FICHTNER, Bernd (Dorfstrasse 18 a, Colditz, 04680, DE)
REINKER, Wolfgang (Leipziger Strasse 21, Bad Lausick, 04651, DE)
FICHTNER, Bernd (Dorfstrasse 18 a, Colditz, 04680, DE)
| Patentansprüche: Anspruch 1 : Verfahren zum Energiemanagement für elektrische Weichenheizung mit mehreren Weichen, bestehend aus fester Backen- und beweglicher Zungenschiene, und Verteilung mit Steuerung und Detektion von Schnee durch Auswertung der Lufttemperatur und Niederschlag und 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, dadurch gekennzeichnet, dass die Backen- und Zungenschiene der Weiche jeweils außen und unten mit einzelnen klemmbaren und überlappenden Wärmeisolierungssegmenten durchgängig über die Länge versehen sind, die der mit Heizelementen bestückte Backenschienenlänge entspricht und dadurch beim Heizen mindestens gleiche lange Aufheiz- und Abkühlzeiten bei Schienensolltemperatur (14) und minimalen Betriebstemperaturen erzeugt werden und dass zur Leistungsbegrenzung die Steuer- und Regeleinrichtungen (3) ein oder mehreren Heizregime mit jeweils unterschiedlicher Anzahl Gruppen (54) entsprechend der Leistung der Heizabgänge zugeordnet werden, sodass alle Gruppen (2) eines Heizregimes annähernd gleiche Leistung aufweisen und jede Gruppe (2) eines Heizregimes regelmäßig, nacheinander und umlaufend über Gruppenfreigabe (1) einem Zeitfenster (8) variabler und gleicher maximaler Zeitdauer (9) zugeordnet ist, in dem die Steuer- und Regeleinrichtungen (3) der Gruppe (2) Heizimpulse (6) mit Tastverhältnis zwischen 0 und 100% erzeugen und die Gruppen (2) eines Heizregime über Gruppenfreigabe (1) reihum geschaltet werden und dass die Schienentemperatur unbeheizte Schiene (27), Schienentemperatur beheizte Schiene (15) für jede Gruppe (2) bzw. Weiche, der Luftdruck (58) als zusätzliche Daten und Wetterdienst (59) als zusätzliches Signal erfasst werden und das die Sollzeitkonstante der ungedämmten Schiene bei Dauerheizen, kurz Sollzeitkonstante ungedämmt (21), und die Sollzeitkonstante der wärmegedämmten Schiene bei Gruppenbetrieb mit entsprechender Anzahl Gruppen (54) , kurz Sollzeitkonstante gedämmt (22), an Schienenmuster ermittelt und in der Steuerung (45) hinterlegt ist und das eine Bezugstemperatur (25) aus Vergleich und Auswahl des niedrigsten Wertes aus aktueller Lufttemperatur (26) und aktueller Schienentemperatur einer unbeheizten Schiene, „Schienentemperatur unbeheizte Schiene" (27), ermittelt wird und dass bei ausgeschalteter Heizung die Voraussetzung zur gleichmäßigen Erwärmung aller Weichen mit geringster Leistung bei Bezugstemperatur durch Ermittlung eines Heizregime mit Anzahl Gruppen (54) erfolgt, indem die nächst kleinere natürliche Zahl aus dem Quotient aus maximaler Schienenübertemperatur der wärmegedämmten Schiene bei Dauerheizen, „maximale Schienenübertemperatur gedämmt Dauerheizen" (44), und der Differenz aus Schienensolltemperatur (14) abzüglich der Bezugstemperatur (25) als maximal mögliche Anzahl Gruppen ermittelt wird und dass bei eingeschalteter Heizung mit eingestellten Heizregime mit Anzahl Gruppen (54) laufend die Zeitkonstante und die Regelabweichung über die Schienentemperatur beheizte Schiene (15) ermittelt wird und dass bei eingeschalteter Heizung beim Hochheizen die gleichmäßige Erwärmung aller Weichen mit geringster Leistung bei Bezugstemperatur durch Ändern der Heizregime zwischen einer minimalen und maximalen Anzahl Gruppen (54) erfolgt, indem die Anzahl Gruppen (54) durch Ändern des Heizregime um eins verringert wird, wenn die Zeitkonstante einer Gruppe (2) des aktuellen Heizregime kleiner ist als die Sollzeitkonstante gedämmt (18) und um eins erhöht wird, wenn die Zeitkonstante aller Gruppen (2) des aktuellen Heizregime größer ist als die Sollzeitkonstante gedämmt (22) und dass bei eingeschalteter Heizung im eingeschwungenen Zustand die gleichmäßige Erwärmung aller Weichen mit geringster Leistung bei Bezugstemperatur durch Ändern der Heizregime zwischen einer minimalen und maximalen Anzahl Gruppen (54) erfolgt, indem die Anzahl Gruppen (54) durch Ändern des Heizregime um eins verringert wird, wenn die negative Regelabweichung einer Gruppe des aktuellen Heizregime unterschritten wird, und um eins erhöht wird, wenn die Regelabweichung aller Gruppen (2) über eine bestimmte Zeit eingehalten wird und die maximale Zeitdauer (9) der Zeitfenster (8) aller Gruppen(2) des aktuellen Heizregime unterschritten wird und dass eine Schienendifferenztemperatur (16) aus der Differenz der Schienensolltemperatur (14) und der Bezugstemperatur (25) gebildet wird, die ein Maß für den Temperaturbereich von der Bezugstemperatur (25) bis zur Schienensolltemperatur (14) ist und beim Hochheizen der Schiene bei Dauerheizen und bei Gruppenbetrieb überwunden werden muss, und dass eine Heizzeit ungedämmt (17) aus der Sollzeitkonstante ungedämmt (21) bei Schienendifferenztemperatur (16) und eine Heizzeit gedämmt (18) aus der Sollzeitkonstante gedämmt (22) bei Schienendifferenztemperatur (16) ermittelt wird und die Differenz aus Heizzeit gedämmt (18) und Heizzeit ungedämmt (17) einer Vorheizzeit (23) entspricht, die ein Maß für die zusätzliche Zeit bei Gruppenbetrieb gegenüber Dauerheizen bis zur Schienensolltemperatur (14) ist, und dass eine Vorheizdifferenztemperatur (43) aus der Erwärmung der gedämmten Schiene bei Gruppenbetrieb bei Anzahl Gruppen (54), kurz maximale Schienenübertemperatur gedämmt Gruppenbetrieb (20), und Sollzeitkonstante gedämmt (22) und Vorheizzeit (23) ermittelt wird, die ein Maß für den Temperaturbereich von der Bezugstemperatur (25) bis zur Schienentemperatur beheizte Schiene (15) bei der Vorheizzeit (23) beim Hochheizen bei Gruppenbetrieb entspricht, und dass aus der Summe einer Vorheizdifferenztemperatur (43) und Bezugstemperatur (25) eine Vorheiztemperatur (24) ermittelt wird und dass über einen Eingang Wetterdienst (59) oder aus der Lufttemperatur (26) mit oder ohne Verbindung mit Luftdruck (58) ein zusätzliches Signal Schneeverdacht (28) gebildet wird und damit eine zusätzliche Heizart Vorheizen (56) durch Einschalten des Reglers (57) der Steuer- und Regeleinrichtung (3) über Heizfreigabe (33) und Heizfreigabesignal (32) sowie durch Signal Schneeverdacht (28) und einer Bezugstemperatur (25), die kleiner ist als der Schwellwert der Lufttemperatur (26) zur Detektion von Schnee, der Sollwert (10) des Reglers (57) der Steuer- und Regeleinrichtung (3) der Vorheiztemperatur (24) und bei Detektion von Schnee der Sollwert (10) der Schienensolltemperatur (14) entspricht, Anspruch 