DE3643226C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum signaltechnisch sicheren Betrieb mehrerer elektrischer Verbraucher gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Aus der Europäischen Patentschrift 00 31 046 ist eine derartige Ein­ richtung zum signaltechnisch sicheren Betrieb von mehreren parallel geschalteten elektrischen Verbrauchern bekannt. Die Ver­ braucher werden dabei von einem örtlich entfernten sicheren Mikrocomputer über eine Lichtwellenleiterverbin­ dung angesteuert. Sie sind über gesteuerte Schaltmittel an- und abschaltbar. Der Strom eines jeden Verbrauchers wird von je einem Überwacher erfaßt, wobei jeder Überwa­ cher als Fensterdiskriminator arbeitet, der bei einem unzulässig niedrigen und bei einem unzulässig hohen Ver­ braucherstrom anspricht und eine diesbezügliche Zustands­ meldung abgibt, die verschieden ist von der bei ordnungsge­ mäßem Verbraucherstrom abgegebenen Zustandsmeldung. Die Überwacher sollen dabei so gestaltet sein, daß sie zu­ sätzlich von dem Mikrocomputer ansteuerbar sind, wodurch sich ihre einwandfreie Funktion überprüfen lassen soll. Hinweise über die Realisation dieser zusätzlichen Ansteue­ rung sind der erwähnten Patentschrift nicht zu entnehmen. Mit der beschriebenen Einrichtung läßt sich die einwand­ freie Funktion aller Verbraucher zyklisch überprüfen, in­ dem die angeschalteten Verbraucher intervallweise kurz­ zeitig abgeschaltet und die abgeschalteten Verbraucher intervallweise kurzzeitig angeschaltet werden. Die Überwacher müssen dann die entsprechenden Reaktionen zeigen, welche von dem sicheren Mikrocomputer überprüft werden können. Zusätzlich ist ein Schaltglied vorgesehen, das bei Störungen des Übertragungsweges zur Herstellung eines sicheren Zustandes bestimmte Verbraucher direkt an die Stromversorgung anschaltet und die anderen Ver­ braucher von der Stromversorgung abtrennt. Bei dieser bekannten Einrichtung hat jeder Überwacher Sicherheits­ verantwortung zu übernehmen. Die Überwacher selbst müssen deswegen signaltechnisch sicher aufgebaut sein, wozu eine separate Überprüfung ihrer Funktion nötig ist. Der An­ sprechbereich zwischen dem niedrigsten und höchsten zu­ lässigen Stromwert eines jeden Überwachers muß sehr groß gewählt werden, wenn einerseits Schwankungen der Versor­ gungsspannung, anderseits die hohen Stromwerte berück­ sichtigt werden sollen, die bei einem kurzzeitigen An­ schalten eines Verbrauchers zu Testzwecken entstehen können, insbesondere beim Anschalten kalter Glühlampen. Bedingt durch diesen notwendigen, großen Ansprechbereich der Überwacher können gewisse Fehlfunktionen der Verbrau­ cher, welche nur kleine Abweichungen der Verbraucher­ ströme zur Folge haben, nicht erkannt werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, mehrere elektrische Verbraucher signaltechnisch sicher zu betreiben.

Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Hierbei ist in anderem Zusammenhang - z. B. aus der DE-OS 26 35 463 zur Überwachung von Segmenten von elektronischen Anzeigen - bekannt, eine Anzahl von Verbrauchern dadurch zu überwachen, daß Strom und Spannung jedes einzelnen Verbrauchers erfaßt und ausgewertet wird. Diese bekannte Einzelüberwachung jedes Verbrauchers erfolgt jedoch nicht signaltechnisch sicher und könnte nur mit großem Aufwand (beispielsweise nach Verdoppelung aller Strom- und Spannungsaufnehmer) signaltechnisch sicher durchgeführt werden. Dasselbe gilt für eine aus der DE-AS 27 27 800 bekannte Schaltungsanordnung zur Einzelüberwachung von Verbrauchern, hier speziell LED's in LED-Anzeigen. Auch sie ist nicht signaltechnisch sicher und müßte zur Erlangung signaltechnischer Sicherheit völlig umkonzipiert oder verdoppelt werden.

