EP3513001B1 - Verfahren und einrichtung zum energiemanagement einer elektrischen weichenheizungsanlage - Google Patents

Verfahren und einrichtung zum energiemanagement einer elektrischen weichenheizungsanlage Download PDF

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EP3513001B1
EP3513001B1 EP17783700.2A EP17783700A EP3513001B1 EP 3513001 B1 EP3513001 B1 EP 3513001B1 EP 17783700 A EP17783700 A EP 17783700A EP 3513001 B1 EP3513001 B1 EP 3513001B1
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EP
European Patent Office
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heating
time
power ratio
switched
temperature
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EP17783700.2A
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EP3513001A1 (de
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Mario DÖGE
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EAN Elektroschaltanlagen Grimma GmbH
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EAN Elektroschaltanlagen Grimma GmbH
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    • E01—CONSTRUCTION OF ROADS, RAILWAYS, OR BRIDGES
    • E01B—PERMANENT WAY; PERMANENT-WAY TOOLS; MACHINES FOR MAKING RAILWAYS OF ALL KINDS
    • E01B7/00—Switches; Crossings
    • E01B7/24—Heating of switches
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B1/00—Details of electric heating devices
    • H05B1/02—Automatic switching arrangements specially adapted to apparatus ; Control of heating devices
    • H05B1/0227—Applications
    • H05B1/023—Industrial applications
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    • H05B1/0227—Applications
    • H05B1/023—Industrial applications
    • H05B1/0236—Industrial applications for vehicles

Definitions

  • Track elements of railways, especially switches, are heated as required to prevent freezing or blocking of the moving parts by snow and ice, especially in winter, and thus to ensure operational safety.
  • Known point heaters are based on systems with hot water steam, gas heating or electrical energy. The economic viability of such point heaters is largely determined by the purchase, maintenance and energy costs.
  • the present invention relates to a method and a device for energy management of an electrical point heating system.
  • switch heating systems include at least one switch which has fixed stock rails and movable tongue rails and a locker linkage, and an electrical distribution with heating outlets for the power supply of electrical heating elements on the rails of the switches with control device for controlling and regulating the rail temperature.
  • Such electrical point heaters consist, among other things, of an electrical distribution with control and regulating devices for switching, controlling, regulating and monitoring each individual heating outlet, a weather-dependent control that activates the heating in ice and snow, and electrical heating elements on the rails of the points that This warms up and prevents the moving parts of the points from freezing.
  • Snow and ice are detected by recording and evaluating air temperature and precipitation. If the actual rail temperature falls below a parameterizable target rail temperature, for example + 4 ° C, the entire point heater is switched on and as a result all points are heated with a delay due to the mass of the rails.
  • a rail temperature sensor on a guide switch regulates the rail temperature to a specific target rail temperature in a two-point or constant temperature control.
  • An energy management system for electrical point heaters to reduce the simultaneously effective power is also known ( DB Netz, "General principles (1), energy management, Leipzig 10.03.2009 ), with which the individual turnouts are heated at different times depending on their operational or contractual importance.
  • Priorities are set for all turnouts of a turnout heater, for example turnouts with priority and subordinate priority, so that these turnouts are mutually heated according to the priority. If the points with priority have reached the target rail temperature, their power consumption drops. This power is then available for heating the turnouts with a lower priority.
  • the switches with subordinate priority reach the target rail temperature with a time delay.
  • the prioritization is based on the importance of the points to be heated and can be set. It is disadvantageous that a lower power for heating is available for switches with subordinate priority and the target rail temperature is reached with a time delay.
  • WO 2010/115436 A1 A method and a device for energy management of an electric point heater with several points is known, in which the control and detection of snow by evaluating the air temperature and precipitation as well as regulating the rail temperature several control and regulating devices for switching, controlling, regulating and monitoring for each heating outlet by reducing the simultaneously effective installed electrical heating output by staggered and staggered power connection of the heating outlets. Cheek and tongue rails of the switch are provided with heat insulation segments, so that heating and cooling times of at least the same length should be generated at the desired rail temperature and minimum operating temperatures.
  • control devices are assigned to one or more heating regimes, each with a different number of groups according to the output of the heating outlets, so that all groups of a heating regime have approximately the same output and each group of a heating regime is assigned to a time window regularly, in succession and all round via group release , in which the control and regulating devices of the group generate heating impulses with a duty cycle between 0% and 100% and the groups of a heating regime are switched in sequence via a group release.
  • the temperature control by means of two-point control takes place at heating intervals by switching on the heating at a rail temperature below + 3 ° C and switching off the heating at a rail temperature above + 7 ° C.
  • the climate control takes place in the operating modes "wet heating” or “low temperature heating”.
  • wet heating when a snowfall is detected by means of moisture or precipitation and air temperature measurement on a guide switch, all switches in a system are switched on and over Rail temperature sensors are heated and regulated to the target rail temperature value of, for example, + 6 ° C, in that all heating elements of the point heating system are switched on and off at the same time for each point by means of a switching device by means of the control device.
  • the "humid heating" heating condition is deemed to be fulfilled if precipitation is present and the rail temperature falls below a pre-parameterized value.
  • the power of all connected heating elements is always switched on and off when the heating is requested, and the actual power during the heating process fluctuates between zero and a maximum value that corresponds to the sum of the connected load of all heating elements. If the ambient temperature is negative, the switch-on points are raised.
  • An optional additional flight snow sensor switches on as an additional snow detector.
  • the operating mode "low temperature heating” takes place in dry conditions and low air temperatures between - 5 ° C and -15 ° C.
  • the "low-temperature heating” serves to bypass the very sluggish heating behavior of the system, which results from the system conditions, and thus pre-heat for a possible precipitation event and to melt ice and flying snow in the switch. If there is no precipitation or ice and flying snow, heating is carried out accordingly without need.
  • the control regulates the heating of all turnouts to a constant + 6 ° C using a wave packet or two-point control via a switching device when the heating condition is fulfilled.
  • the present invention is therefore based on the object of specifying a method for energy management of electrical point heating systems and to provide a corresponding device, as a result of which simple adjustment of the output depending on predeterminable operating parameters and reliable functioning of the point heating systems with optimal energy use is achieved.
  • the invention advantageously leads to an optimal use of energy when heating individual switches in an electrical switch heating system while at the same time ensuring the function of all switches.
  • peak power can be avoided and energy saved compared to conventional systems.
  • many elements of generic electrical point heating systems can be used, for example the usual heating elements can be used.
  • a major advantage of the present invention is to achieve a reduction in the energy supply costs by reducing the actual electrical power regardless of priorities but with the same heating of all connected turnouts 12 by forming the active power ratios (L a ), so that compared to. the state of the art (e.g. WO 2010/115436 A1 ) an even more flexible adjustment of the power distribution (through time-shifted and staggered power connection of the heating outlets (6)) is possible and even more energy can be saved.
  • the present invention relates to a method for energy management of an electrical point heating system.
  • This electrical point heating system has at least two points (12), on each of which at least one heating element (7) is arranged, at least one switching distribution (1) with at least one heating outlet (6), in particular one heating outlet (6) per point (12), and at least one control device (3) for controlling and regulating the rail temperature (X).
  • step a during the heating operation of the electrical point heating system, successive cycle times (Zt) are formed cyclically, preferably by microcontroller timers in the control device (3).
  • step b) at least one power ratio (L) corresponding to the number of switched-on and switched-off heating outlets (6) is then formed for each cycle time (Zt), preferably as a function of the operating parameters (B).
  • the "power ratio” refers to the ratio or quotient of the number of switched-on or switched-off heating outlets (6) to the total number of heating outlets (6) of the electric point heating system. Examples are given below in the description of the embodiments.
  • step c during each cycle time (Zt), at least one fixed power ratio (L f ) or one power ratio (L e ) correlating with at least one externally detectable operating parameter (B e ), the heating outputs (6) are activated in order, starting with the ones switched on or switched-off heating outputs (6) according to the power ratio (L) and deactivating the other heating outputs (6) in continuous step-by-step mode of operation.
  • step) d at least one active power ratio (L a), to obtain an adjustment of at least one active power ratio (L a) is carried out of that occurs in dependence of an actual control deviation and a limit value "maximum deviation" is determined by at Switching on the electric point heating system with a project-specific performance ratio (L pro ) between 50% and 80% within the heating-up time (t up ), an existing control deviation (xw up ) at the beginning of the heating-up time (t up ) and a stored maximum control deviation (xw max ) is compared, wherein if the maximum control deviation (xw max ) is exceeded, the at least one active power ratio (L a ) is adjusted to 100%,
  • the maximum control deviation (xw max ) is determined from the stored quotient of an experience-based control deviation heating up (xw up ) and an experience-based heating up time (t up ) multiplied by a project-specific parameterizable maximum heating up time (t up-max ).
  • step d1) step d) is repeated after a predeterminable time period or when the maximum control deviation (xw max ) is undershot or exceeded.
  • This predeterminable time period is 1 minute to 15 minutes, preferably 3 minutes to 10 minutes, in particular 5 minutes.
  • a step d2) can be carried out, in which the time course of the heating is recorded at least on a switch (12) of the electrical point heating system and the time course of the control deviation (xw up ) is monitored therefrom, starting from a parameterizable control deviation (xw up ) the time course of the control deviation (xw n ) is integrated over time and compared with a limit value.
  • This limit value is the product of the maximum permissible control deviation (xw max ) and the maximum permissible time to compensate for the maximum control deviation (xw max ). If the limit value is exceeded, the next higher power ratio (L) and / or the power ratio L 100% is activated for at least one heating outlet (6) or the entire electrical point heating system.
  • Step e) provides that in the event of a weather-related heating request (Hz) for at least one switch (12), the theoretical heating-up time until the specifiable rail set temperature (X s ) of the switch (12) is calculated and compared with a parameterizable heating-up time (t on ) becomes.
  • step e) can be carried out such that for a control deviation xw n during weather-related heating requests (Hz) for at least one switch (12) Heating for this switch (12) is switched off during the following cycle times (Zt) as long as the control deviation xw n is zero.
  • heating request signals the need for heating energy for one or more switches (12).
  • the heating request can be generated in particular by the data of a weather station at the location of at least one switch (12) and / or by a weather service.
  • the "parameterizable heating-up time” means that the heating-up time (t up ) can be adjusted depending on the externally ascertainable operating parameters (B). Examples are given below in the description of the embodiments.
  • step e1 provides for the active power ratio (L a ) to be increased at least for the heating output (6) concerned by increasing the number of heating outputs (6) switched on per cycle time (Zt) by one and the number of heating outputs (6) switched off per cycle time (Zt) is reduced by one or the power ratio (L a ) is increased to 100%.
  • step e1) can be carried out in such a way that if the control deviation xw n of the switch (12) falls below the maximum control deviation xw max, the active power ratio (L a ) of at least the affected heating outlet (6) is reduced by reducing the number of pro Cycle time (Zt) switched on heating outputs (6) is reduced by one and the number of heating outputs (6) switched off per cycle time (Zt) is increased by one.
  • the method according to the invention provides that, after and / or before each cycle time (Zt), the respective rail temperature (X) of at least one switch (12) connected to the electrical point heating system is compared with the specifiable target rail temperature (X s ), with evaluation
  • This comparison changes the assignment of the switched on and off heating outputs (6) by switching off heating outputs (6) with excess heating in favor of heating outputs (6) with heating deficit during the respective cycle time (Zt).
  • step f) can also be carried out, in which, when the rack deviation (xw n ) of the switch (12) reaches the value zero, the active power ratio (L a ) of at least the affected heating outlet (6) is blocked by this The heating outlet (6) is switched off until the control deviation (xw n ) becomes greater than zero.
  • distinguishable control types mean control types of the electrical point heating system which can be variably adapted to external circumstances depending on the operating parameters (B).
  • the setpoint surcharges are preferably 1 K per precipitation amount of snow and / or 1 K depending on the type of precipitation and depending on the air and / or rail temperature of the unheated rail.
  • the externally ascertainable operating parameters (B) are preferably selected from air temperature, air humidity, rail temperature (X), snow, flying snow and / or rain.
  • the snow depth is determined with a suitable sensor by detecting the "snow" operating parameter, thereby activating or deactivating a "low-temperature heating” type of control for the specifiable operating parameter "air temperature” by recording and evaluating the time profile of the operating parameter "air temperature”"a parameterizable temperature value (T par ), preferably greater than + 3 ° C, over a predefinable time, preferably 5 minutes to 30 minutes, in particular 15 minutes, and / or by recording the operating parameter" rain "over a parameterizable time (t par ), preferably 5 minutes to 30 minutes, in particular 15 minutes.
  • T par parameterizable temperature value
  • step a) of the method according to the invention the cyclically successive cycle times (Zt) of the same duration from 1 second to 300 seconds, preferably 50 seconds to 70 seconds, in particular 60 seconds, are formed with or without a pause.
  • the pause can be between 1 second and 10 seconds.
  • the at least one active power ratio (L a ) is formed from the quotient of the number of switched-on heating outputs (6) or switched-off heating outputs (6) and the total number of heating outputs (6) of the electric point heating system, a lower limit of the Power ratio (L) is preferably 40%.
  • the recorded time profile of the rail temperature (X) can be stored on at least one switch (12) in the control device (3) and the end value of the rail temperature (X e ) can be compared with a predefinable rail target temperature (X s ), the number the switched-off heating outputs (6) is formed during at least one cycle time (Zt) by the largest temperature difference determined in this way.
  • the actual power is determined during each cycle time (Zt) and the minimum actual power, the average actual power and the maximum actual power are stored within a predefinable time period, preferably 5 minutes to 60 minutes, in particular 15 minutes.
  • the control device (3) can activate a power ratio (L) as a function of the externally detectable operating parameters (B), which is from 40% to 80%, preferably 60%, and is set to 100% when a maximum operating value is exceeded becomes.
  • the active power ratio (L a ) is monitored during each cycle time (Zt), so that if the power ratio (L a ) is increased at least once , a power ratio (L a ) of 100% is reached, in a first memory, which is connected to the control device (3), the current operating parameters (B) are stored for this moment, with these stored operating parameters (B ) with the then current operating parameters (B), so that if the then current operating parameters (B) are the same or worse for the electric point heating system than the stored operating parameters (B), a power ratio of 100% is set immediately.
  • the "switching distribution” is the unit in which individual elements of the electrical point heating system are housed together, in particular the control device (3), at least one switching device (5) with one heating outlet (6), in particular one heating outlet (6) per switch (12 ), to the outside and at least one controller (10).
  • the switching distribution (1) is connected to the power network (9).
  • the "control device” is a process unit for controlling and regulating the rail temperature (X) to which the individual controllers (10) are connected.
  • the control device (3) is supplied with relevant data by the weather station (s) (2).
  • the "circuit diagram” designates the assignment and the number of switched-on or switched-off heating outputs (6).
  • control device (3) and the at least one controller (10) are preferably designed as microcontrollers (hardware), while the controller function is software.
  • the power corresponds to the product of the power ratio L and the installed connected power P of all heating elements 7 of the electric point heating system, with the power ratio L remaining the same.
  • the maximum number of power ratios L results from the number of heating outlets 6 of the electric point heating system reduced by one. However, this maximum number is limited due to the insufficient heating of the turnouts 12 at power ratios of less than about 35% and for economic reasons in electric turnout heating systems with more than 15 turnouts 12.
