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Die Erfindung betrifft einen Füllstandsensor zum Bestimmen eines Füllstands eines Mediums in einem Behälter nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.
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Füllstandsensoren lassen sich in kontinuierliche Füllstandsensoren und Grenzstandwächter klassifizieren. Kontinuierliche Füllstandsensoren liefern einen kontinuierlichen Messwert der Füllhöhe oder Füllmenge, während Grenzstandwächter praktisch schaltend arbeiten und punktuell überwachen, ob ein bestimmter Füllstand überschritten ist oder nicht.
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Ein bekanntes Verfahren zur kontinuierlichen Füllstandmessung beruht darauf, ein elektromagnetisches Signal in den Behälter mit dem zu vermessenden Füllstand zu senden und das reflektierte Signal auszuwerten. Ein Radarfüllstandsensor strahlt das Signal dazu frei ab. Wegen der unkontrollierten Wellenausbreitung wird 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. Der Unterschied zum Radar besteht darin, dass die elektromagnetischen Wellen nicht ins Freie abgestrahlt, sondern entlang eines Leiters geführt werden. Der Leiter ist als Monosonde oder Koaxialsonde ausgebildet, welche senkrecht oder schräg in den Tank eingeführt wird und möglichst dicht bis zum Boden reicht, um den vollen Messbereich abzudecken. Andere kontinuierliche Messverfahren arbeiten mit Ultraschall, kapazitiv und nach noch anderen Prinzipien.
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Für eine zuverlässige Grenzstanddetektion sind unter anderem Schwinggabelsensoren, kapazitive Grenzstandwächter oder konduktive Sensoren verbreitet. Solche Sensoren ergänzen in anspruchsvollen Anwendungen die kontinuierliche Füllstandmessung, insbesondere um eine Überfüllung oder ein Leerlaufen des Behälters sicher zu erkennen und kritische Zustände des Prozesses zu vermeiden.
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An sich erkennt natürlich auch der kontinuierliche Füllstandsensor einen niedrigen oder hohen Füllstand. Allerdings kann dessen Messverhalten durch Effekte wie starke Schaum- und Belagsbildung, Staubentwicklung oder Anbackungen im Bereich des Prozessanschlusses beeinträchtigt werden. Zudem hat ein kontinuierlicher Füllstandsensor gerade an den Rändern seines Messintervalls oft Totzonen. Es ist denkbar, den kontinuierlichen Füllstandsensor auf nichtideale Verhältnisse zu optimieren, etwa durch Schaummessverfahren oder dynamische Störausblendungen. Das funktioniert aber regelmäßig nur nach individueller Kalibrierung im Feld, die nicht unbedingt robust gegen Änderungen im Betrieb ist, und birgt das Risiko von Fehlmessungen, beispielsweise weil das Messsignal fehlerhaft als Störung klassifiziert und unterdrückt wird.
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Um trotz solcher Störfaktoren eine zuverlässige Messung zu gewährleisten, kann beispielsweise der kontinuierliche messende Füllstandsensor, anhand dessen der Prozess gesteuert beziehungsweise geregelt wird, von Grenzstandwächtern unterstützt werden. Mit zwei Grenzstandwächtern wird Überfüllen und Trockenlauf erkannt. Auf deren Signal hin erfolgt eine Notabschaltung, um die Anlage vor Schaden zu bewahren. Zwei weitere Grenzstandwächter können zur Überwachung von Warngrenzen eingesetzt werden, um frühzeitig die drohende Gefahr zu erkennen. Bei einer fehlerhaften Information des kontinuierlich messenden Füllstandsensors wird dann die Anlage möglichst gar nicht erst bis zum Ansprechen der Notabschaltung betrieben. Der Prozess kann dann, unter Umständen auf Kosten einer schlechteren Regelqualität, weiter fortgeführt werden, um eine Produktionsunterbrechung zu vermeiden.
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Nachteilig an einer solchen Konfiguration ist, dass der Anlagenbauer mit entsprechendem Aufwand ein komplexes System integrieren muss. Die übergeordnete Steuerung muss die zahlreichen Signale der beteiligten Sensoren auswerten. Dies erfordert entsprechend viele Eingangssignale an der Steuerung und die Verdrahtung der Signale bis zu der Steuerung. Außerdem wird die Programmierung der Steuerung komplexer, die mit diesen Eingangssignalen umgehen muss.
