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Die Erfindung betnfft eine Vorrichtung zum Erfassen der Positionen von schwenkbaren Teilen einer Weiche, wie z B Zungenschienen mit wenigstens einem Sensor, sowie ein Verfahren zur Signalauswertung von Sensoren zur Ermittlung der Position von schwenkbaren Teilen einer Weiche
Aufgrund des ständig fortschreitenden Ausbaues der Hochgeschwindigkeitstrassen für Eisen-
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sicheren Bahnbetrieb zu gewährleisten, müssen die Überfahrten über die Schienenweichen !mit einem höchsten Mass an Sicherheit erfolgen. Hierzu ist unbedingt notwendig, dass die Weichen- zungen nach Verschwenken durch entsprechende Stellantriebe ihre Endlagen korrekt einnehmen und auch einhalten Zur Überprüfung dieser Endlagen wurden bislang Zungenlagemelder mit me- chanischen Endschaltern verwendet.
Diese mechanischen Vorrichtungen sind jedoch relativ auf- wendig, da sie meist in Form von Gestängen ausgeführt sind, welche leicht beschädigt werden und daher häufig gewartet und neu eingestellt werden müssen Neben diesen mechanisch arbeitenden Lagemeldern sind Einrichtungen bekanntgeworden, welche aus induktiv berührungslos wirkenden Näherungsschaltern aufgebaut sind
In der DE 35 11 891 A1 ist eine Einrichtung bestehend aus einem elektromotorisch angerie- benen Einzelweichenantrieb, einem festiegbaren Stell- und gegebenenfalls einem ebenfalls fest-
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gen und deren Sicherungszustand bekanntgeworden. Mit Hilfe der in die Einrichtungen integrieren Sensoren wird eine Überwachung der Endlagen durchgeführt sowie die Verschlusslage des S ell- und gegebenenfalls Überwachungsschiebers erkannt.
Die Prüfergebnisse werden dann an eine
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barkeit der Weiche festgestellt wird Eine Abstandsmessung der Zungenschiene zur Backenschie- ne erfolgt nicht.
Aus der DE 26 36 359 A1 ist eine Überwachungseinrichtung für die Endlagen schwenkbarer Schienen von Eisenbahnweichen bekanntgeworden, wobei an bestimmten Kontrollpunkten indukti- ve Schienenschalter vorgesehen sind, welche von an der schwenkbaren Schiene angeordneten ferromagnetischen Gegenstucken uberstnchen werden Durch die induktiv hervorgerufene Scl, al- terauslösung soll ermittelt werden, ob sich die schwenkbare Schiene in ihrer Endlage befindet.
Aus der EP 0 514 365 B1 geht bereits ein Verfahren zur Uberwachung des Zustandes von
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einer Weiche hervor Dieses Verfahren zielt im wesentlichen darauf ab, vorzeitigen Verschleiss im Bereich der Zungenschiene durch einen Sensor zu erfassen, sodass der beim Befahren ermittelte kleinste Wert des Abstandes zwischen Zungenschiene und Backenschiene gespeichert wird, wcbei jeweils Abstandswerte und Grenzwerte definiert und miteinander verglichen wurden und bei Über- schreiten eines bestimmten Grenzwertes ein Wartungssignal ausgelost wird. Als mögliche Nähe- rungssensoren werden hierbei induktiv oder kapazitative Analogsensoren vorgesehen.
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Schaltelemente, jedoch können sie nicht dazu eingesetzt werden, die exakte Position der beweg-
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ren, ob die Weichenzunge die jeweilige Endlage erreicht hat oder nicht.
Da induktiv wirkende Näherungsschalter in Schwingkreise eingesetzt werden, unterliegt die Genauigkeit der Messungen der Schwingkreisgüte, welche stark von äusseren Einflüssen und der Genauigkeit der Bauelemente abhängig ist. Es sind daher aufwendige Massnahmen notwendig, um die Redundanz und Genaig- keit dieser Messeinrichtungen zu erhöhen
Die DE 35 40 307 A1 beschreibt die Erfassung der Position von schwenkbaren Teilen einer Welche mittels einer kammschiene wobel die Lageinformation durch Zahlen jener lmpulse erhal- ten wird, die die metallischen Kammzahne an induktiven Näherungsschaltern auslösen.
