DE102005034641B3

DE102005034641B3 - Schaltungsanordnung zur Überwachung des Belegungszustandes einer Weiche oder eines Gleisbereichs

Info

Publication number: DE102005034641B3
Application number: DE102005034641A
Authority: DE
Inventors: Marcus Else; Wolfgang Eue; Frank Gertler
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2005-07-20
Filing date: 2005-07-20
Publication date: 2007-03-08
Anticipated expiration: 2025-07-21
Also published as: DE502006003864D1; ATE432860T1; EP1746009A3; EP1746009B1; EP1746009A2

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Überwachung des Belegungszustandes einer Weiche oder eines Gleisbereichs mittels eines Gleiskreises (1), wobei während der Befahrung des Gleiskreises (1) durch ein Schienenfahrzeug eine resultierende Dämpfungs- und Resonanzfrequenzänderung detektierbar ist, mit einem Synchrongleichrichter (8) zur Korrelation in den Gleiskreis (1) eingekoppelte mit aus dem Gleiskreis (1) ausgekoppelten Signalen, der über einen Tiefpassfilter (9) mit einem Controller (4) zur Auswertung des Korrelationssignals (U¶Korr¶) verbunden ist. Um Bauteilfehler und Bauteilausfälle auf einfache Weise erkennen zu können, ist vorgesehen, dass der Controller (4) einen Frequenzgenerator (5) ansteuert, dessen Ausgangssignal über eine Endstufe (6) in den Gleiskreis (1) einkoppelbar ist, dass der Frequenzgenerator (5) ein erstes Steuersignal (f¶osz¶) erzeugt, das über ein erstes vom Controller (4) zyklisch mit Invertierungssignalen (INV_REAL) ansteuerbares Exklusiv/Oder-Gatter (7) auf einen Steuereingang des Synchrongleichrichters (8) geführt ist, dass ein Signaleingang des Synchrongleichrichters (8) mit dem aus dem Gleiskreis (1) ausgekoppelten Signal verbunden ist und dass der Controller (4) Mittel zur Auswertung und zum Vergleich der Betragswerte (U¶KORR_BETRAG¶) der invertierten und der nicht invertierten Korrelationssignale (U¶Korr¶) aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Überwachung des Belegungszustandes einer Weiche oder eines Gleisbereiches mittels eines Gleiskreises, wobei während der Befahrung des Gleiskreises durch ein Schienenfahrzeug eine resultierende Dämpfungs- und Resonanzfrequenzänderung detektierbar ist, mit einem Synchrongleichrichter zur Korrelation in den Gleiskreis eingekoppelter mit aus dem Gleiskreis ausgekoppelten Signalen, der über einen Tiefpassfilter mit einem Kontroller zur Auswertung des Korrelationssignals verbunden ist.
Bei Weichensteuerungen muss gewährleistet sein, dass ein nachfolgendes Fahrzeug die Weiche nicht umstellen kann, wenn sich noch ein vorausfahrendes Fahrzeug im Bereich der Weiche befindet. Unabhängig von der Zuglänge darf der Gleisabschnitt erst wieder freigemeldet werden, wenn die Metallmasse des letzten Wagens den Wirkbereich verlassen hat. Dieser Wirkbereich ist ein 6 bis 12 m langer Gleisabschnitt, der mittels einer kapazitiven Verbindung zwischen den Schienen und den Induktivitäten der Schienen als Schwingkreis ausgebildet ist.
Der Controller detektiert Dämpfungs- und Resonanzfrequenzänderungen während der Befahrung durch ein Schienenfahrzeug, die durch Achskurzschluss und Bedämpfung durch die Eisenmassen des Wagenkastens hervorgerufen werden. Da ein Achskurzschluss bei Befahrung durch ein Straßenfahrzeug, beispielsweise an einen Bahnübergang, nicht erfolgen kann, ergibt sich eine Unterscheidbarkeit von Straßen- und Schienenfahrzeugen.

