DE102014223234B3

DE102014223234B3 - Verfahren und Vorrichtung zur Diagnose elektrischer Weichen

Info

Publication number: DE102014223234B3
Application number: DE102014223234.1A
Authority: DE
Inventors: Gerd Neujahr
Original assignee: DB Netz AG
Current assignee: DB Netz AG
Priority date: 2014-11-14
Filing date: 2014-11-14
Publication date: 2016-03-17
Anticipated expiration: 2034-11-15
Also published as: EP3218727A1; WO2016074971A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Diagnose von Weichen sowie eine Diagnosevorrichtung für Weichen in Fahrwegen schienengebundener Verkehrswege oder anderen Drehstromantrieben mit einem zyklischen Betriebsmuster. Mithilfe von mindestens zwei mehrdimensionalen Magnetfeldsensoren wird jeweils der Strom eines geeigneten Phasenleiters des Antriebs gemessen. Es werden zwei unterschiedliche Messverfahren vorgeschlagen, die mit der gleichen Vorrichtung realisierbar sind. Je nach Art der Messung wird von einem der beiden Sensoren zusätzlich berührungslos der Strom eines weiteren Leiters gleichzeitig mit dem bereits genannten Phasenleiter gemessen. Die Messwerte der Magnetfeldsensoren werden über Mess-Kabel oder BUS oder per Funk mittels einer geeigneten Schnittstelle an eine Datenverarbeitungsanlage übertragen und dort ausgewertet und gespeichert. Aus der zeitlichen Verschiebung der Signale zweier an den Antrieb angeschlossener Phasen wird von der Datenverarbeitungsanlage die Drehrichtung des am Antrieb anliegenden Drehstromes bestimmt. Bei der Auswertung wird ausgenutzt, dass die Strom- bzw. Leistungsaufnahme des Antriebs über die Stromstärke eines beliebigen Phasenleiters bestimmbar ist und somit als Maß für die Schwergängigkeit der Weiche verwendet werden kann. Der Zustand der Weiche wird ermittelt, indem für beide Drehrichtungen des Antriebs die Strom- bzw. Leistungsaufnahmewerte mit Referenz- bzw. Erfahrungswerten verglichen werden, die in der Datenverarbeitungsanlage abgespeichert sind. Aus diesem Vergleich wird von der Datenverarbeitungsanlage ein zu erwartender Wartungsaufwand für die Weiche ermittelt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Diagnose von Weichen sowie eine Diagnosevorrichtung für Weichen in Fahrwegen schienengebundener Verkehrswege. In den Schienennetzen schienengebundener Verkehrswege steilen Weichen einen wichtigen Bestandteil der Infrastruktur dar. Ihre Funktionsfähigkeit ist eine unerlässliche Voraussetzung für einen zuverlässigen und sicheren Betrieb der Schienenfahrzeuge auf dem Schienennetz. In der Regel werden Weichen durch elektrische Stellantriebe zwischen verschiedenen Positionen hin und her bewegt. Bei gleich bleibender elektrischer Spannung steigt der elektrische Strom mit dem Kraftaufwand, der nötig ist, um die Position einer Weiche beim Verstellen zu verändern. Die heute verwendeten Weichenantriebe werden nur in wenigen Schaltungsanordnungen betrieben, die sich über viele Jahrzehnte bewährt haben. So werden insbesondere Weichenantriebe mit Drehstrommotoren ausgestattet, welche über die sogenannte 4-Draht-Schaltung an das Stellwerk angeschlossen sind. Die Stellmotoren laufen dabei in reproduzierbarer Weise von definierten Anfangs- zu definierten Endpunkten und wieder zurück. Wenn die Funktionsfähigkeit und der technische Zustand solcher Anlagen überwacht werden sollen, ist es u. a. erforderlich, eine Aussage über die Schwergängigkeit der Anlage zu treffen. Eine Schwergängigkeit, die z. B. durch Verschleiß oder infolge nichtoptimaler Justage hervorgerufen werden kann, würde sich dadurch bemerkbar machen, dass sich der elektrische Strom im Vergleich zum Regelzustand verändert. Zur Zustandsermittlung ist es dabei im Stand der Technik erforderlich, in die bestehende Schaltung einzugreifen. Dabei ist immer zu gewährleisten, dass die Sicherheit der Anlage nicht beeinträchtigt wird.
Die DE 37 15 478 A1 beschreibt eine Schaltungsanordnung zur Überwachung einer Weiche, die mit einer 4-Draht-Schaltung über ein Drehstromnetz versorgt wird. In den Phasen sind Leitungsschalter angeordnet, und es finden Stromüberwacher Verwendung. Beim Umlaufen der Weiche werden durch den Stromfluss über die verschiedenen Motorwicklungen in mehreren Überwachern der Strom gemessen und High- oder Low-Signale erzeugt, die ein Bitmuster ergeben, aus dem der Zustand – vom Umlauf der Weiche bis zur Endlage – erkennbar ist.
Die EP 2 091 799 B1 beschreibt eine Vorrichtung zur kontaktlosen Ermittlung des Energiebedarfs eines Weichenstellantriebs, bei der für die Beurteilung des Weichenzustands der tatsächlich aufgenommene Energiebedarf eines Drehstrommotors kontaktlos und rückwirkungsfrei erfasst wird. Hierbei wird eine Drossel parallel zu einem Phasenleiter geschaltet, und der an die Drossel angeschlossene Leiter wird entgegengesetzt zu dem mit dem Motor verbundenen Phasenleiter an oder durch einen Sensor geführt. Das Messergebnis wird durch die in der Drossel erzeugte Blindstromkomponente zumindest teilweise kompensiert. Ausgewertet wird dann das entsprechend kompensierte und um den Blindstromanteil bereinigte Signal des Sensors.
