EP4316945B1 - Signalübertragungseinrichtung einer signaltechnischen sicherungsanlage zur sicheren übertragung eines ac-signals - Google Patents

Signalübertragungseinrichtung einer signaltechnischen sicherungsanlage zur sicheren übertragung eines ac-signals Download PDF

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EP4316945B1
EP4316945B1 EP22188972.8A EP22188972A EP4316945B1 EP 4316945 B1 EP4316945 B1 EP 4316945B1 EP 22188972 A EP22188972 A EP 22188972A EP 4316945 B1 EP4316945 B1 EP 4316945B1
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EP
European Patent Office
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signal
output channel
channel
output
transmission device
Prior art date
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EP22188972.8A
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Thomas Gebert
Enrico ANDERS
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Hitachi Rail GTS Deutschland GmbH
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Hitachi Rail GTS Deutschland GmbH
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Priority to DK22188972.8T priority patent/DK4316945T3/da
Priority to FIEP22188972.8T priority patent/FI4316945T3/fi
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B61—RAILWAYS
    • B61L—GUIDING RAILWAY TRAFFIC; ENSURING THE SAFETY OF RAILWAY TRAFFIC
    • B61L1/00—Devices along the route controlled by interaction with the vehicle or train
    • B61L1/16—Devices for counting axles; Devices for counting vehicles
    • B61L1/168—Specific transmission details
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B61—RAILWAYS
    • B61L—GUIDING RAILWAY TRAFFIC; ENSURING THE SAFETY OF RAILWAY TRAFFIC
    • B61L27/00—Central railway traffic control systems; Trackside control; Communication systems specially adapted therefor
    • B61L27/70—Details of trackside communication
    • 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
    • B61L5/12—Visible signals
    • B61L5/18—Light signals; Mechanisms associated therewith, e.g. blinders
    • B61L5/1809—Daylight signals
    • B61L5/1881—Wiring diagrams for power supply, control or testing

Definitions

  • the invention relates to a signal transmission device of a signaling security system for the secure transmission of signal information of an AC signal to a processing unit, having an input circuit for detecting the AC signal, wherein the input circuit comprises a first input channel and a second input channel, and an output circuit for evaluating the AC signal, wherein the output circuit comprises at least one first output channel and at least one second output channel, wherein the first output channel and the second output channel are galvanically isolated from one another, wherein the first input channel is connected to the at least one first output channel via a first coupling element but is galvanically isolated from the at least one first output channel, wherein the second input channel is connected to the at least one second output channel via a second coupling element but is galvanically isolated from the at least one second output channel, wherein each input channel comprises a plurality of resistors connected in series.
  • the invention also relates to a signaling security system with a signal transmission device according to the invention.
  • the invention also relates to the use of a signal transmission device according to the invention.
  • a secure signal transmission of AC signals is important, for example, in order to provide the processing unit with information regarding a signal aspect of a traffic signal or axle counting information and to reveal errors in the signal transmission.
  • AC signals are picked up by a component of a signaling safety system, e.g. from a signal lamp, and the information obtained from them is sent back to the signal box as a command.
  • Such a signal transmission device is known from the transmission system Vital21 [01], which is used, among other things, for the secure transmission of data for controlling signal boxes and for fault detection.
  • the transmission system Vital21 has an input/output unit with a two-channel interface module controlled by a microcontroller.
  • the interface module reads input information via optocoupler inputs and passes on output information via output relays.
  • the two data channels are designed independently of each other.
  • the signal transmission device comprises two input channels and two output channels, each with a microcontroller for evaluating the signals.
  • the electrical resistors are designed in a safety design.
  • the signal transmission device disclosed in [01] requires comparatively complex and expensive electrical components in order to avoid disruption of the signal transmission due to a failure of these components.
  • a circuit for the separate transmission of different half-waves is known from CN 105759204 B [02]. This is a diagnostic circuit for chargers of electric vehicles.
  • the DE 33 38 490 A1 also discloses a two-channel signal transmission device of a signaling security system.
  • the signal transmission device is characterized in that at least two of the resistances of each input channel differ in at least one characteristic value, and in that each input channel comprises a plurality of voltage-direction-dependent electronic switching devices connected in series, wherein at least two of the voltage-direction-dependent electronic switching devices of each input channel differ in at least one characteristic value, and wherein the voltage-direction-dependent electronic switching devices of the first input channel are electrically connected to the AC signal source with opposite polarity than the voltage-direction-dependent electronic switching devices of the second input channel.
  • the AC signal from the AC signal source activates the first or second input channel alternately, depending on the polarity.
  • the first and second input channels also activate the associated coupling elements, so that the first coupling element transmits a first partial signal of the AC signal and the second coupling element transmits a second partial signal of the AC signal from the associated input channel to the output circuit.
  • the first partial signal is the part of the AC signal with a first polarity
  • the second partial signal is the part of the AC signal with a second polarity that is opposite to the first polarity.
  • the partial signals follow one another directly and are designed as half-waves, particularly in the case of sinusoidal AC signals.
  • the coupling elements thus alternately and in a pulsed form transmit a transmission signal or output signal in the form of one of the two partial signals of the AC signal from the input circuit to the output circuit.
  • the two output signals of the coupling elements have a time offset that is related to the duration of the polarity of the input signal.
  • independent signal information is generated for the two (or possibly several) independent output channels from different time intervals (positive half-wave or negative half-wave) of the AC signal of the signal source. This enables reliable detection and evaluation of this signal for its presence at the input.
  • the partial signals of the AC signal transmitted by the coupling elements can be compared with one another to find transmission errors and/or reassembled into an overall signal.
  • the partial signals can be analyzed in particular using an FPGA (Field Programmable Gate Array) and/or a monostable circuit.
  • FPGA Field Programmable Gate Array
  • the resistors and voltage-direction-dependent electronic switching devices exhibit different failure behavior due to the different parameters.
  • the resistors or voltage-direction-dependent electronic switching devices in an input channel are prevented from failing at the same time. If one of the aforementioned components fails, damage to the signal transmission device is prevented by the other electrical components in the input channel.
  • a failure of one of the electrical components in one of the input channels leads to a change in the output signal emitted by the coupling element arranged in the relevant input channel.
  • the failure of the relevant electrical component can thus be reliably detected by comparing this output signal with the output signal of the coupling element in the other input channel. Signaling reliability in the Transmission of the AC signal is thus ensured even when using structurally simple, cost-effective electrical components in the signal transmission device.
  • the use of resistors and voltage-direction-dependent electronic switching devices with different parameters is also referred to in the application as "diversification" of these electrical components.
  • the diversification according to the invention ensures in particular that common mode errors cannot occur, since the different components have different robustness and production-related errors do not have the same effect (type of failure) and at the same time (time of failure).
  • the input circuit can be used as a safe AC input.
  • the coupling elements between the input channels and the output channels enable transmission of the AC signal, whereby the galvanic isolation between the input channels and the output channels prevents interference currents between the input channels and the output channels during signal transmission.
  • the galvanic isolation of the output channels achieves signal independence.
  • Signal independence means in particular that two or more functionally interacting output channels cannot lead to a dangerous condition due to their joint malfunction. This means that systematic multiple failures are ruled out. This enables proof that individual failures are not dangerous and thus ensures reliable operation.
  • the signal independence is achieved in particular by preventing distortion of the signals in the input channels and/or the output channels due to a faulty current flow between the input channels and the output channels and/or the output channels among themselves, by ensuring that the respective signal transmission takes place without electrical conductors.
  • the basic circuit could be multiplied again to increase the number of channels and thus the independence of the signal evaluation. There would then be several channels for the negative half-wave and/or several channels for positive half-waves, creating redundancy for the corresponding time interval.
  • the device according to the invention enables a signal information to be input in a signal-technically secure manner.
  • the signal source is, for example, a signal lamp whose signal aspect is to be transmitted to a signal box.
  • the AC current flowing through the light source of the signal lamp is tapped.
  • the voltage direction-dependent electronic switching devices are diodes.
  • the series-connected diodes are connected in series with the series-connected resistors.
  • An advantageous embodiment of the signal transmission device is characterized in that at least one of the resistors, preferably all resistors, have a design that allows a short circuit in the event of a defect. This means that components with a safety design (inherently safe components) can be dispensed with. This saves costs and time in development.
  • a preferred embodiment of the signal transmission device is characterized in that the at least one parameter is the manufacturer and/or the service life and/or the robustness and/or nominal values and/or component shapes and/or component technologies.
  • Sufficiently different characteristics of the resistors in the respective input channel from each other and/or of the voltage direction-dependent electronic switching devices in the respective input channel from each other ensure that the relevant electrical components do not fail in the same way, that a short circuit occurs during operation of the signal transmission device in the first or second input channel.
  • the characteristics of two resistors in an input channel differ by at least a factor of 1.1 or the characteristics of voltage direction-dependent electronic switching devices in an input channel differ by at least a factor of 1.1
  • the aforementioned parameters also influence the change behavior of the electrical components of the respective input channels through use. This means that individual components that initially exhibit a relatively small defect through use can be detected and/or replaced at an early stage, while the other components in the relevant input channel are still functional. This avoids reaching a critical situation.
