Datenübertragung

Wenn wir uns mit der Datenübertragung in einem Steuerstromnetz befassen, müssen wir zwei unterschiedliche Lösungen in Betracht ziehen. Dabei lassen sich diese mit der Wahl der Traktionssteuerung verbinden. Daher sollten wir uns zur Erinnerung diese beiden Systeme schnell ansehen und danach an die Lösungen der Steuerung gehen. Das ist eine einfache Lösung um die Probleme mit den unterschiedlichen Bauarten zu beheben.

Die klassische Traktionssteuerung von elektrischen Lokomotiven basierte auf Schaltelementen, die eine Anzapfung oder einen Widerstand so mit dem Motor verbanden, dass dieser die Zugkraft aufbauen konnte. Das hatte auch bei der Steuerung Auswirkungen, denn hier konnte man mit einem einfachen aber effizienten System von elektrischen Signalen arbeiten. Daher wird sich hier eine klassische Lösung anbieten.

Mit den modernen Lösungen und der Schaltung von Halbleitern war jedoch die Dichte der benötigten Signale sehr gross. Zudem mussten diese schnell übermittelt werden, da Schaltungsänderungen in Bruchteilen von Sekunden ausgeführt werden mussten. Die klassischen Systeme waren damit überfordert, so dass man auch bei der Steuerung eine neue Lösung umsetzen musste. Nur so konnten die vielen Daten schnell und zuverlässig übermittelt werden.

Sie sehen, die Steuerung musste an die Traktion angepasst werden. Daher lohnt es sich sicherlich, wenn wir diese Aufteilung bei der Steuerung auch machen, denn die Datenübertragung erfolgt bei allen Steuerungen mit den Signalen ein und aus. Es gibt keine anderen Möglichkeiten. Das mag jetzt verblüffen, werden doch solche Signalfolgen mit der modernen digitalen Technik in Verbindung gebracht. Bei Lokomotiven, die kurz nach 1900 gebaut wurden, erwartet man doch analoge Lösungen.

 

Die klassische Steuerung

Bei der klassischen Steuerung verwendet man elektrische Signale. Diese wurden mit der Gleichspannung und dem fliessenden Strom verwirklicht. Dazu verwendete man daher einfach Kabel aus Kupfer. Die Signale selber wurden jedoch mit den einfachen Methoden der ein/aus Funktionen übertragen. Entweder floss ein Strom an die benötigte Stelle oder eben nicht. Differenzierte Lösungen mit unterschiedlich hohen Spannung oder Strömen gab es daher auch bei der klassischen Lösung nicht.

Wie das genau funktionierte, soll mit den verwendeten Schaltelementen aufgezeigt werden. Dazu verwende ich eine Schaltung der Steuerung, die als Muster dienen soll. Ich wählte dazu den Stromabnehmer, der gehoben oder gesenkt werden kann. Natürlich hätte ich auch ein anderes Bauteil verwenden können, denn die Lösung bei der Steuerung war überall gleich und Abweichungen davon gab es nicht. Doch nun zu unserem Beispiel mit dem Stromabnehmer, der gehoben werden soll.

Auslöser für das Signal den Stromabnehmer zu heben war ein Steuerschalter. Diese Steuerschalter kann als normaler Schalter angesehen werden, der entweder ein- oder ausgeschaltet werden konnte. Damit der Stromabnehmer nun gehoben werden kann, wir der Steuerschalter mit Hilfe eines Griffes so bewegt, dass er den Kontakt schliesst. In der Folge fliesst in der Leitung ein Strom, der einem elektrischen Signal entspricht.

Der Griff des Steuerschalters lieferte durch seine Stellung und die angebrachte Skala eine Rückmeldung über die getätigte Schaltung. Diese blieb so lange erhalten, bis der Griff wieder bewegt wurde.

Eine Rückmeldung, ob der Auftrag korrekt ausgeführt wurde, gab es bei der klassischen Lösung für die Steuerung nicht. Man musste die Reaktion des angesteuerten Bauteils abwarten um zu wissen, dass der Auftrag ausgeführt wurde. Im Beispiel musste man nachsehen, ob sich der Stromabnehmer gehoben hat.

Wir haben damit nun ein Signal, das der Steuerung mitteilt, dass wir wünschen, dass der Stromabnehmer gehoben werden soll.

Wir werden nun diesem Signal folgen und sehen, welche Lösungen man hier verwendete, damit der Befehl von Steuerschalter korrekt ausgeführt wurde. Später kommen wir dann zum Spezialfall bei älteren Lokomotiven und die daraus entstandenen Lösungen in der Steuerung. Doch nun verfolgen wir das Signal, das nahezu mit Lichtgeschwindigkeit übertragen wird.

Das Signal wird nun vom Schaltelement empfangen. Beim Stromabnehmer handelt es sich um ein elektrisch gesteuertes Ventil, das die Luftleitung zum Stromabnehmer öffnet und diesem so erlaubt, den verlangten Auftrag auszuführen. Der Stromabnehmer hebt sich, weil nun Druckluft zum Zylinder gelangt und die Kräfte der Federn verändert. Das Signal des Steuerschalters ist angekommen und wurde ausgeführt. Wir haben die erwartete Reaktion erhalten.

