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Die Erfindung betrifft einen Füllstandssensor nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.
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Es gibt eine ganze Reihe bekannter Füllstandssensoren, die auf so unterschiedlichen Prinzipien wie einem mechanischen Schwimmer, der Erfassung des Mediums durch Kapazitätsänderung oder der Laufzeit elektromagnetischer Pulse beruhen. Bei den zuletzt genannten laufzeitbasierten Messverfahren wird wegen der unkontrollierten Wellenausbreitung häufig das Verfahren der Zeitbereichsreflektometrie (TDR, Time Domain Reflectometry) bevorzugt. Es basiert auf der Bestimmung von Laufzeiten eines elektromagnetischen Signals, um den Abstand einer Diskontinuität des Leitungswellenwiderstandes zu ermitteln, wie er an der Grenzfläche zwischen Luft und dem Medium auftritt, dessen Füllstand gemessen werden soll. Der Unterschied zum ebenfalls für Füllstandsanwendungen eingesetzten Radarprinzip besteht darin, dass die elektromagnetischen Wellen nicht ins Freie abgestrahlt, sondern entlang eines Leiters geführt werden.
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Besondere Herausforderungen stellt die Messung des Füllstandpegels bei einer unruhigen Oberfläche in einem bewegten Behälter. Dies tritt beispielsweise in Vorratsbehältern einer Abfüllanlage auf, die sich in Rotationsbewegung befinden und dabei die Flüssigkeit aufgrund der Trägheit an die Außenwand drängen. Dadurch entsteht im Zusammenhang mit dem teilweise hochdynamisch geregelten Zu- und Abfluss eine ständige, unregelmäßige Wellenbewegung. Die punktuelle Messung des Füllstandssensors ist dann nicht repräsentativ für den tatsächlichen Füllstandspegel, so dass der Füllstand nur mit großem Messfehler bestimmt wird.
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Eine herkömmliche Lösung besteht darin, den Füllstand an mehreren Stellen mit Hilfe mehrerer über den Umfang des Vorratsbehälters verteilter Füllstandssensoren zu messen. Da hierbei die Füllstandssensoren die Drehbewegung mitvollziehen, muss die Messinformation über Schleifkontakte an eine zentrale Steuerung übermittelt werden.
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Mehrere Schleifkontakte sind wegen deren Verschleißanfälligkeit problematisch. Außerdem benötigen mehrere Füllstandssensoren eine entsprechende Anzahl von Anschlüssen an die zentrale Steuerung, die meist als SPS (speicherprogrammierbare Steuerung) ausgeführt ist und bei der die Anzahl notwendiger Anschlüsse erneut zu höheren Kosten führt.
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Aus diesen Gründen ist wünschenswert, die Messinformationen vorab zu konsolidieren und dann gebündelt über einen einzigen Schleifkontakt auszugeben. Dafür sind übliche Füllstandssensoren aber nicht ausgebildet. In einer herkömmlichen Konfiguration werden mehrere Füllstandssensoren, die auf Reed-Kontakten basieren, in Reihe geschaltet. Der kumulierte, von den lokalen Füllständen abhängige Widerstand wird von einem Zusatzgerät in einen äquivalenten Stromwert umgesetzt und so mittels des Schleifkontakts übertragen. Man braucht dabei nicht nur ein Zusatzgerät, sondern dieses Zusatzgerät muss zudem noch an die konkrete Konfiguration angepasst werden, insbesondere die Anzahl beteiligter Sensoren. Das ganze System ist fehleranfällig und unflexibel. Wird die Reihenschaltung unterbrochen, etwa weil einer der Sensoren ausfällt, so wird kein sinnvoller Messwert mehr erzeugt. Es gibt keinerlei Informationen über die Verteilung der einzelnen Messwerte oder über den Status der beteiligten Sensoren.
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Aus der
US 2004/0052450 A1 ist eine optische Ringarchitektur bekannt. Dabei werden Sensoren, beispielsweise Kameras, mit Mikroprozessoren ausgestattet, die untereinander über bidirektionale Lichtleitfasern verbunden werden, um einen Kommunikationsring zu bilden.
