VERFAHREN UND EINRICHTUNG ZUM ENERGIEMANAGEMENT EINER ELEKTRISCHEN WEICHENHEIZUNGSANLAGE

Beschreibung

[0001] Fahrwegelemente von Eisenbahnen, insbesondere Weichen, werden bedarfsabhängig beheizt, um vor allem im Winter ein Einfrieren der beweglichen Teile bzw. deren Blockieren durch eingedrungenen Schnee und Eis zu verhindern und damit die Betriebssicherheit zu gewährleisten. Bekannte Weichenheizungen beruhen auf Systemen mit Heißwasserdampf, Gasbeheizung oder elektrischer Energie. Die Wirtschaftlichkeit solcher Weichenheizungen wird dabei maßgeblich durch die Anschaffungs-, Instandhaltungs- und Energiekosten bestimmt.

[0002] Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Einrichtung zum Energiemanagement einer elektrischen Weichenheizungsanlage. Solche Weichenheizungsanlagen umfassen zumindest eine Weiche, die feste Backenschienen und bewegliche Zungenschienen sowie ein Verschlussfachgestänge aufweist, und eine elektrische Verteilung mit Heizabgängen zur Stromversorgung von elektrischen Heizelementen an den Schienen der Weichen mit Steuerungseinrichtung zur Steuerung und Regelung der Schienentemperatur.

[0003] Gattungsgemäße Verfahren und Einrichtungen sind aus dem Stand der Technik, beispielsweise aus DE 198 32 535 C2 sowie DE 198 49 637 C1, an sich bekannt. Derartige elektrische Weichenheizungen 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 verhindern.

[0004] Die Detektion von Schnee und Eis erfolgt über die Erfassung und Auswertung von Lufttemperatur und Niederschlag. Bei zusätzlichem Unterschreiten der Schienen-Isttemperatur unter eine parametrierbare Schienen-Solltemperatur, zum Beispiel + 4 °C, wird die gesamte Weichenheizung eingeschaltet und dadurch werden 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 Schienen-Solltemperatur in einer Zweipunkt- oder Konstanttemperatur-Regelung.

[0005] 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 gleich Null. In der Regel wird dabei für jede Weiche in der elektrischen Verteilung ein Heizabgang mit Steuer- und Regeleinrichtung angeordnet.

[0006] Aus DE 100 43 571 C1 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 einer Führungsweiche eine zeitsynchrone Ein- und Ausschaltung aller Schalteinrichtungen und damit aller elektrischen Heizelemente.

[0007] 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 Schienen-Solltemperatur wurde eine Energieeinsparung durch Reduzierung des Energieverbrauches gegenüber Heizung mit unisolierter Schiene erreicht.

[0008] Es ist weiterhin ein Energiemanagementsystem für elektrische Weichenheizungen zur Reduzierung der gleichzeitig wirksamen Leistung bekannt (DB Netz, "Allgemeine Grundlagen (1), Energiemanagement, Leipzig 10.03.2009), mit dem die einzelnen Weichen in Abhängigkeit vom 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 Schienen-Solltemperatur 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 Schienen-Solltemperatur. Die Priorisierung erfolgt nach der Wichtigkeit der zu beheizenden Weichen und kann eingestellt werden. Nachteilig ist, dass für Weichen mit nachrangiger Priorität eine geringere Leistung zur Beheizung zur Verfügung steht und die Schienen-Solltemperatur derselben zeitversetzt erreicht wird.

[0009] Aus DE 199 32 833 A1 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.

[0010] Aus WO 2010/115436 A1 ist ein Verfahren und eine Einrichtung zum Energiemanagement einer elektrischen Weichenheizung mit mehreren Weichen bekannt, bei der die Steuerung und die Detektion von Schnee durch Auswertung der Lufttemperatur und Niederschlag sowie die 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 vorgenommen wird. Backen- und Zungenschienen der Weiche sind mit Wärmeisolierungssegmenten versehen, so dass beim Heizen mindestens gleich lange Aufheiz- und Abkühlzeiten bei Schienen-Solltemperatur und minimalen Betriebstemperaturen erzeugt werden sollen. Zur Leistungsbegrenzung werden die Steuer- und Regeleinrichtungen einem oder mehreren Heizregimen mit jeweils unterschiedlicher Anzahl Gruppen entsprechend der Leistung der Heizabgänge zugeordnet, so dass alle Gruppen eines Heizregimes annähernd gleiche Leistung aufweisen und jede Gruppe eines Heizregimes regelmäßig, nacheinander und umlaufend über Gruppenfreigabe einem Zeitfenster zugeordnet ist, in dem die Steuer- und Regeleinrichtungen der Gruppe Heizimpulse mit Tastverhältnis zwischen 0 % und 100 % erzeugen und die Gruppen eines Heizregimes über eine Gruppenfreigabe reihum geschaltet werden.

[0011] Nachteilig bei dieser Lösung sind die aufwendigen Wärmeisoliersegmente, die projektspezifische und damit fixe Zuordnung der Weichen zu Gruppen, die umlaufend über eine aufwendige Gruppenfreigabe einem Zeitfenster zugeordnet werden und Heizimpulse mit Tastverhältnis zwischen 0 % und 100 % erzeugen, und der damit verbundene hohe Aufwand für Hardware und Software für die Gruppenfreigabe sowie die Ermittlung und Auswertung von verschiedensten Zeitkonstanten für jeden Gruppenbetrieb, die an einem Schienenmuster ermittelt und in der Steuerung hinterlegt sind.

[0012] Es ist weiterhin bekannt (DB Netz, "Switching Heating Seminar", Fachautor Ludwig Linke), alle Schienen einer Weichenheizung bei Unterschreiten einer parametrierbaren bestimmten Lufttemperatur, zum Beispiel kleiner + 3 °C, auf eine geringe Schienen-Solltemperatur, zum Beispiel + 2 °C, vorzuheizen und bei zusätzlichem Niederschlag auf eine höhere Schienensolltemperatur, zum Bespiel + 4 °C, zu heizen. Nachteilig ist der damit verbundene erhöhte Energieverbrauch.

[0013] Bei gattungsgemäßen Weichenheizungen sind derzeit Steuerungsarten durch Handeinschaltung, Temperatursteuerung und Klimasteuerung bekannt.

[0014] Die Handeinschaltung erfolgt durch den Fahrdienstleiter während der Winterzeit. Die Temperatursteuerung mittels Zweipunktregelung erfolgt in zeitlichen Heizintervallen, indem bei einer Schienentemperatur kleiner + 3 °C die Heizung eingeschaltet und bei einer Schienentemperatur größer + 7 °C die Heizung ausgeschaltet wird. Die Klimasteuerung erfolgt in den Betriebsmodi "Feucht-Heizen" oder "Tieftemperaturheizen". Beim sogenannten "Feucht-Heizen" werden bei Detektion von Schneefall mittels Feuchtigkeits-, bzw. Niederschlags- und Lufttemperatur-Messung an einer Führungsweiche alle Weichen einer Anlage eingeschaltet und über Schienentemperatursensoren auf den Schienen-Solltemperatur-Wert von zum Beispiel + 6 °C erwärmt und geregelt, indem durch die Steuerungseinrichtung alle Heizelemente der Weichenheizungsanlage über Heizabgänge mit einem Schaltgerät für jede Weiche gleichzeitig ein- und ausgeschaltet werden. Die Heizbedingung "Feucht-Heizen" gilt als erfüllt, wenn Niederschlag vorhanden ist und die Schienentemperatur unter einen vorparametrierten Wert fällt. Dadurch wird bei Heizanforderung immer die Leistung aller angeschlossenen Heizelemente ein- und ausgeschaltet und die tatsächliche Leistung während des Heizvorganges schwankt zwischen Null und einem Maximalwert, der der Summe der Anschlussleistung aller Heizelemente entspricht. Bei negativen Umgebungstemperaturen werden die Einschaltpunkte angehoben. Ein optional zusätzlicher Flugschneesensor wirkt als zusätzlicher Schneedetektor einschaltend.

[0015] Der Betriebsmodus "Tieftemperaturheizen" erfolgt bei Trockenheit und tiefen Lufttemperaturen zwischen - 5 °C und -15 °C. Das "Tieftemperaturheizen" dient dazu, das sehr träge Aufheizverhalten der Anlage, welches sich durch die Systembedingungen ergibt, umgehen zu können und somit präventiv für ein mögliches Niederschlagsereignis vorzuheizen sowie, um Eis und Flugschnee in der Weiche zu schmelzen. Bleibt das Niederschlagsereignis bzw. Eis und Flugschnee aus, wird dementsprechend ohne Bedarf geheizt. Die Steuerung regelt über ein Schaltgerät bei erfüllter Heizbedingung die Erwärmung aller Weichen mithilfe einer Wellenpaket- oder Zweipunktsteuerung auf konstant + 6 °C.

