Signalsicherung

Anlagenüberwachung

In einem Steuergerät einer Lichtsignalanlage sind eine Reihe von technischen Überwachungseinrichtungen notwendig, die die Signalanlage im Fehlerfall abschalten, um eventuell auftretende gefährliche Signalisierungszustände zu vermeiden.


		Aufgaben der Überwachungseinrichtungen		Verhalten im Fehlerfall
		Technische Realisierung		Erhöhung der Betriebssicherheit einer LSA

Aufgaben der Überwachungseinrichtungen

Übersicht

	1. Überwachung feindlicher Signale
	2. Lampenüberwachung
	3. Überwachung von nicht vereinbarten Signalbildern
	4. Überwachung der Zwischenzeiten
	5. Überwachung des Steuergerätes
	6. Überwachung von stehenden Signalbildern / Umlaufzeitüberwachung

1. Überwachung feindlicher Signale

Eine der wichtigsten Aufgaben dieser technischen Einrichtungen ist die Überwachung der Signalanlage auf gefährliche Signalisierungszustände. Es wird dabei überwacht, ob zwei feindliche, miteinander in Konflikt stehende Ströme gleichzeitig freigegeben werden. Welche Signalgruppen als "feindlich" zueinander gelten, werden aus dem Signallageplan entnommen und in einer Konfliktmatrix dargestellt. Diese Daten werden dann entweder in Tabellenform in das Steuergerät eingegeben oder entsprechend der Verdrahtung der Signalsicherungsbaugruppen (Messwandler, Stromrelais) festgelegt.

1.1. Beispiele für gefährliche Signalisierungszustände:


Der von Signal 1 freigegebene Verkehrsstrom steht in Konflikt mit dem von Signal 2 freigegebenem Strom.	Der von Signal 2 freigegebene Strom steht hier in Konflikt mit dem von Signal 3 freigegebenem Strom. Signal 1 steht dabei zu keinen der beiden Ströme in Konflikt und wird deshalb hier nicht weiter beachtet.

Es gibt eine Reihe weiterer möglicher Kombinationen von Signalbildern, die in den folgenden Tabellen entsprechend ihrer Gefährlichkeit eingestuft werden:

(Hinweis: Richtungssignale gelten entsprechend auch für andere Richtungen)

1.2. Sicherungsmaßnahmen sind unerlässlich

Beschreibung	Gegebenes Signal	Dazu feindliches Signal
Fall 1: Fahrzeug-Grün, Fußgänger-Grün (auch akustische oder taktile Freigabesignale) gegen Fahrzeug-Grün
Fall 2: Fahrzeug-Grün, Fußgänger-Grün (auch akustische oder taktile Freigabesignale) gegen Kfz-Gelb oder ÖV-Gelb
Fall 3: Kfz-, ÖV-Grün oder akustische oder taktile Freigabesignale gegen Radfahrer-Gelb
Fall 4: Radfahrer-Grün, -Gelb oder Fußgänger-Grün (auch akustische oder taktile Freigabesignale) gegen Kfz-Rotgelb

Tritt einer der gezeigten Signalisierungszustände an der Anlage auf, so hat diese auf jeden Fall abzuschalten. Zu beachten ist, dass zweifeldige Signalgeber (Rot, Gelb) in vorfahrtberechtigten Straßen im abgeschaltetem Zustand ebenfalls als "Grün" gelten.

1.3. Sicherungsmaßnahmen sind bedingt erlässlich

Beschreibung	Gegebenes Signal	Dazu feindliches Signal
Fall 1: Kfz- oder ÖV-Grün gegen Kfz- oder Radfahrer-Rotgelb
Fall 2: Radfahrer- oder Fußgänger-Grün (auch akustische oder taktile Freigabesignale) gegen Radfahrer-Rotgelb
Fall 3: Kfz- oder Radfahrer-Rotgelb gegen Kfz- oder Radfahrer-Rotgelb

Tritt einer der gezeigten Signalisierungszustände an der Anlage auf, so ist nach verkehrstechnischen Gesichtspunkten zu prüfen, ob Verkehrsgefährdungen auftreten und ob der Grad der Gefährdung unter Berücksichtigung einer angemessenen Verhaltensweise der Verkehrsteilnehmer hinnehmbar ist.

