DE102018007263A1 - Method and device for controlling and regulating a point heater - Google Patents
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- E—FIXED CONSTRUCTIONS
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- E01B—PERMANENT WAY; PERMANENT-WAY TOOLS; MACHINES FOR MAKING RAILWAYS OF ALL KINDS
- E01B7/00—Switches; Crossings
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zur Steuerung und Regelung einer Weichenheizung (1), wobei die Weichenheizung (1) mindestens ein an zumindest einer Weiche (3) angeordnete Heizeinrichtung (14), zumindest einen Weichentemperatursensor (28) an der zumindest einem Weiche (3), zumindest eine Energieverteilung mit mindestens einem Heizabgang pro Weiche (3) und zumindest eine Steuereinrichtung zum Steuern und Regeln der Weichentemperatur aufweist. Dabei wird insbesondere ein Wärmenetz (26, 27) für das zumindest eine Weichensegment für die linke Seite (5) der zumindest einen Weiche (3) und/oder für die rechte Seite (6) der zumindest einen Weiche (3) gebildet, wobei das Wärmenetz (26, 27) Wärmeerzeugungselemente, Wärmeübertragungselemente und Wärmespeicher (32) aufweist, und Zuordnen des jeweils zumindest ersten Knoten (K) der jeweiligen Abschnitte des zumindest einen Weichensegments zu mindestens einem Bewertungspunkt (37, 38, 39, 40, 41, 42, 43).The present invention relates to a method and a device for controlling and regulating a point heater (1), the point heater (1) comprising at least one heating device (14) arranged on at least one point (3), at least one point temperature sensor (28) on the at least one Switch (3), at least one energy distribution with at least one heating outlet per switch (3) and at least one control device for controlling and regulating the switch temperature. In particular, a heating network (26, 27) is formed for the at least one turnout segment for the left side (5) of the at least one turnout (3) and / or for the right side (6) of the at least one turnout (3), the Has heat network (26, 27) heat generating elements, heat transfer elements and heat storage (32), and assigning the at least first node (K) of the respective sections of the at least one switch segment to at least one evaluation point (37, 38, 39, 40, 41, 42, 43).
Description
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Einrichtung zur Steuerung und Regelung einer Weichenheizung, insbesondere in Abhängigkeit von Witterung, Schienenprofil und Stellung der beweglichen Zungenschiene durch Berechnung und Bewertung der realen Weichentemperaturen an funktionsrelevanten Stellen der Weiche im Winter an mindestens einem Weichensegment zwischen Weichenspitze und Weichenende.The present invention relates to a method and a device for controlling and regulating a point heater, in particular depending on the weather, rail profile and position of the movable tongue rail by calculating and evaluating the real point temperatures at functionally relevant points of the point in winter on at least one point segment between the point tips and point end.
Fahrwegelemente, insbesondere Weichen, von schienengebundenen Fahrzeugen wie Eisenbahnen (Vollbahnen, Nebenbahnen, Schmalspurbahnen) oder Straßenbahnen werden mit Weichenheizungen bedarfsabhängig beheizt, um vor allem im Winter ein Einfrieren der beweglichen Teile bzw. deren Blockieren durch eingedrungenen Schnee und Eis zu verhindern und damit die Betriebssicherheit zu gewährleisten. Bekannte Weichenheizungen beruhen auf Systemen mit Heißwasserdampf, Gasbeheizung oder elektrischer Energie.Track elements, especially switches, of rail-bound vehicles such as railways (full railways, branch lines, narrow-gauge railways) or trams are heated as required with point heaters in order to prevent freezing of the moving parts or their blocking by snow and ice, and thus operational safety, especially in winter to ensure. Known point heaters are based on systems with hot water steam, gas heating or electrical energy.
Durch Weichenheizungen soll im Winter Schnee zwischen den Schienen der Weichen geschmolzen und das Festfrieren der beweglichen Zungenschiene an der festen Backenschiene und den Gleitstuhlplatten sowie das Zusammenpressen von Schnee zwischen den Schienen vermieden werden. Dazu werden Heizeinrichtungen mit spezifischer Leistung von beispielsweise 330 W pro Meter Schiene an den festen Backenschienen der Weiche angeordnet, und bei entsprechender Witterung wird die Heizung durch eine Wetterstation in Betrieb gesetzt und damit die Backenschiene am Standort des Weichentemperatursensors der Weiche bis auf eine Weichensolltemperatur in Zweipunktregelung mit Hysterese erwärmt.In winter, point heaters are used to melt snow between the rails of the points and to prevent the movable tongue rail from freezing to the fixed stock rail and the sliding chair plates, as well as the compression of snow between the rails. For this purpose, heating devices with a specific output of, for example, 330 W per meter of rail are arranged on the fixed stock rails of the turnout, and if the weather permits, the heating is activated by a weather station and thus the stock rail at the location of the turnout temperature sensor except for a setpoint temperature in two-point control warmed with hysteresis.
Die Regelung solcher Weichenheizungen erfolgt herkömmlicherweise mittels eines Weichentemperatursensors an einer zentralen Weiche, der aufgrund der Funktion der Weiche an der unteren Fläche am Backenschienenfuß angeordnet ist. Hierbei besteht der Nachteil, dass im Betrieb nur am Standort des Weichentemperatursensors die Weichentemperatur der Weichensolltemperatur entspricht und die übrigen Teile der Weiche witterungsabhängige und von der Stellung der Zungenschiene, die an der Backenschiene anliegend oder abliegend sein kann, sowohl Temperaturdefizite als auch Temperaturüberschüsse auftreten können, die entweder zum Festfrieren und damit Versagen der Weiche oder zu hohem (unnötigen) Energieverbrauch führen.Such point heaters are conventionally controlled by means of a point temperature sensor on a central point, which is arranged on the lower surface of the stock rail base due to the function of the point. The disadvantage here is that during operation, only at the location of the turnout temperature sensor, the turnout temperature corresponds to the desired turnout temperature and the other parts of the turnout, depending on the weather and on the position of the tongue rail, which can be adjacent or detached from the backrest rail, can cause both temperature deficits and excess temperatures. which either lead to freezing and thus failure of the switch or to high (unnecessary) energy consumption.
Die herkömmlichen Weichenheizungen werden derzeit bei Heizanforderung mit 100 % spezifischer Leistung eingeschaltet und nach Erreichen der Weichensolltemperatur bis zum Erreichen einer Hysterese der realen Weichentemperatur abgeschaltet und wieder eingeschaltet. Die Folge im Heizbetrieb sind Leistungsspitzen zwischen Null und Maximalwert und maßgebliche Temperaturunterschiede den Backenschienen, Zungenschienen und Gleitstuhlplatten der rechten Seite und linken Seite sowie über die Länge der Weiche. Eine sichere Funktion der Weichen im Winter, insbesondere bei Wetterextremen, bei Wind, tiefer Umgebungstemperatur und starken Schneefall im automatischen Betrieb mit dem Stand der Technik nicht möglich.The conventional point heaters are currently switched on when heating is requested with 100% specific output and switched off and on again after reaching the set point temperature until a hysteresis of the real point temperature is reached. The result in heating mode are power peaks between zero and maximum value and significant temperature differences of the stock rails, tongue rails and sliding chair plates on the right and left side as well as over the length of the switch. A reliable function of the turnouts in winter, especially in extreme weather conditions, in wind, low ambient temperature and heavy snowfall in automatic operation is not possible with the state of the art.
Heizeinrichtungen nach dem Stand der Technik sind beispielsweise an den festen Backenschienen der linken und rechten Seite der Weiche auf dem Schienenfuß angeordnet und mit einer spezifischen Leistung von üblicherweise 330 W pro Meter über die gesamte Länge der Weiche ausgeführt. Die Wärmeübertragung auf die Zungenschienen und Gleitstuhlplatten der Weiche erfolgt durch Wärmeleitung bzw. Wärmestrahlung vom Standort der mit einer Heizeinrichtung versehenen Backenschienen. Im Betrieb werden an den Backenschienen und den Zungenschienen an linker Seite und rechter Seite der Weiche in Abhängigkeit der Umgebungsbedingungen und der Weichenstellung, d.h. abliegende bzw. anliegende Zungenschiene, sowie an den Gleitstuhlplatten unterschiedliche reale Weichentemperaturen erreicht. Bei tiefen Umgebungstemperaturen, Wettextremen und/oder Wind bestehen daher erhebliche Erwärmungsdefizite, so dass trotz Heizung funktionsrelevante Stellen der Weiche keine Null Grad bzw. keine positiven Weichentemperaturen erreichen und dadurch der Schnee an diesen Stellen nicht geschmolzen wird. In diesem Fall wird zunächst beim Stellen der Weiche der Schnee zwischen den Schienen, d.h. zwischen Zungenschiene und Backenschiene, verpresst und die Zungenschiene kann beim Stellen nicht mehr die Endlage erreichen bzw. friert fest und die Weiche kann nicht mehr umgestellt werden.Heating devices according to the prior art are arranged, for example, on the fixed stock rails of the left and right sides of the switch on the rail foot and are designed with a specific power of typically 330 W per meter over the entire length of the switch. The heat transfer to the tongue rails and sliding chair plates of the switch takes place by means of heat conduction or heat radiation from the location of the stock rails provided with a heating device. In operation, the switch is used on the stock rails and the tongue rails on the left and right sides depending on the ambient conditions and the switch position, i.e. remote or adjacent tongue rail, as well as different real switch temperatures at the sliding chair plates. At low ambient temperatures, betting extremes and / or wind, there are considerable heating deficits so that, despite heating, functionally relevant points of the switch do not reach zero degrees or positive switch temperatures and the snow is not melted at these points. In this case, when the switch is set, the snow between the rails, i.e. between the tongue rail and stock rail, pressed and the tongue rail can no longer reach the end position when freezing or freezes and the switch can no longer be changed.
Unter Ausnutzung der Analogie zwischen einem elektrischen Strömungsfeld und einem thermischen Strömungsfeld (vgl. Tab. 1) werden Wärmeerzeugungsprozesse, Wärmeübertragungsprozesse und Wärmespeicherprozesse mit aus der Elektrotechnik hinreichend bekannten Netzwerken berechenbar. Die in Wärmenetzen auftretenden Nichtlinearen der Prozesse verlangen ein rechnergestütztes iteratives Lösungsverfahren [1].
Tabelle 1: Analogie zwischen thermischen und elektrischen Strömungsfeldern
In einem Wärmenetz treten Wärmequellen, Wärmewiderstände, Wärmekapazitäten und feste Temperaturen auf. Sie repräsentieren die Wärmeerzeugung, den Wärmetransport, die Wärmespeicherung und die thermischen Randbedingungen. Die in den Leitern und der Kapselung erzeugten Leistungen
WärmeübertragungHeat transfer
In elektrotechnischen Anlagen wird die Leistung durch Strahlung, Wärmeleitung und Konvektion übertragen.In electrical engineering systems, the power is transmitted through radiation, heat conduction and convection.
Strahlung [2] Radiation [2]
Die zwischen zwei Körpern
Wärmeleitung [2] Heat conduction [2]
Nach dem Fourierschen Gesetz der Wärmeleitung ist im stationären Zustand die transportierte Wärmeleistung
Konvektion [3], [4], [5] Convection [3], [4], [5]
Die Wärmeenergie durch Konvektion wird über die Zusammenhänge zwischen den Stoffeigenschaften des Kühlmediums, der Strömung und dem Wärmeübergang auf andere Medien, Anordnungen und Temperaturbereiche berechnet. Dazu werden dimensionslose Ähnlichkeitszahlen
Der Zusammenhang zwischen dem konvektiven Wärmeübergangskoeffizient
Mit dem Newtonschen Wärmeübertragungsgesetz
Der Prozess kann temperaturabhängig m Wärmenetz iterativ berechnet werden.The process can be calculated iteratively depending on the temperature in the heating network.