  • the power ratio L can be switched over while heating is running.
  • the syntax of a power ratio L is derived from the cycle ratio of the heating times to the cooling times.
  • Power ratio 50% corresponds to all heating outlets 6 of an electric point heating system 1 cycle heating to 1 cycle cooling (1H: 1K) and requires two, four etc. heating outlets 6.
  • Power ratio 66.6% corresponds to all heating outlets 6 of an electric point heating system 2 cycles of heating to 1 cycle of cooling (1H: 1K) and requires three, six etc. number of heating outlets 6.
  • Power ratio 75% corresponds to all heating outlets 6 of an electrical point heating system 3 cycles heating to 1 cycle cooling (3H: 1K) and requires at least four, eight etc. heating outlets 6.
  • the sequence of switching the heating outlets 6 on and off is not fixed. This can be done in sequence. If the switching state of heating outputs 6 in heating mode is not changed in the following cycle time Zt during heating, ie not switched off, there is no switching operation of the respective heating outlets 6 to protect the switching contacts between the cycle times Zt.
  • a variable number of heating outlets 6 is switched on and the remaining part of the heating outlets 6 is switched off during cyclical successive cycle times Zt in each cycle time Zt, and the assignment of the switched on and off heating outputs 6 is changed step by step during each cycle time Zt, the number the switched on and off heating outlets 6 and thus the duty cycle of each heating outlet 6 remains the same and / or is changed depending on the rail temperature X and / or the weather. If all the heating outlets 6 of the electric point heating system are switched on, the power ratio is 100% and the cycle times Zt are interrupted and switched off, ie the actual power consumption corresponds to the connected load.
  • the power ratio is in the range from 1% to 99%, preferably between 40% and 75%, ie the actual output corresponds to the product of installed Power P max and the power ratio L.
  • the power ratios L are formed from the ratio of any number of heating outlets 6, preferably from the ratio of the heating outlets 6 switched on per cycle time Zt, to the number of heating outlets 6 present in the electric point heating system or a subset of heating outlets 6.
  • the power ratios L can be between a minimum value which corresponds to the ratio of one switched-on heating outlet 6 to all heating outputs 6 and a maximum value of 100% which corresponds to the ratio of all switched-on to all heating outputs 6.
  • a power ratio of between 50% and 75% is preferably set when the electrical point heating system is switched on.
  • the heating elements 7 of each point 12 being supplied with energy via a heating outlet 6 with controller 10 in the switching distribution 1 when heating (Hz) is requested. Accordingly, five heating outlets 6 are present in the switching distribution 1.
  • the integer of the two values is 3, ie three heating outlets 6 are switched on and two heating outlets 6 are switched off in each cycle time Zt.
  • a power ratio L is activated in the control device 3 during each cycle time Zt.
  • the air temperature is e.g. 0 ° C and precipitation is rain
  • the power ratio 60% is activated according to the previous example, i.e. during each cycle time Zt three heating outlets 6 are switched on and two heating outlets 6 are switched off.
  • the heating outlets 6.1, 6.2 and 6.3 are switched on and the heating outlets 6.4 and 6.5 are switched off.
  • the circuit diagram is continuously advanced by one in the manner of a step-by-step mechanism, so that the heating outlets 6.2, 6.3 and 6.4 are switched on and the heating outlets 6.5 and 6.1 are switched off, and thus the same number of heating outlets 6 is switched on and off as during the previous cycle time Zt.
  • the circuit diagram is always shifted by one step during the heating time in each cycle time Zt.
  • a monitoring function is activated.
  • the time course of the control deviation xw n is recorded during heating in the control circuit of each switch 12 and, after integration of the recorded time course of the control deviation xw n, compared with the limit value and a greater power ratio L is activated when the limit value is exceeded.
  • a control deviation xw n of 5 K should not be exceeded within a maximum permissible heating-up time of, for example, 10 minutes.
  • the existing integral of the control deviation xw n is determined by recording the control deviation xw n over time and compared with the limit value integral. If the limit value integral is exceeded, the switch is made to the next higher power ratio L or to power ratio L 100%, and if the control deviation is zero, there is no heating requirement for this switch 12 and this heating output 6 is not switched on during the cycle time Zt.
  • various operating modes are activated in the control device 3 as a function of the existing and / or predicted weather conditions in order to ensure the safe functioning of the electric point heating system in winter with a variable power ratio L and changing switching sequences of the heating outlets 6 within cycle times Zt.
  • a first solution is to suspend "low temperature heating” depending on the probability of precipitation.
  • the weather service queries the forecast values for the probability and type of precipitation. If the probability of precipitation is below 60% for the next 30 minutes at low temperatures, "low temperature heating” is suppressed. If the probability of precipitation is over 60%, a distinction is made as to whether the expected precipitation is Snow or rain, and then the "low temperature heating" activated accordingly as a preheating function. When it rains, the preheating is switched on when there is a 80% probability of precipitation, whereas in the case of forecast snow, heating is started at a probability of 60%.
  • the rail temperature X is kept constant at 0 ° C until the actual precipitation event occurs.
  • Another solution to save energy is to activate the "low temperature heating” in the case of possible flying snow depending on the amount of snow fallen in the past and subsequent monitoring of the temporal course of the air temperature and the "rain” precipitation in such a way that the amount of snow, preferably the snow depth, from the a snow detector per unit of time is determined with the duration of the snowfall and a signal "flying snow possible” is set and stored at a parameterizable minimum snow height.
  • the snow depth is added as long as the "Flying snow possible” signal has not been reset.
  • the "Flying snow possible” signal is reset after snow has fallen as soon as the air temperature has been above 0 ° C, preferably greater than + 3 ° C, for a long time.
  • Another solution is the individual specification of the target rail temperature X s depending on the type of precipitation and the amount of precipitation.
  • the target rail temperature X s does not have to be as high in the rain as in the case of snow.
  • the value also depends on the actual amount of precipitation.
  • the data recorded by the precipitation sensor are included in the control regime, so that the target rail temperature X s dynamically adapts to the precipitation events on site. If the precipitation sensor detects "drizzle” or "rain”, the rail is only heated to +1 ° C in order to prevent the rain from freezing over on cold sliding chairs or tongue rails. Compared to the current state of the art + 6 ° C, considerable savings are possible. In the event of snowfall, depending on the amount of precipitation, a corresponding target rail temperature is selected (cf. Fig. 3 ).
  • Operating modes according to the invention for electrical point heating systems with heating request Hz by a weather station 2 and / or connection to a weather service with an energy management system can be implemented as follows.
  • FIG. 1 An electrical point heating system according to the prior art is shown with three heating outlets 6. If the weather is suitable, the heating request Hz is generated by the weather station 2 in the control device 3 and all heating outlets 6 are switched on simultaneously. At least one rail temperature sensor 8 regulates the rail temperature X during the heating request Hz between two parameterizable setpoints, for example + 4 ° C and + 7 ° C.
  • the time course of the power P is shown as a function of the weather-dependent heating request time according to the prior art.
  • the heating condition is fulfilled, ie the air temperature is less than or equal to + 3 ° C and precipitation occurs.
  • the electrical point heating system is switched on and the power P corresponds to the installed power P max , which corresponds to the sum of all installed heating elements 7 of the electrical point heating system, and all the points 12 are heated.
  • the power consumption corresponds to the installed heating power P max of the heating elements 7 of all turnouts 12. From time t1 to time t2, the turnouts 12 are heated up to the target rail temperature Xs.
  • the target rail temperature X s is reached at time t2 and at this point all heating outlets 6 are switched off and the rails of all switches 12 cool.
  • the power is zero from time t2.
  • the heating of all switches 12 is switched on again and the switches 12 are heated up to the upper setpoint. From here on, the power P corresponds again to the installed power P max of the heating elements 7 of all switches 12. If no precipitation is detected at the time tn, the heating device Hz is omitted from the control device 3 and the heating is switched off completely.
  • FIG 3 the switching states of an electrical point heating system with five heating outlets 6.1 to 6.5 for five points 12 are shown for the inventive method with circulating heating operation with a power ratio L 60%.
  • Heating request Hz are 60% of the five heating outputs 6, that is three heating outputs 6, switched on during the first cycle time Zt, the others are switched off.
  • the cycle time Zt is, for example, 60 seconds.
  • the switching sequence is switched one step further.
  • all heating outlets 6.1 to 6.5 were switched on for a total of 3 x 60 seconds. Due to the long dead time of the rails, there are no disadvantages of heating due to the switching state OFF.
  • Figure 4 is the performance of the switching states after Figure 3 given an assumed installed heating power P of 10 KW per switch 12 over five cycle times Zt and the resulting total power.
  • the total power is 30 KW.
  • FIG. 5 An electrical point heating system according to the invention with three heating outlets 6 is shown.
  • a controller 10 with input rail temperature sensor X n , input rail setpoint temperature X s depending on the active operating mode, output control signal Y n "heating ON", output control deviation xw n and output Y max arranged.
  • a shift register 13 with clock 14 is arranged between the control device 3 and the control input St of a switching device 9. The controller 10 receives the current operating mode from the control device 3, ie the target rail temperature X s .
  • the shift register 13 receives the current power ratio L from the control unit 3 and the clock 14 activates the number of switching devices 5 corresponding to the power ratio L during each clock time Zt and deactivates the other switching devices 5 cyclically by the connection between the control signal Y n "heating switch" and Control input St switching device can be closed or opened via contacts of the clock 14. Via the connection of control output Y n of controller 10 and switching device 5, the power ratio L of each heating outlet 6 can be changed individually to 100% and / or 0% depending on the control deviation switch xw n .
  • the switching sequence for switch 12.1 is shown.
  • the parameterized is activated from time t1 based on the heating request Hz Power ratio L or the increase in the power ratio L to 100% depending on the comparison of the control deviation switch 12.1 (xws1) with the calculated limit value maximum control deviation xw max accordingly Figure 7 .
  • the pitch control deviation xw n is the time t1 for example. 10 K.
  • the operator of the electrical point heating system has parameterized the parameterized heating time t par with 15 minutes project-specifically.
  • control deviation switch 12.2 (xw2) at the time t1 is less than 5 K, e.g. 4 K, and is therefore smaller than the maximum control deviation xw max , so that the heating of the switch 12.2 from time t2 with a power ratio L 66.6% up to the time tn and also with a time delay to dry the switch 12.1.
  • control deviation of switch 12.3 (xw3) at time t1 is less than 5 K, for example 2 K, and is zero at time tx3.
  • the control deviation xw n of the switch 12.3 is zero, there is no heating requirement and the power ratio L for switch 12.3 is set to 0%. Only when the control deviation of the switch 12.3 is greater than zero, the power ratio L 66.6% is activated again. If there are more than three switches 12, several power ratios L can be formed.
  • the heating for switch 12.3 begins at time t3 at intervals of 120 seconds and the control deviation is greater than 2 K at time t1. In the case of control deviation greater than 2 K, the monitoring function for switch 12.3 is switched off at time t1. The limit value product is not exceeded, so that heating continues in cyclical operation. At time tx3 the control deviation becomes zero and the further switching on of the switch 12.3 remains switched off as long as the control deviation xw n is zero.
  • the slope deviation is dXw from the quotient of the control deviation xw during heating and the heating time t on from 5 ° K divided by 10 minutes formed, ie, the slope deviation dXw is 0.5 K / min.
  • the project-specific programmable maximum heating time t on-max is parameterized specific plant individual, for example, 15 minutes
  • the maximum control deviation xw max from the product of a project-specific configurable maximum heating time t on-max and pitch control deviation xw formed sidewalk, ie for example the product of a project-specific programmable maximum heating time tup-max of 15 minutes, multiplied by pitch control deviation xw sidewalk of 0.5 K / min gives a maximum control deviation xw max of 7.5 K.
  • control deviation xw n 12 detects an electrical point heating system at all points and If the maximum control deviation xw max is exceeded, the power ratio L of at least this switch 12 is increased, for example to 100%, and is reduced if it falls below.
  • the Figure 8 shows in heating the course of the heating of the rail actual temperature X n at the time t1 to the rail set temperature X S during the heating-up time t to the time t1 to the time t2, and the profile of the rail actual temperature X n during the regulating heating tr from the time t2 for each control cycle tz, a control cycle tz being shown, for example, from time t2 to time t3 and consisting of a heating time component, here the heating is switched on, and a cooling time component, here the heating is switched off. Due to the inertia of the rails, the actual rail temperature X n overshoots.
  • control deviation xw n of each switch 12 of the electrical switch heating system is recorded and monitored at the beginning of the heating-up time at the time t1 and during the control time tr within each control cycle tz between the times t2 and t3 by comparison with the maximum control deviation xw max and corresponding Switching to a higher or lower power ratio L in the event of deviations, taking into account a parameterizable hysteresis control deviation XH.
  • the actual rail temperature X1 of the switch 12.1 is, for example - 4 ° C and it is a project-specific parameterizable maximum heating-up time tauf-max of 15 minutes parameterized.
  • the control deviation xw1 from the maximum control deviation xw max is 7.5 K minus the actual rail temperature X1 - Xn at time t1 (7.5 K - - 4 K) 11.5 K.
  • control deviation xw1 is greater than maximum control deviation xw max and the power ratio L is increased at time t1, for example to 100%.
  • the control deviation xw n is zero and the heating is switched off and after a short overshoot of the actual rail temperature X1, the rail cools down.
  • the detection of the control deviation occurs xw rule and comparing the deviation xw rule with the maximum control deviation xw max analog during heating and depending on the lowering of the power ratio L, for example, to the configured value of 66.6% below Consideration of a parameterizable hysteresis control deviation xwH.
  • a target rail temperature X s of 0 ° C. and no increase in the target rail temperature X s as a function of the amount of precipitation and the ambient temperature.
  • the rail target temperature X s of + 1 ° C and no increase in the rail target temperature X s depend on the amount of precipitation and an ambient temperature offset of 1 K to the rail target temperature X s an ambient or rail temperature cold rail per - 1 ° C.
  • the target rail temperature X s is + 3 ° C and the target rail temperature X s is increased by 1 K depending on the amount of snow recorded and the snow depth derived from it per time unit, e.g. Snow depth from 2 cm per hour and an additional ambient temperature offset from 1 K to the target rail temperature X s from an ambient or rail temperature cold rail per -1 ° C.

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Description

  • Fahrwegelemente von Eisenbahnen, insbesondere Weichen, werden bedarfsabhängig beheizt, um vor allem im Winter ein Einfrieren der beweglichen Teile bzw. deren Blockieren durch eingedrungenen Schnee und Eis zu verhindern und damit die Betriebssicherheit zu gewährleisten. Bekannte Weichenheizungen beruhen auf Systemen mit Heißwasserdampf, Gasbeheizung oder elektrischer Energie. Die Wirtschaftlichkeit solcher Weichenheizungen wird dabei maßgeblich durch die Anschaffungs-, Instandhaltungs- und Energiekosten bestimmt.
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Einrichtung zum Energiemanagement einer elektrischen Weichenheizungsanlage. Solche Weichenheizungsanlagen umfassen zumindest eine Weiche, die feste Backenschienen und bewegliche Zungenschienen sowie ein Verschlussfachgestänge aufweist, und eine elektrische Verteilung mit Heizabgängen zur Stromversorgung von elektrischen Heizelementen an den Schienen der Weichen mit Steuerungseinrichtung zur Steuerung und Regelung der Schienentemperatur.
