EP4249345A1 - Betrieb eines feldelements in einer eisenbahntechnischen anlage über eine vierdraht-schnittstelle - Google Patents

Betrieb eines feldelements in einer eisenbahntechnischen anlage über eine vierdraht-schnittstelle Download PDF

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EP4249345A1
EP4249345A1 EP22163470.2A EP22163470A EP4249345A1 EP 4249345 A1 EP4249345 A1 EP 4249345A1 EP 22163470 A EP22163470 A EP 22163470A EP 4249345 A1 EP4249345 A1 EP 4249345A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
field element
changeover
wire interface
monitoring
current
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP22163470.2A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Erwin Alex Zurfluh
Patricius Johann GSCHWEND
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Hitachi Rail GTS Schweiz AG
Original Assignee
GTS Schweiz AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by GTS Schweiz AG filed Critical GTS Schweiz AG
Priority to EP22163470.2A priority Critical patent/EP4249345A1/de
Publication of EP4249345A1 publication Critical patent/EP4249345A1/de
Pending legal-status Critical Current

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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
    • 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
    • B61L5/10—Locking mechanisms for points; Means for indicating the setting of points
    • B61L5/102—Controlling electrically
    • 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
    • B61L5/10—Locking mechanisms for points; Means for indicating the setting of points
    • B61L5/107—Locking mechanisms for points; Means for indicating the setting of points electrical control of points position
    • 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
    • B61L7/08—Circuitry
    • B61L7/081—Direct line wire control

Definitions

  • the present invention relates to a device for operating a field element in a railway system, the device having a four-wire interface to the field element.
  • the invention also relates to a field element that is suitable for operation with such a device and to a railway system that has such a device and a field element.
  • railway technical systems can have a variety of motor-driven field elements such as switches, barriers or gauge changing systems.
  • the field elements are located in an outdoor system, while the components for controlling and monitoring the field elements are located in an indoor system.
  • a switch drive with a drive motor is used.
  • the drive motor is traditionally operated with a three-phase alternating voltage.
  • FIG. 1A A switch 11 with a switch drive 12 and push rod 13 is schematically illustrated in its left end position L, in which Fig. 1B in its right end position R.
  • the terms “left” and “right” refer to the position in relation to the direction of travel F in which the switch forms a branch.
  • the switch drive 12 is electrically controlled and monitored by a control and monitoring device in the indoor system that is spatially separate from the switch.
  • the control and monitoring device in turn communicates with a signal box computer.
  • switch drives that work with the four-wire interface are the Siemens S 700 K, Thales FieldTrac 6341 L700H and Thales FieldTrac 6343 L826H systems.
  • FIG. 2 the traditional interaction of a switch machine 12 with a control unit 20 is illustrated via a four-wire interface.
  • the point drive 12 has a drive motor with three windings L1, L2, L3, the mutual interconnection of which is determined by the position of two limit switches m1 and m2.
  • the switch drive 12 and the control unit 20 each have a four-wire interface X1-X4. These four-wire interfaces are connected to one another via a four-wire cable 30.
  • the four-wire interface can be operated in two operating modes, namely in monitoring mode or in changeover mode.
  • the control unit 20 has an operating mode switch 23 in the form of a four-pole isolating relay.
  • the operating mode switch 23 connects the switch drive 12 either to an end position monitoring device 21 or a changeover control 22.
  • monitoring mode the end position monitoring device 21 applies a DC voltage to two of the four connections of the four-wire interface and, on the one hand, determines the resulting current through these connections and on the other hand the voltage resulting at the other two connections.
  • the voltage and current measurements can be used to determine whether the switch is in the end position to be monitored.
  • the changeover control 22 applies a three-phase alternating voltage (typically 3 x 400 VAC) to the windings L1-L3 of the drive motor via the four-wire interface X1-X4.
  • FIG. 3A The positions of the limit switches m1, m2 are illustrated for different states of the switch.
  • the limit switches m1, m2 are in the position they assume in the left end position L of the switch Fig. 3B in the position that they assume in the right end position R of the switch.
  • the limit switches m1, m2 are in the position that they assume when the switch is "cut open", ie in a state in which the switch is between its left and right end position.
  • the switch assumes this state on the one hand during the changeover, and on the other hand in the following situations: when the switch is blocked during the changeover so that it cannot reach its end position, or when the switch has been opened.
  • the position of the Fig. 3D is never taken in the company.
  • the drive motor starts from the left end position Fig. 3A or the right end position of 3B initially operated in two phases until the limit switches reach the position of the Fig. 3C assume.
  • the further changeover now takes place in normal three-phase operation.
  • the phase position on the windings L1-L3 determines the direction of rotation of the drive motor.
  • the changeover control 22 recognizes this and switches the isolating relay 23 to the position for monitoring operation.
  • the monitoring operation is based on the Figures 4A and 4B explained in more detail.
  • a monitoring DC voltage source 210 is provided in the end position monitoring device 21, which applies a monitoring voltage U sup of typically 48 ... 60 VDC to the connections X2 and X3.
  • a low-resistance current detector 211 typically a low-resistance relay that switches above a certain current threshold, is arranged in series with the DC voltage source 210 and determines a measure of the current I 1 caused by the DC voltage source 210 through the connection X3.
  • a high-resistance voltage detector 212 typically a high-resistance relay that switches above a certain voltage threshold, is connected to terminals X1 and X4.
  • the current detector 212 determines a measure of the voltage U 1 , which is formed at the connections X1 and X4 due to the monitoring voltage U sup .
  • the windings L1-L3 have low resistance to direct currents (typically 10-15 Q). When the switch occupies the left end position (ie when the limit switches m1 and m2 reach the in Fig. 3A position shown), current flows serially through the low-resistance windings L1-L3, the low-resistance current detector 211 and the high-resistance voltage detector 212.
  • the resulting current I 1 is limited by the high internal resistance of the voltage detector 212 and is correspondingly small.
  • the resulting voltage U 1 is correspondingly relatively large. If, on the other hand, the switch assumes the cut state (ie if the limit switches m1 and m2 reach the in Fig. 3C assume the position shown), the current only flows through the low-resistance windings L2 and L3 and the low-resistance current detector 211, but not through the Winding L1 and the voltage detector 212.
  • the resulting current I 1 is correspondingly high.
  • the voltage U 1 at the voltage detector 212 becomes zero. This allows a clear distinction to be made between the left end position and the cut state. Analogous considerations also apply to monitoring the right end position, which is in the Fig. 4B is illustrated.
  • the monitoring of the end positions via the four-wire interface is always carried out via a voltage measurement (high-impedance) and a current measurement (low-impedance). All elements in the outdoor system (windings L1-L3 and limit switches m1 and m2) are low-resistance with respect to direct currents, and the high-resistance voltage detector is arranged in the indoor system.
  • control unit 20 is arranged together with the signal box computer in a central signal box building, i.e. the indoor system is centralized in a single location. Between the signal box building and the field elements, cables run in a tree-like arrangement and can be up to several kilometers long. This type of arrangement is referred to below as “traditional signal box architecture”.
  • EP3643579A1 discloses a device for monitoring the operating status of a switch, in which a readout signal is generated in the form of an AC signal. The value of the frequency of this readout signal depends on the determined operating state of the switch.
  • a coupling device couples the readout signal into an electrical line between a switch drive of the switch and a signal box.
  • An evaluation device arranged remotely from the switch couples the readout signal out of the line, carries out a spectral analysis of the extracted readout signal and, depending on a result of the spectral analysis, generates an output signal which represents the operating state of the switch.
  • monitoring is carried out using two current measurements instead of one voltage and one current measurement. This enables particularly reliable monitoring. In particular, insulation faults or wire shorts can be detected and localized particularly reliably, as these have a direct effect on the measured current values.
  • the evaluation device is preferably designed to compare the currents measured by the first and second current detectors and to determine the monitoring signal taking this comparison into account. This makes determining the operating status particularly easy and reliable.
  • the evaluation device can optionally also be designed to compare the current measured by the first current detector and the current measured by the second current detector with a reference value and to determine the monitoring signal taking this comparison into account. This allows the reliability of determining the operating state to be further increased, and additional error states such as wire shorts or insulation faults, which manifest themselves in deviations from expected current values, can be detected.
  • the first and second current detectors preferably each have an internal resistance with respect to direct currents of less than 20 ⁇ , particularly preferably less than 10 ⁇ and in particular less than 5 ⁇ .
  • the internal resistances of the first and second current detectors match to facilitate a direct comparison.
  • the device can in particular be designed for alternative monitoring of two target positions of the field element, for example the end positions of a switch or barrier.
  • the device can be used with a field element with a first and a second limit switch, these limit switches being as explained above Figures 3A-3D are interconnected and connected to the four-wire interface of the field element.
  • the device can have a monitoring target position selection switch, which is designed to switch between a first monitoring state for monitoring a first target position and a second To switch the monitoring state to monitoring a second target location.
  • the monitoring voltage In the first monitoring state, the monitoring voltage is present between the second and third terminals of the four-wire interface, and the second current detector measures the current between the first and fourth terminals, and in the second monitoring state, the monitoring voltage is present between the first and third terminals of the four-wire interface , and the second current detector measures the current between the first and fourth terminals.
  • the first current detector always measures the current through the third connection of the four-wire interface, regardless of the monitoring status.
  • the changeover control is also designed to apply the changeover voltage to the other two connections of the four-wire interface, in particular to the first and third connections, preferably with a fixed polarity.
  • the device is designed in a special way to supply a field element via the four-wire interface with energy for switching from a DC voltage source.
  • the desired target position is coded via the polarity of the changeover voltage at two of the four connections of the four-wire interface. Energy is transferred via all four connections of the four-wire interface to minimize line losses.
  • the device can have a master operating mode switch, which is designed to switch the device between a monitor operating mode and a changeover operating mode, wherein in the monitor operating mode the master operating mode switch connects the monitoring device to the four-wire interface and in the changeover operating mode the master operating mode switch
  • the changeover control connects to the four-wire interface.
  • the changeover voltage and the monitoring voltage are preferably polarized in such a way that they cause currents with opposite current directions through one of the connections of the four-wire interface, preferably the third connection, when a field element is operated with the device.
  • a pole of the monitoring DC voltage source is preferably connected to the relevant connection of the four-wire interface, and in the changeover operating mode, a pole of the changeover DC voltage source is connected to this connection of the four-wire interface, these poles having opposite signs .
  • the device can have a master control which is designed to receive a changeover command from a signal box function for changing the field element to a new target position and, depending on the changeover command, to bring the master operating mode switch from the monitor operating mode to the changeover operating mode as well as to operate the monitoring target position selector switch and the changeover target position selector switch according to the new target position.
  • a master control which is designed to receive a changeover command from a signal box function for changing the field element to a new target position and, depending on the changeover command, to bring the master operating mode switch from the monitor operating mode to the changeover operating mode as well as to operate the monitoring target position selector switch and the changeover target position selector switch according to the new target position.
  • the changeover control can have a changeover current detector for measuring a changeover current that is caused in the field element by the changeover voltage, and the master control can be designed to detect the changeover current detector to record the measured changeover current and, depending on the changeover current, to switch the master operating mode switch back from the changeover operating mode to the monitor operating mode. This is based on the knowledge that the changeover current drops sharply after the changeover process has ended. This drop can be detected by the master control and used to switch the operating mode.
  • the field element also has an element which is non-linear with respect to direct currents and which is arranged in the field element in such a way that a current flowing through the third connection of the four-wire interface flows through it and thereby generates an auxiliary voltage which depends non-linearly on this current.
  • the field element is basically constructed according to the principles as described above based on Figures 3A-3D were explained.
  • a non-linear element generates an auxiliary voltage.
  • the auxiliary voltage can be used in particular to power an auxiliary power supply and/or to charge an energy storage device.
  • auxiliary power supply for example, a device for generating an AC design signal as in EP3643579A1 operate. Further possible uses of the auxiliary voltage are described in more detail below.
  • the field element is therefore designed in a special way to be operated with a DC voltage supply via the four-wire interface and to be controlled by a device of the type described above.
  • the field element can have a rechargeable energy storage device which is designed to charge energy at least in the monitor operating mode of the field element from the auxiliary voltage and, if necessary, deliver additional energy to the motor control.
  • the present invention also provides a railway system which has a field element in its outdoor system and a device for operating the field element of the type specified above in its indoor system.
  • a four-wire cable connects the four-wire interface of the device to the four-wire interface of the field element.
  • the field element has a first limit switch and a second limit switch. The first limit switch assumes a first position when the field element is in a first end position and a second position when the field element is outside the first end position. The second limit switch assumes a first position when the field element is in a second end position and a second position when the field element is outside the second end position.
  • the field element is designed to assume an operating mode in which the limit switches are connected to the four-wire interface of the field element in such a way that the monitoring voltage causes a current that flows through both the first and the second current detector when the first limit switch is in the first position and the second limit switch is in the second position or if the second limit switch is in the first position and the first limit switch is in the second position, and that the monitoring voltage causes a current that flows through the first current detector but not the second current detector, when both the first and second limit switches are in the second position.
  • the field element can in particular be designed as described in more detail above.
  • the system can also have one or more reference resistors which are arranged in the field element and/or in the device for its operation in such a way that they influence currents through the connections of the four-wire interface of the field element, which are caused by the monitoring voltage.
  • at least two reference resistors are present, with at least one of the reference resistors being arranged in the field element and at least one of the reference resistors being arranged in the device, with the reference resistors preferably having the same resistance value. This makes it easier to detect wire shorts and insulation faults.
  • the reference resistors each preferably have a resistance value between 20 and 200 ⁇ .
  • At least a first and second reference resistor are present, wherein the first reference resistor is arranged such that a current flows through it through the first connection of the four-wire interface, and wherein the second reference resistor is arranged such that it is supplied by a Current flows through the second connection of the four-wire interface.
  • a third reference resistor is also present, with the third reference resistor being arranged in such a way that a current flows through it through the fourth connection of the four-wire interface.
  • the first and second reference resistors are preferably arranged in the field element and the third reference resistor is arranged in the monitoring device.