2: Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren in gleicher Art für Zweipunktregelung einzusetzen ist. Anspruch 3: Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren in gleicher Art bei tiefer Lufttemperatur einzusetzen ist. Anspruch 4: Einrichtung zum Energiemanagement für elektrische Weichenheizung mit mehreren Weichen, bestehend aus fester Backen- und beweglicher Zungenschiene, und Verteilung mit Steuerung und Erfassung von Schnee durch Auswertung der Lufttemperatur und Niederschlag und 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, mit der eine Verringerung der Energiebereitstellungskosten erreicht wird dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung (45) einen Heizregimespeicher (34) aufweist, in dem jede Steuer- und Regeleinrichtung (3) mit einer Gruppennummer (55) jedem Heizregime zugeordnet ist und dass in einer Heizregimevorwahl (35) vor einem Heizfreigabesignal (32) eine Zahl entsprechend der Formel rrax.gad.dauer _ ■■ < — < max.qed.dauer n P N aus der maximalen Schienenübertemperatur gedämmt Dauerheizen (Tmax.ged.dauer) , der Schienensolltemperatur (14) und der Bezugstemperatur (25) ermittelt wird, wobei n natürliches Element der natürlichen Zahlen N ist, und diese Zahl n der Anzahl Gruppen (54) des eingestellten Heizregimes entspricht und dass in einer Heizregimeanpassung (46) während eines Heizfreigabesignal (32) bei Wärmebedarfssignal (30) einer Gruppe (2) des aktuellen Heizregime die Anzahl Gruppen (54) um eins verringert oder bei Wärmeüberschusssignal (31) aller Gruppen des aktuellen Heizregime(2) die Anzahl Gruppen (54) um eins erhöht wird, indem eine anderes Heizregime mit Anzahl Gruppen (54) eingestellt wird und dass in einem Gruppensteuerwerk (47) alle Gruppen (2) eines Heizregime über Gruppenfreigabe (1) umlaufend verbunden sind und in jeder Gruppe (2) nacheinander reihum variable Zeitfenster (8) gleicher maximaler Zeitdauer (9) gebildet werden, in denen für die Steuer- und Regeleinrichtungen (3) der Gruppe (2) Heizberechtigungssignale (4) erzeugt und nach Ablauf der maximalen Zeitdauer (9) des Zeitfensters (8) oder bei Heizendesignalen (5) der Steuer- und Regeleinrichtungen (3) das aktuelle Zeitfenster (8) geschlossen wird und über Gruppenfreigabe (1) die nachfolgende Gruppe (2) aktiviert wird und dass in einem Regler (57) der Steuer- und Regeleinrichtung (3) durch Heizfreigabesignal (32) über Tastverhältnis 0 bis 100% in Abhängigkeit von der Regelabweichung der Schienentemperatur beheizte Schiene (15) ein Heizimpuls (6) variabler Länge erzeugt und bei Ende der Heizimpulse (6) Heizendesignal (5) erzeugt wird und dieses auf das Gruppensteuerwerk (47) der Steuerung (45) wirkt und dass der Regler (57) der Steuer- und Regeleinrichtung (3) über zusätzliches Signal Schneeverdacht (28) ein Heizfreigabesignal (32) und einen über Sollwertumschalter (48) schaltbaren Sollwert erhält, der bei Schneeverdacht (28) und Bezugstemperatur, die kleiner als ein parametrierter Schwellwert der Lufttemperatur (26) ist, der Vorheiztemperatur (24) entspricht und bei Detektion Schnee der Sollwert auf die Schienensolltemperatur (14) geschaltet wird, und dass in der Steuer- und Regeleinrichtung (3) ein Wärmediskriminator (37) mit Eingängen Bezugstemperatur (25), Schienensolltemperatur (14), Regelabweichung, Schienentemperatur beheizte Schiene (15) , Sollzeitkonstante gedämmt (22) , Regelabweichung und Sollwert (10) vorhanden ist und das der Wärmediskriminator (37) einen Diskriminator Hochheizen (52) enthält, der die Zeitkonstante durch Erfassen der Schienentemperatur beheizte Schiene (15) ermittelt und mit der Sollzeitkonstante gedämmt (22) vergleicht und bei negativer Differenz ein Wärmebedarfssignal (30) und bei positiver Differenz ein Wärmeüberschusssignal (31) erzeugt und dass der Wärmediskriminator (37) einen Diskriminator eingeschwungener Zustand (53) enthält, der bei Unterschreiten der Schienentemperatur beheizte Schiene (15) ein Wärmebedarfssignal (30) und bei Einhaltung der Regelabweichung über eine bestimmte Zeit sowie Heizendesignal (5) vor Ablauf der maximalen Zeitdauer (9) des Zeitfensters (8) ein Wärmeüberschusssignal (31) erzeugt, und dass in der Steuer- und Regeleinrichtung (3) die Vorheizzeit (23) für jedes Heizregime mit Anzahl Gruppen (54) entsprechend der nachfolgenden Formel ermittelt wird und dass in der Steuer- und Regeleinrichtung (3) die aktuelle Vorheiztemperatur (24) für jedes Heizregime mit Anzahl Gruppen (54) nach der Formell v Q vor = \ T ■ max.ged.gruppe 1 ermittelt wird und dass ein Notfallmanager (49) in Art eines Blinkrelais mit parallelen Eingängen für Überbrückungsschalter, Watchdoc und Freigabeverlust und jeweils einer von zwei Ausgängen fortlaufend mit einem Leistungsschaltgerät der Steuer- und Regeleinrichtungen (3) verbunden ist, sodass diese im Notfall abwechselnd direkt geschalten werden. Anspruch 5: Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, das die Steuerung (45) und die Steuer- und Regeleinrichtung (3) mit Mikroprozessorsteuerung und Software ausgeführt sind und über Datenbus untereinander verbunden sind. Anspruch 6: Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorheiztemperatur (24) eine Differenz zur Schienensolltemperatur (14) oder eine feste reale Zahl ist. Anspruch 7: Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorheizzeit (23) über den zeitlichen Verlauf der Lufttemperatur (26) ermittelt wird. Anspruch 8: Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Gruppen (2) über Zeitfenster (8) mit fest eingestellter Zeitdauer (9) gesteuert werden und die Erzeugung der Zeitfenster (8) in der Steuerung (45) oder den Steuer- und Regeleinrichtung (3) erfolgen kann. Anspruch 9: Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung für Zweipunktregelung einzusetzen ist. Anspruch 10: Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung für niedrige Lufttemperatur einzusetzen ist. |
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zum Energiemanagement einer elektrischen Weichenheizung mit mehreren
Weichen, bestehend aus fester Backen- und beweglicher Zungenschiene, und mit einer elektrischen Verteilung mit Steuerung und mehreren Heizabgängen mit Steuer- und Regeleinrichtung pro Heizabgang.
Zur Vermeidung des Einfrierens von Weichen bei niedrigen Temperaturen und Eis und Schnee werden diese durch Weichenheizungen über elektrische Heizelemente an den Schienen beheizt.
Derartige elektrische Weichenheizungen sind aus der DE 198 32 535 C2 sowie DE 198 49 637 Cl bekannt und 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 verhindert.