[0016] Die aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren und Einrichtungen sind teilweise sehr aufwändig und haben den Nachteil, dass entweder Energie ohne Bedarf verbraucht wird, oder einige Weichen einer Anlage später bzw. nicht ausreichend geheizt werden.

[0017] Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Energiemanagement von elektrischen Weichenheizungsanlagen anzugeben und eine entsprechende Einrichtung bereitzustellen, wodurch mit einfachen Mitteln eine variable Anpassung der Leistung in Abhängigkeit von vorgebbaren Betriebsparametern sowie eine sichere Funktion der Weichenheizungsanlagen mit optimalem Energieeinsatz erreicht wird.

[0018] Diese Aufgabe wird in einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung durch ein Verfahren zum Energiemanagement einer elektrischen Weichenheizungsanlage gelöst, die zumindest zwei Weichen (12), an denen jeweils mindestens ein Heizelement (7) angeordnet ist, zumindest eine Schaltverteilung (1) mit mindestens einem Heizabgang (6), insbesondere einem Heizabgang (6) je Weiche (12), und zumindest eine Steuerungseinrichtung (3) zum Steuern und Regeln der Schienentemperatur (X) aufweist, umfassend die Schritte:

a) während des Heizbetriebes der elektrischen Weichenheizungsanlage Bilden von zyklisch nacheinander folgenden Taktzeiten (Zt),

b) für jede Taktzeit (Zt) Bilden mindestens eines Leistungsverhältnisses (L) entsprechend der Anzahl eingeschalteter und ausgeschalteter Heizabgänge (6),

c) während jeder Taktzeit (Zt) zumindest eines festen Leistungsverhältnisses (L_f) oder eines mit zumindest einem extern erfassbaren Betriebsparameter (B) korrelierenden Leistungsverhältnisses (L_e) Aktivieren der Heizabgänge (6) der Reihe nach beginnend mit den eingeschalteten oder ausgeschalteten Heizabgängen (6) entsprechend dem Leistungsverhältnis (L) und Deaktivieren der übrigen Heizabgänge (6) in umlaufender schrittweiser Betriebsweise,

d) dadurch Ausführen zumindest eines aktiven Leistungsverhältnisses (L_a), wobei eine Anpassung des zumindest einen aktiven Leistungsverhältnisses (L_a) vorgenommen wird, die in Abhängigkeit einer tatsächlichen Regelabweichung erfolgt und ein Grenzwert "maximale Regelabweichung" ermittelt wird, indem beim erstmaligen Einschalten der elektrischen Weichenheizungsanlage mit projektspezifischem Leistungsverhältnis (L_pro) zwischen 50 % und 80 % innerhalb der Aufheizzeit (t_auf) eine vorhandene Regelabweichung (xw_auf) zu Beginn der Aufheizzeit (t_auf) erfasst und mit einer gespeicherten maximalen Regelabweichung xw_max verglichen wird, wobei beim Überschreitung der maximalen Regelabweichung (xw_max) die Anpassung des zumindest einen aktiven Leistungsverhältnisses (L_a) auf 100 % erfolgt
d1) Wiederholen des Schritt d) nach einer vorgebbaren Zeitspanne oder bei Unterschreiten oder Überschreiten der maximalen Regelabweichung (xw_max),

e) bei witterungsbedingter Heizanforderung (Hz) für zumindest eine Weiche (12) Berechnen der theoretischen Aufheizzeit bis zum Erreichen der vorgebbaren Schienen-Solltemperatur (X_s) der Weiche (12) und Vergleichen derselben mit einer parametrierbaren Aufheizzeit (t_auf),
e1) bei Überschreiten der parametrierbaren Aufheizzeit (t_auf) Erhöhen des aktiven Leistungsverhältnisses (L_a) zumindest des betroffenen Heizabgangs (6), indem die Anzahl der pro Taktzeit (Zt) eingeschalteten Heizabgänge (6) um eins erhöht und die Anzahl der pro Taktzeit (Zt) ausgeschalteten Heizabgänge (6) um eins verringert wird oder das Leistungsverhältnis (L_a) auf 100 % erhöht wird,

wobei nach und/oder vor jeder Taktzeit (Zt) die jeweilige Schienentemperatur (X) zumindest einer an die elektrische Weichenheizungsanlage angeschlossenen Weiche (12) mit der vorgebbaren Schienensolltemperatur (X_s) verglichen wird, wobei in Auswertung dieses Vergleichs die Zuordnung der eingeschalteten und ausgeschalteten Heizabgänge (6) verändert wird, indem Heizabgänge (6) mit Erwärmungsüberschuss zugunsten von Heizabgängen (6) mit Erwärmungsdefizit während der jeweiligen Taktzeit (Zt) ausgeschaltet werden.

[0019] Die vorstehend genannte Aufgabe wird in einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung durch eine Einrichtung zum Energiemanagement einer elektrischen Weichenheizungsanlage gelöst, die zumindest zwei Weichen (12), an denen jeweils mindestens ein Heizelement (7) angeordnet ist, zumindest eine Schaltverteilung (1) mit mindestens einem Heizabgang (6), insbesondere einem Heizabgang (6) je Weiche (12), und zumindest eine Steuerungseinrichtung (3) zum Steuern und Regeln der Schienentemperatur (X) aufweist, umfassend

• zumindest einen Regler (10), der zwischen der Steuerungseinrichtung (3) in der Schaltverteilung (1) und einem Schaltgerät (5) des zumindest einen Heizabgangs (6) angeordnet ist, wobei der zumindest eine Regler (10) über eine binäre Verbindung und/oder eine Busverbindung mit der Steuerungseinrichtung (3) verbunden ist,
• zumindest ein Schieberegister (13) mit Takter (14), das über eine binäre Verbindung und/oder eine Busverbindung mit dem zumindest einen Regler (10) und der Steuereinrichtung (3) verbunden ist,
• zumindest einen Ausgang "Stellsignal Heizen Weiche EIN" (Yn) des Reglers (10), der über den Takter (14) des Schieberegisters (13) mit einem Steuereingang des Schaltgerätes (5) oder über ein Stellsignal max (Y_max) direkt mit dem Schaltgerät (5) verbunden ist,

wobei über eine Verbindung zwischen der Steuerungseinrichtung (3) und dem Schieberegister (13) während jeder Taktzeit (Zt) das aktive Leistungsverhältnis (L_a) zu dem Schieberegister (13) und die Schienen-Solltemperatur (X_s) von der Steuerungseinrichtung (3) zu dem zumindest einen Regler (10) übertragbar ist, und ein vom aktiven Leistungsverhältnis (L_a) abweichendes Leistungsverhältnis (L) über das Stellsignal max (Y_max) von dem zumindest einen Regler (10) auf das Schaltgerät (5) über eine direkte Leitung übertragbar ist, und
wobei in der Schaltverteilung (1) zumindest ein Speicher angeordnet ist, der über eine binäre Verbindung und/oder eine Busverbindung mit der Steuerungseinrichtung (3) verbunden ist, wobei über diese Verbindung zumindest ein Betriebsparameter (B) übertragbar und in dem zumindest einen Speicher speicherbar und von der Steuereinrichtung (3) aus diesem abrufbar ist.

[0020] Die Erfindung führt in vorteilhafter Weise zu einem optimalen Energieeinsatz bei der Beheizung einzelner Weichen in einer elektrischen Weichenheizungsanlage bei gleichzeitiger Sicherstellung der Funktion aller Weichen. Durch eine variable Anpassung der Leistung in Abhängigkeit von vorgebbaren Betriebsparametern kann gegenüber herkömmlichen Systemen Leistungsspitzen vermieden und Energie eingespart werden. Darüber hinaus können viele Elemente von gattungsgemäßen elektrischen Weichenheizungsanlagen Verwendung finden, beispielsweise können die bisher üblichen Heizelemente eingesetzt werden.

[0021] Ein wesentlicher Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Verringerung der Energiebereitstellungskosten durch Reduzierung der tatsächlichen elektrischen Leistung ungeachtet von Prioritäten aber bei gleichem Erwärmen aller angeschlossenen Weichen 12 durch das Bilden der aktiven Leistungsverhältnisse (L_a) zu erreichen, so dass ggü. dem Stand der Technik (bspw. WO 2010/115436 A1) eine noch flexiblere Anpassung der Leistungsverteilung (durch zeitversetze und gestaffelte Leistungszuschaltung der Heizabgänge (6)) möglich wird und noch mehr Energie eingespart werden kann.