  • the coupling elements are optocouplers.
  • Optocouplers are advantageously designed to be compact and transmit the AC signal using light signals with little or no delay.
  • the transmitting parts of the optocouplers are in particular each part of one of the input channels (first optocoupler in the first input channel, second optocoupler in the second input channel), whereas the receiving parts of the optocouplers are each part of one of the output channels.
  • the polarity/pass direction of the optocouplers is preferably selected according to the pass direction of the diodes in the corresponding input channel.
  • a transformer, a DC/DC transformer or an optical fiber (FO) with an optical fiber transmitter and optical fiber receiver can be used.
  • An embodiment of the signal transmission device is advantageous, which is characterized in that the output circuit is designed to transmit signal information from the first output channel to the second output channel and from the second output channel to the first output channel by means of further coupling elements.
  • the entire signal information that is transmitted to the output circuit can be evaluated on just one output channel. This increases the reliability of the transmission of the partial signals of the AC signal, since the entire signal information can be tapped externally on each of the two output channels.
  • Each of the two output channels always has independent information from both channels, which is important for a reliable evaluation of the presence of the signal from the signal source.
  • the signal transmission device can be used more flexibly due to the various options for tapping the partial signals of the AC signal.
  • a further development of the aforementioned embodiment is characterized in that a third optocoupler is used to transmit the signal information from the first output channel to the second output channel and a fourth optocoupler is used to transmit the signal information from the second output channel to the first output channel, wherein the first output channel comprises the transmitting part of the third optocoupler and the receiving part of the fourth optocoupler, and wherein the second output channel comprises the transmitting part of the fourth optocoupler and the receiving part of the third optocoupler.
  • the third and fourth optocouplers enable fast signal transmission between the output channels in a compact design. They also ensure galvanic isolation of the output channels in order to avoid interference between the output channels during signal transmission.
  • An advantageous embodiment of the embodiments of the signal transmission device with the coupling elements for coupling the output channels is characterized in that the output channels are designed to are to compare the signal information of the first output channel with the signal information of the second output channel.
  • an evaluation unit for comparing the signal information from the output channels is located on at least one of the output channels.
  • the optocoupler outputs of the first and second optocouplers show different signals. Accordingly, the optocoupler outputs of the third and fourth optocouplers show different signals and the error can be immediately identified by comparison.
  • the comparison takes place in the signal transmission device, i.e. before transmission to the processing unit.
  • the signal transmission device By directly tapping and evaluating the signal information on the relevant output channel, longer transmission paths for the evaluation are avoided, which can cause a time delay in the evaluation and can distort the signal information.
  • a further embodiment of the signal transmission device is characterized in that the signal transmission device is part of a signal box, a vehicle device, a field element, in particular an axle counter, or an operating element.
  • the signal transmission device ensures secure signal transmission from the element of which it is designed to be a part to a processing unit, whereby comparatively inexpensive, simply structured electrical components can be used in the signal transmission device.
  • a signaling safety system has a processing unit, an AC signal source for providing an AC signal, and a signal transmission device according to the invention as described above.
  • secure communication between modules of the control and safety technology of the signaling safety system can take place if the components of the signal transmission device are constructed using a material-saving method.
  • An advantageous embodiment of the signaling safety system is characterized in that the AC signal source is a field element, in particular a traffic signal, and that the AC signal indicates the state of the field element, whereby the state of the field element is a prerequisite for the output of an associated signal image, for example.
  • Traffic signals are among the critical components of a signaling safety system, so that secure data transmission between a traffic signal and a processing unit of the signaling safety system is particularly important.
  • the signal transmission device can reliably transmit signal information indicating whether the traffic signal indicates through its switching state that a train route is open or closed.
  • the signal transmission device can be used to reveal errors in a safety-critical system.
  • faulty signals in the safety-critical system in particular in a signaling security system, are reliably detected, whereby the components in the signal transmission device are comparatively simply structured and inexpensive to manufacture.
  • Fig. 1 shows a schematic view of a signaling safety system 1 in which an AC signal source 2 transmits an AC signal through lines 13a, 13b, 13c, 13d, via a signal transmission device 3 to a processing unit 4, for example a signal box.
  • the AC signal source 2 can be, for example, a field element of the signaling safety system 1, for example a traffic signal or an axle counting point, from which the AC signal is to be transmitted to the processing unit 4.
  • the AC signal reaches an input circuit 6 of the signal transmission device 3 via two input lines 13a, 13b from the AC signal source 2.
  • the input circuit 6 has two transmitting parts 7a, 7b of a first and a second coupling element 8a, 8b , wherein the coupling elements 8a, 8b transmit the AC signal to an output circuit 9 .
  • the input circuit 6 and the output circuit 9 are galvanically isolated from each other, which is indicated by a dashed line GT1 between the input circuit 6 and the output circuit 9.
  • the input circuit 6 is designed in such a way (cf. Fig. 2 ) that the first coupling element 8a transmits a first partial signal of the AC signal, while the second coupling element 8b transmits a second partial signal of the AC signal.
  • the output circuit 9 is designed with a first output channel 10a and a second output channel 10b , which have receiving parts 11a, 11b of the first and second coupling elements 8a, 8b.
  • Each partial signal of the AC signal is transmitted for processing and output from the signal transmission device 3 through the coupling elements 8a, 8b into one of the output channels 10a, 10b.
  • the output channels 10a, 10b are galvanically isolated from one another, which is indicated by a further dashed line GT2 .
  • the partial signals are from the output channels 10a, 10b via output lines 13c, 13d to the processing unit 4, whereby the partial signals can be compared with each other by an evaluation unit 23 (here: within the processing unit (4)) in order to find possible errors in the transmission of the AC signal.
  • the partial signals can be reassembled to form an overall signal.
  • Fig. 2 shows a schematic circuit diagram of the signal transmission device 3.
  • the signal transmission device 3 is designed with the input circuit 6, wherein the input circuit 6 comprises a first input channel 14a and a second input channel 14b .
  • the input channels 14a, 14b both run from a first signal input 15a to a second signal input 15b of the signal transmission device 3, to which the poles of the AC signal source 2 are connected (see Fig. 1 ).
  • the first input channel 14a is used to receive the first partial signal of the AC signal
  • the second input channel 14b is designed to receive the second partial signal of the AC signal.
  • the first partial signal of the alternating current signal is a part of the AC signal with a first polarity
  • the second partial signal is a part of the AC signal with a second polarity that is opposite to the first polarity.
  • the two partial signals follow one another alternately when the AC signal is transmitted and are designed in particular as half-waves.
  • the coupling elements 8a, 8b are activated alternately in the sequence of the partial signals of the AC signal in order to feed the respective partial signal of the AC signal from the input circuit 6 into the output circuit 9.
  • the signal transmission device 3 has the output circuit 9, wherein the input circuit 6 and the output circuit 9 are galvanically isolated, which is indicated by the dashed line GT1.
  • the first input channel 14a has three series-connected electrical resistors 16a, 16b, 16c in the direction from the first signal input 15a to the second signal input 15b to avoid short circuits and for voltage regulation, wherein at least two of the resistors 16a, 16b, 16c of the first input channel 14a differ in at least one characteristic value, especially in their service life.
  • the different parameters prevent several or all resistors 16a, 16b, 16c from failing at the same time, which can lead to damage to the signal transmission device 3 and distortion of the AC signal to be transmitted due to the change in the current flow through the first input channel 14a.
  • the three resistors 16a, 16b, 16c are followed by the transmitting part 7a of the first coupling element 8a, which is connected in series with the resistors 16a, 16b, 16c, here in the form of a first optocoupler, the transmitting part 7a being designed here as a light-emitting diode or laser diode and the associated receiving part 11a of the first optocoupler 8a being designed here in the form of a phototransistor.
  • the receiving part 11a is part of the first output channel 10a of the output circuit 9. In the embodiment shown, the receiving part 11a of the first optocoupler 8a is at a reference potential (here: ground).
  • a first collector voltage is applied to a resistor 16g on the receiving part 11a of the first optocoupler 8a.
  • the first optocoupler 8a enables transmission of the first partial signal of the AC signal into the first output channel 10a, whereby the first input channel 14a and the first output channel 10a are galvanically isolated from one another.
  • a protective diode 18a is connected in parallel to the transmitting part 7a of the first optocoupler 8a.
  • voltage direction-dependent electronic switching devices 19a, 19b, 19c are connected in series in the first input channel 14a in the direction from the first signal input 15a to the second signal input 15b after the transmitting part 7a of the first optocoupler 8a.
  • These voltage direction-dependent electronic switching devices 19a, 19b, 19c are designed as rectifier diodes, with at least two of the rectifier diodes 19a, 19b, 19c differing in at least one characteristic, in particular in their service life.
  • the rectifier diodes 19a, 19b, 19c are aligned with their forward direction towards the second signal input 15b and ensure that only the first partial signal of the AC signal flows through the first input channel 14a, but the second partial signal of the AC signal is blocked.
  • the first input channel 14a is therefore only available in one of the two polarities the AC signal source 2 (see Fig. 1 ) is activated.