Die Einrichtung nach der Erfindung bietet gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil, daß keine den Verbrauchern einzeln zugeordneten Stromüberwacher mit Sicherheitsverantwortung zur Funktionskontrolle der Verbraucher mehr erforderlich sind. Gemäß der Erfindung wird ein Meßwertgeber eingesetzt, der den Wert des Gesamtstroms aller Verbraucher erfaßt. Zusätzlich wird die Spannung an jedem Verbraucher durch je eine einfache Schwellwertschaltung überprüft. Die Signale der Schwellwertschaltungen und der Strommeßwert des Meßwertgebers werden von einem sicheren Rechnersystem verarbeitet. Das Rechnersystem steuert zusätzlich über Schaltmittel die Verbraucher. Durch diese Konfiguration ist das Rechnersystem in der Lage, Plausibilitätsprüfungen zwischen den abgegebenen Steuerkommandos für die Schaltmittel und den als Reaktion empfangenen Meldungen des Meßwertgebers und der Schwellwertschaltungen vorzunehmen, wodurch in einer der Komponenten auftretende Fehler sofort bemerkt werden und entsprechende Sicherheitsmaßnahmen eingeleitet werden können.

Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

So sieht Patentanspruch 2 Schaltmittel vor, die eine Prüfung der Verbraucher, auch im nicht angeschalteten Zustand, ermöglicht.

Gegenstand des Patentanspruchs 3 ist eine Möglichkeit zur Betriebsspannungsumschaltung, wie sie z. B. in Eisenbahnanlagen zur Tag/Nacht-Umschaltung von Signallampen gebraucht wird.

Gemäß einer im Anspruch 4 angegebenen Ausgestaltung der Erfindung kann das sichere Rechnersystem über eine Sende-/Empfangseinheit mit einer übergeordneten Steuerstelle Daten austauschen. Der Datenaustausch ist dabei über eine serielle Datenübertragungsstrecke, z. B. über einen Lichtwellenleiter möglich. Das Rechnersystem kann somit von der übergeordneten Steuerstelle Kommandos zum Anschalten einzelner Verbraucher empfangen und seinerseits Kontrollmeldungen an die Steuerstelle zurücksenden.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung aus dem Bereich des Eisenbahnsignalwesens soll nun anhand der Zeichnung näher erläutert werden. Die Zeichnung zeigt das Schalt­ bild einer erfindungsgemäßen Einrichtung zur Steuerung von zwei Signallampen eines Eisenbahnlichtsignals.

Der Betrieb von Eisenbahnlichtsignalen muß ständig überwacht werden. Dabei ist besonders wichtig, daß der Haltbegriff, also das rote Licht, in jedem Falle sicher angezeigt wird. Des­ wegen werden in Eisenbahnlichtsignalen zur Anzeige des Haltbegriffs immer Signallampen mit zwei Glühfäden, einem Haupt- und einem Nebenfaden verwendet. Bei Ausfall des Hauptfadens ist dann die Umschaltung auf den Nebenfaden möglich. Auch bei der Anzeige der Fahrt­ begriffe ist die Verwendung von Signallampen mit zwei Glühfäden vorteilhaft, um Betriebsstörungen zu vermeiden. Der Ausfall eines Glühfadens wird dann im Stellwerk an­ gezeigt, so daß die defekte Signallampe möglichst schnell ausgetauscht werden kann. In dem erfindungsge­ mäßen Ausführungsbeispiel ist in der Zeichnung ein Stellwerk 23 über eine serielle Datenverbindung 22 mit einem sicheren Rechnersystem 20 verbunden. Für die serielle Datenverbindung 22 kann zum Beispiel ein Lichtwellenlei­ ter verwendet werden. Als Schnittstellen zur Datenverbin­ dung 22 sind bei dem sicheren Rechnersystem 20 und bei dem Stellwerk 23 Sende-/Empfangseinheiten 21 erforder­ lich. Über die Datenverbindung 22 können vom Stellwerk 23 zum sicheren Rechnersystem 20 Kommandos zum Stellen des Lichtsignals übertragen werden. In der Gegenrichtung ist die Übertragung von Meldungen vom sicheren Rechner­ system 20 zum Stellwerk 23 möglich. Zur sicheren Daten­ übertragung wird ein Code mit entsprechender Redundanz verwendet. Damit können sowohl das Stellwerk 23 als auch das Rechnersystem 20 eventuell auftretende Übertragungs­ fehler erkennen. Verbraucher 3, 4, in diesem Beispiel die Glühfäden der Signallampen, können über vom Rechner­ system 20 betätigte Schaltmittel 1 an die Ausgangsspannung U einer Stromversorgung 10 angeschaltet werden. Als Schaltmittel 1 sind dabei vorteilhaft gesteuerte elektronische Schalter einsetzbar. Die Steuereingänge dieser Schalter 1 sind mit Ausgängen 6 des Rechnersystem 20 verbunden. Von Ausgängen 7 des Rechnersystems 20 sind als steuerbare Schaltmittel 2 weitere elektronische Schalter vorgesehen, die die Verbraucher 3, 4 über Vorwiderstände 8 an die Ausgangsspannung U der Strom­ versorgung 10 anschalten. Ein Meßwertgeber 12 ist in Reihe zur Stromversorgung 10 geschaltet und erfaßt den Wert des gesamten Stroms I aller angeschalteten Verbraucher 3, 4. Dieser Stromwert wird in einen digitalen Wert umgewandelt und einem Dateneingang 13 des Rechnersystems 20 zugeführt. Parallel zu den Verbrauchern 3, 4 sind Schwellwertschal­ tungen 5 geschaltet, die die Spannungen an den Verbrau­ chern 3, 4 messen. Überschreitet die Spannung an einem der Verbraucher 3, 4 einen Schwellwert, so spricht die zu­ gehörige Schwellwertschaltung 5 an und meldet die Span­ nungsüberschreitung dem Rechnersystem 20. Die Schwell­ wertschaltungen 5 sind dazu mit Eingängen 9 des Rech­ nersystems 20 verbunden.

