Beschreibung Prozessanschaltungen für das sichere Betreiben von siche- rungstechnischen Einrichtungen Die Erfindung betrifft Prozessanschaltungen für das sichere Betreiben von sicherungstechnischen Einrichtungen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Derartige Prozessanschaltungen sind auf vielen Gebieten der Technik mit sicherheitsrelevan- ter Ausrichtung, beispielsweise Fahrzeugbau, Verkehrssteue- rung und-überwachung, Industrieanlagenbau und Medizintech- nik, erforderlich.

Im Folgenden wird beispielhaft im Wesentlichen auf Prozessan- schaltungen in Form von Stellteilen eines Stellwerkes einge- gangen. Die Stellteile der elektronischen Stellwerke steuern eine Vielzahl von Komponenten der Innenanlage und der Außen- anlage des Stellwerkes. Die Anpassung an verschiedene Konfi- gurationen, örtliche Gegebenheiten und unterschiedlichste Komponenten der Stellwerksanlage erfordert eine große Anzahl sehr komplexer und spezifischer Stellteilbaugruppen. Bei häu- fig notwendigen, an sich geringfügigen Änderungen vorhandener Stellteile ist ein beträchtlicher Aufwand erforderlich, um insbesondere die Entflechtung, die Änderung der Unterlagen, eine neue Sicherheitsnachweisführung und die Validierung der Änderung zu realisieren. Die Anzahl der Stellteile und allge- mein der Prozessanschaltungen wächst kontinuierlich und er- höht somit auch den Pflegeaufwand, der u. a. durch Bauteilab- kündigungen verursacht wird. Die Tendenz geht zu immer auf- wendigeren und kundenspezifischen Speziallösungen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese Probleme zu beseitigen und Prozessanschaltungen der gattungsgemäßen Art

anzugeben, die sich durch größere Projektierbarkeit, d. h. eine Verringerung der Variantenanzahl auszeichnen.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Der Erfindung liegt die Er- kenntnis zugrunde, dass die Summe der Funktionalitäten aller Prozessanschaltungen auf nur wenige Grundfunktionalitäten ab- gebildet werden kann. Für jede Grundfunktionalität wird ein elektronisches Funktions-Modul definiert. Eine übergeordnete Architektur legt die Funktionalität, den Aufbau und das Zu- sammenwirken der Funktions-Module, insbesondere hinsichtlich Schnittstellen, Form und Sicherheitsnachweisführung, fest.

Das Modulspektrum lässt sich nach Maßgabe der Architekturvor- gaben auf einfache Weise erweitern. Beispielsweise kann das komplette Stellteilspektrum für elektronische Stellwerke mit ca. 15 unterschiedlichen Funktions-Modulen realisiert werden.

Die Modulbauweise ermöglicht eine Vorfertigung der Funktions- Module, so dass letztlich kürzere Fertigungszeiten, eine aus- geglichenere Fertigungsauslastung und kürzere Lieferzeiten resultieren. Auch die Sicherheitsnachweisführung ist deutlich einfacher und schneller.

Die Prüfautomaten für die Funktions-Module in der Fertigung sind aufgrund der geringen Komplexität der Funktions-Module gegenüber einer herkömmlichen Prozessanschaltung klein, kos- tengünstig und die Prüfprogramme dafür schneller zu implemen- tieren. Die Prüfzeit lässt sich bei der Modultechnik um ein vielfaches reduzieren. Für jedes Funktions-Modul wird ein Si- cherheitsnachweis erstellt. Das Zusammenwirken zwischen den Funktions-Modulen wird über einen Verfahrens-Sicherheits- nachweis definiert. Durch Kombination mehrerer Funktions- Module zu einer Prozessanschaltung werden die einzelnen Si- cherheitsnachweise der Funktions-Module in einem Gesamtsi-

cherheitsnachweis für die jeweilige Prozessanschaltung einge- bettet. Somit wird der Aufwand für die Sicherheitsnachweis- führung gegenüber herkömmlichen Prozessanschaltungen deutlich reduziert.

Die Komplexität der Prozessanschaltungen wird deutlich ver- ringert, wodurch sich die Entwicklungszeit für Änderungen oder neue Prozessanschaltungen und der Entwicklungsaufwand reduzieren lassen. Da die Funktions-Module sehr klein und auf minimale Verlustleistung ausgelegt sind, eignet sich diese Technik sowohl für den Einsatz in Innen-als auch Außenanla- gen. Der Einsatz z. B. in einem Lampenschirm oder einem An- schlussgehäuse für Achszähler ist durchaus möglich.

