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

Technische Realisierung

Je nach Hersteller und Baujahr werden unterschiedliche Möglichkeiten zur Überwachung der Signalzustände (Signalsicherung) angewandt. Diese Seite zeigt nur einen Ausschnitt aus möglichen technischen Realisierungen.

Übersicht

	1. Stromrelais
	2. Strom- und Spannungswandler
	3. Lampentest
	4. Weitere Überwachungen bei elektronischen Lampenschaltern
	5. Elektronische Signalsicherung
	6. Verarbeitung in den Signalprogrammen

1. Stromrelais

Hier ist ein einfaches Verschaltungsbeispiel einer mit Stromrelais realisierten Signalsicherung anhand einer Fußgängerampel aufgezeigt: 

Die Anlage ist in einer Einbahnstraße installiert und besitzt 2 Fußgängersignale (F1a, F1b) und 3 Signalgeber für Kfz, davon ist eines das Hauptsignal (K1a) und die anderen zwei sind Wiederholer (K1b, K1c).

Die Stromrelais K11, K12, K21 und K22 müssen auf die entsprechende Anzahl und Leistung der Signallampen abgestimmt werden. Die Relais ziehen an, wenn durch sie ein Strom ab einer gewissen Stärke fließt. 

Fallen also die Sperrsignallampe des Hauptsignals oder alle Rotlampen der Wiederholer aus, dann ziehen die entsprechenden Stromrelais nicht an. Die Folge daraus ist:

1. Die Grünsignale der feindlichen Signalgruppen können nicht einschalten, da der Stromkreis erst durch die angezogenen Stromrelais geschlossen wird.

2. Schalten die Rotlampen der feindlichen Signale wie im Signalprogramm festgelegt ab, dann bekommt das Überwachungsrelais STOA (STOerung Anlage) Spannung. Es zieht nach einer kurzen Zeit an und unterbricht die Stromzufuhr der Signallampen. Ist das Relais STOA angezogen, dann leuchtet gleichzeitig die Warnlampe "Störung Rotlampe". Das Relais hält sich solange selber, bis es vom Wartungspersonal nach Auswechseln der defekten Lampe über den Reset-Taster zurückgesetzt wird. 

Das Relais STOA setzt zusätzlich noch die Steuerung zurück, da sonst die Signale in dem Zustand wieder eingeschaltet werden würden, in dem der Rotlampenausfall erkannt wurde (verkehrsgefährdend, da einige Signale sofort von dunkel auf Rot und andere von dunkel auf Grün springen würden).

Diese Ausführung der Signalsicherung ist nur noch in älteren Signalsteuergeräten zu finden. Die Einhaltung der Zwischenzeiten wird bei dieser Variante der Signalsicherung nicht mit überwacht.

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2. Strom- und Spannungswandler

2.1. Rotlampenüberwachung mittels Stromwandler 

Der Ausfall von Sperrsignallampen kann einfach mittels Stromwandler überwacht werden: Fließt ein Strom durch die Sperrsignallampe, dann fließt ebenfalls ein Strom im Sekundärkreis des Stromwandlers. Dieser Strom wird über einen Messwiderstand kurzgeschlossen. Am Widerstand liegt eine Spannung an, die proportional zur angeschlossenen Lampenleistung ist. Diese Spannung wird über einen nachgeschalteten Schwellwertschalter ausgewertet. Überschreitet sie einen Wert, der einer Mindest-Lampenleistung entspricht, dann gibt der Schwellwertschalter einen High-Pegel als Ausgangssignal ab. Bei Lampenausfall oder nicht eingeschalteter Signallampe führt der Ausgang dagegen Low-Pegel. Das Ausgangssignal wird von einer nachgeschalteten Logik oder dem Prozessor des Steuergerätes ausgewertet. 