  • the different characteristics of the rectifier diodes 19a, 19b, 19c prevent the rectifier diodes 19a, 19b, 19c from failing at the same time. In particular, it prevents current from flowing through the first input channel 14a with both polarities of the AC signal source 2 and the AC signal to be transmitted from being distorted.
  • the second input channel 14b has, corresponding to the first input channel 14a, three series-connected resistors 16d, 16e, 16f in the direction from the second signal input 15b to the first signal input 15a, which are followed by the transmitting part 7b of the second coupling element 8b in the form of a second optocoupler 8b .
  • the second optocoupler 8b serves to couple the second partial signal, the polarity of which is opposite to the first partial signal of the AC signal, into the second output channel 10b of the output circuit 9 via the receiving part 11b of the second optocoupler 8b.
  • the receiving part 11b of the second optocoupler 8b is at a reference potential (here: ground), whereby the reference potential of the receiving part 11b of the second optocoupler 8b can differ from the reference potential of the receiving part 11a of the first optocoupler 8a.
  • a second collector voltage is applied to the resistor 16h on the receiving part 11b of the second optocoupler 8b, which can in particular be identical to the first collector voltage.
  • the second partial signal is coupled in by the second optocoupler 8b with galvanic isolation of the second input channel 14b from the second output channel 10b.
  • the transmitting part 7b of the second optocoupler 8b is protected against overvoltages by a second protective diode 18b connected in parallel.
  • the transmitting part 7b of the second optocoupler 8b is connected in the direction from the second signal input 15b to the first signal input 15a by three series-connected voltage-direction-dependent electronic switching devices 19d, 19e, 19f in the form of rectifier diodes, which are aligned with the forward direction towards the first signal input 15a.
  • the rectifier diodes 19a, 19b, 19c of the first input channel 14a on the one hand and the rectifier diodes 19d, 19e, 19f of the second input channel 14b on the other hand are connected with opposite polarity to the AC signal source 2 (see Fig. 1 ) electrically connected.
  • the AC signal source 2 see Fig. 1
  • At least two of the resistors 16d, 16e, 16f of the second input channel 14b differ in at least one characteristic, in particular the service life.
  • at least two of the rectifier diodes 19d, 19e, 19f of the second input channel 14b differ in at least one characteristic. This prevents the resistors 16d, 16e, 16f or the rectifier diodes 19d, 19e, 19f from failing at the same time, which would distort the AC signal to be transmitted.
  • each electrical resistor 16a, 16b, 16c of the first input channel 14a match the characteristics of each electrical resistor 16d, 16e, 16f of the second input channel 14b.
  • the characteristics of each voltage-direction-dependent electronic switching device 19a, 19b, 19c, here in the form of the rectifier diodes 19a, 19b, 19c, of the first input channel 14a match the characteristics of each voltage-direction-dependent electronic switching device 19d, 19e, 19f of the second input channel 14b.
  • the characteristics of the first and second optocouplers 8a, 8b also preferably match.
  • the transmitting part 7a of the first optocoupler 8a emits a light signal whose course follows the first partial signal of the AC signal.
  • the receiving part 11a of the first optocoupler 8a converts the light signal emitted by the transmitting part 7a of the first optocoupler 8a back into a voltage whose course represents the first partial signal of the AC signal.
  • the voltage generated in the transmitting part 7a of the first optocoupler 8a can be tapped from the outside at a first output 21a of the first output channel 10a in order to transmit the first partial signal of the AC signal to an external system, in particular to a processing unit.
  • the transmitting part 7b of the second optocoupler 8b emits a light signal whose course follows the second partial signal of the AC signal.
  • the receiving part 11b of the second optocoupler 8b converts the light signal emitted by the transmitting part 7b of the second optocoupler 8b back into a voltage whose course represents the second partial signal of the AC signal.
  • the voltage generated in the transmitting part 7b of the second optocoupler 8b can be tapped from the outside at a first output 22a of the second output channel 10b in order to transmit the second partial signal of the AC signal to an external system.
  • the two partial signals of the AC signal transmitted in this way can be reassembled into an overall signal after transmission or compared with each other with regard to errors during transmission (in particular due to defective components of the signal transmission device 3).
  • a transmitting part 7c of a third coupling element 8c in the form of a third optocoupler 8c is arranged in the first output channel 10a, which emits a light signal whose course follows the voltage that is present at the receiving part 11a of the first optocoupler 8a.
  • This signal is received by a receiving part 11c of the third optocoupler 8c, which is arranged in the second output channel 10b. Since the voltage at the receiving part 11a of the first optocoupler 8a follows the first partial signal of the AC signal, the signal transmitted by the third optocoupler 8c represents the first partial signal of the AC signal.
  • a transmitting part 7d of a fourth coupling element 8d in the form of a fourth optocoupler 8d is arranged, wherein the transmitting part 7d emits a light signal, the course of which follows the voltage applied to the receiving part 11b of the second optocoupler 8b.
  • This signal is received by a receiving part 11d of the fourth optocoupler 8d, wherein the receiving part 11d is arranged in the first output channel 10a. Since the voltage at the receiving part 11b of the second optocoupler 8b follows the second partial signal of the AC signal, the signal transmitted by the fourth optocoupler 8d represents the second partial signal of the AC signal.
  • the second partial signal of the AC signal is thus also transmitted to the first output channel 10a and can be tapped there at a second output 21b of the first output channel 10a.
  • the first collector voltage is preferably present at a resistor 16i on the fourth optocoupler 8d.
  • the partial signals tapped at the outputs 21a, 21b of the first output channel 10a can be compared with one another by means of an evaluation unit (not shown).
  • the partial signals tapped at the outputs 22a, 22b of the second output channel 10b can be compared with one another by means of the evaluation unit.
  • the first output channel 10a and the second output channel 10b are grounded between the receiving parts 11c, 11d and the transmitting parts 7c, 7d of the third and fourth optocouplers 8c, 8d so that the signals transmitted in the third and fourth optocouplers 8c, 8d do not influence each other.
  • the coupling of the first and second partial signals from one output channel 10a, 10b into the other output channel 10a, 10b is carried out by the third and fourth optocouplers 8c, 8d with galvanic isolation of the output channels 10a, 10b (shown by the dashed line GT2 ) in order to avoid interference potentials between the output channels 10a, 10b.

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Description

    Gegenstand der Erfindung
  • Die Erfindung betrifft eine Signalübertragungseinrichtung einer signaltechnischen Sicherungsanlage zur sicheren Übertragung einer Signalinformation eines AC-Signals zu einer Verarbeitungseinheit, aufweisend eine Eingangsschaltung zur Erfassung des AC-Signals, wobei die Eingangsschaltung einen ersten Eingangskanal und einen zweiten Eingangskanal umfasst, und eine Ausgangsschaltung zur Auswertung des AC-Signals, wobei die Ausgangsschaltung mindestens einen ersten Ausgabekanal und mindestens einen zweiten Ausgabekanal umfasst, wobei der erste Ausgabekanal und der zweite Ausgabekanal galvanisch voneinander getrennt sind, wobei der erste Eingangskanal über ein erstes Kopplungselement mit dem mindestens einen ersten Ausgabekanal verbunden aber von dem mindestens einen ersten Ausgabekanal galvanisch getrennt ist, wobei der zweite Eingangskanal über ein zweites Kopplungselement mit dem mindestens einen zweiten Ausgabekanal verbunden aber von dem mindestens einen zweiten Ausgabekanal galvanisch getrennt ist, wobei jeder Eingangskanal mehrere in Serie geschaltete Widerstände umfasst.
  • Die Erfindung betrifft auch eine signaltechnische Sicherungsanlage mit einer erfindungsgemäßen Signalübertragungseinrichtung. Ferner betrifft die Erfindung die Verwendung einer erfindungsgemäßen Signalübertragungseinrichtung.
    • Hintergrund der Erfindung
  • Eine sichere Signalübertragung von AC-Signalen ist beispielsweise wichtig, um der Verarbeitungseinheit Informationen betreffend einen Signalbegriff eines Verkehrssignals oder Achszählinformationen zur Verfügung zu stellen und Fehler in der Signalübertragung zu offenbaren. Dabei werden AC Signale von einer Komponente einer signaltechnischen Sicherungsanlage, bspw. von einer Signallampe, abgegriffen und die daraus gewonnene Information als Kommando zurück an das Stellwerk geschickt.
  • Eine solche Signalübertragungseinrichtung ist aus dem Übertragungssystem Vital21 [01] bekannt geworden, das unter anderem zur sicheren Übertragung von Daten zur Steuerung von Stellwerken und Fehleroffenbarung eingesetzt wird. Das Übertragungssystem Vital21 weist eine Ein-/Ausgabeeinheit mit einer zweikanaligen, durch Mikrokontroller gesteuerten Schnittstellenbaugruppe auf. Die Schnittstellenbaugruppe liest Eingangsinformationen über Optokopplereingänge ein und gibt Ausgangsinformationen über Ausgaberelais weiter. Zur Erhöhung der Sicherheit der Datenübertragung sind die beiden Datenkanäle unabhängig voneinander ausgebildet. Die Signalübertragungsvorrichtung umfasst zwei Eingangskanäle und zwei Ausgabekanäle mit jeweils einem Mikrokontroller zur Auswertung der Signale. Um die Sicherheitsanforderungen von CENELEC EN 50129 zu erfüllen, sind die elektrischen Widerstände in einer Sicherheitsbauform ausgeführt.
