Stromversorgung von Sensoren in Zügen
25.11.2022
Viele Menschen denken bei einem Zug einfach an einen Bus auf Schienen! Schließlich gibt es Personenzüge schon seit 1825 und das Grundkonzept einer Lokomotive, die Waggons zieht, hat sich seither nicht wesentlich verändert.
Wer jedoch kürzlich die Innotrans 2022 in Berlin, die internationale Leitmesse für Verkehrstechnik, besucht hat, wird festgestellt haben, dass die Züge immer mehr zu Hightech werden. Ein Aussteller gab an, dass sein Hochgeschwindigkeitszug mit über 7.000 Sensoren ausgestattet ist. Das ist weit mehr, als man normalerweise in einem Bus benötigt.
Einer der Gründe für diese massive Ausweitung der Sensoren ist der ständige Bedarf an Verbesserungen der Sicherheit, Zuverlässigkeit, des Komforts und der Leistung der modernen Eisenbahninfrastruktur. Aber wie kann man z.B. die Sicherheit der Fahrgäste in den vorhandenen Schienenfahrzeugen verbessern, die eine Lebensdauer von Jahrzehnten haben und bereits mehrere Jahre alt sind? Die Antwort darauf wäre, die Züge mit verbesserten Sensoren und Überwachungssystemen nachzurüsten, um den vorhandenen mechanischen Systemen eine zusätzliche Ebene der Kontrolle und Kommunikation hinzuzufügen.
Ein moderner Zug hat bereits mehr mit einer IT-Server-Installation gemeinsam, als es auf den ersten Blick scheint. Ein bordeigenes Ethernet-Backbone unterstützt CCTV- und Beschallungssysteme, die über ein IP-Netzwerk laufen, überträgt Echtzeitinformationen für die Fahrgastinformationssysteme, verfügt über Wi-Fi-Zugangspunkte und Sitzplatzreservierungsanzeigen und stellt eine Schnittstelle zu den dezentralen Prozessor- und Gateway-Einheiten für die Steuerung sowie die Überwachung und Diagnose mit dem zentralen Zugsteuerungs- und -managementsystem (TCMS) dar.
Abb. 1: Ethernet-Netzwerk im Zug
Welche Art von Sensoren werden also gebraucht und warum sind so viele Sensoren erforderlich? In einem typischen Hochgeschwindigkeitszug gibt es bis zu 16 verschiedene Teilsysteme für Steuerung, Überwachung und Diagnose, die alle Sensoren zur Messung der Echtzeitparameter benötigen:
Einer der Gründe für diese massive Ausweitung der Sensoren ist der ständige Bedarf an Verbesserungen der Sicherheit, Zuverlässigkeit, des Komforts und der Leistung der modernen Eisenbahninfrastruktur. Aber wie kann man z.B. die Sicherheit der Fahrgäste in den vorhandenen Schienenfahrzeugen verbessern, die eine Lebensdauer von Jahrzehnten haben und bereits mehrere Jahre alt sind? Die Antwort darauf wäre, die Züge mit verbesserten Sensoren und Überwachungssystemen nachzurüsten, um den vorhandenen mechanischen Systemen eine zusätzliche Ebene der Kontrolle und Kommunikation hinzuzufügen.
Ein moderner Zug hat bereits mehr mit einer IT-Server-Installation gemeinsam, als es auf den ersten Blick scheint. Ein bordeigenes Ethernet-Backbone unterstützt CCTV- und Beschallungssysteme, die über ein IP-Netzwerk laufen, überträgt Echtzeitinformationen für die Fahrgastinformationssysteme, verfügt über Wi-Fi-Zugangspunkte und Sitzplatzreservierungsanzeigen und stellt eine Schnittstelle zu den dezentralen Prozessor- und Gateway-Einheiten für die Steuerung sowie die Überwachung und Diagnose mit dem zentralen Zugsteuerungs- und -managementsystem (TCMS) dar.