WärmeleistungenHeat outputs
Durch den Ohmschen Widerstand erwärmen sich alle stromdurchflossenen Abschnitte. Es treten durch den Betriebsstrom Stromwärmeverluste und durch Induktion in der Kapsel Kapselverluste (Hysterese-, Induktions- und Wirbelstromverluste) auf.The ohmic resistance heats up all current-carrying sections. Current heat losses occur due to the operating current and capsule losses due to induction in the capsule (hysteresis, induction and eddy current losses).
StromwärmeverlusteElectricity heat losses
Werden Betriebsmittel vom Strom
WärmekapazitätHeat capacity
Die Wärmekapazität eines Leiterabschnittes geht in die kalorimetrische Gleichung
Die Wärmekapazität
Die aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren und Einrichtungen haben folglich teilweise einen sehr hohen technischen Installations- und Wartungs-Aufwand bei gleichzeitig ungleichmäßiger und/oder unzureichender Beheizung wesentlicher funktioneller Teile von Fahrwegelementen. Es besteht daher die Notwendigkeit, die Nachteile des Standes der Technik zu beseitigen, ohne den technischen Aufwand weiter zu erhöhen.The methods and devices known from the prior art consequently sometimes have a very high technical outlay for installation and maintenance with, at the same time, uneven and / or inadequate heating of essential functional parts of guideway elements. There is therefore a need to eliminate the disadvantages of the prior art without further increasing the technical outlay.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Steuerung und Regelung einer Weichenheizung anzugeben und eine entsprechende Einrichtung bereitzustellen, welche die Nachteile des Standes der Technik überwinden und mit denen ein Mehraufwand für Sensoren vermieden und der damit verbundene Wartungsaufwand verringert wird.The present invention is therefore based on the object of specifying a method for controlling and regulating a point heater and of providing a corresponding device which overcomes the disadvantages of the prior art and with which an additional outlay for sensors is avoided and the associated outlay on maintenance is reduced.
Nachstehend wird die Erfindung im Detail beschrieben. Wenn in der Beschreibung des erfindungsgemäßen Verfahrens gegenständliche Merkmale genannt werden, so beziehen sich diese insbesondere auf die erfindungsgemäße Einrichtung. Ebenso beziehen sich Verfahrensmerkmale, die in der Beschreibung der erfindungsgemäßen Einrichtung angeführt werden, auf das erfindungsgemäße Verfahren.The invention is described in detail below. If objective features are mentioned in the description of the method according to the invention, these relate in particular to the device according to the invention. Method features that are mentioned in the description of the device according to the invention likewise relate to the method according to the invention.
Die vorstehend genannte Aufgabe wird in einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung durch ein Verfahren zur Steuerung und Regelung einer Weichenheizung (
- a) Definieren zumindest eines Weichensegments für die linke Seite (
5 ) der zumindest einen Weiche (3 ) und/oder für die rechte Seite (6 ) der zumindest einen Weiche (3 ) mit einer spezifischen Länge, wobei das Weichensegment der zumindest einen Weiche (3 ) eine Backenschiene (7 ), eine Zungenschiene (8 ), eine Gleitstuhlplatte (9 ) und zumindest eine Heizeinrichtung (14 ) aufweist, und Zerlegen des zumindest einen Weichensegments in einzelne Abschnitte mit jeweils zumindest einem ersten Knoten, der zumindest einer funktionsrelevanten Stelle (19 ) des Weichensegmentes der zumindest einen Weiche (3 ) im Winter entspricht, wobei die funktionsrelevante Stelle (19 ) mindestens einen Bewertungspunkt (37 ,38 ,39 ,40 ,41 ,42 ,43 ) aufweist, wobei das zumindest eine Weichensegment repräsentativ die zumindest eine Weiche (3 ) thermodynamisch abbildet, wobei das zumindest eine Weichensegment in der Nähe des zumindest einen Weichentemperatursensors (15 ,18 ) angeordnet ist, - b) Bilden eines Wärmenetzes (
26 ,27 ) für das zumindest eine Weichensegment für die linke Seite (5 ) der zumindest einen Weiche (3 ) und/oder für die rechte Seite (6 ) der zumindest einen Weiche (3 ), wobei das Wärmenetz (26 ,27 ) Wärmeerzeugungselemente, Wärmeübertragungselemente und Wärmespeicher (32 ) aufweist, und Zuordnen des jeweils zumindest ersten Knoten (K ) der jeweiligen Abschnitte des zumindest einen Weichensegments zu mindestens einem Bewertungspunkt (37 ,38 ,39 ,40 ,41 ,42 ,43 ), wobei alle Knoten (K ) der einzelnen Abschnitte über Maschen zu dem Wärmenetz (26 ,27 ) so verbunden werden, dass die Differenz aller vorzeichenbehafteten Temperaturen gleich Null ist, - c) Berechnen des zeitlichen Verlaufs einer optimalen spezifischen Leistung (
Pop ) des zumindest einen Weichensegments und der jeweiligen optimalen Weichentemperatur an dem zumindest einen ersten Knoten der Weichenheizung (1 ) an dem zumindest einen Weichensegment über eine Leistungsbilanz gemäß eines Knotensatzes, und bei Betrieb Aktivieren dieser optimalen spezifischen Leistung an der zugehörigen Heizeinrichtung (14 ) mittels Produkt aus realer spezifischer Leistung der Heizeinrichtung (14 ), die der maximalen spezifischen Leistung entspricht, und einem Leistungsverhältnis, wobei das Leistungsverhältnis variabel zwischen 25% und 100 % der realen spezifischen Leistung entspricht, - d) Erfassen des zeitlichen Verlaufs der realen Weichentemperatur an dem zumindest einen Weichensegment mit dem zumindest einen Weichentemperatursensor (
28 ) und Korrigieren der berechneten Weichentemperatur an einem der zumindest ersten Knoten des zumindest einen Weichensegments über Leistung Konvektionswärme wenn berechnete Weichentemperatur größer ist als reale Weichentemperatur oder Leistung Strahlungswärme des Wärmenetzes wenn berechnete Weichentemperatur kleiner ist als reale Weichentemperatur, - e) Berechnen der Weichenendtemperatur an zumindest einem zweiten Knoten des zumindest einen Weichensegments und Vergleichen der berechneten Weichenendtemperatur mit einer parametrierten Weichenmindesttemperatur für diesen zumindest einen zweiten Knoten,
wobei bei Nichterreichen der Weichenmindesttemperatur der Weiche (
3 ) eine parametrierbare Weichensolltemperatur um einen Weichensolltemperatur-Korrekturfaktor so lange erhöht wird, bis die jeweilige berechneten Weichenendtemperatur der Weiche (3 ) zumindest der Weichenmindesttemperatur der Weiche (3 ) entspricht, - f) Berechnen der Anheizzeit für das Erwärmen des zumindest einen Weichensegments bis zu der parametrierbaren Weichensolltemperatur der Weiche (
3 ) und Bewerten der berechneten Anheizzeit bei parametrierbarer Weichensolltemperatur, wobei bei einem Defizit die optimale spezifische Leistung erhöht und bei einem Überschuss die optimale spezifische Leistung verringert wird., - g) Berechnen der Anheizzeit für das Erwärmen des zumindest einen Weichensegments bis zu der parametrierbaren Weichenmindesttemperatur der Weiche (
3 ) und Bewerten der erforderliche spezifische Leistung aus Erhaltungsleistung und Schmelzleistung für den bis dahin gefallenen Schnee mit der spezifischen Leistung (P ) bei parametrierbarer Weichenmindesttemperatur, wobei bei einem Defizit die optimale spezifische Leistung erhöht oder eine Meldung „gefallene Schneemenge ist zu groß und wird nicht geschmolzen“ erzeugt wird.
- a) Define at least one turnout segment for the left side (
5 ) of at least one switch (3rd ) and / or for the right side (6 ) of at least one switch (3rd ) with a specific length, the switch segment of the at least one switch (3rd ) a stock rail (7 ), a tongue splint (8th ), a sliding chair plate (9 ) and at least one heater (14 ), and breaking down the at least one turnout segment into individual sections, each with at least one first node, the at least one function-relevant point (19th ) of the turnout segment of the at least one turnout (3rd ) in winter, with the functionally relevant position (19th ) at least one evaluation point (37 ,38 ,39 ,40 ,41 ,42 ,43 ), the at least one switch segment representing the at least one switch (3rd ) depicts thermodynamically, the at least one switch segment in the vicinity of the at least one switch temperature sensor (15 ,18th ) is arranged, - b) forming a heating network (
26 ,27 ) for the at least one turnout segment for the left side (5 ) of at least one switch (3rd ) and / or for the right side (6 ) of at least one switch (3rd ), the heating network (26 ,27 ) Heat generating elements, heat transfer elements and heat storage (32 ) and assigning the at least first node (K ) of the respective sections of the at least one turnout segment for at least one evaluation point (37 ,38 ,39 ,40 ,41 ,42 ,43 ), with all nodes (K ) of the individual sections via meshes to the heating network (26 ,27 ) are connected so that the difference between all signed temperatures is zero, - c) calculating the time course of an optimal specific performance (
P op ) of the at least one turnout segment and the respective optimal turnout temperature at the at least one first node of the turnout heater (1 ) on the at least one turnout segment via a power balance according to a set of nodes, and during operation activating this optimal specific power on the associated heating device (14 ) by means of a product of the real specific performance of the heating device (14 ), which corresponds to the maximum specific power and a power ratio, the power ratio being variable between 25% and 100% of the real specific power, - d) detecting the time course of the real switch temperature on the at least one switch segment with the at least one switch temperature sensor (
28 ) and correcting the calculated switch temperature at one of the at least first nodes of the at least one switch segment via the power of convection heat if the calculated switch temperature is greater than the real switch temperature or the radiant heat output of the heating network if the calculated switch temperature is less than the real switch temperature, - e) calculating the turnout temperature at at least one second node of the at least one turnout segment and comparing the calculated turnout temperature with a parameterized minimum turnout temperature for this at least one second node, if the minimum switch temperature of the switch is not reached (
3rd ) a parameterizable turnout target temperature is increased by a turnout target temperature correction factor until the respective calculated turnout end temperature of the turnout (3rd ) at least the minimum switch temperature of the switch (3rd ) corresponds to - f) calculating the heating-up time for heating the at least one turnout segment up to the parameterizable turnout setpoint temperature of the turnout (
3rd ) and evaluation of the calculated heating-up time with parameterizable set point temperature, whereby the optimal specific power is increased in the case of a deficit and the optimal specific power is reduced in the case of a surplus., - g) calculating the heating-up time for heating the at least one switch segment up to the parameterizable minimum switch temperature of the switch (
3rd ) and evaluating the required specific performance from maintenance performance and melting performance for the snow that has been fallen up to that point with the specific performance (P ) with configurable minimum switch temperature, whereby in the event of a deficit the optimal specific output increases or a message "fallen amount of snow is too large and will not melt" is generated.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es möglich, eine Weichenheizung (
Das erfindungsgemäße Verfahren ist grundsätzlich dazu ausgelegt, das erfindungsgemäße Wärmenetzmodell alleine mit einem Weichensegment für die linke Seite (
Besonders bevorzugt ist es jedoch, wenn das erfindungsgemäße Wärmenetzmodell mit jeweils einem Weichensegment für die linke Seite (
Darüber hinaus kann die bei Betrieb der Weichenheizung (
Erfindungswesentlich ist, dass die gesamte Weiche (
In kalten Wintern bzw. bei extremen Wetterbedingungen wird durch die vorliegende Erfindung die Verfügbarkeit der Weichenheizung erhöht, wohingegen in milden Wintern oder Wetterperioden ohne extreme Wetterbedingungen deutliche Energieeinsparungen realisiert und Leistungsspitzen im Netz vermieden werden können.In cold winters or in extreme weather conditions, the availability of the point heater is increased by the present invention, whereas in mild winters or weather periods without extreme weather conditions, significant energy savings can be realized and power peaks in the network can be avoided.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird in Abhängigkeit vorhandener oder vorgegebener projektspezifischer Parameter bzw. Witterungsbedingungen durchgeführt, mittels des erfindungsgemäßen Wärmenetzmodells für jeweils ein Weichensegment für anliegende (an) und abliegende (ab) Zungenschiene (
Die bei Betrieb erforderliche Leistung der Heizeinrichtungen (
Über den gesamten Winter (d.h. über die wesentliche Einsatzperiode der Weichenheizung (
Wenn aufgrund von Wettervorhersagen mit der maximalen spezifischen Leistung der Heizeinrichtungen (
Bei Beginn des Betriebes aufgrund einer Heizanforderung „Vorheizen“, beispielsweise durch Schneefall, werden vorzugsweise ein erstes Paar Heizeinrichtungen (
Ein Weichensegment wird in der Nähe eines Weichentemperatursensors (
Die Berechnung erfolgt mittels erfindungsgemäßem Wärmenetzmodell für ein Weichensegment unter Verwendung eines Mikrocontrollers für eine Weiche (
Für den speziellen Fall, dass für das Verfahren noch keine Heizanforderung und eine Wetterwarnung vorliegt, umfasst das erfindungsgemäße Verfahren Ferner Schritt
- h) Berechnen der spezifischen Schmelzleistung für die während der Anheizzeit am Weichensegment berechneten Schneemenge aus einer gemeldeten Schneehöhe pro Zeiteinheit und Berechnen der spezifischen Erhaltungsleistung zur Erhaltung der Schmelztemperatur an dem Weichensegment und Vergleich der Summe dieser mit der realen spezifischen Leistung der Heizeinrichtung (
14 ) und, wenn die reale spezifische Leistung der Heizeinrichtung (14 ) geringer ist, Aktivieren der Weichenheizung (1 ) mit einer zweiten Weichensolltemperatur, die so groß ist, dass bei Betrieb die spezifische Leistung der Heizeinrichtung (14 ) zumindest gleich der Summe aus spezifischer Schmelzleistung und Erhaltungsleistung ist.
