und gezielte Bekämpfung von Krankheiten, Schädlingen und Konkurrenzpflanzen ermöglicht. Alle Ortungssysteme in einem automatisierten Rebschutz erfordern einen standardisierten Informationsaustausch zwischen Reben, Rebschutzgerät und Traktor. Dazu sind aufeinander abgestimmte Spezial- und Universaltechniken erforderlich. Die Spezialtechniken sind für die Reb­schutzgeräte konzipiert und ermöglichen das Orten von Reben einerseits und von vorhandenen Krankheiten andererseits. Ersteres System – bestehend aus optischen Sensoren (Reflexlichtprinzip), Messwertaufnehmer und Steuergerät – erkennt Anfang und Ende der Rebenreihen sowie Fehlstellen im Rebenbestand. Im Falle eines Nichtreflektierens elektromagnetischer Wellen wird automatisch über Magnetventile der Rebschutzmittelausstoß der Düsen gestoppt; das heißt, eine Mittelapplikation findet nicht mehr zeitlich konstant statt, und die Wirkstoffverluste reduzieren sich auf ein Minimum. Beim zweiten System werden ein lokal vorhandener Pilzbefall an den Reben durch die Nahe-Infrarot-Technik und das Auftreten von Insekten in den Rebkulturen durch Fototechnik im sichtbaren Bereich des Lichts erfasst. Bisherige Rebschutzverfahren bringen die Mittel fast ausschließlich ganzflächig aus. Mit der veränderten automatisierten Technik lassen sich diese positionsbezogen auf befallene Flächen verabreichen. Mitteleinsparungen und ein Verzicht auf Behandlungsmaßnahmen bei Flächen mit Befall unterhalb der Schadschwelle sind die Folge.Ein optimaler Einsatz der erwähnten Spezialtechniken setzt auch das Vorhandensein der Universaltechniken voraus. Ihre Hauptanwendung als “mobile Weincomputer” liegt in der Überwachung, Steuerung und Regelung der Weinbaumaschinen und -geräte. Diese Form der elektronischen Steuerung benötigt aufgrund des großen Einsatzspektrums auch traktorseitige Daten (Weg, Drehzahl, Arbeitsposition “ein/aus”), um eine Vernetzung von Weinbautraktor und Gerät zu einem leistungsfähigen Gesamtsystem zu bewerkstelligen.

Selbstlenkende Geräte

Bei der automatisierten Lenkung von Weinbaumaschinen und -geräten werden die Tätigkeiten der Winzerin/des Winzers teilweise oder ganz auf die Technik übertragen. Zentrale Bestandteile für die Führung im Weingarten sind Sensoren, Laser- oder GPS-Geräte. Als Messwertaufnehmer können Sensoren auf mechanischem, photooptischem oder elektromagnetischem Weg die Informationen erfassen. Das Prinzip der mechanischen Sensoren beruht darauf, dass im Falle eines Kontaktes zwischen Gerät und Rebe eine Reaktion seitens des Gerätes (hydraulisches Schwenken, Beispiel: Zwischenstockmulchen) erfolgt. Die Funktion der Sensoren auf photooptischer Basis basiert auf dem Aussenden gebündelter Lichtimpulse durch den Sensor, deren Reflektieren vom Rebenbestand und dem Empfangen im Sensor. Aus den Laufzeitunterschieden des Lichts lässt sich die Bestandslinie der Reben errechnen. Für die Wirkungsweise elektromagnetischer Sensoren ist ein verlegter Draht an der Unterstützungsvorrichtung im Weingarten notwendig: Fließt durch den Draht elektrischer Strom, so ist dieser von kreisförmigen magnetischen Feldlinien umgeben, die als Bezugslinie dienen. Neben den Sensoren lässt sich die automatische Maschinen- und Geräteführung auch mithilfe der Lasertechnik realisieren. Hierbei erfolgt die Lenkung entlang eines an den Rebenreihen ausgerichteten Laserstrahls. Am einfachsten gestaltet sich die GPS-unterstützte Führung. Durch die Verwendung hochgenauer GPS-Geräte lassen sich Weinbau-Traktoren, Geräteträger, Traubenvollerntemaschinen etc. fahrerlos in den Fahrgassen steuern. Das GPS hat nicht nur als Fahrhilfe bei erdgebundenen Fahrzeugen, sondern früher schon bei der Führung von Fluggeräten – beispielsweise, um Rebschutzmittel in Ländern, wo das erlaubt ist, zu applizieren -, eine weite Verbreitung erfahren.