[0022] Nachstehend wird die Erfindung im Detail beschrieben. Wenn in der Beschreibung des erfindungsgemäßen Verfahrens gegenständliche Merkmale genannt werden, so beziehen sich diese insbesondere auf die erfindungsgemäße Einrichtung. Ebenso beziehen sich Verfahrensmerkmale, die in der Beschreibung der erfindungsgemäßen Einrichtung angeführt werden, auf das erfindungsgemäße Verfahren.

[0023] Im ersten Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Energiemanagement einer elektrischen Weichenheizungsanlage. Diese elektrische Weichenheizungsanlage weist zumindest zwei Weichen (12), an denen jeweils mindestens ein Heizelement (7) angeordnet ist, zumindest eine Schaltverteilung (1) mit mindestens einem Heizabgang (6), insbesondere einem Heizabgang (6) je Weiche (12), und zumindest eine Steuerungseinrichtung (3) zum Steuern und Regeln der Schienentemperatur (X) auf.

[0024] In einem Schritt a) werden während des Heizbetriebes der elektrischen Weichenheizungsanlage zyklisch nacheinander folgenden Taktzeiten (Zt) gebildet, vorzugsweise durch Mikrocontroller Timer in der Steuerungseinrichtung (3).

[0025] Unter "Taktzeit" wird im Sinne der vorliegenden Erfindung eine Zeitspanne verstanden, in der die Heizabgänge (6) einer elektrischen Weichenheizungsanlage während einer Heizanforderung (Hz) ein- oder ausgeschalten sind.

[0026] In Schritt b) wird dann für jede Taktzeit (Zt) mindestens ein Leistungsverhältnis (L) entsprechend der Anzahl eingeschalteter und ausgeschalteter Heizabgänge (6) gebildet, vorzugsweise in Abhängigkeit der Betriebsparameter (B).

[0027] Mit "Leistungsverhältnis" wird erfindungsgemäß das Verhältnis bzw. der Quotient aus Anzahl eingeschalteter bzw. ausgeschalteter Heizabgänge (6) zur gesamten Anzahl Heizabgänge (6) der elektrischen Weichenheizungsanlage bezeichnet. Beispiele werden nachstehend bei der Beschreibung der Ausführungsformen gegeben.

[0028] In Schritt c) erfolgt während jeder Taktzeit (Zt) zumindest eines festen Leistungsverhältnisses (L_f) oder eines mit zumindest einem extern erfassbaren Betriebsparameter (B) korrelierenden Leistungsverhältnisses (L_e) das Aktivieren der Heizabgänge (6) der Reihe nach beginnend mit den eingeschalteten oder ausgeschalteten Heizabgängen (6) entsprechend dem Leistungsverhältnis (L) und Deaktivieren der übrigen Heizabgänge (6) in umlaufender schrittweiser Betriebsweise.

[0029] Dadurch wird in Schritt d) zumindest ein aktives Leistungsverhältnisses (L_a) ausgeführt, wobei eine Anpassung des zumindest einen aktiven Leistungsverhältnisses (L_a) vorgenommen wird, die in Abhängigkeit einer tatsächlichen Regelabweichung erfolgt und ein Grenzwert "maximale Regelabweichung" ermittelt wird, indem beim Einschalten der elektrischen Weichenheizungsanlage mit projektspezifischem Leistungsverhältnis (L_pro) zwischen 50 % und 80 % innerhalb der Aufheizzeit (t_auf) eine vorhandene Regelabweichung (xw_auf) zu Beginn der Aufheizzeit (t_auf) erfasst und mit einer gespeicherten maximalen Regelabweichung (xw_max) verglichen wird, wobei beim Überschreitung der maximalen Regelabweichung (xw_max) die Anpassung des zumindest einen aktiven Leistungsverhältnisses (L_a) auf 100 % erfolgt,

[0030] Die Ermittlung der maximalen Regelabweichung (xw_max) erfolgt aus dem gespeicherten Quotient einer erfahrungsgemäßen Regelabweichung Aufheizen (xw_auf) und einer erfahrungsgemäßen Aufheizzeit (t_auf) multipliziert mit einer projektspezifisch parametrierbare maximale Aufheizzeit (t_auf-max).

[0031] In Schritt d1) wird Schritt d) nach einer vorgebbaren Zeitspanne oder bei Unterschreiten oder Überschreiten der maximalen Regelabweichung (xw_max) wiederholt. Diese vorgebbare Zeitspanne beträgt 1 Minute bis 15 Minuten, vorzugsweise 3 Minuten bis 10 Minuten, insbesondere 5 Minuten.

[0032] Optional kann ein Schritt d2) ausgeführt werden, in welchem zumindest an einer Weiche (12) der elektrischen Weichenheizungsanlage der zeitliche Verlauf der Erwärmung erfasst und daraus der zeitliche Verlauf der Regelabweichung (xw_auf) überwacht wird, indem ab einer parametrierbaren Regelabweichung (xw_auf) der zeitliche Verlauf der Regelabweichung (xw_n) über die Zeit integriert und mit einem Grenzwert verglichen wird. Dieser Grenzwert ist das Produkt aus maximal zulässiger Regelabweichung (xw_max) und maximal zulässiger Zeitdauer zur Kompensation der maximalen Regelabweichung (xw_max). Bei Überschreiten des Grenzwertes wird das nächst höhere Leistungsverhältnis (L) und/oder das Leistungsverhältnis L 100 % für zumindest einen Heizabgang (6) oder die gesamte elektrische Weichenheizungsanlage aktiviert.

[0033] Schritt e) sieht vor, dass bei witterungsbedingter Heizanforderung (Hz) für zumindest eine Weiche (12) die theoretische Aufheizzeit bis zum Erreichen der vorgebbaren Schienensolltemperatur (X_s) der Weiche (12) berechnet und dieselbe mit einer parametrierbaren Aufheizzeit (t_auf) verglichen wird.

[0034] Alternativ kann Schritt e) so ausgeführt werden, dass bei einer Regelabweichung xw_n während witterungsbedingter Heizanforderung (Hz) für zumindest eine Weiche (12) die Heizung für diese Weiche (12) während der folgenden Taktzeiten (Zt) solange ausgeschalten wird, wie die Regelabweichung xw_n Null ist.

[0035] Als "Heizanforderung" wird vorliegend ein elektronisches Signal bezeichnet, das für eine oder mehrere Weichen (12) den Bedarf an Heizenergie meldet. Die Heizanforderung (Hz) kann insbesondere durch die Daten einer Wetterstation am Ort zumindest einer Weiche (12) und/oder durch einen Wetterdienst erzeugt werden.

[0036] Die "parametrierbare Aufheizzeit" bedeutet, dass abhängig von extern erfassbaren Betriebsparametern (B) die Aufheizzeit (t_auf) projektspezifisch angepasst werden kann. Beispiele werden nachstehend bei der Beschreibung der Ausführungsformen gegeben.

[0037] Wird die parametrierbare Aufheizzeit (t_auf) überschritten, sieht Schritt e1) das Erhöhen des aktiven Leistungsverhältnisses (L_a) zumindest des betroffenen Heizabgangs (6) vor, indem die Anzahl der pro Taktzeit (Zt) eingeschalteten Heizabgänge (6) um eins erhöht und die Anzahl der pro Taktzeit (Zt) ausgeschalteten Heizabgänge (6) um eins verringert oder das Leistungsverhältnis (L_a) auf 100 % erhöht wird.

[0038] Alternativ kann Schritt e1) so ausgeführt werden, dass bei Unterschreiten der Regelabweichung xw_n der Weiche (12) unter die maximale Regelabweichung xw_max ein Verringern des aktiven Leistungsverhältnisses (L_a) zumindest des betroffenen Heizabgangs (6) erfolgt, indem die Anzahl der pro Taktzeit (Zt) eingeschalteten Heizabgänge (6) um eins verringert und die Anzahl der pro Taktzeit (Zt) ausgeschalteten Heizabgänge (6) um eins erhöht wird.

[0039] Das erfindungsgemäße Verfahren sieht vor, dass nach und/oder vor jeder Taktzeit (Zt) die jeweilige Schienentemperatur (X) zumindest einer an die elektrische Weichenheizungsanlage angeschlossenen Weichen (12) mit der vorgebbaren Schienen-Solltemperatur (X_s) verglichen wird, wobei in Auswertung dieses Vergleichs die Zuordnung der eingeschalteten und ausgeschalteten Heizabgänge (6) verändert wird, indem Heizabgänge (6) mit Erwärmungsüberschuss zugunsten von Heizabgängen (6) mit Erwärmungsdefizit während der jeweiligen Taktzeit (Zt) ausgeschaltet werden.