Ein Nachteil dieses Messaufbaus liegt insbesondere darin, dass die hierbei zum Einsatz kommenden Stromzangen mit einachsigen Hall-Sensoren arbeiten. Diese Sensoren erfordern zur Messung eines elektrischen Stroms ein senkrecht auf den Sensor auftreffendes Magnetfeld. Die messtechnischen Anforderungen werden mit Hilfe von aufklappbaren Ferritkernen gelöst. Die sich dadurch ergebenden Nachteile sind ein hohes Gewicht, welches die Montage auf einer Montageplatte erfordert sowie eine ungenaue Fixierung der zu messenden stromführenden Adern. Alleine die Montage auf einer Montageplatte erfordert die Umverkabelung der Stromkabel von der ursprünglichen Klemme hin zum Sensor und wieder zurück. Ein weiterer Nachteil dieses Messaufbaus liegt darin, dass sich der Blindstromanteil in einem Elektromotor bei Belastung ändert, die hier verwendete Drossel aber einen fixen Blindstromanteil liefert. Daher kann die dadurch erwirkte Kompensation nur näherungsweise gelten.
Gemeinsamer Nachteil des Stands der Technik ist insbesondere der hohe Schaltungsaufwand. Weiterhin ist es beim Ausrüsten bestehender Weichen erforderlich, die Verkabelung der Weiche zu verändern, um die Überwachung des Antriebs anzuschließen. Insgesamt ergibt sich ein erhöhter Aufwand durch eine zusätzliche Stellwerksplanung, hoher Installationsaufwand, Stromunterbrechungen bei der Installation der Überwachungsanlage und damit verbundene Sperrpausen.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine kostengünstige, vielseitig anwendbare und ohne großen Aufwand verwendbare Weichenantriebsdiagnose zur Verfügung zu stellen, welche die genannten Nachteile des Stands der Technik überwindet.
Diese Aufgaben werden durch das erfindungsgemäße Diagnoseverfahren gemäß Anspruch 1 sowie eine Vorrichtung zur Weichenantriebsdiagnose gemäß Anspruch 9 gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Weichenantriebsdiagnose sind Gegenstände der abhängigen Ansprüche.
Erfindungsgemäß wird der Stromverlauf während eines Umlaufs des Antriebs als Maß für den Zustand des Systems herangezogen. Wenn im Vergleich zu den Referenzwerten eines ordnungsgemäßen Zustands der Stromverbrauch des Antriebs höher ist oder sich im Laufe der Zeit zwischen aufeinander folgenden Messungen zu höheren Werten verschiebt, so wird davon ausgegangen, dass eine höhere Leistungsaufnahme erforderlich ist, um die Weiche zu bewegen. Diese Verschlechterung der Schwergängigkeit der Weiche weist auf einen entsprechenden Wartungsbedarf oder gar auf eine sofortige Notwendigkeit einer Instandsetzung hin. Im Gegensatz zum Stand der Technik wird in dem Verfahren gemäß Anspruch 1 auf mindestens zwei Magnetfeldsensoren zurückgegriffen, welche außerdem als mehrdimensionale Magnetfeldsensoren in der Lage sind, auch die nicht senkrecht auf den Sensor treffenden Anteile des durch den in den Stromversorgungsleitungen des Antriebs fließenden Stroms erzeugten Magnetfeldes zu messen. Dadurch wird die Signalstärke im Vergleich zum Stand der Technik erheblich verbessert. Durch Verwendung der mehrdimensionalen Magnetfeldsensoren ist kein ferromagnetischer Ringkern erforderlich, um eine verwertbare Messgröße zu erhalten. Weiterhin wird die Auswertung dadurch erleichtert, dass das Signal leichter von störenden Einflüssen getrennt werden kann oder sogar unabhängig davon gemessen werden kann. Heutige 3D-Magnetfeldsensoren, beispielsweise, sind als derart platzsparende Bauelemente erhältlich, dass es möglich ist, die mindestens zwei Sensoren in einem Sensorgehäuse zu montieren, welches wie eine Messstrippe direkt an den Kabeladern der Weichen-Stromversorgung anbringbar ist. Die Messung der Stromstärke erfolgt dabei berührungslos, ohne Eingriff in die Stromverkabelung, durch Messen und Auswerten des durch die Kabeladern fließenden Stroms verursachten magnetischen Flusses im Umfeld der Kabeladern. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird von jedem der beiden mehrdimensionalen Magnetfeldsensoren jeweils der Strom eines geeigneten Phasenleiters des Antriebs gemessen. Je nach Art der Messung wird von einem der beiden Magnetfeldsensoren zusätzlich berührungslos der Strom eines weiteren Leiters gleichzeitig mit dem bereits genannten Phasenleiter gemessen. Die Messwerte werden per Kabel oder Funk und eine geeignete Schnittstelle an eine Datenverarbeitungsanlage übertragen und dort ausgewertet und gespeichert. Bei der Auswertung wird ausgenutzt, dass die Stromaufnahme des 3-Phasen-Antriebs über die Stromstärke eines beliebigen Phasenleiters bestimmbar ist und somit als Maß für die Schwergängigkeit der Weiche verwendet werden kann. Der Zustand der Weiche wird ermittelt, indem für beide Drehrichtungen des Antriebs die Strom- bzw. Leistungsaufnahmewerte mit Referenz- bzw. Erfahrungswerten verglichen werden, die in der Datenverarbeitungsanlage abgespeichert sind. Aus diesem Vergleich wird von der Datenverarbeitungsanlage der Zustand der Weiche und ein zu erwartender Wartungsaufwand für die Weiche ermittelt.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung des Verfahrens wird bei einer sogenannten 4-Draht-Schaltung verwendet.
