Daten sammeln für sichere Transporte
Folgender Bericht ist erschienen in der vnl (Verein Netzwerk Logistik)-Zeitschrift „Logistics Innovation“)
Ausgefeilte Logistikkonzepte sind mittlerweile absolut unverzichtbarer Bestandteil in jeder Industrie- und Gebrauchsgüter-Wertschöpfungskette. Denn Transport und Verteilungswege – ob einfach oder sehr komplex – sind in globalisierten Märkten überall anzutreffen. Die damit verbundenen Haftungs- und Qualitätssicherungs-Probleme dürfen deshalb unter keinen Umständen vernachlässigt werden. Daraus leitet sich die Notwendigkeit einer lückenlosen Transport-Überwachung von Gütern aller Art in Bezug auf mechanische Beanspruchung oder gar Überbeanspruchung oder auf Überschreitung von Temperatur- oder Feuchtigkeits-Grenzwerten ab. Dies ist mit elektronischen Miniatur-Datenloggern zu realisieren: Sie erfassen und speichern die wichtigsten physikalischen Einwirkungen auf Transportgüter (Beschleunigung/Schock/Stoss/Vibration, Temperatur, relative Feuchte, Luftdruck, Licht) und erleichtern es damit, Logistik-Konzepte zu optimieren und auch Haftungs- und Qualitätssicherungs-Fragen rasch und kostengünstig zu klären.
Sowohl in der Beschaffungs- als auch in der Distributionslogistik sind in den mittlerweile globalisierten Märkten für alle Industrie- und Gebrauchsgüter Transporte unterschiedlicher Art und Dauer nötig. Im Verlauf solcher Transporte können durch unsachgemässe, fehlerhafte oder gar strafrechtlich relevante Manipulation eventuell Beschädigungen, mechanische Überbeanspruchungen oder Fehlbelastungen, thermische oder Feuchtigkeits-Beeinflussungen insgesamt als Verschlechterung der Produktqualität auftreten. Im schlimmsten Fall wäre sogar Zerstörung bzw. Sach-Verlust zu bilanzieren. Zwar lassen sich äussere Beeinträchtigungen nie in allen Fällen von vorneherein ausschliessen, doch durch entsprechende technische Überwachung und Aufzeichnung wichtiger äusserer Umgebungs-Parameter während eines Transportes, kann man im Nachhinein dann immerhin feststellen, ob der Gütertransport von den Umgebungsbedingungen her einwandfrei und ohne Beschädigung und sonstige Beeinträchtigung verlaufen ist oder ob bestimmte Umgebungsbedingungen nicht regelgerecht waren und so die Transportspezifikationen nicht eingehalten wurden. Gelingen solche Nachweise auf fundierte Art, erleichtert dies in allen Fällen die Beantwortung von Haftungs- und Qualitätssicherungs-Fragen oder gibt wenigstens Aufschlüsse darüber, auf welche Weise man bestimmte Beeinträchtigungen in Zukunft verringern oder gar vermeiden kann.
Es geht also darum, die für eine eventuelle Beeinträchtigung oder Beschädigung eines Transportgutes relevanten physikalischen Umgebungs-Parameter zu erfassen und so dauerhaft und beweissicher zu dokumentieren, dass deren Auswertungen im Nachhinein sichere Aussagen über die einwirkenden äusseren Faktoren ermöglichen. Auch ist nur auf diese Weise eine fundierte Prognose von Massnahmen möglich, mit deren Hilfe künftig ähnliche Beeinträchtigungen ausgeschlossen werden können. Klar ist, dass hier eine hochmoderne physikalische Mess- und Aufzeichnungstechnik zur Anwendung kommen muss. Wenn die dafür eingesetzten elektronischen Mess- und Aufzeichnungstechnologien dann noch dem neuesten Stand der Technik entsprechen und auch kostenoptimal zur Verfügung stehen, dann spricht nichts dagegen, Transporte aller Art – seien sie sehr kurz oder auch global ausgreifend – auf diese Weise zu überwachen und zu dokumentieren. Die in Seuzach bei Winterthur beheimatete MSR Electronics GmbH hat sich beispielsweise auf die Entwicklung und Fertigung dafür geeigneter moderner Datenlogger spezialisiert. Diese gerade einmal daumengrossen «Kompakt-Labors im Mini-Format» zeichnen ganz spezifische Gruppen von physikalischen Parametern und Messwerten auf und speichern sie zur späteren Auswertung per PC.