[0040] Optional kann ferner ein Schritt f) ausgeführt werden, in welchem, wenn die Regalabweichung (xw_n) der Weiche (12) den Wert Null erreicht, ein Blockieren des aktiven Leistungsverhältnisses (L_a) zumindest des betroffenen Heizabgangs (6) erfolgt, indem dieser Heizabgang (6) solange ausgeschaltet wird, bis die Regelabweichung (xw_n) größer Null wird.

[0041] Auf diese Weise ist es möglich, die Weichen (12) innerhalb einer elektrischen Weichenheizungsanlage variabel mit Energie zu versorgen und flexibel auf sich ändernde äußere Umstände zu reagieren, d.h. sich ändernde Heizanforderungen (Hz) umzusetzen. Dabei wird die zur Verfügung stehende Energie optimal genutzt, das Abrufen von zusätzlicher Energie ist nur in Ausnahmefällen notwendig. Auf diese Weise wird eine Verringerung der Energiebereitstellungskosten erreicht, indem die tatsächliche elektrische Leistung reduziert wird, ungeachtet von Prioritäten der angeschlossenen Weichen (12).

[0042] Es hat sich für die praktische Anwendbarkeit bei unterschiedlichen Witterungsbedingungen als vorteilhaft herausgestellt, wenn in Abhängigkeit von dem zumindest einen extern erfassbaren Betriebsparameter (B) unterscheidbare Steuerungsarten mit entsprechend zugeordneten Schienen-Solltemperatur-Werten (X_s) gebildet werden, indem zu parametrierbaren Grund-Sollwerten jeweils Sollwertzuschläge addiert werden, wenn der zumindest eine extern erfassbare Betriebsparameter (B) überschritten oder/oder unterschritten wird. Vorteil ist, dass mit geringster Leistung und optimalen Energieeinsatz eine maximale Funktionssicherheit der Weichen (12) im Winter ermöglicht wird, d.h. es erfolgt eine bedarfsgerechte Erwärmung der Weichen (12).

[0043] Mit "unterscheidbaren Steuerungsarten" sind vorliegend Steuerungsarten der elektrischen Weichenheizungsanlage gemeint, die in Abhängigkeit der Betriebsparameter (B) variabel an äußere Umstände angepasst werden können. Vorzugsweise betragen die Sollwertzuschläge 1 K pro Niederschlagsmenge Schnee und/oder 1 K in Abhängigkeit von Niederschlagsart und in Abhängigkeit der Luft- und/oder Schienentemperatur der unbeheizten Schiene.

[0044] Die extern erfassbaren Betriebsparameter (B) werden vorzugsweise aus Lufttemperatur, Luftfeuchte, Schienentemperatur (X), Schnee, Flugschnee und/oder Regen ausgewählt.

[0045] Mit diesen Betriebsparametern (B), die über herkömmliche Erfassungseinrichtungen nach dem Fachmann bekannten Verfahren detektiert werden können, sind die für den Betrieb von Eisenbahnweichen maßgeblichen Parameter abgedeckt. Abhängig von lokalen Gegebenheiten können jedoch weitere extern erfassbare Betriebsparameter (B) hinzutreten.

[0046] In einer konkreten Ausführungsform wird durch Erfassen des Betriebsparameters "Schnee" die Schneehöhe mit einem geeigneten Sensor ermittelt und dadurch bei dem vorgebbaren Betriebsparameter "Lufttemperatur" eine Steuerungsart "Tieftemperaturheizen" aktiviert oder deaktiviert, indem über die Erfassung und Auswertung des zeitlichen Verlaufs des Betriebsparameters "Lufttemperatur" ein parametrierbarer Temperaturwert (T_par), vorzugsweise größer + 3 °C, über eine vorgebbare Zeit, vorzugsweise 5 Minuten bis 30 Minuten, insbesondere 15 Minuten, und/oder über die Erfassung des Betriebsparameters "Regen" über eine parametrierbare Zeit (t_par), vorzugsweise 5 Minuten bis 30 Minuten, insbesondere 15 Minuten, erfasst worden ist.

[0047] In Schritt a) des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die zyklisch nacheinander folgenden Taktzeiten (Zt) gleicher Zeitdauer von 1 Sekunde bis 300 Sekunden, vorzugsweise 50 Sekunden bis 70 Sekunden, insbesondere 60 Sekunden, mit oder ohne Zeitpause gebildet. Die Zeitpause kann dabei zwischen 1 Sekunde und 10 Sekunden betragen.

[0048] In einer Weiterbildung der Erfindung wird das mindestens eine aktive Leistungsverhältnis (L_a) aus dem Quotienten aus Anzahl eingeschalteter Heizabgänge (6) oder ausgeschalteter Heizabgänge (6) und der gesamten Anzahl der Heizabgänge (6) der elektrischen Weichenheizungsanlage gebildet, wobei eine untere Grenze des Leistungsverhältnisses (L) vorzugsweise 40 % beträgt.

[0049] Es hat sich für ein noch variableres Energiemanagement als vorteilhaft herausgestellt, wenn die Schaltfolge der Heizabgänge (6) nach und/oder vor jeder Taktzeit (Zt) geändert wird.

[0050] In einer Ausführungsform kann der erfasste zeitliche Verlauf der Schienentemperatur (X) an mindestens einer Weiche (12) in der Steuerungseinrichtung (3) gespeichert und der Endwert der Schienentemperatur (X_e) mit einer vorgebbaren Schienensolltemperatur (X_s) verglichen werden, wobei die Anzahl der abgeschalteten Heizabgänge (6) während zumindest einer Taktzeit (Zt) durch die größte so ermittelte Temperaturdifferenz gebildet wird.

[0051] Zur weiteren Einsparung von Energie, bzw. zur Optimierung der Energieverteilung kann, wenn die Schienentemperatur (X) an einer Weiche (12) mit einem nicht abgeschalteten Heizabgang (6) größer als die Schienen-Solltemperatur (X_s) ist, vorzugsweise 0,5 °C bis 3 °C, insbesondere 1 °C, dieser Heizabgang (6) während der aktuellen Taktzeit (Zt) abgeschaltet werden.

[0052] In einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die tatsächliche Leistung während jeder Taktzeit (Zt) ermittelt und innerhalb einer vorgebbaren Zeitdauer, vorzugsweise 5 Minuten bis 60 Minuten, insbesondere 15 Minuten, die minimale tatsächliche Leistung, die mittlere tatsächliche Leistung und die maximale tatsächliche Leistung gespeichert.

[0053] Ferner kann bei eingeschalteter Heizung die Steuerungseinrichtung (3) in Abhängigkeit der extern erfassbaren Betriebsparameter (B) ein Leistungsverhältnis (L) aktivieren, wobei dieses von 40 % bis 80 %, vorzugsweise 60%, beträgt und bei Überschreitung eines maximalen Betriebswertes auf 100 % gesetzt wird.

[0054] In einer anderen Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird während jeder Taktzeit (Zt) das aktive Leistungsverhältnis (L_a) überwacht, so dass wenn bei zumindest einmaligem Erhöhen des Leistungsverhältnisses (L_a) ein Leistungsverhältnis (L_a) von 100 % erreicht wird, in einem ersten Speicher, der mit der Steuerungseinrichtung (3) verbunden ist, die für diesen Moment aktuellen Betriebsparameter (B) gespeichert werden, wobei bei einer nachfolgenden Heizanforderung (Hz) diese gespeicherten Betriebsparameter (B) mit den dann aktuellen Betriebsparametern (B) verglichen werden, so dass wenn die dann aktuellen Betriebsparameter (B) gleich oder für die elektrische Weichenheizungsanlage schlechter sind als die gespeicherten Betriebsparameter (B), sofort ein Leistungsverhältnis von 100 % eingestellt wird.