- h) Calculation of the specific melting capacity for the amount of snow calculated during the heating-up period on the switch segment from a reported snow depth per unit of time and calculation of the specific maintenance output for maintaining the melting temperature on the switch segment and comparing the sum of these with the real specific output of the heating device (
14 ) and if the real specific performance of the heater (14 ) is lower, activate the point heater (1 ) with a second set point temperature that is so high that the specific output of the heating device (14 ) is at least equal to the sum of the specific melting performance and the maintenance performance.
In einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens umfassen die Wärmeerzeugungselemente die spezifische Leistung der zumindest einen Heizeinrichtung (
In Schritt f) des erfindungsgemäßen Verfahrens kann vorzugsweise
die Anheizzeit für das Erwärmen des zumindest einen Weichensegments aus der Summe einzelner Heizzeiten für das zumindest eine Weichensegment für dessen Erwärmen, für das Schmelzen von Schnee und für das Verdampfen von Wasser an diesem berechnet wird, und/oder
die Anheizzeit durch Erhöhen des Leistungsverhältnisses und/oder Umschalten von Regelbetrieb auf Dauerbetrieb erhöht und/oder durch Verringern des Leistungsverhältnisses verringert wird.In step f) of the method according to the invention can preferably
the heating-up time for heating the at least one turnout segment is calculated from the sum of individual heating times for the at least one turnout segment for heating it up, for melting snow and for evaporating water on it, and / or
the heating-up time is increased by increasing the power ratio and / or switching from control mode to continuous operation and / or is reduced by reducing the power ratio.
Bei hoher Anheizzeit, bspw. größer als 20 Minuten, ist die Funktion der Weiche (
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das erfindungsgemäße Verfahren bei aktiver Heizung ferner die Schritte
- i) Berechnen einer Schmelzleistung für gefallenen Schnee in einer parametrierbaren Zeitspanne und Vergleichen dieser Schmelzleistung mit der Differenz aus spezifischer Leistung und einer berechneten Erhaltungsleistung, wobei bei einem Defizit der spezifischen Leistung die Leistung erhöht und/oder ein Dauerheizen begonnen und/oder eine erste Warnmeldung ausgegeben wird, und/oder
- j) Vergleichen der berechneten Anheizzeit mit einer parametrierten maximalen Anheizzeit, wobei bei einem Defizit der spezifischen Leistung die Leistung erhöht und/oder ein Dauerheizen begonnen und/oder eine zweite Warnmeldung ausgegeben wird, und/oder
- k) Berechnen der Schneehöhe aus der Differenz aus gefallener Schneehöhe und geschmolzener Schneehöhe pro Zeiteinheit und Vergleichen der berechneten Schneehöhe mit einer parametrierbaren maximal zulässigen Schneehöhe, wobei bei einem Defizit der spezifischen Leistung die Leistung erhöht und/oder ein Dauerheizen begonnen und/oder eine dritte Warnmeldung ausgegeben wird.
- i) Calculating a melting capacity for fallen snow in a parameterizable period of time and comparing this melting capacity with the difference between the specific capacity and a calculated maintenance capacity, the capacity increasing and / or continuous heating being started and / or a first warning being output if the specific capacity is deficient will, and / or
- j) comparing the calculated heating-up time with a parameterized maximum heating-up time, the output being increased in the event of a deficit in the specific power and / or continuous heating being started and / or a second warning message being output, and / or
- k) Calculating the snow depth from the difference between the fallen snow depth and the melted snow depth per unit of time and comparing the calculated snow depth with a parameterizable maximum permitted snow depth, whereby if there is a deficit in the specific power, the power increases and / or continuous heating begins and / or a third warning message is issued.
Im Stand der Technik wird bei Heizanforderung im Regelbetrieb geheizt und bei langer Anheizzeit ab tiefen Umgebungstemperaturen kann die Schneemenge nicht geschmolzen werden. Dadurch wird die Weiche zugeschneit und ist nicht mehr stellbar. Vorteil der Erfindung ist die Vermeidung des Zuschneiens der Weiche im Betriebstemperaturbereich.In the prior art, heating is required in normal operation when the heating is requested and the amount of snow cannot be melted when the heating time is long from low ambient temperatures. As a result, the turnout is snowed over and is no longer adjustable. The advantage of the invention is that the switch is prevented from being covered with snow in the operating temperature range.
Vorteilhafterweise kann das Berechnen der Anheizzeit in Schritt f) die Unterschritte umfassen
- f1) Berechnen der Totzeit für das zumindest eine Weichensegment aus dem zeitlichen Verlauf der Weichentemperatur der Weiche (
3 ) bei optimaler oder realer spezifischer Leistung, - f2) Berechnen der Zeit
tA1 zum Erwärmen des zumindest einen Weichensegments von der Weichentemperatur der kalten Schiene der Weiche (3 ) und der Schmelztemperatur bis zur Weichenmindesttemperatur an zumindest einen Knoten, - f3) Berechnen der Zeit
tA2 zum Schmelzen der Schneemenge während des Schritts f2) aus der Differenz aus vorhandener spezifischer Leistung abzüglich der Leistung zur Erhaltung der Weichenmindesttemperatur des zumindest einen Weichensegments, - f4) Berechnen der Zeit
tA3 zum Schmelzen des gefallenen Schnees während des Schritts f3) aus der Differenz aus vorhandener spezifischer Leistung abzüglich der Leistung zur Erhaltung der Weichenmindesttemperatur des zumindest einen Weichensegments, - f5) Berechnen der Zeit
tA4 zum Erwärmen des zumindest einen Weichensegments von der Differenz Weichenmindesttemperatur bis zur Weichensolltemperatur an den Knoten mit dem Weichentemperatursensor der Weiche (3 ), - f6) Berechnen der Zeit
tA5 zum Schmelzen des gefallenen Schnees während des Schritts f5) aus der Differenz aus vorhandener spezifischer Leistung abzüglich der Leistung zur Erhaltung der Weichenmindesttemperatur des zumindest einen Weichensegments.
- f1) calculating the dead time for the at least one turnout segment from the time course of the turnout temperature of the turnout (
3rd ) with optimal or real specific performance, - f2) Calculating the time
t A1 for heating the at least one turnout segment from the turnout temperature of the cold rail of the turnout (3rd ) and the melting temperature up to the minimum switch temperature at at least one node, - f3) Calculating the time
t A2 for melting the amount of snow during step f2) from the difference from the existing specific power minus the power for maintaining the minimum switch temperature of the at least one switch segment, - f4) Calculating the time
t A3 for melting the fallen snow during step f3) from the difference from the existing specific power minus the power for maintaining the minimum switch temperature of the at least one switch segment, - f5) Calculating the time
t A4 for heating the at least one turnout segment from the difference between the minimum switch temperature and the setpoint temperature at the nodes with the turnout temperature sensor of the turnout (3rd ), - f6) Calculating the time
t A5 for melting the fallen snow during step f5) from the difference from the existing specific power minus the power for maintaining the minimum switch temperature of the at least one switch segment.
Das vorstehend beschriebene Berechnen der Anheizzeit in Schritt f) ermöglicht ein Überwachen und frühzeitiges Melden von Funktionsdefiziten der Weichenheizung (
Ein Teilaspekt des erfindungsgemäßen Verfahrens bezieht sich auf eine Ermittlung der Betriebsgrenze Umgebungstemperatur (
- - Berechnen der optionalen Weichenendtemperaturen an zwei spezifischen Knoten des zumindest einen Weichensegments, welche dem Kopf-Backenschiene (
20 ) und dem Kopf-Zungenschiene (21 ) als funktionsrelevante Stellen (19 ) der zumindest einen Weiche (3 ) entsprechen, wobei von der Weichenmindesttemperatur die berechneten Weichentemperaturen Kopf-Backenschiene und Kopf-Zungenschiene subtrahiert werden und die geringste davon der Betriebsgrenze-Umgebungstemperatur entspricht.
- - Calculating the optional turnout end temperatures at two specific nodes of the at least one turnout segment, which the head-stock rail (
20th ) and the head-tongue rail (21 ) as functionally relevant positions (19th ) of at least one switch (3rd ), whereby the calculated switch temperatures of head-rail and head-tongue rail are subtracted from the minimum switch temperature and the lowest of these corresponds to the operating limit ambient temperature.
Ein erfindungsgemäßer Vorteil ist, dass vorhandene Weichenheizungen an die veränderten Witterungsbedingungen individuell und optimal angepasst werden können.An advantage according to the invention is that existing point heaters can be individually and optimally adapted to the changed weather conditions.
Ein anderer Teilaspekt des erfindungsgemäßen Verfahrens bezieht sich auf eine Ermittlung der Betriebsgrenze Schneemenge (
- - Berechnen einer spezifischen Erhaltungsleistung bei Weichenmindesttemperatur
Tmin der Weiche (3 ), zuzüglich einer Weichenmindesttemperatur (TW-min ) ToleranzΔTmin , am Backenschienenfuß, einer Schmelzleistung für die maximale Schneemenge oder die bis dahin erfasste Schneemenge sowie einer Verdampfungsleistung für Schmelzwasser, und Vergleich der Summe daraus mit der erforderlichen spezifischen Leistung der Heizeinrichtung (29 ) des zumindest einen Weichensegments, wenn die erforderliche spezifische Leistung der Heizeinrichtung kleiner ist als die Summe aus Erhaltungsleistung und Schmelzleistung und Verdampfungsleistung Betriebsgrenze Schneehöhe überschritten ist. Ein weiterer Teilaspekt des erfindungsgemäßen Verfahrens bezieht sich auf eine projektspezifische Dimensionierung der Heizeinrichtungen (29 ) und deren erforderlicher spezifischer Leistung, umfassend - Berechnen einer spezifischen Leistung (P ) der Heizeinrichtung zum Erreichen einer Weichensolltemperatur der Weiche (3 ) am Standort des Weichentemperatursensors und einer minimalen WeichentemperaturTw-min der Weiche (3 ) an mindestes einem Kopf-Backenschiene (20 ) und/oder einem Kopf-Zungenschiene (21 ) für das zumindest eine Weichensegment über Berechnen der Summe aus Wärmeleitung, Strahlung und Konvektion in die Umgebung, Wärmekapazität und Latenter Wärme bei Schnee und Beregnung, bei vorhandenen Betriebsgrenzwerten aus minimaler Umgebungstemperatur, Schienenprofil, maximaler Windgeschwindigkeit und maximaler Schneehöhe pro Stunde, und - - Erhöhen der spezifischen Leistung, wenn die berechnete reale spezifische Leistung kleiner ist als die spezifische Leistung, die der erforderlichen Schmelzleistung der in der Anheizzeit, die ab minimaler Umgebungstemperatur bis zum Erreichen einer
Schienentemperatur von mindestens 0 °C berechnet wird, für die Schneemenge, die sich aus dem Produkt aus Anheizzeit und Schneehöhe pro Stunde ergibt, und der Verdampfungsleistung von restlichem Schmelzwasser und der erforderlichen spezifischen Erhaltungsleistung für eineSchienentemperatur von 0 °C an den funktionsrelevanten Stellen des zumindest einen Weichensegments entspricht.