Hierbei wird die Diagnosevorrichtung im RMS-Modus betrieben, d. h., sie misst jederzeit den Effektivwert des anliegenden Wechselstroms. In diesem Modus ist es zur Ermittlung der Drehrichtung des Antriebs erforderlich, dass einer der Magnetfeldsensoren die Überlagerung der Ströme eines Phasenleiters und des Neutralleiters misst. Beide Adern werden hierfür eng beieinander liegend berührungslos vom gleichen Magnetfeldsensor gemessen, indem er in unmittelbarer Nähe der isolierten Adern angebracht wird. Die so gemessene Summe der Stromstärken von Phasen- und Neutralleiter ist je nach Drehrichtung verschieden. Aus der RMS-Messung der Summen-Magnetfelder eines Phasenleiters und des Neutralleiters wird somit von der Datenverarbeitungsanlage auf die Drehrichtung des Antriebs geschlossen.
Die von einem weiteren Sensor an einem anderen Phasenleiter gemessene Stromverlaufskurve wird wiederum als Maß für die Schwergängigkeit der Weiche verwendet.
Falls der Antrieb nicht über eine 4-Draht-Schaltung an die Stromversorgung angeschlossen ist, wird vorteilhaft an den isolierten Adern zweier Phasenleiter jeweils ein Magnetfeld-Sensor als Stromsensor angebracht. In diesem Fall werden beide Sensoren in einem Messmodus verwendet, bei dem jeweils eine Sinus-Vollwellenmessung der Stromstärke der zugehörigen Phasenleiter durchgeführt wird. In diesem Modus können die Strommesswerte bezüglich ihrer gegenseitigen Phasenbeziehung miteinander verglichen werden. Die Phasenbeziehung zwischen zwei gemessenen Phasenleitern ändert sich mit der Drehrichtung. Je nach Drehrichtung des Antriebs, tritt daher entweder die eine oder die andere zeitliche Phasenverschiebung zwischen den Stromstärkewerten zweier Phasenleiter auf, sodass durch Analyse der auftretenden Phasenverschiebung von der Datenverarbeitungsanlage die Drehrichtung bestimmt wird. In diesem Modus kann eine angeschlossene Datenverarbeitungsanlage, die zusätzlich mit einem Spannungssensor ausgestattet ist, auch die Phasenverschiebung zwischen der Eingangsspannung eines definierten Phasenleiters und dem gemessenen Stromverlauf eines definierten Phasenleiters erkennen. Aus der gemessenen Phasenverschiebung zwischen Strom und Spannung lassen sich der Blindstrom und die Blindleistung sowie Wirkstrom und Wirkleistung berechnen. In diesem Falle wird vorteilhaft der um den Blindanteil kompensierte Strom- bzw. Leistungsverbrauch des Weichenantriebs als Maß für die Schwergängigkeit der Weiche verwendet. Gegenüber dem Stand der Technik wird mit dieser Methode der exakte Wirkstrom bzw. die exakte Wirkleistung berechnet.
Darüber hinaus ist es vorteilhaft, wenn die Diagnosevorrichtung im Bereich der Klemmleiste des Weichenantriebsmotors installiert wird. Dies ist möglich, da erfindungsgemäß eine platz- und gewichtssparende Sensorik verwendet wird, die es auch ermöglicht, zwei Magnetfeldsensoren gemeinsam in einem Gehäuse unterzubringen, welches unkompliziert auch in der Nähe der Kabeladern der Weichen-Stromversorgung angebracht werden kann. Somit erübrigen sich aufwändige Montageplatten, die im Stand der Technik erforderlich sind, um große und schwere Sensoren sicher zu befestigen. Durch die erfindungsgemäße Platzierung der Diagnosevorrichtung im Bereich der Klemmleiste ist daher auch keinerlei Umverkabelung im Stellwerk erforderlich, wie sie im Stand der Technik notwendig ist, da die zu untersuchenden Kabeladern dort zur aufwändigen Sensorik hin- und wieder zurück geführt werden müssen. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren muss lediglich die Mess-Komponente, welche im Bereich der Klemmleiste befestigt ist, mit der Datenverarbeitungsanlage verbunden werden, wozu es jedoch keiner Umgestaltung der im Stellwerk bestehenden Verkabelung bedarf. Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung des Messverfahrens, werden die Stromwerte des Weichenantriebs erfasst, ausgewertet und dargestellt. Die Messwerte werden an eine Datenverarbeitungsanlage übermittelt und können dort mit anderen korrespondierenden Messwerten wie z. B. der Temperatur der Weichenheizung kombiniert, ausgewertet und gespeichert werden. Bei der Auswertung kann es vorteilhaft sein, die Messwerte geeignet zu bearbeiten. So kann eine Auswertefunktion beispielsweise die Messwerte mit Referenzwerten unter den gegebenen Rahmenbedingungen vergleichen und als weiter zu betrachtende Daten nur die Differenzen zwischen den Messwerten und den Referenzwerten verwenden. Da elektrische Weichenantriebsmotoren ein zyklisches Betriebsmuster haben, lassen sich die Messwerte in Abhängigkeit von der mechanischen Stellung der angetriebenen Weiche über einen mehrere Stellvorgänge umfassenden Zeitraum hinweg miteinander vergleichen. Wenn sich beispielsweise das Anlaufverhalten des Motors aufgrund einer verschleißbedingten Schwergängigkeit der Mechanik verändert, wird sich der Leistungsaufnahmebedarf