Aus der DE 103 20 680 A1 ist eine gattungsbildende Schaltungsanordnung bekannt, bei der eine Detektion der Dämpfungs- und Resonanzfrequenzänderung durch Korrelation der in den Gleiskreis ein- und ausgekoppelten Signale erfolgt. Die Differenzierung zwischen Gleiskreisbeeinflussung durch Achskurzschluss oder Eisenmasse erfolgt durch Bewertung der Höhe der Korrelationsspannung. Der Einsatz für hochzuverlässige Anwendungen wird jedoch durch komplexe Fehlermöglichkeiten erschwert. Synchrongleichrichter, Tiefpassfilter sowie die A/D-Wandler im Controller können durch Bauteilstreuung begründete Gleichspannungsfehler Nichtlinearitäten oder Drifteffekte aufweisen. Weiterhin können solche Effekte durch Bauteilausfälle auftreten. Der A/D-Wandler im Controller kann durch Ausfälle zusätzlich noch den Effekt zeigen, dass einzelne Bits oder Bitmuster nicht mehr aktiviert werden können oder ständig aktiviert sind. Um der Bauteilstreuung zu begegnen, sind besonders präzise und damit teuer Bauteile erforderlich. Gegen Defekte kann der in der DE 103 20 680 A1 vorgeschlagene redundante Korrelationsempfänger eingesetzt werden. Die vielen zusätzlichen Bauteile erhöhen jedoch deutlich die Kosten und reduzieren die Verfügbarkeit.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese Nachteile zu beseitigen und eine Schaltungsanordnung der gattungsgemäßen Art anzugeben, bei der Bauteilstreuung und Bauteilausfall auf einfache Weise detektierbar sind.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass der Controller einen Frequenzgenerator ansteuert, dessen Ausgangssignal über eine Endstufe in den Gleiskreis einkoppelbar ist, dass der Frequenzgenerator ein erstes Steuersignal erzeugt, das über ein erstes vom Controller zyklisch mit Invertierungssignalen ansteuerbares Exklusiv/Oder-Gatter auf einen ersten Steuereingang des Synchrongleichrichters geführt ist, dass ein Signaleingang des Synchrongleichrichters mit dem aus dem Gleiskreis ausgekoppelten Signal verbunden ist und dass der Controller Mittel zur Auswertung und zum Vergleich der Betragswerte der invertierten und nicht invertierten Korrelationssignale aufweist. Der Synchrongleichrichter, der Tiefpassfilter sowie die A/D-Wandler im Controller werden derart mit zyklisch veränderten Signalen betrieben, dass sich eine hohe Dynamik und Wertevielfalt ergibt, wobei die eigentliche Aufgabe, nämlich die Soll-Ist-Prüfung ohne Unterbrechungen erfüllt werden kann. Das Exklusiv/Oder-Gatter wirkt als gesteuerter Inverter. Bei inaktivem Invertierungssignal werden die Originalsignale von dem Frequenzgenerator an den Synchrongleichrichter abgegeben. Bei aktivem Invertierungssignal werden die Signale invertiert. Als Folge der invertierten Ansteuerung gibt der Synchrongleichrichter immer noch denselben Betragswert gleichgerichteter Spannung ab. Nur das Vorzeichen der gleichgerichteten Spannung wechselt gegenüber dem bei nicht invertierter Ansteuerung. Gleichspannungsfehler, Nichtlinearitäten und andere Fehler führen dazu, dass sich der Betragswert vorzeichenabhängig ändert. Mittels dieser „Zweiquadrantenprüfung" ergibt sich eine einfache Fehlererkennung.

Gemäß Anspruch 2 ist ein weiterer Synchrongleichrichter vorgesehen, der ebenfalls invertierend und nicht invertierend ansteuerbar ist. Somit lässt sich eine „Vierquadrantenprüfung" durchführen. Dazu gibt der Controller nacheinander alle vier Bitkombinationen aus, die sich mit den beiden Invertierungssignalen für die beiden Synchrongleichrichter darstellen lassen. Solange der erwartete Vorzeichenwechsel erfolgt und nicht mehr als die üblicherweise zu erwartenden Änderungen der Betragswerte beobachtet werden, ist von einer weitgehenden Defektfreiheit auszugehen.

Solange sich die Änderungen der Betragswerte im aufgrund von Gleichspannungsfehler Nichtlinearitäten usw, zu erwartenden Rahmen bewegen, können diese Tolleranzen gemäß Anspruch 3 durch Mittelwertbildung der Betragswerte eliminiert werden.

Auch eine Ermittlung der Nulllage, d. h. des Ursprungs der Korrelationssignale, ist gemäß Anspruch 4 im laufenden Betrieb möglich.

Zur Erhöhung der Dynamik und der Wertevielfalt der auszuwertenden und zu vergleichenden Korrelationssignale, d. h. der zu verarbeitenden Spannungswerte, kann die Endstufe gemäß Anspruch 5 mit einer vom Controller in einer oder mehreren Stufen herunterschaltbaren Verstärkung realisiert werden. Diese Ansteuerung kann auch als Amplitudenmodulation oder -Umtastung bezeichnet werden. Erfolgen auf eine veränderte Verstärkung entsprechende Änderungen der Spannungen, kann weitgehende Defektfreiheit angenommen werden. Zu Prüfzwecken kann in regelmäßigen Abständen die Verstärkung für eine kurze Zeit herunter geschaltet werden.