- - Calculate a specific maintenance performance at minimum switch temperature
T min the soft (3rd ), plus a minimum switch temperature (T W-min ) ToleranceΔT min , on the stock rail base, a melting capacity for the maximum amount of snow or the amount of snow recorded up to that point, and an evaporation capacity for melting water, and comparison of the sum thereof with the required specific capacity of the heating device (29 ) of the at least one turnout segment if the required specific output of the heating device is less than the sum of the maintenance output and the melting output and the evaporation output operating limit of snow depth is exceeded. Another aspect of the method according to the invention relates to project-specific dimensioning of the heating devices (29 ) and their required specific performance, comprising - calculating a specific performance (P ) of the heating device to achieve a set point temperature of the turnout (3rd ) at the location of the turnout temperature sensor and a minimum turnout temperatureT w-min the soft (3rd ) on at least one head-stock rail (20th ) and / or a head-tongue rail (21 ) for the at least one turnout segment by calculating the sum of heat conduction, radiation and convection into the environment, heat capacity and latent heat in snow and irrigation, with existing operating limit values from minimum ambient temperature, rail profile, maximum wind speed and maximum snow depth per hour, and - - Increase the specific output if the calculated real specific output is less than the specific output, the required melting output in the heating-up time, which is calculated from the minimum ambient temperature until a rail temperature of at least 0 ° C is reached, for the amount of snow arises from the product of heating time and snow depth per hour, and corresponds to the evaporation capacity of the remaining melt water and the required specific maintenance capacity for a rail temperature of 0 ° C at the functionally relevant points of the at least one turnout segment.
Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass Weichenheizungen (
In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens
- - bei Betrieb der Weichenheizungsanlage (
1 ) ein Einstellen der optimalen spezifischen Leistung für die Heizeinrichtungen (29 ), die dem Produkt aus spezifischer Leistung und einemLeistungsverhältnis von 25% bis 100 % entspricht, über die jeweiligen Schaltgeräte zum Einschalten und Ausschalten der Heizeinrichtungen (29 ) mittels Verändern der Einschaltdauer oder der Frequenz oder der Pulsweite oder Wellenpaketsteuerung oder Gruppenbetrieb erfolgt, und/oder - - das Leistungsverhältnis zwischen 25
% und 100 % beträgt, wobei bei Betrieb der Weichenheizungsanlage (1 ) die spezifische LeistungP der linken Seite (5 ) der Weiche (3 ) und der rechten Seite (6 ) der Weiche (3 ) maximal dem Mittelwert und/oder Meridian der spezifischen Leistung der Heizeinrichtung (29 ) entspricht, und/oder - - bei Betrieb der Weichenheizungsanlage (
1 ) die berechnete spezifische Leistung Pop für die linke Seite (5 ) der Weiche (3 ) und die rechte Seite (6 ) der Weiche (3 ) maximal der spezifischen Leistung (P ) der Heizeinrichtungen (29 ) entspricht, oder eine spezifische Leistungsdifferenz für die linke Seite (5 ) der Weiche (3 ) oder die rechte Seite (6 ) der Weiche (3 ) aus der Differenz von spezifischer Leistung (P ) der Heizeinrichtungen (14 ) abzüglich berechneter spezifischer Leistung (Pop ) berechnet wird und bei positiver spezifischer Leistungsdifferenz der linken Seite (5 ) der Weiche (3 ) oder der rechten Seite (6 ) der Weiche (3 ) diese spezifische Leistungsdifferenz der jeweiligen anderen Seite der Weiche (3 ) zusätzlich zur spezifischen Leistung (P ) der Heizeinrichtung (14 ) zu Verfügung gestellt wird, so dass ein gleichmäßiger zeitlicher Verlauf der Schienentemperaturen der Weiche (3 ) an der linken Seite (5 ) der Weiche (3 ) und an der rechten Seite (6 ) der Weiche (3 ) an den funktionsrelevanten Stellen der Weiche (3 ) erfolgt.
- - when operating the point heating system (
1 ) setting the optimal specific power for the heaters (29 ), which corresponds to the product of specific performance and a performance ratio of 25% to 100%, via the respective switching devices for switching the heating devices on and off (29 ) by changing the duty cycle or the frequency or the pulse width or wave packet control or group operation, and / or - - the performance ratio is between 25% and 100%, whereby when operating the point heating system (
1 ) the specific performanceP the left side (5 ) the switch (3rd ) and the right side (6 ) the switch (3rd ) maximum the mean and / or meridian of the specific performance of the heating device (29 ) corresponds, and / or - - when operating the point heating system (
1 ) the calculated specific power Pop for the left side (5 ) the switch (3rd ) and the right side (6 ) the switch (3rd ) maximum of specific performance (P ) of the heating devices (29 ) or a specific power difference for the left side (5 ) the switch (3rd ) or the right side (6 ) the switch (3rd ) from the difference of specific performance (P ) of the heating devices (14 ) minus calculated specific performance (P op ) is calculated and if there is a positive specific power difference on the left side (5 ) the switch (3rd ) or the right side (6 ) the switch (3rd ) this specific power difference of the other side of the switch (3rd ) in addition to the specific performance (P ) of the heating device (14 ) is made available, so that the rail temperatures of the turnout (3rd ) on the left side (5 ) the switch (3rd ) and on the right side (6 ) the switch (3rd ) at the functionally relevant points of the switch (3rd ) he follows.
Die vorstehend genannte Aufgabe wird in einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung durch eine Einrichtung zur Steuerung und Regelung einer Weichenheizung (
- - eine CPU zur Berechnung der Weichentemperaturen der Weiche (
3 ) für zumindest ein Weichensegment, die mit der Steuereinrichtung über Kommunikationsmittel verbunden ist, - - zumindest einen abseits der Weiche (
3 ) angeordneten Anschlusskasten, der mindestens ein Schaltgerät aufweist, das über Leitungen mit den Heizeinrichtungen (29 ) der Weiche (3 ) verbunden sind, sowie Messmittel zur zeitlichen Erfassung von Betriebsstrom, Spannung und Isolationswiderstand und Mittel zur Begrenzung der maximalen Leistung aufweist, - - zumindest ein Kommunikationsmittel, das in dem Anschlusskasten angeordnet und mit der Steuereinheit verbunden ist,
- - zumindest einen Niederschlagsensor zur Erfassung von Niederschlagsart und Niederschlagsmenge, der mit der Steuereinheit verbunden ist.
- - a CPU for calculating the switch temperatures of the switch (
3rd ) for at least one turnout segment, which is connected to the control device via communication means, - - at least one off the switch (
3rd ) arranged junction box, which has at least one switching device that connects to the heating devices (29 ) the switch (3rd ) are connected, as well as measuring means for the temporal recording of operating current, voltage and insulation resistance and means for limiting the maximum power, - at least one communication means, which is arranged in the connection box and connected to the control unit,
- - At least one precipitation sensor for recording the type and amount of precipitation, which is connected to the control unit.
Die erfindungsgemäße Einrichtung weist grundsätzlich die gleichen Vorteile auf wie das erfindungsgemäße Verfahren. Insbesondere stellt die die erfindungsgemäße Einrichtung die apparative Grundlage bereit, um eine Weiche (
Weitere Ziele, Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von die Erfindung nicht einschränkenden Ausführungsbeispielen anhand der Figuren. Dabei bilden alle beschriebenen und/oder bildlich dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination den Gegenstand der Erfindung, auch unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Ansprüchen oder deren Rückbeziehung. Es zeigen:
-
0 eine schematische Draufsicht auf eine Weiche3 , -
1 eine schematische Schnittdarstellung eines Weichensegmentsmit anliegender Zungenschiene 10 und abliegender Zungenschiene11 , -
2 eine zeitliche Darstellung der Erwärmung einer Weiche3 mit einer Weichenheizung entsprechend dem Stand der Technik, -
3 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Wärmenetzes26 ,27 für einWeichensegment der Weiche 3 bestehend aus Backenschiene 7 ,Zungenschiene 8 ,Gleitstuhlplatte 9 und Heizeinrichtung14 , -
4 ein Modell zur Berechnung der Anheizzeit mit und/ ohne Schnee, -
5 ein Beispiel für einen Programmablaufplan zur Dimensionierung der Leistung einer Heizeinrichtung14 in Abhängigkeit projektspezifischer Betriebsgrenzwerte. -
6 ein Beispiel für einen Programmablaufplan zur Bewertung der Funktion der Weichenheizung1 in Abhängigkeit der Witterung und damit Nachweis der Verfügbarkeit der Weiche3 im Winter mit vorhandener Leistung der Heizeinrichtung14 und -
7 ein Beispiel für einen Programmablaufplan (zur besseren Übersicht auf zwei Seiten verteilt) zur Steuerung und Regelung einer erfindungsgemäßen Weichenheizung1 .
-
0 a schematic plan view of a switch3rd , -
1 is a schematic sectional view of a switch segment with adjacent tongue rail10th andremote tongue rail 11 , -
2nd a temporal representation of the heating of a switch3rd with a point heater according to the state of the art, -
3rd is a schematic representation of a heating network according to theinvention 26 ,27 for a turnout segment of the turnout3rd consisting ofstock rail 7 , Tongue rail8th , Slidingchair plate 9 andheating device 14 , -
4th a model for calculating the heating time with and / without snow, -
5 an example of a program flow chart for dimensioning the performance of aheating device 14 depending on project-specific operating limits. -
6 an example of a program flow chart for evaluating the function of thepoint heating 1 depending on the weather and thus proof of the availability of the switch3rd in winter with the heating system available14 and -
7 an example of a program flow chart (distributed over two pages for a better overview) for the control and regulation of a point heater according to theinvention 1 .
Nachstehend wird die Erfindung im Detail beschrieben, wobei diese Beschreibung anhand konkreter Ausführungsformen den Schutzbereich der Patentansprüche nicht einschränkt.The invention is described in detail below, this description not restricting the scope of protection of the patent claims on the basis of specific embodiments.
Um mit möglichst wenigen Weichentemperatursensoren
Die erfindungsgemäße Lösung der vorstehend genannten Aufgaben erfolgt mit einer thermischen Modellierung des Temperaturverlaufs mit Aufteilung der Weiche
Bei der Dimensionierung wird die erforderliche spezifische Leistung der Heizeinrichtung
Dafür soll für lokale, projektspezifische und charakteristische ungünstigste Umgebungsbedingungen und alle Typen von Weichen
Diese Ermittlung erfolgt derart, dass u.a. für ein bestimmtes Schienenprofil, z.B. R54, minimale Umgebungstemperaturen und maximale Schneemenge vorgegeben werden und für funktionsrelevante Stellen
- - Weichenprofil, z.B. R54 mit unterschiedlichen Abmessungen und Gewicht an
Weichenspitze 16 ,Weichenmitte 17 und Weichenende18 , - - Schienensolltemperatur
TSoll der Weiche3 , - - Schienenmindesttemperatur
Tmin der Weiche3 und/oder minimale UmgebungstemperaturTU-min , - - maximale Schneemenge
hS-max , - - maximale Anheizzeit beheizte Schiene
tAn-max , - - maximale Windgeschwindigkeit
umax .
