WO2003095284A1 - Prozessanschaltungen für das sichere betreiben von sicherungstechnischen einrichtungen - Google Patents

Prozessanschaltungen für das sichere betreiben von sicherungstechnischen einrichtungen Download PDF

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Matthias Hentschel
Rudolf Temming
Alexander Priebe
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B61—RAILWAYS
    • B61L—GUIDING RAILWAY TRAFFIC; ENSURING THE SAFETY OF RAILWAY TRAFFIC
    • B61L7/00—Remote control of local operating means for points, signals, or track-mounted scotch-blocks
    • B61L7/06—Remote control of local operating means for points, signals, or track-mounted scotch-blocks using electrical transmission

Definitions

  • the invention relates to process connections for the safe operation of safety devices according to the preamble of claim 1.
  • Process connections of this type are required in many areas of technology with a safety-related orientation, for example vehicle construction, traffic control and monitoring, industrial plant construction and medical technology.
  • control elements of the electronic signal boxes control a large number of components of the indoor and outdoor systems of the signal box.
  • the adaptation to different configurations, local conditions and different components of the signal box system requires a large number of very complex and specific control component assemblies.
  • considerable effort is required, in particular to implement the unbundling, the change in the documents, a new safety record keeping and the validation of the change.
  • the number of actuators and process connections in general grows continuously and thus also increases the maintenance effort, which u. a. is caused by component discontinuation.
  • the trend is towards increasingly complex and customer-specific special solutions.
  • the invention has for its object to eliminate these problems and process connections of the generic type to be specified, which are characterized by greater projectability, ie a reduction in the number of variants.
  • the object is achieved with the characterizing features of claim 1.
  • the invention is based on the knowledge that the sum of the functionalities of all process connections can be mapped to only a few basic functionalities.
  • An electronic function module is defined for each basic functionality.
  • a higher-level architecture defines the functionality, the structure and the interaction of the function modules, in particular with regard to interfaces, form and safety record keeping.
  • the range of modules can be easily expanded in accordance with the architectural specifications. For example, the complete range of control parts for electronic signal boxes can be realized with approx. 15 different function modules.
  • the modular design enables the functional modules to be prefabricated, so that ultimately shorter production times, a more balanced production load and shorter delivery times result.
  • the safety record keeping is also much easier and faster.
  • a safety certificate is created for each function module.
  • the interaction between the function modules is defined by a procedural safety certificate.
  • the individual safety certificates of the function modules are Evidence of safety for the respective process connection embedded. This significantly reduces the effort required for safety verification compared to conventional process connections.
  • the function module which functions as a communication interface, is used for communication with a higher-level computer or with neighboring computers.
  • the function module can For example, be designed for ISDN Uo, PROFIBUS, TCP / IP or radio communication.
  • Function modules in the embodiment as a circuit breaker are preferably designed with an integrated current transformer. Different circuit breakers are controlled according to the same principle. A safe computer in modular technology with a powerful storm evaluation is provided for precise timing.
  • the function modules may also contain mechanisms to detect wire contact.
  • electronic fuses are provided as an overload contactor and as line monitoring with a switching threshold that can be configured by software.
  • the current to be monitored is configured in software for several current windows.
  • the conventional fuses previously used are replaced by the configurable electronic fuses.
  • the status of the electronic fuse can be signaled by an LED.
  • the circuit can be switched off and on again with a button. This results in an essential functionality to achieve the modularity. Process interface-specific or part-specific fuses are no longer required.
  • the current to be monitored in particular in the case of the circuit breakers and in the safe computer is configured according to claim 4 in software for several current windows.
  • each circuit breaker can monitor four switch-specific current windows.
  • the current windows are loaded during initialization. This means that the circuit breakers can be used in a wide range of currents and voltages. The The number of required function modules is minimized.
  • the functional modules are encapsulated according to claim 5, which results in a reduced influence of moisture and improved insulation. This has a positive effect on the dielectric strength of the function modules.
  • the function modules that are to be combined to form an actuator are electrically connected to each other.
  • FIG. 1 shows a schematic illustration of the module concept
  • FIG. 2 shows a system configuration
  • FIG. 3 shows a power section of an actuator for a signal connection
  • FIG. 4 shows a power section of an actuator for a point machine
  • Figure 5 is a current window diagram.
  • Figure 1 shows schematically the development of an actuator 1 from functionalities Fkt_l, Fkt_2, Fkt ... in a first grouping 2 and function modules 3 in a second grouping 4.
  • the functionalities Fkt_l, Fkt_2, Fkt ... become much less Number of function modules 3 encapsulated in such a way that functionalities Fkt_l, Fkt_2, Fkt ... for similar objectives, for example certain current ranges, in an electronic software-controllable
  • the actuator 1 is assembled from various module components.
  • the function module 3 can be used as a secure computer 5, communication interface 6 or be designed as a circuit breaker 7.
  • Actuator 1 on a module basis is characterized by shorter production times, simplified testing, reduced complexity, reduced maintenance, reduced material costs and reduced space requirements.
  • the direct assembly of the control component from the very large number of functionalities Fkt_l, Fkt_2, Fkt ... is associated with less configuration and increased costs.
  • FIG. 2 illustrates a system configuration for a process interface 8 in cooperation with a two-channel computer 5.
  • a function module 3 for ISDN connection, TCP / IP and / or for connection to a redundant Profibus is provided as communication interfaces 6.
  • the communication interfaces 6 are each connected to a function module 3, which represents the secure computer 5.
  • Several function modules 3 for circuit breakers 7 are controlled by the computer modules 5.
  • the circuit breaker modules 7 switch a load 9, for example a signal control as illustrated in FIG. 3 or a four-wire switch drive as illustrated in FIG. 4.
  • a test module 10 can be connected upstream of the function modules 3 for the circuit breakers 7.
  • the test module drives a constant current of e.g. B. 10 mA.
  • the test current z. B. be switched on every 100 ms for a few ms. This results in a very low power loss.
  • the function modules 3 for the circuit breakers 7 are opened after a configurable period of time, for example 20 ms.
  • the circuit breaker 7 is opened within 1 ms. The shutdown is activated by an LED on the front panel of the process device 8 is displayed. The circuit can be switched on again with an associated button on the front panel. This
  • Switching threshold can be configured by software.
  • Figure 3 shows an actuator for controlling signal lamps
  • the signal lamp 11.3 is a red lamp, which is specially protected for a switch-off relay 12 by means of a function module 3 in order to guarantee the assigned, particularly safety-relevant stopping requirement in any case.
  • Figure 4 shows another example of the modular structure of an actuator, which is provided for the control of a four-wire switch drive 13.
  • FIG. 5 shows a current window diagram for a function module 3 for power switching 7.
  • the current windows 14.1 are a current window diagram for a function module 3 for power switching 7.
  • the 14.2, 14.3 and 14.4 can be configured using software. An overlap of current windows, in the exemplary embodiment 14.2 and 14.3, is also possible.
  • the first current window 14.1, which corresponds to the lowest power consumption, can e.g. B. be provided for a test current
  • the second current window 14.2 symbolizes the current range at night voltage
  • the third current window 14.3 symbolizes the current range at daytime voltage
  • the fourth current window 14.4, which corresponds to the highest power consumption is effective in the event of overcurrent, the associated load switch after one configurable period of time, for example 10 ms, is opened.
  • the invention is not limited to the exemplary embodiments specified above. Rather, a number of variants are conceivable, which are also fundamentally different. Make use of the features of the invention.

