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Die
Erfindung betrifft Verfahren zur Kontaktzustandsabfrage, insbesondere
für Relaiskontakte bei Streckenelementen der Bahnsicherungstechnik, sowie
eine Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens.
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Die
nachfolgende Beschreibung bezieht sich im Wesentlichen auf Eisenbahnsicherungstechnik, ohne
dass die Erfindung auf diese spezielle Anwendung beschränkt
sein soll. Vielmehr ist eine Anwendung bei einer Vielzahl von Prozessen
möglich, bei denen auf der Grundlage eines Kontaktzustandes – offen
oder geschlossen – Steuerungsvorgänge ausgelöst
werden.
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Die
Eisenbahnsicherungstechnik wird zukünftig zunehmend durch
ETCS – European Train Control System – geprägt
sein. ETCS ist ein einheitliches Zugbeeinflussungssystem, das die
nationalen Zugbeeinflussungssysteme ablösen soll. Dabei
werden gleisseitig Eurobalisen angeordnet, um Informationen an lokalen
Punkten an ein Fahrzeug zu übertragen. Die Eurobalise wird
bei einer Zugüberfahrt über ein 27 MHz-Tele-powering-Signal
mit Energie versorgt. Während der Aktivierung sendet die
Eurobalise fest in der Balise abgelegte Informationen, z. B. Ortsinformationen,
oder variable Informationen, z. B. Signalinformationen, die mittels
einer LEU – Lineside Electronic Unit – von einem
Signal abgegriffen und an die Balise übertragen werden.
Das Tele-powering-Signal bestromt nur die Eurobalise, nicht aber externe
Systeme, die variable Informationen an die Eurobalise übertragen.
Die für die Balise aufzubereitende Information wird häufig
durch Kontaktzustandsabfrage von Relaiskontakten, die beispielsweise
einen Signalbegriff repräsentieren, ermittelt. Die für
die Kontaktzu standsabfrage notwendige Energie wird bei den durch
ETCS zu ersetzenden Altsysteme, z. B. Indusi in Deutschland und
Signum in der Schweiz, häufig durch Induktion bei der Zugüberfahrt gewonnen.
Diese Art der Energieversorgung entfällt bei ETCS, so dass
als Energiequellen Batterien, Solarzellen mit Akkus als Energiezwischenspeicher oder
die Anzapfung der Lampenströme verwendet werden müssen.
Der Energiebedarf einer Schaltung zur Kontaktzustandsabfrage sollte
daher möglichst gering sein.
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Aus
der
EP 1 172 274 B1 ist
eine Schaltung zur Übertragung eines Signalbegriffes auf
eine Balise bekannt, wobei zur Verringerung des Umrüstaufwandes
vorhandene Komponenten weiter verwendbar sein sollen. Dazu muss
aber die für ETCS vorgesehene Schnittstelle angepasst werden.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Schaltungsanordnung
der gattungsgemäßen Art anzugeben, welche bei
hoher Zuverlässigkeit einen verringerten Energiebedarf
ermöglichen.
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Verfahrensgemäß wird
die Aufgabe dadurch gelöst, dass der Kontakt mit ersten
Abfrageimpulsen einer ersten Abfrageleistung und einer ersten Impulsdauer
und zur Kontaktreinigung mit zweiten Abfrageimpulsen einer zweiten
Abfrageleistung und einer zweiten Impulsdauer beaufschlagt wird.
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Dazu
ist gemäß Anspruch 5 eine Schaltungsanordnung
vorgesehen, bei der eine mit einer Energiequelle verbundene Steuerlogik
zur impulsweisen Ansteuerung eines ersten Schalters zur Beaufschlagung
des Kontaktes mit einer ersten Abfrageleistung einer ersten Impulsdauer
und eines zur Kontaktreinigung vorgesehen zweiten Schalters zur
Beaufschlagung des Kontaktes mit einer zweiten Abfrageleistung einer
zweiten Impulsdauer ausgebildet ist, wobei der Kontaktzustand als
nieder- oder hochohmig charakterisierende Messgröße
an einen Eingang der Steuerlogik gelegt ist.