- - Turnout profile, e.g. R54 with different dimensions and weight at
turnout tip 16 , Switch center17th and point end18th , - - Target rail temperature
T target the soft3rd , - - Minimum rail temperature
T min the soft3rd and / or minimum ambient temperatureT RPM , - - maximum amount of snow
h S-max , - - maximum heating time of the heated rail
t An-max , - - maximum wind speed
u max .
Das Berechnen der Endwerte der Verlustleistungen für das Weichensegment rechte Seite
Aus maximaler Schneemenge
Eine erfolgreiche Funktion der erfindungsgemäßen Weichenheizung
Damit für alle Weichentypen nur ein Programm erforderlich ist, erfolgt die Bewertung an typischen Weichensegmenten für die linke Seite
geschmolzene Schneemenge während der Anheizzeit
melted amount of snow during the heating time
Mit dem Berechnungsverfahren in Verbindung mit einer Einrichtung zu Steuerung und Regelung können folgende Maßnahmen zur Gewährleistung der Funktion der Weiche
Einstellen der berechneten optimalen Leistung der Heizeinrichtung
Anordnung von zusätzlichen Heizeinrichtungen
Bei mittels Berechnungsverfahren prognostizierten Defiziten der Weichentemperaturen der Weiche
Zur erfolgreichen Funktion der erfindungsgemäßen Weichenheizung
Heizeinrichtung-Bestückungsvarianten sind:
- Heizeinrichtung
14 anden Backenschienen 7 und zusätzliche Heizeinrichtung29 anden Zungenschienen 8 und bei Beginn des Betriebes Anheizen vonersten Schienen mit 100 % spezifischer Leistung der Heizeinrichtung14 , wobei ersteSchienen Backenschienen 7 oder Zungenschiene 8 oder Gleitstuhlplatten 9 sein können, und bei Erreichen der SchienensolltemperaturTSoll derWeiche 3 an der ersten Schiene Reduzieren der jeweiligen spezifischen Leistung der Heizeinrichtung14 oder29 auf maximal spezifische ErhaltungsleistungPErh oder geringer oder Ausschalten derselben und Aktivieren der zusätzlichen Heizeinrichtung29 ander Zungenschiene 7 oder den Gleitstuhlplatten 9 mit der verbleibenden spezifischen Leistung ab dieser Zeit und nur in denHeizpausen der Heizeinrichtung 14 der ersten Schienen bspw. über Gruppenbetrieb während zyklischer Taktzeiten bei elektrischen Heizstäben.
-
Heating device 14 on the stock rails7 andadditional heating device 29 on the tongue rails8th and at the start of operation, heating up the first rails with 100% specific output of theheating device 14 , with firstrails stock rails 7 or tongue rail8th or slidingchair plates 9 can be, and when the target rail temperature is reachedT target the soft3rd on the first rail, reduce the respective specific output of theheating device 14 or29 to maximum specific maintenance performanceP Erh or less or turn them off and activate theadditional heater 29 on thetongue rail 7 or the slidingchair plates 9 with the remaining specific power from this time and only during the heating breaks of theheating device 14 the first rails, for example via group operation during cyclical cycle times for electric heating elements.
Bei berechneten Defiziten vor einer Heizanforderung bspw. durch Schnee an der Wetterstation erfolgt Aktivieren von zusätzlichem Heizregime „Vorheizen“, bspw. bei möglichen Wetterextremen über separate Wetterdaten aus einer örtlichen Wetterstation bzw. über einen Wetterdienst derart, dass ein zweite Schienensolltemperatur der Weiche
Bei Bestückung der Backenschiene
Bewerten Schneeschmelzen über die Leistungsbilanz während der Anheizzeit, indem die spezifische Heizleistung größer oder gleich der spezifische Erhaltungsleistung zuzüglich der Schmelzleistung für Schnee istEvaluate snow melting via the power balance during the heating-up time, in that the specific heating power is greater than or equal to the specific maintenance power plus the melting power for snow
Korrektur des berechneten zeitlichen Verlaufs der Schienensolltemperatur der Weiche
Nachfolgend wird eine detaillierte Beschreibung der Figuren gegeben.A detailed description of the figures is given below.
In
In
In
Zum Zeitpunkt
In
Im Wärmenetz
Zur Berechnung der Weichentemperaturen der Weiche
Nach dem 2. Kirchhoffschen Satz (Maschensatz) folgt, dass entlang einer geschlossenen Linie, d. h. einer Masche, die Summe der vorzeichenbehafteten Temperaturdifferenzen gleich Null ist. Mit einem Softwareprogramm erfolgt die Berechnung der Verlustleistungen und der Wärmetransportvorgänge. Die temperaturabhängigen Wärmeleistungen und Wärmewiderstände werden entsprechend den bekannten Berechnungsgrundlagen berechnet und an den funktionsrelevanten Stellen
In
Die Berechnung der Anheizzeit
Die Anheizzeit
Die Zeit zum Schmelzen der gefallenen oder projektspezifisch erforderlichen Schneemenge besteht aus zwei Teilzeiten
Die Berechnung der gesamten Anheizzeit
Nachdem der Schnee geschmolzen ist, wird die Weiche
Während der Anheizzeit
Die gesamte Anheizzeit
In
- 1. Schritt: Start
- 2. Schritt: Parametereingabe
- Die Parameter sind:
- minimale Umgebungstemperatur
TU-min WeichensolltemperaturTSoll derWeiche 3 WeichenmindesttemperaturTW-min der Weiche3 maximale Windgeschwindigkeitvmax , maximale Schneemenge in cm pro Zeiteinheith S-max , WeichenprofilR
- 3. Schritt: Parametrieren funktionsrelevanter Stellen
Funktionsrelevante Stellen (
19 ) sind bspw. Weichentemperatur Fuß-Backenschiene an- und abliegend linke Seite (T Fu-Ba-an ,T Fu-Ba-ab ) Weichentemperatur Kopf-Backenschiene an- und abliegend (T Ko-Ba-an ,T Ko-Ba-ab ) Weichentemperatur Kopf-Zungenschiene an- und abliegend (T Ko-Zu-an ,T Ko-Zu-ab ) Weichentemperatur Gleitstuhl-außen an- und abliegend (T GL-au-an ,TGL-au-ab ) Spezifische Schneemenge an- und abliegend (h S-an ,h S-ab ) anWeichenspitze 16 ,Weichenmitte 17 und Weichenende18 jeweils eines Weichensegments.Die Heizeinrichtungen 14 sollen bspw. anden Backenschienen 7 angebracht werden, der Einbau der Heizeinrichtungen14 erfolgt am Schienenfuß, dieWeiche 3 soll ohne Wärme- bzw. Winddämmung ausgerüstet werden. Jede funktionsrelevante Stelle19 wird durch einen KnotenK mit hier nicht näher bezeichneter Ortsangabe repräsentiert. - 4. Schritt: Berechnen der Weichentemperaturen und spezifischen Verlustleistungen
ΣPV1 für 1. Weichensegment mittels Wärmenetzmodell aus den Stoffeigenschaften, den geometrischen Größen und den eingegebenen Parametern und Ausgabe der Summe Verlustleistung des Weichensegments und der Weichentemperaturen für diefunktionsrelevanten Stellen 19 anliegende und abliegende Seite des Weichensegments - 5. Schritt: Berechnen spezifische Verlustleistungen
ΣPVn für weitere Weichensegmenteanalog 4. Schritt - 6. Schritt: Die erforderliche spezifische Heizleistung
Perf ergibt sich aus der Summe der Verlustleistungen ΣPVn jedes Weichensegments. - 7. Schritt: Prüfen, wird mit der berechneten spezifischen Leistung an dem Standort des Weichentemperatursensors, anliegende oder abliegende Seite, die Weichensolltemperatur erreicht? Bei „Ja“ weiter zu
Schritt 10 ., bei „Nein“ weiter zuSchritt 8 . - 8. Schritt: Bewertung
Die berechnete Weichenendtemperatur der Weiche
3 am Fuß Backenschiene anliegende SeiteTW-Fu-Ba-an oder abliegende SeiteTW-Fu-Ba-ab ist kleiner als die WeichensolltemperaturTSoll derWeiche 3 , Ergebnis istWeichenendtemperatur der Weiche 3 an Backenschienenfuß (TW-Fu-Ba ) ist zu gering, die WeichensolltemperaturTSoll derWeiche 3 wird nicht erreicht, weitermit Schritt 9 . - 9. Schritt: Erhöhen der spezifischen Leistung
P der Heizeinrichtung14 um einen Leistungszuschlag p von bspw. 10 Watt pro Meter und Wiederholung der Berechnung nachSchritt 4 . - 10. Schritt: Prüfen, ist die berechnete Weichenendtemperatur der Weiche
3 am Kopf Backenschiene anliegende SeiteTW-Ko-Ba-an oder abliegende SeiteTW-Ko-Ba-ab kleiner als die WeichenmindesttemperaturTW-Min derWeiche 3 ? Ist bspw. die berechnete Weichentemperatur der Weiche3 an Kopf-BackenschieneTop-Ko-Ba der anliegenden oder abliegende Seite kleiner als die parametrierte WeichenmindesttemperaturTW-Min ,weiter mit Schritt 9 . Ist die berechnete Weichentemperatur der Weiche3 an Kopf-Backenschiene anliegende und abliegende Seite (T op-Ko-Ba-an ,T op-Ko-Ba-ab ) größer oder gleich der Schienenmindesttemperatur derWeiche 3 , weiter zuSchritt 11 . - 11. Schritt: Prüfen, ist die berechnete Weichenendtemperatur der Weiche
3 am Kopf-Zungenschiene21 anliegende SeiteTop-Ko-zu-an oder abliegende SeiteTW-Ko-Zu-ab kleiner als die WeichenmindesttemperaturTW-Min derWeiche 3 ? Bei „JA“ weiter zuSchritt 9 ., bei „Nein“ weiter zuSchritt 12 . - 12. Schritt: Prüfen, ist die berechnete Weichenendtemperatur der Weiche
3 an Außen-Gleitstuhlplatte anliegende SeiteTW-GL-au -an oder abliegende SeiteTW-GL-au-ab kleiner als die WeichenmindesttemperaturTW-Min derWeiche 3 ? Bei „JA“ weiter zuSchritt 9 ., bei „Nein“ weiter zuSchritt 13 . - 13. Schritt: Schneemenge wird geschmolzen Prüfen, wird die maximale Schneemenge geschmolzen oder nicht über Vergleich der Summe aus berechneter spezifischer Erhaltungsleistung
PErh bei WeichenmindesttemperaturTW-Min derWeiche 3 und spezifischer SchmelzleistungPSm für die maximale SchneemengehS mit der berechneten spezifischen Leistung (Pop )? Ist die berechnete spezifische LeistungPop größer oder gleich der Summe aus ErhaltungsleistungPErh und Schmelzleistung Psm, weiter zuSchritt 14 ., sonst weiter zuSchritt 9 . - 14. Schritt: Ausgabe der erforderlichen spezifischen Leistung Heizeinrichtung
P für eine Weichenheizung1 , die im automatischen Betrieb bis zu den Eingabeparametern die Verfügbarkeit der Weiche im Winter bei geringen Energieverbrauch gewährleistet.