Schaltungsbeispiel eines Stromwandlers	Steckkarte mit vier Stromwandlern aus einer Signalsicherung der Fa. Siemens (zur Vergrößerung des Bildes bitte klicken)

2.2. Grünüberwachung mittels Spannungswandler 

Variante 1: Ein Spannungswandler liegt parallel zur Grünlampe. Im Sekundärkreis des Spannungswandlers liegt eine Niederspannung an, die proportional zur Spannung an der Grünlampe ist. Diese Spannung wird von einem nachgeschalteten Schwellwertschalter ausgewertet. Überschreitet die an der Grünlampe angeschlossene Spannung einen Wert, bei dem davon ausgegangen wird, dass das Signal als "eingeschaltet" erkannt werden kann, dann gibt der Schwellwertschalter einen High-Pegel aus, ansonsten ist der Ausgang "low". Das Ausgangssignal wird von einer nachgeschalteten Logik oder dem Prozessor des Steuergerätes ausgewertet.

Variante 2: Hier liegt der Spannungswandler parallel zum Lampenschalter. Die Schaltung arbeitet im Prinzip wie Variante 1, jedoch muss hier eine Mindestspannung am Schalter anliegen, um davon auszugehen, dass das Grünsignal nicht mehr sichtbar ist. Das Ausgangssignal ist hier im Vergleich zur Variante 1 invertiert, d. h. es führt Low-Pegel bei eingeschaltetem Grünsignal und High-Pegel, wenn die Grünlampe ausgeschaltet ist. Ein Durchbrennen der Signallampe hat allerdings zur Folge, dass selbst bei offenem Signalschalter keine Spannung an diesem anliegt, was fälschlicherweise als eingeschaltetes Grünsignal erkannt wird.

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3. Lampentest

Um eine defekte Sperrsignallampe schnell lokalisieren zu können, wird in Steuergeräten der neueren Generation der genaue Standort der Signallampe angezeigt. Das erfolgt entweder über eine Fehleranzeige an der entsprechenden Ausgabebaugruppe oder über ein Display am Steuergerät. 

Bei älteren Geräten wurde diese Technik mit folgender Schaltung gelöst: 

Zum Lampentest muss der Hauptschalter in Stellung "Test" gebracht werden. Dadurch werden die Signallampen von der Betriebsspannung getrennt, die Anlage ist komplett dunkel geschaltet.  Für jede überwachte Signallampe oder -Gruppe ist ein Testtaster vorhanden. Wird ein solcher Taster betätigt, dann schließt sich ein Stromkreis von der Phase der Netzspannung über einen Vorwiderstand, einer Anzeigelampe im Steuergerät und der Signallampe(n) nach N.  Ist die Signallampe(n) in Ordnung, dann leuchtet die Anzeige im Steuergerät auf. Die Signallampe bleibt dabei dunkel, weil der Stromfluss nicht ausreicht um sie zum Glühen zu bringen. Ist die Signallampe defekt, dann kommt kein Stromfluss zustande und die Testlampe bleibt dunkel.

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4. Weitere Überwachungen bei elektronischen Lampenschaltern

Mit der Verwendung von Triac-Lampenschaltern mussten weitere Fehlerquellen ausgeschlossen werden. Bei einem Triac kann z. B. eine Thyristorstrecke durchlegiert sein, wodurch im ausgeschalteten Zustand noch eine Halbwelle der sinusförmigen Netzspannung durchgelassen wird. Ebenso kann ein Thyristor im eingeschaltetem Zustand halbseitig gesperrt bleiben. Solche Fehler müssen von der Signalsicherung sicher erkannt werden. Die Signallampe(n) an solch einem defekten Lampenschalter würde(n) mit verminderter Helligkeit leuchten, 

Beispiel für einen elektronischen Lampenschalter (Triac-Nullspannungsschalter, schaltet immer im Nulldurchgang der sinusförmigen Netzspannung)		Stromverlauf an einem einseitig durchlegierten gesperrten oder einseitig unterbrochenem eingeschalteten Triac-Lampenschalter: Eine Halbwelle (positiv oder negativ) der Netzspannung wird durchgeleitet, die andere gesperrt.

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5. Elektronische Signalsicherung

Hier ein vereinfachtes Schaltungsbeispiel einer unabhängig von der Steuerung arbeiteten elektronischen Signalsicherung. Das Schaltungsbeispiel entstammt wieder aus der unter 1. beschriebenen Fußgängersignalanlage.