Abb. 1: Ethernet-Netzwerk im Zug
Welche Art von Sensoren werden also gebraucht und warum sind so viele Sensoren erforderlich? In einem typischen Hochgeschwindigkeitszug gibt es bis zu 16 verschiedene Teilsysteme für Steuerung, Überwachung und Diagnose, die alle Sensoren zur Messung der Echtzeitparameter benötigen:
HVAC
Die Heizungs-, Lüftungs- und Klimaanlagen (Heating, Ventilation and Air-Conditioning, HVAC) sind auf dem Dach montiert und sorgen dafür, dass die Fahrgasträume im Winter warm und im Sommer kühl bleiben. Darüber hinaus zirkulieren und filtern sie die Luft in den Waggons, was in der Zeit der Covid-Infektion eine sehr wichtige Funktion war. Jede Minute werden etwa 10-30% der Luft aufgefrischt. Daher ist es auch wichtig, dass der Geräuschpegel der Ventilatoren niedrig gehalten wird und dass das Zirkulationssystem so ausgelegt ist, dass alle Aerosole in der Luft herausgespült werden, ohne dass Toträume in den Fußbereichen, Ecken oder Decken des Wagens zurückbleiben.
Zu den Sensoren, die in einem HVAC-System für Schienenfahrzeuge benötigt werden, gehören die Sensoren für Temperatur (Innen-, Außen-, Kühlmittel- und Verdampferkerntemperatur), relative Luftfeuchtigkeit, Druck (Differenz-, Absolut- und Vakuumdruck), Massenstrom, Sonnenlicht (zur Anpassung der Heiz-/Kühlrate), Filterluftbeschränkung und Luftqualität (Kohlendioxid (CO2), flüchtige organische Verbindungen (VOC) und Partikel.
Zu den Sensoren, die in einem HVAC-System für Schienenfahrzeuge benötigt werden, gehören die Sensoren für Temperatur (Innen-, Außen-, Kühlmittel- und Verdampferkerntemperatur), relative Luftfeuchtigkeit, Druck (Differenz-, Absolut- und Vakuumdruck), Massenstrom, Sonnenlicht (zur Anpassung der Heiz-/Kühlrate), Filterluftbeschränkung und Luftqualität (Kohlendioxid (CO2), flüchtige organische Verbindungen (VOC) und Partikel.
Drehgestell
Das Drehgestell besteht aus den Rädern und Achsen, den Lagern, der Primärfederung und den Bremsen; bei elektrischen Zügen sind auch der Fahrmotor, die Kupplung und die Getriebemechanismen darin enthalten. Es handelt sich um die raueste Umgebung in den Schienenfahrzeugen, die besonders robuste und zuverlässige Sensoren erfordert.
Zu den Sensoren, die in einem Triebdrehgestell benötigt werden, gehören die Sensoren für Motor-, Lager-, Brems- und Getriebetemperatur, Stöße und Vibrationen, Luft- oder Hydraulikdruck in den Bremszylindern, Traktionskontrolle, berührungslose magnetische Radschlitten, Gang- und Geschwindigkeitssensoren und Gleisneutraldetektoren (um anzuzeigen, wo die Oberleitungen Abschnitte wechseln).
Zu den Sensoren, die in einem Triebdrehgestell benötigt werden, gehören die Sensoren für Motor-, Lager-, Brems- und Getriebetemperatur, Stöße und Vibrationen, Luft- oder Hydraulikdruck in den Bremszylindern, Traktionskontrolle, berührungslose magnetische Radschlitten, Gang- und Geschwindigkeitssensoren und Gleisneutraldetektoren (um anzuzeigen, wo die Oberleitungen Abschnitte wechseln).
Türen
Um zu vermeiden, dass sich Waggontüren während der Fahrt öffnen, sei es aufgrund von Störungen oder aufgrund von Druckwellen, die durch zwei aneinander vorbeifahrende Hochgeschwindigkeitszüge verursacht werden, sind die Sicherheitsanforderungen für das Öffnen und Schließen von Bahntüren sehr streng, was bedeutet, dass Türsensorik und -steuerung komplexe Systeme sind. Automatische Ein- oder Ausstiegstüren werden in der Regel elektrisch betätigt, während die weniger genutzten Türen zwischen den Waggons oder die Toilettentüren in der Regel mechanisch oder pneumatisch betätigt werden, da die Toiletten mit Unterdruckspülung bereits über einen pneumatischen Anschluss verfügen (eine Toilette benötigt außerdem viele weitere Sensoren, z.B. für Wasser- und Abwassertankfüllstände, Luft- und Unterdruck sowie Belegungs- und Fahrgastalarmmelder).
