Stromversorgung von Bahnsensoren mit isolierten DC/DC-Wandlern
25.11.2022
Viele Menschen denken bei einem Zug einfach an einen Bus auf Schienen. Schließlich gibt es Personenzüge schon seit 1825 und das Grundkonzept einer Lokomotive, die Waggons zieht, hat sich seither nicht wesentlich verändert.
Wer jedoch kürzlich die Innotrans 2024 in Berlin, der internationalen Leitmesse für Verkehrstechnik, besucht hat, wird festgestellt haben, dass Züge zunehmend zu Hightech-Systemen werden. Ein Aussteller gab an, dass sein Hochgeschwindigkeitszug mit über 7000 Sensoren ausgestattet ist. Das ist deutlich mehr, als man normalerweise in einem Bus benötigt.
Ein Grund für die starke Zunahme der Sensoren ist der anhaltende Bedarf an Verbesserungen bei Sicherheit, Zuverlässigkeit, Komfort und Leistung in der modernen Eisenbahninfrastruktur. Doch wie lässt sich die Sicherheit der Fahrgäste in bestehenden Schienenfahrzeugen verbessern, die eine Lebensdauer von mehreren Jahrzehnten haben und oft schon viele Jahre in Betrieb sind? Die Antwort liegt in der Nachrüstung mit erweiterten Sensoren und Überwachungssystemen, die den vorhandenen mechanischen Systemen eine zusätzliche Ebene der Kontrolle und Kommunikation hinzufügen.
Ein moderner Zug hat mehr mit einer IT-Server-Installation gemeinsam, als es auf den ersten Blick scheint. Ein bordeigenes Ethernet-Backbone unterstützt CCTV- und Beschallungssysteme, die über ein IP-Netzwerk laufen, überträgt Echtzeitinformationen für die Fahrgastinformationssysteme, bietet WiFi-Zugangspunkte und Sitzplatzreservierungsanzeigen und stellt eine Schnittstelle zu dezentralen Prozessor- und Gateway-Einheiten für die Steuerung sowie für Überwachung und Diagnose über das zentrale Zugsteuerungs- und Managementsystem (TCMS) bereit.
Abb. 1: Ethernet-Netzwerk im Zug
Welche Art von Sensoren werden also benötigt, und warum sind so viele erforderlich? In einem typischen Hochgeschwindigkeitszug gibt es bis zu 16 verschiedene Teilsysteme für Steuerung, Überwachung und Diagnose, die alle Sensoren zur Erfassung von Echtzeitparametern benötigen:
Ein Grund für die starke Zunahme der Sensoren ist der anhaltende Bedarf an Verbesserungen bei Sicherheit, Zuverlässigkeit, Komfort und Leistung in der modernen Eisenbahninfrastruktur. Doch wie lässt sich die Sicherheit der Fahrgäste in bestehenden Schienenfahrzeugen verbessern, die eine Lebensdauer von mehreren Jahrzehnten haben und oft schon viele Jahre in Betrieb sind? Die Antwort liegt in der Nachrüstung mit erweiterten Sensoren und Überwachungssystemen, die den vorhandenen mechanischen Systemen eine zusätzliche Ebene der Kontrolle und Kommunikation hinzufügen.
Ein moderner Zug hat mehr mit einer IT-Server-Installation gemeinsam, als es auf den ersten Blick scheint. Ein bordeigenes Ethernet-Backbone unterstützt CCTV- und Beschallungssysteme, die über ein IP-Netzwerk laufen, überträgt Echtzeitinformationen für die Fahrgastinformationssysteme, bietet WiFi-Zugangspunkte und Sitzplatzreservierungsanzeigen und stellt eine Schnittstelle zu dezentralen Prozessor- und Gateway-Einheiten für die Steuerung sowie für Überwachung und Diagnose über das zentrale Zugsteuerungs- und Managementsystem (TCMS) bereit.