- Step 1: start
- Step 2: entering parameters
- The parameters are:
- minimum ambient temperature
T RPM Turnout target temperatureT target the soft3rd Switch minimum temperatureT W-min the soft3rd maximum wind speedv max , maximum amount of snow in cm per unit of timeh S-max , Switch profileR
- Step 3: Parameterize function-relevant positions Function-relevant positions (
19th ) are, for example, switch temperature of the foot and stock rail on and off the left side (T Fu-Ba-an ,T Fu-Ba-ab ) Switch temperature head-cheek rail on and off (T Ko-Ba-an ,T Ko-Ba-ab ) Switch temperature head-tongue rail on and off (T Ko-Zu-an ,T Ko-Zu-ab ) Switch temperature outside and outside of the sliding chair (T GL-au-an ,T GL-au-ab ) Specific amount of snow on and off (h S-an ,h S-down ) at theturnout tip 16 , Switch center17th and point end18th one turnout segment each. Theheaters 14 should, for example, on the stock rails7 be installed, the installation of theheating devices 14 takes place at the rail foot, the switch3rd should be equipped without thermal or wind insulation. Every functionally relevant position19th is through a knotK represented with location not specified here. - Step 4: Calculate the switch temperatures and specific power losses
ΣP V1 for 1st turnout segment using a heat network model from the material properties, the geometric sizes and the entered parameters and output of the total power loss of the turnout segment and the turnout temperatures for the functionally relevant points19th adjacent and remote side of the switch segment - Step 5: Calculate specific power losses
ΣP Vn for further turnout segments analogous to step 4 - Step 6: The specific heating power required
P erf results from the sum of the power losses ΣP Vn of each turnout segment. - 7th step: Check, is the setpoint temperature reached with the calculated specific power at the location of the turnout temperature sensor, adjacent or remote side? If yes, go to step
10th ., with "No" continue to step8th . - Step 8: Evaluation The calculated turnout end temperature of the turnout
3rd side resting on the stock railT W-Fu-Ba-an or remote sideT W-Fu-Ba-ab is lower than the set point temperatureT target the soft3rd , The result is the turnout end temperature of the turnout3rd on stock rail base (T W-Fu-Ba ) is too low, the set point temperatureT target the soft3rd is not reached, continue withstep 9 . - Step 9: Increase specific performance
P theheater 14 by a power surcharge p of, for example, 10 watts per meter and repeating the calculation after step4th . - Step 10: Check is the calculated turnout end temperature of the turnout
3rd side resting on the head stockT W-Ko-Ba-an or remote sideT W-Ko-Ba-ab less than the minimum switch temperatureT W min the soft3rd ? For example, the calculated turnout temperature of the turnout3rd on head-railT op-Ko-Ba the adjacent or remote side is less than the parameterized minimum switch temperatureT W min , continue withstep 9 . Is the calculated turnout temperature of the turnout3rd side resting against head-cheek rail (T op-Ko-Ba-an ,T op-Ko-Ba-ab ) greater than or equal to the minimum rail temperature of the switch3rd , continue to step11 . - Step 11: Check, is the calculated turnout end temperature of the turnout
3rd on the head-tongue rail21 adjacent sideT op-Ko-zu-an or remote sideT W-Ko-Zu-ab less than the minimum switch temperatureT W min the soft3rd ? If yes, go tostep 9 ., with "No" continue to step12th . - Step 12: Check, is the calculated turnout end temperature of the turnout
3rd side lying on the outer sliding chair plateT W-GL-au -an or remote sideT W-GL-au-ab less than the minimum switch temperatureT W min the soft3rd ? If yes, go tostep 9 ., with "No" continue to step13 . - Step 13: Amount of snow is melted Check whether the maximum amount of snow is melted or not by comparing the sum of the calculated specific maintenance performance
P Erh at minimum switch temperatureT W min the soft3rd and specific melting capacityP Sm for the maximum amount of snowh p with the calculated specific power (P op )? Is the calculated specific powerP op greater than or equal to the sum of maintenance workP Erh and melt power Psm, go to step14 ., otherwise go tostep 9 . - Step 14: Output of the required specific heater power
P for apoint heater 1 which, in automatic operation up to the input parameters, guarantees the availability of the turnout in winter with low energy consumption.
In
Nachfolgend werden die Schritte für die Bewertung einer vorhandenen Weichenheizung
- Schritt1: Start des Programmes
- Schritt
2 : Eingabe von minimal zu erwartender UmgebungstemperaturTUmin , spezifischen Leistungen HeizeinrichtungP , WeichensolltemperaturTSoll , maximaler Windgeschwindigkeit Vmax, SchienenprofilR derWeiche 3 , maximaler Schneemenge pro Stunde hs und Standort der Heizeinrichtungen14 anBackenschiene 7 und/oder Zungenschiene 8 und/oder Gleitstuhlplatte 9 , Weichenmindesttemperatur Tmin. - Schritt
3 : Die optimale spezifische Leistung Heizeinrichtung anliegende (linke) SeiteP op-Li und die optimale spezifische Leistung Heizeinrichtung abliegende (rechte) SeiteP op-Re ergibt sich aus der spezifischen Leistung HeizeinrichtungP anden jeweiligen Backenschienen 7 ,Zungenschienen 8 bzw.Gleitstuhlplatten 9 . - Schritt
4 : Für anliegende (linke)Seite 5 der Weiche 3 und abliegende (rechte)Seite 6 der Weiche 3 wird je ein Weichensegment mit je einem Wärmenetzmodell gebildet, wobei für die anliegende (linke)Seite 5 der Weiche 3 die Zungenschiene 8 bspw. anliegend und für die abliegende (rechte)Seite 6 der Weiche 3 die Zungenschiene 8 abliegend dargestellt ist, und es erfolgt über Berechnung der Verlustleistungen StrahlungPSt , KonvektionPK , WärmeleitungPL , SchmelzwärmePSm und WärmespeicherungPC bei spezifischer Leistung HeizeinrichtungP die Berechnung der WeichentemperaturT derWeiche 3 zur Zeit t6 der AnheizzeittA bei Erreichen der WeichensolltemperaturTSoll derWeiche 3 und über Berechnung der Erhaltungsleistung zum Zeit t2.1 der AnheizzeittA bei Erreichen der Weichenmindesttemperatur Tmin derWeiche 3 . - Schritt
5 : Ausgabe der WeichentemperaturenT und der Summe der Verlustleistungen anliegenden (linken) SeiteΣPV-Li und der Summe der Verlustleistungen abliegende (rechte) SeiteΣPV-Re - Schritt
6 : Prüfen, ist die berechnete optimale WeichentemperaturT der Weiche 3 am Weichentemperatursensor 28 , bspw. an Fuß-Backenschiene anliegende (linke) Seite, anliegend, und abliegende (rechte)Seite 6 , größer als die WeichensolltemperaturTSoll derWeiche 3 unter Berücksichtigung eines Faktorsk , bspw. 1,5? Wenn „JA“ weiter zuvon Schritt 7 ., wenn „NEIN“ weiter zu Schritt13 .. - Schritt
7 : Prüfen, ist die berechnete optimale WeichentemperaturT der Weiche 3 am Kopf-Zungenschiene anliegend (linke Seite5 ) und abliegend (rechte Seite6 ) größer oder gleich der Weichenmindesttemperatur der Weiche3 ? Wenn „JA“ weiter zuSchritt 8 ., wenn „NEIN“ weiter zu Schritt13 .. - Schritt
8 : Prüfen, ist die berechnete optimale WeichentemperaturT der Weiche 3 an Außen-Gleitstuhlplatte anliegend (linke Seite5 ) und abliegend (rechte Seite6 ) größer oder gleich der Weichenmindesttemperatur der Weiche3 ? Wenn „JA“ weiter zuSchritt 14 ., wenn „NEIN“ weiter zu Schritt13 .. - Schritt
9 : Ermitteln der erforderlichen spezifischen Leistung aus der Summe von Erhaltungsleistung zur Erhaltung der Weichenmindesttemperatur der Weiche3 anBackenschiene 7 und Schmelzleistung anliegende (linke) SeitePSm-Li und Schmelzleistung abliegende (rechte) SeitePSm-Li zum Schmelzen der bisher gesamten Schneemenge, die sich aus erfasster Schneemenge pro Zeiteinheit und der Zeitt2.3 der AnheizzeittA ergibt. - Schritt
10 : Prüfen, ist die erforderliche spezifische Leistung der anliegenden (linken) SeiteP erf-Li oder die erforderliche spezifische Leistung der abliegenden (rechten) Seite P erf-Re kleiner gleich der spezifischen Leistung HeizeinrichtungP ? Wenn „JA“ weiter zuSchritt 11 ., wenn „NEIN“ weiter zu Schritt12 .. - Schritt
11 : Die gefallene Schneemenge ist kleiner oder gleich der geschmolzenen Schneemenge. Der gefallene Schnee wird während der Anheizzeit geschmolzen. - Schritt
12 : Die gefallene Schneemenge ist größer der geschmolzenen Schneemenge. Der gefallene Schnee wird während der Anheizzeit nicht geschmolzen. - Schritt
13 : Ausgabe Defizit für anliegende und abliegende Seite mit hier nicht näher angeführtem Text. - Schritt
14 : Ausgabe der Betriebsgrenzwerte mit bspw. Minimalwerten aus Weichentemperaturen der Weiche3 anliegende (linke) Seiten5 und abliegende (rechte)Seiten 6 Kopf-Backenschienen, Kopf-Zungenschienen sowie geschmolzene Schneemenge.
- Step 1: start the program
- step
2nd : Enter the minimum expected ambient temperatureT Umin , specific heating servicesP , Set point temperatureT target , maximum wind speed Vmax, rail profileR the soft3rd , maximum amount of snow per hour hs and location of theheating devices 14 onstock rail 7 and / or tongue rail8th and / or slidingchair plate 9 , Minimum switch temperature Tmin. - step
3rd : The optimal specific performance heating device adjacent (left) sideP op-Li and the optimal specific performance heater remote (right) sideP op-Re results from the specific performance of the heating deviceP on therespective stock rails 7 , Tongue rails8th or slidingchair plates 9 . - step
4th : For the adjacent (left)side 5 the soft3rd and remote (right)side 6 the soft3rd a turnout segment is formed with a heat network model, whereby for the adjacent (left)side 5 the soft3rd the tongue rail8th e.g. adjacent and for the remote (right)side 6 the soft3rd the tongue rail8th is shown remote, and it is done by calculating the power losses radiationP St , ConvectionP K , Heat conductionP L , Heat of fusionP Sm and heat storageP C with specific power heaterP the calculation of the switch temperatureT the soft3rd at time t6 of the heating timet A when the set point temperature is reachedT target the soft3rd and about calculating the Maintenance performance at time t2.1 of the heating timet A when the turnout minimum temperature Tmin is reached3rd . - step
5 : Output of turnout temperaturesT and the sum of the power losses on the (left) sideΣP V-Li and the sum of the power losses on the right-hand sideΣP V-Re - step
6 : Check, is the calculated optimal switch temperatureT the soft3rd on theswitch temperature sensor 28 , for example on the left side of the cheek splint, adjacent, and the far side (right)6 , greater than the set point temperatureT target the soft3rd taking into account a factork , e.g. from 1.5? If "YES" go tostep 7 . if "NO" go to step13 .. - step
7 : Check, is the calculated optimal switch temperatureT the soft3rd on the head-tongue rail (left side5 ) and remote (right side6 ) greater than or equal to the minimum switch temperature3rd ? If "YES" go to step8th . if "NO" go to step13 .. - step
8th : Check, is the calculated optimal switch temperatureT the soft3rd on the outer sliding chair plate (left side5 ) and remote (right side6 ) greater than or equal to the minimum switch temperature3rd ? If "YES" go to step14 . if "NO" go to step13 .. - step
9 : Determine the specific power required from the sum of the maintenance power to maintain the minimum switch temperature of the switch3rd onstock rail 7 and melting capacity on the (left) sideP Sm-Li and melting performance on the far right sideP Sm-Li for melting the total amount of snow so far, which results from the amount of snow recorded per unit of time and timet2.3 the heating timet A results. - step
10th : Check is the required specific power of the adjacent (left) sideP erf-Li or the required specific power of the remote (right) side P erf-Re less than or equal to the specific power of the heating deviceP ? If "YES" go to step11 . if "NO" go to step12th .. - step
11 : The amount of snow fallen is less than or equal to the amount of melted snow. The fallen snow is melted during the heating time. - step
12th : The amount of snow fallen is larger than the amount of melted snow. The fallen snow is not melted during the heating up period. - step
13 : Output deficit for adjacent and remote page with text not specified here. - step
14 : Output of the operating limit values with, for example, minimum values from the switch temperatures of the switch3rd adjacent (left)pages 5 and remote (right) pages6 Head stock rails, head tongue rails and melted snow.