1.4. Sicherungsmaßnahmen sind erlässlich

Beschreibung	Gegebenes Signal	Dazu feindliches Signal
Fall 1: Radfahrer oder Fußgängergrün (hier keine akustische oder taktile Freigabesignale) gegen Radfahrer-Gelb
Fall 2: Fahrzeug-Gelb gegen Fahrzeug-Gelb
Fall 3: Kfz- oder ÖV-Gelb gegen Kfz-Rotgelb
Fall 4: Fahrzeug-Gelb gegen Radfahrer-Rotgelb

Bei diesen Signalisierungszuständen ist es nicht notwendig, die Anlage abzuschalten. Solche Zustände können z. B. bei sehr kurzen Zwischenzeiten durchaus vorkommen.

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2. Lampenüberwachung

2.1. Welche Lampen werden überwacht:

1. Signale allgemein
	In der Regel schaltet die Signalsicherung bei dieser Signalgeberkonstellation beim Ausfall der Sperrsignallampe im Hauptsignal (immer das rechte Signal, hier K1a; Einzelüberwachung) oder bei gleichzeitigem Ausfall der Sperrsignallampen der Wiederholer (K1b, K1c; Gruppenüberwachung) auf Störung. Es gilt hier die Überwachungsgleichung der Rotlampen: K1a ODER (K1b UND K1c). Es kann auch jede Lampe einzeln überwacht werden und bei Ausfall zu einem Abschalten führen.
	In der Regel führt in diesem Fall der Ausfall der Rotlampen von : K1a ODER (K1b UND K1c UND K1d) zu einer Abschaltung der Anlage.
2. Linksabbiegersignale
	Die Linksabbiegersignale werden hier ganz normal behandelt: In der Regel schaltet die Anlage auf Störung, wenn die Rotlampen folgender Signalgeber ausfallen: 1. K1a ODER K1b 2. K2a ODER (K2b UND K2c)
	Ist rechts kein Linksabbiegersignal angebracht, dann gilt das Signal am Peitschenmast über der Straße als Hauptsignal (Das Signal links unten könnte durch parkende Fahrzeuge verdeckt sein): Die Anlage schaltet hier bei Ausfall der Rotlampen folgender Signale auf Störung: 1. K1a ODER K1b 2. K2a ODER K2b
3. Signale ohne Grün
	Bei zweifeldigen Signalgebern (gelb/rot) sollte die Gelblampe mit überwacht werden, da das Signal sonst bei einem Defekt dieser Lampe von "dunkel" sofort auf Rot springt und dadurch die Zwischenzeit nicht mehr ausreichend ist.
4. Signale für Vor- oder Zugabezeiten
	Bei hinter der Kreuzung angebrachten Linksabbiegersignalen für eine Vor- oder Zugabezeit sollte die Gelblampe mit überwacht werden. Vor allem bei einer Vorgabezeit ist das sinnvoll, wenn der Gegenverkehr später Grün signalisiert bekommt und in einen bestehenden Linksabbiegerstrom einfährt.
	Bei zweifeldigen Signalgebern (grün/gelb) für eine Vorgabezeit für z. B. Rechtsabbieger sollte die Gelblampe mit überwacht werden.
5. Sinnvolle Überwachungen bei Signalen für öffentliche Verkehrsmittel
	Die Signale Türen schließen ("T", Signal A1) und Anmeldung ("A") bzw. Kontakt ("K" Signal So7) für öffentliche Verkehrsmittel sollten ebenfalls überwacht werden. Bei Ausfall eines solchen Signals wird sonst für den Fahrer des öffentlichen Verkehrsmittels nicht ersichtlich, dass eine Anmeldung des Verkehrsmittels an der Signalanlage erfolgt ist, worauf dieser die Anmeldung mittels eines Schlüsseltasters manuell durchführen würde (Zeitfaktor).