Abb. 1: Ethernet-Netzwerk im Zug
Welche Art von Sensoren werden also benötigt, und warum sind so viele erforderlich? In einem typischen Hochgeschwindigkeitszug gibt es bis zu 16 verschiedene Teilsysteme für Steuerung, Überwachung und Diagnose, die alle Sensoren zur Erfassung von Echtzeitparametern benötigen:
HVAC-Systeme in Schienenfahrzeugen
Die Heizungs-, Lüftungs- und Klimaanlagen (Heating, Ventilation and Air-Conditioning, HVAC) sind auf dem Dach montiert und sorgen dafür, dass die Fahrgasträume im Winter warm und im Sommer kühl bleiben. Zusätzlich zirkulieren und filtern sie die Luft in den Waggons, was insbesondere während der Covid-Pandemie eine wichtige Funktion erfüllte. Pro Minute werden etwa 10 bis 30 Prozent der Luft erneuert. Daher ist es entscheidend, dass der Geräuschpegel der Ventilatoren gering bleibt und das Zirkulationssystem so ausgelegt ist, dass sämtliche Aerosole entfernt werden, ohne Toträume in Fußbereichen, Ecken oder Decken zu hinterlassen.
Zu den Sensoren, die in einem HVAC-System für Schienenfahrzeuge benötigt werden, zählen Sensoren für Temperatur (Innen-, Außen-, Kühlmittel- und Verdampferkerntemperatur), relative Luftfeuchtigkeit, Druck (Differenz-, Absolut- und Vakuumdruck), Massenstrom, Sonnenlicht (zur Anpassung der Heiz- und Kühlleistung), Filterluftbeschränkung sowie Luftqualität (Kohlendioxid CO2, flüchtige organische Verbindungen VOC und Partikel).
Zu den Sensoren, die in einem HVAC-System für Schienenfahrzeuge benötigt werden, zählen Sensoren für Temperatur (Innen-, Außen-, Kühlmittel- und Verdampferkerntemperatur), relative Luftfeuchtigkeit, Druck (Differenz-, Absolut- und Vakuumdruck), Massenstrom, Sonnenlicht (zur Anpassung der Heiz- und Kühlleistung), Filterluftbeschränkung sowie Luftqualität (Kohlendioxid CO2, flüchtige organische Verbindungen VOC und Partikel).
Überwachung und Sensorik des Drehgestells
Das Drehgestell besteht aus Rädern und Achsen, Lagern, der Primärfederung und den Bremsen. Bei elektrischen Zügen sind zusätzlich der Fahrmotor, die Kupplung und die Getriebemechanismen integriert. Es handelt sich um die anspruchsvollste Umgebung im Schienenfahrzeug, die besonders robuste und zuverlässige Sensoren erfordert.
Zu den Sensoren, die in einem Triebdrehgestell benötigt werden, zählen Sensoren für Motor-, Lager-, Brems- und Getriebetemperatur, Stöße und Vibrationen, Luft- oder Hydraulikdruck in den Bremszylindern, Traktionskontrolle, berührungslose magnetische Radschlupf-, Gang- und Geschwindigkeitssensoren sowie Gleisneutraldetektoren, die anzeigen, wo die Oberleitungen in neue Abschnitte übergehen.
Zu den Sensoren, die in einem Triebdrehgestell benötigt werden, zählen Sensoren für Motor-, Lager-, Brems- und Getriebetemperatur, Stöße und Vibrationen, Luft- oder Hydraulikdruck in den Bremszylindern, Traktionskontrolle, berührungslose magnetische Radschlupf-, Gang- und Geschwindigkeitssensoren sowie Gleisneutraldetektoren, die anzeigen, wo die Oberleitungen in neue Abschnitte übergehen.
Türsteuerung und Sicherheitssensoren im Zug
Um zu verhindern, dass sich Waggontüren während der Fahrt öffnen – sei es durch Störungen oder durch Druckwellen, die beim Passieren zweier Hochgeschwindigkeitszüge entstehen – sind die Sicherheitsanforderungen für das Öffnen und Schließen von Bahntüren sehr hoch. Türsensorik und -steuerung sind daher komplexe Systeme. Automatische Ein- und Ausstiegstüren werden meist elektrisch betätigt, während Türen zwischen Waggons oder Toilettentüren in der Regel mechanisch oder pneumatisch betrieben werden, da Toiletten mit Unterdruckspülung bereits über einen pneumatischen Anschluss verfügen. Eine Toilette benötigt zudem zahlreiche Sensoren, etwa für Wasser- und Abwassertankfüllstand, Luft- und Unterdruck sowie Belegung und Fahrgastalarm.