  • Field element is a railway technical facility that is usually located on a railway line and is used to control, signal or monitor the railway line. Field elements can be motor-driven. Examples of motor-driven field elements in stationary railway technology are switches, barriers (level crossings), switching posts and gauge changing systems.
  • Field element control unit (object controller): A field element control unit is assigned to a field element and is used to control and/or monitor the field element.
  • the field element control unit receives commands from an interlocking computer ("interlocking function") and interacts with the assigned field element based on these commands.
  • the field element control unit can be designed to monitor the operating state of the assigned field element and to output a monitoring result to the signal box function.
  • the indoor system The place where a field element control device is arranged is called the indoor system.
  • the indoor facility can, for example, be a signal box room in a traditional signal box architecture.
  • the indoor system can, for example, be a control cabinet that is spatially separated from the signal box between the signal box and the outdoor system or can include such a control cabinet.
  • the control cabinet can be located near the track. At Thales, such a control cabinet is also referred to as a “Trackside Control Unit (TCU)”.
  • TCU Trorackside Control Unit
  • Outdoor facility The place where the field element is located is called the outdoor facility.
  • the sign convention chosen for the current directions is that a current from the indoor system to the outdoor system has a positive sign and a current from the outdoor system to the indoor system has a negative sign.
  • an at least single-pole changeover switch (often referred to as a "single pole changeover switch", SPCO switch) serves as the limit switch, the position of which depends on the operating state of a field element.
  • the changeover switch alternatively connects a middle connection (“Common”, COM) to one of two external connections.
  • the limit switch can be of the “make-before-break” (MBB) or “break-before-make” (BBM) type.
  • FIG. 1 An exemplary embodiment of a device according to the invention for end position monitoring is explained below using the control and monitoring of a field element in the form of a switch.
  • the switch has a switch drive in the outdoor area. This is connected to a control unit in the indoor system via a four-wire interface. Unlike the example of Fig. 2 However, the required drive energy is not transferred from the control unit to the point drive by feeding in a three-phase alternating voltage via the four-wire interface. Instead, the drive energy is provided by a DC voltage supply.
  • An exemplary embodiment of this type of energy transmission is described below in connection with Figures 6A and 6B explained in more detail.
  • an exemplary embodiment of an end position monitoring device can be illustrated. For reasons of better clarity, Figures 5A to 5D the components for transmitting the drive energy are omitted.
  • three reference resistors R ref ,1 , R ref ,2 and R ref ,4 are provided in this exemplary embodiment.
  • two of these reference resistors namely R ref ,1 and R ref ,2 , are arranged in the external system (ie in or near the point drive) and connected to the respective center connection of the limit switches m1 and m2.
  • the reference resistor R ref ,1 is in a line to connection X1 of the four-wire interface
  • the reference resistor R ref ,2 is in a line to connection X2.
  • the third reference resistor, R ref, 4 is arranged in the indoor system (ie at the control device).
  • the reference resistor R ref , 4 is located in a line to the connection X4, so that the current flows through the connection X4 through this reference resistor.
  • the reference resistor R ref , 4 does not directly replace the winding L3 Fig. 2 , which is located in the outdoor system and is connected to connection X3 of the four-wire interface.
  • a four-core cable runs between the indoor system and the outdoor system, each of which has a cable resistance R line .
  • a DC voltage source 210 which provides a monitoring voltage U sup , and a first low-resistance current detector 211 is connected in series with the DC voltage source 210, so that it determines the current I 1 flowing through the connection X3.
  • a second low-resistance current detector 213 is provided. This is connected in series with the reference resistor R ref , 4 and determines the current I 2 flowing through the connection X4.
  • the output signals of the two current detectors 211, 213 are led to an evaluation device 215, which compares these output signals with one another and with reference values in order to draw conclusions about the operating state of the switch.
  • a monitoring target position selector switch 214 in the form of a relay with a two-pole changeover switch (“Double Pole Double Throw [DPDT] Switch” or “Double Pole Changeover [DPCO] Switch”) connects, depending on the position, the pole of the DC voltage source 210 that is not connected to X3 with the connection X1 of the four-wire interface and the connection of the current detector 213 that is not connected to X4 with the connection X2, or vice versa.
  • the position of this target position selector switch 214 determines which of the two end positions (left or right end position) should be monitored.
  • a non-linear component in the form of a Zener diode (nowadays usually referred to as a Zener diode) D1 is located in the external system (ie in or near the point drive) in a line to connection X3.
  • the monitoring voltage U sup and the Z diode D1 are polarized relative to one another in such a way that the Z diode D1 is flowed through in the reverse direction, so that a breakdown voltage drops across it, which forms an auxiliary voltage U aux .
  • An auxiliary power supply 14 is connected in parallel to the Zener diode, the function of which is related to the Fig. 6 will be explained in more detail. Part of the current I 1 feeds the auxiliary power supply 14, another part flows through the Zener diode D1.
  • the auxiliary voltage U aux depends only slightly on the current portion that flows through the Zener diode and can therefore be viewed as constant in a first approximation. This arrangement makes it possible to supply the auxiliary power supply 14 with an electrical power whose maximum, in a first approximation, corresponds to the product of the auxiliary voltage U aux and the current I 1 .
  • the auxiliary voltage U aux is preferably in the range of 5%-60% of the monitoring voltage U sup , in absolute numbers preferably between 3 and 30 V.
  • the outdoor system has a higher impedance than the indoor system and is thereby determining the current, unlike in the prior art Figures 4A and 4B , where the indoor system has a higher resistance and therefore determines the current.
  • the switch takes its left end position.
  • the limit switches m1, m2 are in the position Fig. 3A
  • the target position selector switch 214 is in the left position, in which the end position monitoring device checks whether the field element actually occupies the left end position.
  • the current caused by the monitoring voltage U sup flows through all three reference resistors and all four wires of the connecting cable.
  • the field element assumes its right end position.
  • the limit switches m1, m2 are in the position Fig. 3B
  • the target position selector switch 214 is in the right position, in which the end position monitoring device checks whether the field element actually occupies the right end position.
  • the currents I 1 and I 2 take the same values as in Fig. 5A and accordingly it can be concluded in the same way that the right end position is correct.
  • the field element is in transit from the right to the left end position or in an opened state out of the left end position.
  • An opened state is when a switch with a correct end position is driven incorrectly from the point heart. The turnout tongue is pushed away by the wheel flange. The same switching condition can also result from “not reaching the end position”.
  • the cause can be jammed stones, mechanical adjustment errors, mechanical distortion or malfunctions in the limit switches m1 and m2.
  • the circuit now only contains the DC voltage source 210, the current detector 211, the Zener diode D1, the reference resistor R ref,2 and two wires for the connections X2 and X3 of the four-wire interface.
  • I 1 558 mA
  • I 2 0.
  • the current I 1 is therefore significantly more than twice as high as when the end position was reached, and the current I 2 is zero.
  • the evaluation device 215 determines whether the current I 2 is actually zero and whether the current I 1 is in the expected range, and thus concludes that the cut state exists.
  • this arrangement can also be used to detect wire shorts between the individual wires in the connecting cable or insulation faults. All possible combinations of wire connections result in current values I 1 and I 2 that deviate from the current values in the end positions.
  • the evaluation device 215 can accordingly be designed to compare these current values with reference values in order to determine and localize wire shorts or insulation faults, ie to assign a detected wire short to a pair of lines. In the present arrangement, this is made easier by the fact that the reference resistor R ref , 4 is located in the indoor system, while the other two reference resistors R ref , 1 and R ref , 2 are located in the outdoor system, so that in the case of certain wire connections, these reference resistors each current no longer flows through it after the operating state.
  • some possible wire shorts (X2 to X3 or X1 to X3) cause a short circuit in which only the DC voltage source 210 and the current detector 211 are in the circuit.
  • the DC voltage source 210 can be equipped with a current limiting function.
  • a fourth reference resistor can be provided in the indoor system in the line to connection X3, which limits the short-circuit current.
  • a control unit 20 in the indoor system includes, on the one hand, a monitoring device 21 and, on the other hand, a changeover control 22.
  • a master operating mode switch 23 in the form of a isolating relay with a four-pole changeover switch connects the outdoor system either to the monitoring device 21 ("monitoring operation") or the changeover control 22 ( “conversion operation”).
  • the master operating mode switch 23 is actuated by means of a master control 25, which receives digital control commands from a signal box function.
  • the monitoring device 21 of the indoor system is as in the Figures 5A and 5B constructed, and the above statements are referred to Figures 5A and 5B referred. For reasons of better clarity, the evaluation device 215 was in the Fig. 6A omitted.
  • the changeover control 22 includes a high-power DC voltage source 220, which provides a drive voltage U D.
  • the drive voltage U D has the same amount as the monitoring voltage U sup .
  • a changeover current detector 221 is connected in series with the DC voltage source 220. The changeover current detector 221 outputs an output signal, which depends on the current I D through the changeover current detector 221, to the master controller 25.
  • the connection X3 of the four-wire interface is connected to the negative pole of the DC voltage source 220 in changeover mode, the connection The polarity of the connections X2 and X4 depends on the desired direction of rotation or the target position: To change towards the left end position, the connection Polarity reversed.
  • a two-pole changeover switch connected as a pole inverter is used for this purpose, which is referred to below as the changeover target position selector switch 224 and which is connected to the monitoring target position selector switch 214 of the end position monitoring device 21 is forcibly coupled and is actuated together with this as a common relay 24 by the master control 25.
  • the target position is not determined by the phase position of a three-phase alternating voltage at the connections X1, X2 and X3, but rather by the polarity of a direct voltage at the connections X2 and X4.
  • the direction of the current that flows through the connection X3 in monitoring mode is opposite to the direction of the current that flows through this connection in the changeover mode. This enables the components of the point drive in the outdoor system to recognize in which operating mode the point drive should be operated without the need for another wire in the cable 30 to transmit this information.
  • control unit 20 in the indoor system codes the operating mode by the direction of the current through the connection X3 and the target position in the changeover mode by the polarity of a direct voltage at the connections X2 and X4.
  • the field element 12 in the outdoor system has a two-pole changeover switch 123, which serves to switch the field element between the monitoring mode and the changeover mode depending on the direction of the current through the connection X3.
  • the changeover switch 123 connects the connections X2 and Together, the changeover switch 123 and the control elements 142, 143 form a field element operating mode switch in the outdoor system.
  • the motor control 121 controls a DC motor 120.
  • the DC motor is preferably a brushless motor with Hall element-controlled electronic commutation.
  • the motor controller 121 has several connections as follows. Two connections DP+ and DP- are used to supply energy to the motor control in changeover mode. In changeover mode, these connections are connected to the connections X1-X4 of the four-wire interface via diodes D7 and D8 in such a way that regardless of the selected target position (i.e. regardless of the polarity of the connections X2 and Both connections of the four-wire interface carry the current flowing in the opposite direction from the negative connection DP- (namely X3 and, depending on the target position, X4 or X2). This even distribution of the supply current to the four connections of the four-wire interface minimizes line losses in the individual wires of the connecting cable 30 between the indoor system and the outdoor system.
  • Two “Uml” connections are used to detect the desired target position based on the polarity between the connections X2 and X4 of the four-wire interface. Depending on which of these two connections a positive voltage is present, the desired target position and thus the desired direction of rotation of the motor 120 are determined.
  • Two further “EL” connections are used to detect whether the desired target position has actually been reached (end position detection). Based on the voltages at these connections, the motor control 121 recognizes which position the limit switches m1, m2 are in.
  • An auxiliary power supply 14 is supplied with a voltage U aux by a bipolar nonlinear element (specifically: an arrangement of two series-connected Z diodes D2, D3 with opposite polarity) and a bridge rectifier 141.
  • the auxiliary power supply 14 supplies, in particular, the two actuating elements 142, 143 with energy.
  • the actuators 142, 143 sense the direction of current through the bipolar nonlinear element by sensing the polarity of the voltage across that element, thereby determining the direction of current through the terminal X3 of the four-wire interface. If the current direction is positive, the actuating element 142 actuates the changeover switch 123 in such a way that it reaches the position for monitoring operation. If the current direction is negative, the actuating element 143 actuates the changeover switch 123 in such a way that it moves into the position for changeover operation, and at the same time transmits a signal to the motor control 121 that the changeover should begin.
  • a rechargeable energy storage device 144 (eg a rechargeable battery) is also provided, which supplies the engine control 121 with power in the changeover mode Drive energy supported.
  • the energy storage is continuously charged by the actuating element 142 in monitoring mode and can deliver energy to the motor control 121 in the changeover mode.
  • Such an energy storage device is particularly useful for long lines between the indoor and outdoor systems, where the line losses in changeover operation can be significant, since the supply voltage U D is relatively low and the currents through the cable 30 are therefore relatively high.
  • Two diodes D3, D4 ensure that in changeover mode a current can flow from connection X1 to connection X3 through the outdoor system, while in monitoring mode a current is led from connection X3 to the end position contacts m1, m2.
  • both the master operating mode switch 23 of the indoor system and the field element operating mode switch of the outdoor system with the changeover switch 123 are in the position for monitoring operation.
  • the master control device 25 receives a command to change to a new target position.
  • the master control device 25 now controls the elements 23 and 24 in such a way that the new target position is set with the target position selector switches 214, 224 and the master operating mode switch 23 is brought into the position for changeover operation.
  • the motor control 121 now receives, on the one hand, a signal for switching from the actuating element 143 and, on the other hand, is supplied with drive energy for the drive motor 120 via the four-wire interface.
  • the motor control 121 determines the desired target position based on the voltages at the “Uml” connections.
  • the motor control 121 now controls the motor 120 so that it starts smoothly in the required direction. After a certain time or a certain number of motor revolutions (or commutator pulses), the motor control 121 reduces the speed of the motor 120 until the limit switches m1, m2 of the motor control 121 signal at the "EL" connections that the desired end position has been reached.
  • the motor control 121 now stops the motor 120.
  • the motor control 121 therefore draws massively less energy via the four-wire interface.
  • the changeover current detector 221 in the changeover controller 22 detects a greatly reduced current I D .