  • Bei der in [01] offenbarten Signalübertragungseinrichtung werden vergleichsweise komplexe und teure elektrische Komponenten benötigt, um eine Störung der Signalübertragung durch einen Ausfall dieser Komponenten zu vermeiden.
  • Eine Schaltung zur separaten Übertragung von verschiedenen Halbwellen ist bekannt aus CN 105759204 B [02]. Hierbei handelt es sich um eine Diagnoseschaltung für Ladegeräte von elektrischen Fahrzeugen.
  • Die DE 33 38 490 A1 offenbart ebenfalls eine zweikanalige Signalübertragungseinrichtung einer signaltechnischen Sicherungsanlage.
    • Aufgabe der Erfindung
  • Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Signalübertragungseinrichtung bereitzustellen, die eine sichere Signalübertragung mit einfach strukturierten und kostengünstigen Bauteilen ermöglicht. Es ist weiterhin Aufgabe der Erfindung, eine signaltechnische Sicherungsanlagemit einer solchen Signalübertragungseinrichtung bereitzustellen. Ferner ist es Aufgabe der Erfindung, eine Verwendung einer solchen Signalübertragungseinrichtung anzugeben.
    • Beschreibung der Erfindung
  • Diese Aufgaben werden erfindungsgemäß gelöst durch eine Signalübertragungseinrichtung nach Anspruch 1, einer signaltechnischen Sicherungsanlage nach Anspruch 9, sowie eine Verwendung der Signalübertragungseinrichtung nach Anspruch 11. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den rückbezogenen Unteransprüchen.
  • Die erfindungsgemäße Signalübertragungseinrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass sich zumindest zwei der Widerstände jedes Eingangskanals in mindestens einer Kenngröße unterscheiden, und dass jeder Eingangskanal mehrere in Serie geschaltete spannungsrichtungsabhängige elektronische Schalteinrichtungen umfasst, wobei sich zumindest zwei der spannungsrichtungsabhängigen elektronischen Schalteinrichtungen jedes Eingangskanals in mindestens einer Kenngröße unterscheiden, und wobei die spannungsrichtungsabhängigen elektronischen Schalteinrichtungen des ersten Eingangskanals mit entgegengesetzter Polarität mit der AC-Signalquelle elektrisch verbunden sind als die spannungsrichtungsabhängigen elektronischen Schalteinrichtungen des zweiten Eingangskanals.
  • Das AC-Signal aus der AC-Signalquelle aktiviert je nach Polung bzw. Polarität abwechselnd den ersten oder den zweiten Eingangskanal. Mit dem ersten und dem zweiten Eingangskanal werden auch die zugehörigen Kopplungselemente aktiviert, sodass das erste Kopplungselement ein erstes Teilsignal des AC-Signals und das zweite Kopplungselement ein zweites Teilsignal des AC-Signals aus dem zugehörigen Eingangskanal in die Ausgangsschaltung überträgt. Das erste Teilsignal ist dabei der Teil des AC-Signals mit einer ersten Polung, während das zweite Teilsignal der Teil des AC-Signal mit einer zweiten Polung ist, die der ersten Polung entgegengesetzt ist. Die Teilsignale folgen unmittelbar aufeinander und sind insbesondere bei sinusförmigen AC-Signalen als Halbwellen ausgebildet. Die Kopplungselemente übertragen somit abwechselnd und in einer gepulsten Form jeweils ein Übertragungssignal bzw. Ausgangssignal in Form eines der beiden Teilsignale des AC-Signals von der Eingangsschaltung in die Ausgangsschaltung.Durch die Verschaltung der Eingangskanäle in entgegengesetzter Polarität weisen die beiden Ausgangssignale der Kopplungselemente einen zeitlichen Versatz auf, der mit der Dauer der Polarität des Eingangssignals zusammenhängt. In den beiden Eingangskanälen werden aus verschiedenen Zeitintervallen (positive Halbwelle bzw. negative Halbwelle) des AC-Signals der Signalquelle voneinander unabhängige Signalinformationen für die zwei (oder ggfs. mehrere) unabhängigen Ausgabekanäle erzeugt. Dadurch werden eine sichere Erkennung und Auswertung dieses Signals auf dessen Vorhandensein am Eingang ermöglicht.
  • Insbesondere können die durch die Kopplungselemente übertragenen Teilsignale des AC-Signals zum Auffinden von Übertragungsfehlern miteinander verglichen und/oder wieder zu einem Gesamtsignal zusammengesetzt werden. Eine Analyse der Teilsignale kann insbesondere mit einem FPGA (Field Programmable Gate Array) und/oder einer monostabilen Schaltung erfolgen.
  • Die Widerstände und spannungsrichtungsabhängigen elektronischen Schalteinrichtungen weisen aufgrund der unterschiedlichen Kenngrößen ein unterschiedliches Ausfallverhalten auf. Insbesondere wird verhindert, dass die Widerstände oder spannungsrichtungsabhängigen elektronischen Schalteinrichtungen in einem Eingangskanal gleichzeitig ausfallen. Bei einem Ausfall einer der vorgenannten Komponenten wird ein Schaden an der Signalübertragungseinrichtung durch die übrigen elektrischen Komponenten in dem Eingangskanal abgewendet. Ein Ausfall einer der elektrischen Komponenten in einem der Eingangskanäle führt zu einer Veränderung des Ausgabesignals, das das in dem betreffenden Eingangskanal angeordnete Kopplungselement emittiert. Somit kann der Ausfall der betreffenden elektrischen Komponente durch einen Vergleich dieses Ausgabesignals mit dem Ausgabesignal des Kopplungselements in dem anderen Eingangskanal sicher erkannt werden. Eine signaltechnische Sicherheit bei der Übertragung des AC-Signals ist somit auch bei der Verwendung von strukturell einfachen, kostengünstigen elektrischen Komponenten in der Signalübertragungseinrichtung gewährleistet.
  • Die Verwendung von Widerständen und spannungsrichtungsabhängigen elektronischen Schalteinrichtungen mit unterschiedlichen Kenngrößen wird im Rahmen der Anmeldung auch als "Diversifizierung" dieser elektrischen Komponenten bezeichnet. Durch die erfindungsgemäße Diversifizierung (unterschiedliche Typen, Werte, Hersteller) ist insbesondere sichergestellt, dass Gleichtaktfehler (Common Mode Errors) nicht auftreten können, da die unterschiedlichen Bauteile andere Robustheiten haben und fertigungsbedingte Fehler sich nicht gleich (Ausfallart) und zur gleichen Zeit (Ausfallzeitpunkt) auswirken.
  • Die kritische Situation, wenn alle Komponenten in einem Eingangskreis so defekt sind, dass das gesamte AC-Signal (beide Polaritäten) beeinträchtigt wird, ist aufgrund der Verwendung diverser Bauteile und der Vervielfachung der Widerstände und Dioden von geringer Wahrscheinlichkeit. Wenn nur eine Polarität des Eingangssignals durch Defekte beeinträchtigt ist, ist der andere Stromkreis noch in Betrieb und die unterschiedlichen Ausgangssignale der beiden Kopplungselemente wird als Defekt erkannt.
  • Aufgrund der hohen Zuverlässigkeit der Komponenten und der geringen Wahrscheinlichkeit, dass alle Komponenten in einer Schaltung zusammen einen Defekt aufweisen, kann die Eingangsschaltung als sicherer AC-Eingang verwendet werden.
  • Die Kopplungselemente zwischen den Eingabekanälen und den Ausgabekanälen ermöglichen eine Übertragung des AC-Signals, wobei durch die galvanische Trennung zwischen den Eingabekanälen und den Ausgabekanälen Störströme zwischen den Eingabekanälen und den Ausgabekanälen bei der Signalübertragung vermieden werden.
  • Durch die galvanische Trennung der Ausgabekanäle wird eine signaltechnische Unabhängigkeit erreicht. Signaltechnische Unabhängigkeit bedeutet insbesondere, dass zwei oder mehr funktionell zusammenwirkende Ausgabekanäle durch ihre gemeinsame Fehlfunktion nicht zu einem gefährlichen Zustand führen können. Damit sind systematische Mehrfachausfälle ausgeschlossen. Dies ermöglicht den Nachweis der Ungefährlichkeit von Einzelausfällen und damit eine sichere Funktion. Die signaltechnische Unabhängigkeit wird insbesondere durch ein Unterbinden einer Verzerrung der Signale in den Eingangskanälen und/oder den Ausgabekanälen durch einen fehlerhaften Stromfluss zwischen den Eingangskanälen und den Ausgabekanälen und/oder den Ausgabekanälen untereinander bewirkt, indem die jeweilige Signalübertragung ohne elektrische Leiter stattfindet.
