EP1593574B1 - Elektronische Weichensteuerung in einem elektronischen Stellwerk - Google Patents

Elektronische Weichensteuerung in einem elektronischen Stellwerk Download PDF

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EP1593574B1
EP1593574B1 EP04291190A EP04291190A EP1593574B1 EP 1593574 B1 EP1593574 B1 EP 1593574B1 EP 04291190 A EP04291190 A EP 04291190A EP 04291190 A EP04291190 A EP 04291190A EP 1593574 B1 EP1593574 B1 EP 1593574B1
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semi
relay
switched
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point
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Bernd Klose
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Alcatel CIT SA
Alcatel SA
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B61—RAILWAYS
    • B61L—GUIDING RAILWAY TRAFFIC; ENSURING THE SAFETY OF RAILWAY TRAFFIC
    • B61L5/00—Local operating mechanisms for points or track-mounted scotch-blocks; Visible or audible signals; Local operating mechanisms for visible or audible signals
    • B61L5/06—Electric devices for operating points or scotch-blocks, e.g. using electromotive driving means
    • B61L5/062—Wiring diagrams

Definitions

  • the invention relates to a switch control in an electronic interlocking.
  • a point controller is used to control the drive of a switch in a rail network and to monitor the points position. Extremely high demands are placed on the failure and operational safety of the points control. For example, it must be ruled out that the points drive receives an actuating voltage as a result of a malfunction of the points control, while a train is currently traveling over the points. At present, only relays are used for signal-technically safe control of loads. The air gap between the open contacts is accepted as a captive separation point and is practically tested. Accordingly, known point controllers are constructed exclusively in relay technology. An example of this is disclosed in DE 1 222 963 B1.
  • a series connection of a relay contact and a semiconductor switch is proposed. This combines the advantages of both switch types. Through a combination of electronic switch and mechanical contact a wear-free switch with signaling properties is produced.
  • both switches are operated sequentially.
  • switching on the relay contact is first closed and then the consumer is turned on by the semiconductor switch.
  • switching off the consumer first switches off the semiconductor switch and then opens the relay contact.
  • the relay contact is de-energized and there is no burn-off (wear).
  • the point controller 1 has as a central control unit a double computer system 10 consisting of two microcontrollers of the type C167. This controller type and the associated operating system are already used and approved in other security applications.
  • a two-channel interface 11a, 11b is provided for connection to the electronic interlocking.
  • This can e.g. be designed as a parallel interface (for the ESTW Alcatel 6111 LockTrack), as a redundant CAN interface (for the ESTW Alcatel 6151 LockTrack) or as a bus interface for the connection of a TTP module (time triggered protocol) for the EWST Alcatel 6131 LockTrack. It can also be provided several interfaces that are equipped by application. Troubleshooting Diagnostics provide LEDs on the front panel of the assembly or are accessible through a maintenance terminal on a serial port.
  • the point controller 1 is connected via a classic four-wire interface with a point machine 2. This allows the point machine to be connected with minimal wire expense and compatibility with existing outdoor equipment.
  • the point machine includes a three-phase motor 211, 212, -213 that moves the switch to the desired end position.
  • Contacts 221-224 which are closed or opened by the switch blades, allow detection of the switch position by suitable test circuits 121, 122.
  • the test circuits are described in more detail in a co-pending patent application of the same inventor.
  • the power supply interface 110 includes, in addition to three three phase phases L1, L2, L3 (380/400 V), neutral N and ground point MP, a terminal for a 60V test voltage.
  • the dual-computer system monitors the point position and, when the switch is to be moved from one end position to the other, switches the three-phase phases L1-L3 via the four-wire interface to the point machine 2.
  • IGBT modules Isolated Gate Bipolar Transistor
  • Each module contains two IGBTs, one for the positive half-wave and one for the negative half-wave.
  • a relay WN is connected in series with the two semiconductor switches 131, 132.
  • a normally open contact of the relay WN and an electronic switch (equipped with IGBT) are connected in series. If pulse-shaped overvoltages occur in the case of a high-resistance electronic switch and an open relay contact, they are limited at the electronic switch by a respective varistor V1, V2. Therefore only overvoltages below the breakdown voltage of the semiconductors occur at the electronic switch. The overvoltage is applied to the air gap of the open relay contact WN.