Die Detektion von Schnee und Eis erfolgt über die Erfassung und Auswertung von Lufttemperatur und Niederschlag. Bei zusätzlichen Unterschreiten die Schienenisttemperatur unter eine parametrierbare Schienensolltemperatur; zum Beispiel +4°C, wird die gesamte Weichenheizung eingeschaltet und dadurch 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 Schienensolltemperatur in Zweipunkt- oder Konstanttemperaturregelung. 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 Null. In der Regel wird für jede Weiche in der elektrischen Verteilung ein Heizabgang mit Steuer- und Regeleinrichtung angeordnet.
Aus der DE 100 43 571 Cl 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 der Führungsweiche 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 Schienensolltemperatur 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, mit dem die einzelnen Weichen in Abhängigkeit zum 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 Schienensolltemperatur 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 Schienensolltemperatur. Die Priorisierung erfolgt nach der Wichtigkeit der zu beheizenden Weichen und kann eingestellt werden. Nachteilig ist, dass für Weichen mit nachrangiger Priorität eine geringe Leistung zur Beheizung zur Verfügung steht und die Schienensolltemperatur derselben zeitversetzt erreicht wird. Aus der DE 199 32 833 Al 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.
Es ist weiterhin bekannt, alle Schienen einer Weichenheizung bei
Unterschreiten einer parametrierbaren bestimmter Lufttemperatur, zum Beispiel kleiner +3°C, auf eine geringe Schienensolltemperatur, zum Beispiel + 2 0 C vorzuheizen und bei zusätzlichem Niederschlag auf eine höhere Schienensolltemperatur, zum Bespiel +4°C, zu heizen. Nachteilig ist der damit verbundene erhöhte Energieverbrauch.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Energiemanagement für elektrische Weichenheizung mit mehreren Weichen und Verteilung mit Heizabgängen und Steuerung und Detektion von Schnee in Auswertung der Lufttemperatur und Niederschlag sowie Erfassen der Schienentemperatur der beheizten Schiene und mit Steuer- und Regeleinrichtung zum Schalten, Steuern, Regeln und Überwachen für jeden Heizabgang durch Reduzierung der gleichzeitig wirksamen installierten elektrischen Heizleistung durch zeitversetzte und gestaffelte Leistungs- zuschaltung der Heizabgänge zu schaffen, mit der eine Verringerung der Energiebereitstellungskosten bei gleicher Priorität und gleichen Betriebstemperaturbereich der Weichen und gleichzeitigen Erwärmen aller angeschlossenen Weichen gegenüber dem Stand der Technik erreicht wird.
Die Lösung der Aufgabe erfolgt durch ein Verfahren mit den folgenden Merkmalen.
Die Schienen werden mit Wärmeisolierungssegmenten über die gesamte beheizte Schienenlänge gedämmt, dadurch entsteht bei gleicher Heizleistung ein Energieüberschuss, der an der Schiene annähernd eine Verdoppelung der „maximalen Schienenübertemperatur gedämmt Dauerheizen" gegenüber der „maximalen Schienenübertemperatur ungedämmt Dauerheizen" zur Folge hat und innerhalb des gesamten Betriebstemperaturbereiches der Weichenheizung entstehen Heizpausen durch genügend große Abkühlzeiten, in denen bei Einhaltung der Regelabweichung der Schienentemperatur beheizte Schiene keine Heizung erforderlich ist. Es werden mehrere Heizregime mit unterschiedlicher Anzahl Gruppen mit gleicher Priorität gebildet, zum Beispiel Heizregime mit 2, 3 und 4 Gruppen, und die Gruppen bestehen aus einem oder mehreren Heizabgängen, die Gruppen eines Heizregimes weisen annähernd gleiche Leistung auf und werden nacheinander, zeitversetzt und umlaufend über Gruppenfreigabe aktiviert und es werden in jeder Gruppe nacheinander gleich große Zeitfenster maximaler Zeitdauer gebildet und innerhalb des Zeitfensters die Steuer- und Regeleinrichtungen einer Gruppe über Heizberechtigungssignal aktiviert und erzeugen einen Heizimpuls über variablen Tastverhältnis in Abhängigkeit von der Differenz aus Schienensolltemperatur und Schienentemperatur beheizte Schiene, das entspricht der Regelabweichung. Bei Ablauf der maximalen Zeitdauer oder vorzeitig bei Ende des Heizimpuls über Heizendesignal aller Steuer- und Regeleinrichtungen der Gruppe wird das aktuelle Zeitfenster geschlossen und unmittelbar die nachfolgende Gruppe aktiviert, dadurch erfolgt die Heizung in Gruppenbetrieb.
Die Anzahl der Gruppen vor Auftreten eines Heizfreigabesignals, das heißt bei nicht aktiver Heizung, in Abhängigkeit von der maximalen
Schienenübertemperatur gedämmt Dauerheizen unter Berücksichtigung der Umgebungstemperatur durch Bildung einer Bezugstemperatur, die der aktuellen niedrigsten Luft- oder Schienentemperatur unbeheizte Schiene entspricht, und aus der Schienensolltemperatur in der Steuerung wird wie folgt gebildet
max.qad.dauθr _ -i < _ < max.gsd.dauer n e= N
^soll ~ ^Bez ^SOlI "" ^Bez wobei n natürliches Element der natürlichen Zahlen N ist mit
T max gβd dauβr = max. Übertemperatur gedämmt Dauerheizen
9 soD = Schienensolltemperatur y Bβz = Bezugstemperatur und ein Heizregime mit Anzahl Gruppen n eingestellt wird und während einen Heizfreigabesignal, das heißt bei eingeschalteter Heizung, in der Steuerung die Anzahl der Gruppen in Abhängigkeit von Wärmebedarf oder Wärmeüberschuss bei Gruppenschaltung und eingestellten Heizregime die Anzahl Gruppen verringert oder erhöht werden, indem ein anderes Heizregime eingestellt wird.
Im Einzelnen erfolgt das derart, dass die Anzahl der Gruppen während einem Heizfreigabesignal , dass heißt während dem Hochheizen der Heizung bis Erreichen der Schienensolltemperatur, über Erfassung der Schienentemperatur beheizte Schiene jeder Gruppe oder Weiche und daraus gebildeter Zeitkonstante und Vergleich mit der Sollzeitkonstante gedämmt und im eingeschwungenen Zustand der Heizung nach Erreichen der Schienensolltemperatur, über Erfassen und Auswerten der Regelabweichung der Schienentemperatur beheizte Schiene an jeder Gruppe oder Weiche bei Überschreiten einer Toleranz die Anzahl Gruppen ebenfalls um eins verringert oder erhöht wird und dadurch die Störgrößen Wind, Schneetreiben und zusätzliche Schmelzwärme für Schneefall kompensiert werden. Dies geschieht in der Zeit bis zum Erreichen der Schienensolltemperatur derart, dass in einem Wärmediskriminator der Steuer- und Regeleinrichtung die Zeitkonstante durch Erfassen der Schienentemperatur beheizte Schiene ermittelt wird und mit der Sollzeitkonstante gedämmt verglichen wird und bei negativer Differenz bei einer Gruppe des eingestellten Heizregime die Anzahl der Gruppen über Wärmebedarfssignal um eins verringert wird und ein Heizregime mit geringerer Anzahl Gruppen aktiviert wird und bei positiver Differenz zuzüglich einer einstellbaren Toleranz bei allen Gruppen des eingestellten Heizregimes die Anzahl der Gruppen über Wärmeüberschusssignal um eins erhöht wird und ein Heizregime mit höherer Anzahl Gruppen aktiviert wird. Außerdem in der Zeit während der Heizung nach Erreichen der Schienensolltemperatur derart, dass die Regelabweichung in dem Wärmediskriminator der Steuer- und Regeleinrichtung erfasst und überwacht wird und bei Unterschreiten einer Toleranz von ca. 0,5 0 K bei einer Gruppe die Anzahl Gruppen über Wärmebedarfssignal um eins verringert wird, und über Wärmeüberschusssignal um eins erhöht wird, wenn die Schienensolltemperatur zuzüglich einer Toleranz von ca. 0,5 0 K über eine bestimmte Zeit bei allen Gruppen und die maximale Zeitdauer der Zeitfenster aller Gruppen durch Überwachung des Grenzwertes aus 100 / (Anzahl Gruppen +1) eingehalten wird.