Zu den erforderlichen Sensoren für Türmechanismen zählen Sensoren zur Erfassung von Öffnungs- und Schließgeschwindigkeit sowie Türposition, Kraftsensoren zur Hinderniserkennung, Aktuatoren und Winkelsensoren für das Gestänge, kapazitive oder vandalismussichere Drucktasten zum Türöffnen und -schließen sowie Überwachungs- und Diagnosesysteme zur Erkennung von Verschleiß. Jeder Türcontroller sendet zudem Statusmeldungen an das TCMS, um den Triebfahrzeugführer darüber zu informieren, dass alle Türen vor der Abfahrt ordnungsgemäß geschlossen sind.
Zu den erforderlichen Sensoren für Türmechanismen zählen Sensoren zur Erfassung von Öffnungs- und Schließgeschwindigkeit sowie Türposition, Kraftsensoren zur Hinderniserkennung, Aktuatoren und Winkelsensoren für das Gestänge, kapazitive oder vandalismussichere Drucktasten zum Türöffnen und -schließen sowie Überwachungs- und Diagnosesysteme zur Erkennung von Verschleiß. Jeder Türcontroller sendet zudem Statusmeldungen an das TCMS, um den Triebfahrzeugführer darüber zu informieren, dass alle Türen vor der Abfahrt ordnungsgemäß geschlossen sind.
Fahrgastinformationssysteme (PIS) und Schnittstellen
Fahrgastinformationssysteme (Passenger Information Systems, PIS) werden benötigt, um den Fahrgästen zu helfen, sich auf das Verlassen des Zuges vorzubereiten, bevor dieser am nächsten Bahnhof eintrifft, und um sie über die Fahrt des Zuges oder über mögliche Verspätungen zu informieren. Einige Systeme enthalten auch lokale Wetterberichte, viele integrieren zudem Nachrichten, Unterhaltung oder Werbung. In älteren Zügen kann dies über Lautsprecherdurchsagen des Triebfahrzeugführers oder des Zugbegleiters erfolgen, in modernen Intercity- und Regionalzügen hat das PIS jedoch meist die Form von an der Stirnwand oder Decke montierten TFT- oder LED-Punktmatrix-Displays. Die Daten werden über ein 100Mbps-Ethernet oder serielle RS485-Busse, die auch mit den Sitzplatzreservierungsanzeigen verbunden sind, an die Displays übertragen und aktualisiert.
Hier können Sensoren für das Umgebungslicht zur Anpassung der Display-Helligkeit, Umgebungsgeräusche zur Anpassung der Lautsprecherlautstärke sowie GPS-Positionsverfolgung oder Touchscreen-Sensoren für interaktive Mensch-Maschine-Schnittstellen (HMI) benötigt werden. CCTV- oder Wärmebildkameras können ebenfalls in die audiovisuellen PIS-Systeme integriert werden, um die Sitzbelegung zu erfassen oder Brände zu erkennen.
Hier können Sensoren für das Umgebungslicht zur Anpassung der Display-Helligkeit, Umgebungsgeräusche zur Anpassung der Lautsprecherlautstärke sowie GPS-Positionsverfolgung oder Touchscreen-Sensoren für interaktive Mensch-Maschine-Schnittstellen (HMI) benötigt werden. CCTV- oder Wärmebildkameras können ebenfalls in die audiovisuellen PIS-Systeme integriert werden, um die Sitzbelegung zu erfassen oder Brände zu erkennen.
Abb. 2: Teilsysteme des Zuges
Ausbau von Sensornetzwerken in modernen Hochgeschwindigkeitszügen
Obwohl nur vier der 16 Teilsysteme betrachtet wurden, ist bereits deutlich, warum der in der Einleitung erwähnte Hochgeschwindigkeitszug mehr als 7000 Sensoren benötigt.Die meisten dieser Sensoren werden mit 24VDC versorgt, da dies dem Industriestandard entspricht. Einige müssen jedoch an die primäre Stromversorgung des Zuges angeschlossen werden, die in der Regel 110VDC beträgt. Zwar können mehrere Sensoren, die an einen lokalen Controller angeschlossen sind, über eine gemeinsame Stromversorgung betrieben werden, doch ist es häufig sinnvoller, die Stromschienen zu trennen und zu isolieren, um das System fehlertolerant zu gestalten. Wenn ein einzelner Sensor beschädigt wird oder ein Kurzschluss in der Verkabelung auftritt, sollte dies nicht das gesamte System beeinträchtigen.