  • Gattungsgemäße Verfahren und Einrichtungen sind aus dem Stand der Technik, beispielsweise aus DE 198 32 535 C2 sowie DE 198 49 637 C1 , an sich bekannt. Derartige elektrische Weichenheizungen bestehen unter anderem aus einer elektrischen Verteilung mit Steuer- und Regeleinrichtungen zum Schalten, Steuern, Regeln und Überwachen jedes einzelnen Heizabganges, einer witterungsabhängigen Steuerung, die bei Eis und Schnee die Heizung aktiviert, und elektrischen Heizelementen an den Schienen der Weichen, die dadurch erwärmt werden und ein Festfrieren der beweglichen Teile der Weichen verhindern.
  • Die Detektion von Schnee und Eis erfolgt über die Erfassung und Auswertung von Lufttemperatur und Niederschlag. Bei zusätzlichem Unterschreiten der Schienen-Isttemperatur unter eine parametrierbare Schienen-Solltemperatur, zum Beispiel + 4 °C, wird die gesamte Weichenheizung eingeschaltet und dadurch werden alle Weichen mit einer durch die Masse der Schienen bedingten Verzögerung erwärmt. Über einen Schienentemperatursensor an einer Führungsweiche erfolgt die Regelung der Schienentemperatur auf eine bestimmte Schienen-Solltemperatur in einer Zweipunkt- oder Konstanttemperatur-Regelung.
  • Bei derartigen Weichenheizungen erfolgt die Ein- und Ausschaltung aller Heizabgänge durch Steuer- und Regeleinrichtungen zeitsynchron, das heißt, der Leistungsverbrauch ist bei eingeschalteter Heizung gleich dem Anschlusswert und bei ausgeschalteter Heizung gleich Null. In der Regel wird dabei für jede Weiche in der elektrischen Verteilung ein Heizabgang mit Steuer- und Regeleinrichtung angeordnet.
  • Aus DE 100 43 571 C1 sind Schalt-, Steuerungs- und Regeleinrichtungen für elektrische Weichenheizungen bekannt, mit denen Energie durch Verringerung der Regelabweichung mittels Einführung eines veränderlichen Tastverhältnisses bei eingeschalteter Heizung erreicht wird. Auch hierbei erfolgt durch Regelung in Abhängigkeit eines Schienentemperatursensors an einer Führungsweiche eine zeitsynchrone Ein- und Ausschaltung aller Schalteinrichtungen und damit aller elektrischen Heizelemente.
  • Aus dem Untersuchungsbericht 06-P-3408-TZF92-UN-0780 der DB AG vom 12.12.2006 sind Versuche zur Energieeinsparung an elektrischen Weichenheizungen durch zusätzliche Wärmeisolierung der Backenschienen an der Außenfläche bekannt. Bei Regelung der Weichenheizung mit verstellbarer Schienen-Solltemperatur wurde eine Energieeinsparung durch Reduzierung des Energieverbrauches gegenüber Heizung mit unisolierter Schiene erreicht.
  • Es ist weiterhin ein Energiemanagementsystem für elektrische Weichenheizungen zur Reduzierung der gleichzeitig wirksamen Leistung bekannt (DB Netz, "Allgemeine Grundlagen (1), Energiemanagement, Leipzig 10.03.2009), mit dem die einzelnen Weichen in Abhängigkeit vom Bedarf ihrer betrieblichen bzw. vertraglichen Bedeutung zeitlich versetzt beheizt werden. Dabei werden für alle Weichen einer Weichenheizung Prioritäten festgelegt, zum Beispiel Weichen mit vorrangiger und nachrangiger Priorität, so dass diese Weichen entsprechend der Priorität wechselseitig beheizt werden. Haben die Weichen mit vorrangiger Priorität die Schienen-Solltemperatur erreicht, sinkt deren Leistungsaufnahme ab. Diese Leistung steht dann für die Beheizung der Weichen mit nachrangiger Priorität zur Verfügung. Die Weichen mit nachrangiger Priorität erreichen zeitversetzt die Schienen-Solltemperatur. Die Priorisierung erfolgt nach der Wichtigkeit der zu beheizenden Weichen und kann eingestellt werden. Nachteilig ist, dass für Weichen mit nachrangiger Priorität eine geringere Leistung zur Beheizung zur Verfügung steht und die Schienen-Solltemperatur derselben zeitversetzt erreicht wird.
  • Aus DE 199 32 833 A1 ist ein Verfahren zum Regeln der Gesamtleistung einer energietechnischen Anlage bekannt, bei der zur Begrenzung der Gesamtleistungsaufnahme das Lastprofil bzw. die Abschalt- und Zuschaltbedingungen der Anlage ermittelt und ein Lastfahrplan erstellt wird, mit dem mit vorübergehender Abschaltung einzelner Verbraucher die Einhaltung der verringerten Leistung gewährleistet werden kann. Auch bei dieser Lösung sind für die Ab- und Zuschaltung der Verbraucher deren aktuelle ermittelte oder festgelegte Prioritäten maßgebend.
  • Aus WO 2010/115436 A1 ist ein Verfahren und eine Einrichtung zum Energiemanagement einer elektrischen Weichenheizung mit mehreren Weichen bekannt, bei der die Steuerung und die Detektion von Schnee durch Auswertung der Lufttemperatur und Niederschlag sowie die Regelung der Schienentemperatur mit mehreren Steuer- und Regeleinrichtungen zum Schalten, Steuern, Regeln und Überwachen für jeden Heizabgang durch Reduzierung der gleichzeitig wirksamen installierten elektrischen Heizleistung durch zeitversetzte und gestaffelte Leistungszuschaltung der Heizabgänge vorgenommen wird. Backen- und Zungenschienen der Weiche sind mit Wärmeisolierungssegmenten versehen, so dass beim Heizen mindestens gleich lange Aufheiz- und Abkühlzeiten bei Schienen-Solltemperatur und minimalen Betriebstemperaturen erzeugt werden sollen. Zur Leistungsbegrenzung werden die Steuer- und Regeleinrichtungen einem oder mehreren Heizregimen mit jeweils unterschiedlicher Anzahl Gruppen entsprechend der Leistung der Heizabgänge zugeordnet, so dass alle Gruppen eines Heizregimes annähernd gleiche Leistung aufweisen und jede Gruppe eines Heizregimes regelmäßig, nacheinander und umlaufend über Gruppenfreigabe einem Zeitfenster zugeordnet ist, in dem die Steuer- und Regeleinrichtungen der Gruppe Heizimpulse mit Tastverhältnis zwischen 0 % und 100 % erzeugen und die Gruppen eines Heizregimes über eine Gruppenfreigabe reihum geschaltet werden.
  • Nachteilig bei dieser Lösung sind die aufwendigen Wärmeisoliersegmente, die projektspezifische und damit fixe Zuordnung der Weichen zu Gruppen, die umlaufend über eine aufwendige Gruppenfreigabe einem Zeitfenster zugeordnet werden und Heizimpulse mit Tastverhältnis zwischen 0 % und 100 % erzeugen, und der damit verbundene hohe Aufwand für Hardware und Software für die Gruppenfreigabe sowie die Ermittlung und Auswertung von verschiedensten Zeitkonstanten für jeden Gruppenbetrieb, die an einem Schienenmuster ermittelt und in der Steuerung hinterlegt sind.
  • Es ist weiterhin bekannt (DB Netz, "Switching Heating Seminar", Fachautor Ludwig Linke), alle Schienen einer Weichenheizung bei Unterschreiten einer parametrierbaren bestimmten Lufttemperatur, zum Beispiel kleiner + 3 °C, auf eine geringe Schienen-Solltemperatur, zum Beispiel + 2 °C, vorzuheizen und bei zusätzlichem Niederschlag auf eine höhere Schienensolltemperatur, zum Bespiel + 4 °C, zu heizen. Nachteilig ist der damit verbundene erhöhte Energieverbrauch.
  • Bei gattungsgemäßen Weichenheizungen sind derzeit Steuerungsarten durch Handeinschaltung, Temperatursteuerung und Klimasteuerung bekannt.
  • Die Handeinschaltung erfolgt durch den Fahrdienstleiter während der Winterzeit. Die Temperatursteuerung mittels Zweipunktregelung erfolgt in zeitlichen Heizintervallen, indem bei einer Schienentemperatur kleiner + 3 °C die Heizung eingeschaltet und bei einer Schienentemperatur größer + 7 °C die Heizung ausgeschaltet wird. Die Klimasteuerung erfolgt in den Betriebsmodi "Feucht-Heizen" oder "Tieftemperaturheizen". Beim sogenannten "Feucht-Heizen" werden bei Detektion von Schneefall mittels Feuchtigkeits-, bzw. Niederschlags- und Lufttemperatur-Messung an einer Führungsweiche alle Weichen einer Anlage eingeschaltet und über Schienentemperatursensoren auf den Schienen-Solltemperatur-Wert von zum Beispiel + 6 °C erwärmt und geregelt, indem durch die Steuerungseinrichtung alle Heizelemente der Weichenheizungsanlage über Heizabgänge mit einem Schaltgerät für jede Weiche gleichzeitig ein- und ausgeschaltet werden. Die Heizbedingung "Feucht-Heizen" gilt als erfüllt, wenn Niederschlag vorhanden ist und die Schienentemperatur unter einen vorparametrierten Wert fällt. Dadurch wird bei Heizanforderung immer die Leistung aller angeschlossenen Heizelemente ein- und ausgeschaltet und die tatsächliche Leistung während des Heizvorganges schwankt zwischen Null und einem Maximalwert, der der Summe der Anschlussleistung aller Heizelemente entspricht. Bei negativen Umgebungstemperaturen werden die Einschaltpunkte angehoben. Ein optional zusätzlicher Flugschneesensor wirkt als zusätzlicher Schneedetektor einschaltend.
  • Der Betriebsmodus "Tieftemperaturheizen" erfolgt bei Trockenheit und tiefen Lufttemperaturen zwischen - 5 °C und -15 °C. Das "Tieftemperaturheizen" dient dazu, das sehr träge Aufheizverhalten der Anlage, welches sich durch die Systembedingungen ergibt, umgehen zu können und somit präventiv für ein mögliches Niederschlagsereignis vorzuheizen sowie, um Eis und Flugschnee in der Weiche zu schmelzen. Bleibt das Niederschlagsereignis bzw. Eis und Flugschnee aus, wird dementsprechend ohne Bedarf geheizt. Die Steuerung regelt über ein Schaltgerät bei erfüllter Heizbedingung die Erwärmung aller Weichen mithilfe einer Wellenpaket- oder Zweipunktsteuerung auf konstant + 6 °C.
  • Die aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren und Einrichtungen sind teilweise sehr aufwändig und haben den Nachteil, dass entweder Energie ohne Bedarf verbraucht wird, oder einige Weichen einer Anlage später bzw. nicht ausreichend geheizt werden.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Energiemanagement von elektrischen Weichenheizungsanlagen anzugeben und eine entsprechende Einrichtung bereitzustellen, wodurch mit einfachen Mitteln eine variable Anpassung der Leistung in Abhängigkeit von vorgebbaren Betriebsparametern sowie eine sichere Funktion der Weichenheizungsanlagen mit optimalem Energieeinsatz erreicht wird.
  • Diese Aufgabe wird in einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung durch ein Verfahren zum Energiemanagement einer elektrischen Weichenheizungsanlage gelöst, die zumindest zwei Weichen (12), an denen jeweils mindestens ein Heizelement (7) angeordnet ist, zumindest eine Schaltverteilung (1) mit mindestens einem Heizabgang (6), insbesondere einem Heizabgang (6) je Weiche (12), und zumindest eine Steuerungseinrichtung (3) zum Steuern und Regeln der Schienentemperatur (X) aufweist, umfassend die Schritte:
    1. a) während des Heizbetriebes der elektrischen Weichenheizungsanlage Bilden von zyklisch nacheinander folgenden Taktzeiten (Zt),
    2. b) für jede Taktzeit (Zt) Bilden mindestens eines Leistungsverhältnisses (L) entsprechend der Anzahl eingeschalteter und ausgeschalteter Heizabgänge (6),
    3. c) während jeder Taktzeit (Zt) zumindest eines festen Leistungsverhältnisses (Lf) oder eines mit zumindest einem extern erfassbaren Betriebsparameter (B) korrelierenden Leistungsverhältnisses (Le) Aktivieren der Heizabgänge (6) der Reihe nach beginnend mit den eingeschalteten oder ausgeschalteten Heizabgängen (6) entsprechend dem Leistungsverhältnis (L) und Deaktivieren der übrigen Heizabgänge (6) in umlaufender schrittweiser Betriebsweise,
    4. d) dadurch Ausführen zumindest eines aktiven Leistungsverhältnisses (La), wobei eine Anpassung des zumindest einen aktiven Leistungsverhältnisses (La) vorgenommen wird, die in Abhängigkeit einer tatsächlichen Regelabweichung erfolgt und ein Grenzwert "maximale Regelabweichung" ermittelt wird, indem beim erstmaligen Einschalten der elektrischen Weichenheizungsanlage mit projektspezifischem Leistungsverhältnis (Lpro) zwischen 50 % und 80 % innerhalb der Aufheizzeit (tauf) eine vorhandene Regelabweichung (xwauf) zu Beginn der Aufheizzeit (tauf) erfasst und mit einer gespeicherten maximalen Regelabweichung xwmax verglichen wird, wobei beim Überschreitung der maximalen Regelabweichung (xwmax) die Anpassung des zumindest einen aktiven Leistungsverhältnisses (La) auf 100 % erfolgt
      d1) Wiederholen des Schritt d) nach einer vorgebbaren Zeitspanne oder bei Unterschreiten oder Überschreiten der maximalen Regelabweichung (xwmax),
    5. e) bei witterungsbedingter Heizanforderung (Hz) für zumindest eine Weiche (12) Berechnen der theoretischen Aufheizzeit bis zum Erreichen der vorgebbaren Schienen-Solltemperatur (Xs) der Weiche (12) und Vergleichen derselben mit einer parametrierbaren Aufheizzeit (tauf),
      e1) bei Überschreiten der parametrierbaren Aufheizzeit (tauf) Erhöhen des aktiven Leistungsverhältnisses (La) zumindest des betroffenen Heizabgangs (6), indem die Anzahl der pro Taktzeit (Zt) eingeschalteten Heizabgänge (6) um eins erhöht und die Anzahl der pro Taktzeit (Zt) ausgeschalteten Heizabgänge (6) um eins verringert wird oder das Leistungsverhältnis (La) auf 100 % erhöht wird,
    wobei nach und/oder vor jeder Taktzeit (Zt) die jeweilige Schienentemperatur (X) zumindest einer an die elektrische Weichenheizungsanlage angeschlossenen Weiche (12) mit der vorgebbaren Schienensolltemperatur (Xs) verglichen wird, wobei in Auswertung dieses Vergleichs die Zuordnung der eingeschalteten und ausgeschalteten Heizabgänge (6) verändert wird, indem Heizabgänge (6) mit Erwärmungsüberschuss zugunsten von Heizabgängen (6) mit Erwärmungsdefizit während der jeweiligen Taktzeit (Zt) ausgeschaltet werden.
