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Die Erfindung betrifft Prozessanschaltungen für das sichere
Betreiben von sicherungstechnischen Einrichtungen gemäß dem
Oberbegriff des Anspruchs 1. Derartige Prozessanschaltungen
sind auf vielen Gebieten der Technik mit
sicherheitsrelevanter Ausrichtung, beispielsweise Fahrzeugbau,
Verkehrssteuerung und -überwachung, Industrieanlagenbau und
Medizintechnik, erforderlich.
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Im Folgenden wird beispielhaft im Wesentlichen auf
Prozessanschaltungen in Form von Stellteilen eines Stellwerkes
eingegangen. Die Stellteile der elektronischen Stellwerke steuern
eine Vielzahl von Komponenten der Innenanlage und der
Außenanlage des Stellwerkes. Die Anpassung an verschiedene
Konfigurationen, örtliche Gegebenheiten und unterschiedlichste
Komponenten der Stellwerksanlage erfordert eine große Anzahl
sehr komplexer und spezifischer Stellteilbaugruppen. Bei
häufig notwendigen, an sich geringfügigen Änderungen vorhandener
Stellteile ist ein beträchtlicher Aufwand erforderlich, um
insbesondere die Entflechtung, die Änderung der Unterlagen,
eine neue Sicherheitsnachweisführung und die Validierung der
Änderung zu realisieren. Die Anzahl der Stellteile und
allgemein der Prozessanschaltungen wächst kontinuierlich und
erhöht somit auch den Pflegeaufwand, der u. a. durch
Bauteilabkündigungen verursacht wird. Die Tendenz geht zu immer
aufwendigeren und kundenspezifischen Speziallösungen.
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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.
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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.
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Die Prüfautomaten für die Funktions-Module in der Fertigung
sind aufgrund der geringen Komplexität der Funktions-Module
gegenüber einer herkömmlichen Prozessanschaltung klein,
kostengünstig und die Prüfprogramme dafür schneller zu
implementieren. Die Prüfzeit lässt sich bei der Modultechnik um ein
vielfaches reduzieren. Für jedes Funktions-Modul wird ein
Sicherheitsnachweis erstellt. Das Zusammenwirken zwischen den
Funktions-Modulen wird über einen
Verfahrens-Sicherheitsnachweis definiert. Durch Kombination mehrerer Funktions-
Module zu einer Prozessanschaltung werden die einzelnen
Sicherheitsnachweise der Funktions-Module in einem
Gesamtsicherheitsnachweis für die jeweilige Prozessanschaltung
eingebettet. Somit wird der Aufwand für die
Sicherheitsnachweisführung gegenüber herkömmlichen Prozessanschaltungen deutlich
reduziert.
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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.
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Als Größenordnung für das Volumen eines Funktions-Moduls für
Stellteile dürften 45 mm × 30 mm × 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.
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Das als Kommunikationsschnittstelle fungierende Funktions-
Modul dient der Kommunikation mit einem übergeordneten
Rechner oder mit Nachbarrechnern. Das Funktions-Modul kann
beispielsweise für ISDN Uo, PROFIBUS, TCP/IP oder
Funkkommunikation ausgelegt sein.
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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.
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Die Funktions-Module beinhalten gegebenenfalls auch
Mechanismen, um Aderberührungen aufzudecken.
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Gemäß Anspruch 3 sind elektronische Sicherungen als
Überlastschutz 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.
stellteilspezifische Sicherungen sind nicht mehr erforderlich.
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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.
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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-Module aus.
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Die Funktions-Module, die zu einem Stellteil kombiniert
werden sollen, werden untereinander elektrisch verbunden.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand figürlicher
Darstellungen näher erläutert. Es zeigen:
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Fig. 1 eine schematische Darstellung der Modulkonzeption,
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Fig. 2 eine Systemkonfiguration,
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Fig. 3 ein Leistungssteil eines Stellteils für eine
Signalanschaltung,
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Fig. 4 ein Leistungsteil eines Stellteils für einen
Weichenantrieb und
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Fig. 5 ein Stromfensterdiagramm.