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Die
DE 198 03 686 A1 beschreibt eine Kommunikation gleichberechtigter Stationen eines ringförmigen, seriellen Lichtwellenleiter-Busses. Darüber können Prozessdaten schnell und streng zeitzyklisch ausgetauscht werden.
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In der
DE 40 25 025 A1 wird ein synchronisiertes, rechnergestütztes digitales Messsystem mit mehreren verteilten Messstellen offenbart. Darin sendet ein Hauptknoten Synchronisierungsnachrichten an eine Mehrzahl von Nebenknoten, die durch Übertragungsstrecken zu einem Ring zusammengeschaltet sind.
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Es ist daher Aufgabe der Erfindung, einen Füllstand bei lokal unterschiedlichem Pegel zu bestimmen.
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Diese Aufgabe wird durch einen Füllstandssensor gemäß Anspruch 1 gelöst. Dabei geht die Erfindung von dem Grundgedanken aus, den Füllstandssensor für eine Kommunikation im Ring mit anderen Füllstandssensoren auszurüsten. Der Füllstandssensor misst wie jeder in dem Ring beteiligte Füllstandssensor einen eigenen Einzelfüllstandsmesswert, und diese Einzelfüllstandsmesswerte werden dann über den Ring zwischen den teilnehmenden Füllstandssensoren ausgetauscht, indem Datenpakete von einem Vorgänger in dem Ring empfangen und an einen Nachfolger in dem Ring weitergereicht werden. Der Füllstandssensor entnimmt dem Datenpaket jeweils einen oder mehrere Einzelfüllstandsmesswerte sowie eine Quelleninformation, die der Identifikation des Ursprungs der Einzelfüllstandsmesswerte dient. Die Quelleninformation wird beispielsweise aus der Seriennummer des Füllstandssensors erzeugt. Aus den diversen Einzelfüllstandsmesswerten, die jeweils den lokalen Pegel des dort messenden Füllstandssensors enthalten, berechnet der Füllstandssensor einen Gesamtfüllstandsmesswert und stellt diesen an einem Gesamtfüllstandsausgang bereit. Der Gesamtfüllstandsmesswert ist beispielsweise der Mittelwert der Einzelfüllstandsmesswerte, wobei aber auch Gewichtungen denkbar sind, um bekannte Unregelmäßigkeiten der Oberfläche des zu messenden Mediums auszugleichen.
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Die Erfindung hat den Vorteil, dass aufgrund der einfachen Ringstruktur keine Notwendigkeit besteht, ein Konzept für die Nutzung eines gemeinsamen Übertragungsmediums zu implementieren. Dadurch bleibt die Kommunikation sehr einfach und kann besonders kostengünstig umgesetzt werden.
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Es ist erfindungsgemäß zwar denkbar, aber nicht zwingend erforderlich, dass ein Füllstandssensor in dem Ring die Rolle eines Kommunikationsmasters wie bei einem Bus übernimmt. Stattdessen wird vorzugsweise ein Kommunikationsring gleichberechtigter Teilnehmer (peer-to-peer) mit Punkt-zu-Punkt-Kommunikation aufgebaut. Jeder teilnehmende Füllstandssensor sammelt während des Betriebs fortlaufend alle erreichbaren Einzelfüllstandsmesswerte, berechnet den Gesamtfüllstandsmesswert und legt diesen an seinem Gesamtfüllstandsausgang bereit. Aus Sicht der teilnehmenden Füllstandssensoren spielt keine Rolle, ob ein Gesamtfüllstandsausgang überhaupt angeschlossen ist und welcher Füllstandssensor gegebenenfalls dafür ausgewählt wurde. Die Füllstandssensoren sind damit untereinander völlig gleichartig und austauschbar, und die Variantenvielfalt reduziert sich. Es entfällt jegliche Parametrierung der Füllstandssensoren, unabhängig von der Anzahl, der Position oder der Rolle in dem Ringverbund. Das System ist skalierbar und erlaubt flexible Anpassungen an die konkrete Anwendung, ohne dass anlagenseitig etwas geändert werden muss. Der Ringverbund verhält sich nach außen wie ein einziger Sensor. Es fällt in dem Steuerungsrechner trotz der mehreren teilnehmenden Füllstandssensoren kein zusätzlicher Rechen- oder Verarbeitungsaufwand an.