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Deshalb ist Aufgabe der Erfindung, eine zuverlässige Füllstandmessung mit einfacheren Mitteln zu erreichen.
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Diese Aufgabe wird durch einen Füllstandsensor zum Bestimmen eines Füllstands eines Mediums in einem Behälter nach Anspruch 1 gelöst. Der Füllstandsensor, der auch als Master-Sensor bezeichnet wird, bestimmt zunächst mit Hilfe seines Sensorelements einen eigenen, ersten Messwert für den Füllstand. Die Erfindung geht dann von dem Grundgedanken aus, mindestens einen weiteren Füllstandsensor anzuschließen und dessen weiteren Messwert für den Füllstand zu empfangen. Die eigene Messung wird dann mit der fremden Messung verknüpft, und der entsprechend verbesserte Messwert für die Füllstandmessung aus beiden Quellen wird zu einem gemeinsamen Füllstandsignal verknüpft und so ausgegeben. Dabei muss der weitere Messwert nicht in Form eines Füllstands übertragen werden, sondern kann beispielsweise ein Schaltsignal sein, dass füllstandabhängig generiert wird.
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Die Erfindung hat den Vorteil, dass durch die Verknüpfung in dem Füllstandsensor der Anlage nur ein einziges, gemeinsames Sensorsignal zur Verfügung gestellt werden kann, mit dem die gemeinsame Messinformation, möglicherweise einschließlich kritischer Prozesszustände, zuverlässig übertragen wird. Aus Sicht der Anlage arbeitet der Verbund des Master-Sensors mit den weiteren Füllstandsensoren wie ein einziger Sensor. Es entsteht dort kein zusätzlicher Verdrahtungsaufwand, es werden keine weiteren Eingänge einer übergeordneten Steuerung und keine zusätzlichen Auswertungen benötigt.
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Der Füllstandsensor ist vorzugsweise ein kontinuierlich messender Füllstandsensor. Das kontinuierliche Messsignal reicht gewöhnlich über einen großen Bereich des Behälters oder den gesamten Behälter und ist für die Steuerung beziehungsweise Regelung der Anlage besonders geeignet, in welcher der Füllstandsensor montiert ist. Dazu ist bevorzugt auch das ausgegebene Füllstandsignal kontinuierlich. Für eine kontinuierliche Füllstandmessung kommen alle bekannten Verfahren in Betracht, vorzugsweise eine kapazitive Messung, eine Radar-, TDR- oder Ultraschallmessung.
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Der weitere Füllstandsensor ist bevorzugt ein Grenzstandwächter und der weitere Messwert ein punktueller Füllstandwert. Die Messung des Grenzstandwächters ist unterstützend für besonders kritische Füllstände gedacht, etwa ein maximaler und/oder minimaler Füllstand zur zuverlässigen Überwachung auf Überfüllen beziehungsweise Leerlaufen des Behälters.
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Der Ausgang ist vorzugsweise ein 4..20mA-Ausgang. Das Füllstandsignal ist dementsprechend ein analoges 4...20mA-Signal, das kontinuierlich den zu messenden Füllstandbereich repräsentiert. Ein solches Signal wird im Bereich der Füllstandmessung häufig verwendet, so dass die Anlage in der praktischen Verarbeitung nichts davon merkt, dass das erfindungsgemäße Füllstandsignal Informationen aus den Messungen mehrerer Füllstandsensoren enthält. Einige denkbare andere Signalarten sind ein analoges 0–10V-Signal oder ein digitales Füllstandsignal.
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Das Füllstandsignal umfasst bevorzugt Füllstände eines größeren Bereichs als das Messsignal. Der Messbereich wird also durch die weiteren Messwerte der weiteren Füllstandsensoren gegenüber dem originären Messbereich des Master-Sensors erweitert. Alternativ messen die weiteren Füllstandsensoren überlappend zu dem Master-Sensor, um kritische Füllstände innerhalb des eigenen Messbereichs des Master-Sensors auch unter widrigen Messbedingungen durch Redundanz oder ein diversitäres Sensorprinzip zuverlässig zu erfassen.