2.2. Was wird überwacht :

		Die Sperrsignale der Signalgeber der vorfahrtberechtigten Knotenpunktszufahrten. Signale für öffentliche Verkehrsmittel und Radsignalgeber vor der Konfliktfläche nur dann, wenn bei Ausfall der speziellen Signale entsprechende Kfz-Signale nicht hilfsweise beachtet werden müssen, weil sie für die jeweiligen Verkehrsteilnehmer nicht erkennbar sind.
		Signale für Straßenbahn und Bus an Zufahrten mit Wartepflicht, wenn bei Ausfall der speziellen Signale andere Signale nicht hilfsweise (rechtes Bild) beachtet werden können.
		Der Ausfall von Sperrsignalen an Fahrzeugsignalgebern vor signalisierten Fuß- oder Radwegfurten
		Die Sperrsignallampen in Rad- oder Fußgängersignalen hinter fahrtrichtungsbezogenen Freigabesignalen (z. B. Linksabbiegerpfeil)
		Die Rotlampen in Fußgänger- oder Radsignalen bei durch einen Fahrbahnteiler geteilter Furt und getrennter Schaltung der Signale, wenn das hintere Signal dann falsch gedeutet werden könnte (z. B. wenn die Signale auf der Mittelinsel (vorderer Mast) früher auf Rot umschalten als die äußeren Signale (hinterer Mast), man sieht sonst Grün, obwohl in der Mitte der Furt schon Rot gezeigt würde).
		Hilfssignale für Radfahrer und Fußgänger (Warnblinklichter) an Bahnübergangsanlagen (Bilder siehe hier)

2.3. Was braucht nicht zwingend überwacht werden:

	Kfz-Signale an Zufahrten mit Wartepflicht, wenn keine Fuß- oder Radwege kreuzen
	Sperrsignale in Signalgebern an Fuß- oder Radwegen, wenn nicht Bedingungen von oben vorherrschen (getrennte Furt oder Furt hinter fahrtrichtungsbezogenen Freigabesignalen)
	ÖV- oder Radsignale, wenn andere Signale hilfsweise beachtet werden können (hier kann z. B. bei Ausfall des ÖV-Signals das Kfz-Signal beachtet werden)
usw.	Freigabesignale
usw.	Übergangssignale
	Hilfssignale, außer an Bahnübergangsanlagen (s. oben)

2.4. Lampenüberwachung bei LED-Signalen:

Mit der Einführung der LED-Signale ergaben sich eine Reihe von neuen Problemen: Aus Kompatibilitätsgründen sollten Glühlampen einfach gegen LED-Module austauschbar sein. Die Ausgangskarten im Steuergerät bleiben dabei jedoch die selben.

Die LED-Module müssen also vom Stromverlauf die selben Eigenschaften besitzen wie herkömmliche Glühlampen. Bei einem herkömmlichen Netzteil mit Trafo, Gleichrichter und Ladekondensator ist das nicht der Fall, da immer nur kurz Strom in der Nähe der Scheitelwerte der sinusförmigen Netzspannung aus dem Netz entnommen wird. Die Signalsicherung würde das fälschlicherweise als Lampenausfall werten, da zu manchen Messzeitpunkten kein Strom fließt. An die Netzteile in LED-Modulen werden also besondere Anforderungen gestellt.


Stromverlauf einer Glühlampe (ohmsche Last)	Schaltung eines herkömmlichen Netzteils	Stromaufnahme eines herkömmlichen Netzteils: Der Ladekondensator wird immer nur in den Scheitelwerten der Netzspannung aufgeladen, sonst fließ kein Strom, da die Spannung am Kondensator höher ist als die Netzspannung.

Ein weiteres Problem ergibt sich aus der Tatsache, dass in einem LED-Signal mehrere Leuchtdioden in Reihe geschaltet werden. Fällt eine LED aus, dann bleibt darauf eine ganze Reihe von LED´s dunkel. Die hintereinander geschalteten Leuchtdioden werden allerdings in der Regel so angeordnet, dass der Ausfall einer Reihe nicht zu einer Unkenntlichkeit des Signals führen würde. Sind eine bestimmte Anzahl von LED-Ketten ausgefallen, dann schaltet das Modul komplett ab.

LED-Clustersignal: Bei Ausfall einer LED bleiben auch alle mit dieser in Reihe geschalteten LED´s dunkel (hier grau gezeichnet). Die LED´s einer Reihe sind allerdings so auf dem Signal angeordnet, dass durch den Ausfall einer Reihe dass Signal nicht unkenntlich werden würde.

Leuchtdioden verlieren mit der Zeit an Leuchtkraft. Um dieses Problem zu überwachen werden Helligkeitssensoren zwischen den LED´s untergebracht, die kontinuierlich die Leuchtstärke des Signals messen. Unterschreitet die Leuchtkraft einen festgelegten Schwellwert, dann trennt eine Überwachungseinrichtung das komplette LED-Modul vom Netz, was das Steuergerät dann als Lampenausfall werten würde.