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Die Kommunikationseinheit ist bevorzugt dafür ausgebildet, anhand der empfangenen Datenpakete eine dynamische Liste aller an der Kommunikation teilnehmenden Füllstandssensoren aufzubauen und in der Liste jeweils zu jedem teilnehmenden Füllstandssensor dessen aktuellen Einzelfüllstandsmesswert zu speichern. Der Füllstandssensor braucht also keinerlei Vorab-Information über die Teilnehmer in dem Ringverbund. Die relevanten Informationen, wie Anzahl und Identität der Teilnehmer, deren Status und aktueller Messwert und dergleichen, werden unter gleichberechtigten Teilnehmern sukzessiv als dynamische Liste (Dictionary) aus den empfangenen Datenpaketen gewonnen. Damit wird der Einrichtungsaufwand erheblich reduziert.
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Die Kommunikationseinheit ist bevorzugt dafür ausgebildet, die dynamische Liste dadurch aufzubauen und aktuell zu halten, dass bei Empfang eines ersten Datenpakets mit einer Quelleninformation eines bisher unbekannten Teilnehmers ein neuer Eintrag in der Liste angelegt und bei Empfang weitere Datenpakete mit Quelleninformationen bereits bekannter Teilnehmer der vorhandene Eintrag mit dem aktuellen Einzelfüllstandsmesswert überschrieben wird. So werden Datenpakete unabhängig davon richtig verarbeitet, ob der das Datenpaket sendende Teilnehmer bisher bekannt war oder nicht. Der Ringverbund organisiert sich selbst.
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Die Kommunikationseinheit ist vorzugsweise dafür ausgebildet, die dynamische Liste in einem Datenpaket auszugeben und zu empfangen. Statt in einem Datenpaket nur den aktuellen Einzelmesswert des jeweils sendenden Füllstandssensors unterzubringen, werden in dieser bevorzugten Weiterbildung die Teile der dynamischen Listen oder sogar die gesamten dynamischen Listen ausgetauscht. Jeder Teilnehmer füttert damit die Kommunikation innerhalb des Ringverbunds mit zusätzlichen oder sogar allen ihm verfügbaren aktuellen Informationen über den ganzen Ringverbund. Eine mögliche Implementierung ist, dass stets nur ein einziges Datenpaket kreist, in dem jeder teilnehmende Füllstandssensor bei der Weitergabe Aktualisierungen vornimmt und aus dem sich jeder teilnehmende Füllstandssensor für die von ihm benötigten Informationen bedient.
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Das Datenpaket enthält bevorzugt einen Zeitstempel, wobei die Kommunikationseinheit dafür ausgebildet ist, die Zeitstempel bekannter und empfangener Einzelfüllstandsmesswerte zu vergleichen und jeweils nur die neuesten Einzelfüllstandsmesswerte zu verarbeiten. Anhand des Zeitstempels wird erkannt, wie aktuell ein Einzelfüllstandsmesswert ist. Möglicherweise standen dem Füllstandssensor schon von früheren Datenpaketen aktuellere Informationen zur Verfügung.
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Die Kommunikationseinheit ist bevorzugt dafür ausgebildet, Datenpakete mit einem Zeitstempel ab einem vorgegebenen Alter nicht mehr weiterzugeben. Damit wird verhindert, dass ein Datenpaket unnötige Kommunikationskapazitäten blockiert, obwohl dessen Informationen schon veraltet sind.
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Die Kommunikationseinheit ist bevorzugt dafür ausgebildet, ein wiederholt empfangenes Datenpaket nicht mehr weiterzugeben. Wenn ein Datenpaket ein zweites Mal empfangen wird, hat es jeden Teilnehmer in dem Ring bereits passiert, so dass dieses Datenpaket an keiner Stelle noch einen Informationsgewinn verspricht.