Die maxi- male Genauigkeit einer solchen Positionserfassung ist somit durch die maximale Anzahl ;der Kammzähne auf der Kammschiene gegeben und wird zusätzlich noch durch den minimalen von den induktiven Näherungsschaltern wahrnehmbaren Abstand zwischen den Kammzähnen ;be- schrankt. Eine Abstands- bzw Positionsmessung nach dem in der DE 35 40 307 A1 gelehrten Ver- fahren kann also nicht als kontinuierlich bezeichnet werden Bei einer kontinuierlichen Abstands- messung kann die genaue Position der schwenkbaren Weichenteile ständig ermittelt werden, sodass auch jede beliebige Position erfassbar sein muss.
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Die vorliegende Erfindung zielt darauf ab, eine Messeinrichtung zu schaffen, welche die Position der beweglichen Teile einer Schiene kontinuierlich misst, wobei deren Funktionstüchtigkeit perma- nent überwacht werden kann. Zur Lösung dieser Aufgabe ist die erfindungsgemässe Vorrichtung so ausgeführt, dass der Sensor als kontinuierlicher Abstandssensor ausgebildet ist und dass der Sensorausgang mit einer Schaltungsanordnung für zwei gesonderte Auswertungen verbunden ist, wobei eine erste Auswertung als Abstandsauswertung und eine zweite Auswertung als Funktions- kontrolle des Sensors ausgebildet ist.
Dadurch, dass der Sensor als kontinuierlicher Abstandssen- sor ausgebildet ist, lassen sich im Gegensatz zu Messsensoren, die lediglich zur Ermittlung eines Zustandes geeignet sind, alle Endpositionen der Weichenzunge über den gesamten Verstellweg exakt erfassen Für die Signalauswertung ist hierbei eine Schaltungsanordnung vorgesehen, wobei durch eine Funktionskontrolle, z. B. durch Bereitstellen eines Referenzsignales, ermittelt werden kann, ob der Sensor intakt ist und korrekte Messergebnisse liefert. Die kontinuierliche Bestimmung der Position wird in der Abstandsauswertung durchgeführt, wobei als eine mögliche Methode zur Lageermittlung, die Berechnung der Position in Frage kommt. Zur schnellen Verarbeitung nach Analog-Digitalwandlung in diskreter Form vorliegender Messwerte werden hierfür üblicherweise leis- tungsstarke Mikrokontroller mit hoher Taktrate verwendet.
Da in der Regel die Zungenschienen- position nicht linear vom Sensorsignal abhängig ist, ist die Abstandsauswertung in besonders vorteilhafter Weise so ausgeführt, dass sie mit einer Kennlinienabfrage zusammenwirkt. Dank einer derartigen Kennlinienabfrage ist eine exakte Ermittlung der Zungenschienenposition auch dann möglich, wenn den Messsignalen kein lineares Abstandsgesetz zugrundeliegt.
Eine besonders bevorzugte Weiterbildung der Messvorrichtung besteht darin, dass der Ausgang wenigstens eines weiteren Sensors zur Messung des Ruhesignales mit der Funktionskontrolle ver- bunden ist Dadurch, dass in dieser Weiterbildung ein weiterer Sensor, welcher entweder speziell kalibriert oder mit dem eigentlichen Abstandssensor identisch ist, zum Einsatz gelangt, wird die Genauigkeit der Messung des Ruhesignales und somit die Zuverlässigkeit der Funktionskontrolle gesteigert.
Um die Genauigkeit der Lagebestimmung von schwenkbaren Teilen einer Weiche weiter zu erhöhen, ist eine besonders zweckmässige Ausbildung derart gestaltet, dass wenigstens zwei Ab- standssensoren jeweils an der An- und Ablageposition der schwenkbaren Teile am Gleis angeord- net sind. Dadurch, dass nunmehr mehrere Abstandssensoren entsprechend angeordnet sind, kann neben der Funktionskontrolle im unbedämpften Zustand auch eine weitere Funktionskontrolle in der bedämpften Endlage stattfinden. Der Einsatz wenigstens zweier an unterschiedlichen Orten installierter Abstandssensoren schafft weiters die Möglichkeit die Zuverlässigkeit der Funktions- kontrolle und die Genauigkeit der Abstandsmessung mit Hilfe eines Messwertvergleiches und/oder einer Mittelwertbildung zu erhohen.
Desweiteren dient eine derartige Ausbildung dazu, die Zungen- schienen über die gesamte Weichenlänge auf Formänderungen hin zu beobachten, wobei die Messungen auch während der Überfahrt erfolgen können. Auf diese Weise können der Gesamt- zustand der Weichenlage festgestellt und langfristige Veränderungen vorherbestimmt werden.