Nun kommt die spezielle Schaltung bei älteren Stromabnehmern, denn dort konnte der Steuerschalter in die Stellung Abschluss verbracht werden. Das Signal des Steuerschalters hatte nun zur Folge, dass das Ventil sein elektrisches Signal verlor und dadurch die Zufuhr von frischer Druckluft sperrte. Beim Stromabnehmer hatte das soweit keine Folge, denn die Druckluft wurde eingeklemmt und er blieb oben. Jedoch wäre nun ein Verlust von Druckluft nicht mehr ergänzt worden.

Um den Stromabnehmer wieder zu senken, verbrachte man den Steuerschalter in die Stellung aus. Damit wurde nun ein elektrisches Signal an ein anderes Ventil gesendet. Dieses öffnete nun die Leitung und der Stromabnehmer senkte sich. So lange der Schalter nun in dieser Stellung blieb, konnte sich der Stromabnehmer nicht mehr heben. Wir haben daher ein Signal zum Senken geschickt. Damit dieses wieder abfallen konnte, musste der Griff wieder in die mittlere Stellung verbracht werden.

Damit haben wir nun die klassische Steuerung kennen gelernt. Jedoch gibt es andere Schaltungen, die komplizierter aufgebaut werden mussten. Hier denke ich nun an das Signal, das zum Schalten einen Bauteils verwendet wird, an das bestimmte Bedingungen geknüpft sind. So ein Bauteil ist zum Beispiel die Zugsammelschiene, die nicht eingeschaltet bleiben darf, wenn es auf der Leitung einen Kurzschluss gibt. Daher werden hier zusätzliche Bauteile verwendet.

Um bestimmte Bedingungen der Steuerung mitzuteilen, werden Überwachungsrelais verwendet. Diese überwachen zum Beispiel einen bestimmten Wert.

Ist dieser Wert überschritten, wird im Relais ein Kontakt geöffnet und so die Übertragung des Signals unterbrochen. Wie das geht, sehen wir, wenn wir uns so ein Relais etwas genauer ansehen und dabei erfahren, wie das geschaltet werden musste, dass die Steuerung reagierte.

Ein Relais ist ein elektromagnetischer Schalter. Ein Stromfluss in einer Spule hat zur Folge, dass ein normaler Kontakt geschlossen oder geöffnet wird. Man kann daher ein Relais daher auch als Fernschalter bezeichnen.

Diese Relais kommen bei Lokomotiven in erster Linie zur Überwachung zum Einsatz. Das heisst, verlangt eine bestimmte Schaltung, dass sich das Relais anzieht, wird der Stromfluss darüber unterbrochen. Das Signal kommt nicht mehr beim Verbraucher an.

Gewisse Relais sind so aufgebaut, dass sie, wenn die den Kontakt geöffnet haben, nicht mehr aktiviert werden können. Damit man bei einer Kontrolle weiss, welches Relais nun abgesprochen hat, sind solche Relais mit einer Anzeige ausgerüstet.

Das kann eine Klappe sein, die angezeigt wird, oder eine Lampe die leuchtet. Beide Anzeigen teilen deshalb mit, dass das Relais einen Unterbruch verursacht. Mit einer manuellen Rückstellung kann es jedoch wieder normalisiert werden.

Soweit zur klassischen Übertragung der Signale. Natürlich wurden umfangreichere Schaltungen auf Lokomotiven verwirklicht. Jedoch würden diese den Aufbau nur komplizierter werden lassen.

Bei der Funktion der klassischen Steuerung gäbe es jedoch keine Änderung, denn die funktionierte mit Schaltern und Schaltelementen, die dafür sorgten, dass die Signale übermittelt werden, oder auch nicht. Kommen wir daher zu modernen Lösung für die Steuerung.

 

Die moderne Steuerung

Bei den Lokomotiven, die mit den modernen Stromrichtern arbeiten, reichte das klassische System für die Steuerung nicht mehr aus. Man musste deshalb nach neuen und passenden Lösungen suchen. Diese Lösung fand man bei der Elektronik und dort bei den Computern. So konnte man die notwendigen Befehle in der benötigten Geschwindigkeit ausführen. Es lohnt sich deshalb, wenn wir hier auch etwas genauer hinsehen.

Damit Sie sich etwa ein Bild der Änderungen machen können, führen wir hier auch die gleiche Tätigkeit aus. Das heisst, wir heben bei der modernen Lokomotive ebenfalls den Stromabnehmer. Dabei befolgen wir hier auch den Weg der Signale und die Ausführung der angeforderten Befehle. Sie können sich daher ein Bild über die Unterschiede machen. Doch beginnen wir mit der modernen Steuerung und erteilen dieser den Befehl, den Stromabnehmer zu heben.