  • a monostable, positively driven card relay is used, from which a contact pair is read back by the microcontroller. This realizes a testable network separation.
  • the position of the contact set of WN can be checked constantly via the readback contacts by the secure dual-computer system 10.
  • the relay contacts are operated as disconnectors, that is, they set the current paths, but switch no performance. This take over the semiconductor switches 131, 132 wear.
  • the load 211, 212, 213 turned on by the semiconductor switch.
  • the electronic switch can be checked in addition to each switching operation. In the state Relay WN switched on and IGBT still switched off, no current may be measured at the current transformers I Load and I off.
  • the point motor can advantageously be switched on at the zero crossing of the voltage and switched off at the zero crossing of the current. This is done by ELDP 111 (electronically programmable electronic device). After being enabled by the dual computer system 10, the ELDP 111 controls the in-phase control of the switching voltage.
  • Two additional relays R and L which are also designed as positively driven card relays, are used to control the setpoint position.
  • This information consists of the setpoint set point by reading back the storage relays and by checking the current flow in the monitoring circuit (60V).
  • the current flows through a series circuit of the switch of the monitoring voltage, the detector "monitored” with Auffahrprüfer 121 and the detector “Aveman” 122. All these modules are realized in semiconductor technology. This allows a monitored by the double computer pulse operation. By means of a suitable pulse control algorithm, failures in the monitoring circuit, wire connections and voltage incidents can be revealed by cyclic testing. The daily changeover of operationally not used switches can therefore be omitted.
  • Isolation transformers are used for galvanic isolation of the current paths.
  • Opto-couplers are used for galvanic isolation of the signal paths.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Weichensteuerung in einem elektronischen Stellwerk.
  • Eine Weichensteuerung dient zur Ansteuerung des Antriebs einer Weiche in einem Schienennetz und zur Überwachung der Weichenstellung. Dabei werden extrem hohe Anforderungen an die Ausfall- und Betriebssicherheit der Weichensteuerung gelegt. So muß beispielsweise ausgeschlossen sein, dass der Weichenantrieb durch eine Fehlfunktion der Weichensteuerung eine Stellspannung erhält, während gerade ein Zug über die Weiche fährt. Zur Zeit werden zur signaltechnisch sicheren Steuerung von Lasten ausschließlich Relais eingesetzt. Die Luftstrecke zwischen den offenen Kontakten wird als unverlierbare Trennstelle akzeptiert und ist praktisch erprobt. Dementsprechend sind bekannte Weichensteuerungen ausschließlich in Relaistechnik aufgebaut. Ein Beispiel dafür wird in DE 1 222 963 B1 offenbart.
  • Die Entwicklung elektronischer Stellwerke begann mit dem Einsatz von Rechnertechnik in den zentralen Funktionen wie Meldung und Anzeige, Sicherung und Elementansteuerung. Ansteuerungen der Feldelemente wurden erst später durch Rechner übernommen. Schrittweise kamen Prozessoren und Mikrocontroller in der Gleisfreimeldung (Achszählerinnenanlagen und Zählpunkte), in der Signalsteuerung sowie in Schnittstellenbaugruppen zur parallelen Ein- und Ausgabe zum Einsatz. Aufgrund der hohen Zuverlässigkeit der Weichengruppen in Relaistechnik bestand bisher kein Anlass zum Technologiewechsel.
  • In Relaistechnik ausgeführte Weichensteuerungen haben jedoch einen hohen Raumbedarf. Daher ist die Entwicklung einer elektronischen Weichensteuerung für ein elektronisches Stellwerk wünschenswert.
  • Es ist daher eine Ausgabe der vorliegenden Erfindung, eine elektronische Weichensteuerung anzugeben, die hinsichtlich ihrer Schalteigenschaften die hohen Sicherheitsanforderungen in der Stellwerkstechnik erfüllt.