  • Die vorstehend genannte Aufgabe wird in einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung durch eine Einrichtung zum Energiemanagement einer elektrischen Weichenheizungsanlage gelöst, die zumindest zwei Weichen (12), an denen jeweils mindestens ein Heizelement (7) angeordnet ist, zumindest eine Schaltverteilung (1) mit mindestens einem Heizabgang (6), insbesondere einem Heizabgang (6) je Weiche (12), und zumindest eine Steuerungseinrichtung (3) zum Steuern und Regeln der Schienentemperatur (X) aufweist, umfassend
    • zumindest einen Regler (10), der zwischen der Steuerungseinrichtung (3) in der Schaltverteilung (1) und einem Schaltgerät (5) des zumindest einen Heizabgangs (6) angeordnet ist, wobei der zumindest eine Regler (10) über eine binäre Verbindung und/oder eine Busverbindung mit der Steuerungseinrichtung (3) verbunden ist,
    • zumindest ein Schieberegister (13) mit Takter (14), das über eine binäre Verbindung und/oder eine Busverbindung mit dem zumindest einen Regler (10) und der Steuereinrichtung (3) verbunden ist,
    • zumindest einen Ausgang "Stellsignal Heizen Weiche EIN" (Yn) des Reglers (10), der über den Takter (14) des Schieberegisters (13) mit einem Steuereingang des Schaltgerätes (5) oder über ein Stellsignal max (Ymax) direkt mit dem Schaltgerät (5) verbunden ist,
    wobei über eine Verbindung zwischen der Steuerungseinrichtung (3) und dem Schieberegister (13) während jeder Taktzeit (Zt) das aktive Leistungsverhältnis (La) zu dem Schieberegister (13) und die Schienen-Solltemperatur (Xs) von der Steuerungseinrichtung (3) zu dem zumindest einen Regler (10) übertragbar ist, und ein vom aktiven Leistungsverhältnis (La) abweichendes Leistungsverhältnis (L) über das Stellsignal max (Ymax) von dem zumindest einen Regler (10) auf das Schaltgerät (5) über eine direkte Leitung übertragbar ist, und
    wobei in der Schaltverteilung (1) zumindest ein Speicher angeordnet ist, der über eine binäre Verbindung und/oder eine Busverbindung mit der Steuerungseinrichtung (3) verbunden ist, wobei über diese Verbindung zumindest ein Betriebsparameter (B) übertragbar und in dem zumindest einen Speicher speicherbar und von der Steuereinrichtung (3) aus diesem abrufbar ist.
  • Die Erfindung führt in vorteilhafter Weise zu einem optimalen Energieeinsatz bei der Beheizung einzelner Weichen in einer elektrischen Weichenheizungsanlage bei gleichzeitiger Sicherstellung der Funktion aller Weichen. Durch eine variable Anpassung der Leistung in Abhängigkeit von vorgebbaren Betriebsparametern kann gegenüber herkömmlichen Systemen Leistungsspitzen vermieden und Energie eingespart werden. Darüber hinaus können viele Elemente von gattungsgemäßen elektrischen Weichenheizungsanlagen Verwendung finden, beispielsweise können die bisher üblichen Heizelemente eingesetzt werden.
  • Ein wesentlicher Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Verringerung der Energiebereitstellungskosten durch Reduzierung der tatsächlichen elektrischen Leistung ungeachtet von Prioritäten aber bei gleichem Erwärmen aller angeschlossenen Weichen 12 durch das Bilden der aktiven Leistungsverhältnisse (La) zu erreichen, so dass ggü. dem Stand der Technik (bspw. WO 2010/115436 A1 ) eine noch flexiblere Anpassung der Leistungsverteilung (durch zeitversetze und gestaffelte Leistungszuschaltung der Heizabgänge (6)) möglich wird und noch mehr Energie eingespart werden kann.
  • Nachstehend wird die Erfindung im Detail beschrieben. Wenn in der Beschreibung des erfindungsgemäßen Verfahrens gegenständliche Merkmale genannt werden, so beziehen sich diese insbesondere auf die erfindungsgemäße Einrichtung. Ebenso beziehen sich Verfahrensmerkmale, die in der Beschreibung der erfindungsgemäßen Einrichtung angeführt werden, auf das erfindungsgemäße Verfahren.
  • Im ersten Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Energiemanagement einer elektrischen Weichenheizungsanlage. Diese elektrische Weichenheizungsanlage weist zumindest zwei Weichen (12), an denen jeweils mindestens ein Heizelement (7) angeordnet ist, zumindest eine Schaltverteilung (1) mit mindestens einem Heizabgang (6), insbesondere einem Heizabgang (6) je Weiche (12), und zumindest eine Steuerungseinrichtung (3) zum Steuern und Regeln der Schienentemperatur (X) auf.
  • In einem Schritt a) werden während des Heizbetriebes der elektrischen Weichenheizungsanlage zyklisch nacheinander folgenden Taktzeiten (Zt) gebildet, vorzugsweise durch Mikrocontroller Timer in der Steuerungseinrichtung (3).
  • Unter "Taktzeit" wird im Sinne der vorliegenden Erfindung eine Zeitspanne verstanden, in der die Heizabgänge (6) einer elektrischen Weichenheizungsanlage während einer Heizanforderung (Hz) ein- oder ausgeschalten sind.
  • In Schritt b) wird dann für jede Taktzeit (Zt) mindestens ein Leistungsverhältnis (L) entsprechend der Anzahl eingeschalteter und ausgeschalteter Heizabgänge (6) gebildet, vorzugsweise in Abhängigkeit der Betriebsparameter (B).
  • Mit "Leistungsverhältnis" wird erfindungsgemäß das Verhältnis bzw. der Quotient aus Anzahl eingeschalteter bzw. ausgeschalteter Heizabgänge (6) zur gesamten Anzahl Heizabgänge (6) der elektrischen Weichenheizungsanlage bezeichnet. Beispiele werden nachstehend bei der Beschreibung der Ausführungsformen gegeben.
  • In Schritt c) erfolgt während jeder Taktzeit (Zt) zumindest eines festen Leistungsverhältnisses (Lf) oder eines mit zumindest einem extern erfassbaren Betriebsparameter (B) korrelierenden Leistungsverhältnisses (Le) das Aktivieren der Heizabgänge (6) der Reihe nach beginnend mit den eingeschalteten oder ausgeschalteten Heizabgängen (6) entsprechend dem Leistungsverhältnis (L) und Deaktivieren der übrigen Heizabgänge (6) in umlaufender schrittweiser Betriebsweise.
  • Dadurch wird in Schritt d) zumindest ein aktives Leistungsverhältnisses (La) ausgeführt, wobei eine Anpassung des zumindest einen aktiven Leistungsverhältnisses (La) vorgenommen wird, die in Abhängigkeit einer tatsächlichen Regelabweichung erfolgt und ein Grenzwert "maximale Regelabweichung" ermittelt wird, indem beim Einschalten der elektrischen Weichenheizungsanlage mit projektspezifischem Leistungsverhältnis (Lpro) zwischen 50 % und 80 % innerhalb der Aufheizzeit (tauf) eine vorhandene Regelabweichung (xwauf) zu Beginn der Aufheizzeit (tauf) erfasst und mit einer gespeicherten maximalen Regelabweichung (xwmax) verglichen wird, wobei beim Überschreitung der maximalen Regelabweichung (xwmax) die Anpassung des zumindest einen aktiven Leistungsverhältnisses (La) auf 100 % erfolgt,
  • Die Ermittlung der maximalen Regelabweichung (xwmax) erfolgt aus dem gespeicherten Quotient einer erfahrungsgemäßen Regelabweichung Aufheizen (xwauf) und einer erfahrungsgemäßen Aufheizzeit (tauf) multipliziert mit einer projektspezifisch parametrierbare maximale Aufheizzeit (tauf-max).
  • In Schritt d1) wird Schritt d) nach einer vorgebbaren Zeitspanne oder bei Unterschreiten oder Überschreiten der maximalen Regelabweichung (xwmax) wiederholt. Diese vorgebbare Zeitspanne beträgt 1 Minute bis 15 Minuten, vorzugsweise 3 Minuten bis 10 Minuten, insbesondere 5 Minuten.
  • Optional kann ein Schritt d2) ausgeführt werden, in welchem zumindest an einer Weiche (12) der elektrischen Weichenheizungsanlage der zeitliche Verlauf der Erwärmung erfasst und daraus der zeitliche Verlauf der Regelabweichung (xwauf) überwacht wird, indem ab einer parametrierbaren Regelabweichung (xwauf) der zeitliche Verlauf der Regelabweichung (xwn) über die Zeit integriert und mit einem Grenzwert verglichen wird. Dieser Grenzwert ist das Produkt aus maximal zulässiger Regelabweichung (xwmax) und maximal zulässiger Zeitdauer zur Kompensation der maximalen Regelabweichung (xwmax). Bei Überschreiten des Grenzwertes wird das nächst höhere Leistungsverhältnis (L) und/oder das Leistungsverhältnis L 100 % für zumindest einen Heizabgang (6) oder die gesamte elektrische Weichenheizungsanlage aktiviert.
  • Schritt e) sieht vor, dass bei witterungsbedingter Heizanforderung (Hz) für zumindest eine Weiche (12) die theoretische Aufheizzeit bis zum Erreichen der vorgebbaren Schienensolltemperatur (Xs) der Weiche (12) berechnet und dieselbe mit einer parametrierbaren Aufheizzeit (tauf) verglichen wird.
  • Alternativ kann Schritt e) so ausgeführt werden, dass bei einer Regelabweichung xwn während witterungsbedingter Heizanforderung (Hz) für zumindest eine Weiche (12) die Heizung für diese Weiche (12) während der folgenden Taktzeiten (Zt) solange ausgeschalten wird, wie die Regelabweichung xwn Null ist.
  • Als "Heizanforderung" wird vorliegend ein elektronisches Signal bezeichnet, das für eine oder mehrere Weichen (12) den Bedarf an Heizenergie meldet. Die Heizanforderung (Hz) kann insbesondere durch die Daten einer Wetterstation am Ort zumindest einer Weiche (12) und/oder durch einen Wetterdienst erzeugt werden.
  • Die "parametrierbare Aufheizzeit" bedeutet, dass abhängig von extern erfassbaren Betriebsparametern (B) die Aufheizzeit (tauf) projektspezifisch angepasst werden kann. Beispiele werden nachstehend bei der Beschreibung der Ausführungsformen gegeben.
  • Wird die parametrierbare Aufheizzeit (tauf) überschritten, sieht Schritt e1) das Erhöhen des aktiven Leistungsverhältnisses (La) zumindest des betroffenen Heizabgangs (6) vor, indem die Anzahl der pro Taktzeit (Zt) eingeschalteten Heizabgänge (6) um eins erhöht und die Anzahl der pro Taktzeit (Zt) ausgeschalteten Heizabgänge (6) um eins verringert oder das Leistungsverhältnis (La) auf 100 % erhöht wird.
  • Alternativ kann Schritt e1) so ausgeführt werden, dass bei Unterschreiten der Regelabweichung xwn der Weiche (12) unter die maximale Regelabweichung xwmax ein Verringern des aktiven Leistungsverhältnisses (La) zumindest des betroffenen Heizabgangs (6) erfolgt, indem die Anzahl der pro Taktzeit (Zt) eingeschalteten Heizabgänge (6) um eins verringert und die Anzahl der pro Taktzeit (Zt) ausgeschalteten Heizabgänge (6) um eins erhöht wird.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren sieht vor, dass nach und/oder vor jeder Taktzeit (Zt) die jeweilige Schienentemperatur (X) zumindest einer an die elektrische Weichenheizungsanlage angeschlossenen Weichen (12) mit der vorgebbaren Schienen-Solltemperatur (Xs) verglichen wird, wobei in Auswertung dieses Vergleichs die Zuordnung der eingeschalteten und ausgeschalteten Heizabgänge (6) verändert wird, indem Heizabgänge (6) mit Erwärmungsüberschuss zugunsten von Heizabgängen (6) mit Erwärmungsdefizit während der jeweiligen Taktzeit (Zt) ausgeschaltet werden.
  • Optional kann ferner ein Schritt f) ausgeführt werden, in welchem, wenn die Regalabweichung (xwn) der Weiche (12) den Wert Null erreicht, ein Blockieren des aktiven Leistungsverhältnisses (La) zumindest des betroffenen Heizabgangs (6) erfolgt, indem dieser Heizabgang (6) solange ausgeschaltet wird, bis die Regelabweichung (xwn) größer Null wird.
  • Auf diese Weise ist es möglich, die Weichen (12) innerhalb einer elektrischen Weichenheizungsanlage variabel mit Energie zu versorgen und flexibel auf sich ändernde äußere Umstände zu reagieren, d.h. sich ändernde Heizanforderungen (Hz) umzusetzen. Dabei wird die zur Verfügung stehende Energie optimal genutzt, das Abrufen von zusätzlicher Energie ist nur in Ausnahmefällen notwendig. Auf diese Weise wird eine Verringerung der Energiebereitstellungskosten erreicht, indem die tatsächliche elektrische Leistung reduziert wird, ungeachtet von Prioritäten der angeschlossenen Weichen (12).
  • Es hat sich für die praktische Anwendbarkeit bei unterschiedlichen Witterungsbedingungen als vorteilhaft herausgestellt, wenn in Abhängigkeit von dem zumindest einen extern erfassbaren Betriebsparameter (B) unterscheidbare Steuerungsarten mit entsprechend zugeordneten Schienen-Solltemperatur-Werten (Xs) gebildet werden, indem zu parametrierbaren Grund-Sollwerten jeweils Sollwertzuschläge addiert werden, wenn der zumindest eine extern erfassbare Betriebsparameter (B) überschritten oder/oder unterschritten wird. Vorteil ist, dass mit geringster Leistung und optimalen Energieeinsatz eine maximale Funktionssicherheit der Weichen (12) im Winter ermöglicht wird, d.h. es erfolgt eine bedarfsgerechte Erwärmung der Weichen (12).
  • Mit "unterscheidbaren Steuerungsarten" sind vorliegend Steuerungsarten der elektrischen Weichenheizungsanlage gemeint, die in Abhängigkeit der Betriebsparameter (B) variabel an äußere Umstände angepasst werden können. Vorzugsweise betragen die Sollwertzuschläge 1 K pro Niederschlagsmenge Schnee und/oder 1 K in Abhängigkeit von Niederschlagsart und in Abhängigkeit der Luft- und/oder Schienentemperatur der unbeheizten Schiene.
  • Die extern erfassbaren Betriebsparameter (B) werden vorzugsweise aus Lufttemperatur, Luftfeuchte, Schienentemperatur (X), Schnee, Flugschnee und/oder Regen ausgewählt.
  • Mit diesen Betriebsparametern (B), die über herkömmliche Erfassungseinrichtungen nach dem Fachmann bekannten Verfahren detektiert werden können, sind die für den Betrieb von Eisenbahnweichen maßgeblichen Parameter abgedeckt. Abhängig von lokalen Gegebenheiten können jedoch weitere extern erfassbare Betriebsparameter (B) hinzutreten.