  • the corresponding signal from the changeover current detector 221 causes the master controller 25 to return the master operating mode switch 23 to the position for monitoring operation. As a result, the direction of the current through the connection
  • controlled semiconductor switching elements such as MOSFETs can also be used instead of mechanical switches.
  • Zener diodes other non-linear elements can also be used, which enable the decoupling of an auxiliary voltage U aux .
  • all polarities can be reversed as long as the flow directions of the diodes are adjusted accordingly.
  • the monitoring voltage U sup and the drive voltage U D can be different.
  • the drive voltage U D must be higher than the monitoring voltage U sup in order to reduce the currents through the cable 30 during the changeover operation and thereby minimize line losses. This can be particularly useful with a long cable 30.
  • the end position monitoring device can also be operated with just a single current detector; However, this is associated with a reduction in the informative value of the monitoring results.
  • the number of reference resistors can vary from three, but there should be at least one reference resistor to avoid a short circuit. At least two reference resistors are preferably used, which are arranged in such a way that the current flows through them through the connections X1 and X2.
  • the drive motor 120 is preferably a brushless, electronically commutated DC motor, other types of motors also come into consideration.
  • it can also be an AC motor, and the motor controller 121 can accordingly have an inverter that generates an AC voltage for the motor.

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Abstract

Eine Vorrichtung (20) zum Betrieb eines Feldelements in einer eisenbahntechnischen Anlage umfasst eine Überwachungseinrichtung (21) mit einer Überwachungs-Gleichspannungsquelle (210) zur Erzeugung einer Überwachungsspannung (U<sub>sup</sub>) und zwei Stromdetektoren (211, 213) zur Messung der Ströme (I<sub>1</sub>, I<sub>2</sub>) durch den dritten und vierten Anschluss (X3) der Vierdraht-Schnittstelle. Eine Auswerteeinrichtung (215) ermittelt basierend auf den vom ersten und zweiten Stromdetektor (211, 213) gemessenen Strömen (I<sub>1</sub>, I<sub>2</sub>) ein Überwachungssignal (E) und gibt dieses aus. Eine Umstellsteuerung (22) steuert das Feldelement an, um es von einer ersten Endlage in eine zweite Endlage umzustellen, und umfasst dazu eine Umstell-Gleichspannungsquelle (220) und einen Umstell-Ziellagenwahlschalter (224). Ausserdem offenbart sind ein Feldelement mit einem nichtlinearen Element zur Erzeugung einer Hilfsspannung sowie eine eisenbahntechnische Anlage, die eine Vorrichtung der genannten Art und ein Feldelement umfasst.

Description

    TECHNISCHES GEBIET
  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Betrieb eines Feldelements in einer eisenbahntechnischen Anlage, wobei die Vorrichtung eine Vierdraht-Schnittstelle zum Feldelement aufweist. Die Erfindung betrifft ausserdem ein Feldelement, das zum Betrieb mit einer solchen Vorrichtung geeignet ist, und eine eisenbahntechnische Anlage, die eine solche Vorrichtung und ein Feldelement aufweist.
    • STAND DER TECHNIK
  • Eisenbahntechnische Anlagen können eine Vielzahl von motorisch angetriebenen Feldelementen wie Weichen, Barrieren oder Umspuranlagen aufweisen. Die Feldelemente befinden sich in einer Aussenanlage, während sich die Komponenten für die Ansteuerung und Überwachung der Feldelemente in einer Innenanlage befinden.
  • Beispielsweise werden in einer Weiche zur Bereitstellung eines Fahrweges bewegliche Teile der Weiche mechanisch zwischen einer linken und einer rechten Endlage verstellt. Um die Weiche zwischen der linken und rechten Endlage umzustellen, kommt ein Weichenantrieb mit einem Antriebsmotor zum Einsatz. Der Antriebsmotor wird traditionell mit einer Dreiphasenwechselspannung betrieben. In der Fig. 1A ist schematisch eine Weiche 11 mit Weichenantrieb 12 und Schubstange 13 in ihrer linken Endlage L illustriert, in der Fig. 1B in ihrer rechten Endlage R. Dabei beziehen sich die Bezeichnungen "links" und "rechts" auf die Lage bezüglich derjenigen Fahrtrichtung F, in der die Weiche eine Verzweigung bildet. Der Weichenantrieb 12 wird elektrisch von einer räumlich von der Weiche getrennten Steuer- und Überwachungsvorrichtung in der Innenanlage angesteuert und mit dieser überwacht. Die Steuer- und Überwachungsvorrichtung kommuniziert wiederum mit einem Stellwerksrechner.
  • Seit mehreren Jahrzehnten existiert mit der sogenannten "Vierdraht-Schnittstelle" eine standardisierte elektrische Schnittstelle zwischen der Steuer- und Überwachungsvorrichtung in der Innenanlage und dem Weichenantrieb in der Aussenanlage. Beispiele für Weichenantriebe, die mit der Vierdraht-Schnittstelle arbeiten, sind die Systeme Siemens S 700 K, Thales FieldTrac 6341 L700H und Thales FieldTrac 6343 L826H.
  • In der Fig. 2 ist das traditionelle Zusammenwirken eines Weichenantriebs 12 mit einer Steuereinheit 20 über eine Vierdraht-Schnittstelle illustriert. Der Weichenantrieb 12 weist einen Antriebsmotor mit drei Wicklungen L1, L2, L3 auf, deren gegenseitige Verschaltung durch die Stellung von zwei Endlagenschaltern m1 und m2 bestimmt ist. Der Weichenantrieb 12 und die Steuereinheit 20 weisen jeweils eine Vierdraht-Schnittstelle X1-X4 auf. Diese Vierdraht-Schnittstellen sind über ein vieradriges Kabel 30 miteinander verbunden.
  • Die Vierdraht-Schnittstelle kann in zwei Betriebsmodi betrieben werden, nämlich im Überwacherbetrieb oder im Umstellbetrieb. Um zwischen den beiden Betriebsmodi umzuschalten, weist die Steuereinheit 20 einen Betriebsmodus-Umschalter 23 in Form eines vierpoligen Trennrelais auf. Der Betriebsmodus-Umschalter 23 verbindet den Weichenantrieb 12 wahlweise mit einer Endlagen-Überwachungseinrichtung 21 oder einer Umstellsteuerung 22. Im Überwacherbetrieb legt die Endlagen-Überwachungseinrichtung 21 an zwei der vier Anschlüsse der Vierdraht-Schnittstelle eine Gleichspannung an und ermittelt einerseits den resultierenden Strom durch diese Anschlüsse und andererseits die an den anderen beiden Anschlüssen resultierende Spannung. Anhand der Spannungs- und Strommessungen kann festgestellt werden, ob die Weiche die zu überwachende Endlage einnimmt. Im Umstellbetrieb legt die Umstellsteuerung 22 über die Vierdraht-Schnittstelle X1-X4 eine dreiphasige Wechselspannung (typischerweise 3 x 400 VAC) an die Wicklungen L1-L3 des Antriebsmotors an.
  • Zur weiteren Erläuterung der beiden Betriebsmodi sind in den Figuren 3A-3D die Stellungen der Endlagenschalter m1, m2 für verschiedene Zustände der Weiche illustriert. In der Fig. 3A befinden sich die Endlagenschalter m1, m2 in derjenigen Stellung, die sie in der linken Endlage L der Weiche annehmen, in der Fig. 3B in derjenigen Stellung, die sie in der rechten Endlage R der Weiche annehmen. In der Fig. 3C befinden sich die Endlagenschalter m1, m2 in derjenigen Stellung, die sie im "aufgeschnittenen" Zustand der Weiche einnehmen, d.h. in einem Zustand, in dem sich die Weiche zwischen ihrer linken und rechten Endlage befindet. Diesen Zustand nimmt die Weiche einerseits während des Umstellens ein, und andererseits in den folgenden Situationen: wenn die Weiche beim Umstellen blockiert wird, so dass sie nicht ihre Endlage erreichen kann, oder wenn die Weiche aufgefahren wurde. Die Stellung der Fig. 3D wird im Betrieb nie eingenommen.
  • Im Umstellbetrieb wird der Antriebsmotor ausgehend von der linken Endlage der Fig. 3A oder der rechten Endlage der 3B anfänglich zweiphasig betrieben, bis die Endlagenschalter die Stellung der Fig. 3C annehmen. Nun erfolgt die weitere Umstellung im normalen Dreiphasenbetrieb. Dabei bestimmt die Phasenlage an den Wicklungen L1-L3 die Drehrichtung des Antriebsmotors. Wenn die gewünschte Endlage erreicht wird, erkennt dies die Umstellsteuerung 22 und schaltet das Trennrelais 23 in die Stellung für den Überwacherbetrieb.
  • Der Überwacherbetrieb wird anhand der Figuren 4A und 4B näher erläutert. In der Fig. 4A überwacht die Endlagen-Überwachungseinrichtung 21, ob die Weiche die linke Endlage einnimmt. Dazu ist in der Endlagen-Überwachungseinrichtung 21 eine Überwachungs-Gleichspannungsquelle 210 vorgesehen, die eine Überwachungsspannung Usup von typischerweise 48 ... 60 VDC an die Anschlüsse X2 und X3 anlegt. Ein niederohmiger Stromdetektor 211, typischerweise ein niederohmiges Relais, das oberhalb einer bestimmten Stromschwelle schaltet, ist in Serie mit der Gleichspannungsquelle 210 angeordnet und ermittelt ein Mass für den von der Gleichspannungsquelle 210 bewirkten Strom I 1 durch den Anschluss X3. Ein hochohmiger Spannungsdetektor 212, typischerweise ein hochohmiges Relais, das oberhalb einer bestimmten Spannungsschwelle schaltet, ist an den Anschlüssen X1 und X4 angeschlossen. Der Stromdetektor 212 ermittelt ein Mass für die Spannung U 1, die sich aufgrund der Überwachungsspannung Usup an den Anschlüssen X1 und X4 ausbildet. Die Wicklungen L1-L3 sind bezüglich Gleichströmen niederohmig (typischerweise 10-15 Q). Wenn die Weiche die linke Endlage einnimmt (d.h. wenn die Endlagenschalter m1 und m2 die in Fig. 3A dargestellte Stellung einnehmen), fliesst Strom seriell durch die niederohmigen Wicklungen L1-L3, den niederohmigen Stromdetektor 211 und den hochohmigen Spannungsdetektor 212. Der resultierende Strom I 1 ist durch den hohen Innenwiderstand des Spannungsdetektors 212 begrenzt und ist entsprechend klein. Die resultierende Spannung U 1 ist dementsprechend verhältnismässig gross. Wenn dagegen die Weiche den aufgeschnittenen Zustand einnimmt (d.h. wenn die Endlagenschalter m1 und m2 die in Fig. 3C dargestellte Stellung einnehmen), fliesst der Strom nur durch die niederohmigen Wicklungen L2 und L3 und den niederohmigen Stromdetektor 211, nicht aber durch die Wicklung L1 und den Spannungsdetektor 212. Der resultierende Strom I 1 ist entsprechend hoch. Gleichzeitig wird die Spannung U 1 am Spannungsdetektor 212 Null. Dadurch kann eindeutig zwischen der linken Endlage und dem aufgeschnittenen Zustand unterschieden werden. Analoge Überlegungen gelten auch für die Überwachung der rechten Endlage, die in der Fig. 4B illustriert ist.
  • In diesem traditionellen Stand der Technik erfolgt die Überwachung der Endlagen via die Vierdraht-Schnittstelle also immer über eine Spannungsmessung (hochohmig) und eine Strommessung (niederohmig). Alle Elemente in der Aussenanlage (Wicklungen L1-L3 und Endlagenschalter m1 und m2) sind bezüglich Gleichströmen niederohmig, und der hochohmige Spannungsdetektor ist in der Innenanlage angeordnet.
  • Ähnliche Steuerungen werden auch für andere Arten von motorbetriebenen Feldelementen wie Barrieren oder Umspuranlagen eingesetzt.
  • Traditionell ist die Steuereinheit 20 gemeinsam mit dem Stellwerksrechner in einem zentralen Stellwerksgebäude angeordnet, d.h. die Innenanlage ist an einem einzigen Ort zentralisiert. Zwischen dem Stellwerksgebäude und den Feldelementen verlaufen in einer baumartigen Anordnung Kabel, die eine Länge von bis zu mehreren Kilometern aufweisen können. Diese Art der Anordnung wird im Folgenden als "traditionelle Stellwerksarchitektur" bezeichnet.
  • In jüngerer Zeit geht die Entwicklung allerdings in Richtung einer dezentralen Stellwerkarchitektur ("digitale dezentrale Stellwerke"). Bei einer dezentralen Stellwerkarchitektur befinden sich die Steuer- und Überwachungsvorrichtungen dezentral in Schaltschränken nahe bei den zugeordneten Feldelementen. Die Steuer- und Überwachungsvorrichtungen sind über Datenleitungen (Kupfer oder Glasfaser) mit einem zentralen Stellwerkrechner verbunden. Dies erlaubt es insbesondere, aufwändigere Diagnostikfunktionen direkt an den Feldelementen zu erfassen und über die Datenleitung an den Stellwerkrechner zu übermitteln. Die entsprechende Spezifikation wird bei der Deutschen Bahn als "NeuPro" bezeichnet. Entsprechende Produkte werden z.B. unter der Produktbezeichnung "Distributed Controller Architecture (DCA)" von Thales oder unter den Produktbezeichnungen "SiNet" und "SiGrid" von der Siemens AG bereitgestellt. Eine dezentrale Stellwerkarchitektur bedingt auch ein geändertes Konzept bei der Energieversorgung. So wurde von Thales vorgeschlagen, die verteilten Schaltschränke über einen sogenannten "PowerBus" mit einer Gleichspannung von 400 VDC oder 750 VDC zu versorgen.