  • Die Ausgabe wird gelöst durch eine Weichensteuerung nach Anspruch 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind den abhängigen Ansprüchen zu entnehmen.
  • Erfindungsgemäß wird eine Reihenschaltung eines Relaiskontaktes und eines Halbleiterschalters vorgeschlagen. Diese vereint die Vorteile beider Schalterarten. Durch eine Kombination von elektronischem Schalter und mechanischem Kontakt wird ein verschleißfreier Schalter mit signaltechnischen Eigenschaften hergestellt.
  • Vorteilhaft werden beide Schalter nacheinander betätigt. Beim Einschalten wird zuerst der Relaiskontakt geschlossen und anschließend der Verbraucher durch den Halbleiterschalter eingeschaltet. Beim Ausschalten des Verbrauchers schaltet zuerst der Halbleiterschalter ab und anschließend öffnet der Relaiskontakt. Dadurch wird der Relaiskontakt stromlos geschaltet und es tritt kein Abbrand (Verschleiß) auf.
  • Durch das verschleißfreie Schalten haben die Baugruppen der elektronischen Weichensteuerung eine wesentlich größere Lebensdauer. Durch den Halbleiterschalter kann in bestimmten Phasenlagen geschaltet werden. Dadurch verringern sich Einschaltstrom und Induktionsspannung beim Ausschalten erheblich. Störbeeinflussungen auf benachbarte Systeme werden reduziert.
  • Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der einzigen Figur erläutert. Diese zeigt ein Schaltbild der erfindungsgemäßen Weichensteuerung.
  • Die Weichensteuerung 1 hat als zentrale Steuereinheit ein Doppelrechnersystem 10, bestehend aus zwei Mikrocontrollern vom Typ C167. Dieser Controllertyp und das dazugehörige Betriebssystem sind bereits in anderen Sicherheitsanwendungen eingesetzt und zugelassen.
  • Eine zweikanalige Schnittstelle 11a, 11b ist zum Anschluss an das elektronische Stellwerk vorgesehen. Diese kann z.B. als parallele Schnittstelle (für das ESTW Alcatel 6111 LockTrack), als redundante CAN-Schnittstelle (für das ESTW Alcatel 6151 LockTrack) oder als Busschnittstelle zur Anbindung eines TTP-Moduls (time triggered protocol) für das EWST Alcatel 6131 LockTrack ausgebildet sein. Es können auch mehrere Schnittstellen vorgesehen sein, die anwendungsbedingt bestückt werden. Diagnosefunktionen zur Störungssuche liefern LEDs an der Frontplatte der Baugruppe oder sind über ein Wartungsterminal an einer seriellen Schnittstelle zugänglich.
  • Die Weichensteuerung 1 wird über eine klassische Vierdrahtschnittstelle mit einem Weichenantrieb 2 verbunden. Dies erlaubt eine Anschaltung des Weichenantriebs mit minimalem Aderaufwand und Kompatibilität mit vorhandenen Außenanlagen. Der Weichenantrieb enthält einen dreiphasigen Motor 211, 212,-213, der die Weiche in die gewünschte Endstellung bewegt. Kontakte 221-224, die durch die Weichenzungen geschlossen oder geöffnet werden, erlauben ein Erkennen der Weichenstellung durch geeignete Prüfkreise 121, 122. Die Prüfkreise werden in einer parallel eingereichten Patentanmeldung desselben Erfinders näher beschrieben.
  • Die Stromversorgungsschnittstelle 110 enthält neben drei Drehstromphasen L1, L2, L3 (380/400 V), Nullleiter N und Massepunkt MP einen Anschluss für eine 60V Prüfspannung. Das Doppelrechnersystem überwacht die Weichenstellung und schaltet, wenn die Weiche von einer Endlage in die andere gestellt werden soll, die Drehstromphasen L1-L3 über die Vierdrahtschnittstelle zum Weichenantrieb 2.
  • Das Schalten der Versorgungsspannung erfolgt über Halbleiterschalter 131 und 132. Hierfür werden sogenannte IGBT-Module eingesetzt (Isolated Gate Bipolar Transistor), eine Kombination aus Feldeffekt und Bipolartransistor. Jedes Modul enthält zwei IGBT, einen für die positive Halbwelle und einen für die negative Halbwelle.