  • In einer konkreten Ausführungsform wird durch Erfassen des Betriebsparameters "Schnee" die Schneehöhe mit einem geeigneten Sensor ermittelt und dadurch bei dem vorgebbaren Betriebsparameter "Lufttemperatur" eine Steuerungsart "Tieftemperaturheizen" aktiviert oder deaktiviert, indem über die Erfassung und Auswertung des zeitlichen Verlaufs des Betriebsparameters "Lufttemperatur" ein parametrierbarer Temperaturwert (Tpar), vorzugsweise größer + 3 °C, über eine vorgebbare Zeit, vorzugsweise 5 Minuten bis 30 Minuten, insbesondere 15 Minuten, und/oder über die Erfassung des Betriebsparameters "Regen" über eine parametrierbare Zeit (tpar), vorzugsweise 5 Minuten bis 30 Minuten, insbesondere 15 Minuten, erfasst worden ist.
  • In Schritt a) des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die zyklisch nacheinander folgenden Taktzeiten (Zt) gleicher Zeitdauer von 1 Sekunde bis 300 Sekunden, vorzugsweise 50 Sekunden bis 70 Sekunden, insbesondere 60 Sekunden, mit oder ohne Zeitpause gebildet. Die Zeitpause kann dabei zwischen 1 Sekunde und 10 Sekunden betragen.
  • In einer Weiterbildung der Erfindung wird das mindestens eine aktive Leistungsverhältnis (La) aus dem Quotienten aus Anzahl eingeschalteter Heizabgänge (6) oder ausgeschalteter Heizabgänge (6) und der gesamten Anzahl der Heizabgänge (6) der elektrischen Weichenheizungsanlage gebildet, wobei eine untere Grenze des Leistungsverhältnisses (L) vorzugsweise 40 % beträgt.
  • Es hat sich für ein noch variableres Energiemanagement als vorteilhaft herausgestellt, wenn die Schaltfolge der Heizabgänge (6) nach und/oder vor jeder Taktzeit (Zt) geändert wird.
  • In einer Ausführungsform kann der erfasste zeitliche Verlauf der Schienentemperatur (X) an mindestens einer Weiche (12) in der Steuerungseinrichtung (3) gespeichert und der Endwert der Schienentemperatur (Xe) mit einer vorgebbaren Schienensolltemperatur (Xs) verglichen werden, wobei die Anzahl der abgeschalteten Heizabgänge (6) während zumindest einer Taktzeit (Zt) durch die größte so ermittelte Temperaturdifferenz gebildet wird.
  • Zur weiteren Einsparung von Energie, bzw. zur Optimierung der Energieverteilung kann, wenn die Schienentemperatur (X) an einer Weiche (12) mit einem nicht abgeschalteten Heizabgang (6) größer als die Schienen-Solltemperatur (Xs) ist, vorzugsweise 0,5 °C bis 3 °C, insbesondere 1 °C, dieser Heizabgang (6) während der aktuellen Taktzeit (Zt) abgeschaltet werden.
  • In einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die tatsächliche Leistung während jeder Taktzeit (Zt) ermittelt und innerhalb einer vorgebbaren Zeitdauer, vorzugsweise 5 Minuten bis 60 Minuten, insbesondere 15 Minuten, die minimale tatsächliche Leistung, die mittlere tatsächliche Leistung und die maximale tatsächliche Leistung gespeichert.
  • Ferner kann bei eingeschalteter Heizung die Steuerungseinrichtung (3) in Abhängigkeit der extern erfassbaren Betriebsparameter (B) ein Leistungsverhältnis (L) aktivieren, wobei dieses von 40 % bis 80 %, vorzugsweise 60%, beträgt und bei Überschreitung eines maximalen Betriebswertes auf 100 % gesetzt wird.
  • In einer anderen Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird während jeder Taktzeit (Zt) das aktive Leistungsverhältnis (La) überwacht, so dass wenn bei zumindest einmaligem Erhöhen des Leistungsverhältnisses (La) ein Leistungsverhältnis (La) von 100 % erreicht wird, in einem ersten Speicher, der mit der Steuerungseinrichtung (3) verbunden ist, die für diesen Moment aktuellen Betriebsparameter (B) gespeichert werden, wobei bei einer nachfolgenden Heizanforderung (Hz) diese gespeicherten Betriebsparameter (B) mit den dann aktuellen Betriebsparametern (B) verglichen werden, so dass wenn die dann aktuellen Betriebsparameter (B) gleich oder für die elektrische Weichenheizungsanlage schlechter sind als die gespeicherten Betriebsparameter (B), sofort ein Leistungsverhältnis von 100 % eingestellt wird.
  • Der zweite Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Energiemanagement einer elektrischen Weichenheizungsanlage, wobei die elektrische Weichenheizungsanlage zumindest zwei Weichen (12), an denen jeweils mindestens ein Heizelement (7) angeordnet ist, zumindest eine Schaltverteilung (1) mit mindestens einem Heizabgang (6), insbesondere einem Heizabgang (6) je Weiche (12), und zumindest eine Steuerungseinrichtung (3) zum Steuern und Regeln der Schienentemperatur (X) aufweist. Die Einrichtung umfasst
    • zumindest einen Regler (10), der zwischen der Steuerungseinrichtung (3) in der Schaltverteilung (1) und einem Schaltgerät (5) des zumindest einen Heizabgangs (6) angeordnet ist, wobei der zumindest eine Regler (10) über eine binäre Verbindung und/oder eine Busverbindung mit der Steuerungseinrichtung (3) verbunden ist,
    • zumindest ein Schieberegister (13) mit Takter (14), das über eine binäre Verbindung und/oder eine Busverbindung mit dem zumindest einen Regler (10) und der Steuereinrichtung (3) verbunden ist,
    • zumindest einen Ausgang "Stellsignal Heizen Weiche EIN" (Yn) des Reglers (10), der über den Takter (14) des Schieberegisters (13) mit einem Steuereingang des Schaltgerätes (5) oder über ein Stellsignal max (Ymax) direkt mit dem Schaltgerät (5) verbunden ist,
    wobei über eine Verbindung zwischen der Steuerungseinrichtung (3) und dem Schieberegister (13) während jeder Taktzeit (Zt) das aktive Leistungsverhältnis (La) zu dem Schieberegister (13) und die Schienen-Solltemperatur (Xs) von der Steuerungseinrichtung (3) zu dem zumindest einen Regler (10) übertragbar ist, und ein vom aktiven Leistungsverhältnis (La) abweichendes Leistungsverhältnis (L) über das Stellsignal max (Ymax) von dem zumindest einen Regler (10) auf das Schaltgerät (5) über eine direkte Leitung übertragbar ist, und
    wobei in der Schaltverteilung (1) zumindest ein Speicher angeordnet ist, der über eine binäre Verbindung und/oder eine Busverbindung mit der Steuerungseinrichtung (3) verbunden ist, wobei über diese Verbindung zumindest ein Betriebsparameter (B) übertragbar und in dem zumindest einen Speicher speicherbar und von der Steuereinrichtung (3) aus diesem abrufbar ist.
  • Die "Schaltverteilung" ist erfindungsgemäß die Einheit, in der einzelnen Elemente der elektrischen Weichenheizungsanlage gemeinsam untergebracht sind, insbesondere die Steuerungseinrichtung (3), zumindest ein Schaltgerät (5) mit einem Heizabgang (6), insbesondere einem Heizabgang (6) je Weiche (12), nach außen und zumindest ein Regler (10). Die Schaltverteilung (1) ist an das Stromnetz (9) angeschlossen.
  • Bei der "Steuerungseinrichtung" handelt es sich um eine Prozesseinheit zum Steuern und Regeln der Schienentemperatur (X), an die die einzelnen Regler (10) angeschlossen sind. Die Steuerungseinrichtung (3) wird von der/den Wetterstation/en (2) mit relevanten Daten versorgt.
  • Mit "Schaltschema" wird erfindungsgemäß die Zuordnung sowie die die Anzahl der eingeschalteten bzw. ausgeschalteten Heizabgänge (6) bezeichnet.
  • Die Steuerungseinrichtung (3) und der zumindest eine Regler (10) sind vorzugsweise als Mikrocontroller (Hardware) ausgeführt, während die Reglerfunktionion eine Software ist.
  • Weitere Ziele, Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von die Erfindung nicht einschränkenden Ausführungsbeispielen anhand der Figuren. Dabei bilden alle beschriebenen und/oder bildlich dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination den Gegenstand der Erfindung, auch unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Ansprüchen oder deren Rückbeziehung. Es zeigen:
    • Fig. 1
    eine schematische Darstellung einer elektrischen Weichenheizungsanlage nach dem Stand der Technik,
    Fig. 2
    ein Diagramm zur Darstellung des zeitlichen Verlaufs der Leistung in Abhängigkeit der witterungsabhängigen Heizanforderung nach dem Stand der Technik,
    Fig. 3
    eine tabellarische Darstellung der Schaltzustände nach dem erfindungsgemäßen Verfahren für eine erfindungsgemäße elektrische Weichenheizungsanlage ,
    Fig. 4
    eine tabellarische Darstellung der Schaltzustände aus Fig. 3 bei einer angenommenen installierten Heizleistung von 10 KW pro Weiche 12,
    Fig. 5
    eine schematische Darstellung einer erfindergemäßen elektrischen Weichenheizungsanlage,
    Fig. 6a-d
    Diagramme zur Darstellung des zeitlichen Verlaufs der Schaltfolge nach dem erfindungsgemäßen Verfahren,
    Fig. 7
    ein Diagramm zur Ermittlung der maximalen Regelabweichung xwmax,
    Fig. 8
    ein Diagramm zur Darstellung des Heizverlaufs bei der Erwärmung von der Schienen-Isttemperatur Xn bis zur Schienen-Solltemperatur XS und
    Fig. 9
    Darstellung der Betriebsmodi in Abhängigkeit von der Niederschlagsqualität.
  • Im Heizbetrieb über mehrere Taktzeiten Zt entspricht bei gleichbleibendem Leistungsverhältnis L die Leistung dem Produkt aus Leistungsverhältnis L und installierter Anschlussleistung P aller Heizelemente 7 der elektrischen Weichenheizungsanlage.
  • Nachstehend wird der Begriff "Leistungsverhältnis" eingehender erläutert.
  • Die maximale Anzahl der Leistungsverhältnisse L ergibt sich aus der Anzahl der Heizabgänge 6 der elektrischen Weichenheizungsanlage um eins verringert. Diese maximale Anzahl wird aber aufgrund der zu geringen Erwärmung der Weichen 12 bei Leistungsverhältnissen kleiner etwa 35 % und aus wirtschaftlichen Gründen bei elektrischen Weichenheizungsanlagen mit mehr als 15 Weichen 12 begrenzt.
  • Das Leistungsverhältnis L kann bei laufendem Heizbetrieb umgeschaltet werden. Die Syntax eines Leistungsverhältnisses L ist abgeleitet vom Taktverhältnis der Heizzeiten zu den Abkühlzeiten.
  • Leistungsverhältnis 50 % entspricht für alle Heizabgänge 6 einer elektrischen Weichenheizungsanlage 1 Takt Heizen zu 1 Takt Kühlen (1H:1K) und benötigt zwei, vier usw. Heizabgänge 6.
  • Leistungsverhältnis 66,6 % entspricht für alle Heizabgänge 6 einer elektrischen Weichenheizungsanlage 2 Takte Heizen zu 1 Takt Kühlen (1H:1K) und benötigt drei, sechs usw. Anzahl Heizabgänge 6.
  • Leistungsverhältnis 75 % entspricht für alle Heizabgänge 6 einer elektrischen Weichenheizungsanlage 3 Takte Heizen zu 1 Takt Kühlen (3H:1K) und benötigt mindestens vier, acht usw. Heizabgänge 6.
  • Die Umschaltung von Leistungsverhältnis L 50 % auf ein anderes Leistungsverhältnis L, z.B. 75 %, erfolgt zu Beginn der Taktzeit Zt, wobei zunächst die Schaltfolge Ausschalten und Einschalten gleichzeitig und/oder nacheinander erfolgt.
  • Im Heizbetrieb wird zwischen den Leistungsverhältnissen L gewechselt. Die nacheinander erfolgende, umlaufende Aktivierung der Heizabgänge 6 erfolgt so schnell, dass eine gleichzeitige Erwärmung aller angeschlossenen Weichen 12 erfolgt. Dadurch werden alle Weichen 12 auf dem gleichen Temperaturpegel gehalten.
  • Die Reihenfolge der Ein- und Ausschaltung der Heizabgänge 6 ist nicht festgelegt. Diese kann der Reihe nach erfolgen. Wird während des Heizens der Schaltzustand von Heizabgängen 6 im Heizbetrieb in der folgenden Taktzeit Zt nicht verändert, d.h. nicht ausgeschaltet, erfolgt zur Schonung der Schaltkontakte zwischen den Taktzeiten Zt kein Schaltvorgang der jeweiligen Heizabgänge 6.
  • Während des Heizbetriebes wird während zyklischen nacheinander folgenden Taktzeiten Zt in jeder Taktzeit Zt eine variable Anzahl Heizabgänge 6 eingeschaltet und die übrige Teilmenge der Heizabgänge 6 ausgeschaltet und während jeder Taktzeit Zt wird die Zuordnung der ein- bzw. ausgeschalteten Heizabgänge 6 schrittweise verändert, wobei die Anzahl der ein- und ausgeschalteten Heizabgänge 6 und damit die Einschaltdauer jedes Heizabganges 6 gleich bleibt und/oder in Abhängigkeit der Schienentemperatur X und/oder der Witterung verändert wird. Werden alle Heizabgänge 6 der elektrischen Weichenheizungsanlage eingeschaltet, beträgt das Leistungsverhältnis 100 % und die Taktzeiten Zt werden unterbrochen und ausgeschaltet, d.h. der tatsächliche Leistungsverbrauch entspricht der Anschlussleistung. Sind dagegen während einer oder mehrerer Taktzeiten Zt mindestens ein Heizabgang 6 aus- und die übrigen Heizabgänge 6 ausgeschaltet, beträgt das Leistungsverhältnis im Bereich von 1 % bis 99 %, vorzugsweise zwischen 40 % und 75 %, d.h. die tatsächliche Leistung entspricht dem Produkt aus installierter Leistung Pmax und dem Leistungsverhältnis L.
  • Entsprechend der Anzahl der ein- bzw. ausgeschalteten Heizabgänge 6 sind mehrere Leistungsverhältnisse L möglich.
  • Die Leistungsverhältnisse L werden aus dem Verhältnis einer beliebigen Anzahl Heizabgänge 6, vorzugsweise aus dem Verhältnis der pro Taktzeit Zt eingeschalteten Heizabgänge 6 zu den in der elektrischen Weichenheizungsanlage vorhandenen Anzahl Heizabgänge 6 bzw. einer Teilmenge Heizabgänge 6 gebildet. Die Leistungsverhältnisse L können zwischen einem Minimalwert, der dem Verhältnis von einen eingeschalteten Heizabgang 6 zu allen Heizabgängen 6 und einem Maximalwert von 100 %, der dem Verhältnis aus allen eingeschalteten zu allen Heizabgängen 6 entspricht. Vorzugsweise wird beim Einschalten der elektrischen Weichenheizungsanlage ein Leistungsverhältnis zwischen 50 % und 75 % eingestellt.