Welche Parameter müssen während eines Transportes aufgezeichnet werden?
Die wichtigsten physikalischen Parameter, die man in einer Transport- und Logistikkette überwachen sollte, sind zuallererst Beschleunigungen, Schockereignisse, Stösse und Vibrationen, denn sie können sich sehr negativ auf die mechanische Konstruktion eines jeden Industrie- oder Gebrauchsgegenstandes auswirken. Glastransporte sind nur ein Beispiel. Hier hat sich gezeigt, dass man deutlich über 1000mal pro Sekunde einen zugehörigen Beschleunigungswert aufzeichnen sollte, um auch Vibrationen gut erfassen und in ihrer Frequenzcharakteristik analysieren zu können. Das Ganze natürlich in drei geometrischen Raum-Achsen (x, y, z), um auch Beschleunigungswerte in alle Richtungen zu gewinnen. Ein weiterer wichtiger Parameter ist die Temperatur, denn sie kann ebenfalls die für ein Produkt spezifizierten Transport-Parametergrenzen überschreiten; man denke – als besonders empfindliche Transportgüter – beispielsweise an Gefrierprodukte oder Blutkonserven; aber auch Kunststoff-Elemente oder chemische Güter sind hier zu nennen. Über den Parameter des Taupunktes steht die relative Feuchtigkeit in einem engen Zusammenhang mit der Temperatur. Der Feuchtigkeitsgehalt muss also ebenfalls präzise auf einem Transportweg aufgezeichnet werden, um beispielsweise Korrosion an Metallteilen oder Feuchtigkeits- und Schimmelpilz-Schäden an organischen Stoffen rasch in ihrer Ursache erfassen zu können. Auch Medizinprodukte fallen in diese zu überwachende Kategorie.
Der Luftdruck ist ebenfalls ein bedeutsamer Wert, der z.B. die Eigenschaften von verformbaren Gütern beeinflussen kann. In diesem Zusammenhang seien Hohlkörper aus Kunststoff erwähnt, aber auch gas- oder flüssigkeitsgefüllte, verformbare Behälter. Besonders zum Tragen kommt dieser Parameter bei Luftfracht-Transporten, wo der Innendruck im Luftfahrzeug genau überwacht werden muss. Je nach Typvariante können die Mini-Datenlogger zusätzlich auch rein elektrische Signale, z.B. von speziellen externen Sensoren, genauso wie die Signale der internen Sensoren aufzeichnen. Beispiele wären Versorgungsspannungen bzw. die Signale von zusätzlichen Alarm- oder Akustik-Sensoren, Lichtschranken oder von Schaltern.
Schliesslich ist auch Licht ein wichtiger physikalischer Einflussfaktor, z.B. bei Lebensmitteln, Medizinprodukten, chemischen Stoffen usw. Hier wäre Sonneneinstrahlung eine schädigende Ursache, die leicht auch in Korrelation mit einer Temperaturerhöhung zu setzen wäre. Eine ganz besondere Bedeutung kommt dem Parameter «Licht» jedoch bei der Erkennung von unerlaubten Manipulationen an normalerweise geschlossenen Behältern zu: Lichteinfall deutet auf ein Öffnen hin, was eventuell Rückschlüsse auf eine geplante oder durchgeführte Diebstahlshandlung schliessen lässt. Hierzu muss der aufzeichnende Logger aber geeignet angeordnet werden. Ist er «unsichtbar» platziert, lässt er im Nachhinein durch Auslesen des zugehörigen Zeitpunktes erkennen, wann die Öffnung des Behälters erfolgte. Ist er «sichtbar» platziert – so hat die Erfahrung gezeigt –, dann verhindert diese Sichtbarkeit oftmals eine weitere Manipulation oder den Diebstahl.