des Antriebs über die Zeit allmählich erhöhen. Um solch einen Trend bereits frühzeitig erkennen zu können, müssen die Daten aus einem längeren Zeitraum miteinander verglichen werden. Bei einer Anzeige der Daten auf einer zweidimensionalen Bildschirmoberfläche oder einem zweidimensionalen Papierausdruck ist eine mehrdimensionale Dar stellung nur dann übersichtlich, wenn die Information aufbereitet wird. Dies erfolgt erfindungsgemäß, indem zwei Zeitkoordinaten betrachtet werden. Die Messwerte innerhalb eines Umlaufzyklus des Antriebs werden in Abhängigkeit von der einen Zeitkoordinate beschrieben, die als Umlaufzeit T_U bezeichnet wird. Die zweite Zeitkoordinate wird als Vergleichszeit T_V bezeichnet und gibt den Zeitpunkt jedes einzelnen Umlaufs an. Zwei oder mehr aufeinanderfolgende Umläufe des Antriebs finden demnach zu zwei oder mehr unterschiedlichen Zeitpunkten T_V1 und T_V2, etc. statt. Zu jedem dieser Zeitpunkte gibt es einen Messwerteverlauf während eines Umlaufs z = f_TVi(T_U). Um die Abhängigkeit der Daten von beiden Zeitkoordinaten zu beschreiben, werden erfindungsgemäß beide Koordinatenachsen senkrecht zueinander gewählt. In x-Richtung kann beispielsweise T_V dargestellt werden, während die y-Richtung durch T_U charakterisiert wird. Um nun auf einer zweidimensionalen Darstellungsebene auch noch die zu jedem (yi; zi)-Paar gehörenden Werte der Daten im Koordinatensystem anzuzeigen, könnte eine perspektivische Darstellung gewählt werden. Da diese jedoch schnell unübersichtlich werden kann, wird erfindungsgemäß eine Projektion der z-Achse auf die x-y-Ebene betrachtet. Um dabei eine Information über die Zahlenwerte der Daten darstellen zu können, werden die zi-Werte farblich kodiert. Die Abfolge von farbigen Datenpunkten in y-Richtung zeigt dabei die Differenz zwischen Datenwert und Referenzwert innerhalb einer Umlaufzeit T_U an, die bei einem Umlauf zur Zeit T_Vi gemessen wurde. Beim nächsten Umlauf des Stellantriebs in die gleiche Richtung werden die Datenwerte bei T_V(i+1) in der gleichen Weise dargestellt. Da die (y(i + 1); z(i + 1))-Wertepaare zu den (yi; zi)-Wertepaaren in Richtung der T_V-Achse parallelverschoben sind, werden beide Messungen nebeneinander dargestellt und können zur Auswertung leicht miteinander verglichen werden. Datenwerte für gleiche Phasen des Umstellvorgangs bei unterschiedlichen Stellvorgängen liegen dabei immer auf einer Parallelen zur T_V-Achse. Dadurch kann die Entwicklung der Messwerte bei jeder Phase des Umstellvorgangs effizient ausgewertet werden, indem man die Entwicklung der Farbe entlang von Parallelen zur x-Achse analysiert.
Besonders vorteilhaft wird die Informationsmenge dadurch reduziert, dass nicht jeder einzelne z-Wert, sondern nur bestimmte Werteklassen kodiert werden, die sich nach definierten Toleranzwerten für die Daten richten. Durch Vergleich der Daten mit Referenzwerten und einer Vorgabe von einem bis wenigen Toleranzbereichen wird mithilfe von wenigen Farbwerten eine aussagekräftige Darstellung erreicht. Anhand der Farbe des Datenpunkts ist somit erkennbar, welche Toleranzgrenze von dem Datenpunkt (y; z) überschritten wird. Die Werteklassen können dabei aber auch beliebig klein gewählt werden, sodass die Darstellung der Messergebnisse entsprechende Farbverläufe zeigt.
Weiterhin werden die Datenpunkte entlang einer Parallelen zur Vergleichszeit-Achse daraufhin analysiert, ob eine Veränderung der Datenpunkte in Richtung einer zu definierenden Toleranzgrenze erfolgt. Wenn also ein Datenwert bei einer bestimmten Umlaufphase allmählich immer höhere Toleranzschwellen überschreitet, ist damit zu rechnen, dass ein kritischer Zustand der Weiche folgt, sodass auch hier eine Meldung an der Ausgabeeinheit erfolgt, die darauf hinweist, dass die Anlage vom Service-Personal untersucht werden muss.
Anspruch 9 beschreibt eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Umsetzung des erfindungsgemäßen Messverfahrens. Die Vorrichtung dient zur Diagnose elektrischer Weichen in schienengebundenen Verkehrswegen. Die Diagnosevorrichtung besteht mindestens aus einer Mess-Komponente und einer Datenverarbeitungsanlage. Die Mess-Komponente verfügt über mindestens zwei integrierte 3D- oder mehrdimensionale Magnetfeldsensoren, welche das Magnetfeld in allen drei Raumrichtungen gleichzeitig messen. Sie sind wesentlich platzsparender als die im Stand der Technik verwendeten einachsigen Magnetfeldsensoren, welche außerdem nur die Anteile des Magnetfelds erfassen, welche senkrecht auf den Sensor treffen. Die Magnetfeldsensoren sind erfindungsgemäß so voneinander beabstandet angebracht, dass jeder Magnetfeldsensor berührungslos den Strom jeweils eines Phasenleiters des Weichenantriebs messen kann, auch wenn diese räumlich nicht weit auseinander liegen, wie das z. B. im Bereich der Klemmleiste des Weichenantriebsmotors im Stellwerk der Fall ist.