Nehmen wir das Beispiel einer unzureichenden Stromversorgung und eines verketteten Datenverbindungssystems. Fällt ein einzelner Sensor aus, kann er die 24VDC-Versorgung unterbrechen und dadurch sowohl den Controller als auch andere Sensoren außer Betrieb setzen. Selbst ein Ausfall mit offenem Stromkreis kann die Datenverbindung unterbrechen, sodass nachfolgende Sensoren keine Kommunikation mehr ermöglichen.
In einem verbesserten Sensor- und Datenkommunikationsschema wird jede Komponente im System von einem separaten, isolierten DC/DC-Wandler mit Strom versorgt. Dadurch ist das System dauerhaft gegen Kurzschluss geschützt. Fällt ein einzelner Sensor aus, hat dies keine Auswirkungen auf andere Komponenten und überlastet die 110VDC-Versorgung nicht. Die Datenkommunikation erfolgt über ein Multi-Drop-Bus-Netzwerk, das auch dann funktioniert, wenn ein defekter Sensor nicht mehr am Datenbus teilnimmt. Selbst bei einer Störung des Datenbusses kann der Controller den Fehler erkennen und das TCMS alarmieren.
Wenn eine vollständige Fehlertoleranz auf allen Strom- und Datenleitungen erforderlich ist, eignet sich die folgende Topologie (Abbildung 5).
Wenn eine vollständige Fehlertoleranz auf allen Strom- und Datenleitungen erforderlich ist, eignet sich die folgende Topologie (Abbildung 5).
Die Stromversorgung des Controllers ist redundant. Fällt ein DC/DC-Wandler aus, liefert der andere weiterhin den benötigten Strom. Standardmäßige DC/DC-Wandler besitzen keine integrierte OR-Funktion, daher sind spezielle Ausführungen erforderlich. RECOM Plug & Play-Stromversorgungslösungen bieten echte Stromteilung an den Ausgängen, sodass die Wandler parallel geschaltet werden können – entweder für eine redundante N+1-Versorgung oder zur Erhöhung der verfügbaren Stromstärke.
Auf der Niederspannungsseite verfügt jeder Sensor über eine eigene isolierte DC/DC-Stromversorgung und Datenschnittstelle. Das bietet mehrere Vorteile: Fällt ein Sensor aus, beeinflusst er weder die Stromversorgung noch die Datenübertragung der übrigen Sensoren. Selbst bei einem Kurzschluss zu einer höheren Spannung, etwa zur 110VDC-Hauptversorgung, kann diese Spannung nicht zurückfließen und weder die interne Stromversorgung des Controllers noch die Datenbusverbindung zum TCMS beschädigen.
Abb. 6: RECOMs RMD und RMSD-Sortiment an Plug & Play DC/DC-Wandlern für den Bahnbetrieb für den Bahnbetrieb DC/DC-Stromversorgungen gemäß EN 50155.
RECOM bietet Platinen-DC/DC-Stromversorgungen für isolierte Sensorschnittstellen an, darunter ein 8W EN 50155-zertifiziertes Bauteil im DIP24-Format (32 × 20,3 × 11,2mm) sowie ein 20W oder 30W EN 50155-zertifiziertes Produkt im 1×1-Zoll-Gehäuse.
Abb. 7: RECOMs RP08, RP12, RPA20 und RPA30 DC/DC-Stromversorgungen für die PCB-Montage im Eisenbahnbereich.
Für anspruchsvollere Bahnanwendungen, wie zum Beispiel Sensor-Aktor-Kombinationen, bietet RECOM auch eine Reihe isolierter DC/DC-Stromversorgungen mit höherer Leistung auf Board-Level bis 200W an. Diese verfügen über einen Eingangsspannungsbereich von 4:1 oder 10:1, kontinuierlichen Kurzschlussschutz am Ausgang und sind nach EN 50155 zertifiziert.