  • Beispielsweise ist eine elektrische Weichenheizungsanlage mit fünf Weichen 12 vorhanden, wobei die Heizelemente 7 jeder Weiche 12 über einen Heizabgang 6 mit Regler 10 in der Schaltverteilung 1 bei Heizanforderung (Hz) mit Energie versorgt werden. In der Schaltverteilung 1 sind demnach fünf Heizabgänge 6 vorhanden. Die möglichen Leistungsverhältnisse L sind fünf Heizabgänge x 50 % = Leistungsverhältnis 2,5 und fünf Heizabgänge x 75 % = Leistungsverhältnis 3,75. Damit könnten in jeder Taktzeit Zt zwischen 2,5 und 3,75 Heizabgänge 6 aktiviert werden. Die Ganzzahl der beiden Werte beträgt 3, d.h. es werden in jeder Taktzeit Zt drei Heizabgänge 6 eingeschaltet und zwei Heizabgänge 6 ausgeschaltet. Das aktivierte Leistungsverhältnis La beträgt 100 % x 3 / 5 = 60 %. Wenn jeder Heizabgang 6 10 kW Heizleistung hat, beträgt die Anschlussleistung P, wenn alle Heizabgänge 6 eingeschaltet sind, d.h. bei einem Leistungsverhältnis von 100 %, gleich 5 x 10 kW = 50 kW und bei einem Leistungsverhältnis von 60 % gleich 3 x 10 kW = 30 kW.
  • Für die elektrische Weichenheizungsanlage sind folgende Leistungsverhältnisse L möglich:
    • L1 = 100 % x 5 / 5 = 100 % in jeder Taktzeit Zt sind fünf Heizabgänge 6 EIN, d.h. die Heizleistung beträgt 100 % oder 50 kW
    • L2 = 100 % x 4 / 5 = 80 % in jeder Taktzeit Zt sind vier Heizabgänge 6 EIN und ein Heizabgang 6 AUS, d.h. die Heizleistung beträgt 80 % oder 40 kW
    • L3 = 100 % x 3 / 5 = 60 % in jeder Taktzeit Zt sind drei Heizabgänge 6 EIN und zwei Heizabgänge 6 AUS, d.h. die Heizleistung beträgt 60 % oder 30 kW
    • L4 = 100 % x 2 / 5 = 40 % in jeder Taktzeit Zt sind zwei Heizabgänge 6 EIN und drei Heizabgänge 6 AUS, d.h. die Heizleistung beträgt 40 % oder 20 kW
    • L5 = 100 % x 1 / 5 = 20 % in jeder Taktzeit Zt sind ein Heizabgang 6 EIN und vier Heizabgänge 6 AUS, d.h. die Heizleistung beträgt 20 % oder 10 kW
  • In Abhängigkeit der extern erfassbaren Betriebsparameter B wie Lufttemperatur, Schienentemperatur X (kalte Schiene), Schneemenge pro Zeiteinheit usw. wird während jeder Taktzeit Zt ein Leistungsverhältnis L in der Steuerungseinrichtung 3 aktiviert. Beträgt die Lufttemperatur z.B. 0 °C und Niederschlag ist Regen, wird entsprechend dem vorigen Beispiel das Leistungsverhältnis 60 % aktiviert, d.h. während jeder Taktzeit Zt werden drei Heizabgänge 6 eingeschaltet und zwei Heizabgänge 6 sind ausgeschaltet. Während der ersten Taktzeit Zt können z.B. die Heizabgänge 6.1, 6.2 und 6.3 eingeschaltet und die Heizabgänge 6.4 und 6.5 ausgeschaltet sein. Während der zweiten Taktzeit Zt wird das Schaltschema umlaufend um eins in Art eines Schrittschaltwerkes weitergerückt, so dass die Heizabgänge 6.2, 6.3 und 6.4 eingeschaltet und die Heizabgänge 6.5 und 6.1 ausgeschaltet sind und damit die gleiche Anzahl Heizabgänge 6 ein- bzw. ausgeschaltet ist wie während der vorherigen Taktzeit Zt. Das Schaltschema wird während der Heizzeit in jeder Taktzeit Zt ist immer um einen Schritt verschoben.
  • Nachfolgend wird die Anpassung des Leistungsverhältnisses L an die extern erfassbaren Betriebsparameter B beschrieben.
  • Zur Gewährleistung einer sicheren Erwärmung der Weichen 12 im Winter bis zur Schienen-Solltemperatur Xs innerhalb einer angemessenen Zeit, erfolgt bei Überschreitung einer bestimmten Regelabweichung xwn, vorzugsweise von 2 K, die Aktivierung einer Überwachungsfunktion. Die Überwachungsfunktion besteht aus einem Grenzwert, das heißt, das Produkt aus vorzugsweise 5 K und einer maximalen Zeit von bspw. 10 Minuten = 50 K/min. Wird dieser Grenzwert beim Heizen überschritten, wird auf das nächst höhere Leistungsverhältnis L und/oder auf Leistungsverhältnis 100 % geschaltet. Dazu wird beim Heizen in dem Regelkreis jeder Weiche 12 der zeitliche Verlauf der Regelabweichung xwn erfasst und nach Integration des erfassten zeitlichen Verlaufs der Regelabweichung xwn mit dem Grenzwert verglichen und bei Überschreitung des Grenzwertes ein größeres Leistungsverhältnis L aktiviert.
  • Das soll nachfolgend an einem Beispiel erläutert werden. Bei Heizanforderung Hz soll bei einer entsprechenden Witterung bspw. eine Regelabweichung xwn von 5 K innerhalb einer maximal zulässigen Aufheizzeit von bspw. 10 Minuten nicht überschritten werden. Erfolgt die Erfassung der Schienentemperatur X bspw. in Schritten von 0,1 K und die Zeiterfassung in Millisekunden beträgt bspw. das Grenzwertintegral 5°K × 0,1 × 10 Minuten × 60.000 = 3.000.000 K × ms. Für jede Weiche 12 wird das vorhandene Integral der Regelabweichung xwn über die zeitliche Erfassung der Regelabweichung xwn ermittelt und mit dem Grenzwertintegral verglichen. Bei Überschreiten des Grenzwertintegrals wird auf das nächst höhere Leistungsverhältnis L oder auf Leistungsverhältnis L 100 % geschaltet und bei Regelabweichung gleich Null besteht kein Heizbedarf für diese Weiche 12 und dieser Heizabgang 6 wird während der Taktzeit Zt nicht eingeschaltet.
  • Auf der Grundlage der vorhandenen extern erfassbaren Betriebsparameter werden alle und/oder nur einzelne Heizabgänge 6 eingeschaltet, wobei im jeweils nächsten Taktzeit Zt die Schaltreihenfolge der eingeschalteten und ausgeschalteten Heizabgänge 6 in Art eines Schrittschaltwerkes um eins weitergeschaltet wird und dadurch über mehrere Heiztakte jeder Heizabgang 6 die gleiche Leistung verbraucht und damit eine gleichmäßige Erwärmung aller Weichen 12 der elektrischen Weichenheizungsanlage erreicht wird.
  • Erfindungsgemäß werden zur Gewährleistung der sicheren Funktion der elektrischen Weichenheizungsanlage im Winter mit variablem Leistungsverhältnis L und wechselnden Schaltfolgen der Heizabgänge 6 innerhalb von Taktzeiten Zt verschiedene Betriebsmodi in Abhängigkeit von den vorhandenen und/oder prognostizierten Witterungsbedingungen in der Steuerungseinrichtung 3 aktiviert.
  • Eine erste Lösung ist das Aussetzen des "Tieftemperaturheizen" in Abhängigkeit der Niederschlagswahrscheinlichkeit. Für diese Funktionalität werden von einem Wetterdienst die Prognosewerte für die Niederschlagswahrscheinlichkeit und Niederschlagsart abgefragt. Sollte bei tiefen Temperaturen die Niederschlagswahrscheinlichkeit für die nächsten 30 Minuten unter 60 % liegen, wird das "Tieftemperaturheizen" unterdrückt. Liegt die Niederschlagswahrscheinlichkeit über 60 %, wird unterschieden, ob es sich bei dem zu erwartenden Niederschlag um Schnee oder Regen handelt, und dann entsprechend das "Tieftemperaturheizen" als Vorheizfunktion aktiviert. Bei Regen wird das Vorheizen bei einer Niederschlagswahrscheinlichkeit von 80 % eingeschaltet, wohingegen bei prognostiziertem Schnee schon bei einer Niederschlagswahrscheinlichkeit von 60 % geheizt wird.
  • In diesem Vorheizmodus wird die Schienentemperatur X bis zum Eintritt des tatsächlichen Niederschlagsereignisses auf 0 °C konstant gehalten.
  • Eine weitere Lösung zur Energieeinsparung besteht in der Aktivierung des "Tieftemperaturheizen" bei möglichem Flugschnee in Abhängigkeit der gefallenen Schneemenge in der Vergangenheit und nachfolgender Überwachung des zeitlichen Verlaufs der Lufttemperatur und des Niederschlags "Regen" derart, dass die Schneefallmenge, vorzugsweise die Schneehöhe aus der mit einen Schneedetektor erfassten Schneehöhe pro Zeiteinheit mit der Schneefalldauer ermittelt wird und bei einer parametrierbaren minimalen Schneehöhe ein Signal "Flugschnee möglich" gesetzt und gespeichert wird. Die Schneehöhe wird solange addiert, wie kein Rücksetzen des Signals "Flugschnee möglich" erfolgte. Das Rücksetzen des Signals "Flugschnee möglich" erfolgt nach erfolgten Schneefall sobald die Lufttemperatur eine längere Zeit über 0 °C, vorzugsweise größer + 3 °C gewesen ist. Bei Unterschreiten die Lufttemperatur von beispielsweise - 5 °C wird dann das "Tieftemperaturheizen" eingeschaltet. Übersteigt die Lufttemperatur nach Setzen des Signals den Wert von + 3 °C für eine parametrierbare Zeit oder wird Regen für eine parametrierbare Zeit detektiert, wird das Signal "Flugschnee möglich" zurückgesetzt und gelöscht. Bei nachfolgenden Unterschreiten der Lufttemperatur - 5 °C wird das "Tieftemperaturheizen" nicht eingeschaltet.
  • Eine weitere Lösung ist die individuelle Vorgabe der Schienen-Solltemperatur Xs in Abhängigkeit von der Niederschlagsart und Niederschlagsmenge.
  • Beispielsweise muss die Schienen-Solltemperatur Xs bei Regen nicht so hoch sein wie bei Schneefall. Ebenso ist der Wert abhängig von der tatsächlichen Niederschlagsmenge. Die von dem Niederschlagsfühler erfassten Daten werden in das Regelregime einbezogen, so dass sich die Schienen-Solltemperatur Xs an die Niederschlagsereignisse vor Ort dynamisch anpasst. Detektiert der Niederschlagsfühler "Niesel" oder "Regen", wird die Schiene lediglich auf +1 °C geheizt, um ein Anfrieren des Regens auf zu kalten Gleitstühlen oder Zungenschienen zu verhindern. Gegenüber den derzeit nach dem Stand der Technik einheitlich angesetzten + 6 °C sind so erhebliche Einsparungen möglich. Bei Schneefall wird je nach Niederschlagsmenge nach einer vorgegebenen Einteilung eine entsprechende Schienen-Solltemperatur gewählt (vgl. Fig. 3).
  • Nach Ende des Niederschlages gibt es optional die Möglichkeit, die Schiene einmalig für etwa 30 Minuten auf + 6 °C aufzuheizen, so dass keinerlei Feuchtigkeit mehr vorhanden ist. Mit diesem "Trockenheizen" der Weiche 12 ist sichergestellt, dass bei Absinken der Temperatur sowie ausbleibendem Niederschlag und damit ausgeschalteter Heizung keine Restfeuchte an der Weiche 12 gefriert.
  • Erfindungsgemäße Betriebsmodi für elektrische Weichenheizungsanlagen mit Heizanforderung Hz durch eine Wetterstation 2 und/oder Anbindung an einen Wetterdienst mit einem Energiemanagement können wie folgt ausgeführt sein.
  • Betriebsmodus "Tieftemperaturheizen" (Lufttemperatur < - 5 °C):
    • ◆ Wettervorhersage Niederschlagswahrscheinlichkeit > 80 % und Niederschlagsart "Niesel" bzw. "Regen" oder Niederschlagswahrscheinlichkeit > 60 % und Niederschlagsart "Hagel" bzw. "Schnee" in den nächsten 30 Minuten
    • ◆ Vorheizen der drei Gruppen in einer 33 %-Taktung bzw. 66 %-Taktung der Weichen 12 auf einen Schienen-Solltemperatur Xs von ca. 0 °C
  • Betriebsmodus "Flugschnee":
    • ◆ Lufttemperatur < - 5 °C und verwehfähiger Schnee vorhanden (Signal "Flugschnee möglich" ist gesetzt)
    • ◆ Vorheizen der drei Gruppen in einer 33 %-Taktung oder 66 %-Taktung der Weichen auf eine Schienen-Solltemperatur Xs von ca. 0 °C
    • ◆ Wird zusätzlich durch einen Flugschneefühler tatsächlich Flugschnee detektiert, wechselt die Anlage in das Heizregime "Feuchtheizen Schnee".
  • Betriebsmodus "Heizen bei Feuchte Regen":
    • ◆ Wettervorhersage Lufttemperatur < + 3 °C und Niederschlagswahrscheinlichkeit > 80 % und Niederschlagsart "Niesel" bzw. "Regen" in den nächsten 30 min
    • ◆ Vorheizen der drei Gruppen in einer 33 %-Taktung auf eine Schienensolltemperatur von ca. 0 °C
      ODER
    • ◆ Lufttemperaturfühler < + 3 °C und Niederschlagsfühler detektiert Regen
    • ◆ Heizen der drei Gruppen in einer 33 %- oder 66 %-Taktung auf eine Schienen-Solltemperatur Xs von ca. + 1 °C
  • Betriebsmodus "Heizen bei Feuchte Schnee oder Flugschnee":
    • ◆ Lufttemperatur < + 3 °C und Wettervorhersage Niederschlagswahrscheinlichkeit > 60 % und Niederschlagsart "Hagel" bzw. "Schnee" in den nächsten 30 Minuten
    • ◆ Vorheizen einer Gruppe in einer 33 %- bzw. 66 %-Taktung auf eine Schienensolltemperatur von ca. + 3 °C
      ODER
    • ◆ Lufttemperaturfühler < + 3 °C und Niederschlagsfühler detektiert Schnee oder Hagel
    • ◆ Heizen der drei Gruppen in einer 33 %- oder 66 %-Taktung auf eine Schienensolltemperatur entsprechend Menge und Lufttemperatur (Sollwertanhebung ab - 1 °C)
  • Betriebsmodus "Trockenheizen der Weichen nach Wegfall der Heizanforderung Hz":
    • ◆ 30 Minuten Trockenheizen der drei Gruppen nach Wegfall des Niederschlagsignals in einer 66 %-Taktung um Restfeuchte, welche an der Schiene gefrieren könnte, zu verhindern, Sollwert + 6 °C
  • Betriebsmodus "Notfall- bzw. Kurzzeitheizen"
    • ◆ Manuelle Einschaltung zeitbegrenzt über Steuerungseinrichtung in mit Leistungsverhältnis zwischen 50 % und 75 % oder 100 %.