Das gleiche Programm kann in die Steuerung und Regelung integriert werden, indem anstelle von Minimalwerten bzw. Maximalwerten die aktuelle Umgebungstemperatur, Windgeschwindigkeit und Schneemenge eingelesen werden und geeignete Korrekturmaßnahmen oder Warnmeldungen aktiviert werden. Eine geeignete Korrektur ist bspw. zusätzliche Heizeinrichtungen an den Gleitstuhlplatten
Schritt 1 . Eingabe Beispielhaft erfolgt die Eingabe für eine Weiche3 mit Heizeinrichtung 14 mit spezifischer LeistungP von 330 Watt pro Meter anden Backenschienen 7 . DieWeichensolltemperatur der Weiche 3 beträgt 7 °C, die WeichenmindesttemperaturTwmin der Weiche 3 für das Schmelzen von Schnee ander Weiche 3 wird mit +/- 0 °C und einem minimalen LeistungsverhältnisLv von 40 % parametriert, so dass die optimale spezifische Leistung Pop der Heizeinrichtung14 mit 330 W/m multipliziert mit 40 % gleich 132 W/m zu Beginn des Betriebes eingestellt wird. Der Standort des Weichentemperatursensor28 wT ist bspw. dielinke Seite 5 der Weiche 3 . Die Betriebsbereichswerte sind vom Betreiber der Weiche3 mit SchienenprofilR54 für eine Umgebungstemperatur bis - 20 °C bei einer maximalen Windgeschwindigkeitbis 0,8 m/s und einer maximalen Schneemengebis 5 cm/h festgelegt. Bis zu diesen Betriebswerten soll die Funktion derWeiche 3 durch dieerfindungsgemäße Weichenheizung 1 durch Gewährleistung der erforderlichen WeichenmindesttemperaturT W-min anden funktionsrelevanten Stellen 19 und entsprechender optimaler spezifischer Leistung Pop zum Schmelzen der SchneemengehS sichergestellt werden.Schritt 2 . Wahl des Weichensegments und Berechnen der spezifischen Leistung des Weichensegments linke Seite und rechte Seite mit 330 W/m * 40 % = 132 W/m.Schritt 3 .Einlesen Weichsegment 1 linke Seite und rechte Seite der aktuellen Umgebungstemperatur, Weichentemperatur, Schneemenge, Niederschlagsart, Niederschlagsmenge und Windgeschwindigkeit.Schritt 4 . Berechnen der Weichentemperaturen der Weiche3 und Verlustleistungen im Leistungsgleichgewicht (stationärer Endwert) an 6 Knotenpunkten indem Wärmenetzmodell 26 für dielinke Seite 5 der Weiche 3 und im Wärmenetzmodell 27 der rechten Seite6 der Weiche 3 . Zusätzlich Berechnen der Erhaltungsleistung zum Zeitpunktt2.1 . (benötigte Leistung zum Aufrechterhalten derTemperatur von 0 °C).Schritt 5 . Prüfen, ob Heizanforderung durch Schneefall oder niedrige Umgebungstemperaturen besteht. Wenn Ja weitermit Schritt 6 wenn nein weitermit Schritt 2 .Schritt 6 . Prüfen ob die aktuelle Zeit größer als die Totzeit ist. Wenn Ja weitermit Schritt 7 , wenn nein weitermit Schritt 8Schritt 7 . Bei abgelaufener Totzeit Messen der Weichentemperatur der Weiche3 mittels Weichentemperatursensor und Vergleichen mit berechneten Weichentemperatur am jeweiligen KnotenK und Berechnen der Weichenendtemperaturüber Zeitkonstante oder Modellparameter.Schritt 8 . Prüfen, obWeichentemperatur der Weiche 3 Kopf-Zungenschiene linke Seite größer als dieWeichentemperatur der Weiche 3 Kopf-Zungenschiene rechte Seite ist. Bei „Ja“ ist die linke Seitedie anliegende Zungenschiene 8 , (Annahme Weichentemperatur Kopf Zungenschiene ist höher, damit wird erkannt, ob die Weiche inzwischen umgestellt wurde).Schritt 9 . Prüfen, ob linke Seite oder rechte Seite Standort des Weichentemperatursensors ist. Im Beispiel ist die Linke Seite der Standort desWeichentemperatursensor 28 . Auf derSeite mit Weichentemperatursensor 28 weiter mit Schritt 10 auf der Seite ohne Weichentemperatursensor weitermit Schritt 12 . Eine Ausrüstung beider Seiten mit Weichentemperatursensoren ist möglich.Schritt 10 . Zuweisen Weichentemperatur linke Seite ist anliegend und Weichentemperatur rechte Seite ist abliegendSchritt 11 . Prüfen, ob die errechnete Weichentemperatur der Weiche3 Fuß-Backenschiene anliegend gleich der realen Weichentemperatur der Weiche3 Fuß-Backenschiene unter Berücksichtigung einer Weichentemperaturtoleranz ist, wenn „Nein“ weiter zuSchritt 19 ., wenn „Ja“ weiter zuSchritt 12 .Schritt 12 . Prüfen, ob berechnete Weichentemperatur der Weiche3 Fuß-Backenschiene größer ist als dieWeichensolltemperatur der Weiche 3 zuzüglich einer Konstante und abzüglich der Umgebungstemperatur ist. Wenn „Nein“ erhöhen des LeistungsverhältnissesLv um den Faktorx (imBeispiel 10%) und weiter zu Schritt2 , wenn „Ja“ weiter zuSchritt 13 .Schritt 13 . Prüfen, ob Erhaltungsleistung zuzüglich derLeistung SchmelzwärmePSm kleiner oder gleich der optimalen Leistung zur Zeitt2.3 ist. Wenn „Nein“ erhöhen des LeistungsverhältnissesLv um den Faktorx (imBeispiel 10%) und weiter zu Schritt2 , wenn „Ja“ weiter zuSchritt 14 .Schritt 14 . Prüfen, ob die Aufheizzeit des Fuß der BackenschienetA-Fu-Ba kleiner oder gleich der maximalen AufheizzeittA-max ist. Wenn „Nein“ erhöhen des LeistungsverhältnissesLv um den Faktorx (imBeispiel 10%) und weiter zu Schritt2 , wenn „Ja“ weiter zuSchritt 15 .Schritt 15 . Prüfen, ob die Temperatur des Kopfes der ZungenschieneTKo-Zu größer oder gleich der minimalen WeichentemperaturTmin ist. Wenn „Nein“ erhöhen der WeichensolltemperaturTSoll um den Faktor y (im Beispiel 0,5 K) und weiter zu Schritt2 , wenn „Ja“ weiter zuSchritt 16 .Schritt 16 . Prüfen, ob die Temperatur am Fuß der ZungenschieneTFu-Zu größer oder gleich der minimalen Weichentemperatur Tmin ist. Wenn „Nein“ erhöhen der WeichensolltemperaturTSoll um den Faktory (im Beispiel 0,5 K) und weiter zu Schritt2 , wenn „Ja“ weiter zuSchritt 17 .Schritt 17 . Prüfen, ob die Temperatur in der Mitte des GleitstuhlesTGL-mi größer oder gleich der minimalen WeichentemperaturTmin ist. Wenn „Nein“ erhöhen der WeichensolltemperaturTSoll um den Faktory (im Beispiel 0,5 K) und weiter zu Schritt2 , wenn „Ja“ weiter zuSchritt 18 .Schritt 18 . Prüfen, ob die Temperatur am äußeren Rand des GleitstuhlesTGL-au größer oder gleich der minimalen Weichentemperatur Tmin ist. Wenn „Nein“ erhöhen der WeichensolltemperaturTSoll um den Faktory (im Beispiel 0,5 K) und weiter zu Schritt2 , wenn „Ja“ weiter zu Schritt20 .Schritt 19 . Korrektur der Berechnung aus Schritt4 mit Hilfe eines Korrekturfaktors für Anpassung der Konvektionsverluste oder Strahlungsleistung. Ist die errechnete Weichentemperatur der Weiche3 Fuß-Backenschiene anliegend kleiner als die realeWeichentemperatur der Weiche 3 Fuß-Backenschiene unter Berücksichtigung einer Weichentemperaturtoleranz so wird die Wärmeübergangszahl Konvektionα um den Faktor n (im Beispiel 1) verringert und weiter zuSchritt 4 . Ist die errechnete Weichentemperatur der Weiche3 Fuß-Backenschiene anliegend größer als die realeWeichentemperatur der Weiche 3 Fuß-Backenschiene unter Berücksichtigung einer Weichentemperaturtoleranz so wird die WindgeschwindigkeitV um den Faktor n (im Beispiel 1) erhöht und weiter zuSchritt 4 .- Schritt
20 . Ausgabe der optimalen LeistungPop-Li für die linke Seite derWeiche 3 und der optimalen LeistungPop-Re für die Rechte Seite derWeiche 3 für die folgende Zykluszeittz .
-
step 1 . Entry The example is for a turnout3rd withheating device 14 with specific performanceP of 330 watts per meter on the stock rails7 . The set point temperature of the turnout3rd is 7 ° C, the minimum switch temperature Twmin of the switch3rd for melting snow on the switch3rd with +/- 0 ° C and a minimal power ratioL v parameterized by 40% so that the optimal specific power pop of theheater 14 with 330 W / m multiplied by 40% equal to 132 W / m at the start of operation. The location of the switch temperature sensor28 w T is for example theleft side 5 the soft3rd . The operating range values are from the switch operator3rd with rail profileR54 for an ambient temperature down to - 20 ° C with a maximum wind speed of up to 0.8 m / s and a maximum amount of snow of up to 5 cm / h. The function of the switch should be up to these operating values3rd by the point heater according to theinvention 1 by ensuring the required minimum switch temperatureT W-min at the functionally relevant points19th and corresponding optimal specific performance Pop for melting the amount of snowh p be ensured. - step
2nd . Select the turnout segment and calculate the specific power of the turnout segment left and right side with 330 W / m * 40% = 132 W / m. - step
3rd . Readsoft segment 1 left side and right side of the current ambient temperature, switch temperature, amount of snow, type of precipitation, amount of precipitation and wind speed. - step
4th . Calculate the turnout temperatures of the turnout3rd and power losses in the power balance (stationary end value) at 6 nodes in theheat network model 26 for theleft side 5 the soft3rd and in theheating network model 27 theright side 6 the soft3rd . In addition, calculate the maintenance performance at the timet 2.1 . (Power required to maintain the temperature at 0 ° C). -
step 5 . Check whether there is a heating requirement due to snow or low ambient temperatures. If yes, continue withstep 6 if no continue with step2nd . -
step 6 . Check whether the current time is greater than the dead time. If yes, continue withstep 7 if no go tostep 8 -
step 7 . When the dead time has elapsed, measure the turnout temperature of the turnout3rd using a switch temperature sensor and comparing the calculated switch temperature at the respective nodeK and calculating the turnout end temperature using time constant or model parameters. - step
8th . Check whether the turnout temperature of the turnout3rd Head-tongue rail left side greater than the turnout temperature of the turnout3rd Head-tongue rail is right side. If "yes", the left side is the adjacent tongue rail8th , (Assumption switch point head tongue rail is higher, so it is recognized whether the switch has been changed in the meantime). -
step 9 . Check whether the left side or right side is the location of the turnout temperature sensor. In the example, the left side is the location of theswitch temperature sensor 28 . On the side withswitch temperature sensor 28 continue with step10th on the side without switch temperature sensor continue with step12th . Both sides can be equipped with switch temperature sensors. - step
10th . Assign turnout temperature on left side and turnout temperature on right side is off -
step 11 . Check whether the calculated turnout temperature of the turnout3rd Foot-to-side splint adjacent to the real turnout temperature of the turnout3rd Foot stock rail taking into account a switch temperature tolerance is if "No" continue to step19th if yes go to step12th . - step
12th . Check whether the calculated turnout temperature of the turnout3rd Foot-stock rail is greater than the set point temperature of the turnout3rd plus a constant and minus the ambient temperature. If "No" increase the performance ratioLv by the factorx (10% in the example) and go to step2nd if "yes" go to step13 . -
step 13 . Check whether maintenance performance plus the heat of fusionP Sm less than or equal to the optimal performance at the timet 2.3 is. If "No" increase the performance ratioLv by the factorx (10% in the example) and go to step2nd if "yes" go to step14 . -
step 14 . Check whether the heating time of the foot of the stock railt A-Fu-Ba less than or equal to the maximum heating timet A-max is. If "No" increase the performance ratioLv by the factorx (10% in the example) and go to step2nd if "yes" go to step15 . -
step 15 . Check that the temperature of the head of the tongue splintT Ko-Zu greater than or equal to the minimum switch temperatureT min is. If "No" increase the set point temperatureT target by the factor y (in the example 0.5 K) and on to step2nd if "yes" go to step16 . -
step 16 . Check that the temperature at the foot of the tongue railT Fu-Zu is greater than or equal to the minimum switch temperature Tmin. If "No" increase the set point temperatureT target by the factory (0.5 K in the example) and go to step2nd if "yes" go to step17th . - step
17th . Check that the temperature is in the middle of the gliderT GL-mi greater than or equal to the minimum switch temperatureT min is. If "No" increase the set point temperatureT target by the factory (0.5 K in the example) and go to step2nd if "yes" go to step18th . - step
18th . Check that the temperature is on the outer edge of the gliderT GL-au is greater than or equal to the minimum switch temperature Tmin. If "No" increase the set point temperatureT target by the factory (0.5 K in the example) and go to step2nd if "yes" go to step20th . - step
19th . Correction of the calculation from step4th with the help of a correction factor for adaptation of the convection losses or radiation power. Is the calculated turnout temperature of the turnout3rd Foot-to-side splint fits lower than the real turnout temperature of the turnout3rd Foot stock rail taking into account a switch temperature tolerance so the heat transfer coefficient becomes convectionα reduced by the factor n (in example 1) and continue to step4th . Is the calculated turnout temperature of the turnout3rd Foot-to-side splint fits higher than the actual turnout temperature of the turnout3rd Foot stock rail taking into account a switch temperature tolerance so the wind speedV increased by a factor of n (in example 1) and on to step4th . - step
20th . Output of optimal performanceP op-Li for the left side of the switch3rd and optimal performanceP op-Re for the right side of the switch3rd for the following cycle timet z .