  • EP3643579A1 offenbart eine Vorrichtung zur Überwachung des Betriebszustands einer Weiche, bei der ein Auslesesignal in Form eines AC-Signals erzeugt wird. Der Wert der Frequenz dieses Auslesesignals hängt vom ermittelten Betriebszustand der Weiche ab. Eine Koppeleinrichtung koppelt das Auslesesignal in eine elektrische Leitung zwischen einem Weichenantrieb der Weiche und einem Stellwerk ein. Eine entfernt von der Weiche angeordnete Auswerteeinrichtung koppelt das Auslesesignal aus der Leitung aus, führt eine spektrale Analyse des ausgekoppelten Auslesesignals durch und erzeugt in Abhängigkeit von einem Ergebnis der spektralen Analyse ein Ausgangssignal, das den Betriebszustand der Weiche repräsentiert.
    • DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
  • Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zum Betrieb eines Feldelements über eine Vierdraht-Schnittstelle so weiterzubilden, dass sie sich besonders gut für eine dezentrale Stellwerkarchitektur mit Gleichspannungsversorgung eignet.
  • Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 5 gelöst. Weitere Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
  • Die vorliegende Erfindung stellt eine Vorrichtung ("Feldelement-Steuereinheit") zum Betrieb eines Feldelements in einer eisenbahntechnischen Anlage zur Verfügung, mit einer Vierdraht-Schnittstelle mit einem ersten, zweiten, dritten und vierten Anschluss. Gemäss einem ersten Aspekt der Erfindung weist die Vorrichtung eine Überwachungseinrichtung zur Überwachung eines Betriebszustands des Feldelements auf. Die Überwachungseinrichtung umfasst:
    • eine Überwachungs-Gleichspannungsquelle zur Erzeugung einer Überwachungsspannung zwischen zwei Anschlüssen der Vierdraht-Schnittstelle;
    • einen ersten Stromdetektor zur Messung eines Stroms durch einen derjenigen Anschlüsse der Vierdraht-Schnittstelle, an denen die Überwachungsspannung erzeugt wird;
    • einen zweiten Stromdetektor zur Messung eines Stroms zwischen denjenigen Anschlüssen der Vierdraht-Schnittstelle, zwischen denen nicht die Überwachungsspannung erzeugt wird; und
    • eine Auswerteeinrichtung, die dazu ausgebildet ist, basierend auf den vom ersten und zweiten Stromdetektor gemessenen Strömen ein Überwachungssignal zu ermitteln und das Überwachungssignal auszugeben.
  • Mit dieser Überwachungseinrichtung erfolgt die Überwachung, anders als bei einer klassischen Überwachung mittels Vierdraht-Schnittstelle, durch zwei Strommessungen statt durch eine Spannungs- und eine Strommessung. Dadurch wird eine besonders zuverlässige Überwachung ermöglicht. Insbesondere können Isolationsfehler oder Aderschlüsse besonders zuverlässig erkannt und lokalisiert werden, da sich diese unmittelbar auf die gemessenen Stromwerte auswirken.
  • Die Auswerteeinrichtung ist vorzugsweise dazu ausgebildet, die vom ersten und zweiten Stromdetektor gemessenen Ströme miteinander zu vergleichen und das Überwachungssignal unter Berücksichtigung dieses Vergleichs zu ermitteln. Dadurch wird die Ermittlung des Betriebszustands besonders einfach und zuverlässig. Die Auswerteeinrichtung kann optional ausserdem dazu ausgebildet sein, den vom ersten Stromdetektor gemessenen Strom und den vom zweiten Stromdetektor gemessenen Strom jeweils mit einem Referenzwert zu vergleichen und das Überwachungssignal unter zusätzlicher Berücksichtigung dieses Vergleichs zu ermitteln. Dadurch kann die Zuverlässigkeit der Ermittlung des Betriebszustands weiter erhöht werden, und es können zusätzliche Fehlerzustände wie Aderschlüsse oder Isolationsfehler erkannt werden, die sich in Abweichungen von erwarteten Stromwerten äussern.
  • Stromdetektoren sind aus prinzipiellen Gründen verhältnismässig niederohmig. Der erste und zweite Stromdetektor weisen vorzugsweise jeweils einen Innenwiderstand bezüglich Gleichströmen von weniger als 20 Ω auf, besonders bevorzugt weniger als 10 Ω und insbesondere weniger als 5 Ω. Vorzugsweise stimmen die Innenwiderstände des ersten und zweiten Stromdetektors überein, um einen direkten Vergleich zu erleichtern.
  • Die Vorrichtung kann insbesondere zur alternativen Überwachung von zwei Ziellagen des Feldelements ausgebildet sein, z.B. der Endlagen einer Weiche oder Barriere. Insbesondere kann die Vorrichtung zum Einsatz mit einem Feldelement mit einem ersten und einem zweiten Endlagenschalter eingesetzt werden, wobei diese Endlagenschalter wie in den vorstehend erläuterten Figuren 3A-3D miteinander verschaltet und mit der Vierdraht-Schnittstelle des Feldelements verbunden sind. Konkret kann die Vorrichtung einen Überwachungs-Ziellagenwahlschalter aufweisen, der dazu ausgebildet ist, zwischen einem ersten Überwachungszustand zur Überwachung einer ersten Ziellage und einem zweiten Überwachungszustand zur Überwachung einer zweiten Ziellage umzuschalten. Im ersten Überwachungszustand liegt die Überwachungsspannung zwischen dem zweiten und dritten Anschluss der Vierdraht-Schnittstelle an, und der zweite Stromdetektor misst den Strom zwischen dem ersten und vierten Anschluss, und im zweiten Überwachungszustand liegt die Überwachungsspannung zwischen dem ersten und dritten Anschluss der Vierdraht-Schnittstelle an, und der zweite Stromdetektor misst den Strom zwischen dem ersten und vierten Anschluss. Der erste Stromdetektor misst unabhängig vom Überwachungszustand immer den Strom durch den dritten Anschluss der Vierdraht-Schnittstelle.
  • Gemäss einem zweiten Aspekt der Erfindung weist die Vorrichtung eine Umstellsteuerung zum Umstellen des Feldelements zwischen einer ersten und einer zweiten Ziellage auf. Diese umfasst:
    • eine Umstell-Gleichspannungsquelle zur Erzeugung einer Umstellspannung; und
    • einen Umstell-Ziellagenwahlschalter, der dazu ausgebildet ist, die Umstellspannung alternativ mit einer ersten Polarität für die erste Ziellage oder mit einer dazu entgegengesetzten zweiten Polarität für die zweite Ziellage an zwei Anschlüsse der Vierdraht-Schnittstelle, insbesondere an den zweiten und vierten Anschluss, anzulegen.
  • Die Umstellsteuerung ist ausserdem dazu ausgebildet, die Umstellspannung an die anderen beiden Anschlüsse der Vierdraht-Schnittstelle, insbesondere an den ersten und dritten Anschluss anzulegen, vorzugsweise mit einer festen Polarität.
  • Auf diese Weise ist die Vorrichtung in besonderer Weise dazu ausgebildet, ein Feldelement über die Vierdraht-Schnittstelle mit Energie zum Umstellen durch eine Gleichspannungsquelle zu versorgen. Die gewünschte Ziellage wird über die Polarität der Umstellspannung an zwei der vier Anschlüsse der Vierdraht-Schnittstelle kodiert. Die Energieübertragung erfolgt über alle vier Anschlüsse der Vierdraht-Schnittstelle, um Leitungsverluste zu minimieren.
  • Der erste und zweite Aspekt der Erfindung können in vorteilhafter Weise kombiniert werden. Die Vorrichtung kann dazu einen Master-Betriebsmodus-Umschalter aufweisen, der dazu ausgebildet ist, die Vorrichtung zwischen einem Überwacher-Betriebsmodus und einem Umstell-Betriebsmodus umzuschalten, wobei im Überwacher-Betriebsmodus der Master-Betriebsmodus-Umschalter die Überwachungseinrichtung mit der Vierdraht-Schnittstelle verbindet und im Umstell-Betriebsmodus der Master-Betriebsmodus-Umschalter die Umstellsteuerung mit der Vierdraht-Schnittstelle verbindet. Dabei sind die Umstellspannung und die Überwachungsspannung vorzugsweise so gepolt, dass sie Ströme mit entgegengesetzten Stromrichtungen durch einen der Anschlüsse der Vierdraht-Schnittstelle, vorzugsweise den dritten Anschluss, bewirken, wenn mit der Vorrichtung ein Feldelement betrieben wird. Konkret ist vorzugsweise im Überwacher-Betriebsmodus ein Pol der Überwachungs-Gleichspannungsquelle mit dem betreffenden Anschluss der Vierdraht-Schnittstelle verbunden, und im Umstell-Betriebsmodus ist ein Pol der Umstell-Gleichspannungsquelle mit diesem Anschluss der Vierdraht-Schnittstelle verbunden, wobei diese Pole entgegengesetzte Vorzeichen aufweisen.
  • Die Vorrichtung kann eine Mastersteuerung aufweisen, die dazu ausgebildet ist, von einer Stellwerkfunktion einen Umstellbefehl zur Umstellung des Feldelements in eine neue Ziellage zu empfangen und in Abhängigkeit von dem Umstellbefehl den Master-Betriebsmodus-Umschalter vom Überwacher-Betriebsmodus in den Umstell-Betriebsmodus zu bringen sowie den Überwachungs-Ziellagenwahlschalter und den Umstell-Ziellagenwahlschalter entsprechend der neuen Ziellage zu betätigen.
  • Um ein automatisches Zurückschalten in den Überwacher-Betriebsmodus zu ermöglichen, sobald ein Umstellvorgang beendet ist, kann die Umstellsteuerung einen Umstellstromdetektor zur Messung eines Umstellstroms, der im Feldelement durch die Umstellspannung bewirkt wird, aufweisen, und die Mastersteuerung kann dazu ausgebildet sein, den vom Umstellstromdetektor gemessenen Umstellstrom zu erfassen und in Abhängigkeit von dem Umstellstrom den Master-Betriebsmodus-Umschalter vom Umstell-Betriebsmodus in den Überwacher-Betriebsmodus zurückzuschalten. Dies beruht auf der Erkenntnis, dass der Umstellstrom nach Beendigung des Umstellvorgangs stark absinkt. Dieses Absinken kann von der Mastersteuerung erkannt werden und zum Umschalten des Betriebsmodus herangezogen werden.
  • Die vorliegende Erfindung stellt ausserdem ein Feldelement zur Verfügung, das zum Betrieb mit einer Vorrichtung der vorstehenden Art ausgebildet ist. Das Feldelement weist auf:
    • eine Vierdraht-Schnittstelle mit einem ersten, zweiten, dritten und vierten Anschluss;
    • einen ersten Endlagenschalter; und
    • einen zweiten Endlagenschalter,
    • wobei der erste Endlagenschalter eine erste Stellung einnimmt, wenn sich das Feldelement in einer ersten Endlage befindet und eine zweite Stellung einnimmt, wenn sich das Feldelement ausserhalb der ersten Endlage befindet,
    • wobei der zweite Endlagenschalter eine erste Stellung einnimmt, wenn sich das Feldelement in einer zweiten Endlage befindet und eine zweite Stellung einnimmt, wenn sich das Feldelement ausserhalb der zweiten Endlage befindet,
    • wobei jeder der Endlagenschalter als Wechselschalter mit einem Mittenkontakt und zwei Aussenkontakten ausgebildet ist,
    • wobei jeder der Aussenkontakte jedes Endlagenschalters mit jeweils einem der Aussenkontakte des anderen Endlagenschalters verbunden ist, um jeweils einen gemeinsamen Aussenkontakt zu bilden, und
    • wobei das Feldelement dazu ausgebildet ist, einen Betriebsmodus einzunehmen, in dem der Mittenkontakt des ersten Endlagenschalters mit dem ersten Anschluss der Vierdraht-Schnittstelle verbunden ist, der Mittenkontakt des zweiten Endlagenschalters mit dem zweiten Anschluss der Vierdraht-Schnittstelle verbunden ist, einer der gemeinsamen Aussenkontakte mit dem dritten Anschluss der Vierdraht-Schnittstelle verbunden ist, und der andere gemeinsame Aussenkontakt mit dem vierten Anschluss der Vierdraht-Schnittstelle verbunden ist.
  • Das Feldelement weist ausserdem ein bezüglich Gleichströmen nichtlineares Element auf, das derart im Feldelement angeordnet ist, dass es von einem durch den dritten Anschluss der Vierdraht-Schnittstelle fliessenden Strom durchflossen wird und dadurch eine Hilfsspannung erzeugt, die nichtlinear von diesem Strom abhängt.
  • Das Feldelement ist also schaltungstechnisch im Grundsatz nach den Prinzipien aufgebaut, wie sie vorstehend anhand der Figuren 3A-3D erläutert wurden. Zusätzlich erzeugt ein nichtlineares Element eine Hilfsspannung. Dadurch steht im Feldelement eine flexibel einsetzbare Energiequelle zur Verfügung, die unabhängig von der Grösse des durch die Vierdraht-Schnittstelle fliessenden Stroms zur Energieversorgung von zusätzlichen Funktionen des Feldelements herangezogen werden kann, ohne dass dazu weitere Adern zwischen der Steuer- und Überwachungsvorrichtung und dem Feldelement benötigt werden. Die Hilfsspannung kann insbesondere zur Speisung einer Hilfsstromversorgung und/oder zum Laden eines Energiespeichers herangezogen werden. Mit der Hilfsstromversorgung kann z.B. eine Einrichtung zur Erzeugung eines AC-Auslegesignals wie in EP3643579A1 betrieben werden. Weitere mögliche Verwendungen der Hilfsspannung werden nachstehend noch näher beschrieben.