Die mindestens zwei Magnetfeldsensoren sind so zueinander positionierbar und in der Nähe der zu messenden Kabel anbringbar, dass sie getrennt voneinander jeweils unterschiedliche Phasenleiter messen können. Einer der Magnetfeldsensoren kann dabei so angebracht werden, dass er zusätzlich berührungslos den Strom eines weiteren Leiters gleichzeitig mit dem Phasenleiter messen kann. Die Mess-Komponente leitet ihre Messwerte an eine Datenverarbeitungsanlage weiter, die so eingerichtet ist, dass sie daraus die Drehrichtung und den Stromstärkeverlauf in einem Phasenleiter des Weichenantriebs bestimmt und speichert. Die Datenverarbeitungsanlage muss dabei nicht notwendigerweise komplett in einer externen Rechneranlage sein, sondern kann auch teilweise innerhalb des die Mess-Komponente umfassenden Gehäuses angeordnet sein, z. B. als geeignet eingerichteter Mikroprozessor oder SPS o. ä. Die dort aufbereiteten Daten können in diesem Fall von externen Teilen der Datenverarbeitungsanlage weiterverarbeitet werden, die über geeignete Schnittstellen (z. B. Modbus) verbunden sind. Die Datenverarbeitungsanlage ist weiterhin so eingerichtet, dass sie den Stromstärkeverlauf analysiert und als Maß für die Schwergängigkeit der Weiche verwendet. Daraus ermittelt sie den Zustand der Weiche und einen zu erwartenden Wartungsaufwand für die Weiche.
Besonders vorteilhaft ist die Unterbringung der Magnetfeldsensoren in einem gemeinsamen Gehäuse. Das Gehäuse ist dabei so ausgestaltet, dass es ohne zusätzliche Befestigungsmittel in der Nähe der Anschlussklemmen der zu messenden Leiter anbringbar ist.
Insbesondere bei der besonders vorteilhaften Verwendung von Magnetfeldsensoren, die über einen Magnetfeld-Konzentrator verfügen, kann der ganze nachfolgende Schaltungsaufwand im Vergleich zum Stand der Technik erheblich reduziert werden. Diese Sensoren kommen ohne Ringkern aus, so dass sie den größten Vorteil hinsichtlich Platz und Gewicht gegenüber den im Stand der Technik verwendeten Sensoren bieten.
Besonders vorteilhaft verfügt die Diagnosevorrichtung über Einstellmöglichkeiten bezüglich der verwendeten Messmodi (RMS- bzw. Bipolar-Modus) sowie des Messbereichs. Im RMS-Modus misst ein Sensor jederzeit den Effektivwert des anliegenden Wechselstroms. Im Bipolar-Modus führt ein Sensor eine Sinus-Vollwellenmessung der Stromstärke der zugehörigen Phasenleiter durch.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand zweier Ausführungsbeispiele, die durch drei Figuren dargestellt sind, näher erläutert.
1 zeigt einen beispielhaften 3D-Magnetfeldsensor. Der 3D-Magnetfeldsensor ist in der Lage, auch kreisrunde Magnetfelder zu erfassen. Dieser Effekt wird im Beispiel dadurch genutzt, dass die stromführende Leitung nicht durch einen Magnetfeldsensor hindurch führen muss, sondern in geringem Abstand darüber hinweg geführt wird.
Die Verwendung von 3D- oder mehrdimensionalen Magnetfeldsensoren erlaubt die kontaktlose Montage direkt an den vorhandenen Motorkabeln, ohne diese abklemmen oder umklemmen zu müssen. Die Kabel werden erfindungsgemäß in geringem Abstand an den Magnetfeldsensoren vorbeigeführt.
2 zeigt eine mögliche Ausgestaltung der Mess-Komponente einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Diagnose elektrischer Weichen, die zusammen mit Datenschnittstelle, A/D-Wandler und dem Umschalter zwischen RMS- und Bipolar-Modus in einem gemeinsamen Gehäuse untergebracht ist. In 2a) werden die Magnetfeldsensoren beispielhaft im RMS-Modus betrieben, d. h., sie messen jederzeit den Effektivwert des anliegenden Wechselstroms. In diesem Modus ist es zur Ermittlung der Drehrichtung des Antriebs erforderlich, dass einer der Magnetfeldsensoren die Überlagerung der Ströme eines Phasenleiters, z. B. L1, und des Neutralleiters misst. Beide Adern werden hierfür eng beieinander liegend berührungslos vom gleichen Magnetfeldsensor gemessen, indem dieser in unmittelbarer Nähe der isolierten Adern angebracht wird. Die so gemessene Summe der Stromstärken von Phasenleiter L1 und Neutralleiter ist je nach Drehrichtung verschieden. Bei der einen Drehrichtung wird ein Stromfluss gemessen, während bei der anderen Drehrichtung der durch den Phasenleiter L1 fließende Strom in gleicher Stärke über die N-Ader wieder zurück fließt, sodass sich die beiden vom Magnetfeldsensor erfassten Magnetfelder aufheben. Aus der RMS-Messung der Summen-Magnetfelder eines Phasenleiters und des Neutralleiters wird somit von der Datenverarbeitungsanlage auf die Drehrichtung des Antriebs geschlossen. Die von einem weiteren Sensor an einem anderen Phasenleiter, in diesem Beispiel L2, gemessene Stromverlaufskurve wird als Maß für die Schwergängigkeit der Weiche verwendet.