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Die Kommunikationseinheit ist bevorzugt dafür ausgebildet, ein empfangenes Datenpaket nicht mehr weiterzugeben, wenn es die Quelleninformation des eigenen Füllstandssensors enthält. Dies stellt prinzipiell einen Spezialfall eines bereits bekannten Datenpakets dar. Solange jeder Teilnehmer zuverlässig dafür sorgt, dass die eigenen Datenpakete nur einmal durch den Ringverbund kreisen, sind die in den vorherigen Absätzen beschriebenen Maßnahmen deshalb überflüssig. Sie dienen aber einer redundanten Absicherung gegen unnötige Kommunikation. Der Füllstandssensor kann den Zeitschlitz für die nicht mehr erfolgte Weitergabe nutzen, ein neues, eigenes Datenpaket mit einem aktuellen Einzelfüllstandsmesswert zu generieren und in den Ringverbund auszugeben.
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Die Kommunikationseinheit ist bevorzugt dafür ausgebildet, Datenpakete auszugeben und zu empfangen, die zusätzliche Diagnosedaten enthalten. Zusätzlich zu dem Einzelfüllstandsmesswert werden dabei beispielsweise Ausfallmeldungen, Fehlermeldungen, Wartungsanforderungen oder Prüfsummen für die Integrität des Datenpakets ausgetauscht. Die Teilnehmer kennen dann nicht nur die diversen Einzelfüllstandsmesswerte, sondern auch die Status der übrigen Teilnehmer.
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Die Kommunikationseinheit ist bevorzugt dafür ausgebildet, zyklisch ein eigenes Datenpaket mit einem aktuellen Einzelfüllstandsmesswert des eigenen Sensors zu erzeugen und auszugeben. Beispielsweise wird alle 50 ms ein Datenpaket ausgegeben. Der Zyklus kann angepasst werden, um die Lücken zwischen den empfangenen und weiterzugebenden Datenpaketen für die Ausgabe neuer, eigener Datenpakete auszunutzen.
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Die Kommunikationseinheit ist bevorzugt dafür ausgebildet, empfangene Datenpakete rasch weiterzugeben. Damit wird eine schnelle Kommunikation über den Ringverbund und somit eine kurze Ansprechzeit für die Erzeugung eines Gesamtfüllstandsmesswerts erreicht. Datenpakete können in wenigen Millisekunden und jedenfalls unterhalb von zehn Millisekunden weitergegeben werden.
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Der Kommunikationseingang und der Kommunikationsausgang ist bevorzugt von den voneinander getrennten Kommunikationsleitungen eines IO-Link-Anschlusses gebildet.
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Der IO-Link ist an sich für eine bidirektionale Kommunikation ausgelegt und wird in dieser vorteilhaften Weiterbildung aufgetrennt. Die eingehende Kommunikationsverbindung des zuvor bidirektionalen Anschlusses wird mit einem Vorgänger-Füllstandssensor, die ausgehende Kommunikationsverbindung mit einem Nachfolger-Füllstandssensor verbunden. Damit kann die Ringkommunikation sehr einfach auf Basis eines bereits zuvor vorgesehenen IO-Link-Anschlusses realisiert werden. Die Teilnehmer arbeiten dabei zugleich als Repeater, so dass Reichweitenbegrenzungen des IO-Link-Protokolls von beispielsweise höchstens 20 m nicht mehr für den Ringverbund als Ganzen, sondern allenfalls noch den Abstand zwischen zwei teilnehmenden Füllstandssensoren gelten.
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Alternativ sind der Kommunikationseingang und der Kommunikationsausgang an eine gemeinsame Busleitung angeschlossen. Dadurch entsteht ein klassischer Ringbus. Dies ermöglicht ebenfalls die notwendige Kommunikation, erfordert aber vergleichsweise mehr Aufwand.
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Der Gesamtfüllstandsausgang ist bevorzugt ein Analogausgang, insbesondere ein 4–20 mA-Ausgang. Damit ist der gesamte Ringverbund, der über den Gesamtfüllstandsausgang eines teilnehmenden Füllstandssensors angeschlossen ist, abwärtskompatibel zu einem einzelnen Füllstandssensor, der seinen Messwert an einem entsprechenden Analogausgang bereitstellt.
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Bevorzugt weist der Füllstandssensor einen Diagnoseausgang zur Ausgabe einer Diagnoseinformation über einen Ringverbund auf, an dem der Füllstandssensor teilnimmt. Damit können über den Gesamtfüllstandswert hinaus auch Status- und sonstige Informationen der Teilnehmer ausgegeben werden. Als Diagnoseausgang dient der vorhandene Gesamtfüllstandsausgang oder ein eigener, insbesondere digitaler Ausgang.