  • Das Feldelement kann ausserdem aufweisen:
    • eine Motorsteuerung;
    • einen von der Motorsteuerung angesteuerten Antriebsmotor, wobei es sich bei dem Antriebsmotor vorzugsweise um einen Gleichstrommotor, insbesondere um einen bürstenlosen, elektronisch kommutierten Gleichstrommotor handelt, und wobei die Motorsteuerung dazu ausgebildet ist, Antriebsenergie für den Antriebsmotor über die Vierdraht-Schnittstelle zu beziehen; und
    • einen Feldelement-Betriebsmodus-Umschalter, der dazu ausgebildet ist, abhängig von einer Stromrichtung des durch den dritten Anschluss der Vierdraht-Schnittstelle fliessenden Stroms das Feldelement zwischen einem Überwacher-Betriebsmodus und einem Umstell-Betriebsmodus des Feldelements umzuschalten, wobei der Feldelement-Betriebsmodus-Umschalter vorzugsweise dazu ausgebildet ist, Energie aus der Hilfsspannung zu beziehen,
    • wobei im Überwacher-Betriebsmodus der Mittenkontakt des ersten Endlagenschalters mit dem ersten Anschluss der Vierdraht-Schnittstelle verbunden ist, der Mittenkontakt des zweiten Endlagenschalters mit dem zweiten Anschluss der Vierdraht-Schnittstelle verbunden ist, einer der gemeinsamen Aussenkontakte mit dem dritten Anschluss der Vierdraht-Schnittstelle verbunden ist, und der andere gemeinsame Aussenkontakt mit dem vierten Anschluss der Vierdraht-Schnittstelle verbunden ist,
    • wobei im Umstell-Betriebsmodus alle vier Anschlüsse der Vierdraht-Schnittstelle mit der Motorsteuerung verbunden sind,
    • wobei die Motorsteuerung vorzugsweise dazu ausgebildet ist, eine Polarität einer Spannung, die zwischen dem zweiten und vierten Anschluss der Vierdraht-Schnittstelle anliegt, zu bestimmen und eine Bewegungsrichtung des Antriebsmotors in Abhängigkeit von der Polarität zu steuern, und
    • wobei die Motorsteuerung vorzugsweise dazu ausgebildet ist, einen ersten Teil der Antriebsenergie für den Antriebsmotor aus der Spannung, die zwischen dem zweiten und vierten Anschluss der Vierdraht-Schnittstelle anliegt, unabhängig von der Polarität dieser Spannung zu beziehen und einen zweiten Teil der Antriebsenergie aus einer Spannung, die zwischen dem ersten und dritten Anschluss anliegt, zu beziehen.
  • Das Feldelement ist dadurch in besonderer Weise dazu ausgebildet, mit einer Gleichspannungsversorgung über die Vierdraht-Schnittstelle betrieben zu werden und dazu durch eine Vorrichtung der vorstehend beschriebenen Art angesteuert zu werden.
  • Das Feldelement kann einen wiederaufladbaren Energiespeicher aufweisen, der dazu ausgebildet ist, zumindest im Überwacher-Betriebsmodus des Feldelements Ladeenergie aus der Hilfsspannung zu beziehen und bedarfsweise Zusatzenergie an die Motorsteuerung abzugeben.
  • Die vorliegende Erfindung stellt ausserdem eine eisenbahntechnische Anlage zur Verfügung, die in ihrer Aussenanlage ein Feldelement und in ihrer Innenanlage eine Vorrichtung zum Betrieb des Feldelements der vorstehend angegebenen Art aufweist. Ein Kabel mit vier Adern verbindet die Vierdraht-Schnittstelle der Vorrichtung mit der Vierdraht-Schnittstelle des Feldelements. Das Feldelement weist einen ersten Endlagenschalter und einen zweiten Endlagenschalter auf. Der erste Endlagenschalter nimmt eine erste Stellung ein, wenn sich das Feldelement in einer ersten Endlage befindet und eine zweite Stellung, wenn sich das Feldelement ausserhalb der ersten Endlage befindet. Der zweite Endlagenschalter nimmt eine erste Stellung ein, wenn sich das Feldelement in einer zweiten Endlage befindet und eine zweite Stellung, wenn sich das Feldelement ausserhalb der zweiten Endlage befindet. Das Feldelement ist dazu ausgebildet, einen Betriebsmodus einzunehmen, in dem die Endlagenschalter derart mit der Vierdraht-Schnittstelle des Feldelements verbunden sind, dass die Überwachungsspannung einen Strom bewirkt, der sowohl den ersten als auch den zweiten Stromdetektor durchfliesst, wenn sich der erste Endlagenschalter in der ersten Stellung und der zweite Endlagenschalter in der zweiten Stellung befindet oder wenn sich der zweite Endlagenschalter in der ersten Stellung und der erste Endlagenschalter in der zweiten Stellung befindet, und dass die Überwachungsspannung einen Strom bewirkt, der ersten Stromdetektor, aber nicht den zweiten Stromdetektor durchfliesst, wenn sich sowohl der erste als auch der zweite Endlagenschalter in der zweiten Stellung befinden. Das Feldelement kann insbesondere so ausgebildet sein, wie das vorstehend näher beschrieben wurde.
  • Die Anlage kann ausserdem einen oder mehrere Referenzwiderstände aufweisen, die derart im Feldelement und/oder in der Vorrichtung zu dessen Betrieb angeordnet sind, dass sie Ströme durch die Anschlüsse der Vierdraht-Schnittstelle des Feldelements, die durch die Überwachungsspannung bewirkt sind, beeinflussen. Vorzugsweise sind mindestens zwei Referenzwiderstände vorhanden, wobei mindestens einer der Referenzwiderstände im Feldelement angeordnet ist und mindestens einer der Referenzwiderstände in der Vorrichtung angeordnet ist, wobei die Referenzwiderstände vorzugsweise den gleichen Widerstandswert aufweisen. Das erleichtert die Erkennung von Aderschlüssen und Isolationsfehlern. Die Referenzwiderstände haben vorzugsweise jeweils einen Widerstandswert zwischen 20 und 200 Ω.
  • In einer bevorzugten Ausgestaltung sind mindestens ein erster und zweiter Referenzwiderstand vorhanden, wobei der erste Referenzwiderstand derart angeordnet ist, dass er von einem Strom durch den ersten Anschluss der Vierdraht-Schnittstelle durchflossen wird, und wobei der zweite Referenzwiderstand derart angeordnet ist, dass er von einem Strom durch den zweiten Anschluss der Vierdraht-Schnittstelle durchflossen wird. Optional ist ausserdem ein dritter Referenzwiderstand vorhanden, wobei der dritte Referenzwiderstand derart angeordnet ist, dass er von einem Strom durch den vierten Anschluss der Vierdraht-Schnittstelle durchflossen wird. Bevorzugt sind der erste und zweite Referenzwiderstand im Feldelement und der dritte Referenzwiderstand in der Überwachungseinrichtung angeordnet.
    • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden im Folgenden anhand der Zeichnungen beschrieben, die lediglich zur Erläuterung dienen und nicht einschränkend auszulegen sind. In den Zeichnungen zeigen:
    • Fig. 1A
    eine schematische Darstellung einer Weiche in ihrer linken Endlage;
    Fig. 1B
    eine schematische Darstellung einer Weiche in ihrer rechten Endlage;
    Fig. 2
    einen schematischen Schaltplan einer traditionellen Vierdraht-Schnittstelle mit einem zugehörigen Weichenantrieb und einer zugeordneten Steuereinheit;
    Fig. 3A-3D
    mögliche Stellungen der Endlagenschalter des Weichenantriebs der Fig. 2 für verschiedene Zustände der Weiche;
    Fig. 4A-4B
    Diagramme zur Illustration der Funktionsweise einer traditionellen Endlagenüberwachung über eine Vierdraht-Schnittstelle;
    Fig. 5A-5D
    Diagramme zur Illustration der Funktionsweise einer Endlagenüberwachung über eine Vierdraht-Schnittstelle gemäss einer Ausführungsform der Erfindung; und
    Fig. 6A-6B
    ein Diagramm zur Illustration der Funktionsweise einer vollständigen Weichensteuerung gemäss einer Ausführungsform der Erfindung.
    BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN Definitionen und Konventionen
  • Feldelement: Als "Feldelement" wird eine eisenbahntechnische Einrichtung bezeichnet, die sich üblicherweise an einer Bahnstrecke befindet und zur Steuerung, Signalisation oder Überwachung der Bahnstrecke dient. Feldelemente können motorbetrieben sein. Beispiele für motorbetriebene Feldelemente in der stationären Eisenbahntechnik sind Weichen, Barrieren (Bahnschranken), Schaltposten und Umspuranlagen.
  • Feldelement-Steuereinheit (Object-Controller): Eine Feldelement-Steuereinheit ist einem Feldelement zugeordnet und dient dazu, das Feldelement anzusteuern und/oder zu überwachen. Die Feldelement-Steuereinheit nimmt Befehle eines Stellwerkrechners ("Stellwerkfunktion") entgegen und interagiert basierend auf diesen Befehlen mit dem zugeordneten Feldelement. Die Feldelement-Steuereinheit kann dazu ausgebildet sein, den Betriebszustand des zugeordneten Feldelements zu überwachen und ein Überwachungsergebnis an die Stellwerkfunktion auszugeben.
  • Innenanlage: Als Innenanlage wird derjenige Ort bezeichnet, an dem eine Feldelement-Steuereinrichtung angeordnet ist. Die Innenanlage kann z.B. in einer traditionellen Stellwerkarchitektur ein Stellwerkraum sein. In einer dezentralen Stellwerkarchitektur kann die Innenanlage z.B. ein räumlich vom Stellwerk getrennt angeordneter Schaltschrank zwischen Stellwerk und Aussenanlage sein bzw. einen solchen Schaltschrank umfassen. Der Schaltschrank kann in Gleisnähe angeordnet sein. Ein solcher Schaltschrank wird bei Thales auch als "Trackside Control Unit (TCU)" bezeichnet.
  • Aussenanlage: Als Aussenanlage wird derjenige Ort bezeichnet, an dem sich das Feldelement befindet.
  • Stromrichtungen: Für die Stromrichtungen wird die Vorzeichenkonvention gewählt, dass ein Strom von der Innenanlage zur Aussenanlage ein positives Vorzeichen und ein Strom von der Aussenanlage zur Innenanlage ein negatives Vorzeichen aufweist.
  • Endlagenschalter: Als Endlagenschalter dient im Rahmen der vorliegenden Offenbarung ein mindestens einpoliger Wechselschalter (englisch häufig als "Single Pole Changeover Switch", SPCO Switch bezeichnet), dessen Stellung vom Betriebszustand eines Feldelements abhängt. Der Wechselschalter verbindet einen Mittelanschluss (englisch "Common", COM) alternativ mit einem von zwei Aussenanschlüssen. Der Endlagenschalter kann von der Bauart "make-before-break" (MBB) oder "break-before-make" (BBM) sein.
    • Endlagenüberwachung
  • Ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemässen Vorrichtung zur Endlagenüberwachung wird nachstehend anhand der Steuerung und Überwachung eines Feldelements in Form einer Weiche erläutert. Die Weiche weist einen Weichenantrieb in der Aussenanlage auf. Dieser ist über eine Vierdraht-Schnittstelle mit einer Steuereinheit in der Innenanlage verbunden. Anders als in dem Beispiel der Fig. 2 erfolgt die Übertragung der benötigten Antriebsenergie von der Steuereinheit zum Weichenantrieb allerdings nicht dadurch, dass eine Dreiphasenwechselspannung über die Vierdraht-Schnittstelle eingespeist wird. Stattdessen wird die Antriebsenergie durch eine Gleichspannungsversorgung bereitgestellt. Ein Ausführungsbeispiel für diese Art der Energieübertragung wird nachstehend im Zusammenhang mit den Figuren 6A und 6B näher erläutert. Zunächst soll aber anhand der Figuren 5A bis 5D ein Ausführungsbeispiel einer Endlagen-Überwachungseinrichtung illustriert werden. Aus Gründen der besseren Übersichtlichkeit wurden in den Figuren 5A bis 5D die Komponenten für die Übertragung der Antriebsenergie weggelassen.
  • Anstelle der drei Wicklungen des Antriebsmotors werden in diesem Ausführungsbeispiel drei Referenz-Widerstände R ref,1 , R ref,2 und R ref,4 vorgesehen. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel sind zwei dieser Referenzwiderstände, nämlich R ref,1 und R ref,2, in der Aussenanlage (d.h. im oder beim Weichenantrieb) angeordnet und mit dem jeweiligen Mittelanschluss der Endlagenschalter m1 und m2 verbunden. Der Referenzwiderstand R ref,1 befindet sich in einer Leitung zum Anschluss X1 der Vierdraht-Schnittstelle, der Referenzwiderstand R ref,2 in einer Leitung zum Anschluss X2. Diese beiden Referenzwiderstände ersetzen die Wicklungen L1 und L2 der Fig. 2. Der dritte Referenzwiderstand, R ref,4 , ist dagegen in der Innenanlage (d.h. bei der Steuereinrichtung) angeordnet. Der Referenzwiderstand R ref,4 befindet sich in einer Leitung zum Anschluss X4, so dass der Strom durch den Anschluss X4 diesen Referenzwiderstand durchfliesst. Der Referenzwiderstand R ref,4 ersetzt insofern nicht unmittelbar die Wicklung L3 der Fig. 2, die ja in der Aussenanlage angeordnet ist und mit dem Anschluss X3 der Vierdraht-Schnittstelle verbunden ist. Die Referenzwiderstände haben alle denselben Wert Rref = R ref,1 = R ref,2 = R ref,4.
  • Zwischen der Innenanlage und der Aussenanlage verläuft ein vieradriges Kabel, dessen Adern jeweils einen Kabelwiderstand Rline aufweisen.
  • Wie im Stand der Technik der Figuren 4A und 4B ist eine Gleichspannungsquelle 210 vorhanden, die eine Überwachungsspannung Usup bereitstellt, und ein erster niederohmiger Stromdetektor 211 ist mit der Gleichspannungsquelle 210 in Serie geschaltet, so dass er den durch den Anschluss X3 fliessenden Strom I 1 ermittelt. Anders als im Stand der Technik ist ein zweiter niederohmiger Stromdetektor 213 vorgesehen. Dieser ist mit dem Referenzwiderstand R ref,4 in Serie geschaltet und ermittelt den durch den Anschluss X4 fliessenden Strom I 2. Die Ausgangssignale der beiden Stromdetektoren 211, 213 sind zu einer Auswerteeinrichtung 215 geführt, die diese Ausgangssignale miteinander und mit Referenzwerten vergleicht, um daraus auf den Betriebszustand der Weiche zu schliessen.