Roboter

Mit der Entwicklung der modernen Roboter im 20. Jh. ist die Robotertechnik auch in den Bereich Traubenproduktion eingedrungen. Es handelt sich um sogenannte “intelligente” Roboter, die überwiegend dazu dienen, schwere, immer wiederkehrende monotone Arbeiten im Weingarten zu übernehmen. Diesen Robotern – bestehend aus mechanischer Kon­struktion, Greifeinheiten, elektrischem Antrieb, Sensoren und Computer – eröffnet sich ein weites Gebiet von Anwendungen der klassisch-weinbautechnischen Art. Beispiele hierfür sind Roboter, die Arbeiten des Reb- und Laubschnitts oder der Bodenpflege ausführen. Die leistungsfähigeren Roboter der “nächsten Generation” werden – unter Zuhilfenahme der “Künstlichen Intelligenz” – komplizierte Operationen auch “selbstdenkend” schaffen. Der Weinbauroboter, welcher am Morgen beispielsweise Befehle zu Kulturarbeiten entgegennimmt, die Arbeit im Weingarten durchführt und abends auf weitere Anordnungen wartet, ist sicher keine Utopie mehr.

Precision Viticulture dank genauer ortsbezogener Daten: Maximierung der Produktivität bei gleichzeitiger Minimierung der Umweltbelastung

Im Hinblick auf eine Automatisierung in der Traubenproduktion müssen die installierten Sensor- und Datenverarbeitungssysteme (Elektronik) im Betrieb hohen Anforderungen genügen, um wichtige Informationen einerseits für die Betriebsführung zu liefern, und andererseits, um Anweisungen aus der Betriebsführung mit den verfügbaren Aktoren (Befehlsempfänger) termingerecht auszuführen. Damit bilden sie die Grundlage für Precision Viticulture (Präzisionsweinbau), das heißt, einer Maximierung der Produktivität bei gleichzeitiger Minimierung der Umweltbelastung. Precision Viticulture hat das Ziel, mit geringem Aufwand an Betriebsmitteln (Dünger, Rebschutzmittel, eingesetzte Maschinen, Kraftstoff usw.) ein günstiges Betriebsergebnis (Ertrag) zu realisieren. Für den Weinbau bedeutet dies, die wechselnden Bedingungen des Rebenwachstums im Weingarten zu berücksichtigen und unter anderem Düngung, Rebschutz und -pflege danach auszurichten. Die Arbeitsmethoden und -abläufe basieren sehr stark auf möglichst genau erhobenen Daten, die die Traubenproduktion aller Weingartenanlagen eines Betriebes betreffen. Hierzu werden sogenannte modulare Datenerfassungssysteme eingesetzt, mit denen ein stufenweiser Aus- oder Abbau bei sich ändernden Erfordernissen möglich ist, etwa beim Einsatz zusätzlicher Weinbaumaschinen.

Selbstfahrender Traubenvollernter
Am Beispiel eines selbstfahrenden Traubenvollernters kann Precision Viticulture gut veranschaulicht werden.
• Ein Materialfluss-Sensor misst die Masse der über die Förderbänder transportierten Trauben.
• Mithilfe optoelektronischer Sensoren wird die Qualität der Beeren nach farblichen Kriterien erfasst.
• Aus den Messwerten der Sensoren errechnet das System den Ertrag pro Hektar Weingarten.
• Die so gefundenen Werte erscheinen auf dem Display des Bordrechners, dem durch menügesteuerte Befehle die gewünschten Informationen entnommen werden können.
• Während des Erntevorgangs erfolgt mittels Satelliten (GPS bzw. DGPS) die jeweilige genaue Ortsbestimmung der Maschine.
• Über Satelliten oder Bluetooth findet die Datenübertragung vom Bordrechner auf den Büro-PC des Betriebes (Dienstleistungsbetriebes) oder Pocket-PC statt.
• Auf dem Büro-PC können aus den eingegebenen Daten durch spezielle Programme Dokumente (Schlagkarteien) erstellt werden. Die Dokumentation wiederum ist die Grundlage für Entscheidungen zum nächsten Betriebsmitteleinsatz, für Statistik und Kostenrechnung.
• Unterstützt von moderner Informations- und Kommunikationstechnik ist nicht nur eine automatische Fahrzeugführung mit Satellitennavigation möglich, sondern auch eine kontinuierliche Auskunft über den Betriebszustand des Traubenvollern­ters. Auf einem Anzeigegerät (PC, Terminal) erscheinen Fahrgeschwindigkeit, Motordrehzahl, Kraftstoffvorrat und andere Daten wie Motorstunden und Wartungsintervalle. Insgesamt hat hier die Automatisierungstechnik die Aufgaben,
• die Maschine bestmöglich an die Erntebedingungen anzupassen,
• vorgegebene Einstellwerte einzuhalten, das heißt, automatisch nachzustellen, wenn bestimmte Werte durch äußere Einflüsse eine Veränderung erfahren haben (Beispiel: Höhenanpassung des Ernteaggregats),
• Störungen rechtzeitig zu erkennen und Abhilfe zu schaffen und schließlich
• die Winzerin/den Winzer von der Erntearbeit zu entlasten.