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Für
eine zuverlässige Kontaktzustandsabfrage ist eine Mindestleistung,
d. h. ein Mindeststrom bei einer Mindestspannung, über
eine Mindestzeit notwendig, wobei diese Parameter vom Relaistyp
abhängig sind.
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Kontakte
von typischen Signalrelais in der Eisenbahnsicherungstechnik befinden
sich in der Regel nicht in einer schützenden Gasatmosphäre.
Folglich kann es durch Umwelteinflüsse und Oxidationen zu
Verschmutzungen der Kontakte kommen. In der Regel können
diese Verschmutzungen durch eine erhöhte Abfrageleistung
durchbrochen werden, wodurch es zu einer Reinigung des Kontaktes
kommt. Gegenüber dem Normalbetrieb sind für Reinigungszwecke
erhöhte Werte für eine Mindestspannung bei einem
Mindeststrom über einer Mindestzeit notwendig. Auch diese
Parameter sind relaistypspezifisch und müssen entsprechend
vorgegeben werden. Die notwendige Abfrageleistung wird in Abhängigkeit
von dem Verschmutzungsgrad des Kontaktes durch Wahl der Abfrageparameter
Spannung, Strom und Impulsdauer flexibel an den Kontaktzustand angepasst.
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Dabei
erfolgt die Abfrage des Kontaktzustandes impulsweise, d. h. jeweils
nach einer vorgegebenen Periodendauer. Die Abfragedauer selbst entspricht
der Impulsdauer. Durch möglichst kurze Impulsdauer und
möglichst lange Periodendauer lässt sich der Energieverbrauch
stark senken. Die Periodendauer ist in Abhängigkeit von
der notwendigen Reaktionszeit des Systems zu wählen. Da
der offene und der geschlossene Kontaktzustand in der Periodendauer
jeweils nur mit angepassten Abfrageimpulsen, definiert durch Spannung,
Strom und Impulsdauer abgefragt werden, lässt sich der
Energieverbrauch an verschie denste systemspezifische Randbedingungen
optimal anpassen. Durch die Parametrierung der hohen Abfrageimpulse
ist sichergestellt, dass oxidierte und verschmutzte Kontakte gereinigt werden.
Die geeignete Parametrierung des niedrigen Abfrageimpulses ermöglicht
eine zuverlässige Abfrage des geschlossenen Kontaktzustandes,
wobei nicht mehr Energie als unbedingt notwendig verbraucht wird.
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Gemäß Anspruch
2 ist vorgesehen, dass der aktuelle Kontaktzustand in einer Zustandsausgabe gespeichert
wird. Auf diese Weise steht die durch den Kontaktzustand repräsentierte
Information, beispielsweise die Signalinformation, kontinuierlich
zur Verfügung. Die Notwendigkeit, dass die Kontaktzustandsabfrage
nicht erst mit der Zugüberfahrt beginnen darf, liegt darin
begründet, dass das Eurobalisensystem bei der Anregung
durch eine Fahrzeugantenne innerhalb einer sehr kurzen Zeit die
streckenseitige Information an das Fahrzeug übertragen muss.
Zusätzliche Verzögerungszeiten, die insbesondere
bei sehr hoher Fahrzeuggeschwindigkeit zu Informationsverlust führen
können, werden auf diese Weise vermieden.
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Bei
einer vorteilhaften Ausführungsform gemäß Anspruch
3 ist vorgesehen, dass der bei Wechsel des Kontaktzustandes zu aktualisierende
Kontaktzustand in einer Zustandsausgabe erst nach mehreren Abfrageimpulsen
und konstantem Kontaktzustand gespeichert wird. Dadurch wird auch
während instabiler Zustände bei Umschaltung des
Kontakts immer eine stabile Information, beispielsweise Signalinformation,
an die Zustandsausgabe, beispielsweise die Eurobalise, übertragen.
Die Kontakte, insbesondere Relaiskontakte, können jederzeit umschalten,
wobei die Umschaltzeit kontaktspezifisch unterschiedlich und durch
Prallen verlängert sein kann. Da die Abfrageschaltung vollkommen
unabhängig von der Zustandsausgabe arbeitet, die beispielsweise
nur durch eine Zugüberfahrt aktiviert wird, können über
die Bewertung mehrerer Abfrageimpulse instabile Zustände
der Kontakte unterdrückt werden.