Der Zeitverlust bei Einschalten der Heizung in Gruppenbetrieb mit mehreren Gruppen wird durch eine zusätzliche Heizart Vorheizen kompensiert, sodass bereits bei Schneeverdacht die Schiene auf eine Vorheiztemperatur erwärmt wird. Die Bildung des Signals erfolgt derart, dass über Eingänge Wetterdienst oder Lufttemperatur in Verbindung mit Luftdruck ein zusätzliches Signal Schneeverdacht in der Steuerung gebildet wird, das in den Steuer- und Regeleinrichtungen in der Heizfreigabe zusätzliches Heizfreigabesignal bei Schneeverdacht und damit vor der Detektion von Schnee erzeugt und über Sollwertumschalter einen Sollwert entsprechend der ermittelten
Vorheiztemperatur am Regler aktiviert wird und damit die Heizung in Gruppenbetrieb bis zu dieser Vorwärmtemperatur erfolgt. Bei Detektion von Schnee über Eingänge Lufttemperatur und Niederschlag wird über Sollwertumschalter der Sollwert für den Regler auf Schienensolltemperatur geschalten.
Dadurch wird gewährleistet, dass bei jedem Heizregime in Gruppenschaltung bei Auftreten von Schnee die Schienensolltemperatur genauso schnell wie bei der ungedämmten Schiene in Dauerbetrieb erreicht wird. Die Vorheiztemperatur ist niedriger als die Schienensolltemperatur und wird über die Vorheizzeit unter Berücksichtigung der aktuellen niedrigsten Umgebungstemperatur über die Bezugstemperatur ermittelt. Die Bezugstemperatur entspricht der aktuellen geringsten Lufttemperatur oder der Schienentemperatur unbeheizte Schiene. Die Vorheizzeit ist die Differenz aus der Heizzeit gedämmt in Gruppenbetrieb, die über die Sollzeitkonstante der gedämmten Schiene bei Gruppenheizen bis zum Erreichen der Schienendifferenztemperatur, das ist die Schienensolltemperatur zuzüglich Bezugstemperatur, und der Heizzeit ungedämmt bei Dauerheizen, die über die Sollzeitkonstante der ungedämmten Schiene bei Dauerheizen bis zum Erreichen der gleichen Schienendifferenztemperatur ermittelt wird. Die Vorheiztemperatur ergibt sich aus der Erwärmung mit maximaler Schienenübertemperatur gedämmt bei Gruppenbetrieb und Sollzeitkonstante gedämmt und ermittelter Vorheizzeit zuzüglich der Bezugstemperatur.
Zur Lösung der gestellten Aufgabe zeichnet sich ferner eine zum Durchführen des obigen Verfahrens geeignete Einrichtung zum Energiemanagement für elektrische Weichenheizung mit mehreren Weichen und Heizabgängen mit Steuerung und Steuer- und Regeleinrichtung zum Schalten, Steuern, Regeln und Überwachen für jeden Heizabgang durch Reduzierung der gleichzeitig wirksamen installierten elektrischen Heizleistung über zeitversetzte und gestaffelte Leistungszuschaltung der Heizabgänge zur Verringerung der Energiebereitstellungskosten bei gleicher Priorität der Weichen und Gewährleistung des analogen Betriebstemperaturbereichs gegenüber herkömmlicher Weichenheizung dadurch aus, dass gegenüber dem Stand der Technik in der Steuerung zusätzliche Eingänge Wetterdienst, Luftdruck und Schienentemperatur unbeheizte Schiene vorhanden sind und mehrere Heizregime mit unterschiedlicher Anzahl Gruppen gleicher Priorität gebildet werden, zum Beispiel Heizregime mit 2, 3 und 4 Gruppen, und innerhalb jedes Heizregimes die Steuer- und Regeleinrichtungen entsprechend der Leistung des Heizabganges einer Gruppe tabellenartig über Gruppennummer zugeordnet werden , sodass die Gruppen eines Heizregimes annähernd gleiche Leistung aufweisen und vor Auftreten eines Heizfreigabesignals, das heißt vor dem Heizen, in der Steuerung ein Heizregime mit einer Anzahl Gruppen aus verschiedenen Heizregime ausgewählt und während des Heizfreigabesignals, das heißt während dem Heizen, in der Steuerung auf andere Heizregime mit weniger oder mehr Gruppen geschaltet wird durch gebildete Wärmebedarfssignal und Wärmeüberschusssignal durch Überwachen der Zeitkonstanten und der Regelabweichung der Schienentemperatur zuzüglich Toleranz in einem Wärmediskriminator in den Steuer- und Regeleinrichtungen indem die Anzahl Gruppen bei Abweichung einer Gruppe um eins verringert oder bei Abweichung aller Gruppen um eins erhöht wird und die Gruppen nacheinander, gestaffelt und umlaufend über Bildung variabler Zeitfenster mit gleich großer maximaler Zeitdauer durch Gruppenfreigabe aktiviert werden und innerhalb jedes Zeitfenster durch Heizberechtigungssignal in den Regler der Steuer- und Regeleinrichtungen ein Heizimpuls variabler Zeitdauer über variable Tastverhältnisse zwischen 0 und 100% in Abhängigkeit von der Regelabweichung der Schienentemperatur erzeugt wird und bei Ende des Heizimpuls Heizendesignal gebildet wird und über UND-Verknüpfung aller Heizendesignale einer Gruppe oder nach Ablauf der maximalen Zeitdauer des Zeitfenster die nächste Gruppe über Gruppenfreigabe aktiviert wird.