[0055] Der zweite Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Energiemanagement einer elektrischen Weichenheizungsanlage, wobei die elektrische Weichenheizungsanlage zumindest zwei Weichen (12), an denen jeweils mindestens ein Heizelement (7) angeordnet ist, zumindest eine Schaltverteilung (1) mit mindestens einem Heizabgang (6), insbesondere einem Heizabgang (6) je Weiche (12), und zumindest eine Steuerungseinrichtung (3) zum Steuern und Regeln der Schienentemperatur (X) aufweist. Die Einrichtung umfasst

• zumindest einen Regler (10), der zwischen der Steuerungseinrichtung (3) in der Schaltverteilung (1) und einem Schaltgerät (5) des zumindest einen Heizabgangs (6) angeordnet ist, wobei der zumindest eine Regler (10) über eine binäre Verbindung und/oder eine Busverbindung mit der Steuerungseinrichtung (3) verbunden ist,
• zumindest ein Schieberegister (13) mit Takter (14), das über eine binäre Verbindung und/oder eine Busverbindung mit dem zumindest einen Regler (10) und der Steuereinrichtung (3) verbunden ist,
• zumindest einen Ausgang "Stellsignal Heizen Weiche EIN" (Yn) des Reglers (10), der über den Takter (14) des Schieberegisters (13) mit einem Steuereingang des Schaltgerätes (5) oder über ein Stellsignal max (Y_max) direkt mit dem Schaltgerät (5) verbunden ist,

wobei über eine Verbindung zwischen der Steuerungseinrichtung (3) und dem Schieberegister (13) während jeder Taktzeit (Zt) das aktive Leistungsverhältnis (L_a) zu dem Schieberegister (13) und die Schienen-Solltemperatur (X_s) von der Steuerungseinrichtung (3) zu dem zumindest einen Regler (10) übertragbar ist, und ein vom aktiven Leistungsverhältnis (L_a) abweichendes Leistungsverhältnis (L) über das Stellsignal max (Y_max) von dem zumindest einen Regler (10) auf das Schaltgerät (5) über eine direkte Leitung übertragbar ist, und
wobei in der Schaltverteilung (1) zumindest ein Speicher angeordnet ist, der über eine binäre Verbindung und/oder eine Busverbindung mit der Steuerungseinrichtung (3) verbunden ist, wobei über diese Verbindung zumindest ein Betriebsparameter (B) übertragbar und in dem zumindest einen Speicher speicherbar und von der Steuereinrichtung (3) aus diesem abrufbar ist.

[0056] Die "Schaltverteilung" ist erfindungsgemäß die Einheit, in der einzelnen Elemente der elektrischen Weichenheizungsanlage gemeinsam untergebracht sind, insbesondere die Steuerungseinrichtung (3), zumindest ein Schaltgerät (5) mit einem Heizabgang (6), insbesondere einem Heizabgang (6) je Weiche (12), nach außen und zumindest ein Regler (10). Die Schaltverteilung (1) ist an das Stromnetz (9) angeschlossen.

[0057] Bei der "Steuerungseinrichtung" handelt es sich um eine Prozesseinheit zum Steuern und Regeln der Schienentemperatur (X), an die die einzelnen Regler (10) angeschlossen sind. Die Steuerungseinrichtung (3) wird von der/den Wetterstation/en (2) mit relevanten Daten versorgt.

[0058] Mit "Schaltschema" wird erfindungsgemäß die Zuordnung sowie die die Anzahl der eingeschalteten bzw. ausgeschalteten Heizabgänge (6) bezeichnet.

[0059] Die Steuerungseinrichtung (3) und der zumindest eine Regler (10) sind vorzugsweise als Mikrocontroller (Hardware) ausgeführt, während die Reglerfunktionion eine Software ist.

[0060] Weitere Ziele, Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von die Erfindung nicht einschränkenden Ausführungsbeispielen anhand der Figuren. Dabei bilden alle beschriebenen und/oder bildlich dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination den Gegenstand der Erfindung, auch unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Ansprüchen oder deren Rückbeziehung. Es zeigen:

Fig. 1

eine schematische Darstellung einer elektrischen Weichenheizungsanlage nach dem Stand der Technik,

Fig. 2

ein Diagramm zur Darstellung des zeitlichen Verlaufs der Leistung in Abhängigkeit der witterungsabhängigen Heizanforderung nach dem Stand der Technik,

Fig. 3

eine tabellarische Darstellung der Schaltzustände nach dem erfindungsgemäßen Verfahren für eine erfindungsgemäße elektrische Weichenheizungsanlage ,

Fig. 4

eine tabellarische Darstellung der Schaltzustände aus Fig. 3 bei einer angenommenen installierten Heizleistung von 10 KW pro Weiche 12,

Fig. 5

eine schematische Darstellung einer erfindergemäßen elektrischen Weichenheizungsanlage,

Fig. 6a-d

Diagramme zur Darstellung des zeitlichen Verlaufs der Schaltfolge nach dem erfindungsgemäßen Verfahren,

Fig. 7

ein Diagramm zur Ermittlung der maximalen Regelabweichung xw_max,

Fig. 8

ein Diagramm zur Darstellung des Heizverlaufs bei der Erwärmung von der Schienen-Isttemperatur X_n bis zur Schienen-Solltemperatur X_S und

Fig. 9

Darstellung der Betriebsmodi in Abhängigkeit von der Niederschlagsqualität.

[0061] Im Heizbetrieb über mehrere Taktzeiten Zt entspricht bei gleichbleibendem Leistungsverhältnis L die Leistung dem Produkt aus Leistungsverhältnis L und installierter Anschlussleistung P aller Heizelemente 7 der elektrischen Weichenheizungsanlage.

[0062] Nachstehend wird der Begriff "Leistungsverhältnis" eingehender erläutert.

[0063] Die maximale Anzahl der Leistungsverhältnisse L ergibt sich aus der Anzahl der Heizabgänge 6 der elektrischen Weichenheizungsanlage um eins verringert. Diese maximale Anzahl wird aber aufgrund der zu geringen Erwärmung der Weichen 12 bei Leistungsverhältnissen kleiner etwa 35 % und aus wirtschaftlichen Gründen bei elektrischen Weichenheizungsanlagen mit mehr als 15 Weichen 12 begrenzt.

[0064] Das Leistungsverhältnis L kann bei laufendem Heizbetrieb umgeschaltet werden. Die Syntax eines Leistungsverhältnisses L ist abgeleitet vom Taktverhältnis der Heizzeiten zu den Abkühlzeiten.

[0065] Leistungsverhältnis 50 % entspricht für alle Heizabgänge 6 einer elektrischen Weichenheizungsanlage 1 Takt Heizen zu 1 Takt Kühlen (1H:1K) und benötigt zwei, vier usw. Heizabgänge 6.

[0066] Leistungsverhältnis 66,6 % entspricht für alle Heizabgänge 6 einer elektrischen Weichenheizungsanlage 2 Takte Heizen zu 1 Takt Kühlen (1H:1K) und benötigt drei, sechs usw. Anzahl Heizabgänge 6.

[0067] Leistungsverhältnis 75 % entspricht für alle Heizabgänge 6 einer elektrischen Weichenheizungsanlage 3 Takte Heizen zu 1 Takt Kühlen (3H:1K) und benötigt mindestens vier, acht usw. Heizabgänge 6.

[0068] Die Umschaltung von Leistungsverhältnis L 50 % auf ein anderes Leistungsverhältnis L, z.B. 75 %, erfolgt zu Beginn der Taktzeit Zt, wobei zunächst die Schaltfolge Ausschalten und Einschalten gleichzeitig und/oder nacheinander erfolgt.

[0069] Im Heizbetrieb wird zwischen den Leistungsverhältnissen L gewechselt. Die nacheinander erfolgende, umlaufende Aktivierung der Heizabgänge 6 erfolgt so schnell, dass eine gleichzeitige Erwärmung aller angeschlossenen Weichen 12 erfolgt. Dadurch werden alle Weichen 12 auf dem gleichen Temperaturpegel gehalten.

[0070] Die Reihenfolge der Ein- und Ausschaltung der Heizabgänge 6 ist nicht festgelegt. Diese kann der Reihe nach erfolgen. Wird während des Heizens der Schaltzustand von Heizabgängen 6 im Heizbetrieb in der folgenden Taktzeit Zt nicht verändert, d.h. nicht ausgeschaltet, erfolgt zur Schonung der Schaltkontakte zwischen den Taktzeiten Zt kein Schaltvorgang der jeweiligen Heizabgänge 6.

[0071] Während des Heizbetriebes wird während zyklischen nacheinander folgenden Taktzeiten Zt in jeder Taktzeit Zt eine variable Anzahl Heizabgänge 6 eingeschaltet und die übrige Teilmenge der Heizabgänge 6 ausgeschaltet und während jeder Taktzeit Zt wird die Zuordnung der ein- bzw. ausgeschalteten Heizabgänge 6 schrittweise verändert, wobei die Anzahl der ein- und ausgeschalteten Heizabgänge 6 und damit die Einschaltdauer jedes Heizabganges 6 gleich bleibt und/oder in Abhängigkeit der Schienentemperatur X und/oder der Witterung verändert wird. Werden alle Heizabgänge 6 der elektrischen Weichenheizungsanlage eingeschaltet, beträgt das Leistungsverhältnis 100 % und die Taktzeiten Zt werden unterbrochen und ausgeschaltet, d.h. der tatsächliche Leistungsverbrauch entspricht der Anschlussleistung. Sind dagegen während einer oder mehrerer Taktzeiten Zt mindestens ein Heizabgang 6 aus- und die übrigen Heizabgänge 6 ausgeschaltet, beträgt das Leistungsverhältnis im Bereich von 1 % bis 99 %, vorzugsweise zwischen 40 % und 75 %, d.h. die tatsächliche Leistung entspricht dem Produkt aus installierter Leistung P_max und dem Leistungsverhältnis L.