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Die Sensoreinheit weist bevorzugt einen Sender und einen Empfänger zum Aussenden und Empfangen eines elektromagnetischen Signals auf, insbesondere eines Mikrowellensignals, wobei die Auswertungseinheit dafür ausgebildet ist, den Einzelfüllstandsmesswert anhand einer Laufzeit des elektromagnetischen Signals bis zu einer Grenzfläche eines in dem Behälter befindlichen Mediums zu bestimmen. Derartige Radar- und TDR-Sensoren liefern besonders präzise und robuste Einzelfüllstandsmesswerte.
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In vorteilhafter Weiterbildung ist ein Ringverbund mehrerer erfindungsgemäßer Füllstandssensoren vorgesehen, die jeweils über ihren Kommunikationseingang mit dem Kommunikationsausgang des Vorgängers und über ihren Kommunikationsausgang mit dem Kommunikationseingang des Nachfolgers ringförmig verbunden sind, wobei der Gesamtfüllstandsausgang mindestens eines Füllstandssensors mit einer übergeordneten Steuerung zum Auslesen des Gesamtfüllstandsmesswerts verbunden ist. Dieser Ringverbund bestimmt den Füllstand an mehreren Stellen als Einzelfüllstandsmesswert der teilnehmenden Füllstandssensoren, sammelt die einzelnen Messwerte mittels Kommunikation in dem Ringverbund, und gibt einen daraus berechneten Gesamtfüllstandsmesswert an eine übergeordnete Steuerung aus, etwa eine Anlagensteuerung, ein Messgerät oder eine Anzeige.
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Der Ringverbund ist bevorzugt an einem bewegten Behälter montiert, der Teil einer Abfüllanlage ist, wobei der Behälter insbesondere eine Drehbewegung ausführt, und wobei der Gesamtfüllstandsausgang über einen Schleifkontakt mit der nicht mitbewegten übergeordneten Steuerung verbunden ist. Das Messmedium in einem solchen Behälter ist unruhig und daher durch eine lokale, punktuelle Messung meist kein aussagekräftiger Füllstand bestimmbar. Der erfindungsgemäße Ringverbund ermöglicht dennoch eine robuste und genaue Messung des gesamten Füllstands durch Zusammenführung mehrerer Einzelmesswerte.
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In einer alternativen Ausgestaltung zu einer selbstorganisierten Kommunikationsstruktur gleichberechtigter Teilnehmer erkennt derjenige Füllstandssensor, dessen Gesamtfüllstandsausgang mit der übergeordneten Steuerung verbunden ist, diese Verbindung bevorzugt selbsttätig und nimmt daraufhin die Rolle eines Kommunikationsmasters ein, wobei die übrigen Füllstandssensoren die Rolle von Kommunikationsslaves einnehmen.
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Die Erfindung wird nachstehend auch hinsichtlich weiterer Vorteile und Merkmale unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung anhand von Ausführungsbeispielen erläutert. Die Figuren der Zeichnung zeigen in:
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1 eine schematische Schnittdarstellung einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Füllstandssensors; und
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2 eine schematische Blockdarstellung eines Ringverbundes von mehreren Füllstandssensoren gemäß 1 an einem torusförmigen Vorratsbehälter.
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1 zeigt eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Füllstandssensors 10. Der beispielhaft gezeigte Füllstandssensor 10 arbeitet nach dem TDR-Prinzip. Ebenso sind aber auch andere an sich bekannte Messprinzipien zur Bestimmung eines Füllstands denkbar, von denen einleitend einige genannt wurden.
