EP1501714B1 - Prozessanschaltungen fuer das sichere betreiben von sicherungstechnischen einrichtungen - Google Patents

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EP1501714B1
EP1501714B1 EP03749837A EP03749837A EP1501714B1 EP 1501714 B1 EP1501714 B1 EP 1501714B1 EP 03749837 A EP03749837 A EP 03749837A EP 03749837 A EP03749837 A EP 03749837A EP 1501714 B1 EP1501714 B1 EP 1501714B1
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EP
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process connections
functional modules
fkt
safety
modules
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Matthias Hentschel
Rudolf Temming
Alexander Priebe
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Siemens AG
Siemens Corp
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Siemens AG
Siemens Corp
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B61—RAILWAYS
    • B61L—GUIDING RAILWAY TRAFFIC; ENSURING THE SAFETY OF RAILWAY TRAFFIC
    • B61L7/00—Remote control of local operating means for points, signals, or track-mounted scotch-blocks
    • B61L7/06—Remote control of local operating means for points, signals, or track-mounted scotch-blocks using electrical transmission

Definitions

  • the invention relates to process connections for the safe operation of security equipment according to the preamble of claim 1.
  • process connections are required in many fields of technology with safety-relevant orientation, such as vehicle construction, traffic control and monitoring, industrial plant construction and medical technology.
  • control elements of the electronic interlockings control a variety of components of the indoor unit and the exterior of the interlocking.
  • the adaptation to different configurations, local conditions and various components of the interlocking system requires a large number of very complex and specific actuator subassemblies.
  • considerable effort is required in particular the unbundling, the change of documents, a new safety case management and the validation of the change to realize.
  • the number of actuators and generally the process connections grows continuously and thus increases the care required, the u. a. caused by component discontinuation. The trend is towards ever more complex and customized special solutions.
  • US Pat. No. 5,922,034 discloses process connections or steep parts which are based on PRD (Programmable Relay Driver). Technology based. Various PRDs are provided for controlling various devices, such as lamps, motors or switches.
  • the invention is based on the object process connections of the generic type which are characterized by greater projectability, ie a reduction in the number of variants.
  • the object is achieved with the characterizing features of claim 1.
  • the invention is based on the finding that the sum of the functionalities of all process connections can be mapped to only a few basic functionalities.
  • an electronic function module is defined for each basic functionality.
  • a higher-level architecture defines the functionality, the structure and the interaction of the function modules, in particular with regard to interfaces, form and safety verification.
  • the range of modules can be easily expanded according to the architectural specifications. For example, the complete range of actuators for electronic interlockings with about 15 different function modules can be realized.
  • the modular design allows for prefabrication of the functional modules, resulting in ultimately shorter production times, a more balanced production utilization and shorter delivery times.
  • the safety record guide is also much easier and faster.
  • the testing machines for the functional modules in production are small, inexpensive and faster to implement the test programs.
  • the test time can be reduced many times over with the module technology.
  • a safety case is created for each functional module.
  • the interaction between the function modules is defined by a method security proof.
  • the individual safety proofs of the function modules are included in a complete safety record embedded for the respective process connection.
  • the cost of the safety verification guide over conventional process connections is significantly reduced.
  • Functional modules which are designed as electronic fuses, according to the invention for overload protection and line monitoring have a switching threshold, which can be configured by software.
  • the current to be monitored is configured in software for several current ranges.
  • the usual conventional fuses are replaced by the configurable electronic fuses.
  • the state of the electronic fuse can be signaled by an LED. With a push-button, the circuit can be switched off and on again. This results in an essential functionality to achieve the modularity. Process switch-specific or part-specific fuses are no longer required.
  • the size of the volume of a function module for actuators should be 45 mm x 30 mm x 20 mm. Only the small secure computer, which is listed in claim 2 in addition to other function modules, requires about twice the volume. The small cheap secure calculator in Configuration with other function modules enables a significant reduction of material consumption. By concentrating and encapsulating the functionalities on a few function modules, the number of different components is reduced, which at the same time increases the number of required components. The temporal signal changes on the connections between the function modules can be greater by powers than in conventional actuators, so that the control parts are less susceptible to interference.