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Die Auswertungseinheit ist bevorzugt dafür ausgebildet, den ersten Messwert und die weiteren Messwerte auf Plausibilität zu prüfen und bei Aufdeckung einer Inkonsistenz mit dem Füllstandsignal eine Fehlermeldung auszugeben. Beispielsweise misst der Master-Füllstandsensor selbst noch einen endlichen Füllstand und bekommt eine Leermeldung von einem weiteren Füllstandsensor, oder es erfolgt eine Leermeldung und gleichzeitig meldet ein darüber liegender Füllstandsensor noch eine Bedeckung mit dem Medium. Das sind Situationen, die physikalisch nicht möglich sind und die auf Fehlfunktion mindestens eines beteiligten Füllstandsensors schließen lassen. Der Fehler kann der Anlage insbesondere in einem 4...20mA-Signal als Fail-Low oder Fail-High mit Werten von beispielsweise 3.5 mA oder 21.5 mA außerhalb des eigentlichen Wertebereichs angezeigt werden.
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Die Auswertungseinheit ist bevorzugt dafür ausgebildet, in Abhängigkeit der weiteren Messwerte eine Kalibrierung vorzunehmen. Bekannte Kalibrierungen sind eine Leermessung bei leerem Behälter oder ein Mediumsabgleich bei einem Füllstandmessverfahren, das von dem zu vermessenden Medium abhängt. Diese Kalibrierungen können nur in speziellen Füllstandsituationen vorgenommen werden, etwa wenn der Behälter leer ist, so dass die Meldung einer solchen Füllstandsituation durch einen weiteren Füllstandsensor als Auslöser für eine Erst- oder eine dynamische Rekalibrierung im Betrieb genutzt werden kann.
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Der erfindungsgemäße Füllstandsensor wird bevorzugt als Masterfüllstandsensor in einem Füllstandsensorsystem mit mindestens einem weiteren Füllstandsensor eingesetzt, der an dem Eingang des Masterfüllstandsensors angeschlossen ist. Dabei kann die Verbindung direkt oder vorzugsweise über ein Verbindungselement erfolgen. Dieses Verbindungselement, etwa ein Klemmblock, bildet einen zu diesem Zweck geschaffenen dezentralen Verteiler oder nutzt ohnehin vorhandene Struktur aus, beispielsweise einen zentralen Schaltschrank für die übergeordnete Steuerung.
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Der Masterfüllstandsensor ist vorzugsweise ein kontinuierlich messender Füllstandsensor, wobei als weitere Füllstandsensoren mindestens ein erster Grenzstandwächter als Überfüllsicherung und ein zweiter Grenzstandwächter als Trockenlaufschutz an dem Eingang angeschlossen sind. Damit wird die einleitend genannte Beispielkonfiguration abgebildet, jedoch nur mit einem einzigen Ausgangssignal, welches die bereits verarbeitete gemeinsame Messinformation in einer Aufbereitung enthält, die in der Anlage keine Anpassungen mehr erforderlich macht. Ergänzend können zwei zusätzliche Grenzstandwächter an den Masterfüllstandsensor angeschlossen werden, um noch rechtzeitig vor Überfüllung oder Leerlaufen eine Warnung zu erzeugen.
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Die Erfindung wird nachstehend auch hinsichtlich weiterer Merkmale und Vorteile beispielhaft anhand von Ausführungsformen und unter Bezug auf die beigefügte Zeichnung näher erläutert. Die Abbildungen der Zeichnung zeigen in:
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1 eine schematische Darstellung eines Füllstandsensors mit Auswertung der Messwerte zweier daran angeschlossener Grenzstandwächter; und
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2 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform der Konfiguration gemäß 1 mit Verbindung der Grenzstandwächter über einen Verteiler.