  • Wenn zur Steuerung von signaltechnischen Leistungsstromkreisen Halbleiterschalter eingesetzt werden, ist deren trennende Eigenschaft aber nur bis zur Durchbruchspannung der Halbleiter gegeben. Bei Überschreiten der Durchbruchspannung (durch kurzzeitige Überspannungen) fließt durch die Halbleiter Strom, der in den Halbleitern eine hohe Verlustleistung bewirkt. Aufgrund der thermischen Überlastung schließt der Halbleiterschalter kurz und schaltet die Versorgungsspannung zum Verbraucher durch. Eine Weiche könnte dann Umlaufen, was natürlich unter keinen Umständen zugelassen werden darf.
  • Dies wird erfindungsgemäß dadurch verhindert, dass ein Relais WN in Reihe mit den beiden Halbleiterschaltern 131, 132 geschaltet wird. In den Strompfaden der Leiter L1 und L2 sind jeweils ein Schließerkontakt des Relais WN und ein elektronsicher Schalter (mit IGBT bestückt) in Reihe geschaltet. Wenn bei hochohmigem elektronischen Schalter und geöffnetem Relaiskontakt impulsförmige Überspannungen auftreten, werden diese am elektronischen Schalter durch je einen Varistor V1, V2 begrenzt. Am elektronischen Schalter treten deshalb nur Überspannungen unterhalb der Durchbruchspannung der Halbleiter auf. Die Überspannung steht an der Luftstrecke des geöffneten Relaiskontakts WN an.
  • Als Relais wird ein monostabiles, zwangsgeführtes Kartenrelais verwendet, von dem ein Kontaktpaar durch den Mikrocontroller zurückgelesen wird. Damit wird eine prüfbare Netzabtrennung realisiert. Die Stellung des Kontaktsatzes von WN kann ständig über die Rücklesekontakte durch das sichere Doppelrechnersystem 10 geprüft werden.
  • Um eine hohe Lebensdauer der Relaiskontakte zu erreichen, werden diese als Trenner betrieben, das heißt, sie legen die Stromwege fest, schalten aber keine Leistung. Dies übernehmen die Halbleiterschalter 131, 132 verschleißfrei. Beim Einschalten wird zuerst der Relaiskontakt geschlossen und anschließend der Verbraucher 211, 212, 213 durch den Halbleiterschalter eingeschaltet. Beim Ausschalten des Verbrauchers schaltet zuerst der Halbleiterschalter ab und anschließend öffnet der Relaiskontakt. Durch das Nacheinander beim Schalten von Relais WN und IGBT kann der elektronische Schalter zusätzlich bei jedem Schaltvorgang geprüft werden. Im Zustand Relais WN eingeschaltet und IGBT noch ausgeschaltet darf an den Stromwandlern I Last und I off kein Strom gemessen werden.
  • Zur Vermeidung von steilen Spannungsanstiegen oder zur Verringerung von Induktionsspannungen kann der Weichenmotor vorteilhaft im Nulldurchgang der Spannung eingeschaltet und im Nulldurchgang des Stromes ausgeschaltet werden. Dies wird durch ELDP 111 bewirkt (electronically programmable electronic device). Nach Freigabe durch das Doppelrechnersystem 10 steuert das ELDP 111 die phasenrichtige Steuerung der Umstellspannung.
  • Zur Steuerung der Weichensolllage dienen zwei weitere Relais R und L, die ebenfalls als zwangsgeführte Kartenrelais ausgeführt sind. Um die Weiche betrieblich nutzen zu können, wird eine permanente Überwachung der Ist-Lage notwendig. Diese Information besteht aus der Weichensolllage durch Rücklesen der Lagerelais und durch Überprüfen des Stromflusses im Überwachungsstromkreis (60V). Der Strom fließt durch eine Reihenschaltung des Schalters der Überwachungsspannung, dem Melder "Überwacht" mit Auffahrprüfer 121 und dem Melder "Aufgefahren" 122. All diese Module sind in Halbleitertechnik realisiert. Dies gestattet einen vom Doppelrechner überwachten Pulsbetrieb. Mittels eines geeigneten Algorithmus der Pulssteuerung lassen sich Ausfälle im Überwachungsstromkreis, Aderschlüsse und Spannungseinfälle durch zyklische Prüfung offenbaren. Das tägliche Umstellen betrieblich nicht benutzter Weichen kann deshalb entfallen.
