Radar-Füllstandsmesser mit IO-Link für blitzschnelle Messungen

Das erste berührungslose Radar-Füllstandmessgerät für wirklich schnelles Arbeiten

Die berührungslose Radar-Füllstandmessung hat sich in der Industrie zu einer sehr robusten und genauen Messmethode entwickelt. Für Anwendungen, die extrem hohe Messgeschwindigkeiten erfordern, wie z. B. in einem Befüllkarussell in einer Softdrinkfabrik, wurde bis vor kurzem häufig die kapazitive Messung eingesetzt. Mit der Einführung des VEGAPULS 42, einem berührungslosen Radar-Füllstandmessgerät mit IO-Link-Anschluss, kann diese robuste Messung nun auch in solchen Anwendungen eingesetzt werden.

In der Fabrikautomation ist IO-Link ein Protokoll, das zunehmend verwendet wird. Das Protokoll hat bei bestimmten Anwendungen in der Industrie einen Mehrwert gegenüber anderen Protokollen. Insbesondere bei der Verwendung von intelligenten Instrumenten bietet IO-Link Vorteile gegenüber bestehenden Protokollen. Bei Messgeräten kann über eine IO-Link-Verbindung beispielsweise ein Sensor gegen einen anderen ausgetauscht werden, ohne dass der neue Sensor neu eingestellt werden muss. Dabei kann es sich auch um einen völlig anderen Sensortyp handeln. Rob Smulders, Business Development Manager bei VEGA, erklärt: "Angenommen, Sie haben ein Förderband, auf dem Sie eine Ultraschallmessung oder eine Lasermessung durchführen. Dieses Messgerät funktioniert nicht mehr und Sie ersetzen es durch ein Radar-Füllstandmessgerät von uns. Da im IO-Link-Protokoll eine Reihe von spezifischen Parametern definiert sind, können Sie den Sensor austauschen und Ihre Produktion sofort fortsetzen."

Fabrikautomatisierung vs. Prozessautomatisierung

IO-Link ist ein Protokoll, das in der Fabrikautomatisierung zunehmend eingesetzt wird. Dass die Prozessindustrie weniger daran interessiert ist, liegt daran, dass die maximale Kabellänge von einem Sensor zum IO-Master nur 20 Meter beträgt. In einer Raffinerie, die sich über viele Quadratkilometer erstreckt, ist das keine Option. In solchen Fällen wird meist das analoge 4-20-mA-Zweidrahtsignal verwendet. Das HART-Protokoll verwendet ebenfalls dieses Signal und fügt ein überlagertes Signal hinzu, das zur Datenübertragung verwendet werden kann. Smulders: "Das ist eine sehr stabile Verbindung, aber sie ist enorm langsam."

IO-Link ist ein digitales Protokoll, das eine sehr schnelle Datenübertragung ermöglicht und eine Dreidrahtverbindung verwendet.

Zwei-Faden und Drei-Faden

In der Prozessautomatisierung wird eine neue Art der Datenübertragung erprobt, die es den Anwendern ermöglicht, mit Kabellängen von mehr als 20 Metern zu arbeiten. Über diese Technik, Advanced Physical Layer (APL), wurde zum Beispiel in Process Control Nr. 7 von 2022 geschrieben. "APL verwendet jedoch per Definition ein Zweidraht-Netzwerk", stellt Smulders klar. "Damit lassen sich zwar hohe Geschwindigkeiten erreichen, aber Zweidrahtverbindungen sind in ihrer Leistung begrenzt. Aus diesem Grund können Zweidrahtverbindungen in ATEX-Umgebungen verwendet werden. Dreidrahtverbindungen haben eine unbegrenzte Leistung, können aber nicht in ATEX-Umgebungen eingesetzt werden."

Mehr Leistung bedeutet mehr Geschwindigkeit

Die Tatsache, dass Dreileiteranschlüsse unbegrenzt Strom liefern können, hat für Messgerätehersteller einen großen Vorteil. Smulders: "Durch die unbegrenzte Leistung können wir viel mehr Strom an den Sensor schicken, was bedeutet, dass wir viel schnellere Sensoren bauen können." Und genau das ist es, was den VEGAPULS 42 so besonders macht. Dieses Radar-Füllstandmessgerät hat eine Aktualisierungsrate von 18 Herz, während ein "normales" Radar-Füllstandmessgerät eine Aktualisierungsrate von 4 bis 5 Herz hat. "So entsteht ein Sensor, der zwar nicht unter ATEX-Bedingungen eingesetzt werden kann, aber unglaublich schnell misst."