Zwischen oder hinter den LED´s werden in regelmäßigen Abständen über das Leuchtfeld Helligkeitssensoren eingebaut, die die Lichtstärke der Signale messen		Blockschaltbild eines LED-Moduls: Sinkt die Lichtstärke unter einen Schwellwert ab, dann trennt die Auswerteeinheit das komplette Modul vom Netz. Des weiteren wird das Modul vom Netz getrennt, wenn eine vorgegebene Anzahl von LED-Ketten ausfällt (Stromüberwachung).

Da LED´s viel weniger Strom benötigen als andere Leuchtmittel, besteht die Möglichkeit, dass sie bereits bei einer in die Anschlussleitungen induzierte Spannung aufleuchten. Die Module sollten deshalb so konzipiert sein, dass die angelegte Spannung einen festgelegten Wert überschreiten muss und ein gewisser Eingangsstrom fließt, bis die Leuchtdioden mit Strom versorgt werden. Außerdem sollten Filterschaltungen vorhanden sein, die solche induzierten Spannungen ableiten.

Weitere Informationen zu LED-Modulen stehen unter Phantomsignale und Signalgeberkomponenten.

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3. Überwachung von nicht vereinbarten Signalbildern

Tritt an einem Signalgeber ein nicht vereinbartes, unbekanntes Signalbild auf, so ist das in der Regel nicht extra zu überwachen, wenn andere Sicherungseinrichtungen für diesen Signalgeber vorhanden sind.

In der Regel treten solche Fälle durch Hardwarefehler im Steuergerät oder einen Leitungsschluss in der Außenanlage auf. Moderne Steuergeräte überwachen allerdings das ungewollte Ein-/Ausschalten von Signalen und schalten in so kurzer Zeit ab, dass der Fehler von Verkehrsteilnehmern in der Regel nicht wahrgenommen wird.

Leuchtet z. B. wie auf dem Bild zu sehen das Sperr- und Freigabesignal gleichzeitig auf, dann wird in der Regel die Grün-Grün-Verriegelung zwischen diesem Signal und dem Signal eines in Konflikt stehendes Verkehrsstroms ansprechen.

Wird ein nicht festgelegtes Signalbild gegeben, dann werden in der Regel die Verkehrsteilnehmer weitere Informationen hinzuziehen, bevor sie eine Entscheidung treffen (hat der Quer- oder Gegenverkehr Grün, usw.)

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4. Überwachung der Zwischenzeiten

An Steuergeräten, die diese Möglichkeit besitzen, sind die Phasenübergänge auf Einhaltung der Zwischenzeiten zu kontrollieren. Werden Zwischenzeiten durch versehentliche Falschprogrammierung des Signalprogramms zu kurz gehalten, dann wird dies von den Verkehrsteilnehmern in der Regel nicht erkannt.

Die Zwischenzeiten werden in Form einer Matrix in das Steuergerät eingegeben. Ein Zwischenzeitenzähler vergleicht die vorgegebene mit der realen Zeitdauer der überlappenden Rotphase zweier feindlicher Signalgruppen.

Wird ein Zwischenzeitenfehler erkannt, dann schaltet das Steuergerät entweder auf Störung, oder es sorgt automatisch dafür, dass das zu früh freigegebene Signal erst automatisch nach Ablauf der festgelegten Zwischenzeit auf Grün umschaltet (Grün wird hinausgezögert). So eine Korrektur sollte aber vermieden werden, da sich sonst die Struktur des Signalprogramms ändert (Grünzeiten usw.)

Analog sind Maßnahmen bei Unterschreiten von zwingend vorgeschriebenen Mindestgrünzeiten zu ergreifen.

Zwischenzeitenkorrektur: Im Signalprogramm wurde eine kürzere Zwischenzeit programmiert, als in der sicherheitsrelevanten Zwischenzzeitenmatrix im Steuergerät hinterlegt ist. Das Steuergerät verschiebt die falsch programmierte Freigabe (mittlere Zeile) nach hinten, bis die in der Matrix festgelegte Zeit eingehalten ist (untere Zeile).