Datenübertragung und Ortung: Neue Technologien und Standards setzen sich durch

Der ständig zunehmende Anteil automatisierter Systeme in Weinbautraktoren und -maschinen macht den Austausch systemübergreifender Daten erforderlich. Daten sind (in der Elektronik) digitale Informationen, die von Steuergeräten zum Zweck der Verarbeitung empfangen werden. Traktorseitig kommen in der Regel ein oder mehrere Controller Area Network-BUSSE (CAN-BUS; Netzwerk­kontrollsystem) für die Datenübertragung zur Anwendung. Ein BUS (Binary Unit System; binäre Systembaugruppe) ist in diesem Bereich ein Leitungssystem – ausgeführt als zwei verdrillte Kupferleitungen – mit den dazugehörigen Steuerungselementen zur Kommunikation zwischen mehr als zwei elektronischen Systemkomponenten. Neben der traktorinternen Datenübertragung spielt jene zwischen dem Traktor und den angebauten bzw. angehängten Maschinen und Geräten (zum Beispiel Rebschutzgerät oder Traubenwagen) eine immer größere Rolle. Für diese Schnittstelle dient der ISO-BUS, basierend auf ISO 11783, der das Landwirtschaftliche BUS-System (LBS) ablöste. Aufgrund des weinbaulichen Trends, Arbeiten im Weingarten ortsspezifisch auszuführen, werden Managementsysteme eingesetzt, die zum Beispiel Traubenerträge flächenbezogen erfassen und basierend auf diesen Daten entsprechende Ausbringungsmengen an Betriebsmitteln für die Geräte festlegen. Für die Kommunikation zwischen den beteiligten Arbeitsmaschinen und dem Computer (PC) der Winzerin/des Winzers oder eines externen Dienstleisters auf der einen Seite und zur Ermittlung des jeweiligen Standortes von Weinbautraktor und -gerät auf der anderen Seite sind unterschiedliche Wege der Datenübertragung möglich. Die digitale Übertragung per Mobilfunk nach dem GSM-Standard (Global System for Mobile Communications, auf Deutsch: internationaler Standard für digitale Funknetze) macht im Traktor den Einbau einer Antenne für den GSM-Empfang sowie eines Steuergeräts für die Aufbereitung der empfangenen Daten und deren Übertragung in das traktorinterne BUS-System erforderlich. Eine weitere Technologie zur drahtlosen Vernetzung von PC, PDA, Mobiltelefon usw. stellt Bluetooth dar. Auch hier erfolgt die Datenübertragung nach einem festgelegten Standard, allerdings liegt hier die Reichweite im Freien nur zwischen zehn und 100 Metern. GPS wird für Positionsbestimmungen und Navigation im Weinbau schon seit längerer Zeit genutzt. Da für Privatanwender der Fehler bei 30 m bis 100 m liegt, steht zu dessen Verringerung das Differential Global Positioning System (DGPS) zur Verfügung. Mithilfe der GPS- bzw. DPGS-Signale lassen sich durch die ECU (Electronic Control Unit; Steuergerät) die genauen geografischen Daten feststellen. Diese Positionsdaten finden Eingang in die Automatisierungssysteme des Weinbaus, um die Steuerungs- und Regelungsfunktion im Betrieb zu realisieren.

MMag. Dipl.-Ing. Alois F. Geyrhofer, HBLA und BA für Wein- und Obstbau Klosterneuburg