  • Ein Überwachungs-Ziellagenwahlschalter 214 in Form eines Relais mit einem zweipoligen Wechselschalter (engl. "Double Pole Double Throw [DPDT] Switch" oder "Double Pole Changeover [DPCO] Switch") verbindet je nach Stellung den nicht mit X3 verbundenen Pol der Gleichspannungsquelle 210 mit dem Anschluss X1 der Vierdraht-Schnittstelle und den nicht mit X4 verbundenen Anschluss des Stromdetektors 213 mit dem Anschluss X2, oder umgekehrt. Die Stellung dieses Ziellagenwahlschalters 214 bestimmt, welche der beiden Endlagen (linke oder rechte Endlage) überwacht werden soll.
  • Ein nichtlineares Bauelement in Form einer Zenerdiode (heutzutage meist als Z-Diode bezeichnet) D1 befindet sich in der Aussenanlage (d.h. im oder beim Weichenantrieb) in einer Leitung zum Anschluss X3. Die Überwachungsspannung Usup und die Z-Diode D1 sind derart zueinander gepolt, dass die Z-Diode D1 in Sperrrichtung durchflossen wird, so dass an ihr eine Durchbruchspannung abfällt, die eine Hilfsspannung Uaux bildet. Parallel zur Z-Diode ist eine Hilfsstromversorgung 14 geschaltet, deren Funktion im Zusammenhang mit der Fig. 6 noch näher erläutert wird. Ein Teil des Stroms I 1 speist die Hilfsstromversorgung 14, ein anderer Teil durchfliesst die Z-Diode D1. Die Hilfsspannung Uaux hängt nur schwach vom Stromanteil ab, der die Z-Diode durchfliesst, und kann daher in erster Näherung als konstant angesehen werden. Diese Anordnung ermöglicht es, der Hilfsstromversorgung 14 eine elektrische Leistung zuzuführen, deren Maximum in erster Näherung dem Produkt der Hilfsspannung Uaux und dem Strom I 1 entspricht. Die Hilfsspannung Uaux liegt vorzugsweise im Bereich von 5%-60% der Überwachungsspannung Usup, in absoluten Zahlen vorzugsweise zwischen 3 und 30 V.
  • Die Aussenanlage wirkt im Überwachungsbetrieb hochohmiger als die Innenanlage und ist dadurch strombestimmend, anders als im Stand der Technik der Figuren 4A und 4B, wo die Innenanlage hochohmiger und damit strombestimmend ist.
  • In der Fig. 5A nimmt die Weiche ihre linke Endlage ein. Die Endlagenschalter m1, m2 befinden sich in der Stellung der Fig. 3A, und der Ziellagenwahlschalter 214 befindet sich in der linken Stellung, in der die Endlagen-Überwachungseinrichtung überprüft, ob das Feldelement die linke Endlage auch tatsächlich einnimmt. Der von der Überwachungsspannung Usup bewirkte Strom durchfliesst alle drei Referenzwiderstände sowie alle vier Adern des Verbindungskabels. Es resultieren die folgenden Stromwerte: I 1 = I 2 = U sup − U aux 3 R ref + 4 R line .
    Figure imgb0001
  • In einem Rechenbeispiel gilt Usup = 48 V, Uaux = 24 V, Rref = 39 Ω, Rline = 2 Ω. Es folgt dann I 1 = I2 = 192 mA. Die Auswerteeinrichtung 215 ermittelt, ob die beiden Ströme I 1 und I 2 gleich sind und ob ihr Betrag im erwarteten Bereich liegt, und schliesst dadurch auf das korrekte Vorliegen der linken Endlage.
  • In der Fig. 5B nimmt das Feldelement seine rechte Endlage ein. Die Endlagenschalter m1, m2 befinden sich in der Stellung der Fig. 3B, und der Ziellagenwahlschalter 214 befindet sich in der rechten Stellung, in der die Endlagen-Überwachungseinrichtung überprüft, ob das Feldelement die rechte Endlage auch tatsächlich einnimmt. Die Ströme I 1 und I 2 nehmen die gleichen Werte wie in Fig. 5A an, und entsprechend kann in gleicher Weise auf das korrekte Vorliegen der rechten Endlage geschlossen werden.
  • In der Fig. 5C befindet sich das Feldelement im Transit von der rechten in die linke Endlage bzw. in einem aufgefahrenen Zustand aus der linken Endlage heraus. Von einem aufgefahrenen Zustand wird gesprochen, wenn eine Weiche mit einer korrekten Endlage falsch vom Weichenherz her befahren wird. Durch den Spurkranz wird die Weichenzunge weggedrückt. Der selbe schalttechnische Zustand kann auch durch «Nichterreichen der Endlage» resultieren. Die Ursache können eingeklemmte Steine, mechanische Justierungsfehler, mechanischer Verzug oder Störungen der Endschalter m1 und m2 sein. Man spricht auch allgemeiner von einer "aufgeschnittenen" Weiche. In diesem Zustand befinden sich die Endlagenschalter m1, m2 in der Stellung der Fig. 3C, und der Ziellagenwahlschalter 214 befindet sich in der linken Stellung, in der die Endlagen-Überwachungseinrichtung überprüft, ob das Feldelement die linke Endlage einnimmt. Im Stromkreis befinden sich nun nur noch die Gleichspannungsquelle 210, der Stromdetektor 211, die Z-Diode D1, der Referenzwiderstand Rref,2 und zwei Adern für die Anschlüsse X2 und X3 der Vierdraht-Schnittstelle. Es resultierenden die folgenden Stromwerte: I 1 = U sup − U aux R ref + 2 R line ,
    Figure imgb0002
     I 2 = 0 .
    Figure imgb0003
  • Im vorstehenden Rechenbeispiel folgt: I 1 = 558 mA, I 2 = 0. Der Strom I 1 ist also um deutlich mehr als das Doppelte höher als beim Erreichen der Endlage, und der Strom I 2 ist Null. Die Auswerteeinrichtung 215 ermittelt, ob der Strom I 2 tatsächlich Null ist und ob er Strom I 1 im erwarteten Bereich liegt, und schliesst so auf das Vorliegen des aufgeschnittenen Zustands.
  • In der Fig. 5D befindet sich das Feldelement im Transit von der rechten in die linke Endlage bzw. in einem aufgefahrenen/aufgeschnittenen Zustand aus der rechten Endlage heraus. Wie sich leicht verifizieren lässt, resultieren die selben Stromwerte wie in der Fig. 5C.
  • Wie sich ebenfalls leicht verifizieren lässt, können mit dieser Anordnung auch Aderschlüsse zwischen den einzelnen Adern im Verbindungskabel oder Isolationsfehler erkannt werden. So bewirken sämtliche mögliche Kombinationen von Aderschlüssen Stromwerte I 1 und I 2, die von den Stromwerten in den Endlagen abweichen. Die Auswerteeinrichtung 215 kann dementsprechend dazu ausgestaltet sein, diese Stromwerte mit Referenzwerten zu vergleichen, um Aderschlüsse oder Isolationsfehler zu ermitteln und zu lokalisieren, d.h. einen erkannten Aderschluss einem Leitungspaar zuzuordnen. Dies wird in der vorliegenden Anordnung dadurch erleichtert, dass sich der Referenzwiderstand R ref,4 in der Innenanlage befindet, während sich die anderen beiden Referenzwiderstände R ref,1 und R ref,2 in der Aussenanlage befinden, so dass bei bestimmten Aderschlüssen diese Referenzwiderstände je nach Betriebszustand nicht mehr von Strom durchflossen werden.
  • Einige mögliche Aderschlüsse (X2 nach X3 oder X1 nach X3) bewirken je nach Betriebszustand einen Kurzschluss, bei dem sich im Stromkreis nur noch die Gleichspannungsquelle 210 und der Stromdetektor 211 befinden. Zur Begrenzung des Kurzschlussstroms kann die Gleichspannungsquelle 210 mit einer Strombegrenzungsfunktion ausgestattet sein. Optional kann in der Innenanlage in der Leitung zum Anschluss X3 ein vierter Referenzwiderstand vorgesehen werden, der den Kurzschlussstrom begrenzt. Allerdings wird dadurch der Störspannungsabstand zur Auflösung der anderen Aderschlusskombinationen ungünstiger.
    • Vollständiger Weichenantrieb
  • In den Figuren 6A und 6B wird nun ein Ausführungsbeispiel erläutert, bei dem nicht nur die Endlagenüberwachung über die Vierdraht-Schnittstelle erfolgt, sondern zudem auch die Antriebsenergie durch eine Gleichspannungsversorgung über die Vierdraht-Schnittstelle bereitgestellt wird. Dabei illustriert die Fig. 6A den schaltungstechnischen Aufbau der Innenanlage, Fig. 6B denjenigen der Aussenanlage.
  • Eine Steuereinheit 20 in der Innenanlage umfasst einerseits eine Überwachungseinrichtung 21 und andererseits eine Umstellsteuerung 22. Ein Master-Betriebsmodus-Umschalter 23 in Form eines Trennrelais mit einem vierpoligen Wechselschalter verbindet die Aussenanlage wahlweise mit der Überwachungseinrichtung 21 ("Überwacherbetrieb") oder der Umstellsteuerung 22 ("Umstellbetrieb"). Die Betätigung des Master-Betriebsmodus-Umschalters 23 erfolgt mittels einer Mastersteuerung 25, die digitale Stellbefehle von einer Stellwerksfunktion empfängt.
  • Die Überwachungseinrichtung 21 der Innenanlage ist wie in den Figuren 5A und 5B aufgebaut, und es wird auf die vorstehenden Ausführungen zu den Figuren 5A und 5B verwiesen. Aus Gründen der besseren Übersichtlichkeit wurde die Auswerteeinrichtung 215 in der Fig. 6A weggelassen.
  • Die Umstellsteuerung 22 umfasst eine Gleichspannungsquelle 220 hoher Leistung, die eine Antriebsspannung UD bereitstellt. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel hat die Antriebsspannung UD denselben Betrag wie die Überwachungsspannung Usup. Ein Umstellstromdetektor 221 ist in Serie mit der Gleichspannungsquelle 220 geschaltet. Der Umstellstromdetektor 221 gibt ein Ausgangssignal, das vom Strom ID durch den Umstellstromdetektor 221 abhängt, an die Mastersteuerung 25 ab. Der Anschluss X3 der Vierdraht-Schnittstelle ist im Umstellbetrieb mit dem Minuspol der Gleichspannungsquelle 220 verbunden, der Anschluss X1 mit dem Pluspol. Die Polarität der Anschlüsse X2 und X4 hängt von der gewünschten Umlaufrichtung bzw. der Ziellage ab: Zum Umstellen in Richtung der linken Endlage wird der Anschluss X4 mit dem Pluspol und der Anschluss X2 mit dem Minuspol verbunden, zum Umstellen in Richtung der rechten Endlage wird diese Polarität umgekehrt. Dazu dient ein als Polwender verschalteter zweipoliger Wechselschalter, der im Folgenden als Umstell-Ziellagenwahlschalter 224 bezeichnet wird und der mit dem Überwachungs-Ziellagenwahlschalter 214 der Endlagen-Überwachungseinrichtung 21 zwangsgekoppelt ist und gemeinsam mit diesem als ein gemeinsames Relais 24 durch die Mastersteuerung 25 betätigt wird. Anhand der Polarität der Spannung zwischen den Anschlüssen X2 und X4 kann die Aussenanlage erkennen, in Richtung welcher Ziellage der Weichenantrieb betrieben werden soll, ohne dass zur Übermittlung dieser Information eine weitere Ader im Kabel 30 benötigt wird. Die Ziellage wird also anders als im Stand der Technik nicht durch die Phasenlage einer Dreiphasenwechselspannung an den Anschlüssen X1, X2 und X3 bestimmt, sondern durch die Polarität einer Gleichspannung an den Anschlüssen X2 und X4.
  • Aufgrund der unterschiedlich gepolten Spannungsquellen 210, 220 ist die Stromrichtung des Stroms, der im Überwacherbetrieb durch den Anschluss X3 fliesst, entgegengesetzt zur Stromrichtung, die im Umstellbetrieb durch diesen Anschluss fliesst. Dies ermöglicht es den Komponenten des Weichenantriebs in der Aussenanlage, zu erkennen, in welchem Betriebsmodus der Weichenantrieb betrieben werden soll, ohne dass zur Übermittlung dieser Information eine weitere Ader im Kabel 30 benötigt wird.
  • Insgesamt kodiert die Steuereinheit 20 in der Innenanlage also den Betriebsmodus durch die Stromrichtung des Stroms durch den Anschluss X3 und die Ziellage im Umstellbetrieb durch die Polarität einer Gleichspannung an den Anschlüssen X2 und X4.
  • Das Feldelement 12 in der Aussenanlage weist einen zweipoligen Wechselschalter 123 auf, der dazu dient, das Feldelement abhängig von Stromrichtung des Stroms durch den Anschluss X3 zwischen dem Überwacherbetrieb und dem Umstellbetrieb umzuschalten. Dazu verbindet der Wechselschalter 123 die Anschlüsse X2 und X4 der Vierdraht-Schnittstelle wahlweise mit den Endlagekontakten m1, m2 oder mit einer Motorsteuerung 121. Die Ansteuerung des Wechselschalters 123 erfolgt mit Stellelementen 142, 143, deren Funktionsweise nachstehend noch näher beschrieben werden. Gemeinsam bilden der Wechselschalter 123 und die Stellelemente 142, 143 einen Feldelement-Betriebsmodus-Umschalter in der Aussenanlage.