  • In Figur 1 ist eine elektrische Weichenheizungsanlage entsprechend dem Stand der Technik mit drei Heizabgängen 6 dargestellt. Bei entsprechender Witterung wird von der Wetterstation 2 in der Steuerungseinrichtung 3 die Heizanforderung Hz erzeugt und alle Heizabgänge 6 werden gleichzeitig eingeschaltet. Über mindestens einen Schienentemperatursensor 8 erfolgt die Regelung der Schienentemperatur X während der Heizanforderung Hz zwischen zwei parametrierbaren Sollwerten, z.B. + 4 °C und + 7°C.
  • In Figur 2 ist der zeitliche Verlauf der Leistung P in Abhängigkeit der witterungsabhängigen Heizanforderungszeit nach dem Stand der Technik dargestellt. Zum Zeitpunkt t1 ist die Heizbedingung erfüllt, d.h. die Lufttemperatur ist kleiner gleich + 3 °C und es fällt Niederschlag. Zu diesem Zeitpunkt wird die elektrische Weichenheizungsanlage eingeschaltet und die Leistung P entspricht der installierten Leistung Pmax, die der Summe aller installierten Heizelemente 7 der elektrischen Weichenheizungsanlage entspricht und alle Weichen 12 werden erwärmt. Der Leistungsverbrauch entspricht der installierten Heizleistung Pmax der Heizelemente 7 aller Weichen 12. Vom Zeitpunkt t1 bis zum Zeitpunkt t2 erfolgt das Aufheizen der Weichen 12 bis zur Schienen-Solltemperatur Xs. Zum Zeitpunkt t2 ist die Schienen-Solltemperatur Xs erreicht und zu diesem Zeitpunkt werden alle Heizabgänge 6 abgeschaltet und die Schienen aller Weichen 12 kühlen ab. Ab dem Zeitpunkt t2 beträgt die Leistung Null. Bei Erreichen der untersten Schienen-Solltemperatur Xs zum Zeitpunkt t3 wird die Heizung aller Weichen 12 wieder eingeschaltet und die Weichen 12 werden bis auf den oberen Sollwert erwärmt. Die Leistung P entspricht ab hier wieder der installierten Leistung Pmax der Heizelemente 7 aller Weichen 12. Wird zum Zeitpunkt tn kein Niederschlag mehr detektiert, entfällt von der Steuerungseinrichtung 3 die Heizanforderung Hz und die Heizung wird komplett ausgeschaltet.
  • In Figur 3 sind die Schaltzustände einer elektrischen Weichenheizungsanlage mit fünf Heizabgängen 6.1 bis 6.5 für fünf Weichen 12 für das erfindungsgemäße Verfahren mit umlaufendem Heizbetrieb mit Leistungsverhältnis L 60 % dargestellt. Bei Heizanforderung Hz sind von den fünf Heizabgängen 6 60 %, das sind drei Heizabgänge 6, während der ersten Taktzeit Zt eingeschaltet, die übrigen sind ausgeschaltet. Die Taktzeit Zt beträgt z.B. 60 Sekunden. In der nächsten Taktzeit Zt wird die Schaltfolge um einen Schritt weiter geschaltet. Nach Ablauf von fünf Taktzeiten Zt wurden alle Heizabgänge 6.1 bis 6.5 insgesamt 3 x 60 Sekunden eingeschaltet. Auf Grund der großen Totzeit der Schienen treten durch den Schaltzustand AUS keine Nachteile der Erwärmung auf.
  • In Figur 4 ist die Leistung der Schaltzustände nach Figur 3 bei einer angenommenen installierten Heizleistung P von 10 KW pro Weiche 12 über fünf Taktzeiten Zt und die daraus sich ergebende Gesamtleistung dargestellt. Die gesamte Leistung beträgt 30 KW.
  • In Figur 5 ist eine erfindungsgemäße elektrische Weichenheizungsanlage mit drei Heizabgängen 6 dargestellt. Zwischen der Steuerungseinrichtung 3 und jedem Schaltgerät 5 der elektrischen Weichenheizungsanlage ist ein Regler 10 mit Eingang Schienentemperatursensor Xn, Eingang Schienen-Solltemperatur Xs in Abhängigkeit des aktiven Betriebsmodus, Ausgang Stellsignal Yn "Heizen EIN", Ausgang Regelabweichung xwn und Ausgang Ymax angeordnet. Außerdem ist zwischen der Steuereinrichtung 3 und dem Steuereingang St eines Schaltgeräts 9 ein Schieberegister 13 mit Takter 14 angeordnet. Die Regler 10 erhalten von der Steuerungseinrichtung 3 den aktuellen Betriebsmodus, d.h. die Schienen-Solltemperatur Xs. Das Schieberegister 13 erhält von der Steuereinheit 3 das aktuelle Leistungsverhältnis L und der Takter 14 aktiviert während jeder Taktzeit Zt die Anzahl Schaltgeräte 5 entsprechend dem Leistungsverhältnis L und deaktiviert die übrigen Schaltgeräte 5 umlaufend zyklisch, indem die Verbindung zwischen Stellsignal Yn "Heizen Weiche" und Steuereingang St Schaltgerät über Kontakte des Takters 14 geschlossen oder geöffnet werden. Über die Verbindung Stellausgang Yn des Reglers 10 und Schaltgerät 5 kann das Leistungsverhältnis L jedes Heizabganges 6 individuell in Abhängigkeit der Regelabweichung Weiche xwn auf 100 % und/oder 0 % geändert werden.
  • In den Figuren 6a bis 6d ist entsprechend des erfindergemäßen Verfahrens der zeitliche Verlauf der Schaltfolge von einer elektrischen Weichenheizungsanlage mit drei Weichen 12 beim Heizen mit Leistungsverhältnis 66,6% und unterschiedlichen Regelabweichungen xwn und die daraus abhängige Einstellung der Leistungsverhältnisse L der einzelnen Weichen 12 einer elektrischen Weichenheizungsanlage im zeitlichen Ablauf für jede Weiche 12 dargestellt. Entsprechend Figur 6a wird vom Zeitpunkt t1 bis tn die Heizanforderung Hz, bspw. durch fallenden Schnee, aktiviert.
  • In der Figur 6b ist die Schaltfolge für Weiche 12.1 dargestellt. Zunächst erfolgt ab Zeitpunkt t1 aufgrund der Heizanforderung Hz die Aktivierung des parametrierten Leistungsverhältnisses L oder die Erhöhung des Leistungsverhältnisses L auf 100 % in Abhängigkeit des Vergleichs der Regelabweichung Weiche 12.1 (xws1) mit dem berechneten Grenzwert maximale Regelabweichung xwmax entsprechend Figur 7. Die Steigung Regelabweichung xwn ist zum Zeitpunkt t1 bspw. 10 K. Die Regelabweichung Weiche xwsteig wird aus dem Quotienten Regelabweichung Weiche 12.1 (xw1) und der Aufheizzeit (tauf) gebildet und beträgt 5 K / 10 min = 0,5 K/min. Der Betreiber der elektrischen Weichenheizungsanlage hat die parametrierte Aufheizzeit tpar mit 15 Minuten projektspezifisch parametriert. Durch Multiplikation der Steigung Regelabweichung Weiche xwsteig und parametrierte Aufheizzeit tpar ergibt sich die maximale Regelabweichung xwmax mit 7,5 K aus 0,5 K/min multipliziert mit 15 Minuten. Dieser Wert ist größer als der Grenzwert maximale Regelabweichung (xwmax) von 7,5 K entsprechend Figur 7, so dass das Leistungsverhältnis L für Weiche 12.1 bis zum Zeitpunkt tx1 auf 100 % geschaltet wird. Dadurch wird die Weiche 12.1 mit 100 % Leistung beheizt und die Regelabweichung xwn nimmt schnell ab. Zum Zeitpunkt tx1 ist die Regelabweichungssteigung Weiche 12.1 (xws1) gleich dem Grenzwert Regelabweichung (xwmax), so dass zur nächst folgenden Taktzeit Zt das Leistungsverhältnis L 66,6 % für Weiche 12.1 aktiviert wird, d.h. die weitere Heizung der Weiche 12.1 erfolgt mit Leistungsverhältnis L 66,6% bis zum Ende der Heizanforderung Hz zum Zeitpunkt tn und darüber hinaus mit einer Zeitverzögerung zum Trockenheizen der Weiche 12.1.
  • In Figur 6c ist die Regelabweichung Weiche 12.2 (xw2) zum Zeitpunkt t1 kleiner 5 K, z.B. 4 K, und ist damit kleiner als die maximale Regelabweichung xwmax, so dass die Heizung der Weiche 12.2 ab Zeitpunkt t2 mit Leistungsverhältnis L 66,6 % bis zum Zeitpunkt tn und darüber hinaus mit einer Zeitverzögerung zum Trockenheizen der Weiche 12.1 erfolgt.
  • In Figur 6d beträgt die Regelabweichung Weiche 12.3 (xw3) zum Zeitpunkt t1 kleiner 5 K, z.B. 2 K und beträgt zum Zeitpunkt tx3 Null. Solange die Regelabweichung xwn der Weiche 12.3 Null ist, besteht kein Heizbedarf und das Leistungsverhältnis L für Weiche 12.3 wird auf 0 % gesetzt. Erst wenn die Regelabweichung der Weiche 12.3 größer Null ist, erfolgt wieder die Aktivierung des Leistungsverhältnisses L 66,6 %. Sind mehr als drei Weichen 12 vorhanden, können mehrere Leistungsverhältnisse L gebildet werden.
  • In Figur 6d beginnt zum Zeitpunkt t3 die Heizung für Weiche 12.3 im Zeittakt von 120 Sekunden und die Regelabweichung sei zum Zeitpunkt t1 größer als 2 K. Bei Regelabweichung größer 2 K wird zum Zeitpunkt t1 die Überwachungsfunktion für Weiche 12.3 abgeschaltet. Das Grenzwertprodukt wird nicht überschritten, so dass weiter im Taktbetrieb geheizt wird. Zum Zeitpunkt tx3 wird die Regelabweichung Null und die weiteren Einschaltungen der Heizung von Weiche 12.3 bleibt solange ausgeschaltet, wie die Regelabweichung xwn Null ist.
  • In Figur 7 ist die Ermittlung der maximalen Regelabweichung xwmax dargestellt, bei deren Überschreitung das Leistungsverhältnis L erhöht und bei deren Unterschreitung das Leistungsverhältnis L verringert wird. Aus praktischer Erfahrung ist bekannt, dass elektrische Weichenheizungsanlagen mit Heizelementen 7, deren spezifische Heizleistung beispielsweise 330 W/m beträgt, beim Heizen mit Taktzeiten Zt und Leistungsverhältnis L 66,6 % die Schienen während einer Aufheizzeit tauf von 10 Minuten auf eine Übertemperatur 5 K erwärmen, d.h. in diesem Beispiel beträgt die Regelabweichung xwauf beim Aufheizen 5 K während der Aufheizzeit von tauf von 10 Minuten. Die Steigung Regelabweichung dxw wird aus dem Quotienten der Regelabweichung beim Aufheizen xwauf und der Aufheizzeit tauf aus 5°K geteilt durch 10 Minuten gebildet, d.h. die Steigung Regelabweichung dxw beträgt 0,5 K/min. Die projektspezifisch parametrierbare maximale Aufheizzeit tauf-max wird anlagenspezifisch individuell parametriert, z.B. 15 Minuten, und die maximale Regelabweichung xwmax aus dem Produkt aus projektspezifisch parametrierbarer maximaler Aufheizzeit tauf-max und Steigung Regelabweichung xwsteig gebildet, d.h. z.B. Produkt aus projektspezifisch parametrierbare maximaler Aufheizzeit tauf-max von 15 Minuten multipliziert mit Steigung Regelabweichung xwsteig von 0,5 K/min ergibt eine maximale Regelabweichung xwmax von 7,5 K. Während des gesamten Heizbetriebes wird die Regelabweichung xwn bei allen Weichen 12 einer elektrischen Weichenheizungsanlage erfasst und bei Überschreiten der maximalen Regelabweichung xwmax wird das Leistungsverhältnis L zumindest dieser Weiche 12 erhöht, z.B. auf 100 % und bei Unterschreiten vermindert.
  • Die Figur 8 zeigt beim Heizen den Verlauf der Erwärmung der Schienen-Isttemperatur Xn zum Zeitpunkt t1 bis zur Schienen-Solltemperatur XS während der Aufheizzeit tauf vom Zeitpunkt t1 bis zum Zeitpunkt t2 und den Verlauf der Schienen-Isttemperatur Xn während dem Regelheizen tr ab Zeitpunkt t2 für jedem Regelzyklus tz, wobei ein Regelzyklus tz z.B. ab Zeitpunkt t2 bis Zeitpunkt t3 dargestellt ist und aus einem Zeitanteil Heizen, hier ist die Heizung eingeschaltet, und einem Zeitanteil Kühlen, hier ist die Heizung ausgeschaltet, besteht. Aufgrund der Trägheit der Schienen erfolgt jeweils ein Überschwingen der Schienen-Isttemperatur Xn. Während des Heizbetriebes erfolgt die Erfassung und Überwachung der Regelabweichung xwn jeder Weiche 12 der elektrischen Weichenheizungsanlage zu Beginn der Aufheizzeit zum Zeitpunkt t1 und während der Regelzeit tr innerhalb jedes Regelzyklus tz zwischen den Zeitpunkten t2 und t3 durch Vergleich mit der maximalen Regelabweichung xwmax und entsprechende Umschaltung auf ein höheres bzw. niedrigeres Leistungsverhältnis L bei Abweichungen unter Berücksichtigung von einer parametrierbaren Hysterese Regelabweichung XH.
  • Die Umschaltung auf ein höheres Leistungsverhältnis L soll entsprechend Figur 8 mit den Werten aus Figur 7 beispielhaft erläutert werden. Zu Beginn des Heizbetriebes beträgt die Schienen-Isttemperatur X1 der Weiche 12.1 z.B. - 4 °C und es ist eine projektspezifisch parametrierbare maximale Aufheizzeit tauf-max von 15 Minuten parametriert. Bei Einschalten der Heizung zum Zeitpunkt t1 ist die Regelabweichung xw1 aus maximaler Regelabweichung xwmax mit 7,5 K abzüglich Schienen-Isttemperatur X1 - Xn zum Zeitpunkt t1 (7,5 K - - 4 K) 11,5 K. Aus Vergleich Regelabweichung xw1 mit maximaler Regelabweichung xwmax ergibt Regelabweichung xw1 ist größer als maximale Regelabweichung xwmax und das Leistungsverhältnis L wird zum Zeitpunkt t1 erhöht, z.B. auf 100 %. Nach Ablauf der Aufheizzeit tauf zum Zeitpunkt t2 beträgt die Regelabweichung xwn gleich Null und die Heizung wird abgeschaltet und nach einem kurzen Überschwingen der Schienen-Isttemperatur X1 kühlt die Schiene ab. Bei Erreichen der unteren Hysterese Schienentemperatur XH erfolgt die Erfassung der Regelabweichung xwregel und Vergleich der Regelabweichung xwregel mit der maximaler Regelabweichung xwmax analog beim Aufheizen und in Abhängigkeit davon das Vermindern des Leistungsverhältnisses L, z.B. auf den parametrierten Wert von 66,6 % unter Berücksichtigung einer parametrierbaren Hysterese Regelabweichung xwH.