Zu den erforderlichen Sensoren für die Türmechanismen gehören Geschwindigkeits- und Positionsanzeigen für das Öffnen und Schließen der Türen, Kraftsensoren (zur Erkennung von Hindernissen), Aktuatoren und Winkelsensoren für das Gestänge, kapazitive oder Vandalismus sichere Drucktasten zum Öffnen oder Schließen der Türen sowie Überwachungs- und Diagnosesysteme zur Erkennung von Verschleißerscheinungen an den Türmechanismen. Jeder Türcontroller meldet außerdem an die TCMS-Einheit zurück, um den Triebfahrzeugführer zu informieren, dass alle Türen ordnungsgemäß geschlossen sind, bevor der Zug losfährt.
Zu den erforderlichen Sensoren für die Türmechanismen gehören Geschwindigkeits- und Positionsanzeigen für das Öffnen und Schließen der Türen, Kraftsensoren (zur Erkennung von Hindernissen), Aktuatoren und Winkelsensoren für das Gestänge, kapazitive oder Vandalismus sichere Drucktasten zum Öffnen oder Schließen der Türen sowie Überwachungs- und Diagnosesysteme zur Erkennung von Verschleißerscheinungen an den Türmechanismen. Jeder Türcontroller meldet außerdem an die TCMS-Einheit zurück, um den Triebfahrzeugführer zu informieren, dass alle Türen ordnungsgemäß geschlossen sind, bevor der Zug losfährt.
PIS
Fahrgastinformationssysteme (Passenger information systems, PIS) werden benötigt, um den Fahrgästen zu helfen, sich auf das Verlassen des Zuges vorzubereiten, bevor dieser am nächsten Bahnhof eintrifft, und um sie über die Fahrt des Zuges oder über mögliche Verspätungen zu informieren. Einige Systeme enthalten auch lokale Wetterberichte und viele integrieren Nachrichten, Unterhaltung oder Werbung. In älteren Zügen kann dies über eine Lautsprecherdurchsage des Triebfahrzeugführers oder des Zugbegleiters erfolgen, aber in vielen modernen Intercity- und Regionalzügen hat das PIS die Form von an der Stirnwand oder an der Decke montierten TFT- oder LED-Punktmatrix-Displays. Die Daten werden über ein 100Mbps-Ethernet oder über serielle RS485-Busse, die auch mit den Sitzplatzreservierungsanzeigen verbunden sind, an die Displays übertragen und aktualisiert.
Hier können Sensoren für das Umgebungslicht zur Anpassung der Display-Helligkeit, Umgebungsgeräusche zur Anpassung der Lautsprecherlautstärke und GPS-Positionsverfolgung oder Touchscreen-Sensoren für interaktive Mensch-Maschine-Schnittstellen (HMI) benötigt werden. Die CCTV- oder Wärmebildkameras können auch in die audiovisuellen PIS-Systeme integriert werden, um die Sitzbelegung zu ermitteln oder Brände zu erkennen.
Hier können Sensoren für das Umgebungslicht zur Anpassung der Display-Helligkeit, Umgebungsgeräusche zur Anpassung der Lautsprecherlautstärke und GPS-Positionsverfolgung oder Touchscreen-Sensoren für interaktive Mensch-Maschine-Schnittstellen (HMI) benötigt werden. Die CCTV- oder Wärmebildkameras können auch in die audiovisuellen PIS-Systeme integriert werden, um die Sitzbelegung zu ermitteln oder Brände zu erkennen.
Abb. 2: Teilsysteme des Zuges
Obwohl nur vier der 16 Teilsysteme betrachtet wurden, ist leicht zu erkennen, warum der in der Einleitung erwähnte Hochgeschwindigkeitszug mehr als 7.000 Sensoren benötigt.
Die meisten dieser Sensoren werden mit 24VDC versorgt, da dies ein Industriestandard ist, aber einige müssen möglicherweise an die primäre Stromversorgung des Zuges angeschlossen werden, die normalerweise 110VDC beträgt. Zwar können mehrere verschiedene Sensoren, die an einen lokalen Controller angeschlossen sind, über eine einzige Stromversorgung versorgt werden, doch ist es oft besser, die Stromschienen zu trennen und zu isolieren, um das System fehlertolerant zu machen. Denn wenn ein einzelner Sensor beschädigt wird oder ein Kurzschluss in der Verkabelung auftritt, sollte dies nicht das gesamte System zum Absturz bringen.