2b zeigt den Fall, in dem beide Sensoren im Bipolar-Messmodus verwendet werden, bei dem jeweils eine Sinus-Vollwellenmessung der Stromstärke der zugehörigen Phasenleiter (hier beispielhaft L1 und L2) durchgeführt wird. In diesem Modus können die Strommesswerte bezüglich ihrer gegenseitigen Phasenbeziehung miteinander verglichen werden. Durch Analyse der auftretenden Phasenverschiebung wird von der Datenverarbeitungsanlage die Drehrichtung bestimmt. Die Drehrichtungserkennung erfolgt dabei durch die Messung der zeitlichen Beziehung der beiden Sinuswellen. Eine angeschlossene Datenverarbeitungsanlage kann die Phasenverschiebung zwischen einer zusätzlich bipolar gemessenen Eingangsspannung eines definierten Phasenleiters (z. B. L1) und dem gemessenen Stromverlauf im gleichen Phasenleiter ermitteln und daraus die Blindleistung errechnen, sodass in diesem Modus nicht nur der Gesamtstrom bzw. die Gesamtleistung, sondern auch Wirk- und Blindstrom bzw. Wirk- und Blindleistung berechnet werden können. In diesem Falle wird vorteilhaft der um den Blindanteil bereinigte Strom- bzw. Leistungsverbrauch des Weichenantriebs als Maß für die Schwergängigkeit der Weiche verwendet.
3 zeigt ein beispielhaftes, erfindungsgemäßes Verkabelungskonzept. Die kleine Bauart und das geringe Gewicht erlauben es, die Mess-Komponente der Diagnosevorrichtung an die vorhandenen Adern des Weichenantriebs zu legen, anstatt die zu messenden Adern zur Vorrichtung umzuverlegen, wie dies im Stand der Technik erforderlich ist. In der Abbildung ist jedem 4-adrigen Weichenantriebskabel ein einfacher Strich zugewiesen; es werden also 3 Weichen mit der Diagnosevorrichtung überwacht. Die Diagnosevorrichtung misst direkt an der bestehenden Verkabelung des jeweiligen Weichenantriebs, in der Nähe einer Klemmleiste. Idealerweise wird hierfür die Klemmleiste zwischen Außenkabel und Innenkabel verwendet.
4 zeigt eine beispielhafte Darstellung der Messdaten für die Auswertung von einem Weichenantrieb.
Die in den 2a) und b) beispielhaft dargestellten Weichenantriebsdiagnosevorrichtungen bestehen jeweils aus mindestens zwei mehrdimensional erfassenden Magnetfeldsensoren die einen physikalischen Effekt wie beispielsweise den Hall-Effekt oder magnetoresistive Effekte wie zum Beispiel den GMR- oder AMR-Effekt nutzen, um eine Spannung, einen Strom oder einen Widerstand proportional dem magnetischen Fluss zu erzeugen. Die Erfindung wird jedoch nicht verlassen, wenn die Magnetfeldsensoren andere physikalische Effekte zur Magnetfeldmessung verwenden. Das Gehäuse enthält beispielhaft jeweils zwei 3D-Magnetfeldsensoren, an denen die untersuchten Phasenleiter bzw. Neutralleiter vorbeigeführt sind, um die Stärke des magnetischen Flusses zu messen. Im Gehäuse befinden sich weiterhin ein Analog/Digital-Wandler (A/D-Wandler) sowie eine Datenschnittstelle, über die die Mess-Komponente z. B. über Kabel oder auch drahtlos mit einer Datenverarbeitungsanlage als Analyse-Komponente verbunden wird. Mithilfe eines Modus-Schalters kann die Diagnosevorrichtung zwischen den Betriebsmodi „Bipolar” oder „RMS” über einen Microcontroller hin – und hergeschaltet werden.
Die Übertragung der Messdaten erfolgt mithilfe einer geeigneten Schnittstelle. In diesem Beispiel wird eine 4–20 mA Schnittstelle verwendet. Je nach Umweltbedingungen und Entfernungen sind auch andere drahtgebundene Schnittstellen möglich, genauso wie drahtlose, z. B. Funkschnittstellen. Die Funktionen Steuerung des Messvorgangs, Aufbereitung der Messdaten, Analyse der Messdaten und die Visualisierung können Funktionen der angeschlossenen Datenverarbeitungsanlage oder der Messeinrichtung sein.
Die Messwerte werden in diesem Beispiel von den 3D-Magnetfeldsensoren abgegriffen und von den in einer Datenbank gespeicherten Referenzwerten eines intakten Antriebs subtrahiert. Die Unterschiede zu den Referenzwerten, ΔI, werden in Toleranzbereiche eingeteilt. Keine oder nur geringe Abweichungen vom Referenzwert sind in diesem Beispiel dem Toleranzbereich T0 zugeordnet. Größere Abweichungen den Toleranzbereichen T1 bis T4. Bei Erreichen des Toleranzbereichs T4 ist eine akute Gefährdung der Funktionsfähigkeit des Antriebs gegeben. Negative Abweichungen weisen auf eine bessere Schwergängigkeit des Antriebs im Vergleich zu den Referenzwerten auf. Diese Messwerte sind dem Toleranzbereich T – 1 zugeordnet. Jedem Toleranzbereich ist nun eine eigene Farbe bei der Darstellung der Messwerte zugewiesen. Die Farbe Grün ist in diesem Beispiel dem Toleranzbereich T0 zugewiesen und steht somit für eine Übereinstimmung der Messdaten mit den Referenzwerten bzw. eine nur unerhebliche Abweichung T1 bis T4 sind beispielsweise die Farben Gelb, Orange, Hellrot und Dunkelrot zugeordnet, T – 1 die Farbe Blau.