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Abstract

Die Erfindung betrifft Prozessanschaltungen für das sichere Betreiben von sicherungstechnischen Einrichtungen, insbesondere für die Ansteuerung von Signallampen (11.1, 11.2, 11.3), Weichenantrieben (13), Achszählern, Freimeldeeinrichtungen, Geschwindigkeitsmesseinrichtungen, Fahrsperren und für sichere Kontaktabfragen. Eine bauteilsparende Bauweise ist durch Funktions-Module (3) gekennzeichnet, deren Funktionalitäten (Fkt_1, Fkt_ 2, Fkt...) mehreren verschiedenen Prozessanschaltungen gemeinsam sind.

Description

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

Claims

Patentansprüche
1. Prozessanschaltungen für das sichere Betreiben von sicherungstechnischen Einrichtungen, insbesondere für die An- Steuerung von Signallampen (11.1, 11.2, 11.3), Weichenantrieben (13) , Achszählern, Freimeldeeinrichtungen, Geschwindigkeitsmesseinrichtungen, Fahrsperren und für sichere Kontaktabfragen, gekennzeichnet durch, Funktions-Module (3), deren Funktionalitäten (Fkt_l,
Fkt_2 , Fkt...) mehreren verschiedenen Prozessanschaltungen gemeinsam sind.
2. Prozessanschaltungen nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass gekapselte Funktions-Module (3) für die Funktionalitäten von PrüfSchaltungen (10) , Leistungsschaltern (7) , Filtern, digitalen Ein- und Ausgängen, Rechnern (5) und Kommunikationsschnittstellen (6) vorgesehen sind.
3. Prozessanschaltungen 'nach einem der vorangehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Funktions-Module (3) elektronische Sicherungen, deren Schaltschwellen und Trägheit durch Software projek- tierbar ist, aufweisen.
4. Prozessanschaltungen nach einem der vorangehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Funktions-Module (3) zur Überwachung mehrerer durch Software projektierbarer Stromfenster (14.1, 14.2, 14.3, 14.4) ausgebildet sind.
5. Prozessanschaltungen nach einem der vorangehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Funktions-Module (3) vergossen sind.
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