Da Eisenbahnlichtsignale nachts mit einer geringeren Helligkeit als tagsüber betrieben werden, bietet die Stromversorgung 10 die Möglichkeit zur Umschaltung ihrer Ausgangsspannung U auf einen niedrigeren Wert. Die Span­ nungsumschaltung ist von dem Rechnersystem 20 über dessen Ausgang 11 steuerbar.

Zum Betrieb des Signals werden die anzuzeigenden Signal­ begriffe vom Stellwerk 23 über die Datenverbindung 22 an das Rechnersystem 20 übertragen. Das Rechnersystem 20 muß dann als Reaktion die entsprechenden Signallampen anschalten. In dem dargestellten Beispiel geben die bei­ den Signallampen 3 grünes Licht ab, der Ver­ braucher 4 stellt die rote Signallampe dar. Im Normalfall wird immer eine der beiden Signallampen 3 vom Rechnersystem 20 angesteuert. Dazu wird der der Signal­ lampe 3 zugehörige Schalter 1 über den entsprechenden Aus­ gang 6 des Rechnersystems 20 durchgeschaltet. Der Meß­ wertgeber 12 mißt den Gesamtstrom I aller angeschalteten Signallampen 3, 4, wandelt diesen Meßwert in einen digitalen Meßwert um und führt ihn dem Dateneingang 13 des Rechnersystems 20 zu. Damit ist es im Rechnersystem 20 jederzeit möglich, den in den Signallampen 3, 4 fließenden Strom zu überprüfen und mit einem Referenzwert zu vergleichen. Da in diesem Bei­ spiel stets eine Signallampe 3, 4 angeschaltet sein muß, nämlich entweder die rote oder eine grüne Signallampe, gibt der Meßwertgeber 12, abgesehen von einem kurzen Um­ schaltmoment beim Lichtwechsel stets ungefähr den gleichen Stromwert ab, sofern beide Signallampen 3, 4 einwandfrei ar­ beiten. Zur Überprüfung, ob der gemessene Strom auch tatsächlich durch die gewünschte Signallampe 3, 4 fließt, er­ hält das Rechnersystem zusätzlich Signale der Schwell­ wertschalter 5, die die Spannungen an den Signallampen 3, 4 überwachen. Schaltet das Rechnersytems 20 somit von grünem auf rotes Licht um, so darf sich der Stromwert am Meß­ werteingang 13 im eingeschwungenen Zustand nicht ändern, es muß jedoch ein entsprechender Wechsel der Signale von den Schwellwertschaltungen 5 an den Eingängen 9 des Rechnersystems 20 auftreten. Ist eine dieser Bedingungen nicht erfüllt, so erkennt das Rechnersystem 20 die fehler­ hafte Funktion und kann entsprechende Sicherheitsmaß­ nahmen einleiten. Geht zum Beispiel beim Umschalten auf die grüne Signallampe 3 der Strommeßwert auf null zurück, wobei gleichzeitig die Schwellwertschaltung 5 an der grünen Signallampe 3 aber Spannung anzeigt, so ist der Glühfaden der grünen Signallampe 3 defekt, das Rechner­ system 20 schaltet dann die rote Signallampe 4 an und sendet eine Störungsmeldung über die Datenverbindung 22 an das Stellwerk 23. Wird der Ausfall des Hauptfadens der roten Signallampe 4 erkannt, so schaltet das Rechnersystem den Neben­ faden der roten Lampe an und sendet ebenfalls eine Mel­ dung an das Stellwerk 23. Fließt nach dem Anschalten einer Signallampe 3, 4 ein sehr großer Strom und spricht die zugehörige Schwellwertschaltung 5 nicht an, so liegt ein Kurzschluß in der angeschalteten Signallampe 3, 4 vor. Fließt kein Strom durch den Meßwertgeber 12 und spricht keine Schwell­ wertschaltung 5 an, so ist der Schalter oder dessen An­ steuerung der betreffenden Signalampe 3, 4 defekt. Die Reak­ tionen des Rechnersystems 20 entsprechen dann in beiden Fällen denen beim Glühfadendefekt.