Die beschriebenen Vorzeichenwechsel und die Amplitudenmodulation benötigen eine gewisse Zeit, um über alle Filterwirkungen hinweg für den Controller messbar zu werden. Um bei einer Befahrung schnell reagieren zu können, kann gemäß Anspruch 6 mindestens eines der beiden Prüfverfahren, nämlich Vorzeichenwechsel und Amplitudenmodulation, zeitweise ausgesetzt werden. Wird der Vorzeichenwechsel ausgesetzt, kann der letzte Zustand bis auf weiteres bestehen bleiben. Wird die Amplitudenmodulation ausgesetzt, ist die Verstärkung vorzugsweise auf Maximum zu stellen. Sobald das Fahrzeug den Gleisabschnitt verlassen hat, kann wieder mit der vorzeichenvariablen Zweiquadrantenprüfung bzw. Vierquadrantenprüfung und ggf. der Amplitudenmodulation fortgefahren werden.

Weiterhin kann gemäß Anspruch 7 anstelle des Frequenzgenerators ein PLL (Phase Locked Loop)-Element zur Frequenzstabilisierung vorgesehen sein.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand einer figürlichen Darstellung näher erläutert. Es zeigen:
1 ein Blockschaltbild eines Weichensperrkreis-Korrelationsdetektors und
2 ein Quadrantendiagramm.
1 veranschaulicht einen Gleiskreis 1, der einen Schwingkreis aus Induktivitäten bildenden Schienenbereichen 2a und 2b und einem Kondensator 3 bildet. In diesem Gleiskreis 1 wird ein NF-Signal mit einer Frequenz von 20 bis 30 Hz eingekoppelt. Dazu dient ein Controller 4, der über einen Frequenzgenerator 5 und eine Endstufe 6 zur Verstärkung des Frequenzsignals mit dem Gleiskreis 1 verbunden ist. Der vom Controller 4 einstellbare Frequenzgenerator 5 erzeugt zwei Ausgangssignale f_osz und f_osz+90°, die betragmäßig identisch, aber um 90° versetzt sind. Die beiden Ausgangssignale f_osz und f_osz+90° können zwecks Überprüfung auf den Controller 4 zurückgeführt sein. Die Ausgangssignale f_osz und f_osz+90° des Frequenzgenerators 5 sind jeweils über Exklusiv/Oder-Gatter 7 und 7.1 mit Steuereingängen zweier Synchrongleichrichter 8 und 8.1 verbunden, deren Ausgangssignale jeweils über Tiefpassfilter 9 und 9.1 auf den Controller 4 geführt sind. Die Exklusiv/Oder-Gatter 7 und 7.1 werden vom Controller 4 getaktet mit invertierten und nicht invertierten Signalen INV_REAL und INV_IMAG angesteuert, so dass die Synchrongleichrichter 8 und 8.1 abwechseln mit positiven und negativen Steuersignalen beaufschlagt werden.
Das in den Gleiskreis 1 einzukoppelnde Signal ist über einen Spitzenwertgleichrichter 10 als Soll-Wert U_oszSoll auf den Controller 4 geführt. Das aus dem Gleiskreis 1 ausgekoppelte Signal bildet den Signaleingang sowohl des Synchrongleichrichters 8 als auch des Synchrongleichrichters 8.1. In den Synchrongleichrichtern 8 und 8.1 werden die beiden den Eingang und den Ausgang des Gleiskreises 1 repräsentierenden Signale quasi überlagert, so dass über die nachgeschalteten Tiefpassfilter 9 und 9.1 vom Controller 4 auszuwertende und zu vergleichende Korrelationssignale U_Korr und U_Korr+90° erzeugt werden. Dazu führt der Controller 4 mit dem Satz des Pythagoras eine Betragswertberechnung der Korrelationsspannungen U_Korr und U_Korr+90° aus. Durch Betragswertvergleich der invertierten und nicht invertierten und damit vorzeichenverschiedenen Korrelationsspannungen U_Korr und U_Korr+90° können Fehler verschiedenster Art insbesondere aufgrund von Bauteilstreuung oder Bauteilausfall, sofort erkannt werden. Eine weitere Erhöhung der Wertevielfalt kann erreicht werden, indem die Endstufe 6 vom Controller 4 mit einer Amplitudenmodulation angesteuert wird.
Auch ohne Befahrung können bei Ansteuerung zweiter Synchrongleichrichter 8 und 8.1 durch Invertierungssignale INV_REAL und INV_INAG in Verbindung mit zwei verschiedenen Amplituden der Endstufe 6 acht verschiedene Betragswerte U_{KORR_BETRAG} bzw. U_{KORR_BETRAG_MOD} der Korrelationsspannungen U_Korr bzw. U_Korr+90° erzeugt werden, wie 2 in einer Vierquadrantendiagrammdarstellung durch Pfeile zeigt. Die Nulllage, d. h. der Ursprung der Korrelationsspannungen U_Korr und U_Korr+90° wird vom Controller 4 ermittelt, indem U_Korr = OV und U_Korr+90° = OV gesetzt werden.
Fehlerzustände können somit schnell und sicher erkannt und behoben werden. Durch die Ausnutzung der üblichen Fähigkeiten eines Controllers, dem Hinzufügen weniger preisgünstiger Bauteile und entsprechend angepassten Abläufen können wesentlich teuere Schaltungsalternativen vermieden werden.
Letztlich erzeugt der Controller 4 aus den invertierten und nicht invertierten Korrelationsspannungen U_Korr und U_Korr+90° durch Betragswertermittlung ein Ausgangssignal, das eine Frei- oder Besetztmeldung 11 des betrachteten Gleisabschnittes ansteuert. Außerdem kann der Controller 4 mit einem Diagnosemodul 12, welches bestimmte Parameter abfragt und/oder einer Diagnoseeinrichtung 13, welche Controllerzustände auswertet, verbunden sein.