  • the function module functioning as communication interface is used for communication with a higher-level computer or with neighboring computers.
  • the function module can be designed, for example, for ISDN Uo, PROFIBUS, TCP / IP or radio communication.
  • Function modules in the embodiment as a circuit breaker are preferably designed with integrated current transformer. Different circuit breakers are controlled according to the same principle. For the timely control, a safe computer in modular technology is provided with a powerful Stormbeêt.
  • the function modules also contain mechanisms to detect wire contacts.
  • the current to be monitored in particular in the case of the circuit breakers and in the case of the secure computer, is configured according to the invention in terms of software for a plurality of current ranges.
  • each circuit breaker can monitor four switch-specific current ranges.
  • the current ranges are loaded during initialization.
  • the circuit breakers can be used in a large current and voltage range.
  • the number of required function modules is minimized. At the same time, fewer different process connections are required.
  • the functional modules are shed according to claim 4, whereby a reduced influence of moisture and improved insulation result. This has a positive effect on the dielectric strength of the function modules.
  • the function modules which are to be combined to form an actuating part, are electrically connected with each other.
  • FIG. 1 schematically shows the development of an actuating part 1 from functionalities Fkt_1, Fkt_2, Fkt... In a first grouping 2 and functional modules 3 in a second grouping 4.
  • the functionalities Fkt_1, Fkt_2, Fkt Number of functional modules 3 encapsulated such that functionalities Fkt_1, Fkt_2, Fkt ... for similar objectives, such as certain current ranges, are summarized in a controllable by software electronic function module 3.
  • the control part 1 is assembled.
  • the function module 3 as a secure computer 5, communication interface 6 or be designed as a circuit breaker 7.
  • the module-based actuator 1 is characterized by shorter production times, simplified testing, reduced complexity, reduced maintenance costs, reduced material costs and reduced space requirements.
  • the direct assembly of the control components from the very large number of functionalities Fkt_1, Fkt_2, Fkt ... with lower projectability and increased costs.
  • FIG. 2 illustrates a system configuration for a process interface 8 in cooperation with a two-channel computer 5.
  • the communication interfaces 6 include a function module 3 for ISDN connection, TCP / IP and / or for connection to a redundant Profibus.
  • the communication interfaces 6 are each connected to a functional module 3, which represents the secure computer 5. From the computer modules 5 a plurality of functional modules 3 are controlled for circuit breaker 7.
  • the circuit breaker modules 7 switch a load 9, for example a signal control, as illustrated in FIG. 3 or a four-wire point drive, as illustrated in FIG.
  • the functional modules 3 for the circuit breaker 7 may be preceded if necessary, a test module 10.
  • the test module drives a constant current of z. B. 10 mA.
  • the test current z. B every 100 ms for a few ms to be turned on. In this way, results in a very low power loss.
  • the functional modules 3 for the circuit breaker 7 are opened after a configurable period of time, for example 20 ms.
  • the circuit breaker 7 is opened within 1 ms.
  • the shutdown is by an LED on the front panel of the process interface 8 is displayed.
  • the circuit can be switched on again with an associated button on the front panel.
  • This functionality is realized by electronic fuses whose switching threshold can be configured by software.
  • FIG. 3 shows an actuating part for controlling signal lamps 11.1, 11.2 and 11.3.
  • the signal lamp 11.3 is a red lamp, which is particularly secured by means of a function module 3 for a switch-off relay 12 to guarantee the associated, particularly safety-relevant Gargebot in each case.
  • FIG. 4 shows a further example of the modular construction of an actuating part which is provided for the control of a four-wire point drive 13.
  • FIG. 5 shows a current range diagram for a function module 3 for the power circuit 7.