  • Zur Erhöhung der Sicherheit könnte die Prinzipschaltung nochmals vervielfacht werden, um die Anzahl der Kanäle und damit die Unabhängigkeit der Signalauswertung zu erhöhen. Es gibt dann also mehrere Kanäle für die negative Halbwelle und/oder mehrere Kanäle für positive Halbwellen, so dass eine Redundanz für das entsprechende Zeitintervall geschaffen wird.
  • Die erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglicht eine signaltechnisch sichere Eingabe einer Signalinformation.
  • Bei der Signalquelle handelt es sich beispielsweise um eine Signallampe, deren Signalbegriff an ein Stellwerk übermittelt werden soll. Dazu wird der durch das Leuchtmittel der Signallampe fließende AC-Strom abgegriffen.
    • Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung
  • Vorzugsweise handelt es sich bei den spannungsrichtungsabhängigen elektronischen Schalteinrichtungen um Dioden. Die in Serie geschalteten Dioden sind zu den in Serie geschalteten Widerständen in Serie geschaltet.
  • Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Signalübertragungseinrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einer der Widerstände, vorzugsweise alle Widerstände, eine Bauweise aufweisen, die bei Defekt einen Kurzschluss erlaubt. Es kann also auf Bauteile in Sicherheitsbauweise (inhärent sichere Bauteile) verzichtet werden. Hierdurch können Kosten und Zeit in der Entwicklung gespart werden.
  • Eine bevorzugte Ausführungsform der Signalübertragungseinrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der mindestens einen Kenngröße um den Hersteller und/oder die Lebensdauer und/oder die Robustheit und/oder Nominalwerte und/oder Bauteilformen und/oder Bauteiltechnologien handelt. Ausreichend unterschiedliche Kenngrößen der Widerstände in dem jeweiligen Eingangskanal untereinander und/oder der spannungsrichtungsabhängigen elektronischen Schalteinrichtungen in dem jeweiligen Eingangskanal untereinander gewährleisten, dass die betreffenden elektrischen Komponenten nicht gleichartig ausfallen, dass im Betrieb der Signalübertragungseinrichtung in dem ersten oder zweiten Eingangskanal ein Kurzschluss auftritt. Vorzugsweise unterscheiden sich die Kenngrößen von jeweils zwei Widerständen in einem Eingangskanal um wenigstens einen Faktor von 1,1 bzw. die Kenngrößen von spannungsrichtungsabhängigen elektronischen Schalteinrichtungen in einem Eingangskanal um wenigstens einen Faktor von 1,1
  • Die vorgenannten Kenngrößen, insbesondere die Bauteilformen und/oder Bauteiltechnologien, haben auch einen Einfluss auf das Änderungsverhalten der elektrischen Komponenten der jeweiligen Eingabekanäle durch Nutzung. Somit können einzelne Komponenten, die durch Nutzung zunächst einen vergleichsweise kleinen Defekt aufweisen, schon frühzeitig erkannt und/oder ausgetauscht werden, während die übrigen Komponenten in dem betreffenden Eingangskanal noch funktionsfähig sind. So wird das Erreichen einer kritischen Situation vermieden.
  • Bei einer weiteren Ausgestaltung der Signalübertragungseinrichtung handelt es sich bei den Kopplungselementen um Optokoppler. Optokoppler sind vorteilhaft kompakt ausgestaltet und übertragen das AC-Signal durch Lichtsignale ohne oder mit nur wenig Verzögerungszeit. Die Sendeteile der Optokoppler sind insbesondere jeweils Teil eines der Eingangskanäle (erster Optokoppler im ersten Eingangskanal, zweiter Optokoppler im zweiten Eingangskanal), wohingegen die Empfangsteile der Optokoppler jeweils Teil eines der Ausgabekanäle sind. Die Polarität/Durchlassrichtung der Optokoppler wird vorzugsweise entsprechend der Durchlassrichtung der Dioden im entsprechenden Eingangskanal gewählt.
  • Alternativ oder zusätzlich zu einem Optokoppler kann auch ein Transformator / Übertrager, ein DC/DC Übertrager oder ein Lichtwellenleiter (LWL) mit LWL-Sender und LWL-Empfänger verwendet werden.
  • Vorteilhaft ist eine Ausführungsform der Signalübertragungseinrichtung, die dadurch gekennzeichnet ist, dass die Ausgangsschaltung dazu eingerichtet ist, Signalinformationen vom ersten Ausgabekanal zum zweiten Ausgabekanal und vom zweiten Ausgabekanal zum ersten Ausgabekanal mittels weiterer Kopplungselemente zu übermitteln.
  • Durch die Einkopplung der Signalinformation aus einem Ausgabekanal in den jeweils anderen Ausgabekanal kann eine Auswertung der gesamten Signalinformation, die in die Ausgangsschaltung übertragen wird, an nur einem Ausgabekanal erfolgen. Dadurch wird die Ausfallsicherheit der Übertragung der Teilsignale des AC-Signals erhöht, da die gesamte Signalinformation an jedem der beiden Ausgabekanäle extern abgegriffen werden kann.
  • Jeder der beiden Ausgabekanäle hat immer die unabhängige Information von beiden Kanälen, was für eine sichere Auswertung auf Vorhandensein des Signals der Signalquelle wichtig ist.
  • Zusätzlich kann die Signalübertragungseinrichtung durch die verschiedenen Möglichkeiten des Abgriffs der Teilsignale des AC-Signals flexibler eingesetzt werden.
  • Eine Weiterentwicklung der vorgenannten Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, dass zur Übermittlung der Signalinformationen vom ersten Ausgabekanal zum zweiten Ausgabekanal ein dritter Optokoppler und zur Übermittlung der Signalinformationen vom zweiten Ausgabekanal zum ersten Ausgabekanal ein vierter Optokoppler, verwendet wird, wobei der erste Ausgabekanal das Sendeteil des dritten Optokopplers und das Empfangsteil des vierten Optokopplers umfasst, und wobei der zweite Ausgabekanal das Sendeteil des vierten Optokopplers und das Empfangsteil des dritten Optokopplers umfasst.
  • Der dritte und vierte Optokoppler ermöglichen bei kompakter Ausgestaltung eine schnelle Signalübertragung zwischen den Ausgabekanälen. Sie gewährleisten auch eine galvanische Trennung der Ausgabekanäle, um Störsignale zwischen den Ausgabekanälen bei der Signalübertragung zu vermeiden.
  • Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Ausführungsformen der Signalübertragungseinrichtung mit den Kopplungselementen zur Kopplung der Ausgabekanäle ist dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgabekanäle dazu eingerichtet sind, die Signalinformation des ersten Ausgabekanals mit der Signalinformationen des zweiten Ausgabekanals zu vergleichen. Insbesondere befindet sich an wenigstens einem der Ausgabekanäle eine Auswerteeinheit zum Vergleichen der Signalinformationen aus den Ausgabekanälen.
  • Wenn einer der beiden Eingangskanäle einen Fehler aufweist, zeigen die Optokopplerausgänge des ersten und des zweiten Optokopplers unterschiedliche Signale. Dementsprechend zeigen die Optokopplerausgänge des dritten und des vierten Optokopplers unterschiedliche Signale und der Fehler ist durch einene Vergleich sofort erkennbar.
  • Vorzugsweise findet der Vergleich in der Signalübertragungseinrichtung statt, also vor Übertragung an die Verarbeitungseinheit. Durch das unmittelbare Abgreifen und Auswerten der Signalinformationen an dem betreffenden Ausgabekanal werden längere Übertragungswege für die Auswertung vermieden, durch die bei der Auswertung eine Zeitverzögerung eintreten kann und die Signalinformation verfälscht werden kann. Alternativ ist es auch möglich, den Vergleich außerhalb der Signalübertragungseinrichtung durchzuführen.
  • Eine weitere Ausgestaltung der Signalübertragungseinrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Signalübertragungseinrichtung Teil eines Stellwerks, eines Fahrzeuggeräts, eines Feldelements, insbesondere eines Achszählers, oder eines Bedienelements ist. Die Signalübertragungseinrichtung gewährleistet eine sichere Signalübertragung von dem Element, als dessen Teil sie ausgebildet ist, zu einer Verarbeitungseinheit, wobei in der Signalübertragungseinrichtung vergleichsweise kostengünstige, einfach strukturierte elektrische Komponenten verwendet werden können.
  • Eine erfindungsgemäße signaltechnische Sicherungsanlage weist eine Verarbeitungseinheit, eine AC-Signalquelle zur Bereitstellung eines AC-Signals, und eine oben beschriebene, erfindungsgemäße Signalübertragungseinrichtung auf. In der signaltechnischen Sicherungsanlage kann bei materialsparender Bauweise der Komponenten der Signalübertragungseinrichtung eine sichere Kommunikation zwischen Modulen der Leit- und Sicherungstechnik dersignaltechnischen Sicherungsanlage stattfinden.