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Fig. 1 zeigt schematisch die Entwicklung eines Stellteiles 1
aus Funktionalitäten Fkt_1, Fkt_2, Fkt. . . in einer ersten
Gruppierung 2 und Funktions-Modulen 3 in einer zweiten
Gruppierung 4. Die Funktionalitäten Fkt_1, Fkt_2, Fkt. . . werden
zu einer wesentlich geringeren Anzahl von Funktions-Modulen 3
derart gekapselt, dass Funktionalitäten Fkt_1, Fkt_2, Fkt. . .
für ähnliche Zielsetzungen, beispielsweise bestimmte
Strombereiche, in einem durch Software ansteuerbaren elektronischen
Funktions-Modul 3 zusammengefasst sind. Aus verschiedenen
Modulbausteinen wird das Stellteil 1 zusammengesetzt.
Beispielsweise kann das Funktions-Modul 3 als sicherer Rechner
5, Kommunikationsschnittstelle 6 oder als Leistungsschalter 7
ausgebildet sein. Das Stellteil 1 auf Modulbasis zeichnet
sich durch verkürzte Fertigungszeiten, vereinfachte Prüfung,
verringerte Komplexität, verringertem Pflegeaufwand,
reduzierten Materialkosten und verringertem Raumbedarf aus. Im
Gegensatz dazu ist die direkte Zusammenfügung der
Stellteilkomponenten aus der sehr großen Anzahl der Funktionalitäten
Fkt_1, Fkt_2, Fkt. . . mit geringerer Projektierbarkeit und
erhöhten Kosten verbunden.
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Fig. 2 veranschaulicht eine Systemkonfiguration für eine
Prozessanschaltung 8 im Zusammenwirken mit einem
zweikanaligen Rechner 5. Als Kommunikationsschnittstellen 6 sind ein
Funktions-Modul 3 für ISDN-Anschluss, TCP/IP und/oder für den
Anschluss an einen redundanten Profibus vorgesehen. Die
Kommunikationsschnittstellen 6 sind jeweils mit einem Funktions-
Modul 3, der den sicheren Rechner 5 repräsentiert, verbunden.
Von dem Rechnermodulen 5 werden mehrere Funktions-Module 3
für Leistungsschalter 7 gesteuert. Die
Leistungsschaltermodule 7 schalten eine Last 9, beispielsweise eine
Signalansteuerung, wie in Fig. 3 veranschaulicht oder einen Vier-Draht-
Weichenantrieb, wie in Fig. 4 veranschaulicht. Den
Funktions-Modulen 3 für die Leistungsschalter 7 kann bei Bedarf
ein Prüfmodul 10 vorgeschaltet sein. Das Prüfmodul treibt
einen konstanten Strom von z. B. 10 mA. Da der sichere Rechner
5 üblicherweise sehr kurze Zykluszeiten hat, kann der
Prüfstrom z. B. alle 100 ms für wenige ms eingeschaltet werden.
Auf diese Weise ergibt sich eine sehr geringe
Verlustleistung. Bei Überstrom werden die Funktions-Module 3 für die
Leistungsschalter 7 nach einer projektierbaren Zeitspanne,
beispielsweise 20 ms, geöffnet. Bei Kurzschluss wird der
Leistungsschalter 7 innerhalb 1 ms geöffnet. Die Abschaltung
wird durch eine LED auf der Frontplatte der
Prozessanschaltung 8 angezeigt. Mit einem zugehörigen Taster auf der
Frontplatte lässt sich der Stromkreis wieder einschalten. Diese
Funktionalität ist durch elektronische Sicherungen, deren
Schaltschwelle durch Software projektierbar ist, realisiert.
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Fig. 3 zeigt ein Stellteil zur Ansteuerung von Signallampen
11.1, 11.2 und 11.3. Die Signallampe 11.3 ist dabei eine
Rotlampe, die mittels eines Funktions-Moduls 3 für ein
Abschaltrelais 12 besonders abgesichert ist, um das zugeordnete,
besonders sicherheitsrelevante Haltegebot in jedem Fall zu
garantieren.
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Fig. 4 zeigt ein weiteres Beispiel für den modularen Aufbau
eines Stellteiles, das für die Ansteuerung eines Vier-Draht-
Weichenantriebes 13 vorgesehen ist.
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Fig. 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.
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Die Erfindung beschränkt sich nicht auf die vorstehend
angegebenen Ausführungsbeispiele. Vielmehr ist eine Anzahl von
Varianten denkbar, welche auch bei grundsätzlich anders
gearteter Ausführung von den Merkmalen der Erfindung Gebrauch
machen.