  • the current ranges 14.1, 14.2, 14.3 and 14.4, which are shown in a window-like manner for the sake of clarity, can be configured by software. In this case, an overlap of current ranges, in the embodiment 14.2 and 14.3, possible.
  • the second current range 14.2 symbolizes the current range at night voltage
  • the third current range 14.3 symbolizes the current range at day voltage
  • the fourth current range 14.4 which corresponds to the highest power consumption, becomes effective in the case of overcurrent, the associated load switch after a configurable period of time, for example 10 ms, is opened.

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Description

  • Die Erfindung betrifft Prozessanschaltungen für das sichere Betreiben von sicherungstechnischen Einrichtungen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Derartige Prozessanschaltungen sind auf vielen Gebieten der Technik mit sicherheitsrelevanter Ausrichtung, beispielsweise Fahrzeugbau, Verkehrssteuerung und -überwachung, Industrieanlagenbau und Medizintechnik, erforderlich.
  • Im Folgenden wird beispielhaft im Wesentlichen auf Prozessanschaltungen in Form von Stellteilen eines Stellwerkes eingegangen. Die Stellteile der elektronischen Stellwerke steuern eine Vielzahl von Komponenten der Innenanlage und der Außenanlage des Stellwerkes. Die Anpassung an verschiedene Konfigurationen, örtliche Gegebenheiten und unterschiedlichste Komponenten der Stellwerksanlage erfordert eine große Anzahl sehr komplexer und spezifischer Stellteilbaugruppen. Bei häufig notwendigen, an sich geringfügigen Änderungen vorhandener Stellteile ist ein beträchtlicher Aufwand erforderlich, um insbesondere die Entflechtung, die Änderung der Unterlagen, eine neue Sicherheitsnachweisführung und die Validierung der Änderung zu realisieren. Die Anzahl der Stellteile und allgemein der Prozessanschaltungen wächst kontinuierlich und erhöht somit auch den Pflegeaufwand, der u. a. durch Bauteilabkündigungen verursacht wird. Die Tendenz geht zu immer aufwendigeren und kundenspezifischen Speziallösungen.
  • Aus der US-A-5,922,034 sind Prozessanschaltungen bzw. Steilteile bekannt, die auf PRD-(Programmable Relay Driver) Technik basieren. Verschiedene PRDs sind dabei zur Steuerung verschiedener Einrichtungen, wie Lampen, Motoren oder Weichen, vorgesehen.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Prozessanschaltungen der gattungsgemäßen Art anzugeben, die sich durch größere Projektierbarkeit, d. h. eine Verringerung der Variantenanzahl auszeichnen.
  • Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass die Summe der Funktionalitäten aller Prozessanschaltungen auf nur wenige Grundfunktionalitäten abgebildet werden kann. Für jede Grundfunktionalität wird ein elektronisches Funktions-Modul definiert. Eine übergeordnete Architektur legt die Funktionalität, den Aufbau und das Zusammenwirken der Funktions-Module, insbesondere hinsichtlich Schnittstellen, Form und Sicherheitsnachweisführung, fest. Das Modulspektrum lässt sich nach Maßgabe der Architekturvorgaben auf einfache Weise erweitern. Beispielsweise kann das komplette Stellteilspektrum für elektronische Stellwerke mit ca. 15 unterschiedlichen Funktions-Modulen realisiert werden. Die Modulbauweise ermöglicht eine Vorfertigung der Funktions-Module, so dass letztlich kürzere Fertigungszeiten, eine ausgeglichenere Fertigungsauslastung und kürzere Lieferzeiten resultieren. Auch die Sicherheitsnachweisführung ist deutlich einfacher und schneller.