  • Die Motorsteuerung 121 steuert einen DC-Motor 120 an. Der DC-Motor ist vorzugsweise ein bürstenloser Motor mit Hall-Element-gesteuerter elektronischer Kommutierung. Die Motorsteuerung 121 weist mehrere Anschlüsse wie folgt auf. Zwei Anschlüsse DP+ und DP- dienen zur Energieversorgung der Motorsteuerung im Umstellbetrieb. Diese Anschlüsse sind im Umstellbetrieb über Dioden D7 und D8 derart mit den Anschlüssen X1-X4 der Vierdraht-Schnittstelle verbunden, dass unabhängig von der gewählten Ziellage (d.h. unabhängig von der Polarität der Anschlüsse X2 und X4) immer zwei Anschlüsse der Vierdraht-Schnittstelle einen Versorgungsstrom von der Hochleistungs-Spannungsquelle 220 der Steuereinrichtung 20 zum positiven Anschluss DP+ hin führen (nämlich X1 und je nach Ziellage X2 oder X4) und die anderen beiden Anschlüsse der Vierdraht-Schnittstelle den in der Gegenrichtung fliessenden Strom vom negativen Anschluss DP- abführen (nämlich X3 und je nach Ziellage X4 oder X2). Durch diese gleichmässige Verteilung des Versorgungsstroms auf die vier Anschlüsse der Vierdraht-Schnittstelle werden Leitungsverluste in den einzelnen Adern des Verbindungskabels 30 zwischen Innenanlage und Aussenanlage minimiert.
  • Zwei Anschlüsse "Uml" dienen gemeinsam mit zwei Dioden D9 zur Erkennung der gewünschten Ziellage anhand der Polarität zwischen den Anschlüssen X2 und X4 der Vierdraht-Schnittstelle. Je nachdem, an welchem dieser beiden Anschlüsse eine positive Spannung anliegt, wird auf die gewünschte Ziellage und damit auf die gewünschte Drehrichtung des Motors 120 geschlossen.
  • Zwei weitere Anschlüsse "EL" dienen zur Erkennung, ob die gewünschte Ziellage auch tatsächlich erreicht wurde (Endlagenerkennung). Anhand der Spannungen an diesen Anschlüssen erkennt die Motorsteuerung 121, in welcher Stellung sich die Endlagenschalter m1, m2 befinden.
  • Durch ein bipolares nichtlineares Element (konkret: eine Anordnung zweier in Serie geschalteter, gegensinnig gepolter Z-Dioden D2, D3) und einen Brückengleichrichter 141 wird eine Hilfsstromversorgung 14 mit einer Spannung Uaux versorgt. Die Hilfsstromversorgung 14 versorgt insbesondere die beiden Stellelementen 142, 143, mit Energie. Die Stellelemente 142, 143 erfassen die Stromrichtung durch das bipolare nichtlineare Element, indem sie die Polarität der Spannung an diesem Element erfassen, und ermitteln dadurch die Stromrichtung durch den Anschluss X3 der Vierdraht-Schnittstelle. Bei positiver Stromrichtung betätigt das Stellelement 142 den Wechselschalter 123 derart, dass er in die Stellung für den Überwacherbetrieb gelangt. Bei negativer Stromrichtung betätigt das Stellelement 143 den Wechselschalter 123 derart, dass er in die Stellung für den Umstellbetrieb gelangt, und übermittelt gleichzeitig an die Motorsteuerung 121 ein Signal, dass das Umstellen beginnen soll.
  • Optional ist zudem ein aufladbarer Energiespeicher 144 (z.B. eine aufladbare Batterie) vorgesehen, der im Umstellbetrieb die Versorgung der Motorsteuerung 121 mit Antriebsenergie unterstützt. Der Energiespeicher wird im Überwacherbetrieb laufend durch das Stellelement 142 geladen und kann im Umstellbetrieb Energie an die Motorsteuerung 121 abgeben. Ein solcher Energiespeicher ist insbesondere bei langen Leitungen zwischen Innen- und Aussenanlage sinnvoll, bei denen die Leitungsverluste im Umstellbetrieb erheblich sein können, da die Versorgungsspannung UD verhältnismässig niedrig ist und dadurch die Ströme durch das Kabel 30 verhältnismässig hoch sind.
  • Zwei Dioden D3, D4 stellen sicher, dass im Umstellbetrieb ein Strom vom Anschluss X1 zum Anschluss X3 durch die Aussenanlage fliessen kann, während im Überwacherbetrieb ein Strom vom Anschluss X3 zu den Endlagekontakten m1, m2 geführt wird.
    • Betrieb der Weichensteuerung
  • Wenn die Weiche in eine neue Ziellage umgestellt werden soll, wird wie folgt vorgegangen. Anfänglich befinden sich sowohl der Master-Betriebsmodus-Umschalter 23 der Innenanlage als auch der Feldelement-Betriebsmodus-Umschalter der Aussenanlage mit dem Wechselschalter 123 in der Stellung für den Überwacherbetrieb. Die Master-Steuereinrichtung 25 empfängt einen Befehl zum Umstellen in eine neue Ziellage. Die Master-Steuereinrichtung 25 steuert nun die Elemente 23 und 24 derart an, dass mit den Ziellagen-Wahlschaltern 214, 224 die neue Ziellage eingestellt wird und der Master-Betriebsmodus-Umschalter 23 in die Stellung für den Umstellbetrieb gebracht wird. Diese Vorgänge bewirken eine Umkehrung der Stromrichtung durch den Anschluss X3 der Vierdraht-Schnittstelle. Dadurch wird in der Aussenanlage das Stellelement 143 aktiviert, und dieses schaltet den Wechselschalter 123 automatisch in die Stellung für den Umstellbetrieb. Die Motorsteuerung 121 empfängt nun einerseits vom Stellelement 143 ein Signal zum Umstellen und wird andererseits über die Vierdraht-Schnittstelle mit Antriebsenergie für den Antriebsmotor 120 versorgt. Anhand der Spannungen an den Anschlüssen "Uml" ermittelt die Motorsteuerung 121 die gewünschte Ziellage. Die Motorsteuerung 121 steuert den Motor 120 nun derart an, dass er sanft in die benötigte Richtung anläuft. Nach einer bestimmten Zeit oder einer bestimmten Zahl von Motorumdrehungen (bzw. Kommutatorpulsen) reduziert die Motorsteuerung 121 die Drehzahl des Motors 120, bis die Endlagenschalter m1, m2 der Motorsteuerung 121 an den Anschlüssen "EL" signalisieren, dass die gewünschte Endlage erreicht wurde. Die Motorsteuerung 121 stoppt nun den Motor 120. Die Motorsteuerung 121 bezieht dadurch massiv weniger Energie über die Vierdraht-Schnittstelle. Der Umstellstromdetektor 221 in der Umstellsteuerung 22 detektiert als Konsequenz davon einen stark verminderten Strom ID. Das entsprechende Signal des Umstellstromdetektors 221 bewirkt, dass die Mastersteuerung 25 den Master-Betriebsmodus-Umschalter 23 wieder in die Stellung für den Überwacherbetrieb bringt. Dadurch kehrt sich die Stromrichtung durch den Anschluss X3 erneut um, und das Stellelement 143 der Aussenanlage stellt den Umschalter 123 in der Aussenanlage ebenfalls zurück in die Stellung für den Überwacherbetrieb.
  • Die Überwachung im Überwacherbetrieb erfolgt nun so, wie dies in Zusammenhang mit den Figuren 5A und 5B erläutert wurde.
    • Modifikationen
  • Die Erfindung wurde vorstehend anhand eines Ausführungsbeispiels erläutert. Selbstverständlich sind vielfache Abwandlungen möglich.
  • Insbesondere können statt mechanischer Schalter auch gesteuerte Halbleiter-Schaltelemente wie MOSFETs eingesetzt werden. Anstelle von Z-Dioden können auch andere nichtlineare Elemente eingesetzt werden, die die Auskopplung einer Hilfsspannung Uaux ermöglichen.
  • Im vorliegenden Ausführungsbeispiel können alle Polaritäten umgekehrt werden, sofern die Durchflussrichtungen der Dioden entsprechend angepasst werden.
  • Die Überwachungsspannung Usup und die Antriebsspannung UD können unterschiedlich sein. Insbesondere die Antriebsspannung UD höher als die Überwachungsspannung Usup sein, um die Ströme durch das Kabel 30 während des Umstellbetriebs zu verringern und dadurch Leitungsverluste zu minimieren. Das kann insbesondere bei einem langen Kabel 30 sinnvoll sein.
  • Die Endlagen-Überwachungseinrichtung kann auch mit nur einem einzigen Stromdetektor betrieben werden; damit ist allerdings eine Reduktion der Aussagekraft des Überwachungsergebnisses verbunden.
  • Die Zahl der Referenzwiderstände kann von drei abweichen, wobei aber mindestens ein Referenzwiderstand vorhanden sein sollte, um einen Kurzschluss zu vermeiden. Bevorzugt werden mindestens zwei Referenzwiderstände eingesetzt, die derart angeordnet sind, dass sie vom Strom durch die Anschlüsse X1 und X2 durchflossen werden.
  • Während der Antriebsmotor 120 vorzugsweise ein bürstenloser, elektronisch kommutierter Gleichstrommotor ist, kommen auch andere Motortypen in Betracht. Insbesondere kann es sich auch um einen Wechselstrommotor handeln, und die Motorsteuerung 121 kann dementsprechend einen Inverter aufweisen, der eine Wechselspannung für den Motor erzeugt.
    • BEZUGSZEICHENLISTE
    • 11
    Weiche
    12
    Weichenantrieb/Feldelement
    13
    Schubstange
    20
    Steuereinrichtung
    21
    Endlagen-Überwachungseinrichtung
    22
    Umstellsteuerung
    23
    Betriebsmodus-Umschalter
    24
    Relais für Ziellagen-Wahlschalter
    25
    Mastersteuerung
    30
    Kabel
    120
    Antriebsmotor
    121
    Motorsteuerung
    141
    Brückengleichrichter
    142
    Stellelement für Überwacherbetrieb
    143
    Stellelement für Umstellbetrieb
    144
    Energiespeicher
    210
    Überwachungs-Gleichspannungsquelle
    211
    Stromdetektor
    212
    Spannungsdetektor
    213
    Stromdetektor
    214
    Überwachungs-Ziellagenwahlschalter
    215
    Auswerteeinrichtung
    220
    Umstell-Gleichspannungsquelle
    221
    Umstellstromdetektor
    224
    Umstell-Ziellagenwahlschalter
    m1, m2
    Endlagenschalter
    D1-D10
    Dioden
    L1-L3
    Wicklungen
    X1-X4
    Anschlüsse einer Vierdraht-Schnittstelle
    Usup
    Überwachungsspannung
    UD
    Antriebsspannung
    Usup
    Hilfsspannung
    I1, I2
    Ströme
    Rref,1...4
    Referenzwiderstände
    Rline
    Kabelwiderstand

Claims (15)

  1. Vorrichtung (20) zum Betrieb eines Feldelements (12) in einer eisenbahntechnischen Anlage, mit einer Vierdraht-Schnittstelle mit einem ersten, zweiten, dritten und vierten Anschluss (X1-X4) und mit einer Überwachungseinrichtung (21) zur Überwachung eines Betriebszustands des Feldelements (12), wobei die Überwachungseinrichtung (21) aufweist:
    eine Überwachungs-Gleichspannungsquelle (210) zur Erzeugung einer Überwachungsspannung (Usup ) zwischen zwei Anschlüssen (X2-X3 oder X1-X3) der Vierdraht-Schnittstelle; und
    einen ersten Stromdetektor (211) zur Messung eines Stroms (I 1) durch einen derjenigen Anschlüsse (X3) der Vierdraht-Schnittstelle, an denen die Überwachungsspannung (Usup ) erzeugt wird,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Überwachungseinrichtung (21) ausserdem aufweist:
    einen zweiten Stromdetektor (213) zur Messung eines Stroms (I 2) zwischen denjenigen Anschlüssen (X1-X4 oder X2-X4) der Vierdraht-Schnittstelle, zwischen denen nicht die Überwachungsspannung (Usup ) erzeugt wird; und
    eine Auswerteeinrichtung (215), die dazu ausgebildet ist, basierend auf den vom ersten und zweiten Stromdetektor (211, 213) gemessenen Strömen (I 1, I 2) ein Überwachungssignal (E) zu ermitteln und das Überwachungssignal auszugeben.
  2. Vorrichtung (20) nach Anspruch 1, wobei die Auswerteeinrichtung (215) dazu ausgebildet ist, die vom ersten und zweiten Stromdetektor (211, 213) gemessenen Ströme (I 1 , I 2) miteinander zu vergleichen und das Überwachungssignal (E) unter Berücksichtigung dieses Vergleichs zu ermitteln,
    wobei die Auswerteeinrichtung (215) optional ausserdem dazu ausgebildet ist, den vom ersten Stromdetektor gemessenen Strom (I 1) und den vom zweiten Stromdetektor gemessenen Strom (I 2) jeweils mit einem Referenzwert zu vergleichen und das Überwachungssignal (E) unter zusätzlicher Berücksichtigung dieses Vergleichs zu ermitteln.
  3. Vorrichtung (20) nach Anspruch 1 oder 2, wobei der erste und zweite Stromdetektor (211, 213) jeweils einen Innenwiderstand von weniger als 20 Ω aufweisen, und wobei vorzugsweise die Innenwiderstände des ersten und zweiten Stromdetektors (211, 213) übereinstimmen.
  4. Vorrichtung (20) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, aufweisend:
    einen Überwachungs-Ziellagenwahlschalter (214), der dazu ausgebildet ist, zwischen einem ersten Überwachungszustand zur Überwachung einer ersten Ziellage und einem zweiten Überwachungszustand zur Überwachung einer zweiten Ziellage umzuschalten, wobei der erste Stromdetektor (211) den Strom (I 1) durch den dritten Anschluss (X3) der Vierdraht-Schnittstelle misst, wobei im ersten Überwachungszustand die Überwachungsspannung (Usup ) zwischen dem zweiten und dritten Anschluss (X2, X3) der Vierdraht-Schnittstelle anliegt und der zweite Stromdetektor (213) den Strom (I 2) zwischen dem ersten und vierten Anschluss (X1, X4) misst, und wobei im zweiten Überwachungszustand die Überwachungsspannung (Usup ) zwischen dem ersten und dritten Anschluss (X1, X3) der Vierdraht-Schnittstelle anliegt und der zweite Stromdetektor (213) den Strom (I 2) zwischen dem ersten und vierten Anschluss (X1, X4) misst.