Das Rechnersystem 20 ist ebenfalls in der Lage, alle Signallampen 3, 4 auch in nichtangeschaltetem Zustand zu überprüfen. Dazu kann das Rechnersystem 20 über seine Ausgänge 7 die elektronischen Schalter 2 ansteuern. Durch diese fließt dann ein Prüfstrom über die Vorwiderstände 8 durch die zu prüfenden Signallampen 3, 4. Die Vorwiderstände 8 müssen so dimensioniert werden, daß die Signallampen 3, 4, wenn sie in Reihe mit den Vorwiderständen 8 be­ trieben werden, noch kein Licht abgeben. Andererseits muß der Stromfluß durch die Signallampen 3, 4 groß genug sein, um von dem Meßwertgeber 12 registriert werden zu können. Die Schwellwertschaltungen 5 sollen in diesem Betriebs­ zustand noch nicht ansprechen. Das Rechnersystem 20 kann nun alle Signallampen 3, 4, die gerade nicht in Be­ trieb sind, zyklisch überprüfen, in dem kurzzeitig jeweils ein Glühfaden über den zugehörigen Vorwiderstand 8 an die Versorgungsspannung U angeschaltet wird. Als Reak­ tion auf eine solche Anschaltung muß sich der gemessene Wert des Stroms am Meßwerteingang 13 des Rechnersystems 20 um einen definierten Wert erhöhen, und die zugehörige Schwellwertschaltung 5 darf nicht ansprechen. Sind diese Bedingungen in einer solchen Anschaltung nicht erfüllt, so wird die entsprechende Signallampe 3, 4 als defekt erkannt und das Rechnersystem 20 leitet die bereits oben beschrie­ benen Sicherheitsmaßnahmen ein.

Vom Stellwerk 23 kann ein Befehl zur Nachtumschaltung der Signallampen 3, 4 über die Datenleitung 22 an das Rechner­ system 20 übermittelt werden, worauf das Rechnersystem 20 über seinen Ausgang 11 der Stromversorgung 10 ein Um­ schaltsignal gibt. Die Ausgangsspannung U der Stromver­ sorgung 10 senkt sich dann ab, was eine geringere Hellig­ keit der Signallampen 3, 4 zur Folge hat. Bei diesem Nachtbe­ trieb hat das Rechnersystem 20 bei der Überprüfung der vom Meßwertgeber 12 gelieferten Stromwerte entsprechend niedrigere Referenzwerte zugrundezulegen. Die Schalt­ schwelle der Schwellwertschalter 5 muß unterhalb der Betriebsspannung im Nachtbetrieb und oberhalb der am Glühfaden abfallenden Spannung unter Vorschaltung eines Vorwiderstandes 8 bei der Betriebsspannung im Tagbetrieb liegen.

Um Störungen des Datenübertragungsweges zwischen Stell­ werk 23 und Rechnersystem 20 möglichst schnell festzu­ stellen, ist es zweckmäßig, in regelmäßigen Abständen in beiden Richtungen zur Kontrolle Daten zu übertragen. Wenn das Rechnersystem 20 für eine definierte Zeit keine Daten mehr empfangen hat, wird von ihm sofort die rote Signalleuchte 4 angeschaltet, wodurch ein sicherer Zustand hergestellt wird.