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Der Füllstandssensor 10 weist eine Sonde 12, die in das Messmedium getaucht wird, und einen Sensorkopf 14 mit der erforderlichen Elektronik auf. An die Sonde 12 ist ein Sender 16 zum Einkoppeln von Mikrowellenpulsen sowie ein Empfänger 18 zum Empfangen von Signalen der Sonde 12 und Umwandeln in ein elektronisches Signal angeschlossen. Eine Auswertungseinheit 20 steuert den Sender 16 und bestimmt die Signallaufzeit zwischen dem Absenden eines Mikrowellenpulses und dem Empfang eines Empfangspulses von einer Grenzfläche des zu messenden Mediums. Daraus wird über die Lichtgeschwindigkeit ein Messwert für den Füllstand des Mediums abgeleitet. Weitere Elektronik, wie Verstärker oder Sendersteuerungen, ist in 1 zur Vereinfachung weggelassen.
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Eine Kommunikationseinheit 22 ist mit der Auswertungseinheit 20 sowie mit einem Kommunikationseingang 24 und einem Kommunikationsausgang 26 verbunden. Über die Kommunikationsanschlüsse 24, 26 werden Datenpakete von anderen Füllstandssensoren empfangen und an andere Füllstandssensoren weitergeleitet. Vorzugsweise sind die Kommunikationsanschlüsse 24, 26 dadurch realisiert, dass ein standardisierter IO-Link-Port aufgetrennt wird, so dass ein Pin als Kommunikationseingang 24 und der andere Pin als Kommunikationsausgang 26 benutzt wird. Damit wird die IO-Link-Physik eingesetzt, um die OSI-Schicht 1 zu realisieren, und somit finden standardisierte Ausgangstreiber für die Erzeugung der binären Signale zum Datenaustausch Verwendung. Um die Störsicherheit der Übertragung zu verbessern, können zum Senden Push/Pull-Stufen verwendet werden.
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Die Auswertungseinheit berechnet mit Hilfe der Informationen aus den Datenpaketen und ihres eigenen Messwerts einen Gesamtmesswert und gibt diesen an einem Ausgang 28 aus, der vorzugsweise als 4-20 mA Analogausgang ausgebildet ist. Ein weiterer Ausgang 30, insbesondere ein Digitalausgang, kann vorgesehen sein, um Diagnosedaten auszugeben.
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2 zeigt einen Ringverbund von mehreren, hier beispielhaft vier Füllstandssensoren 10a–d, die verteilt an einem torusförmigen Vorratsbehälter 32 einer Abfüllanlage angebracht sind. Der Vorratsbehälter 32 befindet sich in Rotationsbewegung. Deshalb entsteht aufgrund von Wellenbewegungen und dergleichen eine unruhige Oberfläche der Flüssigkeit in dem Vorratsbehälter 32, die zudem aufgrund der Zentrifugalkräfte nach außen gedrängt wird. Wegen dieser Dynamik lässt sich der Füllstand in dem Vorratsbehälter 32 mit einer Punktmessung nicht zuverlässig bestimmen, sondern es werden mehrere lokale Messungen der Füllstandssensoren 10a–d zusammengeführt.
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Die Füllstandssensoren 10a–d sind an dem Vorratsbehälter 32 montiert und vollziehen demnach die Drehbewegung mit. Untereinander sind die Füllstandssensoren 10a–d jeweils von Kommunikationsausgang 26 zu Kommunikationseingang 24 zu einem Ringverbund zusammengeschlossen. Der Ausgang 28 eines der Füllstandssensoren 10d ist über einen nur grob angedeuteten Schleifkontakt an eine übergeordnete Steuerung angeschlossen.
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Die Füllstandssensoren 10a–d kommunizieren über den Ringverbund mit Hilfe von Datenpaketen 36. Jeder teilnehmende Füllstandssensor 10a–d erzeugt Datenpakete 36, die zumindest eine Quelleninformation und eine Messinformation enthalten. Beispielsweise enthält jedes Datenpaket 36 eine Paketkennung, Prozessdaten und eine Prüfsumme. Die Paketkennung ist so ausgestaltet, dass das Datenpaket 36 eindeutig dem sendenden Füllstandssensor 10a zugeordnet werden kann. Dazu wird beispielsweise eine eindeutige Seriennummer der Füllstandssensoren 10a–d verwendet. Weiterhin kann die Paketkennung eine laufende Nummer enthalten, die das Datenpaket 36 identifiziert.
