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Schaltungsanordnung zur elektrischen Übertragung tonfrequenter Fernwirk-Signalspannungen,
insbesondere für Schlagwetter- und explosionsgefährdete Betriebsstätten Die Erfindung
bezieht sich auf Schaltungsanordnungen zur elektrischen Übertragung tonfrequenter
Fernwirk-Signalspannungen. Solche Schaltungsanordnungen verwendet man unter anderem
im Bergbau. Die Grubenwarte im Bergbau ist beispielsweise eine zentrale Überwachungsstelle
für das gesamte Betriebsgeschehen unter Tage. Sie hat die Aufgabe, den betrieblichen
Ablauf, d. h. Betriebszustände von Fördermitteln, Überschreiten bestimmter für die
Sicherheit maßgebende Faktoren, wie Grubengasgehalt der Luft, Wasserstände usw.,
über Tage im Wartenraum anzuzeigen bzw. zu registrieren. Ferner hat die Grubenwarte
die Aufgabe, auf Grund der Beurteilung von unter Tage kommenden Meldungen Steuerbefehle
an Einrichtungen unter Tage zu vermitteln, z. B. Fernschaltung von Schiebern in
Rohrleitungen, Einschaltung von Pumpen usw. Um diese Aufgaben zu erfüllen, ist die
Grubenwarte mit einer Fernwirkanlage gekoppelt, die zur elektrischen Übertragung
der Nachrichten in beiden Richtungen dient. Wegen der Vielzahl der zu übertragenden
Fernwirksignale und der großräumigen Ausdehnung des Betriebsgeländes werden elektrische
übertragungsverfahren angestrebt, die mit möglichst geringem Aufwand für die Fernleitungen
auskommen.
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Eine solche leitungssparende Ausnutzung kann bei Fernwirkanlagen durch
die Verwendung einer Tonfrequenz-Multiplex-Fernwirkanlage erzielt werden. Diese
Anlagentechnik hat außerdem den Vorteil, daß bereits unter Tage verlegte Fernsprechkabel
verwendet werden können, da diese in der Lage sind, die Signale im Tonfrequenzbereich
zu übertragen.
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Weiterhin besteht die Forderung, daß die gesamte Fernwirkanlage unabhängig
von den unter Tage vorhandenen Starkstromnetzen arbeiten muß. Alle Geräte der Fernwirkanlage
sollen von der Grubenwarte aus ferngespeist werden. Das ist für Notfälle und Betriebspausen
an Ruhetagen besonders wichtig, weil dann Teile des Starkstromnetzes abgeschaltet
sind.
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Es sind Anordnungen bekannt, bei welchen diese Forderungen erfüllt
sind. Hierbei dient ein Adernpaar einer Fernsprechleitung als Fernleitung sowohl
zur Übertragung der tonfrequenten Fernwirksignale wie auch zur Gleichstromversorgung
der in der Fernleitung örtlich verteilt angeordneten Meldeeinrichtungen. Diese Meldeeinrichtungen
bestehen im wesentlichen aus einem Tonfrequenzsender, der über einen Befehlskontaktgeber
gesteuert wird. Bei den bekannten Anordnungen dieser Art wird eine Ringleitung dadurch
gebildet, daß die Fernleitung am Ende kurzgeschlossen wird und von einer zentralen
Stelle, d. h. von der Grubenwarte aus, durch ein Speisegerät mit Gleichstrom versorgt
wird. In der Ringleitung liegen Widerstände oder Zenerdioden in Reihenschaltung,
an denen ein Spannungsabfall auftritt, der zur Stromversorgung des jeweiligen Tonfrequenzsenders
benutzt wird. In der Ringleitung liegen ferner die in Reihe geschalteten Wicklungen
der Senderausgangsübertrager.