Kapazitiv

Der Einsatzbereich des VEGAPULS 42 liegt daher dort, wo viele Messungen pro Zeiteinheit stattfinden müssen. Das sind vor allem Anwendungen in der Fabrikautomation, zum Beispiel in der Lebensmittelindustrie. Smulders: "Stellen Sie sich eine Softdrinkfabrik vor, in der Sie ein Abfüllkarussell haben, in dem mehrere kleine Tanks zum Befüllen von Flaschen und Fläschchen eingesetzt werden. Dieser Prozess läuft mit enormer Geschwindigkeit ab, und die Füllstände in diesen Tanks steigen und fallen dementsprechend schnell. Bisher wurden für diese Art von Anwendung kapazitive Messungen verwendet. Diese sind zwar schnell genug, haben aber den Nachteil, dass man einen Stab in seinem Tank hat, der die Reinigung erschwert. Die Beschichtungen dieser Messstäbe können sich mit der Zeit abnutzen, so dass sie ersetzt werden müssen. Wenn Sie mit nur einem Stab in Ihrem Medium messen, haben Sie außerdem einen Schatten auf der anderen Seite des Mediums. Kurz gesagt, die berührungslose Radar-Füllstandmessung ist einfach viel praktischer als die kapazitive Messung."

Mehr als nur hygienische Vorteile

Der VEGAPULS 42 ist eine ideale Lösung für die genannte Anwendung in der Softdrinkfabrik, weiß Smulders. "Die Messung erfolgt berührungslos, erreicht mühelos die geforderten Messgeschwindigkeiten, die in einem solchen Prozess notwendig sind, und unsere Radar-Füllstandmessung hat sich nun schon seit Jahren in der Praxis als sehr robuste Messung bewährt." Der Vorteil einer solchen Messung gegenüber der kapazitiven Messung beschränkt sich übrigens nicht nur auf hygienische Vorteile. "Man kann auch beim Energieverbrauch sparen", weiß Smulders. "Wenn Sie nur eine Min-Max-Messung haben, wie bei einer kapazitiven Messung, können Sie zwar Ihre Pumpe ein- und ausschalten, aber in dem Moment, in dem Sie den Energieverbrauch Ihrer Pumpe optimieren wollen, brauchen Sie mehr als nur den unteren und oberen Grenzwert."

Mit dem VEGAPULS 42 wird deutlich, mit welcher Geschwindigkeit die Lagertanks im Prozess geleert und befüllt werden. "Wenn Sie ein klares Bild von dieser Geschwindigkeit haben, können Sie bestimmen, mit welchem Prozentsatz der Leistung Ihre Pumpe laufen sollte, um den Prozess kontinuierlich am Laufen zu halten, ohne die Pumpe ständig starten und stoppen zu müssen. Dadurch, dass man nicht mehr jedes Mal starten und stoppen muss, spart man Energie. Mit einer reinen Minimal- und Maximalmessung haben Sie nicht genug Daten, um diese Energieeinsparungen zu realisieren."

Kompakter Fußabdruck

Der VEGAPULS 42 hat eine Reichweite von 15 Metern und kann daher auch bei größeren Tanks eingesetzt werden. Smulders glaubt aber, dass der Sensor in Zukunft vor allem in Hochgeschwindigkeitsanlagen mit kleinen Tanks eingesetzt werden wird. "In vielen anderen Anwendungen kann man unsere anderen Sensoren hervorragend einsetzen, aber wenn man wirklich schnell sein will, braucht man Leistung und dann landet man beim VEGAPULS 42." Erfreulich ist auch, dass der VEGAPULS 42 extrem kompakt gebaut ist. "Bei einem solchen Befüllungskarussell in der Lebensmittelindustrie will man wirklich keine Sensoren in der Größe eines Schuhkartons installieren. Das passt einfach nicht. Unser neues Füllstandmessgerät kann man wirklich über jedem Tank oder Abfüllbunker installieren, weil es so klein ist. Weil wir die Grundfläche klein halten wollten, haben wir eine kompakte Antenne gewählt. Das bedeutet, dass man den Sensor nicht in Silos einsetzen kann, die tiefer als 15 Meter sind. Außerdem wird ein Radar-Füllstandmessgerät überhaupt nicht durch Rührwerke in Silos oder Fässern beeinträchtigt, was bei Lebensmitteln häufig vorkommt.