Ein weiteres Merkmal besteht darin, dass die Steuer- und Regeleinrichtung gegenüber dem Stand der Technik über zusätzliches Signal Schneeverdacht ein Heizfreigabesignal bildet und über Sollwertumschalter der Regler mit variablen Sollwert aus ermittelter Vorheiztemperatur aktiviert wird und in einem Wärmediskriminator während der Heizfreigabe bei Schnee und bei Schneeverdacht
- ein Wärmebedarfssignal erzeugt wird, wenn in der Zeit bis zum Erreichen der Schienensolltemperatur die ermittelte Zeitkonstante über die Erfassung der Schienentemperatur beheizte Schiene kleiner als die Sollzeitkonstante der gedämmten Schiene ist oder in der Zeit nach Erreichen der Schienensoll- temperatur eine negative Regelabweichung aus Schienensolltemperatur abzüglich Schienentemperatur beheizte Schiene zuzüglich einer Toleranz, zum Beispiel ca. -0,5°Kelvin, unterschreitet
- ein Wärmeüberschusssignal erzeugt wird, wenn in der Zeit bis zum Erreichen der Schienensolltemperatur die ermittelte Zeitkonstante zuzüglich einer parametrierbaren Toleranz größer als die Sollzeitkonstante der gedämmten Schiene ist oder in der Zeit nach Erreichen der Schienensolltemperatur die Regelabweichung aus Schienensolltemperatur und Schienentemperatur beheizte Schiene eine Toleranz, zum Beispiel ca. 0,5°Kelvin, über eine bestimmte Zeit einhält und der Heizimpuls der Steuer- und Regeleinrichtung mit dem größten Tastverhältnis kleiner ist als das Tastverhältnis aus 100/(Anzahl Gruppen + 1) zuzüglich einer parametrierbaren Toleranz, zum Beispiel ca. 10%, bleibt und in der Steuerung über das Wärmebedarfssignal die Anzahl Gruppen um eins verringert und über das Wärmeüberschusssignal die Anzahl Gruppen um eins erhöht wird und dass in den Steuer- und Regeleinrichtungen eine Ermittlung Vorheizzeit mit Signaleingang Bezugstemperatur mit Ermittlung Vorheiztemperatur verbunden ist und die Vorheiztemperatur auf einen Sollwertumschalter geführt ist, sodass bei Signal Schneeverdacht und Bezugstemperatur, die kleiner ist als der Schwellwert der Lufttemperatur zur Detektion von Schnee ist, über Sollwertumschalter der Regler der Steuer- und Regeleinrichtung die Vorheiztemperatur als Sollwert erhält und dass ein Notfallmanager in Art eines Blinkrelais mit zwei Ausgängen zwischen Leistungsschaltgerät der Steuer- und Regeleinrichtungen und mehreren parallelen Eingängen für Überbrückungsschalter, Watchdoc und Freigabeverlust geschaltet ist, sodass über die Ausgänge zwei Gruppen Heizabgänge mit annährend gleicher Leistung abwechselnd geschalten werden.
Gegenüber dem Stand der Technik mit zentralen Schienentemperaturfühler ist zusätzlich ein Schienentemperaturfühler unbeheizte Schiene und für jede Gruppe oder Weiche zusätzlich ein Schienentemperaturfühler beheizte Schiene angeordnet, der mit dem Regler der Steuer- und Regeleinrichtung über die Energieleitung eines Heizabganges bei nicht vorhandenen Heizfreigabesignal verbunden ist und die Schienentemperatur beheizte Schiene übermittelt.
Nachfolgend ist das erfindungsgemäße Verfahren beispielhaft beschrieben:
Zur Lösung der gestellten Aufgabe eignet sich ein Verfahren der im Oberbegriff von Anspruch 1 genannten Art dadurch, dass durch Wärmeisolierung der Schiene über die gesamte mit elektrischen Heizelementen bestückte Backenschienenlänge eine Vergrößerung der Schienenübertemperatur auch bei minimalen Umgebungstemperaturen auseichend große Abkühlzeiten erreicht werden, in denen keine Heizung erforderlich ist und dass in einer Verteilung der Weichenheizung für jeden Heizabgang für eine oder mehrere Weichen eine Steuer- und Regeleinrichtung zum Schalten, Steuern und Regeln angeordnet ist, und alle Steuer- und Regeleinrichtung verschiedenen Heizregime mit unterschiedlicher Anzahl Gruppen zugeordnet werden, sodass eine möglichst gleichmäßige Aufteilung der Leistung der Heizabgänge auf die einzelnen Gruppen innerhalb jedes Heizregimes erfolgt.
In der Steuerung der Weichenheizung vor Heizfreigabe aus verschiedenen Heizregime mit unterschiedlicher Anzahl Gruppen ein Heizregime mit der größtmöglichen Anzahl Gruppen unter Berücksichtigung der maximalen Schienenübertemperatur gedämmt Dauerheizen, Schienensolltemperatur und geringster Umgebungstemperatur durch Bezugstemperatur zur Leistungsbegrenzung ermittelt und eingestellt wird und während der Heizfreigabe die Anzahl Gruppen über Änderung des Heizregimes in
Abhängigkeit von der tatsächlichen Erwärmung der Schiene durch Vergleich mit Vorgabewerten erfolgt.
Die Ermittlung des Heizregimes vor Heizfreigabe mit bestimmter Anzahl Gruppen zur Sicherstellung der Funktionalität im Vergleich zu herkömmlicher Technik erfolgt in der Steuerung, indem aus dem Quotienten aus maximaler Schienenübertemperatur gedämmt Dauerheizen und der Summe aus Bezugstemperatur, die dem niedrigsten aktuellen Wert von Schienentemperatur unbeheizte Schiene oder Lufttemperatur entspricht, zuzüglich der Schienensolltemperatur eine Anzahl Gruppen ermittelt wird, mit der bei entsprechender Bezugstemperatur in Gruppenbetrieb die
Schienensolltemperatur erreicht wird. Zusätzliche Störungseinflüsse wie Wind und Schmelzwärme zum Abtauen von verschiedenen Schneemengen werden über Vergleich der Zeitkonstante beim Hochheizen und der Regelabweichung im eingeschwungenen Zustand berücksichtigt, indem die Anzahl Gruppen im Heizbetrieb während dem Heizfreigabesignal laufend überprüft und über Änderung des Heizregimes angepasst wird. er Zeitverlust beim Einschalten der Heizung ab Bezugstemperatur bis zum Schienensollwert bei Gruppenbetrieb gegenüber dem Stand der Technik wird kompensiert, indem durch zusätzliche Heizart Vorheizen die Schiene bei Schneeverdacht oder bei sehr tiefer Lufttemperatur vorgeheizt wird. Dazu wird eine variable und umgebungstemperaturabhängige Vorheiztemperatur ermittelt und eingeführt, die niedriger als die Schienensolltemperatur und so groß ist, dass die gedämmte Schiene bei Eintritt von Niederschlag und in Gruppenbetrieb die Schienensolltemperatur mindestens in der gleichen Zeit wie die ungedämmte Schiene in Dauerheizen erreicht. Die Vorheiztemperatur wird aus der Vorheizzeit unter Berücksichtigung der Umgebungstemperatur durch die Bezugstemperatur ermittelt.
Die Schienendifferenztemperatur bei aktueller Umgebungstemperatur ergibt sich aus Schienensolltemperatur abzüglich der Bezugstemperatur
ΔT Schiene = 9 soll — 9 Bez
Die Vorheizzeit ergibt sich aus der Differenz aus Heizzeit ungedämmt entsprechend der Erwärmungskurve der ungedämmten Schiene bei Dauerheizen und Heizzeit gedämmt der Erwärmungskurve der gedämmten Schiene bei Gruppenbetrieb. vor H ged H.unged
Mit dauβr j
und Einsetzen in die Formel ergibt die Vorheizzeit, die bei der aktuellen Bezugstemperatur erforderlich ist, um die gedämmte Schiene in Gruppenbetrieb in der gleichen Zeit auf die Schienensolltemperatur zu heizen wie bei ungedämmter Schiene in Dauerheizen.
dauer J
Die Vorheiztemperatur ergibt sich aus der Vorheizdifferenztemperatur zuzüglich der Bezugstemperatur. vor vor ' Bez Die Vorheizdifferenztemperatur ergibt sich aus der Erwärmungskurve der gedämmten Schiene bei Gruppenbetrieb und der ermittelten Vorheizzeit mit.