Nehmen wir das Beispiel einer schlechten Stromversorgung und eines verketteten Datenverbindungssystems. Wenn ein einzelner Sensor ausfällt, könnte er die 24-VDC-Versorgung unterbrechen und damit sowohl den Controller als auch die anderen Sensoren lahmlegen. Selbst bei einem Ausfall mit offenem Stromkreis könnte die Datenverbindung unterbrochen werden, wodurch die Datenkommunikation mit den folgenden Sensoren nach der Unterbrechung nicht mehr möglich ist.
Im Falle eines verbesserten Sensor- und Datenkommunikationsschemas wird jede Komponente im System von einem separaten isolierten DC/DC-Wandler mit Strom versorgt, was bedeutet, dass das System gegen Kurzschluss kontinuierlich geschützt ist. Wenn also ein einzelner Sensor ausfällt, hat dies keine Auswirkungen auf die anderen Komponenten im System und kann die 110-V-DC-Versorgung nicht überlasten. Die Datenkommunikation erfolgt hier über ein Multi-Drop-Bus-Netzwerk, das auch dann noch funktioniert, wenn der defekte Sensor mit dem Datenbus nicht mehr verbunden ist. Und selbst wenn der Datenbus beschädigt ist, kann der Controller den Fehler erkennen und das TCMS alarmieren.
Wenn eine einfache Fehlertoleranz auf allen Strom- und Datenleitungen erforderlich ist, kann die folgende Topologie verwendet werden (Abbildung 5).
Wenn eine einfache Fehlertoleranz auf allen Strom- und Datenleitungen erforderlich ist, kann die folgende Topologie verwendet werden (Abbildung 5).
Die Stromversorgung des Controllers ist redundant, d.h. wenn eine DC/DC-Stromversorgung ausfällt, kann die andere immer noch den erforderlichen Strom liefern. Standardmäßige DC/DC-Wandler verfügen nicht über diese 'OR'-Funktion, so dass spezielle Versionen erforderlich sind. RECOM Plug-and-Play-Stromversorgungslösungen sind dann vergleichsweise besser - sie bieten echte Stromteilung an den Ausgängen, so dass die Stromversorgungen parallel geschaltet werden können, um entweder als redundante N+1-Versorgung oder als Stromversorgungsanordnung mit erhöhtem Strom verwendet zu werden.
Auf der Niederspannungsseite hat jeder Sensor seine eigene isolierte DC/DC-Stromversorgung und Datenschnittstelle. Das hat gewisse Vorteile: Wenn ein Sensor ausfällt, weigert er sich nicht nur, die Stromversorgung und die Daten weiterzuleiten, sondern auch, wenn der Sensor einen Kurzschluss zu einer höheren Spannung (z.B. der 110VDC-Hauptversorgung) hat, kann diese externe Spannung nicht zurückfließen und entweder die interne Stromversorgung des Controllers oder seine Datenbusverbindung zurück zum TCMS beschädigen.
RECOM stellt eine Reihe von All-in-One-DC/DC-Stromversorgungen, die mit einem EMV-Filter für den Eisenbahnbereich und einem Verpolungsschutz ausgestattet sind, sowie eine Parallelschaltung der Ausgänge von 40W bis 1000W Ausgangsleistung bieten (was bedeutet, dass sich die Stromversorgungen den Ausgangsstrom gleichmäßig teilen und die V/I-Kennlinie unverändert bleibt). Der Eingangsspannungsbereich kann 4:1 24V, 36V, 110V oder ultraweit 14,4-170VDC betragen, um alle gängigen Eingangsspannungen abzudecken. Darüber hinaus erfüllen sie die Temperaturklasse OT4 + ST1 & ST2, mit voller Ausgangsleistung und erlauben nur natürliche Konvektionskühlung.
Abb. 6: RECOMs RMD und RMSD-Sortiment an Plug-and-Play railway grade DC/DC converters für den Bahnbetrieb DC/DC-Stromversorgungen nach EN 50155.
RECOM bietet Platinen- DC/DC-Stromversorgungen für isolierte Sensorschnittstellen an, darunter ein 8 Watt, EN 50155-zertifiziertes Bauteil im DIP24-Format (32 x 20,3 x 11,2mm) und ein 20 oder 30 Watt, EN 50155-zertifiziertes Produkt in einem 1" x 1" Gehäuse.
Abb. 7: RECOMs RP08, RP12, RPA20 und RPA30 DC/DC-Stromversorgungen für die PCB-Montage im Eisenbahnbereich.