Abb. 8: RECOM Front-End zu Back-End Bahnstromversorgungslösungen
Derzeit bietet nur RECOM eine so breite Palette an DC/DC-Stromversorgungen für den Bahnbereich an, die eine schnelle Implementierung von Sensoren oder die Nachrüstung bestehender Fahrzeuge ermöglicht. Diese Lösungen sind nicht nur nach der Bahnnorm EN 50155 vorzertifiziert, sondern erfüllen auch alle wichtigen technischen Bahnnormen, darunter EN 50121-3-2 für EMV, EN 50124-1 für Sicherheitsisolierung, EN 50125-1 für Umweltbedingungen und EN 45545-2 für Brandschutz.
Auf der Niederspannungsseite verfügt jeder Sensor über eine eigene isolierte DC/DC-Stromversorgung und Datenschnittstelle. Das bietet mehrere Vorteile: Fällt ein Sensor aus, beeinflusst er weder die Stromversorgung noch die Datenübertragung der übrigen Sensoren. Selbst bei einem Kurzschluss zu einer höheren Spannung, etwa zur 110VDC-Hauptversorgung, kann diese Spannung nicht zurückfließen und weder die interne Stromversorgung des Controllers noch die Datenbusverbindung zum TCMS beschädigen.
RECOM DC/DC-Wandler für die Integration von Bahnsensoren
RECOM bietet eine Reihe von All-in-One-DC/DC-Stromversorgungen, die mit einem EMV-Filter für den Bahnbereich und Verpolungsschutz ausgestattet sind. Sie ermöglichen eine Parallelschaltung der Ausgänge bei Leistungen von 40W bis 1000W, wobei sich die Stromversorgungen den Ausgangsstrom gleichmäßig teilen und die V/I-Kennlinie stabil bleibt. Der Eingangsspannungsbereich umfasst 4:1 24V, 36V, 110V oder einen ultraweiten Bereich von 14,4 bis 170VDC und deckt damit alle gängigen Bahnanforderungen ab. Die Geräte erfüllen die Temperaturklasse OT4 sowie ST1 und ST2, liefern die volle Ausgangsleistung und sind für natürliche Konvektionskühlung ausgelegt.
Abb. 6: RECOMs RMD und RMSD-Sortiment an Plug & Play DC/DC-Wandlern für den Bahnbetrieb für den Bahnbetrieb DC/DC-Stromversorgungen gemäß EN 50155.
RECOM bietet Platinen-DC/DC-Stromversorgungen für isolierte Sensorschnittstellen an, darunter ein 8W EN 50155-zertifiziertes Bauteil im DIP24-Format (32 × 20,3 × 11,2mm) sowie ein 20W oder 30W EN 50155-zertifiziertes Produkt im 1×1-Zoll-Gehäuse.
Abb. 7: RECOMs RP08, RP12, RPA20 und RPA30 DC/DC-Stromversorgungen für die PCB-Montage im Eisenbahnbereich.
Für anspruchsvollere Bahnanwendungen, wie zum Beispiel Sensor-Aktor-Kombinationen, bietet RECOM auch eine Reihe isolierter DC/DC-Stromversorgungen mit höherer Leistung auf Board-Level bis 200W an. Diese verfügen über einen Eingangsspannungsbereich von 4:1 oder 10:1, kontinuierlichen Kurzschlussschutz am Ausgang und sind nach EN 50155 zertifiziert.
Abb. 8: RECOM Front-End zu Back-End Bahnstromversorgungslösungen
Derzeit bietet nur RECOM eine so breite Palette an DC/DC-Stromversorgungen für den Bahnbereich an, die eine schnelle Implementierung von Sensoren oder die Nachrüstung bestehender Fahrzeuge ermöglicht. Diese Lösungen sind nicht nur nach der Bahnnorm EN 50155 vorzertifiziert, sondern erfüllen auch alle wichtigen technischen Bahnnormen, darunter EN 50121-3-2 für EMV, EN 50124-1 für Sicherheitsisolierung, EN 50125-1 für Umweltbedingungen und EN 45545-2 für Brandschutz.
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