Der Befehl den Stromabnehmer zu heben, erteilt der Lokführer auch hier mit einem Steuerschalter oder, wo vorhanden, mit einem einfachen Taster. Die Funktion ist dabei auch noch gleich, denn durch das betätigen des Schalters oder des Tasters wird ein elektrischer Kontakt geschlossen und so ein Signal auf die Reise geschickt. Das Ziel dieses Signals ist aber nicht der Empfänger, sondern der bei der modernen Steuerung eingebaute Fahrzeugrechner.

Der Fahrzeugrechner ist das Herzstück der modernen Steuerung. Man kann ihn als Hirn der ganzen Lokomotive bezeichnen. Die Funktion basiert auf der Technik mit Computern. Da der Computer der Lokomotive jedoch keine normalen Bedienelemente hat, spricht man von einem Rechner. Dabei kommen bei gewissen Lokomotiven durch Programme zur Anwendung, die Sie eventuell auch kennen. Wie der Rechner funktioniert, hängt vom Hersteller ab.

Das Herzstück der modernen Steuerung ist die Leittechnik. Diese stellt sicher, dass die Befehle und Anforderungen als Input angenommen werden. Diese Signale werden ausgewertet und danach die entsprechenden Aufgaben ausgeführt.

Dank der Leittechnik können mehrere Signale gleichzeitig ausgewertet und weitergeleitet werden. Damit wird die Steuerung sehr leistungsfähig und arbeitet sehr schnell.

Die Outputs, also die Ausgänge des Fahrzeugrechners werden dem Fahrzeugdatenbus übergeben. Der Fahrzeugdatenbus ist ein Netzwerk der Schnittstellen auf dem Fahrzeug.

Damit ist eine Kommunikation zwischen dem Stellelement und dem Rechner vorhanden. Unser Befehl den Stromabnehmer zu heben, wird daher dem Fahrzeugdatenbus übergeben und vom entsprechenden Ventil ausgeführt, der Stromabnehmer hebt sich. Das müssen wir nun aber etwas genauer ansehen.

Ein Busssystem, wie es der Fahrzeugdatenbus ist, ist ein System bei dem die Aufträge, Meldungen und Befehle mit codierten Signalen übermittelt werden. Dank dieser Codierung ist es möglich, einige Signale gebündelt zu versenden.

Stellen Sie sich dazu eine Stadt mit den Strassen vor. Die einzelnen Datenpakete sind die Busse, die auf diesen Strassen verkehren. Daher spricht man von einem Bussystem, denn die Pakete sind wie die Busse mit mehreren Signalen gefüllt.

Die Strassen für den Fahrzeugdatenbus sind die Leitungen in der Lokomotive. Mit der modernen Lösung wurden Lichtwellenleiter an der Stelle der Kupferleitungen verwendet. Die einzelnen Signale und die Pakete werden bei den Lichtwellenleitern mit Licht übermittelt. Dadurch sind diese Lichtwellenleiter schneller als die Kupferkabel, denn Licht wird exakt mit Lichtgeschwindigkeit übertragen. Durch den Einsatz von Lichtwellenleitern werden daher keine klassischen elektrischen Signale mehr übertragen.

Durch die Codierung der Signale, kann ein einziger Lichtwellenleiter in der gleichen Zeit mehr Signale übertragen, als mehrere Kupferkabel. Dadurch wurde die ganze Verkabelung der Steuerung viel leichter und es konnten mehr Informationen übermittelt werden. Das Licht in den Lichtwellenleitern ist zudem nicht mehr so anfällig auf elektrische Störungen. Man hatte nun das zur modernen Technik passende Leitungssystem erhalten.

Die eigentlichen Empfänger oder Absender der Signale sind die Busstationen. Diese Busstationen empfangen oder senden das Signal, das in den Lichtwellenleiter übermittelt wird und werten es aus. Spricht das Signal die entsprechende Station an, wird der Auftrag ausgeführt. Bei uns heisst das, der Stromabnehmer wird durch das elektrisch gesteuerte Ventil gehoben. Der Befehl wurde ausgeführt. Wir haben das Ziel der klassischen Steuerung erreicht.

Das Stellglied sendet jedoch mit dem nächsten Datenbus die Meldung, dass der Befehl ausgeführt wurde zurück zum Fahrzeugrechner. Die Taste im Führerstand meldet den erfolgreichen Auftrag zurück. Wir haben dank der modernen Technik eine echte Rückmeldung erhalten. Damit haben wir eine Verbesserung der Steuerung erhalten, die schnelle und vollständige Daten übermittelt. Die Leittechnik übernimmt dabei alle Aufgaben und meldet auch Störungen.

Wir sind nun am Ende der Datenübertragung angelangt und haben mit der modernen Steuerung ein sehr leistungsfähiges System kennen gelernt. Bei damit ausgerüsteten Lokomotiven werden sämtliche Befehle und Aufträge vom Lokführer über die Leittechnik übertragen. Der Lokomotivführer bedient hier keine Steuerung mehr, sondern einen Computer. Doch sehen wir uns nun an, wie man denn eine Lokomotive bedient.

 

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