Mit Einsetzen in die Formel ergibt sich damit die Vorheiztemperatur bei aktueller Bezugstemperatur mit
α
ΔT, Schiene =Schienendifferenztemperatur
^SOlI =Schienensolltemperatur ^Bez = Bezugstemperatur ι H.unged = Heizzeit ungedämmt t H.ged = Heizzeit gedämmt
' max.unged.dauer = max. Schienenübe rtemperatur ungedämmt Dauerheizen ' max.ged.gruppe = max. Schienenübe rtemperatur gedämmtGruppenbetrieb
' max.ged.dauer = max. Schienenübe rtemperatur gedämmt Dauerheizen ^ " unged =Sollzeitkonstanteungedämmt
Tged = Sollzeitkonstante gedäm mt
* ■ vor = Vorheizzeit
ΔT vor = Vorheizdifferenztemperatur
^vor = Vorheiztemperatur
In den Steuer- und Regeleinrichtungen wird außerhalb der Heizfreigabe bei Detektion von Schnee aus Lufttemperaturen kleiner +3°C und Niederschlag über ein zusätzliches Signal Schneeverdacht Heizfreigabe erzeugt und aus Schneeverdacht und Bezugstemperatur, die kleiner als die Lufttemperatur zur Detektion von Schnee ist, der Sollwert für den Regler der Steuer- und Regeleinrichtungen auf die ermittelte Vorheiztemperatur umgeschaltet und dadurch die Schiene auf die Vorheiztemperatur vorgeheizt. Das Signal Schneeverdacht kann entweder über einen Wetterdienst auf die Steuerung erfolgen oder aus der Lufttemperatur in Verbindung mit Luftdruck oder durch separaten zentralen bzw. dezentralen Schaltbefehl gebildet werden. Bei entsprechender Detektion von Schnee wird über Sollwertumschalter in den Steuer- und Regeleinrichtungen die Schienensolltemperatur als Sollwert eingeschaltet, sodass die Weichen auf eine Schienensolltemperatur in der gleichen Zeit wie in Dauerschaltung geheizt werden. Nach dem Einschalten der Heizung bei Schneeverdacht oder sehr tiefer Lufttemperatur oder Heizanforderung erfolgt Gruppenbetrieb entsprechend dem ermittelten Heizregime mit bestimmter Anzahl Gruppen und diesen zugeordneten Steuer- und Regeleinrichtungen derart, dass jeder Gruppe regelmäßig, nacheinander, gestaffelt und umlaufend über ein Gruppenfreigabesignal ein variables Zeitfenster mit maximaler Zeitdauer zugeordnet ist und dadurch alle Steuer- und Regeleinrichtungen der Gruppe ein Heizberechtigungssignal erhalten und in jeder Steuer- und
Regeleinrichtung ein Heizimpuls mit einem Tastverhältnis zwischen 0 und 100% in Abhängigkeit von der Regelabweichung aus Schienensoll- und Schienentemperatur beheizte Schiene erzeugt wird, und in jeder Steuer- und Regeleinrichtung bei Ende des Heizimpulses ein Heizendesignal erzeugt wird und wenn alle Steuer- und Regeleinrichtungen der Gruppe Heizendesignal erzeugt haben, über neues Gruppenfreigabesignal das Zeitfenster der Gruppe vor Ablauf der maximalen Zeitdauer geschlossen wird und das Zeitfenster der nächsten Gruppe aktiviert wird. Während der Heizung wird die Anzahl der Gruppen laufend überprüft und bei Bedarf die Anzahl Gruppen jeweils um eins vermindert oder erhöht indem ein anderes Heizregime aktiviert wird.
Dabei wird wie folgt verfahren: während der Heizung bis zum Erreichen der Schienensolltemperatur wird die
Zeitkonstante der Schienentemperatur durch laufendes Erfassen der Schienentemperatur beheizte Schiene und laufendes Vergleichen mit der Zeitkonstante der Schienensolltemperatur und bei negativer Differenz sowie einem Tastverhältnis von 100% einer Gruppe die Anzahl der Gruppen um eins verringert , indem ein Heizregime mit geringerer Anzahl Gruppen aktiviert wird und während der Heizung nach Erreichen der Schienensolltemperatur die Regelabweichung erfasst wird und bei negativer Regelabweichung und Unterschreiten einer Toleranz von ca. 0,5 0 K die Anzahl Gruppen um eins verringert wird, indem ein Heizregime mit geringerer Anzahl Gruppen aktiviert wird und während der Heizung nach Erreichen der Schienensolltemperatur die Regelabweichung erfasst wird und der Schienensolltemperatur zuzüglich einer Toleranz von ca. 0,5 0 K über eine bestimmte Zeit eingehalten wird und ein Heizimpuls der Gruppe mit dem größten Tastverhältnis kleiner ist als der Wert aus 100 / Anzahl Gruppen +1 die Anzahl der Gruppen um eins erhöht wird, indem ein Heizregime mit höherer Anzahl Gruppen aktiviert wird.
Eine geeignete Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens wird durch Ausführung der Steuerung mit Bezugstemperaturerzeugung, Heizregimebildung mit Heizregimespeicher, Heizregimevorwahl und Heizregimeanpassung und Eingängen für Wärmebedarfs- und Wärmeüberschusssignal sowie ein Gruppensteuerwerk zur Erzeugung von Heizberechtigungssignale und Eingang für Heizendesignale und zusätzliche Signaleingänge gegenüber dem Stand der Technik Schienentemperatur unbeheizte Schiene, Luftdruck und Wetterdienst sowie zusätzliche Signalausgänge Bezugstemperatur, Schneeverdacht, Heizberechtigung, Heizende und durch Ausführung der Steuer- und Regeleinrichtungen mit Ermittlung Vorheizzeit, Ermittlung Vorheiztemperatur, Heizfreigabe bei Schneeverdacht, Sollwertumschalter, Regler, Wärmediskriminator mit Ausgänge für Wärmebedarfs- und Wärmeüberschusssignal und durch Ausführung des Notfallmanager als Blinkrelais mit zwei Ausgängen gebildet, wobei alle Signale zwischen der Steuerung und den Steuer- und Regeleinrichtungen über Datenbus erfolgt.
In der Bezugstemperaturerzeugung erfolgt über Vergleich aus negativer Lufttemperatur und negativer Schienentemperatur unbeheizte Schiene die Bildung der Bezugstemperatur, die damit der niedrigsten aktuellen Temperatur entspricht.
In der Heizregimebildung ist ein Heizregimespeicher vorhanden, indem die Anzahl, Leistung und Nummer der Steuer- und Regeleinrichtung jedes Heizabganges und mehrere Heizregime mit verschiedener Anzahl Gruppen eine Tabelle bilden und jede Kombination Heizregime und Steuer- und Regeleinrichtung einer Gruppe zugeordnet ist außerdem ist ein Heizregimevorwahl vorhanden , in dem erfolgt vor einer Heizfreigabe laufend die Ermittlung der maximal möglichen Anzahl Gruppen n durch Vergleich aus * rox.gad.dausr _ * < _ < rnax.qsd.dauor n e N
^soll ^Bez ^soll ^BeZ aus maximaler Schienenübertemperatur der gedämmten Schiene bei Dauerheizen (Tmax.ged.dauer) , Schienensolltemperatur und Bezugstemperatur erfolgt und dadurch ein Heizregime mit n Anzahl Gruppen vorgewählt ist.