  • In Figur 9 sind die Betriebsmodi in Abhängigkeit von der Niederschlagsqualität und die dafür vorgesehenen Offsets für in Abhängigkeit von Niederschlagsmenge und Umgebungstemperatur und/oder Schienentemperatur X kalte Schiene dargestellt.
  • Bei Betriebsmodus "kein Niederschlag" erfolgt "Tieftemperaturheizen" bei Einschaltbedingung "Tieftemperaturheizen EIN" mit einer Schienen-Solltemperatur Xs von + 6 °C und einer Erhöhung der Schienen-Solltemperatur Xs um 1 K/°C ab einer parametrierbaren Umgebungs- oder Schienentemperatur X (kalte Schiene) und bei Einschaltbedingung "Tieftemperaturheizen EIN" mit einem Schienen-Solltemperatur Xs von - 99 °C, d.h. es erfolgt keine Einschaltung der Heizung.
  • Bei Betriebsmodus "Prognose Niederschlag" durch bspw. eine Wetterstation 2 erfolgt mit einer Schienen-Solltemperatur Xs von 0 °C und keiner Erhöhung der Schienen-Solltemperatur Xs in Abhängigkeit von Niederschlagsmenge und Umgebungstemperatur.
  • Bei Betriebsmodus "Flugschnee möglich" durch Auswerten der Wetterhistorie bspw. durch Erfassung des zeitlichen Verlaufs Lufttemperatur erfolgt mit einer Schienen-Solltemperatur Xs von 0 °C und keiner Erhöhung der Schienen-Solltemperatur Xs in Abhängigkeit von Niederschlagsmenge und Umgebungstemperatur.
  • Bei Betriebsmodus "Regen" bspw. durch eine Wetterstation 2 erfolgt mit Schienen-Solltemperatur Xs von +1°C und keiner Erhöhung der Schienen-Solltemperatur Xs in Abhängigkeit von Niederschlagsmenge und einem Umgebungstemperaturoffset von 1 K auf die Schienen-Solltemperatur Xs ab einer Umgebungs- bzw. Schienentemperatur kalte Schiene pro - 1 °C.
  • Bei Betriebsmodus "Schnee" bspw. durch eine Wetterstation 2 erfolgt mit einer Schienen-Solltemperatur Xs von + 3 °C und einer Erhöhung Schienen-Solltemperatur Xs um 1 K in Abhängigkeit von der über erfasste Schneemenge und daraus abgeleiteter Schneehöhe pro Zeiteinheit, z.B. Schneehöhe ab 2 cm pro Stunde und einem zusätzlichen Umgebungstemperaturoffset von 1 K auf die Schienen-Solltemperatur Xs ab einer Umgebungs- bzw. Schienentemperatur kalte Schiene pro -1 °C.
    • Bezugszeichen
    • 1
    Schaltverteilung
    2
    Wetterstation
    3
    Steuerungseinrichtung
    5
    Schaltgerät
    6
    Heizabgang
    7
    Heizelemente
    8
    Schienentemperatursensor
    9
    Stromnetz
    10
    Regler
    12
    Weiche
    13
    Schieberegister
    14
    Takter
    B
    vorgebbarer Betriebsparameter
    Hz
    Heizanforderung
    L
    Leistungsverhältnis
    Lf
    festes Leistungsverhältnis
    Le
    mit extern erfassbarem Betriebsparameter (B) korrelierendes Leistungsverhältnis
    La
    aktives Leistungsverhältnis
    Lpro
    projektspezifisches Leistungsverhältnis
    Pmax
    installierte Leistung
    Pn
    Leistung Weiche
    Tpar
    parametrierbarer Temperaturwert
    St
    Stellsignal
    tpar
    parametrierbare Zeit
    tn
    Zeitpunkt
    tmax
    max. Aufheizzeit
    tauf
    parametrierbare Aufheizzeit
    tauf-max
    projektspezifisch parametrierbare maximale Aufheizzeit tauf
    tr
    Regelzeit
    tz
    Regelzyklus
    X
    Schienentemperatur
    Xn
    Schienen-Isttemperatur
    Xs
    Schienen-Solltemperatur
    Xe
    Endwert der Schienentemperatur
    xwn
    Regelabweichung Weiche
    xwsn
    Steigung Regelabweichung Weiche
    xwmax
    maximal zulässige Regelabweichung
    xwregel
    Regelabweichung Regeln
    xwauf
    Regelabweichung Aufheizzeit tauf
    xwsteig
    Steigung der Regelabweichung xwauf
    Yn
    Stellsignal "Heizen Weiche EIN"
    Ymax
    Stellsignal "Leistungsverhältnis max"
    Zt
    Taktzeit

Claims (12)

  1. Verfahren zum Energiemanagement einer elektrischen Weichenheizungsanlage, die zumindest zwei Weichen (12), an denen jeweils mindestens ein Heizelement (7) angeordnet ist, zumindest eine Schaltverteilung (1) mit mindestens einem Heizabgang (6) je Weiche (12) und zumindest eine Steuerungseinrichtung (3) zum Steuern und Regeln der Schienentemperatur (X) aufweist, umfassend die Schritte:
    a) während des Heizbetriebes der elektrischen Weichenheizungsanlage Bilden von zyklisch nacheinander folgenden Taktzeiten (Zt),
    b) für jede Taktzeit (Zt) Bilden mindestens eines Leistungsverhältnisses (L) entsprechend der Anzahl eingeschalteter und ausgeschalteter Heizabgänge (6),
    c) während jeder Taktzeit (Zt) zumindest eines festen Leistungsverhältnisses (Lf) oder eines mit zumindest einem extern erfassbaren Betriebsparameter (B) korrelierenden Leistungsverhältnisses (Le) Aktivieren der Heizabgänge (6) der Reihe nach beginnend mit den eingeschalteten oder ausgeschalteten Heizabgängen (6) entsprechend dem Leistungsverhältnis (L) und Deaktivieren der übrigen Heizabgänge (6) in umlaufender schrittweiser Betriebsweise,
    d) dadurch Ausführen zumindest eines aktiven Leistungsverhältnisses (La), wobei eine Anpassung des zumindest einen aktiven Leistungsverhältnisses (La) vorgenommen wird, die in Abhängigkeit einer tatsächlichen Regelabweichung erfolgt und ein Grenzwert "maximale Regelabweichung" ermittelt wird, indem beim Einschalten der elektrischen Weichenheizungsanlage mit projektspezifischem Leistungsverhältnis (Lpro) zwischen 60 % und 75 % innerhalb der Aufheizzeit (tauf) eine vorhandene Regelabweichung (xwauf) zu Beginn der Aufheizzeit (tauf) erfasst wird, wodurch der Quotient aus vorhandener Regelabweichung (xwauf) und einer Aufheizzeit (tauf) eine Steigung der Regelabweichung (xwsteig) ergibt, die gespeichert wird, so dass eine beim Heizen maximal zulässige Regelabweichung (xwmax) aus dem Produkt Steigung der Regelabweichung (xwsteig) und einer projektspezifisch parametrierbaren maximalen Aufheizzeit (tauf-max) ermittelt wird, wobei beim Überschreitung der maximalen Regelabweichung (xwmax) die Anpassung des zumindest einen aktiven Leistungsverhältnisses (La) auf 100 % erfolgt,
    d1) Wiederholen des Schritt d) nach einer vorgebbaren Zeitspanne oder bei Unterschreiten oder Überschreiten der maximalen Regelabweichung (XWmax),
    e) bei witterungsbedingter Heizanforderung (Hz) für zumindest eine Weiche (12) Berechnen der theoretischen Aufheizzeit bis zum Erreichen der vorgebbaren Schienensolltemperatur (Xs) der Weiche (12) und Vergleichen derselben mit einer parametrierbaren Aufheizzeit (tauf),
    e1) bei Überschreiten der parametrierbaren Aufheizzeit (tauf) Erhöhen des aktiven Leistungsverhältnisses (La) zumindest des betroffenen Heizabgangs (6), indem die Anzahl der pro Taktzeit (Zt) eingeschalteten Heizabgänge (6) um eins erhöht und die Anzahl der pro Taktzeit (Zt) ausgeschalteten Heizabgänge (6) um eins verringert oder das Leistungsverhältnis (La) auf 100 % erhöht wird,
    wobei nach und/oder vor jeder Taktzeit (Zt) die jeweilige Schienentemperatur (X) zumindest einer an die elektrische Weichenheizungsanlage angeschlossenen Weichen (12) mit der vorgebbaren Schienen-Solltemperatur (Xs) verglichen wird, wobei in Auswertung dieses Vergleichs die Zuordnung der eingeschalteten und ausgeschalteten Heizabgänge (6) innerhalb der zuordenbaren Gruppen (G) verändert wird, indem Heizabgänge (6) mit Erwärmungsüberschuss zugunsten von Heizabgängen (6) mit Erwärmungsdefizit während der jeweiligen Taktzeit (Zt) ausgeschaltet werden.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei in Abhängigkeit von dem zumindest einen extern erfassbaren Betriebsparameter (B) unterscheidbare Steuerungsarten mit entsprechend zugeordneten Schienen-Solltemperatur-Werten (Xs) gebildet werden, indem zu parametrierbaren Grundsollwerten jeweils Sollwertzuschläge addiert werden, wenn der zumindest eine extern erfassbare Betriebsparameter (B) überschritten oder/oder unterschritten wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei der extern erfassbare Betriebsparameter (B) ausgewählt ist aus Lufttemperatur, Luftfeuchte, Schienentemperatur (X), Schnee, Flugschnee und/oder Regen.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei durch Erfassen des Betriebsparameters "Schnee" die Schneehöhe mit einem geeigneten Sensor ermittelt und dadurch bei dem vorgebbaren Betriebsparameter "Lufttemperatur" eine Steuerungsart "Tieftemperaturheizen" aktiviert oder deaktiviert wird, indem über die Erfassung und Auswertung des zeitlichen Verlaufs des Betriebsparameters "Lufttemperatur" ein parametrierbarer Temperaturwert (Tpar) über eine vorgebbare Zeit und/oder über die Erfassung des Betriebsparameters "Regen" über eine parametrierbare Zeit (tpar) erfasst worden ist.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei in Schritt a) die zyklisch nacheinander folgenden Taktzeiten (Zt) gleicher Zeitdauer von 1 Sekunde bis 300 Sekunden, vorzugsweise 50 Sekunden bis 70 Sekunden, mit oder ohne Zeitpause gebildet werden.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das mindestens eine aktive Leistungsverhältnis (La) aus dem Quotienten aus Anzahl eingeschalteter Heizabgänge (6) oder ausgeschalteter Heizabgänge (6) und der gesamten Anzahl der Heizabgänge (6) der elektrischen Weichenheizungsanlage gebildet wird.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Schaltfolge der Heizabgänge (6) nach und/oder vor jeder Taktzeit (Zt) geändert wird.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der erfasste zeitliche Verlauf der Schienentemperatur (X) an mindestens einer Weiche (12) in der Steuerungseinrichtung (3) gespeichert und der Endwert der Schienentemperatur (Xe) mit einer vorgebbaren Schienensolltemperatur (Xs) verglichen wird, wobei die Anzahl der abgeschalteten Heizabgänge (6) während zumindest einer Taktzeit (Zt) durch die größte so ermittelte Temperaturdifferenz gebildet wird.
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei wenn die Schienentemperatur (X) an einer Weiche (12) mit einem nicht abgeschalteten Heizabgang (6) größer als die Schienen-Solltemperatur (Xs) ist, dieser Heizabgang (6) während der aktuellen Taktzeit (Zt) abgeschaltet wird.
  10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die tatsächliche Leistung während jeder Taktzeit (Zt) ermittelt und innerhalb einer vorgebbaren Zeitdauer die minimale tatsächliche Leistung, die mittlere tatsächliche Leistung und die maximale tatsächliche Leistung gespeichert wird.
  11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei während jeder Taktzeit (Zt) das aktive Leistungsverhältnis (La) überwacht wird, so dass wenn bei zumindest einmaligem Erhöhen des aktiven Leistungsverhältnisses (La) ein Leistungsverhältnis (La) von 100 % erreicht wird, in einem ersten Speicher, der mit der Steuerungseinrichtung (3) verbunden ist, die für diesen Moment aktuellen Betriebsparameter (B) gespeichert werden, wobei bei einer nachfolgenden Heizanforderung (Hz) diese gespeicherten Betriebsparameter (B) mit den dann aktuellen Betriebsparametern (B) verglichen werden, so dass wenn die dann aktuellen Betriebsparameter (B) gleich oder für die elektrische Weichenheizungsanlage schlechter sind als die gespeicherten Betriebsparameter (B), sofort ein Leistungsverhältnis (La) von 100 % eingestellt wird.
  12. Einrichtung zum Energiemanagement einer elektrischen Weichenheizungsanlage, die zumindest zwei Weichen (12), an denen jeweils mindestens ein Heizelement (7) angeordnet ist, zumindest eine Schaltverteilung (1) mit mindestens einem Heizabgang (6) je Weiche (12) und zumindest eine Steuerungseinrichtung (3) zum Steuern und Regeln der Schienentemperatur (X) aufweist, umfassend
    - zumindest einen Regler (10), der zwischen der Steuerungseinrichtung (3) in der Schaltverteilung (1) und einem Schaltgerät (5) des zumindest einen Heizabgangs (6) angeordnet ist, wobei der zumindest eine Regler (10) über eine binäre Verbindung und/oder eine Busverbindung mit der Steuerungseinrichtung (3) verbunden ist,
    - zumindest ein Schieberegister (13) mit Takter (14), das über eine binäre Verbindung und/oder eine Busverbindungmit dem zumindest einen Regler (10) verbunden ist,
    - zumindest einen Ausgang "Stellsignal Heizen Weiche EIN" (Yn) des Reglers (10), der über den Takter (14) des Schieberegisters (13) mit einem Steuereingang des Schaltgerätes (5) oder über ein Stellsignal max (Stmax) direkt mit dem Schaltgerät (5) verbunden ist,
    wobei über eine Verbindung zwischen der Steuereinrichtung (3) und dem Schieberegister (13) während jeder Taktzeit (Zt) das aktive Leistungsverhältnis (La) zu dem Schieberegister (13) und die Schienen-Solltemperatur (Xs) von der Steuerungseinrichtung (3) zu dem zumindest einen Regler (10) übertragbar ist, und ein vom aktiven Leistungsverhältnis (La) abweichendes Leistungsverhältnis (L) über das Stellsignal max (Stmax) von dem zumindest einen Regler (10) auf das Schaltgerät (5) über eine direkte Leitung übertragbar ist, und
    wobei in der Schaltverteilung (1) zumindest ein Speicher angeordnet ist, der über eine binäre Verbindung und/oder eine Busverbindung mit der Steuerungseinrichtung (3) verbunden ist, wobei über diese Verbindung zumindest ein Betriebsparameter (B) übertragbar und in dem zumindest einen Speicher speicherbar und von der Steuereinrichtung (3) aus diesem abrufbar ist.
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