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Diese bekannten Anordnungen haben den Nachteil, daß die Steuerstromkreise
der Tonfrequenzsender, in denen die Befehlskontaktgeber liegen, nicht eigensicher
ausgebildet werden können, da die Speisegleichspannung der Ringleitung für eine
Reihenschaltung von z. B. zwanzig Sendern 100 V beträgt, was für eigensichere Stromkreise
zu hoch ist. Wenn auch der einzelne Sender nur 5 V an seinem zugehörigen Widerstand
bzw. Zenerdiode abgreift, so kann doch, insbesondere bei Erdschlüssen der Ringleitung,
eine gefährlich hohe Spannung zwischen der Zuleitung zum Steuerkontaktgeber des
Senders und Erde auftreten. Außerdem ist zu berücksichtigen, daß von den Adernpaaren
der unter Tage verlegten Fernsprechkabel nur ein Teil für die Fernwirkanlage benutzt
wird; die anderen Adern werden für Fernsprechzwecke verwendet. Hierzu können die
Rufspannungen, die bei OB-Fernsprechanlagen mit Kurbelinduktoren bis zu 150 V betragen,
bei Aderschlüssen auf die Ringleitung gelangen und die Spannung
noch
weiter erhöhen. Dadurch wird die Verwirklichung der Eigensicherheit noch weiter
beeinträchtigt. Die Eigensicherheit derTonfrequenzsenderstromkreise und insbesondere
deren Steuerleitungen zu den Befehlskontaktgebern ist aber aus wirtschaftlichen
und sicherheitstechnischen Gründen ein besonderer Vorteil für Fernwirkanlagen in
explosions-und schlagwettergefährdeten Betriebsstätten. Es können dann nämlich Befehlsgeber
in Normalausführung verwendet werden, für welche die klassischen (Sch)-Schutzmaßnahmen
entfallen. Bei der Wasserstandsmeldung können dann sogar offene Elektroden benutzt
werden, die den Wasserspiegel abtasten. Ferner können solche Stromkreise auch in
Notfällen, z. B. bei höherem Grubengasgehalt der Luft, weiter in Betrieb bleiben,
was für nicht eigensichere, zündfähige Stromkreise gemäß der bergpolizeilichen Vorschriften
nicht gestattet ist.
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Die Erfindung hat sich zur Aufgabe gestellt, bekannte Schaltungsanordnungen
zur elektrischen Übertragung tonfrequenter Fernwirk-Signalspannungen, insbesondere
für Schlagwetter- und explosionsgefährdete Betriebsstätten, zwischen einer zündgefährlichen,
nicht eigensicheren Fernleitung und örtlich verteilten, eigensicheren Sender- und
Empfängerstromkreisen, die ihre Betriebsgleichspannung aus derselben bereits für
die Weiterleitung der Fernwirk-Signalspannungen verwendeten Fernleitung zugeführt
erhalten, so zu verbessern, daß nicht nur eine Fernspeisung von Tonfrequenzsendern
und -empfängern über ein Adernpaar einer Fernsprechleitung ermöglicht wird, sondern
auch die Sender-und Empfängerstromkreise und damit deren Steuerleitungen eigensicher
sind. Dies erreicht die Erfindung dadurch, daß die örtlich verteilten, eigensicheren
Sender- und Empfängerstromkreise jeweils mit Hilfe von parallel in die am Ende offene
zündgefährliche, nicht eigensichere Fernleitung geschalteten selektiven Leistungswandlern
oder Leitungskopplern an die Fernleitung angeschlossen sind. Solche selektiven Leistungswandler
können in verschiedener Weise ausgeführt werden. Eine bevorzugte Ausführungsform
besteht darin, daß die selektiven Leistungswandler an sich bekannte Übertrager mit
mehreren Eingangswicklungen enthalten, die über zwischen sie gelegte und jeweils
durch einen Kondensator überbrückte Reihenschaltungen aus Wirkwiderständen und spannungsbegrenzenden
Elementen, z. B. Zenerdioden, selbst in gleichem Windungssinn in Reihe geschaltet
und mit den beiden frei bleibenden Wicklungsenden an die Fernleitung angeschlossen
sind. Zweckmäßigerweise wird man bei Vorhandensein von mehr als zwei Eingangswicklungen
diese in der Weise direkt in Reihe schalten, daß elektrisch gesehen nur zwei Eingangswicklungen
resultieren. Eine bevorzugte Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, daß die
Reihenschaltung der Eingangswicklungen, Wirkwiderstände und spannungsbegrenzenden
Elemente hinsichtlich der Anordnung dieser Schaltelemente symmetrisch erfolgt und
der Symmetriemittelpunkt der Reihenschaltung geerdet wird. Eine weitere erfindungsgemäße
Maßnahme besteht darin, daß der übertrager in an sich bekannter Weise eine Ausgangswicklung
besitzt, die durch spannungsbegrenzende Elemente überbrückt ist. Die für die eigensicheren
Sender- und Empfängerstromkreise benötigte Betriebsgleichspannung wird an dem in
der Reihen-Schaltung der Eingangswicklungen liegenden spannungsbegrenzenden Element
abgenommen, die übertragung der Fernwirk-Signalspannungen erfolgt dagegen über die
Ausgangswicklung des Übertragers.