Präzise «Zeitstempel» entlarven Schadens-Verursacher
Letztlich kann man mit solchen Datenloggern einen gesamten Transportweg bezüglich der genannten Umgebungs-Parameter überwachen und die Messwerte lückenlos über lange Zeiträume hinweg objektiv aufzeichnen; die Aufzeichnungsdauer von bis zu mehreren Jahren hängt dabei von der Speichergrösse, dem verwendeten Akku und der Häufigkeit der zu erfassenden Werte ab. Das Anwendungsspektrum reicht von der einfachen Temperaturüberwachung auf einem Schiffstransport mit dem Logger MSR145 bis hin zur Erfassung ungewöhnlicher Vibrations- oder Schock-Ereignisse, wie sie z.B. beim Herunterfallen von einem Verladekran sehr signifikant auftreten. Und bei Auslandstransporten lässt sich z.B. ganz leicht im Nachhinein die Frage beantworten, wie lange eine Ware im Zoll «ruhend» warten musste. Denn: Sämtliche Messwerte sind immer mit einem exakten «Zeitstempel» versehen, anhand dessen sich der Zeitpunkt eines Ereignisses mit Sekunden-Präzision nachher bei der Auswertung am PC rekonstruieren lässt – ganz bedeutsam bei Beweisführungen. Die Auswertung vieler Messdaten hat in der Praxis schon wertvolle Grundlagen geliefert, um Gerätekonstruktionen oder auch Transportverpackungen zu verbessern, damit Schäden vermieden werden. Und wenn Schäden auftreten, kann man sie exakt einem Verursacher zuordnen.
200 g – in der Transportüberwachung wichtig
Als besonders erfolgreich in der Logistik-Branche erweisen sich beispielsweise die Logger des Typs MSR165 mit einer Schockaufzeichnung bis 15 g (g ist die Erdbeschleunigung), die mittlerweile eine Erweiterung bis hin in den Beschleunigungsbereich von 200 g erfahren haben. Sie können mit spezieller Batterie bis zu fünf Jahre lang aufzeichnen. Die 200-g-Schockmessungen sind für viele Applikationen in der Transportüberwachung wichtig, hier hat die Firma MSR Electronics GmbH eine Menge Entwicklungsarbeit hineingesteckt, um mit einem speziellen Sensor diese Schock-Werte sicher erfassen und aufzeichnen zu können. Sogar einen eigenen Prüfplatz für die Logger mit 200 g Erfassungsbereich hat man sich dafür bei der Firma MSR eingerichtet. Dieser erweiterte Messbereich ist letztlich immer dann von Nutzen, wenn es darum geht, Anwendungen aufzuzeichnen, in denen plötzlich sehr grosse Kräfte auftreten, beispielsweise im Bereich der Transportüberwachung empfindlicher Güter, in der Luft- und Raumfahrt, oder auch bei Fall- und Aufpralltests in der Industrie. Die Datenaufzeichnung des digitalen 3-Achsen-Beschleunigungssensors beginnt wahlweise dann, wenn ein Beschleunigungs-Schwellwert überschritten wird oder zu einem bestimmten Zeitpunkt. 32 Messwerte werden bereits vor dem Schockereignis aufgezeichnet, damit bei einer g-Analyse auch die Vorgeschichte des Schocks betrachtet werden kann. Der Anwender weiss so nicht nur, dass ein harter Schlag erfolgte, sondern erkennt auch den genauen zeitlichen Ablauf des Schlages.