In einer bevorzugten Weiterbildung ist die Kennlinie derart ausgebildet, dass sie jeweils Tole- ranzbereiche für zulässige Funktionsbereiche für die An- und Ablage der schwenkbaren Teile auf- weist und dass eine Funktionskontrolle für die Anlage- und Ablageposition erfolgt. Dadurch, dass Toleranzfenster vorgesehen sind, wird verhindert, dass die Funktionskontrolle bereits bei geringen Abweichungen von der Endlage ein Alarmsignal ausgibt und der Betrieb in eigentlich noch unkriti- schen Bereichen zu früh beendet wird. Die vorgenommene Ausbildung erlaubt es nunmehr, auch die Veränderungen der Endlagenpositionen kontinuierlich zu kontrollieren und bei Messwerten innerhalb der Toleranzfenster frühzeitig anstehende Reparatur- bzw. Justiermassnahmen vorzuneh- men.
Dadurch kann der Verschleissfortschritt innerhalb der Toleranzgrenzen beobachtet werden, womit sowohl Material als auch Kosten eingespart werden.
In einer besonders bevorzugten Ausführung ist vorgesehen, dass das Ruhesignal als Kalibrier- grösse für die Kennlinie mit der Kennlinienabfrage zusammenwirkt. Indem das Ruhesignal dazu ver- wendet wird, die Kennlinien selbst zu verschieben, dass der Wert des Ruhesignales gleich dem Funktionswert an der Ablageposition ist, entsteht eine Kennlinienschar. Eine solche Selbstjustie- rung der Kennlinien unter Ausbildung einer Kennlinienschar ermöglicht es, Umgebungs- und Alterseinflüsse auf die Auswertung weitgehend auszuschalten und unverfälschte Positionswerte zu erhalten.
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Um eine weitere Störgrosse in Form von Leitungsverlusten, z. B. Spannungsabfällen an den Leitungswiderstanden, zu verhindern, sind die Sensorausgange in vorteilhafter Weise als Strom- ausgänge ausgebildet. Dadurch, dass die Sensorausgänge als Stromausgänge ausgeführt sind, liegen die Sensorsignale in Form von leicht weiterverarbeitbaren Strömen vor.
Um über einen längeren Zeitraum die Tendenzen des Weichenverhaltens festzustellen, dh. den Verschleiss frühzeitig zu erkennen und die verbleibende Lebensdauer einer Weiche einzu- schätzen, ist die Auswerteschaltung in bevorzugter Weise mit einem Speicher verbunden.
Um die sichere Funktion der Verschlüsse zu überwachen und den engsten Durchgang zu über- prüfen sind gemäss einer weiteren vorteilhaften Ausbildung die Abstandssensoren in mehreren Messebenen angeordnet.
Das Verfahren zur Auswertung der Signale der Sensoren zur Ermittlung der Position von schwenkbaren Teilen einer Weiche mittels der erfindungsgemassen Vorrichtung, besteht im we- sentlichen darin, dass die Sensorsignale in einem Kennlinienrechner ausgewertet werden, die Posi- tionen als Funktionen der Signalwerte ermittelt werden, wobei die Signale mit den Sensorruheig- nalen verglichen werden und die Funktionsfähigkeit der Sensoren festgestellt wird und gegebenen- falls Signalwerte, welche ausserhalb von in den Kennlinien vorgegebenen Toleranzfenstern liegen für Fehlermeldungen herangezogen werden,
wobei die Kennlinie durch Vergleich mit den Rune- stromsignalen innerhalb einer zulassigen Toleranz an die Umgebungsbedingungen angepasst wird und kurzfristige Fehlermeldungen unterdrückt werden Indem die Analyse der durch die Sense ren ermittelten Daten sowohl für die Ermittlung des Abstandes als auch für die Überprüfung der Funk- tionsfähigkeit der Sensoren bei gleichzeitiger Anpassung der Kennlinie durchgeführt wird, wer Jen die auf die Messeinrichtung einwirkenden Verfälschungen durch Störgrössen weitgehend elimir iert und dadurch die Messgenauigkeit in hohem Masse gesteigert.