Für anspruchsvollere Bahnanwendungen, wie z.B. Sensor/Aktor-Kombinationen, bietet RECOM auch eine Reihe von isolierten DC/DC-Stromversorgungen mit höherer Leistung auf Board-Level bis zu 200W mit einem Eingangsspannungsbereich von 4:1 oder 10:1, mit kontinuierlichem Kurzschlussschutz am Ausgang und EN 50155-Zertifizierungen.
Abb. 8: RECOM Front-End zu Back-End Bahnstromversorgungslösungen
Derzeit bietet nur RECOM eine so breite Palette an DC/DC-Stromversorgungen für den Bahnbereich an, die eine schnelle Implementierung von Sensoren oder eine Nachrüstung von bestehendem Rollmaterial ermöglichen. Sie sind nicht nur nach der Bahnnorm EN50155 vorzertifiziert, sondern entsprechen auch allen wichtigen technischen Bahnnormen, wie EN50121-3-2 für EMV, EN50124-1 für Sicherheitsisolierung, EN50125-1 für Umweltbedingungen und EN45545-2 für Brandschutz.
Auf der Niederspannungsseite hat jeder Sensor seine eigene isolierte DC/DC-Stromversorgung und Datenschnittstelle. Das hat gewisse Vorteile: Wenn ein Sensor ausfällt, weigert er sich nicht nur, die Stromversorgung und die Daten weiterzuleiten, sondern auch, wenn der Sensor einen Kurzschluss zu einer höheren Spannung (z.B. der 110VDC-Hauptversorgung) hat, kann diese externe Spannung nicht zurückfließen und entweder die interne Stromversorgung des Controllers oder seine Datenbusverbindung zurück zum TCMS beschädigen.
RECOM stellt eine Reihe von All-in-One-DC/DC-Stromversorgungen, die mit einem EMV-Filter für den Eisenbahnbereich und einem Verpolungsschutz ausgestattet sind, sowie eine Parallelschaltung der Ausgänge von 40W bis 1000W Ausgangsleistung bieten (was bedeutet, dass sich die Stromversorgungen den Ausgangsstrom gleichmäßig teilen und die V/I-Kennlinie unverändert bleibt). Der Eingangsspannungsbereich kann 4:1 24V, 36V, 110V oder ultraweit 14,4-170VDC betragen, um alle gängigen Eingangsspannungen abzudecken. Darüber hinaus erfüllen sie die Temperaturklasse OT4 + ST1 & ST2, mit voller Ausgangsleistung und erlauben nur natürliche Konvektionskühlung.
Abb. 6: RECOMs RMD und RMSD-Sortiment an Plug-and-Play railway grade DC/DC converters für den Bahnbetrieb DC/DC-Stromversorgungen nach EN 50155.
RECOM bietet Platinen- DC/DC-Stromversorgungen für isolierte Sensorschnittstellen an, darunter ein 8 Watt, EN 50155-zertifiziertes Bauteil im DIP24-Format (32 x 20,3 x 11,2mm) und ein 20 oder 30 Watt, EN 50155-zertifiziertes Produkt in einem 1" x 1" Gehäuse.
Abb. 7: RECOMs RP08, RP12, RPA20 und RPA30 DC/DC-Stromversorgungen für die PCB-Montage im Eisenbahnbereich.
Für anspruchsvollere Bahnanwendungen, wie z.B. Sensor/Aktor-Kombinationen, bietet RECOM auch eine Reihe von isolierten DC/DC-Stromversorgungen mit höherer Leistung auf Board-Level bis zu 200W mit einem Eingangsspannungsbereich von 4:1 oder 10:1, mit kontinuierlichem Kurzschlussschutz am Ausgang und EN 50155-Zertifizierungen.
Abb. 8: RECOM Front-End zu Back-End Bahnstromversorgungslösungen
Derzeit bietet nur RECOM eine so breite Palette an DC/DC-Stromversorgungen für den Bahnbereich an, die eine schnelle Implementierung von Sensoren oder eine Nachrüstung von bestehendem Rollmaterial ermöglichen. Sie sind nicht nur nach der Bahnnorm EN50155 vorzertifiziert, sondern entsprechen auch allen wichtigen technischen Bahnnormen, wie EN50121-3-2 für EMV, EN50124-1 für Sicherheitsisolierung, EN50125-1 für Umweltbedingungen und EN45545-2 für Brandschutz.
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