  • Die Prüfautomaten für die Funktions-Module in der Fertigung sind aufgrund der geringen Komplexität der Funktions-Module gegenüber einer herkömmlichen Prozessanschaltung klein, kostengünstig und die Prüfprogramme dafür schneller zu implementieren. Die Prüfzeit lässt sich bei der Modultechnik um ein vielfaches reduzieren. Für jedes Funktions-Modul wird ein Sicherheitsnachweis erstellt. Das Zusammenwirken zwischen den Funktions-Modulen wird über einen Verfahrens-Sicherheitsnachweis definiert. Durch Kombination mehrerer Funktions-Module zu einer Prozessanschaltung werden die einzelnen Sicherheitsnachweise der Funktions-Module in einem Gesamtsicherheitsnachweis für die jeweilige Prozessanschaltung eingebettet. Somit wird der Aufwand für die Sicherheitsnachweisführung gegenüber herkömmlichen Prozessanschaltungen deutlich reduziert.
  • Die Komplexität der Prozessanschaltungen wird deutlich verringert, wodurch sich die Entwicklungszeit für Änderungen oder neue Prozessanschaltungen und der Entwicklungsaufwand reduzieren lassen. Da die Funktions-Module sehr klein und auf minimale Verlustleistung ausgelegt sind, eignet sich diese Technik sowohl für den Einsatz in Innen- als auch Außenanlagen. Der Einsatz z. B. in einem Lampenschirm oder einem Anschlussgehäuse für Achszähler ist durchaus möglich.
  • Funktions-Module, die als elektronische Sicherungen ausgebildet sind, besitzen erfindungsgemäß zum Uberlastschutz und zur Leitungsüberwachung eine Schaltschwelle, die durch Software projektierbar ist. Der zu überwachende Strom wird softwaremäßig für mehrere Strombereiche projektiert. Die bisher üblichen konventionellen Sicherungen werden durch die projektierbaren elektronischen Sicherungen ersetzt. Der Zustand der elektronischen Sicherung kann durch eine LED signalisiert werden. Mit einem Taster kann der Stromkreis aus- und wieder eingeschaltet werden. Dadurch ergibt sich eine wesentliche Funktionalität, um die Modularität zu erreichen. Prozessanschaltungsspezifische bzw. stellteilspezifische Sicherungen sind nicht mehr erforderlich.
  • Als Größenordnung für das Volumen eines Funktions-Moduls für Stellteile dürften 45 mm x 30 mm x 20 mm ausreichen. Lediglich der kleine sichere Rechner, der in Anspruch 2 neben anderen Funktions-Modulen aufgeführt ist, benötigt etwa das doppelte Volumen. Der kleine preiswerte sichere Rechner in Projektierung mit anderen Funktions-Modulen ermöglicht eine deutliche Reduzierung des Materialverbrauchs. Durch die Konzentration und Kapselung der Funktionalitäten auf wenige Funktions-Module reduziert sich die Anzahl unterschiedlicher Bauteile, wodurch gleichzeitig die Stückzahl der benötigten Bauteile erhöht wird. Die zeitlichen Signaländerungen auf den Verbindungen zwischen den Funktions-Modulen können um Potenzen größer sein als bei herkömmlichen Stellteilen, so dass die Stellteile unempfindlicher gegen Störungen werden.
  • Das als Kommunikationsschnittstelle fungierende Funktions-Modul dient der Kommunikation mit einem übergeordneten Rechner oder mit Nachbarrechnern. Das Funktions-Modul kann beispielsweise für ISDN Uo, PROFIBUS, TCP/IP oder Funkkommunikation ausgelegt sein.
  • Funktions-Module in der Ausführungsform als Leistungsschalter sind vorzugsweise mit integriertem Stromwandler ausgestaltet. Unterschiedliche Leistungsschalter werden nach dem gleichen Prinzip angesteuert. Für die zeitlich exakte Ansteuerung ist ein sicherer Rechner in Modultechnik mit einer leistungsfähigen Stormbewertung vorgesehen.
  • Die Funktions-Module beinhalten gegebenenfalls auch Mechanismen, um Aderberührungen aufzudecken.
  • Der insbesondere bei den Leistungsschaltern und bei dem sicheren Rechner zu überwachende Strom wird gemäß Anspruch 3 softwaremäßig für mehrere Strombereiche projektiert. Jeder Leistungsschalter kann beispielsweise vier schalterspezifische Strombereiche überwachen. Die Strombereiche werden bei der Initialisierung geladen. Dadurch sind die Leistungsschalter in einem großen Strom- und Spannungsbereich einsetzbar.