Außerdem ist eine Heizregimeanpassung vorhanden, in der bei vorhandener Heizfreigabe über Signal Wärmebedarf die Verringerung der Anzahl Gruppen um eins und über Signal Wärmeüberschuss die Erhöhung der Anzahl Gruppen um eins erfolgt. Die Signale Wärmebedarf und Wärmeüberschuss werden in den Wärmediskriminator der Steuer- und Regelrichtung durch Überwachen der Zeitkonstante beim Hochheizen und der Regelabweichung der Schienentemperatur im eingeschwungenen Zustand und Auswerten mit Sollzeitkonstante bzw. Toleranzen gebildet und zur Steuerung übertragen. In dem Gruppensteuerwerk erfolgt die Verbindung der Gruppen, sodass bei einem gewählten Heizregime eine Anzahl Gruppen umlaufend und nachfolgend über Gruppenfreigabe aktiviert werden und die Erzeugung von Heizberechtigungssignalen für die Steuer- und Regeleinrichtung einer Gruppe sowie der Empfang der Heizendesignale von den Steuer- und Regeleinrichtungen bei Ende der Heizsignale erfolgt. In der Ermittlung Vorheiztemperatur wird über Ermittlung Vorheizzeit bei Bezugstemperatur eine variable Vorheiztemperatur ermittelt und über Sollwertumschalter der Sollwert für den Regler der Steuer- und Regeleinrichtung bei Schneeverdacht und Bezugstemperatur, die kleiner als der Schwellwert der Lufttemperatur zur Detektion Schnee ist, aus der Vorheiztemperatur oder bei Schnee aus der Schienensolltemperatur durch Umschaltung gebildet. Gleiches erfolgt bei sehr niedriger Lufttemperatur. In einem Wärmediskriminator in der Steuer- und Regeleinrichtung werden Abweichungen der tatsächlichen Erwärmung der Schiene über Ermittlung von Zeitkonstante und Regelabweichung der Schienentemperatur beheizte Schiene und Vergleich mit Sollzeitkonstante und Toleranz der Regelabweichung erfasst und wirken über Wärmebedarfs- bzw. Wärmeüberschusssignale auf die Heizregimeanpassung der Steuerung, indem die Anzahl der Gruppen jeweils um eins vermindert oder erhöht werden. Zusätzlich zum Stand der Technik erfolgt Heizfreigabe bei Schneeverdacht und damit zusätzliche Heizart Vorheizen.
Dass ein Blinkrelais mit zwei Ausgängen zwischen den Leistungsschaltgerät der Steuer- und Regeleinrichtungen und drei parallelen Eingängen für
Überbrückungsschalter, Watchdoc und Freigabeverlust so geschaltet sind, dass die Steuer- und Regeleinrichtungen in zwei Gruppen mit annährend gleicher Leistung aufgeteilt sind, und bei einem aktiven Eingang die Leistungsschaltgeräte der Steuer- und Regeleinrichtungen abwechselnd direkt in Gruppenschaltung geschalten werden.
Die Erfindung wird anhand der folgenden Ausführungsbeispiele näher erläutert und es zeigen:
Figur 1 : Tabellarisches Zuordnungsbeispiel von sieben Steuer- und Regeleinrichtungen einer Weichenheizung zu Heizregime mit 2 und 3 Gruppen Figur 2: Darstellung der Gruppenschaltung bei Heizregime mit drei Gruppen Figur 3: Zeitliche Darstellung der Zeitfenster bei Heizregime mit drei Gruppen Figur 4: Darstellung der Signalverknüpfung für Gruppenfreigabe einer Gruppe Figur 5: Ermittlung der Vorheiztemperatur in Gruppenschaltung Figur 6: Übersichtsplan einer Einrichtung zum Energiemanagement
Entsprechend Figur 1 ist beispielsweise eine Weichenheizung mit 7 Steuer- und Regeleinrichtungen für sieben Heizabgänge mit Heizabgangsnummer 1 bis 7 vorhanden. Entsprechend den angeführten Leistungen der Heizabgänge können Heizregime mit 2 und 3 Gruppen gebildet werden. Die Zuordnung der Heizabgänge beim ersten Heizregime mit 2 Gruppen ergibt eine maximale Leistung von 15kW und bei dem zweiten Heizregime mit 3 Gruppen eine maximale Leistung von 10 KW.
In Figur 2 ist das Heizregime mit 3 Gruppen und die Zuordnung der Steuer- und Regeleinrichtungen zu den drei Gruppen mit Angabe der Heizabgangsnummer dargestellt. Die drei Gruppen sind über Gruppenfreigabe reihum verbunden. Jede Steuer- und Regeleinrichtung ist über Heizberechtigungssignal und Heizendesignal mit seiner Gruppe verbunden. In Figur 3 ist die zeitliche Reihenfolge der Zeitfenster für jede Gruppe bei einem Heizregime mit drei Gruppen beispielhaft für eine eingestellte maximale Zeitdauer von 30 Sekunden dargestellt. Zunächst erhält die Gruppe 1 ein Zeitfenster und darüber erhalten die Heizabgänge 1 und 2 entsprechend Figur 2 ein Heizberechtigungssignal und erzeugen einen nicht dargestellten Heizimpuls. Unter der Annahme, das die Schienen dieser Gruppe bereits erwärmt sind und deshalb eine geringe Regelabweichung der Schienentemperatur besteht, erfolgt die Heizung mit einem geringen Tastverhältnis kleiner 100% und bei Ende der Heizimpulse entsprechend Figur 4 erfolgt über Heizendesignal und nachfolgende UND- Verknüpfung derselben über Monoflop die Erzeugung eines Einzelimpuls, der den Timer für die Erzeugung des Zeitfenster rücksetzt und damit die Zeitdauer des Zeitfensters der Gruppe 1 nach Figur 3 vor Ende des Zeitfensters und damit vor Ablauf der maximalen Zeitdauer von beispielsweise 30 Sekunden schließt und gleichzeitig durch Schließen von Tor 2 die Gruppenfreigabe nach Figur 2 für die Gruppe 2 erzeugt, sodass dadurch keine Pausen zwischen den Zeitfenstern entstehen. In Figur 4 ist die Signalverknüpfung für Gruppenfreigabe einer Gruppe dargestellt. Nach Gruppenfreigabe von vorgeordneter Gruppe über Tor 1 wird über die Zeitfensterfreigabe der Timer aktiviert und ein Zeitfenster erzeugt, das über Oder- Verknüpfung mit Heizregime die Steuer- und
Regeleinrichtungen über Heizberechtigungssignal aktiviert und bei Ende des Heizimpuls über Heizendesignal und UND-Verknüpfung und Monoflop den Timer zurück setzt und damit das Zeitfenster beendet, Tor 1 öffnet und damit die Gruppe deaktiviert und Tor 2 schließt und dadurch Gruppenfreigabe für die nachgeordnete Gruppe bildet.
Die Ermittlung der Vorheiztemperatur über die Vorheizzeit wird nachfolgend entsprechend der Figur 5 erläutert. Entsprechend der Erwärmungskurve der ungedämmten Schiene bei Dauerheizen wird die Sollzeitkonstante der ungedämmten Schiene bei Dauerheizen (Sollzeitkonstante ungedämmt) bei Erreichen von 63% der maximalen Schienenübertemperatur ungedämmt Dauerheizen ermittelt und hinterlegt. In der weitern Darstellung der Figur 5 wird die Sollzeitkonstante der gedämmten Schiene bei Gruppenbetrieb (Sollzeitkonstante gedämmt ) bei Erreichen von 63% der maximalen Schienenübertemperatur gedämmt Gruppenheizen ermittelt und hinterlegt. Bei Gruppenbetrieb erfolgt die Einschaltung der Gruppen nacheinander umlaufend innerhalb von Zeitfenstern entsprechend der Anzahl Gruppen mit je einem Heizimpuls, das heißt jede Gruppe wird während dem Hochheizen und im eingeschwungenen Zustand über Heizimpulse betrieben.