[0072] Entsprechend der Anzahl der ein- bzw. ausgeschalteten Heizabgänge 6 sind mehrere Leistungsverhältnisse L möglich.

[0073] Die Leistungsverhältnisse L werden aus dem Verhältnis einer beliebigen Anzahl Heizabgänge 6, vorzugsweise aus dem Verhältnis der pro Taktzeit Zt eingeschalteten Heizabgänge 6 zu den in der elektrischen Weichenheizungsanlage vorhandenen Anzahl Heizabgänge 6 bzw. einer Teilmenge Heizabgänge 6 gebildet. Die Leistungsverhältnisse L können zwischen einem Minimalwert, der dem Verhältnis von einen eingeschalteten Heizabgang 6 zu allen Heizabgängen 6 und einem Maximalwert von 100 %, der dem Verhältnis aus allen eingeschalteten zu allen Heizabgängen 6 entspricht. Vorzugsweise wird beim Einschalten der elektrischen Weichenheizungsanlage ein Leistungsverhältnis zwischen 50 % und 75 % eingestellt.

[0074] Beispielsweise ist eine elektrische Weichenheizungsanlage mit fünf Weichen 12 vorhanden, wobei die Heizelemente 7 jeder Weiche 12 über einen Heizabgang 6 mit Regler 10 in der Schaltverteilung 1 bei Heizanforderung (Hz) mit Energie versorgt werden. In der Schaltverteilung 1 sind demnach fünf Heizabgänge 6 vorhanden. Die möglichen Leistungsverhältnisse L sind fünf Heizabgänge x 50 % = Leistungsverhältnis 2,5 und fünf Heizabgänge x 75 % = Leistungsverhältnis 3,75. Damit könnten in jeder Taktzeit Zt zwischen 2,5 und 3,75 Heizabgänge 6 aktiviert werden. Die Ganzzahl der beiden Werte beträgt 3, d.h. es werden in jeder Taktzeit Zt drei Heizabgänge 6 eingeschaltet und zwei Heizabgänge 6 ausgeschaltet. Das aktivierte Leistungsverhältnis L_a beträgt 100 % x 3 / 5 = 60 %. Wenn jeder Heizabgang 6 10 kW Heizleistung hat, beträgt die Anschlussleistung P, wenn alle Heizabgänge 6 eingeschaltet sind, d.h. bei einem Leistungsverhältnis von 100 %, gleich 5 x 10 kW = 50 kW und bei einem Leistungsverhältnis von 60 % gleich 3 x 10 kW = 30 kW.

[0075] Für die elektrische Weichenheizungsanlage sind folgende Leistungsverhältnisse L möglich:

L1 = 100 % x 5 / 5 = 100 % in jeder Taktzeit Zt sind fünf Heizabgänge 6 EIN, d.h. die Heizleistung beträgt 100 % oder 50 kW

L2 = 100 % x 4 / 5 = 80 % in jeder Taktzeit Zt sind vier Heizabgänge 6 EIN und ein Heizabgang 6 AUS, d.h. die Heizleistung beträgt 80 % oder 40 kW

L3 = 100 % x 3 / 5 = 60 % in jeder Taktzeit Zt sind drei Heizabgänge 6 EIN und zwei Heizabgänge 6 AUS, d.h. die Heizleistung beträgt 60 % oder 30 kW

L4 = 100 % x 2 / 5 = 40 % in jeder Taktzeit Zt sind zwei Heizabgänge 6 EIN und drei Heizabgänge 6 AUS, d.h. die Heizleistung beträgt 40 % oder 20 kW

L5 = 100 % x 1 / 5 = 20 % in jeder Taktzeit Zt sind ein Heizabgang 6 EIN und vier Heizabgänge 6 AUS, d.h. die Heizleistung beträgt 20 % oder 10 kW

[0076] In Abhängigkeit der extern erfassbaren Betriebsparameter B wie Lufttemperatur, Schienentemperatur X (kalte Schiene), Schneemenge pro Zeiteinheit usw. wird während jeder Taktzeit Zt ein Leistungsverhältnis L in der Steuerungseinrichtung 3 aktiviert. Beträgt die Lufttemperatur z.B. 0 °C und Niederschlag ist Regen, wird entsprechend dem vorigen Beispiel das Leistungsverhältnis 60 % aktiviert, d.h. während jeder Taktzeit Zt werden drei Heizabgänge 6 eingeschaltet und zwei Heizabgänge 6 sind ausgeschaltet. Während der ersten Taktzeit Zt können z.B. die Heizabgänge 6.1, 6.2 und 6.3 eingeschaltet und die Heizabgänge 6.4 und 6.5 ausgeschaltet sein. Während der zweiten Taktzeit Zt wird das Schaltschema umlaufend um eins in Art eines Schrittschaltwerkes weitergerückt, so dass die Heizabgänge 6.2, 6.3 und 6.4 eingeschaltet und die Heizabgänge 6.5 und 6.1 ausgeschaltet sind und damit die gleiche Anzahl Heizabgänge 6 ein- bzw. ausgeschaltet ist wie während der vorherigen Taktzeit Zt. Das Schaltschema wird während der Heizzeit in jeder Taktzeit Zt ist immer um einen Schritt verschoben.

[0077] Nachfolgend wird die Anpassung des Leistungsverhältnisses L an die extern erfassbaren Betriebsparameter B beschrieben.

[0078] Zur Gewährleistung einer sicheren Erwärmung der Weichen 12 im Winter bis zur Schienen-Solltemperatur X_s innerhalb einer angemessenen Zeit, erfolgt bei Überschreitung einer bestimmten Regelabweichung xw_n, vorzugsweise von 2 K, die Aktivierung einer Überwachungsfunktion. Die Überwachungsfunktion besteht aus einem Grenzwert, das heißt, das Produkt aus vorzugsweise 5 K und einer maximalen Zeit von bspw. 10 Minuten = 50 K/min. Wird dieser Grenzwert beim Heizen überschritten, wird auf das nächst höhere Leistungsverhältnis L und/oder auf Leistungsverhältnis 100 % geschaltet. Dazu wird beim Heizen in dem Regelkreis jeder Weiche 12 der zeitliche Verlauf der Regelabweichung xw_n erfasst und nach Integration des erfassten zeitlichen Verlaufs der Regelabweichung xw_n mit dem Grenzwert verglichen und bei Überschreitung des Grenzwertes ein größeres Leistungsverhältnis L aktiviert.

[0079] Das soll nachfolgend an einem Beispiel erläutert werden. Bei Heizanforderung Hz soll bei einer entsprechenden Witterung bspw. eine Regelabweichung xw_n von 5 K innerhalb einer maximal zulässigen Aufheizzeit von bspw. 10 Minuten nicht überschritten werden. Erfolgt die Erfassung der Schienentemperatur X bspw. in Schritten von 0,1 K und die Zeiterfassung in Millisekunden beträgt bspw. das Grenzwertintegral 5°K × 0,1 × 10 Minuten × 60.000 = 3.000.000 K × ms. Für jede Weiche 12 wird das vorhandene Integral der Regelabweichung xw_n über die zeitliche Erfassung der Regelabweichung xw_n ermittelt und mit dem Grenzwertintegral verglichen. Bei Überschreiten des Grenzwertintegrals wird auf das nächst höhere Leistungsverhältnis L oder auf Leistungsverhältnis L 100 % geschaltet und bei Regelabweichung gleich Null besteht kein Heizbedarf für diese Weiche 12 und dieser Heizabgang 6 wird während der Taktzeit Zt nicht eingeschaltet.

[0080] Auf der Grundlage der vorhandenen extern erfassbaren Betriebsparameter werden alle und/oder nur einzelne Heizabgänge 6 eingeschaltet, wobei im jeweils nächsten Taktzeit Zt die Schaltreihenfolge der eingeschalteten und ausgeschalteten Heizabgänge 6 in Art eines Schrittschaltwerkes um eins weitergeschaltet wird und dadurch über mehrere Heiztakte jeder Heizabgang 6 die gleiche Leistung verbraucht und damit eine gleichmäßige Erwärmung aller Weichen 12 der elektrischen Weichenheizungsanlage erreicht wird.

[0081] Erfindungsgemäß werden zur Gewährleistung der sicheren Funktion der elektrischen Weichenheizungsanlage im Winter mit variablem Leistungsverhältnis L und wechselnden Schaltfolgen der Heizabgänge 6 innerhalb von Taktzeiten Zt verschiedene Betriebsmodi in Abhängigkeit von den vorhandenen und/oder prognostizierten Witterungsbedingungen in der Steuerungseinrichtung 3 aktiviert.