  5. Vorrichtung (20) zum Betrieb eines Feldelements (12) in einer eisenbahntechnischen Anlage, mit einer Vierdraht-Schnittstelle mit einem ersten, zweiten, dritten und vierten Anschluss (X1-X4) und einer Umstellsteuerung (22) zum Umstellen des Feldelements (12) zwischen einer ersten und einer zweiten Ziellage,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Umstellsteuerung (22) aufweist:
    eine Umstell-Gleichspannungsquelle (220) zur Erzeugung einer Umstellspannung (UD); und
    einen Umstell-Ziellagenwahlschalter (224), der dazu ausgebildet ist, die Umstellspannung (UD ) alternativ mit einer ersten Polarität für die erste Ziellage oder mit einer dazu entgegengesetzten zweiten Polarität für die zweite Ziellage an zwei Anschlüsse (X2, X4) der Vierdraht-Schnittstelle anzulegen,
    wobei die Umstellsteuerung (22) ausserdem dazu ausgebildet ist, die Umstellspannung (UD ) an den die anderen beiden Anschlüsse (X1, X3) der Vierdraht-Schnittstelle anzulegen, vorzugsweise mit einer festen Polarität.
  6. Vorrichtung (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
    wobei die Vorrichtung (20) ausserdem gemäss Anspruch 5 ausgebildet ist, und
    wobei die Vorrichtung (20) einen Master-Betriebsmodus-Umschalter (23) aufweist, der dazu ausgebildet ist, die Vorrichtung (20) zwischen einem Überwacher-Betriebsmodus und einem Umstell-Betriebsmodus umzuschalten, wobei im Überwacher-Betriebsmodus der Master-Betriebsmodus-Umschalter (23) die Überwachungseinrichtung (21) mit der Vierdraht-Schnittstelle verbindet und im Umstell-Betriebsmodus der Master-Betriebsmodus-Umschalter (23) die Umstellsteuerung (22) mit der Vierdraht-Schnittstelle verbindet,
    wobei die Überwachungs-Gleichspannungsquelle (210) und die Umstell-Gleichspannungsquelle (220) vorzugsweise so gepolt sind, dass die Umstellspannung (UD ) im Umstell-Betriebsmodus mit einer entgegengesetzten Polarität als die Überwachungsspannung (Usup) im Überwachungs-Betriebsmodus an einem der Anschlüsse (X3) der Vierdraht-Schnittstelle anliegt.
  7. Vorrichtung (20) nach Anspruch 6, ausserdem aufweisend:
    eine Mastersteuerung (25), die dazu ausgebildet ist, von einer Stellwerkfunktion einen Umstellbefehl zur Umstellung des Feldelements in eine neue Ziellage zu empfangen und in Abhängigkeit von dem Umstellbefehl den Master-Betriebsmodus-Umschalter (23) vom Überwacher-Betriebsmodus in den Umstell-Betriebsmodus zu bringen sowie den Überwachungs-Ziellagenwahlschalter (214) und den Umstell-Ziellagenwahlschalter (224) entsprechend der neuen Ziellage zu betätigen.
  8. Vorrichtung nach Anspruch 7,
    wobei die Umstellsteuerung (22) einen Umstellstromdetektor (221) zur Messung eines Umstellstroms (ID), der im Feldelement (12) durch die Umstellspannung (UD ) bewirkt wird, aufweist, und
    wobei die Mastersteuerung (25) dazu ausgebildet ist, den vom Umstellstromdetektor (221) gemessenen Umstellstrom (ID) zu erfassen und in Abhängigkeit von dem Umstellstrom (ID ) den Master-Betriebsmodus-Umschalter (23) vom Umstell-Betriebsmodus in den Überwacher-Betriebsmodus zurückzuschalten.
  9. Feldelement (12), das zum Betrieb mit einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8 ausgebildet ist, aufweisend:
    eine Vierdraht-Schnittstelle mit einem ersten, zweiten, dritten und vierten Anschluss (X1-X4);
    einen ersten Endlagenschalter (m1); und
    einen zweiten Endlagenschalter (m2),
    wobei der erste Endlagenschalter (m1) eine erste Stellung einnimmt, wenn sich das Feldelement (12) in einer ersten Endlage befindet und eine zweite Stellung einnimmt, wenn sich das Feldelement (12) ausserhalb der ersten Endlage befindet,
    wobei der zweite Endlagenschalter (m2) eine erste Stellung einnimmt, wenn sich das Feldelement (12) in einer zweiten Endlage befindet und eine zweite Stellung einnimmt, wenn sich das Feldelement (12) ausserhalb der zweiten Endlage befindet,
    wobei jeder der Endlagenschalter (m1, m2) als Wechselschalter mit einem Mittenkontakt und zwei Aussenkontakten ausgebildet ist,
    wobei jeder der Aussenkontakte jedes Endlagenschalters (m1, m2) mit jeweils einem der Aussenkontakte des anderen Endlagenschalters verbunden ist, um jeweils einen gemeinsamen Aussenkontakt zu bilden, und
    wobei das Feldelement (12) dazu ausgebildet ist, einen Betriebsmodus einzunehmen, in dem der Mittenkontakt des ersten Endlagenschalters (m1) mit dem ersten Anschluss (X1) der Vierdraht-Schnittstelle verbunden ist, der Mittenkontakt des zweiten Endlagenschalters (m2) mit dem zweiten Anschluss (X2) der Vierdraht-Schnittstelle verbunden ist, einer der gemeinsamen Aussenkontakte mit dem dritten Anschluss (X3) der Vierdraht-Schnittstelle verbunden ist, und der andere gemeinsame Aussenkontakt mit dem vierten Anschluss (X4) der Vierdraht-Schnittstelle verbunden ist,
    dadurch gekennzeichnet, dass das Feldelement (12) ausserdem aufweist:
    ein bezüglich Gleichströmen nichtlineares Element (D1, D2), das derart im Feldelement (12) angeordnet ist, dass es von einem durch den dritten Anschluss (X3) der Vierdraht-Schnittstelle fliessenden Strom durchflossen wird und dadurch eine Hilfsspannung (Uaux ) erzeugt, die nichtlinear von diesem Strom abhängt.
  10. Feldelement (12) nach Anspruch 9, ausserdem aufweisend:
    eine Motorsteuerung (121);
    einen von der Motorsteuerung (121) angesteuerten Antriebsmotor (120), wobei es sich bei dem Antriebsmotor (120) vorzugsweise um einen Gleichstrommotor, insbesondere um einen bürstenlosen, elektronisch kommutierten Gleichstrommotor handelt, und wobei die Motorsteuerung (121) dazu ausgebildet ist, Antriebsenergie für den Antriebsmotor (120) über die Vierdraht-Schnittstelle zu beziehen; und
    einen Feldelement-Betriebsmodus-Umschalter (123, 142, 143), der dazu ausgebildet ist, abhängig von einer Stromrichtung des durch den dritten Anschluss (X3) der Vierdraht-Schnittstelle fliessenden Stroms das Feldelement (12) zwischen einem Überwacher-Betriebsmodus und einem Umstell-Betriebsmodus umzuschalten, wobei der Feldelement-Betriebsmodus-Umschalter (123, 142, 143) vorzugsweise dazu ausgebildet ist, Energie aus der Hilfsspannung (Uaux ) zu beziehen,
    wobei im Überwacher-Betriebsmodus der Mittenkontakt des ersten Endlagenschalters (m1) mit dem ersten Anschluss (X1) der Vierdraht-Schnittstelle verbunden ist, der Mittenkontakt des zweiten Endlagenschalters (m2) mit dem zweiten Anschluss (X2) der Vierdraht-Schnittstelle verbunden ist, einer der gemeinsamen Aussenkontakte mit dem dritten Anschluss (X3) der Vierdraht-Schnittstelle verbunden ist, und der andere gemeinsame Aussenkontakt mit dem vierten Anschluss (X4) der Vierdraht-Schnittstelle verbunden ist,
    wobei im Umstell-Betriebsmodus alle vier Anschlüsse (X1-X4) der Vierdraht-Schnittstelle mit der Motorsteuerung (121) verbunden sind,
    wobei die Motorsteuerung (121) vorzugsweise dazu ausgebildet ist, eine Polarität einer Spannung, die zwischen dem zweiten und vierten Anschluss (X2, X4) der Vierdraht-Schnittstelle anliegt, zu bestimmen und eine Bewegungsrichtung des Antriebsmotors (120) in Abhängigkeit von der Polarität zu steuern, und
    wobei die Motorsteuerung (121) vorzugsweise dazu ausgebildet ist, einen ersten Teil der Antriebsenergie für den Antriebsmotor (120) aus der Spannung, die zwischen dem zweiten und vierten Anschluss (X2, X4) der Vierdraht-Schnittstelle anliegt, unabhängig von der Polarität dieser Spannung zu beziehen und einen zweiten Teil der Antriebsenergie aus einer Spannung, die zwischen dem ersten und dritten Anschluss (X1, X3) anliegt, zu beziehen.
  11. Feldelement (12) nach Anspruch 10, ausserdem aufweisend:
    einen wiederaufladbaren Energiespeicher (144), der dazu ausgebildet ist, zumindest im Überwacher-Betriebsmodus Ladeenergie aus der Hilfsspannung (Uaux ) zu beziehen und bedarfsweise Zusatzenergie an die Motorsteuerung (121) abzugeben.
  12. Eisenbahntechnische Anlage, aufweisend:
    eine Vorrichtung (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 8;
    ein Feldelement (12), das eine Vierdraht-Schnittstelle mit einem ersten, zweiten, dritten und vierten Anschluss (X1-X4) aufweist; und
    ein Kabel (30) mit vier Adern, das die Vierdraht-Schnittstelle der Vorrichtung (20) mit der Vierdraht-Schnittstelle des Feldelements (12) verbindet,
    wobei das Feldelement (12) einen ersten Endlagenschalter (m1) und einen zweiten Endlagenschalter (m2) aufweist,
    wobei der erste Endlagenschalter (m1) eine erste Stellung einnimmt, wenn sich das Feldelement (12) in einer ersten Endlage befindet und eine zweite Stellung einnimmt, wenn sich das Feldelement (12) ausserhalb der ersten Endlage befindet;
    wobei der zweite Endlagenschalter (m2) eine erste Stellung einnimmt, wenn sich das Feldelement (12) in einer zweiten Endlage befindet und eine zweite Stellung einnimmt, wenn sich das Feldelement (12) ausserhalb der zweiten Endlage befindet,
    wobei das Feldelement dazu ausgebildet ist, einen Betriebsmodus einzunehmen, in dem die Endlagenschalter (m1, m2) derart mit der Vierdraht-Schnittstelle des Feldelements verbunden sind, dass die Überwachungsspannung (Usup ) einen Strom bewirkt, der sowohl den ersten als auch den zweiten Stromdetektor (211, 213) durchfliesst, wenn sich der erste Endlagenschalter (m1) in der ersten Stellung und der zweite Endlagenschalter (m2) in der zweiten Stellung befindet oder wenn sich der zweite Endlagenschalter (m2) in der ersten Stellung und der erste Endlagenschalter (m1) in der zweiten Stellung befindet, und dass die Überwachungsspannung (Usup ) einen Strom bewirkt, der den ersten Stromdetektor (211), nicht aber den zweiten Stromdetektor (213) durchfliesst, wenn sich sowohl der erste als auch der zweite Endlagenschalter (m1, m2) in der zweiten Stellung befinden.
  13. Eisenbahntechnische Anlage nach Anspruch 12, aufweisend:
    einen oder mehrere Referenzwiderstände (R ref,1 -R ref,4), die derart im Feldelement (12) und/oder in der Vorrichtung (20) zum Betrieb des Feldelements (12) angeordnet sind, dass sie Ströme durch die Anschlüsse (X1-X4) der Vierdraht-Schnittstelle des Feldelements (12), die durch die Überwachungsspannung (Usup ) bewirkt sind, beeinflussen,
    wobei vorzugsweise mindestens zwei Referenzwiderstände (R ref,1 -R ref,4) vorhanden sind, wobei mindestens einer der Referenzwiderstände (R ref,1 -R ref,4) im Feldelement (12) angeordnet ist und mindestens einer der Referenzwiderstände (R ref,1 -R ref,4) in der Vorrichtung (20) angeordnet ist,
    wobei die Referenzwiderstände (R ref,1 -R ref,4) vorzugsweise den gleichen Widerstandswert aufweisen.
  14. Eisenbahntechnische Anlage nach Anspruch 13,
    wobei mindestens ein erster und zweiter Referenzwiderstand (R ref,1 , R ref,2) vorhanden sind, wobei der erste Referenzwiderstand (R ref,1) derart angeordnet ist, dass er von einem Strom durch den ersten Anschluss (X1) der Vierdraht-Schnittstelle durchflossen wird, und wobei der zweite Referenzwiderstand (Rref ,1) derart angeordnet ist, dass er von einem Strom durch den zweiten Anschluss (X2) der Vierdraht-Schnittstelle durchflossen wird,
    wobei optional ausserdem ein dritter Referenzwiderstand (R ref,4) vorhanden ist, wobei der dritte Referenzwiderstand (R ref,4) derart angeordnet ist, dass er von einem Strom durch den vierten Anschluss (X4) der Vierdraht-Schnittstelle durchflossen wird,
    wobei bevorzugt der erste und zweite Referenzwiderstand (R ref,1 , R ref,2) im Feldelement (12) und der dritte Referenzwiderstand (R ref,4) in der Überwachungseinrichtung (21) angeordnet ist.
  15. Eisenbahntechnische Anlage nach einem der Ansprüche 12 bis 14, wobei das Feldelement (12) gemäss einem der Ansprüche 9 bis 11 ausgestaltet ist.
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EP3643579A1 (de) 2018-10-23 2020-04-29 Thales Rail Signalling Solutions AG Vorrichtung und verfahren zur überwachung einer weiche

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