Bei aktueller Umgebungstemperatur, die durch die Bezugstemperatur repräsentiert wird und aus dem niedrigsten aktuellen Wert von Lufttemperatur oder Schienentemperatur unbeheizte Schiene gebildet wird, wird die Schienendifferenztemperatur aus der Schienensolltemperatur abzüglich der Bezugstemperatur gebildet. Entsprechend der Erwärmungskurve der ungedämmten Schiene bei Dauerheizen wird die Heizzeit ungedämmt über die Sollzeitkonstante ungedämmt bei Schienendifferenztemperatur berechnet. Entsprechend der Erwärmungskurve der gedämmten Schiene bei Gruppenheizen wird analog die Heizzeit gedämmt über die Sollzeitkonstante gedämmt bei gleicher Schienendifferenztemperatur berechnet. Die Differenz aus Heizzeit ungedämmt und Heizzeit gedämmt entspricht der erforderlichen Vorheizzeit, die mit Gruppenschaltung mit Anzahl Gruppen bei Bezugstemperatur benötigt wird, um die gedämmte Schiene auf die Schienensolltemperatur in gleicher Zeit gegenüber herkömmlicher Technik hoch zu heizen. In der weiteren Darstellung Ermittlung der Vorheiztemperatur sind die beiden Erwärmungskurven mit Verschiebung der Erwärmungskurve der gedämmten Schiene entsprechend der Vorheizzeit ersichtlich. Die Vorheizzeit für ein Heizregime mit bestimmter Anzahl Gruppen ergibt sich aus der Differenz der Heizzeit ungedämmt abzüglich Heizzeit gedämmt und die Vorheizdifferenztemperatur aus dem Schnittpunkt der nach links verschobenen Erwärmungskurve gedämmt mit der Ordinate. Die Vorheiztemperatur bei Bezugstemperatur ergibt sich für jedes Heizregime damit aus der Summe aus Vorheizdifferenztemperatur zuzüglich der Bezugstemperatur. Entsprechend Figur 6 ist ein Übersichtsplan einer Einrichtung zum Energiemanagement einer Weichenheizung dargestellt. In der Steuerung sind die Eingänge entsprechend Stand der Technik und zusätzliche Eingänge Schienentemperatur unbeheizte Schiene, Luftdruck und Wetterdienst vorhanden. In der Bezugstemperaturerzeugung erfolgt die Erzeugung der Bezugstemperatur. In der Steuerung ist ein Gruppensteuerwerk über Heizberechtigungs- und Heizendesignal mit Regler der Steuer- und Regeleinrichtung verbunden, sodass bei einem in der Heizregimebildung gewählten Heizregime eine Anzahl Gruppen umlaufend und nachfolgend aktiviert werden. Der Heizregimespeicher und die Heizregimevorwahl wirken auf die Heizregimebildung und bei Schneeverdacht oder sehr tiefer Lufttemperatur wird über Heizfreigabesignal und Heizberechtigungssignal aus dem Gruppensteuerwerk der Regler der Steuer- und Regeleinrichtung aktiviert und ein Heizimpuls erzeugt und damit die Heizung über das
Leistungsschaltgerät eingeschalten. Bei Ende des Heizimpuls erfolgt über Heizendesignal die Weiterschaltung des Gruppensteuerwerk der Steuerung entsprechend Beschreibung nach Figur 4. In einen Wärmediskriminator der Steuer- und Regeleinrichtung werden durch Vergleich aus Zeitkonstante und Regelabweichung Wärmebedarfssignale bei mangelnder Erwärmung der
Schiene und Wärmeüberschusssignale bei überschüssiger Wärmereserven der Schiene gebildet und dadurch Verringerung oder Erhöhung der Anzahl Gruppen über Einstellen eines anderen Heizregimes in der Heizregimebildung der Steuerung realisiert. Der Regler der Steuer- und Regeeinrichtung ist mit einem Eingang Schienentemperatur beheizte Schiene einer Gruppe oder Weiche und einem Eingang Sollwert versehen. Der Sollwert ist durch einen Sollwertumschalter in Abhängigkeit von Detektion von Schnee, sehr tiefer Lufttemperatur und Schneeverdacht umschaltbar. Außerdem kann die Einschaltung der Leistungsschalteinrichtung der Steuer- und Regeleinrichtung parallel direkt über Notfallmanager mit hardwaremäßiger Bildung von zwei Gruppen über die zwei Ausgänge des Notfallmanagers. Bezugszeichenliste:
1 Gruppenfreigabe
2 Gruppe
3 Steuer- und Regeleinrichtung 4 Heizberechtigungssignal
5 Heizendesignal
6 Heizimpuls
7 Heizregimebildung
8 Zeitfenster 9 Zeitdauer
10 Sollwert
11 UND- Verknüpfung
12 ODER- Verknüpfung
13 Heizabgangsnummer 14 Schienensolltemperatur
15 Schienentemperatur beheizte Schiene
16 Schienendifferenztemperatur
17 Heizzeit ungedämmt
18 Heizzeit gedämmt 19 maximale Schienenübertemperatur ungedämmt
Dauerheizen
20 Maximale Schienenübertemperatur gedämmt Gruppenbetrieb
21 Sollzeitkonstante ungedämmt 22 Sollzeitkonstante gedämmt
23 Vorheizzeit
24 Vorheiztemperatur
25 Bezugstemperatur
26 Lufttemperatur 27 Schienentemperatur unbeheizte Schiene
28 Schneeverdacht
29 Niederschlag
30 Wärmebedarfsignal
31 Wärmeüberschusssignal 32 Heizfreigabesignal
33 Heizfreigabe
34 Heizregimespeicher
35 Heizregimevorwahl 36 Bezugstemperaturerzeugung
37 Wärmediskriminator
38 Tor 1
39 Tor 2
40 Zeitfensterfreigabe 41 Monoflop
42 Timer
43 Vorheizdifferenztemperatur
44 maximale Schienenübertemperatur gedämmt Dauerheizen
45 Steuerung 46 Heizregimeanpassung
47 Gruppensteuerwerk
48 Sollwertumschalter
49 Notfallmanager
50 Ermittlung Vorheizzeit 51 Ermittlung Vorheiztemperatur
52 Diskriminator Hochheizen
53 Diskriminator eingeschwungener Zustand
54 Anzahl Gruppen
55 Gruppennummer 56 Heizart Vorheizen
57 Regler
58 Luftdruck
59 Wetterdienst Formelbezeichnungen:
ΔTs ch i enβ =Schienendifferenztemperatur
'soll =Schienensolltemperatur = Bezugstemperatur H.unged =Heizzeitungedämmt ι H.gβd = Heizzeit gedämmt
■ max.uπged.dauθr = rnax. Schienenübertemperaturungedämmt Dauerheizen
' max.gad.gruppe = max.Schienenübertemperatur gedämmtGruppenbetrieb max.ged.dauβr = max.Schienenübertemperatur gedämmt Dauerheizen τ uunnggeed =Sollzeitkonstanteungedämmt ged = Sollzeitkonstante gedämmt
'vor = Vorheizzeit
ΔT vor = Vorheizdifferenztemperatur = Vorheiztemperatur