Zusammenfassend ist festzuhalten, dass die vorliegende Erfindung ein Verfahren angibt, bei welchem das erfindungsgemäße Wärmenetzmodell über einen Vergleich der berechneten Weichentemperaturen mit parametrierten Weichenmindesttemperaturen die Weichensolltemperatur und/oder die spezifische Leistung zumindest eine Heizeinrichtung
Ferner verifiziert das erfindungsgemäße Wärmenetzmodell über einen Vergleich mit über einen Weichentemperatursensor
Das erfindungsgemäße Wärmenetzmodell erzeugt darüber hinaus in der Steuereinrichtung eine Warnmeldung vor Überschreiten der Betriebsgrenze für ein Leitsystem und vor Ort.The heat network model according to the invention also generates a warning message in the control device before the operating limit for a control system is exceeded and on site.
Schließlich ermittelt das erfindungsgemäße Wärmenetz vor und bei Betrieb die Anheizzeit und aktiviert ein zusätzliches Heizregime Vorheizen über die Steuereinheit, wenn in Abhängigkeit der prognostizierten Umgebungsbedingungen über Wetterdienst die maximale Schneemenge während der Anheizzeit überschritten und/oder die Schneemenge nicht geschmolzen wird.Finally, the heating network according to the invention determines the heating-up time before and during operation and activates an additional heating regime preheating via the control unit if, depending on the predicted environmental conditions via weather service, the maximum amount of snow is exceeded during the heating-up time and / or the amount of snow is not melted.
BezugszeichenlisteReference list
- 11
- WeichenheizungSwitch heating
- 22nd
- Betrachtungsrichtung WeicheViewing direction switch
- 33rd
- WeicheSwitch
- 44th
- WeichenbereichSwitch area
- 55
- linke Seiteleft side
- 66
- rechte Seiteright side
- 77
- BackenschieneStock rail
- 88th
- ZungenschieneTongue splint
- 99
- GleitstuhlplatteSliding chair plate
- 1010th
- anliegende Zungenschieneadjacent tongue rail
- 1111
- abliegende Zungenschieneremote tongue rail
- 1212th
- anliegender Bereichadjacent area
- 1313
- StützknaggenSupport lugs
- 1414
- HeizeinrichtungHeating device
- 1616
- WeichenspitzeTurnout tip
- 17 17th
- WeichenmitteSwitch center
- 1818th
- WeichenendeSwitch end
- 1919th
- Funktionsrelevante StelleFunctionally relevant position
- 2020th
- Kopf-BackenschieneHead-stock rail
- 2121
- Kopf-ZungenschieneHead-tongue splint
- 2222
- Mitte-GleitstuhlplatteMiddle sliding chair plate
- 2323
- Außen-GleitstuhlplatteOutside sliding chair plate
- 2424th
- Schwellethreshold
- 2525th
- SchwellenabstandThreshold distance
- 2626
- Wärmenetz linke SeiteLeft side heating network
- 2727
- Wärmenetz rechte SeiteRight side heating network
- 2828
- WeichentemperatursensorTurnout temperature sensor
- 2929
- Symbol HeizeinrichtungHeating device symbol
- 3030th
- Symbol WärmestrahlungHeat radiation symbol
- 3131
- Symbol KonvektionConvection icon
- 3232
- Symbol WärmespeicherHeat storage symbol
- 3333
- Symbol WärmeleitungHeat conduction symbol
- 3434
- Weichensegment WeichenspitzeTurnout segment turnout tip
- 3535
- Weichensegment WeichenmitteSwitch segment switch center
- 3636
- Weichensegment WeichenendeSwitch segment switch end
- 3737
- Bewertungspunkt Fuß-BackenschieneEvaluation point foot-splint
- 3838
- Bewertungspunkt Steg-BackenschieneAssessment point web-splint
- 3939
- Bewertungspunkt Kopf-BackenschieneAssessment point head-stock rail
- 4040
- Bewertungspunkt Fuß-ZungenschieneEvaluation point foot-tongue rail
- 4141
- Bewertungspunkt Kopf-ZungenschieneEvaluation point head-tongue rail
- 4242
- Bewertungspunkt Mitte-GleitstuhlplatteAssessment point middle sliding chair plate
- 4343
- Bewertungspunkt Außen-Gleitstuhlplatte Evaluation point outdoor sliding chair plate
- PSt P St
- Leistung StrahlungswärmeRadiant heat output
- PL P L
- Leistung WärmeleitungPerformance heat conduction
- PK P K
- Leistung KonvektionswärmePower convection heat
- Pop P op
- optimale spezifische Leistungoptimal specific performance
- PP
- reale spezifische Leistung Heizeinrichtungreal specific power heater
- Perf P erf
- erforderliche spezifische Leistungrequired specific performance
- ξL ξ L
- Korrekturfaktor LängeCorrection factor length
- PC P C
- Leistung WärmekapazitätPerformance heat capacity
- PV P V
- Leistung VerdampfungswärmeEvaporative heat output
- PSm P Sm
- Leistung SchmelzwärmeHeat output
- PErh P Erh
- ErhaltungsleistungMaintenance performance
- RR
- WeichenprofilSwitch profile
- TU T U
- UmgebungstemperaturAmbient temperature
- TU-min T RPM
- minimale Umgebungstemperaturminimum ambient temperature
- TW T W
- reale Weichentemperaturreal switch temperature
- ΔTW ΔT W
- reale Weichentemperaturdifferenzreal switch temperature difference
- T min T min
- WeichenmindesttemperaturSwitch minimum temperature
- Top T op
- optimale Weichentemperaturoptimal switch temperature
- TSoll T target
- WeichensolltemperaturTurnout target temperature
- TSoll-Vor T target forward
- zweite Weichensolltemperatursecond set point temperature
- TS T S
- SchmelztemperaturMelting temperature
- TV T V
- VerdampfungstemperaturEvaporation temperature
- TK T K
- Weichentemperatur kalte SchieneTurnout temperature cold rail
- NINI
- NiederschlagsartType of precipitation
- Lv L v
- LeistungsverhältnisPerformance ratio
- Lsp L sp
- spezifische Länge Heizeinrichtungspecific length heater
- KK
-
Knoten (
K )Knot (K ) - ININ
- HeizstromHeating current
- tA t A
- AnheizzeitHeating time
- tE t E
- EinschaltzeitOn time
- tz t z
- ZeitzyklusTime cycle
- kk
- Faktorfactor
- αα
- Wärmeübergangszahl KonvektionHeat transfer coefficient convection
Beispiele für Bezeichnung von Knoten (K) und Temperaturen
- K Fu-Ba-Li
- Knoten (
K ) Fuß-Backenschiene-linke Seite - K Ko-Ba-an
- Knoten (
K ) Kopf-Backenschiene-anliegende Zungenschiene - TKo-Ba
- Weichentemperatur - Kopf-Backenschiene
- TKo-Ba-Li
- Weichentemperatur-kopf-Backenschiene Linke Seite der Weiche
- TKo-Zu
- Weichentemperatur - Kopf-Zungenschiene
- TGl-mi
- Weichentemperatur - Mitte-Gleitstuhlplatte
- TGL-au
- Weichentemperatur - Außen-Gleitstuhlplatte
- tT
- Totzeit
- tA
- Anheizzeit
- tmax
- maximale Anheizzeit
- hs
- Schneemenge pro Stunde
- v
- Windgeschwindigkeit
- vmax
- maximale Windgeschwindigkeit
- n
- Zyklusfaktor
- tn
- Zeit
- tz
- Zykluszeit
- y
- Weichensolltemperatur-Korrekturfaktor
- wT
- Standort Weichentemperatursensor
- K Fu-Ba-Li
- Knot (
K ) Foot-splint-left side - K Ko-Ba-an
- Knot (
K ) Head-cheek splint-fitting tongue splint - T Ko-Ba
- Turnout temperature - head-stock rail
- T Ko-Ba-Li
- Switch temperature head stock rail Left side of the switch
- T Ko-Zu
- Turnout temperature - head-tongue rail
- T Gl-mi
- Turnout temperature - middle sliding chair plate
- T GL-au
- Turnout temperature - outside sliding chair plate
- t T
- Dead time
- t A
- Heating time
- t max
- maximum heating time
- h s
- Amount of snow per hour
- v
- Wind speed
- v max
- maximum wind speed
- n
- Cycle factor
- t n
- time
- t z
- Cycle time
- y
- Turnout target temperature correction factor
- w T
- Turnout temperature sensor location
Indizes:
- an
- anliegend
- ab
- abliegend
- Re
- rechte Seite
- Li
- linke Seite
- Ba
- Backenschiene
- Zu
- Zungenschiene
- GL
- Gleitstuhlplatte
- Ko
- Kopf
- Fu
- Fuß
- St
- Schienensteg
- au
- außen
- mi
- mitte
- op
- optimal
- w
- real
- on
- fitting
- from
- remote
- re
- right side
- Li
- left side
- Ba
- Stock rail
- To
- Tongue splint
- GL
- Sliding chair plate
- Knockout
- head
- Fu
- foot
- St
- Rail web
- au
- Outside
- mi
- center
- op
- optimal
- w
- real
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte Nicht-PatentliteraturNon-patent literature cited
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uelle 2 Elsner, N .: Fundamentals of Technical Thermodynamics, Berlin: Akademie Verl. 1988 [0100] - Bömer,H.; Über den Wärme- und Stoffübergang an umspülten Einzelkörpern bei Überlagerung von freier und erzwungener Konvektion, Düsseldorf: VDI-Verl. 1965 (VDI-Forschungsheft 512) [0100]Bömer, H .; About the heat and mass transfer on washed-over individual bodies with the overlay of free and forced convection, Düsseldorf: VDI-Verl. 1965 (VDI research booklet 512) [0100]
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