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Dabei
kann die Zeitdauer der Unterdrückung des neuen Kontaktzustandes
gemäß Anspruch 4 minimiert werden, indem der Kontakt
bei Wechsel des Kontaktzustandes mit mehreren Abfrageimpulsen verringerter
Periodendauer beaufschlagt wird.
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Die
Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens gemäß Anspruch
5 ist mit einer Steuerlogik ausgestattet, welche den gesamten Abfragevorgang
steuert. Zur Stromversorgung dient vorzugsweise eine dezentrale
Energiequelle, da der Energieverbrauch nur gering ist und somit
auf aufwändige über lange Strecken zu verlegende
Energiekabel verzichtet werden kann. Über den ersten Schalter
oder bei Kontaktreinigungsnotwendigkeit über den zweiten
Schalter wird mittels der Steuerlogik die optimale Abfrageleistung
an den abzufragenden Kontakt übertragen. Um den Abfragestrom
auf optimale Werte zu begrenzen, ist zu den beiden Schaltern vorzugsweise
ein entsprechender Widerstand in Reihe geschaltet. Der abgefragte
Kontaktzustand, d. h. niederohmig bei geschlossenem Kontakt oder
hochohmig bei geöffnetem Kontakt, wird durch eine geeignete
Messgröße, insbesondere eine Ausgangsspannung
einer abzufragenden Einheit erkannt und von der Steuerlogik ausgewertet.
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Gemäß Anspruch
6 ist die Steuerlogik über einen ersten Spannungswandler
und einen ersten Energiespeicher mit dem ersten Schalter und über
einen zweiten Spannungswandler und einen zweiten Energiespeicher
mit dem zweiten Schalter verbunden. Über die beiden Spannungswandler
werden die beiden Abfragespannungen erzeugt, wobei die Spannungswandler
nur bei Bedarf von der Steuerlogik eingeschaltet werden, um die
Stromaufnahme der Schaltungsanordnung zu minimieren. Die Energie
für die Kontaktzustandsabfrage wird in den beiden Energiespei chern
zwischengespeichert, wobei die Ausgangsspannung der beiden Energiespeicher von
der Steuerlogik überwacht wird. Unterschreiten die Ausgangsspannungen
der Energiespeicher einen Schwellwert, schaltet die Steuerlogik
den zugehörigen Spannungswandler ein, wodurch die Energiespeicher
wieder aufgeladen werden, bis ein Sollwert erreicht ist.
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Die
Steuerlogik ist gemäß Anspruch 7 vorzugsweise
mit einem Timer ausgestattet, der eine energiesparende Optimierung
von Abfrageimpulszyklen ermöglicht. Die Abfrageimpulse
werden nur bedarfsweise erzeugt. Wenn beispielsweise bekannt ist,
dass sich der Kontaktzustand über einen längeren
Zeitraum nicht ändern wird, wird die Steuerlogik zwischen
den Abfragen in einen Ruhezustand versetzt. Damit wird der Energieverbrauch
weiter reduziert. Über den Timer wird die Steuerlogik für
den nächsten Abfrageimpulszyklus wieder aufgeweckt.
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Vorzugsweise
ist die Steuerlogik gemäß Anspruch 8 zur Abfrage
mehrerer Kontakte ausgebildet, wobei jedem Kontakt ein Schalterpaar
zugeordnet ist. Auf diese Weise können mit einer Steuerlogik mehrere
Signalbegriffe, z. B. rot und grün, d. h. mehrere abzufragende
Einheiten, durch eine Steuerlogik abgefragt werden.
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Gemäß Anspruch
9 ist vorgesehen, dass die Schaltung signaltechnisch sicher ausgebildet
ist, wobei der Kontakt verdoppelt oder zwangsgeführt ist.
In der Eisenbahnsicherungstechnik ist häufig eine in der Norm
EN 50129 definierte signaltechnische Sicherheit gefordert.