Um auch bei einem Ausfall des Rechnersystems 20 einen sicheren Betriebszustand herzustellen ist eine Umschalt­ einheit 15 vorgesehen, die die Betriebsspannung von den Signallampen 3 abschalten kann, wobei gleichzeitig die rote Signallampe 4 direkt an die Be­ triebsspannung angeschaltet wird. Die Umschalteinheit 15 wird von zwei sicheren Ausgängen 14 des Rechnersystems 20 beeinflußt. Die sicheren Ausgänge 14 müssen beide ständig ein definiertes Ausgangssignal abgeben, damit die Umschalteinheit 15 ihren Grundzustand einnimmt. Sobald sich eines der beiden Ausgangssignale an den sicheren Aus­ gängen 14 ändert, schaltet die Umschalteinheit 15 den Rot­ faden an. Je nach Konzeption des sicheren Rechnersystems 20 ist auch eine andere Anzahl von sicheren Ausgängen 14 denkbar. Die Umschalteinheit 15 bietet für das Rechnersystem 20 weiterhin die Möglichkeit, im Falle eines Kurzschlusses im elektroni­ schen Schalter 1 der grünen Signalleuchte 3 einen siche­ ren Zustand herzustellen. Das Rechnersystem 20 beeinflußt dann mindestens einen der sicheren Ausgänge 14, so daß durch die Umschalteinheit 15 dann die grüne Signalleuchte 3 abgeschaltet und die rote Signalleuchte 4 angeschaltet wird. Gleichzeitig wird eine Störungsmeldung über die Datenverbindung 22 an das Stellwerk 23 abgegeben. Alle Störungsmeldungen können genaue Angaben über die Art des Fehlers enthalten. Damit ist die schnelle Behebung eines auftretenden Fehlers möglich.

Die Anwendung der beschriebenen Einrichtung ist auch für größere Lichtsignale mit mehreren Signallampen denk­ bar. Es können auch mehrere Lichtsignale oder andere Verbraucher, die sich in örtlicher Nähe zueinander be­ finden, von nur einem Rechnersystem gesteuert werden.

Claims (4)

1. Einrichtung zum signaltechnisch sicheren Betrieb mehrerer parallel geschalteter elektrischer Verbraucher, die aus einer gemeinsamen Stromversorgung gespeist und von einem sicheren Rechnersystem über den Verbrauchern individuell zugeordnete Schaltmittel angesteuert werden und in der eine Überwachung der Verbraucher durch Auswertung des Verbraucherstromes erfolgt, dadurch gekennzeichnet, daß zur Überwachung der Verbraucher (3, 4) ein allen Verbrauchern gemeinsam zugeordneter Meßwertgeber (12) vorgesehen ist, der den Gesamtstrom (I) der jeweils angeschalteten Verbraucher mißt und den gewonnenen Meßwert dem Rechnersystem (20) zuführt, daß zusätzlich den einzelnen Verbrauchern Schwellwertschaltungen (5) parallelgeschaltet sind, deren vom Spannungsabfall an den jeweiligen Verbrauchern abhängiger Schaltzustand vom Rechnersystem abgefragt wird, daß das Rechnersystem den Wert des Gesamtstromes mit einem vorgegebenen, der Gesamtheit der jeweils angeschalteten Verbraucher zugeordneten Sollwert und die Schaltzustände der Schwellwertschaltungen mit für den jeweiligen Anschaltfall vorgegebenen Soll-Schaltzuständen vergleicht und bei Nichtübereinstimmung des Wertes des Gesamtstromes mit dem Sollwert und/oder des Schaltzustandes einer der Schwellwertschaltungen mit dem jeweils vorgegebenen Soll-Schaltzustand einen Ersatz-Verbraucher einschaltet oder eine sichere Umschalteinheit (15) betätigt, die unabhängig von den den Verbrauchern individuell zugeordneten Schaltmitteln (1) alle Verbraucher (4), deren Betrieb einen sicheren Zustand zur Folge hat, an die Stromversorgung (10) anschaltet und alle Verbraucher (3), durch deren Betrieb dieser sichere Zustand nicht erreicht wird, von der Stromversorgung (10) abtrennt.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Prüfung im nicht angeschalteten Zustand jeder Verbraucher (3, 4) zusätzlich durch ein vom Rechner (20) steuerbares Schaltmittel (2) über einen Vorwiderstand (8) einzeln an die Stromversorgung (10) anschaltbar ist.

3. Einrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangsspannung (U) der Stromversorgung (10) und, damit zusammenhängend, die Sollwerte über einen Ausgang (11) des Rechnersystems (20) veränderbar sind.

4. Einrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Rechnersystem (20) über eine Sende-/Empfangseinheit (21) mit einer übergeordneten Steuerstelle (23) Daten austauscht.