Die industrielle Verarbeitung und Sortierung von Lebensmitteln, insbesondere von empfindlicher Frischware wie Obst, stellt hohe Anforderungen an Präzision, Schnelligkeit und Flexibilität. Klassische Sortiersysteme arbeiten oft mechanisch oder mit einfachen optischen Sensoren. Sie stoßen jedoch an ihre Grenzen, wenn es um die Erkennung subtiler Qualitätsunterschiede, des Reifegrades oder äußerer Mängel geht. Hier setzen moderne Smart-Factory-Konzepte an, in denen Künstliche Intelligenz (KI), Machine Learning (ML), Edge Computing und leistungsfähige Hardwareplattformen intelligent vernetzt werden. Ein möglicher Anwendungsfall wäre die Sortierung von Äpfeln. Dabei geht es darum, verschiedene Apfelsorten zu erkennen, den Reifegrad (z. B. grün, rot) festzustellen und qualitative Mängel wie Druckstellen, Schimmel oder Fäulnis zu identifizieren. Mithilfe dieser Informationen könnte eine automatische Sortierung in Qualitätsklassen erfolgen. Zusätzlich könnte eine Dokumentation für das Qualitätsmanagement und die Rückverfolgbarkeit erstellt werden.
Mögliche Einsatzorte für KI-gestützte Bildverarbeitung
Ein zentraler Bestandteil dieser Anwendung ist das KI-System auf Basis des Kontron K4021-Ux mSTX (Abb. 2). Dank der integrierten NPU (Neural Processing Unit) bzw. des KI-Coprozessors ist eine beschleunigte Verarbeitung von hochauflösenden Bilddaten möglich, die mit einer 5GbE-IP-Kamera aufgenommen werden.
In einem möglichen Anwendungsszenario würde die Kamera die Äpfel auf dem Sortierband in Echtzeit aufnehmen und Bilder jedes einzelnen Produkts liefern. Ein speziell trainiertes neuronales Netz würde diese Bilder auswerten. Dazu wäre es zuvor mit Bilddatensätzen von tausenden verschiedener Apfelsorten, Reifestadien und Fehlerbildern trainiert worden. So könnte das System hypothetisch Entscheidungen treffen:
- Handelt es sich um einwandfreies Obst?
- Ist der Apfel reif (rot) oder unreif (grün)?
- Liegen äußere Schäden oder Qualitätsmängel vor?
- In welche Qualitäts- oder Sortierklasse soll der Apfel eingestuft werden?
Diese Entscheidungen erfolgen mit einer Geschwindigkeit und Präzision, die manuell nicht erreichbar wären. Gleichzeitig wird jedes einzelne Bewertungsergebnis zusammen mit den erfassten Bilddaten dokumentiert und kann später für Qualitätsaudits oder Prozessoptimierungen herangezogen werden.
Kompakte Bauweise für flexible Integration
Das Embedded-System K4021-Ux mSTX wurde für Anwendungen mit begrenztem Bauraum konzipiert. Es kann direkt oder in dem Gehäuse SMARTCASE S502 in bestehende Sortieranlagen integriert werden. Das System ist für die Verarbeitung von Bild- und Sensordaten in Echtzeit ausgelegt und ermöglicht damit eine prozessintegrierte Bewertung erfasster Merkmale im laufenden Betrieb. Über eine duale Netzwerkschnittstelle lassen sich Ergebnisse direkt an nachgelagerte Systeme übermitteln. Dank der langfristigen Verfügbarkeit der Hardware über mindestens sieben Jahre, eines zusätzlichen Longevity-Plus-Programms und BIOS-Support bis zu drei Jahre nach dem Produktende lassen sich die Systeme über mehrere Jahre hinweg zuverlässig betreiben und in Standhalten.
Datenkonsolidierung auf dem Edge-Server
Während das Industrie-Motherboard K4021-Ux die Analyse und Sortierung der Äpfel in Echtzeit direkt an der Linie übernimmt, werden sämtliche dabei erfassten Qualitäts- und Prozessdaten kontinuierlich an einen zentralen Edge-Server übertragen. Dort kommt das Server-Motherboard K3881-C µATX (Abb. 3) zum Einsatz, das als lokaler Knotenpunkt verschiedene Datenströme aus der Produktion zusammenführt. Neben den Sortierergebnissen und Bilddaten verarbeitet der Server auch weitere Produktionsinformationen. Dazu zählen Umgebungsparameter wie Temperatur und Luftfeuchtigkeit, die über 5G-fähige Sensorik eingebunden werden, ebenso wie Maschinendaten zur Betriebsüberwachung. Ergänzt werden diese Informationen durch Chargenkennzahlen wie Durchsatz, Mengenverteilung und Sortierstatistiken. Auch produktspezifische Merkmale wie Reifezustand, Sortierklassifikation und dokumentierte Abweichungen werden erfasst und ausgewertet. Auf dieser Basis entsteht ein konsistentes, aktuelles Abbild des laufenden Prozesses, das nachgelagerten Systemen und Analysen zur Verfügung steht.