Die Abfrageschaltung wird in diesem Fall redundant ausgelegt, wobei
dann auch eine zweikanalige Weitergabe des Kontaktzustandes an die
Zustandsausgabe, beispielsweise die Eurobalise, erfolgt. Darüber
hinaus muss auch die abzufragende Einheit die notwendige Sicherheit
bieten. Dazu ist entweder eine Verdopplung der Kontakte, z. B. in Form
eines antivalenten Kontaktpaares, oder eine Zwangsführung
des Relaiskontaktes mit einem weiteren Relaiskontakt, welcher von
der Steuerlogik überwacht wird, vorgesehen. Im Fehlerfall
nimmt die abzufragende Einheit einen sicheren Zustand ein. Da hierbei
zwischen Kabelbruch und offenem Kontakt nicht unterschieden werden
kann, muss entsprechend dem Ruhestromprinzip der offene Kontakt
den sicheren Zustand des Gesamtsystems repräsentieren.
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Nachfolgend
wird die Erfindung anhand figürlicher Darstellungen näher
erläutert. Es zeigen:
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1 eine
Schaltungsanordnung zur Relaiskontaktabfrage,
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2 zugehörige
Signalverläufe,
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3 eine
Schaltungsanordnung zur Abfrage mehrerer Relaiskontakte und
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4 eine
signaltechnisch sichere Schaltungsanordnung.
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Eine
in 1 veranschaulichte Schaltungsanordnung für
die Abfrage eines Relaiskontaktes 1 in einer abzufragenden
Einheit 2 besteht im Wesentlichen aus einer Steuerlogik 3,
welche einen ersten Schalter 4.1 und einen zweiten Schalter 4.2 ansteuert und
einer Energiequelle 5, beispielsweise einer Batterie oder
Solarzellen, die zur Bestromung der Steuerlogik 3 und der
Schalter 4.1 und 4.2 dient. Den Schaltern 4.1 und 4.2 sind
jeweils Spannungswandler 6.1 und 6.2 und Energiespeicher 7.1 und 7.2 vorgeschaltet
und Widerstände R1 und R2 nachgeschaltet. Ein Ausgangssignal
Ua der abzufragenden Einheit 2 ist zur Auswertung an die
Steuerlogik 3 gelegt, welche den Relaiskontaktzustand – offen
und geschlossen – an eine Zustandsausgabe 8 weiterleitet.
Zusätzlich kann die Steuerlo gik 3 bzw. 3.1 der
signaltechnisch sicheren Ausführung gemäß 4 mit einem
Timer 9 ausgestattet sein, der eine Bestromung der Schaltungsanordnung
bedarfsweise komplett ausschaltet, wenn ein Umschalten des Relaiskontaktes 1 oder 1.1 gemäß 4 für
längere Zeit nicht zu erwarten ist. Prinzipiell muss nur
jede Umschaltung mit Sicherheit und möglichst zeitnah erkannt
werden und an die Zustandsausgabe 8, beispielsweise eine
Eurobalise, übergeben werden. Nach dem Umschalten wird
die neue Information, beispielsweise bezüglich des Signalbegriffs,
nur innerhalb einer begrenzten Zeit ausgegeben. Die aktuelle Information
wird gespeichert und steht somit kontinuierlich für die
Abfrage durch ein überfahrendes Fahrzeug zur Verfügung.
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Die
Schaltungsanordnung realisiert nachfolgend anhand der 1 und 2 beschriebene Funktionen.
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Für
eine zuverlässige Relaiskontaktzustandsermittlung ist ein
Mindeststrom I1 bei einer Mindestspannung U1 über eine
Mindestzeit T1 notwendig, wobei diese Parameter relaistypabhängig
sind. Dazu dient der erste Schalter 4.1, der von der Steuerlogik 3 in
einem bestimmten Puls-Pausen-Verhältnis angesteuert wird. Über
den ersten Widerstand R1 wird der Mindeststrom I1 eingestellt.
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Um
Oxidationen und Verschmutzungen an den Kontaktflächen des
Relaiskontaktes 1 zu durchbrechen, wird die Abfrageleistung
mittels des zweiten Schalters 4.2 bedarfsweise zeitweilig
erhöht. Dazu ist eine Mindestspannung U2 bei einem Mindeststrom
I2 über eine Mindestzeit T2 notwendig. Auch diese Parameter
sind relaistypabhängig.