Verbindungen

Der VEGAPULS 42 verfügt über verschiedene Anschlussmöglichkeiten. Er wird ab ¾ Zoll aufwärts geliefert, für hygienische Anwendungen ab 1 Zoll. Doch jeder Anwender hat oft seinen eigenen Anschluss, weiß auch Smulders. "Man hat Triclamps, Milchkupplungen und so weiter. Zum Glück haben wir ein Adaptersystem entwickelt, mit dem jeder VEGA-Sensor auf den gewünschten Prozessanschluss umgerüstet werden kann, auch hygienisch." 

Die Technologie im VEGAPULS 42 stammt aus der PRO-Serie von VEGA. So enthält der Sensor den bewährten 6X-Chip, der von VEGA selbst produziert wird (siehe auch Kasten). "Dieser Chip ist eigentlich eine Weiterentwicklung unserer bisherigen Chips, die auch schon unglaublich gut waren." Eine Besonderheit des 6X-Chips ist das 80-GHz-Radar mit einem hohen Dynamikbereich, der eine hervorragende Messung vieler verschiedener Medien ermöglicht. 

App

Wie die anderen Füllstandmessgeräte von VEGA verfügt auch der VEGAPULS 42 über eine App, mit der der Sensor eingestellt werden kann. Smulders: "Ich sage meinen Kunden oft scherzhaft, dass sogar meine Mutter einen solchen Sensor bedienen kann, aber das stimmt wirklich. Es ist einfach super einfach. Wenn Sie mir fünf Minuten Zeit geben, habe ich in dieser Zeit einen Sensor eingerichtet, und Sie können mit Ihrem Prozess weitermachen. Die App macht es für die Kunden viel attraktiver, mit unserem Produkt zu arbeiten. Überall herrscht Personalmangel, und die TDs haben gar nicht mehr die Zeit, sich einen Tag lang mit einem neuen Sensor zu beschäftigen."

Schäumend

Die Preise für den VEGAPULS 42 beginnen bei 1.100 Euro in der Edelstahlausführung. Der gleiche Chip kann sowohl Feststoffe als auch Flüssigkeiten messen. Smulders: "Während man sich bei anderen Sensoren wirklich Gedanken darüber machen musste, in welchem Medium man messen wollte, ist das jetzt überhaupt kein Thema mehr. Auch die Schaumbildung ist immer weniger ein Problem. Ich stelle jedoch fest, dass Schaum in allen Formen auftritt. Vom Schaum auf einem Gärbehälter bis hin zu dem, den Sie auf Ihrem Bier im Glas finden. Letztere Form stellt überhaupt kein Problem mehr dar. Wir messen das einfach durch."

Auch 4-20 mA

Obwohl der VEGAPULS 42 als IO-Link-Gerät angeschlossen werden kann, ist er auch mit 4-20 mA anschließbar. "Für einige Interessenten ist es eine gute Idee, dass sie jetzt mit 4-20 mA beginnen können und in Zukunft, wenn sie sich für IO-Link entscheiden, den gleichen Sensor mit dem IO-Protokoll verwenden können", stellt Smulders klar. Ob IO-Link das Protokoll der Zukunft sein wird, kann niemand sagen. "Tatsache ist, dass die großen Messgerätehersteller bei der Fabrikautomatisierung jetzt ziemlich stark auf IO-Link setzen. Ich sehe also nicht, dass dieses Protokoll einfach so verschwindet."

Der VEGAPULS 6X 

VEGA bringt 2021 ein neues Radar-Füllstandmessgerät für die Prozessautomation heraus, das die Füllstandmessung noch einfacher macht. Der VEGAPULS 6X ist ein Füllstandmessgerät, das für alle Anwendungen eingesetzt werden kann. Musste bisher ein Sensor nach bestimmten Prozesseigenschaften wie Medium, Temperatur und Prozessanschlüssen ausgewählt werden, ist dies mit dem 6X nicht mehr notwendig. Darüber hinaus ist der VEGAPULS 6X noch intuitiver geworden. Die Inbetriebnahme ist eine Sache von wenigen Mausklicks. In vielen Fällen können kundenspezifische Einstellungen bereits ab Werk in das Gerät eingegeben werden. Dann ist es nur noch eine Frage der Montage und des Anschlusses.

Entwickelt auf Basis des VEGAPULS 6X, bringt der neueste Radarsensor VEGAPULS 42 alle Vorteile in die Fabrikautomation. Der neue Sensor basiert auf dem selbst entwickelten 80-GHz-Radarchip, der aufgrund seines großen Dynamikbereichs und seiner vielseitigen Einsatzmöglichkeiten als der beste am Markt gilt.