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5. Überwachung des Steuergerätes

Neben den oben genannten Überwachungseinrichtungen ist es auch notwendig, das Steuergerät selber auf Fehler zu überwachen. Es kann vorkommen, dass z. B. der Prozessor einen Defekt hat oder andere Baugruppen Fehler in der Anlage verursachen. Die Überwachungseinrichtungen (hier: Signalsicherung), müssen die wichtigen Komponenten des Steuergerätes mit überwachen und dann eigenständig die Anlage im Fehlerfall abschalten können.

Im Lauf der Zeit haben sich folgende Sicherungs-Varianten entwickelt:

5.1. Alte Geräte mit mechanischer oder einfacher elektronischer Steuerung

Die Signalzustände werden mittels einer Nockenwalze oder einfacher elektronischer Timer erzeugt. Die Leitungen zu den Signalgebern werden vorher durch Messeinrichtungen der Signalsicherung geleitet, die die Signale auf Rotlampenausfall usw. überwacht. Wird ein Fehler erkannt, dann trennt die Signalsicherung das Steuergerät vom Netz oder schaltet es auf Störung und Blinkbetrieb.

5.2. Geräte mit Mikrocomputer älterer Bauart

Bei den ersten Geräten, die mit Mikroprozessoren ausgestattet waren, mussten weitere Maßnahmen zur Überwachung der Steuerungselektronik getroffen werden. Neben der Signalsicherung, die im Prinzip wie in der Variante 1 arbeitet, wird ein Testsignal des Prozessors ausgewertet. Bleibt dieses Testsignal aus, dann liegt ein Fehler des Prozessors vor. Die Überwachung schaltet in diesem Fall das Steuergerät ebenfalls auf Störung, da eine sichere Arbeitsweise der Signalanlage nicht mehr gewährleistet werden kann.

5.3. Geräte in Dualprozessor-Technik (Standard der heutigen Zeit)

Die neueren Steuergeräte sind mit zwei Prozessoren ausgestattet, die zur selben Zeit genau das selbe Programm mit selben Eingangsbedingungen abarbeiten. Unter diesen Vorraussetzungen müssen auch beide Prozessoren die selben Ausgangssignale für die Lampenschalter ausgeben. Die Ausgangssignale der beiden Prozessoren werden in einem Vergleicher überwacht. Besteht keine Abweichung zwischen den Signalen, dann werden sie zu den Lampenschaltern weitergeleitet. Wenn allerdings von beiden Prozessoren unterschiedliche Signale abgegeben, dann liegt hier ein Fehler vor und die Anlage schaltet auf Störung.

Die Signalsicherung wird bei diesem System - anders als bei den Varianten 1 und 2 - mit von den Prozessoren übernommen: Nach den Lampenschaltern befinden sich Messglieder, die die Signalzustände an die Prozessoren zurückleiten. Diese Daten werden im Programm auf feindliche Signalzustände und Zwischenzeitverletzungen überwacht. Tritt hier ein Fehler auf, dann können entweder Korrekturmaßnahmen (z. B. bei Zwischenzeitenfehlern) vorgenommen werden, oder die Anlage schaltet auf Störung.

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6. Überwachung von stehenden Signalbildern / Umlaufzeitüberwachung

Weitere Maßnahmen zur Fehlersicherheit des Steuergerätes können durch eine Umlaufzeitüberwachung oder die Überwachung auf stehende Signalbilder realisiert werden.

6.1. Umlaufzeitüberwachung

Das Signalprogramm sendet nach jedem Programmumlauf ein Signal. Bleibt dieses Signal innerhalb einer eingestellten Zeitspanne aus, dann liegt hier ein Fehler vor.

Die Umlaufzeitüberwachung muss bei Programmen mit Grünzeitverlängerungen oder Steuergeräten, die auf einen Impuls einer Verkehrszentrale synchronisieren, gerade noch den längsten möglichen Programmdurchlauf zulassen.

6.2. Überwachung auf stehende Signalbilder

Ändert sich über eine eingestellte Zeit keines der Signalbilder aller Signalgeber der Signalanlage, dann liegt hier ebenfalls ein Fehler vor. In diesem Fall schaltet die Anlage auf Störung. Um solche Situationen zu vermeiden, sollte das Signalprogramm mit sämtlichen möglichen Kombinationen an Eingangssignalen und auch die Logik des Signalprogramms getestet werden.

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