Leistungsstarke Infrastruktur
Das Edge-System auf Basis des K3881-C µATX ist für den industriellen Dauerbetrieb unter anspruchsvollen Bedingungen konzipiert. Es unterstützt einen erweiterten Temperaturbereich, sodass es auch bei Temperaturschwankungen zuverlässig arbeitet. Es ermöglicht sowohl drahtgebundene 10G-Verbindungen für den schnellen Datentransfer großer Datenmengen in die Cloud oder zu zentralen Produktionsleitsystemen als auch die Integration moderner 5G-Schnittstellen für eine flexible Anbindung mobiler Einheiten und kabelloser Sensorsysteme. Remote-Management-Funktionen und ein integrierter Board Management Controller (BMC) erleichtern die zentrale Verwaltung und Fernwartung und tragen zur Ausfallsicherheit bei. Aufgrund der langfristigen Verfügbarkeit der Plattform eignet sich das System besonders für Anwendungen mit planbaren Produktzyklen in der Produktion.
Die erfassten und aufbereiteten Daten lassen sich in bestehende Cloud-Infrastrukturen integrieren. Dort stehen sie für verschiedene Anwendungen zur Verfügung, wie z. B. zur Analyse von Sortiergenauigkeit, zur Ursachenforschung bei Qualitätsabweichungen oder zur Prozessoptimierung. Darüber hinaus ermöglichen sie die lückenlose Rückverfolgung einzelner Chargen, die Überwachung der Einhaltung von Kühlkettenvorgaben sowie eine vorausschauende Wartung durch die Analyse maschinenbezogener Betriebsdaten. Die zentrale Bereitstellung dieser Informationen schafft die Grundlage für ein durchgängiges Monitoring nicht nur einzelner Linien, sondern ganzer Werke oder auch standortübergreifend.
Obstsortierung 4.0 in der Praxis
In einem praxisnahen Szenario verarbeitet eine moderne Obstsortieranlage täglich mehrere Tonnen Äpfel. Jeder Apfel wird mittels IP-Kamera erfasst und innerhalb von Millisekunden durch das System K4021-Ux analysiert. Die automatisierte Sortierung erfolgt über Weichen, wobei die Einordnung in unterschiedliche Qualitätsklassen auf Basis zuvor definierter Kriterien geschieht. Gleichzeitig werden sämtliche Sortierergebnisse, Fehlerbilder und Sensordaten zur Umgebung (Temperatur, Feuchtigkeit) an den K3881-C-Edge-Server übertragen. Dieser bereitet die Daten auf, führt statistische Auswertungen durch und überwacht kontinuierlich die Einhaltung von Vorgaben zur Kühlkette. Die Ergebnisse werden zentral gespeichert und stehen in Form vollständiger Chargenberichte auch in der Cloud zur Verfügung. Betriebsleiter und Qualitätsverantwortliche haben somit jederzeit Zugriff auf aktuelle sowie historische Datenbestände.
Fazit
Die Verbindung von KI, Edge Computing und vernetzten Automatisierungslösungen bildet die technische Grundlage, um die Qualitätssicherung, Rückverfolgbarkeit und Prozessstabilität in der Lebensmittelverarbeitung weiter zu verbessern. Systeme wie das K4021-Ux mSTX und das K3881-C µATX zeigen, dass diese Technologien bereits heute praxisreif verfügbar sind und sich in bestehende Produktionsumgebungen integrieren lassen. Gerade im Bereich der Obstverarbeitung kann dadurch die Sortierqualität deutlich erhöht, der Ertrag optimiert und die Kundenzufriedenheit durch konstant hohe Produktqualität gesteigert werden. Gleichzeitig liefern die umfassend erfassten Prozessdaten wertvolle Erkenntnisse für kontinuierliche Verbesserungen entlang der gesamten Wertschöpfungskette.
Damit zeigt sich, dass datenbasierte Produktionsprozesse in der Lebensmittelindustrie bereits heute technisch umsetzbar und wirtschaftlich nutzbar sind.