[0082] Eine erste Lösung ist das Aussetzen des "Tieftemperaturheizen" in Abhängigkeit der Niederschlagswahrscheinlichkeit. Für diese Funktionalität werden von einem Wetterdienst die Prognosewerte für die Niederschlagswahrscheinlichkeit und Niederschlagsart abgefragt. Sollte bei tiefen Temperaturen die Niederschlagswahrscheinlichkeit für die nächsten 30 Minuten unter 60 % liegen, wird das "Tieftemperaturheizen" unterdrückt. Liegt die Niederschlagswahrscheinlichkeit über 60 %, wird unterschieden, ob es sich bei dem zu erwartenden Niederschlag um Schnee oder Regen handelt, und dann entsprechend das "Tieftemperaturheizen" als Vorheizfunktion aktiviert. Bei Regen wird das Vorheizen bei einer Niederschlagswahrscheinlichkeit von 80 % eingeschaltet, wohingegen bei prognostiziertem Schnee schon bei einer Niederschlagswahrscheinlichkeit von 60 % geheizt wird.

[0083] In diesem Vorheizmodus wird die Schienentemperatur X bis zum Eintritt des tatsächlichen Niederschlagsereignisses auf 0 °C konstant gehalten.

[0084] Eine weitere Lösung zur Energieeinsparung besteht in der Aktivierung des "Tieftemperaturheizen" bei möglichem Flugschnee in Abhängigkeit der gefallenen Schneemenge in der Vergangenheit und nachfolgender Überwachung des zeitlichen Verlaufs der Lufttemperatur und des Niederschlags "Regen" derart, dass die Schneefallmenge, vorzugsweise die Schneehöhe aus der mit einen Schneedetektor erfassten Schneehöhe pro Zeiteinheit mit der Schneefalldauer ermittelt wird und bei einer parametrierbaren minimalen Schneehöhe ein Signal "Flugschnee möglich" gesetzt und gespeichert wird. Die Schneehöhe wird solange addiert, wie kein Rücksetzen des Signals "Flugschnee möglich" erfolgte. Das Rücksetzen des Signals "Flugschnee möglich" erfolgt nach erfolgten Schneefall sobald die Lufttemperatur eine längere Zeit über 0 °C, vorzugsweise größer + 3 °C gewesen ist. Bei Unterschreiten die Lufttemperatur von beispielsweise - 5 °C wird dann das "Tieftemperaturheizen" eingeschaltet. Übersteigt die Lufttemperatur nach Setzen des Signals den Wert von + 3 °C für eine parametrierbare Zeit oder wird Regen für eine parametrierbare Zeit detektiert, wird das Signal "Flugschnee möglich" zurückgesetzt und gelöscht. Bei nachfolgenden Unterschreiten der Lufttemperatur - 5 °C wird das "Tieftemperaturheizen" nicht eingeschaltet.

[0085] Eine weitere Lösung ist die individuelle Vorgabe der Schienen-Solltemperatur X_s in Abhängigkeit von der Niederschlagsart und Niederschlagsmenge.

[0086] Beispielsweise muss die Schienen-Solltemperatur X_s bei Regen nicht so hoch sein wie bei Schneefall. Ebenso ist der Wert abhängig von der tatsächlichen Niederschlagsmenge. Die von dem Niederschlagsfühler erfassten Daten werden in das Regelregime einbezogen, so dass sich die Schienen-Solltemperatur X_s an die Niederschlagsereignisse vor Ort dynamisch anpasst. Detektiert der Niederschlagsfühler "Niesel" oder "Regen", wird die Schiene lediglich auf +1 °C geheizt, um ein Anfrieren des Regens auf zu kalten Gleitstühlen oder Zungenschienen zu verhindern. Gegenüber den derzeit nach dem Stand der Technik einheitlich angesetzten + 6 °C sind so erhebliche Einsparungen möglich. Bei Schneefall wird je nach Niederschlagsmenge nach einer vorgegebenen Einteilung eine entsprechende Schienen-Solltemperatur gewählt (vgl. Fig. 3).

[0087] Nach Ende des Niederschlages gibt es optional die Möglichkeit, die Schiene einmalig für etwa 30 Minuten auf + 6 °C aufzuheizen, so dass keinerlei Feuchtigkeit mehr vorhanden ist. Mit diesem "Trockenheizen" der Weiche 12 ist sichergestellt, dass bei Absinken der Temperatur sowie ausbleibendem Niederschlag und damit ausgeschalteter Heizung keine Restfeuchte an der Weiche 12 gefriert.

[0088] Erfindungsgemäße Betriebsmodi für elektrische Weichenheizungsanlagen mit Heizanforderung Hz durch eine Wetterstation 2 und/oder Anbindung an einen Wetterdienst mit einem Energiemanagement können wie folgt ausgeführt sein.

[0089] Betriebsmodus "Tieftemperaturheizen" (Lufttemperatur < - 5 °C):

◆ Wettervorhersage Niederschlagswahrscheinlichkeit > 80 % und Niederschlagsart "Niesel" bzw. "Regen" oder Niederschlagswahrscheinlichkeit > 60 % und Niederschlagsart "Hagel" bzw. "Schnee" in den nächsten 30 Minuten

◆ Vorheizen der drei Gruppen in einer 33 %-Taktung bzw. 66 %-Taktung der Weichen 12 auf einen Schienen-Solltemperatur X_s von ca. 0 °C

[0090] Betriebsmodus "Flugschnee":

◆ Lufttemperatur < - 5 °C und verwehfähiger Schnee vorhanden (Signal "Flugschnee möglich" ist gesetzt)

◆ Vorheizen der drei Gruppen in einer 33 %-Taktung oder 66 %-Taktung der Weichen auf eine Schienen-Solltemperatur X_s von ca. 0 °C

◆ Wird zusätzlich durch einen Flugschneefühler tatsächlich Flugschnee detektiert, wechselt die Anlage in das Heizregime "Feuchtheizen Schnee".

[0091] Betriebsmodus "Heizen bei Feuchte Regen":

◆ Wettervorhersage Lufttemperatur < + 3 °C und Niederschlagswahrscheinlichkeit > 80 % und Niederschlagsart "Niesel" bzw. "Regen" in den nächsten 30 min

◆ Vorheizen der drei Gruppen in einer 33 %-Taktung auf eine Schienensolltemperatur von ca. 0 °C
ODER

◆ Lufttemperaturfühler < + 3 °C und Niederschlagsfühler detektiert Regen

◆ Heizen der drei Gruppen in einer 33 %- oder 66 %-Taktung auf eine Schienen-Solltemperatur X_s von ca. + 1 °C

[0092] Betriebsmodus "Heizen bei Feuchte Schnee oder Flugschnee":

◆ Lufttemperatur < + 3 °C und Wettervorhersage Niederschlagswahrscheinlichkeit > 60 % und Niederschlagsart "Hagel" bzw. "Schnee" in den nächsten 30 Minuten

◆ Vorheizen einer Gruppe in einer 33 %- bzw. 66 %-Taktung auf eine Schienensolltemperatur von ca. + 3 °C
ODER

◆ Lufttemperaturfühler < + 3 °C und Niederschlagsfühler detektiert Schnee oder Hagel

◆ Heizen der drei Gruppen in einer 33 %- oder 66 %-Taktung auf eine Schienensolltemperatur entsprechend Menge und Lufttemperatur (Sollwertanhebung ab - 1 °C)

[0093] Betriebsmodus "Trockenheizen der Weichen nach Wegfall der Heizanforderung Hz":

◆ 30 Minuten Trockenheizen der drei Gruppen nach Wegfall des Niederschlagsignals in einer 66 %-Taktung um Restfeuchte, welche an der Schiene gefrieren könnte, zu verhindern, Sollwert + 6 °C

[0094] Betriebsmodus "Notfall- bzw. Kurzzeitheizen"

◆ Manuelle Einschaltung zeitbegrenzt über Steuerungseinrichtung in mit Leistungsverhältnis zwischen 50 % und 75 % oder 100 %.

[0095] In Figur 1 ist eine elektrische Weichenheizungsanlage entsprechend dem Stand der Technik mit drei Heizabgängen 6 dargestellt. Bei entsprechender Witterung wird von der Wetterstation 2 in der Steuerungseinrichtung 3 die Heizanforderung Hz erzeugt und alle Heizabgänge 6 werden gleichzeitig eingeschaltet. Über mindestens einen Schienentemperatursensor 8 erfolgt die Regelung der Schienentemperatur X während der Heizanforderung Hz zwischen zwei parametrierbaren Sollwerten, z.B. + 4 °C und + 7°C.