In x-Richtung ist die Vergleichszeit T_V aufgetragen, die y-Richtung zeigt die Messwerte während eines Umlaufs (T_U) des Antriebs. Dabei ist ausgehend von der x-Achse in der Mitte der Figur nach unten die Bewegung des Weichenantriebs in eine Rechtslage dargestellt, während die Daten, die von der Mitte nach oben dargestellt sind, eine Auslenkung des Antriebs in die Linkslage beschreiben. Entlang der T_V-Achse sind mehrere Umläufe nebeneinander dargestellt. Der Weichenantrieb kommt dabei jeweils nach etwa der gleichen Umlaufzeit TUE in die Endlage. Gleiche Phasen des Umlaufes sind daher entlang von Parallelen zur T_V-Achse miteinander vergleichbar. Im unteren Abschnitt der 4 (Rechtslauf) ist zu sehen, wie bei etwa der Hälfte der Umlaufdauer über mehrere Umläufe hinweg die Werte allmählich zunehmend vom Referenzwert abweichen. Dies ist dadurch erkennbar, dass bei T_U im Bereich der halben Umlaufszeit entlang einer Parallelen zur T_V-Achse die Farbe von Grün über Gelb zu Orange gewandert ist. Bei den ersten Umläufen zu Beginn der Messungen war der Messwert also noch in Übereinstimmung mit dem Referenzwert, während er sich mit zunehmender Zahl der Umläufe mehr und mehr von seinem Referenzwert entfernt hat. Dies ist ein Hinweis darauf, dass sich der Zustand des Antriebs verschlechtert hat im Vergleich zum Beginn der Messungen und somit ein Wartungsbedarf besteht, bevor der Antrieb einen kritischen Zustand erreicht. Bei der Analyse der Daten wird daher ein Auftrag zur Inspektion des Weichenantriebs ausgelöst. Hierbei wird durch Vergleich mit in der Datenbank abgelegten Daten eine Vorhersage über den zu erwartenden zeitlichen Schadensverlauf angezeigt. Anhand dieser Prognose kann der optimale Wartungszeitpunkt festgelegt werden. Im oberen Bereich der 4 (Linkslauf) ist beispielhaft zu sehen, wie ein plötzlicher Übergang von grünen Farbwerten auf rote erfolgt. Hier ist durch ein Ereignis ein Schaden an der Weiche aufgetreten, der sofort behoben werden muss. Entsprechend wird eine Alarmmeldung ausgegeben und eine sofortige Überprüfung der Anlage ausgelöst. Die zur Reparatur benötigten Ersatzteile werden aus Vergleich mit den in einer Datenbank abgelegten Daten ermittelt und angezeigt.
Prinzipiell ist es möglich, die Erfindung auch auf andere drehstrombetriebene Antriebe auszudehnen. Insbesondere bei Antrieben, die ein zyklisches Betriebsmuster haben, die also in reproduzierbarer Weise von definierten Anfangs- zu definierten Endpunkten und wieder zurück laufen, lässt sich auch das erfindungsgemäße Auswerteverfahren verwenden bzw. ohne großen Aufwand entsprechend anpassen.

Claims

Verfahren zur Diagnose elektrischer Weichen in schienengebundenen Verkehrswegen, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei integrierte drei- oder mehrdimensionale Magnetfeldsensoren, welche das Magnetfeld eines stromführenden Leiters in allen drei Raumrichtungen gleichzeitig messen, verwendet werden, welche ohne Eingriff in die Stromverkabelung der Weiche mit dem Stellwerk so in der Nähe der Kabeladern der Weichen-Stromversorgung angebracht werden, dass von jedem einzelnen Magnetfeldsensor berührungslos der Strom jeweils eines Phasenleiters des Weichenantriebs gemessen wird oder von mindestens einem Magnetfeldsensor zusätzlich berührungslos der Strom eines weiteren Leiters gleichzeitig mit dem Phasenleiter gemessen wird, wobei die Messwerte der Magnetfeldsensoren an eine angeschlossene Datenverarbeitungsanlage weitergeleitet werden, von der daraus die Drehrichtung und der Stromstärkeverlauf bestimmt und gespeichert werden und dann der Stromstärkeverlauf des Weichenantriebs als Maß für die Schwergängigkeit der Weiche verwendet und daraus der Zustand der Weiche und ein zu erwartender Wartungsaufwand für die Weiche ermittelt werden.
Verfahren zur Diagnose elektrischer Weichen in schienengebundenen Verkehrswegen gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Stromzufuhr an den Weichenantrieb über eine 4-Draht-Schaltung, an zwei isolierten Adern der Phasenleiter jeweils ein Magnetfeld-Sensor als Stromsensor angebracht wird, welcher den RMS-Wert der Stromstärke misst, wobei an einem Magnetfeld-Sensor auch die Stromstärke des Neutralleiters gleichzeitig mit der Stromstärke des einen Phasenleiters gemessen wird, wobei aus der gemessenen Gesamtstromstärke von Phasen und Neutralleiter auf die Drehrichtung des Weichenantriebs geschlossen wird und die am anderen Phasenleiter gemessene Stromverlaufskurve als Maß für die Schwergängigkeit der Weiche verwendet wird.
Verfahren zur Diagnose elektrischer Weichen in schienengebundenen Verkehrswegen gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer anderen Stromzufuhr an den Weichenantrieb als über eine 4-Draht-Schaltung, an den isolierten Adern zweier Phasenleiter jeweils ein Magnetfeld-Sensor als Stromsensor angebracht wird, von denen jeweils eine Sinus-Vollwellenmessung der Stromstärke der zugehörigen Phasenleiter durchgeführt wird und die auftretende Phasenverschiebung zwischen den beiden gemessenen Strömen von der angeschlossenen Datenverarbeitungsanlage analysiert und daraus die Drehrichtung bestimmt sowie aus der Phasenverschiebung zwischen dem gemessenen Strom und der zusätzlichen Sinus-Vollwellenmessung der Spannung des gleichen Phasenleiters die Blindleistung oder der Blindstrom berechnet wird und dann der Wirkanteil des Stromverbrauchs oder Leistungsverbrauchs des Weichenantriebs als Maß für die Schwergängigkeit der Weiche verwendet wird und somit der Zustand der Weiche und ein zu erwartender Wartungsaufwand für die Weiche ermittelt wird.