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1 zeigt schematisch einen Füllstandsensor 10, der in einem Tank oder Behälter 12 mit einem Medium oder einer Flüssigkeit 14 angebracht ist. Die Funktion des Füllstandsensors ist, den Füllstand der Flüssigkeit 14 zu messen. Dies wird meist aus einer Entfernung zu der oberen Grenzfläche 16 der Flüssigkeit 14 abgeleitet. Aus der bekannten Anbringungslage des Füllstandsensors 10 kann dann der Füllstand und bei Bedarf anhand der Geometrie des Behälters 12 auch die Menge der Flüssigkeit 14 ermittelt werden. Dargestellt ist rein beispielhaft eine Messung über eine Sonde 18 nach dem TDR-Prinzip, aber der Füllstandsensor kann ebenso nach einem beliebigen anderen Messverfahren und insbesondere kapazitiv oder berührungslos mit Radar oder Ultraschall arbeiten. Ein Füllstandsensor 10 kann nicht nur für Flüssigkeiten, sondern prinzipiell beliebige Medien 14 eingesetzt werden, einschließlich Schüttgut oder Granulaten.
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Der Füllstandsensor 10 umfasst einen Sender/Empfänger 20, der mit der Sonde 18 verbunden ist und mit dieser zusammen ein Sensorelement bildet. Die Messung wird von einer Auswertungseinheit 22 gesteuert und ausgewertet, hier jedoch als bekannt vorausgesetzt und nicht näher beschrieben. Als Ergebnis der Messung steht in der Auswertungseinheit 22 ein kontinuierlicher Messwert des aktuellen Füllstands zur Verfügung.
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Der Füllstandsensor 10 weist außerdem einen Ausgang 24, um ein Füllstandsignal an eine nicht dargestellte Anlage oder übergeordnete Steuerung auszugeben sowie einen Eingang 26 auf, um Messwerte von weiteren Füllstandsensoren 28a–b zu empfangen. Diese weiteren Füllstandsensoren 28a–b sind hier beispielhaft als Grenzstandwächter in Form von Schwinggabeln ausgebildet und zur Überwachung eines hohen beziehungsweise niedrigen Füllstands oben und unten an dem Behälter 12 montiert. Nur ein weiterer Füllstandsensor oder mehr als zwei weitere Füllstandsensoren 28a–b sind auch möglich. Eine größere Anzahl weiterer Füllstandsensoren 28a–b kann dazu dienen, ein drohendes Überlaufen beziehungsweise Leerlaufen frühzeitig vor dem tatsächlichen Ereignis zu erkennen. Es ist auch möglich, mehrere Grenzstandwächter auf gleicher Höhe zu montieren, die untereinander unterschiedliche Messverfahren verwenden und daher zusammen besonders robust einen Füllstand überwachen. Die Signale werden dann durch eine „Oder“-Logik in fester Verdrahtung („wired-or“) oder in der Auswertungseinheit 22 zusammengefasst. Eine weitere Ausgestaltungsvariante ist, Ausgang 24 und Eingang 26 als etwas komplexere bidirektionale Schnittstelle zusammenzufassen.
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Die Auswertungseinheit 22 ist nun in der Lage, auch die Eingangssignale der weiteren Füllstandsensoren 28a–b auszuwerten. Aus diesen Eingangssignalen und der eigenen Sensorinformation wird ein kontinuierlicher gemeinsamer Messwert gebildet und ein entsprechendes gemeinsames Füllstandsignal an dem Ausgang 24 ausgegeben. Das gemeinsame Füllstandsignal enthält die Füllstände der weiteren Füllstandsensoren 28a–b entsprechend deren Einbauhöhe und damit überwachtem Grenzstand. Die weiteren Füllstandsensoren 28a–b haben ein anderes Messprinzip als der Füllstandsensor 10 und liefern daher ihren Beitrag zu dem gemeinsamen Füllstandsignal auch unter widrigen Messbedingungen, in denen das kontinuierliche Messsignal des Füllstandsensors 10 nicht bestimmt werden kann oder ungenau ist. Insbesondere können die weiteren Füllstandsensoren 28a–b auch Füllstände außerhalb des Messbereichs des Füllstandsensors 10 liefern, also in Totzonen oder außerhalb des Bereichs der Sonde 18 montiert sein.
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Wegen seiner Funktion als derjenige Sensor, welcher die Eingangssignale der weiteren Füllstandsensoren 28a–b empfängt, mit der eigenen Messung verknüpft und so als ein einziges Füllstandsignal weitergibt, wird der Füllstandsensor 10 auch als Master-Sensor bezeichnet. Dafür eignet sich der Füllstandsensor 10 besonders, weil er selbst kontinuierlich misst. Dennoch sind auch Ausführungsformen denkbar, in denen einer der in 1 als weiterer Füllstandsensor 28a–b dienender Grenzstandwächter die Masterrolle übernimmt.