Da nur Signalwerte, welcher auf er- halb der in den Kennlinien vorgegebenen Toleranzfenstern liegen, Fehlermeldungen aus!ösen, wird ein Betriebsbereich innerhalb der Toleranzen definiert, wodurch gewährleistet wird, dass nicht bereits kleine Abweichungen der Zungenschienen von den Endlagen Betriebsunterbrechungen verursachen, obwohl ein fehlerfreier Betrieb hier noch unriskant ist. Ein solches messtechnisc es Verfahren erhöht infolgedessen insgesamt gesehen die Verwendungsdauer der Zungenschie en von Schienenweichen. Verlässt das Signal jedoch den Toleranzbereich, so hat sich entweder die Weichenzunge bewegt oder der Sensor ist defekt. Dass beide Störungen gleichzeitig auftreten, ist im Sinne der Sicherheitsrichtlinien des Eisenbahngesetzes auszuschliessen.
Soll eine tatsächliche Fehlerquelle ermittelt werden, muss der Sensor im Leerlauf überpruft werden. Dadurch, dass durch Speicherung auch die Dauer der Fehlermeldung ermittelt wird, können Fehlermeldungen die ;von eventuellem Messwertausreissern, z B. in Folge von versehentlich durch Personen oder Tiere vejrur- sachter Bedämpfung eines Abstandssensors, herrühren und daher nur kurzfristiger Art sind, unter- drückt werden. Die Betriebsbereitschaft der Schienenweiche wird dann nicht unterbrochen. A;uch wird durch die Anordnung und das Auswerteverfahren sichergestellt, dass fehlerhafte Sensoren oder ein Sensorausfall zur Unterbrechung des Betriebes führen
In einem besonders bevorzugten Verfahrensschritt wird zusätzlich die Betriebsbereitschaft des
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richtung erreichen lässt.
Durch die Überwachung des Weichenantnebes wird sichergestellt, dass
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Verschleiss oder anderen umweltbedingten Störungen der Zungenschiene herrühren, rechtzeitig er- kannt werden Es gelingt also die Hauptfehlerquellen, welche unmittelbar zur Stillegung und RE pa- ratur der Schienenweiche führen, ständig und getrennt voneinander zu überwachen
Ein weiterer vorteilhafter Verfahrensschritt, um die sichere Funktion der Verschlüsse zu üper- wachen und den engsten Durchgang zu überprüfen, besteht dann, dass die Signale aus verschie- denen Messebenen miteinander verglichen werden.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Zeichnungen näher dargestellt und erläutert. Fig. 1 stellt die Anordnung der erfindungsgemässen Vorrichtung an einer Schienenweiche dar, Fig 2 zeigt die prinzipielle Schaltungsanordnung der Vorrichtung zum Erfassen der Positionen von schwenk- baren Teilen einer Weiche dar und in Fig. 3 wird die Schaltungsanordnung anhand eines Aus- schnittes des Schaltplanes der Elektronikplatine näher beschrieben. In Fig 4 sind die der Kenn- linienabfrage zugrunde liegenden Kennlinien ersichtlich.
Fig 1 zeigt zwei Zungenschienen 1 und 2 einer Schienenweiche. Mit 3 ist ein Weichenan':neb
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bezeichnet, welcher die Zungen 1 und 2 in die entsprechenden Positionen bringt. Die für die Erfassung der Positionen der Zungenschienen erforderlichen kontinuierlichen Abstandssensoren einer Messebene sind mit 4,5,6 und 7 bezeichnet. Gemäss der schematischen Darstellung ist in jeder Weichenstellung jeweils ein Sensor 5 bei der an der Backenschiene 8 anliegender Zunge 1 und ein Sensor 4 im Bereich der von der Backenschiene 8 abliegenden Zunge 2 bedämpft. Zwei weitere Sensoren 6 und 7 sind in dieser Weichenstellung unbedämpft.
Hierbei kann vorgesehen werden, dass die Position der anliegenden Zunge mittels eines auf den Schienensteg hin orientiert Sensors und die Lage der abliegenden Zunge mittels eines auf den Schienenfuss hin orientierten Sensors ermittelt wird. Da erfahrungsgemäss die abliegende Zunge eine deutlich grössere Lagetole- ranz im Vergleich zur anliegenden Zunge hat, kann für die Messung der Position der abliegenden Zunge ein grösserer Messbereich vorgesehen werden als bei der anliegenden Zunge. Die höhere Auflösung eines Sensors für den kleineren Messbereich der anliegenden Zunge trägt der hierbei geforderten höheren Messgenauigkeit Rechnung. Zusätzlich zu der Positionserfassung übernimmt die Koppelschaltung die Überprüfung der Betriebsbereitschaft der elektromechanisch oder elektro- hydraulisch wirkenden Weichenantriebe.