  • Eine vorteilhafte Ausgestaltung der signaltechnischen Sicherungsanlage ist dadurch gekennzeichnet, dass die AC-Signalquelle ein Feldelement, insbesondere ein Verkehrssignal, ist und dass das AC-Signal den Zustand des Feldelements angibt, wobei der Zustand des Feldelements Voraussetzung bspw. für die Ausgabe eines zugehörigen Signalbildes ist. Verkehrssignale gehören zu den kritischen Komponenten einer signaltechnischen Sicherungsanlage, sodass eine sichere Datenübertragung zwischen einem Verkehrssignal und einer Verarbeitungseinheit der signaltechnischen Sicherungsanlage besonders wichtig ist. Insbesondere kann durch die Signalübertragungseinrichtung zuverlässig Signalinformation mit der Angabe übertragen werden, ob das Verkehrssignal durch seinen Schaltzustand anzeigt, dass eine Zugstrecke freigegeben oder gesperrt ist.
  • Die erfindungsgemäße Signalübertragungseinrichtung kann erfindungsgemäß zur Fehleroffenbarung in einem sicherheitskritischen System verwendet werden. Durch den Einsatz der Signalübertragungseinrichtung werden fehlerhafte Signale in dem sicherheitskritischen System, insbesondere in einer signaltechnischen Sicherungsanlage, sicher erkannt, wobei die Komponenten in der Signalübertragungseinrichtung vergleichsweise einfach strukturiert und kostengünstig herzustellen sind.
  • Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der Zeichnung. Ebenso können die vorstehend genannten und die noch weiter ausgeführten Merkmale jeweils einzeln für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen Verwendung finden. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung, deren Schutzumfang durch die Ansprüche definiert wird.
    • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
    • Fig. 1
    zeigt schematisch eine erfindungsgemäße signaltechnische Sicherungsanlage mit einer erfindungsgemäßen Signalübertragungseinrichtung;
    Fig. 2
    zeigt schematisch einen Schaltplan der erfindungsgemäßen Signalübertragungseinrichtung.
    Detaillierte Beschreibung der Zeichnungen
  • Fig. 1 zeigt schematisch eine signaltechnische Sicherungsanlage 1, in welchem eine AC-Signalquelle 2 ein AC-Signal durch Leitungen 13a, 13b, 13c, 13d, über eine Signalübertragungseinrichtung 3 an eine Verarbeitungseinheit 4, bspw. ein Stellwerk, überträgt. Bei der AC-Signalquelle 2 kann es sich bspw. um ein Feldelement der signaltechnischen Sicherungsanlage 1 handeln, zum Beispiel ein Verkehrssignal oder ein Achszählpunkt, von dem das AC-Signal an die Verarbeitungseinheit 4 übertragen werden soll. Das AC-Signal gelangt über zwei Eingangsleitungen 13a, 13b von der AC-Signalquelle 2 in eine Eingangsschaltung 6 der Signalübertragungseinrichtung 3. Die Eingangsschaltung 6 weist zwei Sendeteile 7a, 7b eines ersten und eines zweiten Kopplungselements 8a, 8b auf, wobei die Kopplungselemente 8a, 8b das AC-Signal an eine Ausgangsschaltung 9 übertragen. Zur Vermeidung von Störsignalen bei der Übertragung sind die Eingangsschaltung 6 und die Ausgangsschaltung 9 galvanisch voneinander getrennt, was durch eine gestrichelte Linie GT1 zwischen der Eingangsschaltung 6 und der Ausgangsschaltung 9 kenntlich gemacht wird. Die Eingangsschaltung 6 ist derart ausgebildet (vgl. Fig. 2), dass das erste Kopplungselement 8a ein erstes Teilsignal des AC-Signals überträgt, während das zweite Kopplungselement 8b ein zweites Teilsignal des AC-Signals überträgt.
  • Die Ausgangsschaltung 9 ist mit einem ersten Ausgabekanal 10a und einem zweiten Ausgabekanal 10b ausgebildet, die Empfangsteile 11a, 11b des ersten und zweiten Kopplungselements 8a, 8b aufweisen. Jedes Teilsignal des AC-Signals wird zur Verarbeitung und Ausgabe aus der Signalübertragungseinrichtung 3 durch die Kopplungselemente 8a, 8b in jeweils einen der Ausgabekanäle 10a, 10b übertragen. Um eine gegenseitige Verzerrung der Teilsignale durch den Aufbau von Störpotentialen zwischen den Ausgabekanälen 10a, 10b zu vermeiden, sind die Ausgabekanäle 10a, 10b voneinander galvanisch getrennt, was durch eine weitere gestrichelte Linie GT2 angedeutet ist. Die Teilsignale werden aus den Ausgabekanälen 10a, 10b über Ausgangsleitungen 13c, 13d an die Verarbeitungseinheit 4 übertragen, wobei die Teilsignale durch eine Auswerteeinheit 23 (hier: innerhalb der Verarbeitungseinheit (4)) miteinander verglichen werden können, um mögliche Fehler bei der Übertragung des AC-Signals zu finden. Außerdem können die Teilsignale wieder zu einem Gesamtsignal zusammengesetzt werden.
  • Fig. 2 zeigt schematisch einen Schaltplan der Signalübertragungseinrichtung 3. Zum Erfassen des AC-Signals aus der AC-Signalquelle ist die Signalübertragungseinrichtung 3 mit der Eingangsschaltung 6 ausgebildet, wobei die Eingangsschaltung 6 einen ersten Eingangskanal 14a und einen zweiten Eingangskanal 14b umfasst. Die Eingangskanäle 14a, 14b verlaufen beide von einem ersten Signaleingang 15a zu einem zweiten Signaleingang 15b der Signalübertragungseinrichtung 3, an die die Pole der AC-Signalquelle 2 angeschlossen werden (siehe Fig. 1). Der erste Eingangskanal 14a dient der Aufnahme des ersten Teilsignals des AC-Signals, wohingegen der zweiten Eingangskanal 14b zu der Aufnahme des zweiten Teilsignals des AC-Signals ausgebildet ist. Das erste Teilsignal des Wechselstromsignals ist ein Teil des AC-Signals mit einer ersten Polung, wohingegen das zweite Teilsignal ein Teil des AC-Signals mit einer zweiten Polung ist, die der ersten Polung entgegengesetzt ist. Die beiden Teilsignale folgen bei einem Aussenden des AC-Signals im Wechsel aufeinander und sind insbesondere als Halbwellen ausgebildet. Die Kopplungselemente 8a, 8b werden in der Abfolge der Teilsignale des AC-Signals abwechselnd aktiviert, um das jeweilige Teilsignal des AC-Signals aus der Eingangsschaltung 6 in die Ausgangsschaltung 9 einzuspeisen. Zur externen Weitergabe des AC-Signals, zum Beispiel an die Verarbeitungseinheit 4 (sieh Fig. 1), weist die Signalübertragungseinrichtung 3 die Ausgangsschaltung 9 auf, wobei die Eingangsschaltung 6 und die Ausgangsschaltung 9 galvanisch getrennt sind, was durch die gestrichelte Linie GT1 gekennzeichnet ist.
  • Der erste Eingangskanal 14a weist in Richtung von dem ersten Signaleingang 15a zu dem zweiten Signaleingang 15b zur Vermeidung von Kurzschlüssen und zur Spannungsregulierung drei in Serie geschaltete elektrische Widerstände 16a, 16b, 16c auf, wobei sich zumindest zwei der Widerstände 16a, 16b, 16c des ersten Eingangskanals 14a in mindestens einer Kenngröße unterscheiden, insbesondere in ihrer Lebensdauer. Durch die unterschiedlichen Kenngrößen wird vermieden, dass mehrere oder alle Widerstände 16a, 16b, 16c gleichzeitig ausfallen, was durch die Veränderung des Stromflusses durch den ersten Eingangskanal 14a zu einem Schaden an der Signalübertragungseinrichtung 3 und einer Verzerrung des zu übertragenenden AC-Signals führen kann.
  • Zur Übertragung des ersten Teilsignals, das durch den ersten Eingangskanal 14a fließt, folgt auf die drei Widerstände 16a, 16b, 16c der mit den Widerständen 16a, 16b, 16c in Reihe geschaltete Sendeteil 7a des ersten Kopplungselements 8a, hier in Form eines ersten Optokopplers, wobei der Sendeteil 7a hier als Leuchtdiode oder Laserdiode und der zugehörige Empfangsteil 11a des ersten Optokopplers 8a hier in Form eines Fototransistors ausgebildet ist. Der Empfangsteil 11a ist Teil des ersten Ausgabekanals 10a der Ausgangsschaltung 9. Der Empfangsteil 11a des ersten Optokopplers 8a liegt in der gezeigten Ausführungsform auf einem Bezugspotential (hier: Masse). Außerdem liegt an einem Widerstand 16g an dem Empfangsteil 11a des ersten Optokopplers 8a eine erste Kollektorspannung an. Der erste Optokoppler 8a ermöglicht eine Übertragung des ersten Teilsignals des AC-Signals in den ersten Ausgabekanal 10a, wobei der erste Eingangskanal 14a und der erste Ausgabekanal 10a galvanisch voneinander getrennt sind. Zum Schutz vor Überspannungen ist eine Schutzdiode 18a zu dem Sendeteil 7a des ersten Optokopplers 8a parallelgeschaltet.