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Der Füllstandsensor 10 kann die Eingangssignale der weiteren Füllstandsensoren 28a–b als Füllstandwert erhalten, vorzugsweise wird jedoch lediglich ein digitales Schaltsignal übertragen, aus dem die Auswertungseinheit 22 mit Hilfe einer Parametrierung den Füllstandwert ableitet. Zusammen mit der eigenen Sensorinformation wird daraus das überlagerte, kontinuierliche Füllstandsignal gebildet. Ohne die Erfindung darauf einzuschränken, wird das Füllstandsignal als analoges 4...20mA-Signal ausgegeben, obwohl alternativ auch ein anderes analoges Signal, etwa ein 0–10V-Signal, oder ein digitales Signal denkbar wäre.
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Abgesehen von der Integration der Messwerte der weiteren Füllstandsensoren 28a–b in das gemeinsame ausgegebene Füllstandsignal am Ausgang 24 des Füllstandsensors 10, sind auch noch weitere Funktionen denkbar. So kann die Auswertungseinheit 22 die Plausibilität der Signale der weiteren Füllstandsensoren 28a–b prüfen. Es ist beispielsweise nicht möglich, dass der unten angeordnete weitere Füllstandsensor 28b einen Leerzustand meldet, obwohl der darüber angeordnete weitere Füllstandsensor 28a oder der Füllstandsensor 10 selbst einen höheren Füllstand bestimmt. In einem 4..20mA-Füllstandssignal können solche Fehler über Fail-low (3,5 mA) oder Fail-high (21,5 mA) nach NAMUR NE43 signalisiert werden. Durch solche Plausibilitätsprüfungen wird die Zuverlässigkeit des Füllstandsignals erhöht. Eine anlagenseitige Programmierung der Plausibilitätsauswertung kann entfallen. Um die Verfügbarkeit der Anlage zu erhöhen, könnte das System bei Erkennen eines Fehlers in einen Notlauf-Modus übergehen, in dem aus der noch verbleibenden Information ein Füllstandsignal bestimmt wird.
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Die Auswertungseinheit 22 kann ferner die Eingangssignale der weiteren Füllstandsensoren 28a–b als Auslöser einer Re- oder Nachkalibration nutzen. So ist bekannt, einen Füllstandsensor anfänglich auf die Einbaubedingungen zu kalibrieren oder dynamische Störausblendungen zu implementieren. Mit der zusätzlichen Information der weiteren Füllstandsensoren 28a–b können Füllstande erkannt werden, in denen ein dynamisches Nachjustieren oder Korrigieren möglich ist, oder in denen eine statische Ausblendung neu initiiert wird. Nachkalibration ist besonders vorteilhaft, wenn in der Anlage unterschiedliche Medien verwandt werden und der Füllstandsensor 10 ein Messverfahren verwendet, das einen Mediumsabgleich erfordert, etwa bei kapazitiven oder hydrostatischen Sensoren. Die weiteren Füllstandsensoren 28a–b liefern dann die Information, wann ein solcher Mediumsabgleich erneut erfolgen sollte.
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Die Montagehöhe der weiteren Füllstandsensoren 28a–b hat andere Abhängigkeiten als die Sonde 18. So entsteht beispielsweise bei einer nicht zentralen Montage des Füllstandsensors 10 an einem Behälter mit kegelförmigem Boden oder mit einem Rührwerk eine Erfassungslücke, wenn die Sonde 18 nicht bis ganz unten geführt werden kann. Dann kann durch Anbringen eines Grenzstandwächters unterhalb der Sonde 18 ein zusätzlicher Füllstandwert gewonnen werden, der den eigenen kontinuierlichen Messbereich des Füllstandsensors 10 erweitert. Ähnliche Messbereichserweiterungen sind natürlich auch oben oder in sonstigen Totzonen des Füllstandsensors 10 möglich.
