DE102015101522A1 - Verfahren zur Regelung von mindestens einem Stellglied eines Druckschutzsystems für ein Schienenfahrzeug - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung von mindestens einem Stellglied eines Druckschutzsystems für ein Schienenfahrzeug. Aufgabe der Erfindung ist es, ein derartiges Verfahren so auszugestalten, dass das Stellglied auf Grundlage einer ausschließlichen Messung des im Schienenfahrzeug relevanten Innendrucks in unterschiedlichen Fahrzuständen exakt geregelt werden kann. Diese Aufgabe wird gelöst, indem der Innendruckverlauf mit einer definierten Frequenz abgetastet wird und die mit dieser definierten Abtastrate gemessenen Innendruckwerte in einen FIFO-Speicher abgelegt werden, wobei weitere gleichartige Zwischenspeicher vorgesehen sind, so dass über eine festgelegte Anzahl an digitalen Fenstern oder Zwischenspeichern verschiedener Länge der gesamte aufgenommene Druckverlauf abschnittsweise ausgewertet und zur Bildung von parametrierbaren Budgets für die jeweils betrachteten Zeitintervalle verwendet wird.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung von mindestens einem Stellglied eines Druckschutzsystems für ein Schienenfahrzeug, wobei das Stellglied den Innendruck auf Basis des zeitlichen Verlaufs des gemessenen Innendrucks beeinflusst, indem als Stellglied eine Armatur zur Variation des Strömungsquerschnittes von Luftansaug- und/oder Luftausblasöffnungen eines einzelnen Wagens oder eines gesamten Zuges vorgesehen ist.
• Ein wichtiger Aspekt der Klimatisierung von Schienenfahrzeugen betrifft neben der Herstellung eines komfortablen Raumklimas die Einhaltung des Druckkomforts. Insbesondere im Hochgeschwindigkeitsbereich müssen Fahrgäste und Fahrpersonal vor zu starken Druckänderungen im Innenraum des Fahrzeugs geschützt werden. Bei Zugbegegnungen, Tunnelfahrten oder auch bei schneller Höhenänderung aufgrund hoher Fahrgeschwindigkeit werden Druckänderungen hervorgerufen, die zu Unbehagen bei den Passagieren führen können oder gar als schmerzhaft empfunden werden. Die Druckänderung im Innenraum ist deshalb zu kontrollieren bzw. zu begrenzen.
• Eine diesbezüglich einfache Variante besteht darin, beim Überschreiten vorab definierter Grenzwerte für Druck bzw. Druckdifferenz die Lufteintrittsöffnungen mit Klappen oder Ventilen vollständig zu schließen. Nachteilig ist jedoch, dass somit die Frischluftzufuhr in das Fahrzeug vollständig unterbrochen ist. Bei Hochgeschwindigkeitsstrecken mit vielen Tunnelabschnitten oder häufigen Begegnungen mit einem Gegenzug wird somit die Luftqualität im Fahrgastraum erheblich beeinträchtigt. Deshalb werden zunehmend sog. Druckschutzsysteme verwendet, die einen wirksamen Druckschutz und eine ausreichend gute Luftqualität gewährleisten.
• Aus DE 38 01 891 C1 ist es bekannt, dass hierfür konventionelle Lüfter mit einer Hochdruckcharakteristik ausgeführt werden, die auf der Frisch- und Abluftseite bezüglich ihrer Drehzahl aufeinander abgestimmt gesteuert werden. Dadurch wird erreicht, dass Druckänderungen im Fahrzeug die zulässigen Werte nicht überschreiten. Allerdings können Probleme auftreten, sofern die Stellgeschwindigkeit infolge der Trägheit der Lüfter nicht hoch genug ist, um die bei hohen Fahrgeschwindigkeiten schnell ablaufenden Druckänderungen auszusteuern.