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Die Prozessdaten umfassen in erster Linie einen Füllstandswert. Dabei handelt es sich um den selbst gemessenen Füllstandswert, optional aber auch bekannte weitere Füllstandswerte von anderen teilnehmenden Füllstandssensoren 10a–d. Außerdem können mit dem Datenpaket 36 zusätzliche Informationen, wie Fehlerzustände oder Warnungen übertragen werden.
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Die Prüfsumme stellt einen datenpaketspezifischen Wert dar, mit dem die Konsistenz des Datenpakets 36 überprüft oder ein korruptes Datenpaket 36 repariert werden kann. Möglichkeiten der Prüfsumme sind CRC-Prüfungen oder andere Prüfsummen, die beispielsweise aus einer logischen Verknüpfung der einzelnen Bits des Datenpakets 36 entstehen. Die einzelnen Bytes des Datenpakets 36 können mit einem Paritätsbit abgesichert werden.
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Um eine eindeutige Synchronisation zwischen den teilnehmenden Füllstandssensoren 10a–d herzustellen, kann es sinnvoll sein, das Gesamtpaket mit einer Start- und Endkennung zu versehen, die eindeutig ist und im Datenstrom der variablen Daten nicht vorkommen kann. Eine Synchronisation kann wegen der asynchron arbeitenden teilnehmenden Füllstandssensoren 10a–d erforderlich werden. Beispielsweise könnte ein Füllstandssensor 10a–d einen Reset erfahren, oder die Füllstandssensoren 10a–d erwachen zu unterschiedlichen Zeitpunkten aus einem Reset, und ein Füllstandssensor 10a–d empfängt deshalb nur einen Teil eines Datenpakets 36. Weiterhin können sehr starke Störungen auf den Kommunikationsleitungen dazu führen, dass eine scheinbare Start-Bedingung eines Bytes ausgelöst wird.
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Jeder Füllstandssensor 10a–d sendet eigene Datenpakete 36 mit dem zuletzt gemessenen Füllstandswert, beispielsweise zyklisch alle 50 ms. Darüber hinaus werden empfangene Datenpakete 36 ausgewertet und rasch, innerhalb von wenigen Millisekunden weitergeleitet. Das Datenpaket 36 wird auf Konsistenz geprüft und, soweit erforderlich und möglich, mit Hilfe der Prüfsumme korrigiert. Korrupte Datenpakete 36 werden verworfen.
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Mit dieser Kommunikation sind je nach Anzahl teilnehmender Füllstandssensoren 10a–d Gesamtzykluszeiten, in denen also alle erforderlichen Informationen über den Ringverbund aktualisiert wurden, von einigen 100 ms oder noch weniger realisierbar. Dies führt zu Ansprechzeiten für aktualisierte Gesamtfüllstandsmesswerte an dem Ausgang 28 in ähnlicher Größenordnung.
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Empfängt ein Füllstandssensor 10a–d ein eigenes Datenpaket 36, so hat es den Ringverbund einmal vollständig passiert und wird deshalb nicht mehr weitergegeben. Das gleiche gilt vorzugsweise für jedes bereits bekannte Datenpaket 36 gleich welchen Ursprungs. Wird nämlich beispielsweise die Paketkennung aufgrund von Übertragungsfehlern verändert, erkennt kein Füllstandssensor 10a–d das Datenpaket 36 noch als sein eigenes. Nochmals eine weitere Alternative, um die Ringkommunikation von nicht mehr benötigten Datenpaketen 36 zu befreien, ist ein Zeitstempel für jedes Datenpaket 36, wobei Datenpakete mit einem gewissen Alter nicht mehr weitergegeben werden.
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Jeder Füllstandssensor 10a–d führt eine dynamische Liste, in der die übrigen teilnehmenden Füllstandssensoren 10a–d aufgeführt sind. Zu jedem Füllstandssensor 10a–d wird von der Auswertungseinheit 20 dessen gemessener Füllstandswert und etwaige weitere Zustandsdaten gespeichert, die das Datenpaket 36 enthält. Diese Liste wird jeweils um einen Eintrag erweitert, wenn ein Datenpaket 36 eines bisher unbekannten Teilnehmers empfangen wird. Datenpakete 36 eines bereits bekannten Teilnehmers werden genutzt, um dessen Informationen und insbesondere dessen Füllstandsmesswert zu aktualisieren. Jeder Füllstandssensor 10a–d hat somit die vollständige Information über die anderen Teilnehmer, deren Messwerte und deren Status.