Erfolgsrezepte für den High-Tech-Nischenmarkt
Man bewegt sich als mittelständisches Unternehmen wie MSR Electronics mit diesen Datenloggern in einem Markt, der keine extrem hohen Stückzahlen erwarten lässt, der also einen Nischenmarkt darstellt, der aber durch die vielen benötigten Produkt-Varianten und die sehr unterschiedlichen Anwendungsfälle ein hohes Mass an Technologie-Know-how und Fertigungs-Flexibilität fordert. Interessant – und sicherlich genau deswegen naheliegend: Das Unternehmen lässt nicht im fernen Osten fertigen, sondern arbeitet in der Schweiz mit zuverlässigen Dienstleistern zusammen. Man will bei der MSR Electronics GmbH nämlich seinen Fertigungs-Dienstleister relativ nahe bei sich haben, um auch auf ungewöhnliche und sehr spezielle Anwender-Anforderungen rasch eingehen zu können. Insgesamt sind diese Randbedingungen charakteristisch für einen Nischenmarkt, und so ist sich das Unternehmen im Klaren, dass man sich in diesem Markt, der sehr viel mit kleinen Stückzahlen und variablem Produkt-Mix zu tun hat, letztlich auch nur mit praxisgerechter Innovation langfristig gut bewähren kann. Deshalb legt Geschäftsführer Wendelin Egli auch grossen Wert darauf, die neuesten messtechnischen Applikations-Trends in Verbindung mit der PC- und Sensor-Technik aufzugreifen und die daraus entstehenden Logger kompakt und sehr flexibel bezüglich ihrer Einsatzmöglichkeiten zu halten. Die Innovationsfreudigkeit, die der Geschäftsführer anführt, zeigte sich zuletzt in der Entwicklung eines äusserst kleinen Funk-Datenloggers (MSR145WD), der nicht nur konventionell die eben genannten Umgebungs-Parameter (unterschiedlich je nach Typvariante) erfasst und speichert, sondern der auch mit Hilfe der Kurzstrecken-Funktechnologie Bluetooth Low Energy (BLE) nicht nur mit einem PC oder Smartphone kommunizieren und dort seine Messdaten darstellen kann, sondern der auch beispielsweise über das Smartphone (oder eine USB-Verbindung mit einem Rechner) seine Daten in eine eigens dafür eingerichtete «Cloud» liefern kann, wo sie dem Anwender weltweit via Netzzugang zur Verfügung stehen. Das Unternehmen hat dafür die «MSR SmartCloud» selbst eingerichtet und betreibt sie auch sorgfältig. Und zwar ohne externen Cloud-Anbieter, um jegliche Abhängigkeiten zu vermeiden und um spezifische Anwender-Wünsche, beispielsweise nach spezieller Verschlüsselung, rasch einprogrammieren zu können.
Vorausdenken: Aktuelle Anwendungen mit Funk
Ganz aktuelle Entwicklungen in dem Unternehmen sind Datenlogger mit Funk-Sensoren. Diese Logger nennen sich MSR385WD und arbeiten im lizenzfreien 868-MHz-ISM-Band. Mittels Mini-Sendemodulen ermöglichen sie dem Anwender, Temperatur-, Feuchte- und Druckwerte über lange Zeiträume selbst bei hohen Betriebstemperaturen von bis zu 125 °C permanent aufzuzeichnen. Die Mini-Sendemodule senden dabei die Messwerte über eine Distanz von bis zu 500 m an den Datenlogger, welcher Daten von bis zu zehn Sendemodulen empfangen und speichern kann – ideal für Versuche oder Nahbereichs-Logistik. Die Spannungsversorgung der Sendemodule erfolgt – je nach gewähltem Gehäuse-Typ – mittels wieder-aufladbarem Li-Po-Akku 260 mAh oder einer 900 mAh, Li-SOCl2-Batterie. Ein optimiertes Power-Management sorgt dafür, dass die Energieversorgung der Sendemodule je nach Häufigkeit der Messungen und Funkübertragungen für bis zu fünf Jahre gewährleistet wird.
Künftig soll es auch den für Transportüberwachungen sehr beliebte Typ MSR165 mit GPS-Positionsdaten-Aufzeichnung geben – und noch weitere Innovationen: Man denkt bei MSR Electronics z.B. an die Nutzung des Mobilfunks, um die Daten auch über grössere Distanzen hinweg drahtlos zu übertragen. Deutlich hat man nämlich in der letzten Zeit festgestellt, dass sehr viele Anwender unbedingt die Logger-Daten in einer Cloud ablegen möchten, denn so haben sie permanenten und weltweiten Zugriff auf die jeweils mit den Logger überwachten Güter oder Anlagen. Die Mobilfunk-Datenübertragung bietet sich hier natürlich an, um einen weiteren Kommunikations-Kanal in die Cloud hinein zu schaffen.