  • Als elektrische Sperrelemente sind in in dem ersten Eingangskanal 14a in Richtung von dem ersten Signaleingang 15a zu dem zweiten Signaleingang 15b nach dem Sendeteil 7a des ersten Optokopplers 8a spannungsrichtungsabhängige elektronische Schalteinrichtungen 19a, 19b, 19c in Reihe geschaltet. Diese spannungsrichtungsabhängigen elektronischen Schalteinrichtungen 19a, 19b, 19c sind als Gleichrichterdioden ausgebildet, wobei wenigstens zwei der Gleichrichterdioden 19a, 19b, 19c sich in mindestens einer Kenngröße unterscheiden, insbesondere in der Lebensdauer. Die Gleichrichterdioden 19a, 19b, 19c sind mit ihrer Durchlassrichtung zu dem zweiten Signaleingang 15b hin ausgerichtet und sorgen dafür, dass nur das erste Teilsignal des AC-Signals durch den ersten Eingangskanal 14a fließt, das zweite Teilsignal des AC-Signals aber gesperrt wird. Der erste Eingangskanal 14a ist also nur bei einer der beiden Polungen der AC-Signalquelle 2 (siehg Fig. 1) aktiviert. Durch die unterschiedlichen Kenngrößen der Gleichrichterdioden 19a, 19b, 19c wird verhindert, dass die Gleichrichterdioden 19a, 19b, 19c gleichzeitig ausfallen. Insbesondere wird verhindert, dass Strom bei beiden Polungen der AC-Signalquelle 2 durch den ersten Eingangskanal 14a fließen kann und das zu übertragende AC-Signal verzerrt wird.
  • Der zweite Eingangskanal 14b weist entsprechend zu dem ersten Eingangskanal 14a in der Richtung von dem zweiten Signaleingang 15b zu dem ersten Signaleingang 15a drei in Serie geschaltete Widerstände 16d, 16e, 16f auf, denen der Sendeteil 7b des zweiten Kopplungselements 8b in Form eines zweiten Optokopplers 8b folgt. Der zweite Optokoppler 8b dient dazu, das zweite Teilsignal, dessen Polung dem ersten Teilsignal des AC-Signals entgegengesetzt ist, über den Empfangsteil 11b des zweiten Optokopplers 8b in den zweiten Ausgabekanal 10b der Ausgangsschaltung 9 einzukoppeln. Der Empfangsteil 11b des zweiten Optokopplers 8b liegt in der gezeigten Ausführungsform auf einem Bezugspotential (hier: Masse), wobei das Bezugspotential des Empfangsteils 11b des zweiten Optokopplers 8b sich von dem Bezugspotential des Empfangsteil 11a des ersten Optokopplers 8a unterscheiden kann. Außerdem liegt an dem Widerstand 16h an dem Empfangsteil 11b des zweiten Optokopplers 8b eine zweite Kollektorspannung an, die insbesondere mit der ersten Kollektorspannung identisch sein kann. Die Einkopplung des zweiten Teilsignals geschieht durch den zweiten Optokoppler 8b unter galvanischer Trennung des zweiten Eingangskanals 14b vom zweiten Ausgabekanal 10b. Der Sendeteil 7b des zweiten Optokopplers 8b ist durch eine parallel geschaltete zweite Schutzdiode 18b vor Überspannungen geschützt.
  • Dem Sendeteil 7b des zweiten Optokopplers 8b schließen sich in der Richtung von dem zweiten Signaleingang 15b zu dem ersten Signaleingang 15a drei in Serie geschaltete spannungsrichtungsabhängige elektronische Schalteinrichtungen 19d, 19e, 19f in Form von Gleichrichterdioden an, die mit der Durchlassrichtung zu dem ersten Signaleingang 15a hin ausgerichtet sind. Die Gleichrichterdioden 19a, 19b, 19c des ersten Eingangskanals 14a einerseits und die Gleichrichterdioden 19d, 19e, 19f des zweiten Eingangskanals 14b anderersetis sind mit entgegengesetzter Polarität mit der AC-Signalquelle 2 (siehe Fig. 1) elektrisch verbunden. Dadurch fließt nur das zweite Teilsignal des AC-Signals durch den zweiten Eingangskanal 14b, wohingegen das erste Teilsignal des AC-Signals gesperrt wird.
  • Wenigstens zwei der Widerstände 16d, 16e, 16f des zweiten Eingangskanals 14b unterscheiden sich in mindestens einer Kenngröße, insbesondere der Lebensdauer. Ebenso unterscheiden sich wenigstens zwei der Gleichrichterdioden 19d, 19e, 19f des zweiten Eingangskanals 14b in mindestens einer Kenngröße. Dadurch wird verhindert, dass die Widerstände 16d, 16e, 16f bzw. die Gleichrichterdioden 19d, 19e, 19f gleichzeitig ausfallen, wodurch das zu übertragende AC-Signal verzerrt würde.
  • Bevorzugt stimmen die Kenngrößen eines jeden elektrischen Widerstands 16a, 16b, 16c des ersten Eingangskanals 14a mit den Kenngrößen jeweils eines elektrischen Widerstands 16d, 16e, 16f des zweiten Eingangskanals 14b überein. Entsprechend stimmen bevorzugt die Kenngrößen einer jeden spannungsrichtungsabhängigen elektronischen Schalteinrichtung 19a, 19b, 19c, hier in Form der Gleichrichterdioden 19a, 19b, 19c, des ersten Eingangskanals 14a mit den Kenngrößen jeweils einer spannungsrichtungsabhängigen elektronischen Schalteinrichtung 19d, 19e, 19f des zweiten Eingangskanals 14b überein. Weiterhin stimmen bevorzugt auch die Kenngrößen des ersten und zweiten Optokopplers 8a, 8b überein. Durch eine Wahl gleichartiger Bauelemente in den Eingangskanälen 14a, 14b wird es ermöglicht, dass gleiche Eingangssignale in den Eingangskanälen 14a, 14b zu gleichen Übertragungssignalen führen, die von den Optokopplern 14a, 14b übertragen werden.
  • Der Sendeteil 7a des ersten Optokopplers 8a emittiert ein Lichtsignal, dessen Verlauf dem ersten Teilsignal des AC-Signals folgt. In dem ersten Ausgabekanal 10a wandelt der Empfangsteil 11a des ersten Optokopplers 8a das von dem Sendeteil 7a des ersten Optokopplers 8a ausgesendete Lichtsignal wieder in eine Spannung um, deren Verlauf das erste Teilsignal des AC-Signals abbildet. Die in dem Sendeteil 7a des ersten Optokopplers 8a erzeugte Spannung kann an einem ersten Ausgang 21a des ersten Ausgabekanals 10a von außen abgegriffen werden, um so das erste Teilsignal des AC-Signals an ein externes System zu übertragen, insbesondere an eine Verarbeitungseinheit.
  • Entsprechend emittiert der Sendeteil 7b des zweiten Optokopplers 8b ein Lichtsignal, dessen Verlauf dem zweiten Teilsignal des AC-Signals folgt. In dem zweiten Ausgabekanal 10b wandelt der Empfangsteil 11b des zweiten Optokopplers 8b das von dem Sendeteil 7b des zweiten Optokopplers 8b ausgesendete Lichtsignal wieder in eine Spannung um, deren Verlauf das zweite Teilsignal des AC-Signals abbildet. Die in dem Sendeteil 7b des zweiten Optokopplers 8b erzeugte Spannung kann an einem ersten Ausgang 22a des zweiten Ausgabekanals 10b von außen abgegriffen werden, um so das zweite Teilsignal des AC-Signals in ein externes System zu übertragen.
  • Die derart übertragenen beiden Teilsignale des AC-Signals können nach der Übertragung wieder zu einem Gesamtsignal zusammengesetzt oder im Hinblick auf Fehler bei der Übertragung (insbesondere durch defekte Komponenten der Signalübertragungseinrichtung 3) miteinander verglichen werden.
  • In der Nähe des zweiten Ausgabekanals 10b ist in dem ersten Ausgabekanal 10a ein Sendeteil 7c eines dritten Kopplungselements 8c in Form eines dritten Optokopplers 8c angeordnet, der ein Lichtsignal aussendet, dessen Verlauf der Spannung folgt, die an dem Empfangsteil 11a des erstens Optokopplers 8a anliegt. Dieses Signal wird von einem Empfangsteil 11c des dritten Optokopplers 8c empfangen, das in dem zweiten Ausgabekanal 10b angeordnet ist. Da die Spannung an dem Empfangsteil 11a des ersten Optokopplers 8a dem ersten Teilsignal des AC-Signals folgt, bildet das durch den dritten Optokoppler 8c übetragene Signal das erste Teilsignal des AC-Signals ab. So wird das erste Teilsignal des AC-Signals auch in den zweiten Ausgabekanal 10b übertragen und kann dort an einem zweiten Ausgang 22b des zweiten Ausgabekanals 10b abgegriffen werden. An einem Widerstand 16j an dem dritten Optokoppler 8c liegt dabei bevorzugt die zweite Kollektorspannung an.