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In 2 werden
für den Relaiskontakt 1 folgende drei Zustände
angenommen:
- 1. Der Relaiskontakt 1 ist
offen und damit hochohmig.
- 2. Der Relaiskontakt 1 ist geschlossen und unverschmutzt
und damit niederohmig.
- 3. Der Relaiskontakt 1 ist geschlossen und verschmutzt
und damit hochohmig.
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Zusätzlich
wird noch zwischen einem stabilen offenen oder geschlossenen Kontaktzustand – Phase
A – und einem Übergangszustand – Phase
B – während der Relaiskontaktumschaltung unterschieden.
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Die
Kontaktzustandsabfrage erfolgt mit jedem Abfrageimpuls nach einer
Periodendauer P1. Für das Puls-Pausen-Verhältnis
gilt T1/P1 << 1 bzw. T2/P1 << 1. Die systemabhängigen Einstellwerte
T1, T2 und P1 werden dabei zur Verringerung des Energiebedarfs optimiert.
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Während
der Relaiskontakt 1 offen ist, wird über den zweiten
Schalter 4.2 die hohe Abfragespannung U2 periodisch an
den Abfragestromkreis geschaltet. Der Stromfluss ist 0. Zum Zeitpunkt
t1 schließt der Relaiskontakt 1. In dem in 2 dargestellten
Beispiel ist der Relaiskontakt 1 zum Schließzeitpunkt
t1 wegen Verschmutzung weiterhin hochohmig. Der hohe Spannungsimpuls
x bricht die Verschmutzung auf, wodurch der Stromfluss I auf den Wert
I2 ansteigt. Die Steuerlogik 3 erkennt somit den Zustandswechsel
und überprüft nunmehr durch Ansteuerung des ersten
Schalters 4.1 mit weiteren Spannungsimpulsen y1 der reduzierten
Höhe U1 und verringerter Periodendauer P2, ob der Relaiskontakt 1 einen
stabilen Zustand angenommen hat. Um bei Zustandswechsel die Reaktionszeit
zu minimieren, wird in dieser Phase B die verringerte Periodendauer P2
durch die Steuerlogik 3 eingestellt. Erkennt die Steuerlogik 3 einen
stabilen Zustand, werden die Spannungsimpulse y2 wieder mit der
größeren Periodendauer P1 erzeugt. Hierbei fließt
nur noch ein Strom I der Höhe I1.
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3 zeigt
eine modifizierte Schaltungsanordnung, die zur Relaiskontaktzustandsabfrage
von n abzufragenden Einheiten 2.1 bis 2.n geeignet
ist. Dazu sind Baugruppen 10.1 bis 10.n mit den
Energiespeichern 7.1 und 7.2, den Schaltern 4.1 und 4.2 sowie
den Widerständen R1 und R2 ebenfalls n-fach vorhanden.
Die Steuerlogik 3 muss demgemäß mindestens
die Anzahl n von Ein- und Ausgangssignalen verarbeiten können.
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4 veranschaulicht
eine signaltechnisch sichere Variante der in 1 dargestellten
Schaltungsanordnung. In dem Ausführungsbeispiel soll der
Relaiskontakt als zwangsgeführter Relaiskontakt 1.1 ausgebildet
sein. Dabei ist die Zwangsführung mit einem weiteren Relaiskontakt
realisiert, welcher von der entsprechend erweiterten abzufragenden
Einheit 2.1 überwacht wird. Abfrageseitig ist
eine zweite, überwachende Steuerlogik 3.1 vorgesehen,
die die Schnittstellensignale der ersten Steuerlogik 3 überwacht
und so zu einem eigenen Ergebnis des Relaiskontaktzustandes kommt.
Die Zustandsausgabe 8 erhält so den Zustand des
Relaiskontaktes 1.1 zweikanalig und übernimmt
diesen Relaiskontaktzustand nur bei Übereinstimmung auf
beiden Kanälen. Im Fehlerfall sorgt die Steuerlogik 3 für
einen sicheren Zustand, bei dem der Relaiskontakt 1.1 offen
sein soll.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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