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Das gemeinsame 4–20mA-Füllstandsignal gewährleistet einen sicheren Trockenlaufschutz. Es kann aber auch sonst für eine Sicherheitsfunktion genutzt werden, und das sogar im Verbund mit anderen Sensoren als Füllstandsensoren. Beispielsweise überwacht ein Sicherheitsschalter eine Mannloch-Öffnung des Behälters 12. Dessen Signal wird wie ein Messwert eines Füllstands an die Auswertungseinheit 22 übergeben. Solange die Mannloch-Öffnung nicht geschlossen ist, meldet die Auswertungseinheit 22 dies als Fehlerzustand des 4...20mA-Signals. Erst wenn der Sicherheitsschalter geschlossen ist, wird wieder ein kontinuierlicher Messwert als Füllstandsignal ausgegeben. Eine weitere denkbare Sicherheitsfunktion ist eine Leckageüberwachung. Das 4..20mA-Signal kann auch zu Testzwecken durch externe Taster oder Schalter überschrieben werden, um die Signalkette zu überprüfen.
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2 zeigt eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform des Füllstandsensors 10 mit daran angeschlossenen weiteren Füllstandsensoren 28a–b. Im Unterschied zu 1 sind hier die weiteren Füllstandsensoren 28a–b nicht direkt an den Füllstandsensor 10 angeschlossen, die Verdrahtung erfolgt also nicht „im Master-Sensor“, sondern es ist ein Verteiler 30 zwischengeschaltet. Dabei handelt es sich beispielsweise um einen Klemmblock als dezentraler Verteiler. Eine andere Möglichkeit ist, einen vorzugsweise ohnehin vorhandenen Schaltschrank der übergeordneten Steuerung als Verteiler zu nutzen.
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Abschließend werden noch einmal Vorteile der Erfindung genannt. Zusammenfassend kann ein wesentlich robusteres Füllstandsignal praktisch ohne erhöhten Aufwand bei der Integration in die Anlage erreicht werden. Im Einzelnen ergeben sich diese Vorteile:
- – Digitale Schaltinformationen sowie analoge kontinuierliche Signale sind verbreitet und können genutzt werden.
- – Neue lO-Bausteine insbesondere für Low-End-Sensoren sind bereits mit Eingangsbaugruppen ausgestaltet. Durch den Einsatz derartiger Bausteine ist ein Sensor mit Eingangsleitung einfach zu realisieren.
- – Die Anlage muss nur noch ein insbesondere analoges Signal auswerten. Dieses Signal enthält die gesamte Sensorinformation. Die Programmierung der Logikfunktion in der übergeordneten Steuerung zur Auswertung der Sensorinformation der Schaltsignale entfällt.
- – Es ist auch eine robuste Füllstandmessung beim Reinigungszyklus mit Sprühkegel und dergleichen möglich, wenn der Messwert eines kontinuierlichen Füllstandsensors stark verfälscht sein kann.
- – Obwohl der kontinuierlich messende Füllstandsensor bei Befüllvorgängen verfälschte Ergebnisse liefert, ist noch eine robuste Messung zumindest der kritischen Füllstände möglich.
- – Die Verfügbarkeit des Systems wird deutlich erhöht, wenn beispielsweise prozessnahe Messeinrichtungen wie Sonden beschädigt sind. Das System arbeitet dann mit verminderter Messqualität weiter, es kommt jedoch nicht zum Ausfall.
- – Kontinuierliche Sensoren werden in Anwendungen, in denen der kontinuierliche Sensor nicht immer zuverlässig funktioniert, oftmals in Bypass-Systeme installiert, etwa um eine Schaumbildung vom Sensor fernzuhalten. Bypässe sind aber sehr kostenintensiv und erhöhen den Aufwand der Integration des Sensors in die Anlage sehr. Mit dem erfindungsgemäßen System kann der Bypass entfallen.
- – Es wird Verdrahtungsaufwand eingespart: Es müssen nicht alle Signale zur auswertenden Steuerung geführt werden, wenn die Signale dezentral zusammengeführt werden.
- – Die Diagnose und Fehlersuche im System ist vereinfacht, da nur ein Sensorsignal in der Anlage überwacht werden muss.
- – Das vorgeschlagene Füllstandmesssystem kann sogar als autarkes System funktionieren. Man benötigt für einfache Anwendungen keine zusätzliche Steuerung.