  • Entsprechend ist in dem zweiten Ausgabekanal 10b in der Nähe des ersten Ausgabekanals 10a ein Sendeteil 7d eines vierten Kopplungselements 8d in Form eines vierten Optokopplers 8d angeordnet, wobei der Sendeteil 7d ein Lichtsignal aussendet, dessen Verlauf der Spannung folgt, die an dem Empfangsteil 11b des zweiten Optokopplers 8b anliegt. Dieses Signal wird von einem Empfangsteil 11d des vierten Optokopplers 8d empfangen, wobei der Empfangsteil 11d in dem ersten Ausgabekanal 10a angeordnet ist. Da die Spannung an dem Empfangsteil 11b des zweiten Optokopplers 8b dem zweiten Teilsignal des AC-Signals folgt, bildet das durch den vierten Optokoppler 8d übetragene Signal das zweite Teilsignal des AC-Signals ab. So wird das zweite Teilsignal des AC-Signals auch in den ersten Ausgabekanal 10a übertragen und kann dort an einem zweiten Ausgang 21b des ersten Ausgabekanals 10a abgegriffen werden. An einem Widerstand 16i an dem vierten Optokoppler 8d liegt bevorzugt die erste Kollektorspannung an.
  • Die an den Ausgängen 21a, 21b des ersten Ausgabekanals 10a abgegriffenen Teilsignale können mittels einer Auswerteeinheit (nicht gezeigt) miteinander verglichen werden. Ebenso können die an den Ausgängen 22a, 22b des zweiten Ausgabekanals 10b abgegriffenen Teilsignale mittels der Auswerteeinheit miteinander verglichen werden.
  • Zwischen den Empfangsteilen 11c, 11d und den Sendeteilen 7c, 7d des dritten und vierten Optokopplers 8c, 8d sind der erste Ausgabekanal 10a und der zweite Ausgabekanal 10b geerdet, damit sich die in dem dritten und vierten Optokoppler 8c, 8d übertragegen Signale nicht wechselseitig beeinflussen. Die Einkopplung des ersten und des zweiten Teilsignals von einem Ausgabekanal 10a, 10b in den anderen Ausgabekanal 10a, 10b erfolgt durch den dritten und vierten Optokoppler 8c, 8d unter galvanischer Trennung der Ausgabekanäle 10a, 10b (dargestellt durch die gestrichelte Linie GT2), um Störpotentiale zwischen den Ausgabekanälen 10a, 10b zu vermeiden.
    • Bezugszeichenliste
    • 1
    Signaltechnische Sicherungsanlage
    2
    AC-Signalquelle
    3
    Signalübertragungseinrichtung
    4
    Verarbeitungseinheit
    6
    Eingangsschaltung
    7a, 7b
    Sendeteile der Kopplungselemente
    8a, 8b
    Kopplungselemente zwischen Eingangsschaltung und Ausgabeschaltung (hier: Optokoppler)
    8c, 8d
    Kopplungselemente zwischen den Ausgabekanälen der Ausgangsschaltung (hier: Optokoppler)
    9
    Ausgangsschaltung
    10a, 10b
    Ausgabekanäle
    11a, 11b
    Empfangsteile der Kopplungselemente
    13a, 13b
    Eingangsleitungen
    13c, 13d
    Ausgangseitungen
    14a, 14b
    Eingangskanäle
    15a, 15b
    Signaleingänge der Signalübertragunseinrichtung
    16a-c
    Widerstände des ersten Eingangskanals
    16d-f
    Widerstände des zweiten Eingangskanals
    16g-j
    Widerstände der Ausgangsschaltung
    18a, 18b
    Schutzdioden
    19a-c
    spannungsrichtungsabhängige elektronische Schalteinrichtungen, (hier: Dioden)
    21a, 21b
    Ausgänge des ersten Ausgabekanals
    22a, 22b
    Ausgänge des zweiten Ausgabekanals
    23
    Auswerteeinheit
    GT1
    galvanische Trennung zwischen Eingangsschaltung und Ausgangsschaltung
    GT2
    galvanische Trennung der Ausgabekanäle
    Liste der zitierten Dokumente
    • [01] Thales Deutschland GmbH: Produktbeschreibung Vital21, Sachnummer: 3JA-05000-ACAA-104DE
    • [02] CN 105759204 B

Claims (11)

  1. Signalübertragungseinrichtung (3) einer signaltechnischen Sicherungsanlage (1) zur sicheren Übertragung einer Signalinformation eines AC-Signals zu einer Verarbeitungseinheit (4), aufweisend:
    • eine Eingangsschaltung (6) zur Erfassung des AC-Signals, wobei die Eingangsschaltung (6) einen ersten Eingangskanal (14a) und einen zweiten Eingangskanal (14b) umfasst,
    • eine Ausgangsschaltung (9) zur Auswertung des AC-Signals, wobei die Ausgangsschaltung (9) mindestens einen ersten Ausgabekanal (10a) und mindestens einen zweiten Ausgabekanal (10b) umfasst, wobei der erste Ausgabekanal (10a) und der zweite Ausgabekanal (10b) galvanisch voneinander getrennt sind,
    wobei der erste Eingangskanal (14a) über ein erstes Kopplungselement (8a) mit dem mindestens einen ersten Ausgabekanal (10a) verbunden, aber von dem mindesten einen ersten Ausgabekanal (10a) galvanisch getrennt ist,
    wobei der zweite Eingangskanal (14b) über ein zweites Kopplungselement (8b) mit dem mindestens einen zweiten Ausgabekanal (10b) verbunden, aber von dem mindesten einen zweiten Ausgabekanal (10b) galvanisch getrennt ist,
    wobei jeder Eingangskanal (14a, 14b) mehrere in Serie geschaltete Widerstände (16a -16f) umfasst,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass sich zumindest zwei der Widerstände (16a -16f) jedes Eingangskanals (14a, 14b) in mindestens einer Kenngröße unterscheiden, und
    dass jeder Eingangskanal (14a, 14b) mehrere in Serie geschaltete spannungsrichtungsabhängige elektronische Schalteinrichtungen (19a - 19f) umfasst, wobei sich zumindest zwei der spannungsrichtungsabhängigen elektronischen Schalteinrichtungen (19a - 19f) jedes Eingangskanals (14a, 14b) in mindestens einer Kenngröße unterscheiden, und wobei die spannungsrichtungsabhängigen elektronischen Schalteinrichtungen (19a - 19c) des ersten Eingangskanals (14a) mit entgegengesetzter Polarität mit der AC-Signalquelle (2) elektrisch verbunden sind als die spannungsrichtungsabhängigen elektronischen Schalteinrichtungen (19d - 19f) des zweiten Eingangskanals (14b).
  2. Signalübertragungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einer der Widerstände (16a - 16f), vorzugsweise alle Widerstände (16a - 16f), eine Bauweise aufweisen, die bei Defekt einen Kurzschluss erlauben.
  3. Signalübertragungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der mindestens einen Kenngröße um den Hersteller und/oder die Lebensdauer und/oder die Robustheit und/oder Nominalwerte und/oder Bauteilformen und/oder Bauteiltechnologien handelt.
  4. Signalübertragungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den Kopplungselementen (8a, 8b) um Optokoppler handelt.
  5. Signalübertragungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgangsschaltung (9) dazu eingerichtet ist, Signalinformationen vom ersten Ausgabekanal (10a) zum zweiten Ausgabekanal (10b) und vom zweiten Ausgabekanal (10b) zum ersten Ausgabekanal (10a) mittels weiterer Kopplungselemente (8c, 8d) zu übermitteln.
  6. Signalübertragungseinrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass zur Übermittlung der Signalinformationen vom ersten Ausgabekanal (10a) zum zweiten Ausgabekanal (10b) ein dritter Optokoppler (8c) und zur Übermittlung der Signalinformationen vom zweiten Ausgabekanal (10b) zum ersten Ausgabekanal (10a) ein vierter Optokoppler (8d), verwendet wird, wobei der erste Ausgabekanal (10a) das Sendeteil (7c) des dritten Optokopplers (8c) und das Empfangsteil (11d) des vierten Optokopplers (8d) umfasst, und wobei der zweite Ausgabekanal (10b) das Sendeteil (7d) des vierten Optokopplers (8d) und das Empfangsteil (11c) des dritten Optokopplers (8c) umfasst.
  7. Signalübertragungseinrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgabekanäle (10a, 10b) dazu eingerichtet sind, die Signalinformation des ersten Ausgabekanals (10a) mit der Signalinformation des zweiten Ausgabekanals (10b) zu vergleichen.
  8. Signalübertragungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Signalübertragungseinrichtung (3) Teil eines Stellwerks, eines Fahrzeuggeräts, eines Feldelements, insbesondere eines Achszählers, oder eines Bedienelements ist.
  9. Signaltechnische Sicherungsanlage (1) mit einer Verarbeitungseinheit (4), einer AC-Signalquelle (2) zur Bereitstellung eines AC-Signals, und einer Signalübertragungseinrichtung (3) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche.
  10. Signaltechnische Sicherungsanlage nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die AC-Signalquelle (2) ein Feldelement, insbesondere ein Verkehrssignal, ist und dass das AC-Signal den Schaltzustand des Feldelements angibt.
  11. Verwendung einer Signalübertragungseinrichtung (3) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8 zur Fehleroffenbarung in einem sicherheitskritischen System.
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