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Die durch die Erfindung erreichten Vorteile sind vor allem darin zu
sehen, daß auf diese Weise, im Gegensatz zu den bekannten Schaltungsanordnungen,
erreicht wird, daß nicht nur die von der Fernleitung abgenommene Betriebsgleichspannung
für die eigensicheren Sender- und Empfängerstromkreise auf eigensichere Werte begrenzt
wird, sondern auch die bei Aderschlüssen im Fernsprechkabel unter Umständen auf
die Fernleitung übertretende Rufspannung aus den Fernsprechstromkreisen. Ferner
wird auch die Spannung des eigensicheren Betriebsgleichspannungsausganges gegen
Erde auf ungefährliche Werte begrenzt, selbst dann, wenn Erdschlüsse auf der Fernleitung
auftreten.
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Nachstehend wird die Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Schaltung
beispielsweise an Hand einer speziellen in der Figur dargestellten Ausführungsform
erläutert.
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Nach der Zeichnung sind die Geräte der Fernwirkanlage in zwei Gruppen
eingeteilt; Geräte unter Tage bzw. im explosions- und schlagwettergefährdeten Betriebsbereich,
und Geräte über Tage ohne Explosions- und Schlagwetterschutz. Beide Gerätegruppen
sind über die zweiadrige nicht eigensichere Fernleitung miteinander verbunden.
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Unter Tage sind eine Reihe von Tonfrequenzsendern G 1 bis
G10 unterschiedlicher Frequenz angeordnet, die durch entsprechende Befehlskontaktgeber
S1 bis S10 eingeschaltet werden können. Ausgangsseitig sind die Sender über eine
zweiadrige Verbindungsleitung parallel geschaltet und mit der Eingangswicklung
n 1 des Übertragers Tr 1 im selektiven Leistungswandler SLYY verbunden.
Die an den beiden Ausgangswicklungen n2 und ,n3 auftretenden Tonfrequenzspannungen
addieren sich, da diese Wicklungen durch die beiden Kondensatoren C1 und C2 wechselstrommäßig
in Reihe geschaltet sind. So gelangen die tonfrequenten Fernwirk-Signalspannungen,
auf die Fernleitung und nach über Tage. Hier werden die Signalspannungen durch einen
weiteren Übertrager Tr2 auf die parallelgeschalteten Eingänge der Tonfrequenzempfänger
E 1 und bis E10 übertragen. Diese sind auf die entsprechenden Frequenzen der Generatoren
G 1 bis G 10 abgestimmt. Die Empfänger erregen die nachgeschalteten Relais, deren
Schalter e 1 bis e 10 die gewünschten Schalthandlungen ausführen. Auf diese Weise
wird die Vielfachausnutzung der Fernleitung erreicht, da in diesem Beispiel bis
zu zehn Meldungen von unter Tage nach über Tage über die zweiadrige Fernleitung
unabhängig voneinander übertragen werden können.
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Für die Übertragung von Schaltbefehlen in umgekehrter Richtung sind
über Tage eine Reihe von Tonfrequenzsendern G11 bis G20 angeordnet, die ebenfalls
über entsprechende Befehlskontaktgeber S11 bis S20 eingeschaltet werden können.
Die Tonfrequenzausgangsspannungen dieser Sender gelangen in umgekehrter Richtung
über die beiden Übertrager Tr 2 und Tr 1 zu den Empfängern E 11 bis
E20 unter Tage, deren Schalter e11 bis e20 die gewünschten Steuerbefehle ausführen.