Anwendungen ausserhalb der Transportüberwachung
Vielfältige Applikationsmöglichkeiten ergeben sich für diese kleinen Datenlogger nicht nur in der Transportgüter- Überwachung, sondern auch in der allgemeinen physikalischen Messtechnik und der Qualitätssicherung. Beispielsweise kann man durch Vibrationsüberwachung an Maschinen rechtzeitig drohende Lagerschäden aufdecken (vorbeugende Wartung), man kann mechanische Belastungsmessungen anhand von Vibrationserfassung realisieren, mechanische Resonanzen ermitteln, in Prüffeldern Langzeit-Temperaturuntersuchungen vornehmen, Fahrkomfort-Messungen an Schienen- und Strassenfahrzeugen durchführen und Temperatur-/Feuchte-Dauerüberwachungen an wertvollen Kunstgegenständen im Museum zu Beweiszwecken vornehmen. Auch Kraft- und Druckmessungen an medizinischen Untersuchungs- sowie Gesundheits- und Fitnessgeräten wurden bereits realisiert.
Spektakulär zeigen sich auch die Anwendungen zur Vibrationsmessung durch MSR Datenlogger am amerikanischen Raumfrachter «Cygnus». Der unbemannte Raumfrachter der Firma Orbital Science bringt für die US-Raumfahrtbehörde NASA Nachschub zur Internationalen Raumstation ISS. Die Datenlogger von MSR waren inzwischen schon drei Mal (inkl. Testmission) für die Orbital im Einsatz, stets zur Aufzeichnung von Transportbelastungen im Frachtraum. Die im Oktober letzten Jahres im Schweizer Fernsehen SRF porträtierte dritte Cygnus-Mission – Orb3 – verlief für Orbital leider nicht erfolgreich, da die Antares-Rakete einige Sekunden nach dem Start explodierte. Doch immerhin kommt es für die MSR Electronics GmbH einem ehrenden «Ritterschlag» gleich, dass ihr Produkt von der US-Raumfahrtbehörde ausgewählt wurde.
Unabhängig sein – Pluspunkt für künftige Innovationen
Wendelin Egli zieht als Fazit zum spannenden und erfolgreichen Leben seines Unternehmens in der High-Tech-Nische: «Wir haben unsere Strategie nie verlassen, unsere eigenen Wege zu gehen, sowohl was die Innovation betrifft als auch unsere wirtschaftlichen Perspektiven. Die eigenen Wege zu gehen heisst, dass man positive Erfahrungen macht, dass man natürlich auch hin und wieder Lehrgeld zahlen muss. Doch selbst das zahlt sich aus», ist sich der Geschäftsführer absolut sicher, «das alles zeigt, dass wir eigenständig sind, und diese Eigenständigkeit lässt uns frei sein für die künftigen Innovationen.»
English
Als international agierender und in verschiedenen Bereichen der Medizin – z. B der Schmerzbekämpfung und der Krebsbehandlung – tätiger Arzneimittel-Hersteller sieht sich die Firma sigma-tau Pharma AG, deren Hauptsitz in Italien ist, den jeweils landesspezifisch geltenden Vorschriften deshalb besonders verpflichtet. Die Niederlassung dieses Unternehmens in der Schweiz beispielsweise hat im Rahmen der Qualitätssicherungs-Aktivitäten nun nach einem geeigneten technischen Konzept gesucht, das dabei hilft, in der Distributionskette für Arzneimittelmuster an Apotheken und Ärzte die wichtigsten Umgebungs-Parameter „Temperatur“ und „Relative Luftfeuchte“ optimal zu überwachen und nach modernen Gesichtspunkten zu dokumentieren. In der Distributions-Praxis werden die Musterpackungen nämlich an unterschiedlichen Lagerorten in der Regel bei Raumtemperatur – üblicherweise zwischen 15 und 25 Grad Celsius – aufbewahrt. Am Lagerort darf aber einerseits dieser Temperaturbereich nicht über- oder unterschritten werden, andererseits darf auch keine zu grosse Luftfeuchtigkeit herrschen.