Als Messglieder im Leistungskreis (oberer Bereich) dienen die oben beschriebenen Strom- und Spannungswandler, die hier vereinfacht als Rechtecke (U=Spannungswandler, I=Stromwandler) dargestellt sind. Die Ausgangssignale der Wandler werden in der Signalsicherungsbaugruppe auf Logikbausteine (ODER- und UND-Gatter) geführt (die entsprechenden Verbindungsleitungen sind aufgrund der Übersichtlichkeit aufgetrennt).

Die Überwachungseinheit sendet einen Takt aus, der durch sämtliche Logikketten durchgeleitet wird (orange Leitungen). Nach der oben vorgenommenen Verschaltung der Logikbausteine müssen beim Abschalten eines Rotsignals immer alle dazu feindlichen Rotsignale leuchten und alle feindlichen Grünsignale dunkel sein, sonst wird der Takt nicht weitergeleitet.

Die Taktleitung wird am Ende der Logikketten wieder zurück auf die Überwachung geführt, die das Signal mit dem ausgesendeten Takt vergleicht. Sind die Signale identisch, dann ist alles in Ordnung. Tritt eine Unregelmäßigkeit auf (z. B. kommt kein Takt an oder liegt wegen Kurzschluss immer High-Pegel an), dann liegt ein Fehler vor und die Anlage wird mittels des Schützes "STOA" (Störung Anlage) abgeschaltet.

Zur weiteren Überwachung wird ein Testsignal vom Mikroprozessor (z. B. Taktsignal mit festgelegten Parametern wie Periodendauer, Tastverhältnis) in die Überwachungseinrichtung geführt. Bleibt dieses Signal aus oder entspricht es nicht dem erwarteten Signalverlauf, dann schaltet die Signalsicherung das Steuergerät ebenfalls auf Störung.

Durch entsprechende Verschaltung der Messglieder und Logikbausteinen können auch Gelblampen, Rot-Gelb-Signalzustand usw. überwacht werden.

Bei Rotlampenausfall schaltet die Signalsicherung nach oben gezeigtem Beispiel erst auf Störung, wenn ein feindliches Rotsignal abgeschaltet wird (z. B. beim Wechsel auf Grün in dieser Signalgruppe). Zwischenzeiten werden bei dieser Variante nicht mit überwacht. 

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6. Verarbeitung in den Signalprogrammen

In modernen Steuergeräten wird die Signalsicherung softwaremäßig gelöst. Man ist so flexibler im Bezug auf Änderungen oder Erweiterungen der Signalanlage, da keine aufwendigen Änderung an der Verdrahtung vorgenommen werden muss. Die Signalzustände werden in Ausgaberegister geschrieben, aus denen die entsprechenden Schaltsignale für die Lampenschalter generiert werden. Auf den Ausgabekarten sind für jeden Ausgang Messwandler für die Rückmeldung des Ist-Zustandes der Signale eingebaut. Der Ist-Zustand kann softwaremäßig über Eingangs-Register abgefragt werden. Mittels logischer Verknüpfungen im Programm lassen sich die Signale auf Fehlzustände überwachen.

Beispiel für eine softwaremäßig gelöste Signalsicherung:

Das Beispiel basiert wieder auf einer Fußgängersignalanlage in einer Einbahnstraße mit 3 Kfz- und 2 Fußgängersignalen, wie unter dem Punkt 1 auf dieser Seite beschrieben. Es werden zur Anschaltung und Rückmeldung der Signalgeber folgende Register benötigt:

Ausgaberegister SIG:

Rückmelderegister IST:

Im Abschnitt Signalsicherung im Signalprogramm werden die möglichen auftretenden Signalisierungszustände, die eine Fehlerabschaltung auslösen sollen, durch logische Verknüpfungen gebildet. Anders als bei den oben dargestellten Beispielen erkennt dieses Steuergerät einen Rotlampenausfall schon beim Einschalten der entsprechenden Signale und schaltet dann sofort auf Störung.

Programmcode

(Hinweis: Aufgrund der verschiedenen Programmiersprachen für Steuergeräte wurde das Programm in einem leicht verständlichen allgemeinen Code verfasst)

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