  • Die Anzahl der erforderlichen Funktions-Module wird minimiert. Gleichzeitig sind weniger verschiedene Prozessanschaltungen erforderlich.
  • Vorteilhafterweise sind die Funktions-Module gemäß Anspruch 4 vergossen, wodurch ein verringerter Feuchtigkeitseinfluss und eine verbesserte Isolation resultieren. Dies wirkt sich positiv auf die Spannungsfestigkeit der Funktions-Module aus.
  • Die Funktions-Module, die zu einem Stellteil kombiniert werden sollen, werden untereinander elektrisch verbunden.
  • Nachfolgend wird die Erfindung anhand figürlicher Darstellungen näher erläutert. Es zeigen:
    • Figur 1
    eine schematische Darstellung der Modulkonzeption,
    Figur 2
    eine Systemkonfiguration,
    Figur 3
    ein Leistungsteil eines Stellteils für eine Signalanschaltung,
    Figur 4
    ein Leistungsteil eines Stellteils für einen Weichenantrieb und
    Figur 5
    ein Strombereichsdiagramm.
  • Figur 1 zeigt schematisch die Entwicklung eines Stellteiles 1 aus Funktionalitäten Fkt_1, Fkt_2, Fkt... in einer ersten Gruppierung 2 und Funktions-Modulen 3 in einer zweiten Gruppierung 4. Die Funktionalitäten Fkt_1, Fkt_2, Fkt... werden zu einer wesentlich geringeren Anzahl von Funktions-Modulen 3 derart gekapselt, dass Funktionalitäten Fkt_1, Fkt_2, Fkt... für ähnliche Zielsetzungen, beispielsweise bestimmte Strombereiche, in einem durch Software ansteuerbaren elektronischen Funktions-Modul 3 zusammengefasst sind. Aus verschiedenen Modulbausteinen wird das Stellteil 1 zusammengesetzt. Beispielsweise kann das Funktions-Modul 3 als sicherer Rechner 5, Kommunikationsschnittstelle 6 oder als Leistungsschalter 7 ausgebildet sein. Das Stellteil 1 auf Modulbasis zeichnet sich durch verkürzte Fertigungszeiten, vereinfachte Prüfung, verringerte Komplexität, verringertem Pflegeaufwand, reduzierten Materialkosten und verringertem Raumbedarf aus. Im Gegensatz dazu ist die direkte Zusammenfügung der Stellteilkomponenten aus der sehr großen Anzahl der Funktionalitäten Fkt_1, Fkt_2, Fkt... mit geringerer Projektierbarkeit und erhöhten Kosten verbunden.
  • Figur 2 veranschaulicht eine Systemkonfiguration für eine Prozessanschaltung 8 im Zusammenwirken mit einem zweikanaligen Rechner 5. Als Kommunikationsschnittstellen 6 sind ein Funktions-Modul 3 für ISDN-Anschluss, TCP/IP und/oder für den Anschluss an einen redundanten Profibus vorgesehen. Die Kommunikationsschnittstellen 6 sind jeweils mit einem Funktions-Modul 3, der den sicheren Rechner 5 repräsentiert, verbunden. Von dem Rechnermodulen 5 werden mehrere Funktions-Module 3 für Leistungsschalter 7 gesteuert. Die Leistungsschaltermodule 7 schalten eine Last 9, beispielsweise eine Signalansteuerung, wie in Figur 3 veranschaulicht oder einen Vier-Draht-Weichenantrieb, wie in Figur 4 veranschaulicht. Den Funktions-Modulen 3 für die Leistungsschalter 7 kann bei Bedarf ein Prüfmodul 10 vorgeschaltet sein. Das Prüfmodul treibt einen konstanten Strom von z. B. 10 mA. Da der sichere Rechner 5 üblicherweise sehr kurze Zykluszeiten hat, kann der Prüfstrom z. B. alle 100 ms für wenige ms eingeschaltet werden. Auf diese Weise ergibt sich eine sehr geringe Verlustleistung. Bei Überstrom werden die Funktions-Module 3 für die Leistungsschalter 7 nach einer projektierbaren Zeitspanne, beispielsweise 20 ms, geöffnet. Bei Kurzschluss wird der Leistungsschalter 7 innerhalb 1 ms geöffnet. Die Abschaltung wird durch eine LED auf der Frontplatte der Prozessanschaltung 8 angezeigt. Mit einem zugehörigen Taster auf der Frontplatte lässt sich der Stromkreis wieder einschalten. Diese Funktionalität ist durch elektronische Sicherungen, deren Schaltschwelle durch Software projektierbar ist, realisiert.