• In EP 0 579 536 A1 wird eine Ausregelung der Druckänderungen im Schienenfahrzeug durch eine Betätigung von Klappenstellgliedern auf der Frisch- und Abluftseite beschrieben. Somit werden die Nachteile von träge ansprechenden Lüftern vermieden. Bei sehr hohen Druckstößen kann der Luftdurchsatz jedoch bis auf NULL zurückgehen, wodurch das Komfortempfinden der Fahrgäste unangenehm beeinflusst wird.
• Gemäß DE 10 2007 011 452 A1 sind die Druckschutz- und die Luftmengenregelung in einer gemeinsamen Luftkammer baulich integriert. Trotz dieser benachbarten Anordnung werden für die Funktionen Druckschutz und Luftmengenregelung separate Komponenten verwendet, wobei überwiegend ein pneumatisch betriebenes Schnellschließelement und eine elektrisch angetriebene Regulierklappe eingesetzt werden.
• Unabhängig von der jeweils konkreten konstruktiven Ausführung haben sich Systeme mit Druckschutzregulierklappen grundsätzlich bewährt. Für eine optimale Funktionsfähigkeit ist neben qualitativ hochwertigen Baugruppen auch ein in unterschiedlichen Fahrzuständen zuverlässiges Regelverfahren notwendig.
• Bei bisher bekannten Verfahren wird beispielsweise eine sog. Gradientregelung realisiert. Dabei wird der Außendruck am Schienenfahrzeug entweder gegen einen vorab definierten Referenzdruck oder gegen den Innendruck des Fahrzeuges gemessen. Über eine Auswerteeinheit wird somit eine Druckdifferenz ermittelt, die bei Erreichen eines definierten Grenzwertes bzw. bei Überschreiten eines vorgegebenen Differenzwertes eine Betätigung der Druckschutzeinrichtung bewirkt.
• Eine derartige Regelung auf Grundlage einer kombinierter Außen- und Innendruckmessung ist jedoch problematisch, weil der Innendruck grundsätzlich mit dem Außendruck in einer Wirkverbindung steht. Demzufolge ist es bei extremen Einsatzbedingungen möglich, dass der Innendruck dem Außendruck derart schnell nacheilt, dass die Druckdifferenz zwischen Fahrzeuginnenraum und Fahrzeugaußenseite so gering bleibt, dass keine Betätigung der Druckschutzeinrichtung erfolgt, obwohl der Druckgradient erheblich über den eigentlichen Schaltpunkten liegt. Diese Nachteile können überwunden werden, sofern nur der Innendruck als Regelgröße berücksichtigt wird.
• Ein diesbezüglicher Lösungsansatz wird in DE 10 2010 051 662 A1 beschrieben. Hierbei erfolgt eine Überwachung von Druckschutzsystemen für Schienenfahrzeuge alternativ durch Auswertung des Innen- oder Außendruckes. Allerdings ist diese technische Lösung primär als ein Prüfverfahren zur Funktionsfähigkeit von Druckschutzsystemen konzipiert. Hinweise für eine Nutzung im eigentlichen Fahrbetrieb zur Regelung bestimmter Stellglieder innerhalb eines Druckschutzsystems sind nicht erkennbar.
• Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Regelung von mindestens einem Stellglied eines Druckschutzsystems für ein Schienenfahrzeug zu schaffen, wobei das Stellglied auf Grundlage einer ausschließlichen Messung des im Schienenfahrzeug relevanten Innendrucks in unterschiedlichen Fahrzuständen exakt geregelt werden soll.
• Diese Aufgabe wird gelöst, indem der Innendruckverlauf mit einer definierten Frequenz abgetastet wird und die mit dieser definierten Abtastrate gemessenen Innendruckwerte in einen FIFO-Speicher abgelegt werden, wobei weitere gleichartige Zwischenspeicher vorgesehen sind, so dass über eine festgelegte Anzahl an digitalen Fenstern oder Zwischenspeichern verschiedener Länge der gesamte aufgenommene Druckverlauf abschnittsweise ausgewertet und zur Bildung von parametrierbaren Budgets für die jeweils betrachteten Zeitintervalle verwendet wird.