  • Trenntransformatoren dienen zur galvanischen Trennung der Stromwege. Zur galvanischen Trennung der Signalwege werden Optokoppler eingesetzt.

Claims (10)

  1. Weichensteuerung (1) für ein elektronisches Stellwerk zur Ansteuerung eines Weichenantriebs (2), mit mindestens einem Halbleiterschalter (131, 132) zum Schalten einer Stellspannung (L1, L2) für den Weichenantrieb (2) und mit mindestens einem Relais (WN), dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Relaiskontaktpaar des Relais in Reihe mit dem Halbleiterschalter (131, 132) geschaltet ist, zum Abtrennen einer Spannungsversorgung (110) im Ruhezustand.
  2. Weichenantrieb nach Anspruch 1 mit mindestens einem vorzugsweise einstellbaren Widerstand (V1, V2) in Parallelschaltung zu dem mindestens einen Relaiskontakt (WN).
  3. Weichensteuerung nach Anspruch 1 mit einem Doppelrechnersystem (10) aus mindestens zwei Mikrocontrollern zum Ansteuern des mindestens einen Relais (WN) und des mindestens einen Halbleiterschalters (131, 132), welches derart angepasst ist, dass beim Einschalten zuerst der Relaiskontakt (WN) geschlossen und anschließend der Weichenantrieb (2) durch den Halbleiterschalter (131, 132) eingeschaltet wird und beim Ausschalten des Weichenantriebs (2) zuerst der Halbleiterschalter (131, 132) abgeschaltet und anschließend der Relaiskontakt (WN) geöffnet wird.
  4. Weichensteuerung nach Anspruch 1, bei dem der mindestens eine Halbleiterschalter mindestens einen Isolated Gate Bipolar Transistor enthält.
  5. Weichensteuerung nach Anspruch 4, bei dem der mindestens eine Halbleiterschalter je einen Isolated Gate Bipolar Transistor für positive und negative Halbwellen enthält.
  6. Weichensteuerung nach Anspruch 1, bei dem das mindestens eine Relais ein monostabiles, zwangsgeführtes Relais mit mindestens zwei Kontaktpaaren ist, von denen ein Kontaktpaar in Reihe mit dem Halbleiterschalter (131, 132) geschaltet ist und ein Kontaktpaar durch das Doppelrechnersystem (10) zurückgelesen wird.
  7. Weichensteuerung nach Anspruch 1 mit mindestens einem Strommesser zum Prüfen des mindestens einen Halbleiterschalter (131, 132) durch einem im Zustand in dem das mindestens eine Relais (WN) eingeschaltet und der mindestens einen Halbleiterschalter (131, 132) noch ausgeschaltet ist.
  8. Weichensteuerung nach Anspruch 1 mit einer Steuerung (111) zur phasenrichtigen Steuerung der Umstellspannung derart, dass im Nulldurchgang der Spannung eingeschaltet und im Nulldurchgang des Stromes ausgeschaltet werden wird.
  9. Weichensteuerung nach Anspruch 1 mit zwei weiteren Relais (R, L) zur Steuerung der Weichensolllage.
  10. Verfahren zum Ansteuerung eines Weichenantriebs (2), bei dem zum Einschalten zuerst ein Relaiskontakt (WN), der zum Abtrennen einer Spannungsversorgung (110) im Ruhezustand dient, geschlossen und anschließend der Weichenantrieb (2) durch zumindest einen Halbleiterschalter (131, 132) eingeschaltet wird und beim Ausschalten des Weichenantriebs (2) zuerst der mindestens eine Halbleiterschalter (131, 132) abgeschaltet und anschließend der Relaiskontakt (WN) wieder geöffnet wird.
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