Claims

Schaltungsanordnung zur Überwachung des Belegungszustandes einer Weiche oder eines Gleisbereichs mittels eines Gleiskreises (1), wobei während der Befahrung des Gleiskreises (1) durch ein Schienenfahrzeug eine resultierende Dämpfungs- und Resonanzfrequenzänderung detektierbar ist, mit einem Synchrongleichrichter (8) zur Korrelation in den Gleiskreis (1) eingekoppelter mit aus dem Gleiskreis (1) ausgekoppelten Signalen, der über einen Tiefpassfilter (9) mit einem Controller (4) zur Auswertung des Korrelationssignals (U_Korr) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Controller (4) einen Frequenzgenerator (5) ansteuert, dessen Ausgangssignal über eine Endstufe (6) in den Gleiskreis (1) einkoppelbar ist, dass der Frequenzgenerator (5) ein erstes Steuersignal (f_osz) erzeugt, das über ein erstes vom Controller (4) zyklisch mit Invertierungssignalen (INV_REAL) ansteuerbares Exklusiv/Oder-Gatter (7) auf einen Steuereingang des Synchrongleichrichters (8) geführt ist, dass ein Signaleingang des Synchrongleichrichters (8) mit dem aus dem Gleiskreis (1) ausgekoppelten Signal verbunden ist und dass der Controller (4) Mittel zur Auswertung und zum Vergleich der Betragswerte (U_{KORR_BETRAG}) der invertierten und nicht invertierten Korrelationssignale (U_Korr) aufweist.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Frequenzgenerator ein gegenüber dem ersten Steuersignal (f_osz) um 90° versetztes zweites Steuersignal (f_osz+90°) erzeugt, das auf einen Steuereingang eines zweiten Synchron gleichrichters (8.1), der über einen zweiten Tiefpassfilter (9.1) mit dem Controller (4) verbunden ist, geführt ist, dass dem zweiten Synchrongleichrichter (8.1) ein vom Controller (4) mit Invertierungssignalen (INV_IMAG) ansteuerbares zweites Exklusiv/Oder-Gatter (7.1) vorgeschaltet ist, dass ein Signaleingang des zweiten Synchrongleichrichters (8.1) mit dem aus dem Gleiskreis (1) ausgekoppelten Signal verbunden ist und dass der Controller (4) Mittel zur Auswertung und zum Vergleich der Betragswerte (U_{KORR_BETRAG}) der invertierten und der nicht invertierten Korrelationssignale (U_Korr, U_Korr+90°) aufweist.
Schaltungsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Controller (4) eine erste Einrichtung zur Mittelwertbildung der Betragswerte (U_{KORR_BETRAG}) der Korrelationssignale (U_Korr, U_Korr+90°) aufweist.
Schaltungsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Controller (4) eine zweite Einrichtung zur Ermittlung der Nulllage der Korrelationssignale (U_Korr, U_Korr+90°) aufweist.
Schaltungsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Endstufe (6) vom Controller (4) mit mindestens zwei verschiedenen Verstärkungsstufen zyklisch abwechselnd ansteuerbar ist.
Schaltungsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Controller (4) Mittel zur Aussetzung der Invertierung der Korrelationssignale (U_Korr) und/oder einen Verstärkerstufenwechsels der Endstufe (6) derart aufweist, dass maximal während der Zeit der Befahrung des Gleiskreises (1) ein vorzeichenkonstantes Korrelationssignal (U_Korr) und/oder eine konstante Verstärkungsstufe einstellbar sind.
Schaltungsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass anstelle des Frequenzgenerators (5) ein PLL (Phase Locked Loop)-Element zur Frequenzstabilisierung vorgesehen ist.