Auf der Suche nach neuen, kompakten und mit moderner Sensor-, Messwertaufzeichnungs- und Übertragungstechnik ausgerüsteten Datenaufzeichnungsgeräten stiess man bei sigma-tau auf die Funk-Datenlogger MSR145WD der in Seuzach beheimateten MSR Electronics GmbH. Diese kleinen Datenerfassungsgeräte erfassen kalibriert und in frei einstellbaren Abtastintervallen – vom Sekunden- bis zum Stunden-Bereich – die hier wichtigen Parameter „Temperatur“ und „relative Feuchte“ und legen diese Messdaten in einem internen Halbleiterspeicher ab. 
Dessen Aufzeichnungs-Kapazität reicht für eine Überwachung über mehrere Monate hinweg (1 Mio. Speicherwerte). Möglich wären auch noch die Erfassung von Luftdruck, Lichtintensität und Beschleunigung/Lage, was im Falle der Firma sigma-tau allerdings nicht notwendig ist. Gespeist wird der kaum daumengrosse Mini-Logger aus einem internen Akku, der beim Konfigurieren des Loggers automatisch über den USB-Anschluss geladen wird und den es mit zwei verschiedenen Kapazitäten gibt, so dass auch Langzeit-Messungen über viele Monate hinweg möglich sind.
Doch Wendelin Egli, CEO der MSR Electronics GmbH, kann sogar über noch mehr Möglichkeiten der Fern-Ablesung berichten: „Neben der Anzeige der Messwerte auf dem Logger-Display oder im Nahbereich auf dem Bluetooth-fähigen Mobilgerät könnte man auch völlig ortsunabhängig die Temperatur- und Luftfeuchte-Daten überwachen, denn mit Hilfe eines in der Nähe des Loggers befindlichen Laptop mit BLE, einer speziellen BLE-Empfangsbox oder mit einem Smartphone bzw. Tablet in der Nähe des Loggers lassen sich alle Daten über deren Internet-Anbindung in eine eigens von MSR eingerichtete und geschützte Cloud einspeichern. Sobald die Daten in der Cloud verfügbar sind, ist die bei sigma-tau für die Qualität verantwortliche Person in der Lage, sich eine Übersicht über die Lagerbedingungen in jedem einzelnen Lager zu verschaffen. Die Applikationen, die sich mit dieser „MSR SmartCloud“ ergeben, reichen noch weiter: Vorher beim Konfigurieren des Loggers am PC definierte Grenzwerte, beispielsweise für die Temperatur, könnten über die Cloud z.B. auch Alarmmeldungen auslösen. Bei Bedarf lassen sich auch von mehreren MSR145WD-Datenloggern die Messwerte auslesen und sogar mit einem Team teilen.
Letztlich aber speichern die kleinen Logger alle erfassten Messwerte dauerhaft, und im konkreten Fall der Medikamentenüberwachung bei sigma-tau, wo derzeit zehn dieser „Mini-Messtechnik-Labors“ zum Einsatz kommen, werden sie in monatlichem Rhythmus für Dokumentationszwecke ausgelesen und mit Hilfe einer eigenen Software in einer „Monats-Chart“ übersichtlich dargestellt. Die Lagerbedingungen sind auf diese Weise klar, unmissverständlich und für jede verantwortliche Person nachvollziehbar dokumentiert und auch dauerhaft archiviert – in Zweifelsfällen lassen sich natürlich auch potentiell unsichere Lagerorte auf diese Weise herausfinden – eventuell in einer Art „Probebetrieb“ ohne reale Arzneimittel. In jedem Fall ist durch die kontinuierliche Überwachung mit Unterstützung dieser kleinen High-Tech-Datenlogger die Medikamentenqualität dauerhaft sichergestellt und beweissicher dokumentiert.