• Die Neuerung der vorgeschlagenen technischen Lösung besteht in der aktiven Beeinflussung des Innendrucks durch dessen direkte Bewertung nach allgemeinen Druckkomfortkriterien, dem Algorithmus zur Generierung des Signals zur Ansteuerung eines stufenlos stellbaren Öffnungsquerschnitts sowie in der erforderlichen schnell und stufenlos regelbaren Luftklappe. Die Volumenströme durch Klappe im geöffneten Querschnitt können bis zu 5000 m³/h betragen, im geschlossenen Zustand ist ein leckagebedingter Volumenstrom von 2,5 m³/h zu unterschreiten.
• Diese neue technische Lösung zielt auf eine aktive Regelung der vom Außendruck beeinflussten Änderung des Innenraumdrucks durch eine fein abgestufte (im Idealfall stufenlose) Änderung des Leckagequerschnitts eines Wagens oder Zuges. Dazu wird der Innenraumdruck zeitlich mit hoher Frequenz (z. B. 1000 Hz) durch einen Drucksensor (absolut oder relativ zu einem festen Bezugsdruck) abgetastet und durch eine Auswerteeinheit bewertet. Die Auswerteeinheit speichert die Sensorwerte für eine spezifizierte maximale Zeitdauer, welche beispielsweise (aber nicht zwingend) dem größten bewerteten Zeitintervall aus UIC660 (Abschnitt 4.6) entspricht. Das verwendete Verfahren wertet über eine festgelegte Anzahl (≥ 1) an gleitenden digitalen Fenstern oder Zwischenspeichern unterschiedlicher Länge den gesamten aufgenommenen Druckverlauf abschnittsweise aus. Auf diese Weise wird die Verwendung von parametrierbaren Budgets für die betrachteten Zeitintervalle ermöglicht. Zur Bildung der Budgets kann beispielsweise die maximale Differenz der in den jeweiligen Fenstern/Zwischenspeichern befindlichen Messwerte oder die im Intervall gemessene maximale lokale zeitliche Ableitung beliebigen Grades verwendet werden. Durch den Vergleich dieser Daten mit einer als zulässig gewerteten parametrierbaren Schwelle wird über festgelegte Algorithmen die Höhe des zur Verfügung stehenden Budgets bestimmt. Die auf diese Weise ermittelten Einzelbudgets können programmatisch priorisiert werden und bestimmen über eine Berechnungsvorschrift die Regelabweichung des Reglers. Der Regler kann dabei als linearer, nichtlinearer oder unstetiger Regler ausgeführt werden. Als Stellglied der Regelung dient eine Armatur zur Variation des Öffnungsquerschnitts des Zuges/Einzelwagens. Zur Erfüllung der Funktion müssen die Auswertung der Innendrucksignale und das Schließen der Klappe sehr schnell erfolgen. Eine Zeitdauer von t ≤ 3 ms für die Bewertung und t < 50 ms für das vollständige Schließen der Klappe aus dem maximal geöffneten Zustand heraus wird dabei als ausreichend erachtet.
• Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben:
  Zur Einstellung des Außenluftvolumenstroms wird eine Anzahl an stufenlos regelbaren, schnell schließenden Drosselklappen oder Proportionalventilen je Wagen verwendet. Eine hohe Dichtheit des Zuges bei geschlossenen Außen- und Fortluftklappen ist vorausgesetzt. Auf diese Weise kann eine signifikante Änderung des Leckagequerschnitts durch die Klappen/Ventile erreicht werden. Durch mindestens eine Auswerteeinheit mit eingebautem Absolutdrucksensor werden Innendruckwerte mit einer Abtastrate von 1 ms gemessen und in einen 60.000 Werte beinhaltenden FIFO-Speicher abgelegt. Die Auswertung der letzten 1.000 Elemente entspricht dabei der Betrachtung der letzten Sekunde der gespeicherten Daten. In gleicher Weise existieren zusätzliche Betrachtungsfenster für 3 s, 10 s und 60 s. Für jedes Fenster wird die Differenz zwischen dem darin enthaltenen minimalen und maximalen Messwert gebildet. Zu jedem Zeitfenster existiert ein eigener parametrierbarer Schwellwert (Maximalbudget, siehe Tabelle 1), welcher sich an den Vorgaben aus UIC Kodex 660 orientiert. Die absolute Differenz zwischen diesem und der ermittelten maximalen Differenz im betrachteten Fenster bestimmt das zur Verfügung stehende Budget. Der Regler im betrachteten Fall ist ein allgemeiner P-Regler und wird über einen programmatisch variierbaren P-Eingang gesteuert (siehe 1). Tabelle 1

  Zeitintervall	1 s	3 s	10 s	60 s
  Maximales Budget (Pa)	500	800	1.000	2.000
  Regel-Untergrenze (Pa)	250	250	250	500
  Regel-Obergrenze (Pa)	400	400	400	1.000

• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
• Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
• Zitierte Patentliteratur
• DE 3801891 C1 [0004]
• EP 0579536 A1 [0005]
• DE 102007011452 A1 [0006]
• DE 102010051662 A1 [0010]
• Zitierte Nicht-Patentliteratur
• UIC660 (Abschnitt 4.6) [0014]
• UIC Kodex 660 [0015]

Claims (8)

1. Verfahren zur Regelung von mindestens einem Stellglied eines Druckschutzsystems für ein Schienenfahrzeug, wobei das Stellglied den Innendruck auf Basis des zeitlichen Verlaufs des gemessenen Innendrucks beeinflusst, indem als Stellglied eine Armatur zur Variation des Strömungsquerschnittes von Luftansaug- und/oder Luftausblasöffnungen eines einzelnen Wagens oder eines gesamten Zuges vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Innendruckverlauf mit einer definierten Frequenz abgetastet wird und die mit dieser definierten Abtastrate gemessenen Innendruckwerte in einen FIFO-Speicher abgelegt werden, wobei weitere gleichartige Zwischenspeicher vorgesehen sind, so dass über eine festgelegte Anzahl an digitalen Fenstern oder Zwischenspeichern verschiedener Länge der gesamte aufgenommene Druckverlauf abschnittsweise ausgewertet und zur Bildung von parametrierbaren Budgets für die jeweils betrachteten Zeitintervalle verwendet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bildung der Einzelbudgets die maximale Differenz der in den jeweiligen digitalen Fenstern oder Zwischenspeichern befindlichen Messwerte verwendet wird, wobei diese Messwerte im Vergleich gegen absolute und/oder relative Größen im Sinne einer als zulässig gewerteten parametrierbaren Schwelle bewertet werden und über festgelegte Algorithmen die Höhe des zur Verfügung stehenden Budgets bestimmen.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bildung der Einzelbudgets die im Intervall gemessene maximale lokale zeitliche Ableitung beliebigen Grades verwendet wird, wobei diese Ableitung im Vergleich gegen absolute und/oder relative Größen im Sinne einer als zulässig gewerteten parametrierbaren Schwelle bewertet wird und über festgelegte Algorithmen die Höhe des zur Verfügung stehenden Budgets bestimmt.
4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die ermittelten Einzelbudgets programmatisch priorisiert werden und über eine Berechnungsvorschrift die Regelabweichung des Reglers bestimmen.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der für die Regelung des Stellgliedes verwendete Regler als ein linearer, nichtlinearer oder unstetiger Regler ausgeführt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenz zur Abtastung des Innendruckverlaufs 1.000 Hz beträgt.
7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Abtastrate zur Messung der Innendruckwerte 1 ms beträgt.
8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der FIFO-Speicher eine Speicherkapazität von 60.000 Messwerten aufweist.

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