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Für die Fernspeisung der unter Tage befindlichen Sender G 1 bis G
10 und Empfänger E11 bis E20 ist
über Tage ein Netzgleichrichter
N angeordnet, dessen Ausgangsgleichspannung über die beiden Teilwicklungen
n 2 und n 3 des Übertragers Tr 2 auf die Fernleitung gelangt.
Der Kondensator C3 schließt den Ausgang des Netzgerätes wechselstrommäßig kurz,
so daß keine Bedämpfung für die Tonfrequenzspannungen auftritt. Dieser Wickelsinn
der beiden Wicklungen n 2 und n 3 ist so gewählt, daß sich die magnetisierende
Wirkung der Gleichströme in den Wicklungen kompensiert, so daß keine Gleichstromvormagnetisierung
auftritt, welche sich nachteilig auf die Tonfrequenzübertragung auswirken würde.
Die Gleichspannung wird unter Tage in dem selektiven Leistungswandler SLW an den
zusammen mit den Wirkwiderständen R 1 und R 2 spannungsbegrenzend wirkenden Zenerdiode
D 3 und D 4 abgenommen. Damit wird die Gleichspannung auf einen Wert
begrenzt, der eigensicher ist. Der Kurzschlußstrom am Gleichspannungsausgang des
überleitgerätes wird durch die Widerstände begrenzt.
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Die Verbindung zwischen den beiden Zenerdioden D 3 und
D 4 ist geerdet, daher wird auch die Spannung zwischen den Klemmen
des eigensicheren Betriebsgleichspannungsausganges und Erde begrenzt. Diese Begrenzung
wird wirksam, wenn die Fernleitung einen Erdschluß besitzt. Ohne diese Maßnahme
würde die Spannung gegen Erde gleich der Ausgangsspannung des Netzgerätes N werden.
Die Sender G 1 bis G 10 und Empfänger E 11 bis E 20 werden vom selektiven Leistungswandler
mit der eigensicheren begrenzten Betriebsgleichspannung versorgt. Sie sind in ihrer
Leistungsaufnahme so bemessen, daß sie auch bei gleichzeitigem Betrieb sämtlich
vom selektiven Leistungswandler ausreichend versorgt werden können. Die Kondensatoren
C1 und C2 sollen den Eingang des Spannungsbegrenzers wechselstrommäßig für die Tonfrequenzspannungen
kurzschließen.
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Sofern die zweiadrige Fernleitung zusammen mit anderen Adernpaaren,
die für Fernsprechzweck eingesetzt werden, sich in einem Kabel befindet, besteht
grundsätzlich die Gefahr, daß bei Kurzschlüssen zwischen den Adernpaaren Rufwechselspannung
auf die Fernleitung gelangt, die noch höher sein kann als die Gleichspannung auf
der Leitung. Der Spannungsbegrenzer im selektiven Leistungswandler ist mit seinen
Begrenzungswiderständen R1 und R2 und Zenerdioden D 3 und D 4 so bemessen,
daß auch dann noch eine Begrenzung auf Eigensicherheit gewährleistet ist. Da diese
Rufwechselspannung aber auch auf die Wicklung n 1 des Übertragers Tr
1 ge-
langen kann, wird hier eine Begrenzung mit den Zenerdioden
D 1 und D 2 durchgeführt. Daher wird auch unter ungünstigen Betriebsverhältnissen
in jedem Falle die Eigensicherheit von SpeiseQleichstromkreis und Tonfrequenzstromkreis
der y unter Tage befindlichen Tonfrequenzsender und -empfänger gewährleistet.
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Die Schaltungsanordnung ist nicht auf den Einsatz eines selektiven
Leistungswandlers begrenzt, vielmehr können längs der Fernleitung mehrere selektive
Leistungswandler parallel an die Fernleitung angeschlossen werden, sofern das Netzgerät
N über eine ausreichende Leistungsreserve verfügt. Zu jedem selektiven Leistungswandler
gehört dann eine Gruppe von Sendern und Empfängern, die sämtlich in eigensicheren
Stromkreisen liegen.