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Die Auswertungseinheit 20 in jedem Füllstandssensor 10a–d berechnet aus den Füllstandsmesswerten einen Gesamtfüllstand in dem Vorratsbehälter 32, beispielsweise durch einfache oder gewichtete Mittelwertbildung. Diverse Filter, etwa um unterschiedliche Behältergeometrien, Ab- und Zuläufe, Sensortypen, Sondenlängen und ähnliches zu erfassen, können sowohl individuell in jedem Füllstandssensor 10a–d vor Absenden eines Datenpakets 36 als auch während der Mittelwertbildung angewandt werden. Beispielsweise ist bei einer Abfüllanlage bekannt, dass im Bereich der Abflüsse des Abfüllrings ein niedrigerer, von der Abfüllgeschwindigkeit abhängiger Füllstandswert gemessen wird, und dies kann ein Filter ausgleichen.
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Der Ringverbund ist in der Lage, trotz verschiedener auftretender Fehler zumindest noch einen Gesamtfüllstand geringerer Genauigkeit auszugeben. Wenn beispielsweise der Ring an einer Stelle unterbrochen ist, kann das noch verbundene Ringsegment weiterarbeiten. Jeder Füllstandssensor 10a–d sendet deshalb vorzugsweise seine Datenpakete 36 auch dann, wenn er selbst nichts mehr empfängt. Dann besteht die Chance, dass bei dem mit der übergeordneten Steuerung verbundenen Füllstandssensor 10d noch Datenpakete 36 ankommen. Selbst wenn bei diesem Füllstandssensor 10d gar keine Datenpakete 36 mehr ankommen, kann zumindest noch ein Füllstand aufgrund der eigenen Messung an dem Ausgang 28 ausgegeben werden. Damit bleibt die Anlage betriebsfähig, wenn auch mit verringerter Prozessgüte.
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Werden von einem Füllstandssensor 10a–d nur noch korrupte Datenpakete 36 empfangen, so kann dieser Füllstandssensor 10a–d in der dynamischen Liste inaktiv gesetzt und der Mittelwert dennoch aus den übrigen Messwerten gebildet werden.
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Derartige Fehlerzustände können auf dem Diagnoseausgang 30 an die übergeordnete Steuerung gemeldet werden. Diese weiß dann, dass die Messfunktion nur noch eingeschränkt oder gar nicht mehr zur Verfügung steht. Ein entsprechendes Fehlersignal kann auch über den Ausgang 28 ausgegeben werden, etwa als Fail-high oder Fail-low. Das System ermöglicht durch den eingeschränkten Betrieb eine erhöhte Verfügbarkeit der Anlage. Erforderliche Reparaturen können in ohnehin vorgesehene Wartungszeiten verlagert werden. Ist gar kein Betrieb mehr möglich, so wird dies sofort entsprechend gemeldet.
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Ist ein zusätzlicher digitaler Diagnoseausgang 30 vorgesehen, so wird dessen Kommunikationsleitung üblicherweise in einem Kabel mit dem Analoganschluss an den Ausgang 28 verlegt. Dann sollte die Bitdarstellung beziehungsweise Modulation so gestaltet werden, dass die durch kapazitive Einkopplung von der digitalen Kommunikationsleitung auf die Analogleitung verursachten Störungen im Mittel verschwinden. Auch sollte die Flankensteilheit der digitalen Treiber so gering wie möglich sein.
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Alternativ zu der bisher beschriebenen Ringkommunikation unter gleichberechtigten Teilnehmern könnte auch einer der Füllstandssensoren 10a–d zum Master werden. Die Masterrolle übernimmt vorzugsweise derjenige Füllstandssensor 10d, der an der Impedanz an seinem Ausgang 28 erkennt, dass eine Verbindung zu einer übergeordneten Steuerung besteht. Nochmals alternativ kann anstelle der Verbindung über eine getrennte IO-Link-Schnittstelle eine gemeinsame Busleitung verwendet werden, um die Füllstandssensoren 10a–d miteinander zu einem Ring zu verbinden.