Verfahren zur Diagnose elektrischer Weichen in schienengebundenen Verkehrswegen gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Stromsensor im Bereich der Klemmleiste des Weichenantriebsmotors installiert wird.
Verfahren zur Diagnose elektrischer Weichen in schienengebundenen Verkehrswegen gemäß einem der zuvor genannten Ansprüche 1 bis 4, wobei von mindestens einem 3D-Magnetfeld-Sensor Messwerte gemessen werden, die an eine Datenverarbeitungsanlage übermittelt werden, wobei zwei Zeitkoordinaten betrachtet werden, wobei die Messwerte innerhalb eines Umlaufzyklus des Antriebs in Abhängigkeit von der einen Zeitkoordinate beschrieben werden (Umlaufzeit) und die aufeinanderfolgenden Umläufe des Antriebs in Abhängigkeit der zweiten Zeitkoordinate beschrieben werden (Vergleichszeit), wobei die Messwerte eines Umlaufzyklus des elektrischen Antriebs gespeichert und gegebenenfalls mit einer Auswertefunktion bearbeitet werden, diese Daten dann mit Referenzwerten verglichen werden, wobei die Abweichungen zwischen den Daten und den Referenzwerten farblich kodiert werden und derart auf einer Ausgabeeinheit angezeigt werden, dass die beiden Zeitkoordinaten senkrecht zueinander dargestellt werden, und von jedem Datenpunkt die zur Abweichung vom Referenzwert gehörende Farbe auf der Umlaufzeit-Achse angezeigt wird, sodass sich bei mehreren Messzyklen eine Aneinanderreihung der farbig kodierten Datenpunkte ergibt.
Verfahren zur Diagnose elektrischer Weichen in schienengebundenen Verkehrswegen gemäß Anspruch 5, wobei die Kodierung der Farbwerte für die Abweichungen der Daten von den Referenzwerten in Abhängigkeit von Toleranzbereichen gewählt wird, sodass anhand der Farbe des Datenpunkts bei der Ausgabe der Daten erkennbar ist, welche Toleranzgrenze von den Messwerten bei dem jeweiligen Datenpunkt überschritten wird.
Verfahren zur Diagnose elektrischer Weichen in schienengebundenen Verkehrswegen gemäß einem der vorigen Ansprüche 5 bis 6, wobei auf einen Untersuchungsbedarf der Weiche hingewiesen wird, wenn ein Datenpunkt eine zu definierende Toleranzgrenze mindestens einmal erreicht hat oder wenn der Vergleich der Datenpunkte entlang einer Parallelen zur Vergleichszeit-Achse eine Veränderung der Datenpunkte in Richtung einer zu definierenden Toleranzgrenze ergibt.
Verfahren zur Diagnose elektrischer Weichen in schienengebundenen Verkehrswegen gemäß einem der zuvor genannten Ansprüche 1 bis 5, wobei der gemessene Stromverbrauch mithilfe einer Datenverarbeitungsanlage mit früher gemessenen Werten und den zugehörigen tatsächlich durchgeführten Wartungsarbeiten (Instandhaltung und Instandsetzung) verglichen wird, so dass die Stromverlaufskurven hinsichtlich der Ursache der Schwergängigkeit und/oder der zur Wartung benötigten Ersatzteile und/oder hinsichtlich des zu erwartenden zeitlichen Schadensverlaufs in ihrer Vorhersage optimiert werden.
Vorrichtung zur Diagnose elektrischer Weichen in schienengebundenen Verkehrswegen, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung über mindestens zwei integrierte drei- oder mehrdimensionale Magnetfeldsensoren verfügt, welche das Magnetfeld mindestens eines stromführenden Leiters in allen drei Raumrichtungen gleichzeitig messen und platzsparend so voneinander beabstandet angebracht sind, dass jeder Magnetfeldsensor berührungslos den Strom jeweils eines Phasenleiters des Weichenantriebs messen kann, oder mindestens ein Magnetfeldsensor zusätzlich berührungslos den Strom eines weiteren Leiters gleichzeitig mit dem Phasenleiter messen kann, indem die Magnetfeldsensoren jeweils in der Nähe der zugehörigen Leiter anbringbar sind, wobei die Magnetfeldsensoren ihre Messwerte an eine Datenverarbeitungsanlage weiterleiten, die so eingerichtet ist, dass sie daraus die Drehrichtung des Motors und den Stromstärkeverlauf in einem Phasenleiter des Weichenantriebs bestimmt und speichert und als Maß für die Schwergängigkeit der Weiche verwendet und daraus den Zustand der Weiche und einen zu erwartenden Wartungsaufwand für die Weiche ermittelt.
Vorrichtung zur Diagnose elektrischer Weichen in schienengebundenen Verkehrswegen gemäß Anspruch 9, wobei beide Magnetfeldsensoren in einem gemeinsamen Gehäuse untergebracht sind, welches in der Nähe der zu messenden Leiter anbringbar ist.
Vorrichtung zur Diagnose elektrischer Weichenantriebe in schienengebundenen Verkehrswegen gemäß einem der Ansprüche 9 bis 10, wobei der Magnetfeldsensor als ein drei- oder mehrdimensionaler Magnetfeldsensor mit integriertem Magnetfeldkonzentrator ausgestaltet ist.
Vorrichtung zur Diagnose elektrischer Weichenantriebe in schienengebundenen Verkehrswegen gemäß einem der Ansprüche 9 bis 11, wobei der Messbereich einstellbar ist und/oder die Vorrichtung wahlweise im RMS-Modus oder im Bipolar-Modus messen kann.