  • Figur 3 zeigt ein Stellteil zur Ansteuerung von Signallampen 11.1, 11.2 und 11.3. Die Signallampe 11.3 ist dabei eine Rotlampe, die mittels eines Funktions-Moduls 3 für ein Abschaltrelais 12 besonders abgesichert ist, um das zugeordnete, besonders sicherheitsrelevante Haltegebot in jedem Fall zu garantieren.
  • Figur 4 zeigt ein weiteres Beispiel für den modularen Aufbau eines Stellteiles, das für die Ansteuerung eines Vier-Draht-Weichenantriebes 13 vorgesehen ist.
  • Figur 5 zeigt ein Strombereichsdiagramm für ein Funktions-Modul 3 zur Leistungsschaltung 7. Die Strombereiche 14.1, 14.2, 14.3 und 14.4, die der Anschaulichkeit wegen fensterartig dargestellt sind, sind durch Software projektierbar. Dabei ist auch eine Überlappung von Strombereichen, im Ausführungsbeispiel 14.2 und 14.3, möglich. Der erste Strombereich 14.1, der der geringsten Leistungsaufnahme entspricht, kann z. B. für einen Prüfstrom vorgesehen sein, der zweite Strombereich 14.2 symbolisiert den Strombereich bei Nachtspannung, der dritte Strombereich 14.3 symbolisiert den Strombereich bei Tagspannung und der vierte Strombereich 14.4, der der höchsten Leistungsaufnahme entspricht, wird bei Überstrom wirksam, wobei der zugehörige Lastschalter nach einer projektierbaren Zeitspanne, beispielsweise 10 ms, geöffnet wird.
  • Die Erfindung beschränkt sich nicht auf die vorstehend angegebenen Ausführungsbeispiele.

Claims (4)

  1. Prozessanschaltungen für das sichere Betreiben von sicherungstechnischen Einrichtungen, insbesondere für die Ansteuerung von Signallampen (11.1, 11.2, 11.3), Weichenantrieben (13), Achszählern, Freimeldeeinrichtungen, Geschwindigkeitsmesseinrichtungen, Fahrsperren und für sichere Kontaktabfragen,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    Funktions-Module (3) vorgesehen sind, deren Funktionalitäten (Fkt_1, Fkt_2, Fkt...) mehreren verschiedenen Prozessanschaltungen gemeinsam sind, wobei die Funktions-Module (3) elektronische Sicherungen, deren Schaltschwellen und Trägheit durch Software projektierbar ist, umfassen.
  2. Prozessanschaltungen nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    gekapselte Funktions-Module (3) als Prüfschaltungen (10), Leistungsschalter (7), Filter, digitale Ein- und Ausgänge, Rechner (5) und Kommunikationsschnittstellen (6) ausgebildet sind.
  3. Prozessanschaltungen nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet ,
    dass die Funktions-Module (3) zur Überwachung mehrerer durch Software projektierbarer Strombereiche (14.1, 14.2, 14.3, 14.4) ausgebildet sind.
  4. Prozessanschaltungen nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet ,
    dass die Funktions-Module (3) vergossen sind.
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