Fig. 2 zeigt die sich in der Anlage bzw. Ablage zur Backenschiene 8 befindlichen Zungenschie- nen 1 und 2 und die jeweils entsprechend der Zungenschienenlage bedämpften (4,5) und unbe- dämpften (6,7) kontinuierlichen Abstandssensoren. Die Abstandssensoren sind, wie schematisch angezeigt, in Zweidrahttechnik ausgebildet, wobei das Sensorsignal in einen dazu proportionalen Strom umgewandelt wird, welcher nicht durch die Leitungswiderstände verfälscht wird. In einer Verschaltungs- und Prüflogik 10 werden die Signale der Sensoren weiterverarbeitet und die Posi- tionen der Zungenschiene ermittelt. Die Sicherheitsrelais 11 werden von den Ausgängen 16 der Verschaltungs- und Prüflogik 10 angesteuert.
Fig. 3 zeigt wiederum die kontinuierlich messenden Abstandssensoren 4,5,6 und 7, deren Sig- nale auf einer Elektronikplatine 12 weiterverarbeitet werden. Auf dieser Elektronikplatine 12 werden die Sensorsignale unter Zwischenschaltung von Eingangsschutzbeschaltungen 13 und Frequenz- filtern 14 zwei unabhängig voneinander arbeitenden Mikrokontrollem 15 und 17 zugeführt. Zur gegenseitigen Kontrolle und Überprüfung der Funktionsfähigkeit der Sensoren stehen die beiden Mikrokontroller miteinander in Verbindung. Über eine im weiteren nicht näher erläuterte Schal- tungslogik steuern die Platinenausgänge 16 die Sicherheitsrelais 11 an.
Die Mikrokontroller führen die eigentliche datentechnische Verarbeitung der Sensorsignale durch In sie sind hierbei, wie nicht näher dargestellt, gleichzeitig die Kennfeldrechner integriert, welche die Abstände der Zungen- schienen mittels der gespeicherten Kennlinien ermitteln.
Fig. 4 zeigt die Abhängigkeit der Zungenschienenposition in Abhängigkeit des als Strom vorlie- genden Sensorsignales. Der hier gezeigten Funktion ist ein auf Ruhestrom aufgebautes Wirk- prinzip zugrunde gelegt. Ruhestrom bedeutet, dass ohne Bedampfung die höchste Stromaufnahme stattfindet, was dem grössten Koordinatenwert der Kennlinien in Fig. 4 entspricht. Kennlinie 1 zeigt hierbei die Abhängigkeit des Weges vom Strom einer Urkurve eines Sensors. Kennlinie 2 gibt im Gegensatz dazu eine Funktion wieder, welche sich nach Alterung des Sensors, ausgedrückt durch Verlagerung in Richtung des Pfeiles 18, ergibt. Durch entsprechende messtechnische Massnahmen, z. B. durch Vergleich mit dem unabhängig gemessenen Sensorruhestrom, lassen sich die Kennli- nien in Richtung des Pfeiles 18 den durch den Altersprozess bedingten Veränderungen entspre- chend adaptiv anpassen.
Dadurch, dass zusätzlich zu der Funktionskontrolle durch Erfassung des Ruhestromes des Sensors im unbedämpften Zustand zwei Toleranzfenster für die Bereiche um die Endlagen in der Anlage 19 und Ablage 20 innerhalb des Kennlinienfeldes definiert sind, kann eine stetige Überwachung der Funktionstüchtigkeit der Sensoren sowohl im bedämpften als auch im unbedämpften Zustand stattfinden. Die sich nach Weichenumstellung einstellenden Stromsignale müssen für fehlerfreien Betrieb innerhalb des Stromfensters liegen. Kommt ein Signal nicht inner- halb dieser Toleranzbereiche zu liegen, so ist der Fehler entweder auf eine unzulässige Position der Weichenzunge zurückzuführen oder der Sensor ist defekt. Dass beide Störungen gleichzeitig auftreten, ist im Sinne der Sicherheitsrichtlinien des Eisenbahngesetzes nicht anzunehmen.
In Fig. 1 sind weitere Sensoren 21 und 22 in einer weiteren Messebene ersichtlich.