Als Größenordnung für das Volumen eines Funktions-Moduls für Stellteile dürften 45 mm x 30 mm x 20 mm ausreichen. Ledig- lich der kleine sichere Rechner, der in Anspruch 2 neben an- deren Funktions-Modulen aufgeführt ist, benötigt etwa das doppelte Volumen. Der kleine preiswerte sichere Rechner in Projektierung mit anderen Funktions-Modulen ermöglicht eine deutliche Reduzierung des Materialverbrauchs. Durch die Kon- zentration und Kapselung der Funktionalitäten auf wenige Funktions-Module reduziert sich die Anzahl unterschiedlicher Bauteile, wodurch gleichzeitig die Stückzahl der benötigten Bauteile erhöht wird. Die zeitlichen Signaländerungen auf den Verbindungen zwischen den Funktions-Modulen können um Poten- zen größer sein als bei herkömmlichen Stellteilen, so dass die Stellteile unempfindlicher gegen Störungen werden.

Das als Kommunikationsschnittstelle fungierende Funktions- Modul dient der Kommunikation mit einem übergeordneten Rech- ner oder mit Nachbarrechnern. Das Funktions-Modul kann bei-

spielsweise für ISDN Uo, PROFIBUS, TCP/IP oder Funkkommunika- tion ausgelegt sein.

Funktions-Module in der Ausführungsform als Leistungsschalter sind vorzugsweise mit integriertem Stromwandler ausgestaltet.

Unterschiedliche Leistungsschalter werden nach dem gleichen Prinzip angesteuert. Für die zeitlich exakte Ansteuerung ist ein sicherer Rechner in Modultechnik mit einer leistungsfähi- gen Stormbewertung vorgesehen.

Die Funktions-Module beinhalten gegebenenfalls auch Mechanis- men, um Aderberührungen aufzudecken.

Gemäß Anspruch 3 sind elektronische Sicherungen als Überlast- schutz und als Leitungsüberwachung mit einer Schaltschwelle versehen, die durch Software projektierbar ist. Der zu über- wachende Strom wird softwaremäßig für mehrere Stromfenster projektiert. Die bisher üblichen konventionellen Sicherungen werden durch die projektierbaren elektronischen Sicherungen ersetzt. Der Zustand der elektronischen Sicherung kann durch eine LED signalisiert werden. Mit einem Taster kann der Stromkreis aus-und wieder eingeschaltet werden. Dadurch er- gibt sich eine wesentliche Funktionalität, um die Modularität zu erreichen. Prozessanschaltungsspezifische bzw. stellteil- spezifische Sicherungen sind nicht mehr erforderlich.

Der insbesondere bei den Leistungsschaltern und bei dem si- cheren Rechner zu überwachende Strom wird gemäß Anspruch 4 softwaremäßig für mehrere Stromfenster projektiert. Jeder Leistungsschalter kann beispielsweise vier schalterspezifi- sche Stromfenster überwachen. Die Stromfenster werden bei der Initialisierung geladen. Dadurch sind die Leistungsschalter in einem großen Strom-und Spannungsbereich einsetzbar. Die

Anzahl der erforderlichen Funktions-Module wird minimiert.

Gleichzeitig sind weniger verschiedene Prozessanschaltungen erforderlich.

Vorteilhafterweise sind die Funktions-Module gemäß Anspruch 5 vergossen, wodurch ein verringerter Feuchtigkeitseinfluss und eine verbesserte Isolation resultieren. Dies wirkt sich posi- tiv auf die Spannungsfestigkeit der Funktions-Module aus.

Die Funktions-Module, die zu einem Stellteil kombiniert wer- den sollen, werden untereinander elektrisch verbunden.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand figürlicher Darstellun- gen näher erläutert. Es zeigen : Figur 1 eine schematische Darstellung der Modulkonzeption, Figur 2 eine Systemkonfiguration, Figur 3 ein Leistungssteil eines Stellteils für eine Signal- anschaltung, Figur 4 ein Leistungsteil eines Stellteils für einen Wei- chenantrieb und Figur 5 ein Stromfensterdiagramm.

Figur 1 zeigt schematisch die Entwicklung eines Stellteiles 1 aus Funktionalitäten Fkt_1, Fkt_2, Fkt... in einer ersten Gruppierung 2 und Funktions-Modulen 3 in einer zweiten Grup- pierung 4. Die Funktionalitäten Fkt_1, Fkt_2, Fkt... werden zu einer wesentlich geringeren Anzahl von Funktions-Modulen 3 derart gekapselt, dass Funktionalitäten Fkt 1, Fkt 2, Fkt... für ähnliche Zielsetzungen, beispielsweise bestimmte Strombe- reiche, in einem durch Software ansteuerbaren elektronischen Funktions-Modul 3 zusammengefasst sind. Aus verschiedenen Mo- dulbausteinen wird das Stellteil 1 zusammengesetzt. Bei- spielsweise kann das Funktions-Modul 3 als sicherer Rechner

5, Kommunikationsschnittstelle 6 oder als Leistungsschalter 7 ausgebildet sein. Das Stellteil 1 auf Modulbasis zeichnet sich durch verkürzte Fertigungszeiten, vereinfachte Prüfung, verringerte Komplexität, verringertem Pflegeaufwand, redu- zierten Materialkosten und verringertem Raumbedarf aus. Im Gegensatz dazu ist die direkte Zusammenfügung der Stellteil- komponenten aus der sehr großen Anzahl der Funktionalitäten Fkt_1, Fkt-2, Fkt... mit geringerer Projektierbarkeit und er- höhten Kosten verbunden.

Figur 2 veranschaulicht eine Systemkonfiguration für eine Prozessanschaltung 8 im Zusammenwirken mit einem zweikanali- gen Rechner 5. Als Kommunikationsschnittstellen 6 sind ein Funktions-Modul 3 für ISDN-Anschluss, TCP/IP und/oder für den Anschluss an einen redundanten Profibus vorgesehen. Die Kom- munikationsschnittstellen 6 sind jeweils mit einem Funktions- Modul 3, der den sicheren Rechner 5 repräsentiert, verbunden.

Von dem Rechnermodulen 5 werden mehrere Funktions-Module 3 für Leistungsschalter 7 gesteuert. Die Leistungsschaltermodu- le 7 schalten eine Last 9, beispielsweise eine Signalansteue- rung, wie in Figur 3 veranschaulicht oder einen Vier-Draht- Weichenantrieb, wie in Figur 4 veranschaulicht. Den Funk- tions-Modulen 3 für die Leistungsschalter 7 kann bei Bedarf ein Prüfmodul 10 vorgeschaltet sein. Das Prüfmodul treibt ei- nen konstanten Strom von z. B. 10 mA. Da der sichere Rechner 5 üblicherweise sehr kurze Zykluszeiten hat, kann der Prüf- strom z. B. alle 100 ms für wenige ms eingeschaltet werden.

Auf diese Weise ergibt sich eine sehr geringe Verlustleis- tung. Bei Überstrom werden die Funktions-Module 3 für die Leistungsschalter 7 nach einer projektierbaren Zeitspanne, beispielsweise 20 ms, geöffnet. Bei Kurzschluss wird der Leistungsschalter 7 innerhalb 1 ms geöffnet. Die Abschaltung wird durch eine LED auf der Frontplatte der Prozessanschal-

tung 8 angezeigt. Mit einem zugehörigen Taster auf der Front- platte lässt sich der Stromkreis wieder einschalten. Diese Funktionalität ist durch elektronische Sicherungen, deren Schaltschwelle durch Software projektierbar ist, realisiert.

Figur 3 zeigt ein Stellteil zur Ansteuerung von Signallampen 11.1, 11.2 und 11.3. Die Signallampe 11.3 ist dabei eine Rot- lampe, die mittels eines Funktions-Moduls 3 für ein Abschalt- relais 12 besonders abgesichert ist, um das zugeordnete, be- sonders sicherheitsrelevante Haltegebot in jedem Fall zu ga- rantieren.

Figur 4 zeigt ein weiteres Beispiel für den modularen Aufbau eines Stellteiles, das für die Ansteuerung eines Vier-Draht- Weichenantriebes 13 vorgesehen ist.

Figur 5 zeigt ein Stromfensterdiagramm für ein Funktions- Modul 3 zur Leistungsschaltung 7. Die Stromfenster 14.1, 14.2, 14.3 und 14.4 sind durch Software projektierbar. Dabei ist auch eine Überlappung von Stromfenstern, im Ausführungs- beispiel 14.2 und 14.3, möglich. Das erste Stromfenster 14.1, das der geringsten Leistungsaufnahme entspricht, kann z. B. für einen Prüfstrom vorgesehen sein, das zweite Stromfenster 14.2 symbolisiert den Strombereich bei Nachtspannung, das dritte Stromfenster 14.3 symbolisiert den Strombereich bei Tagspannung und das vierte Stromfenster 14.4, das der höchs- ten Leistungsaufnahme entspricht, wird bei Überstrom wirksam, wobei der zugehörige Lastschalter nach einer projektierbaren Zeitspanne, beispielsweise 10 ms, geöffnet wird.

Die Erfindung beschränkt sich nicht auf die vorstehend ange- gebenen Ausführungsbeispiele. Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, welche auch bei grundsätzlich anders gear- teter Ausführung von den Merkmalen der Erfindung Gebrauch ma- chen.