[0096] In Figur 2 ist der zeitliche Verlauf der Leistung P in Abhängigkeit der witterungsabhängigen Heizanforderungszeit nach dem Stand der Technik dargestellt. Zum Zeitpunkt t1 ist die Heizbedingung erfüllt, d.h. die Lufttemperatur ist kleiner gleich + 3 °C und es fällt Niederschlag. Zu diesem Zeitpunkt wird die elektrische Weichenheizungsanlage eingeschaltet und die Leistung P entspricht der installierten Leistung P_max, die der Summe aller installierten Heizelemente 7 der elektrischen Weichenheizungsanlage entspricht und alle Weichen 12 werden erwärmt. Der Leistungsverbrauch entspricht der installierten Heizleistung P_max der Heizelemente 7 aller Weichen 12. Vom Zeitpunkt t1 bis zum Zeitpunkt t2 erfolgt das Aufheizen der Weichen 12 bis zur Schienen-Solltemperatur Xs. Zum Zeitpunkt t2 ist die Schienen-Solltemperatur X_s erreicht und zu diesem Zeitpunkt werden alle Heizabgänge 6 abgeschaltet und die Schienen aller Weichen 12 kühlen ab. Ab dem Zeitpunkt t2 beträgt die Leistung Null. Bei Erreichen der untersten Schienen-Solltemperatur X_s zum Zeitpunkt t3 wird die Heizung aller Weichen 12 wieder eingeschaltet und die Weichen 12 werden bis auf den oberen Sollwert erwärmt. Die Leistung P entspricht ab hier wieder der installierten Leistung P_max der Heizelemente 7 aller Weichen 12. Wird zum Zeitpunkt tn kein Niederschlag mehr detektiert, entfällt von der Steuerungseinrichtung 3 die Heizanforderung Hz und die Heizung wird komplett ausgeschaltet.

[0097] In Figur 3 sind die Schaltzustände einer elektrischen Weichenheizungsanlage mit fünf Heizabgängen 6.1 bis 6.5 für fünf Weichen 12 für das erfindungsgemäße Verfahren mit umlaufendem Heizbetrieb mit Leistungsverhältnis L 60 % dargestellt. Bei Heizanforderung Hz sind von den fünf Heizabgängen 6 60 %, das sind drei Heizabgänge 6, während der ersten Taktzeit Zt eingeschaltet, die übrigen sind ausgeschaltet. Die Taktzeit Zt beträgt z.B. 60 Sekunden. In der nächsten Taktzeit Zt wird die Schaltfolge um einen Schritt weiter geschaltet. Nach Ablauf von fünf Taktzeiten Zt wurden alle Heizabgänge 6.1 bis 6.5 insgesamt 3 x 60 Sekunden eingeschaltet. Auf Grund der großen Totzeit der Schienen treten durch den Schaltzustand AUS keine Nachteile der Erwärmung auf.

[0098] In Figur 4 ist die Leistung der Schaltzustände nach Figur 3 bei einer angenommenen installierten Heizleistung P von 10 KW pro Weiche 12 über fünf Taktzeiten Zt und die daraus sich ergebende Gesamtleistung dargestellt. Die gesamte Leistung beträgt 30 KW.

[0099] In Figur 5 ist eine erfindungsgemäße elektrische Weichenheizungsanlage mit drei Heizabgängen 6 dargestellt. Zwischen der Steuerungseinrichtung 3 und jedem Schaltgerät 5 der elektrischen Weichenheizungsanlage ist ein Regler 10 mit Eingang Schienentemperatursensor X_n, Eingang Schienen-Solltemperatur X_s in Abhängigkeit des aktiven Betriebsmodus, Ausgang Stellsignal Y_n "Heizen EIN", Ausgang Regelabweichung xw_n und Ausgang Y_max angeordnet. Außerdem ist zwischen der Steuereinrichtung 3 und dem Steuereingang St eines Schaltgeräts 9 ein Schieberegister 13 mit Takter 14 angeordnet. Die Regler 10 erhalten von der Steuerungseinrichtung 3 den aktuellen Betriebsmodus, d.h. die Schienen-Solltemperatur X_s. Das Schieberegister 13 erhält von der Steuereinheit 3 das aktuelle Leistungsverhältnis L und der Takter 14 aktiviert während jeder Taktzeit Zt die Anzahl Schaltgeräte 5 entsprechend dem Leistungsverhältnis L und deaktiviert die übrigen Schaltgeräte 5 umlaufend zyklisch, indem die Verbindung zwischen Stellsignal Y_n "Heizen Weiche" und Steuereingang St Schaltgerät über Kontakte des Takters 14 geschlossen oder geöffnet werden. Über die Verbindung Stellausgang Y_n des Reglers 10 und Schaltgerät 5 kann das Leistungsverhältnis L jedes Heizabganges 6 individuell in Abhängigkeit der Regelabweichung Weiche xw_n auf 100 % und/oder 0 % geändert werden.

[0100] In den Figuren 6a bis 6d ist entsprechend des erfindergemäßen Verfahrens der zeitliche Verlauf der Schaltfolge von einer elektrischen Weichenheizungsanlage mit drei Weichen 12 beim Heizen mit Leistungsverhältnis 66,6% und unterschiedlichen Regelabweichungen xw_n und die daraus abhängige Einstellung der Leistungsverhältnisse L der einzelnen Weichen 12 einer elektrischen Weichenheizungsanlage im zeitlichen Ablauf für jede Weiche 12 dargestellt. Entsprechend Figur 6a wird vom Zeitpunkt t1 bis tn die Heizanforderung Hz, bspw. durch fallenden Schnee, aktiviert.

[0101] In der Figur 6b ist die Schaltfolge für Weiche 12.1 dargestellt. Zunächst erfolgt ab Zeitpunkt t1 aufgrund der Heizanforderung Hz die Aktivierung des parametrierten Leistungsverhältnisses L oder die Erhöhung des Leistungsverhältnisses L auf 100 % in Abhängigkeit des Vergleichs der Regelabweichung Weiche 12.1 (xws1) mit dem berechneten Grenzwert maximale Regelabweichung xw_max entsprechend Figur 7. Die Steigung Regelabweichung xw_n ist zum Zeitpunkt t1 bspw. 10 K. Die Regelabweichung Weiche xw_steig wird aus dem Quotienten Regelabweichung Weiche 12.1 (xw1) und der Aufheizzeit (t_auf) gebildet und beträgt 5 K / 10 min = 0,5 K/min. Der Betreiber der elektrischen Weichenheizungsanlage hat die parametrierte Aufheizzeit t_par mit 15 Minuten projektspezifisch parametriert. Durch Multiplikation der Steigung Regelabweichung Weiche xw_steig und parametrierte Aufheizzeit t_par ergibt sich die maximale Regelabweichung xw_max mit 7,5 K aus 0,5 K/min multipliziert mit 15 Minuten. Dieser Wert ist größer als der Grenzwert maximale Regelabweichung (xw_max) von 7,5 K entsprechend Figur 7, so dass das Leistungsverhältnis L für Weiche 12.1 bis zum Zeitpunkt tx1 auf 100 % geschaltet wird. Dadurch wird die Weiche 12.1 mit 100 % Leistung beheizt und die Regelabweichung xw_n nimmt schnell ab. Zum Zeitpunkt tx1 ist die Regelabweichungssteigung Weiche 12.1 (xws1) gleich dem Grenzwert Regelabweichung (xw_max), so dass zur nächst folgenden Taktzeit Zt das Leistungsverhältnis L 66,6 % für Weiche 12.1 aktiviert wird, d.h. die weitere Heizung der Weiche 12.1 erfolgt mit Leistungsverhältnis L 66,6% bis zum Ende der Heizanforderung Hz zum Zeitpunkt tn und darüber hinaus mit einer Zeitverzögerung zum Trockenheizen der Weiche 12.1.

[0102] In Figur 6c ist die Regelabweichung Weiche 12.2 (xw2) zum Zeitpunkt t1 kleiner 5 K, z.B. 4 K, und ist damit kleiner als die maximale Regelabweichung xw_max, so dass die Heizung der Weiche 12.2 ab Zeitpunkt t2 mit Leistungsverhältnis L 66,6 % bis zum Zeitpunkt tn und darüber hinaus mit einer Zeitverzögerung zum Trockenheizen der Weiche 12.1 erfolgt.

[0103] In Figur 6d beträgt die Regelabweichung Weiche 12.3 (xw3) zum Zeitpunkt t1 kleiner 5 K, z.B. 2 K und beträgt zum Zeitpunkt tx3 Null. Solange die Regelabweichung xw_n der Weiche 12.3 Null ist, besteht kein Heizbedarf und das Leistungsverhältnis L für Weiche 12.3 wird auf 0 % gesetzt. Erst wenn die Regelabweichung der Weiche 12.3 größer Null ist, erfolgt wieder die Aktivierung des Leistungsverhältnisses L 66,6 %. Sind mehr als drei Weichen 12 vorhanden, können mehrere Leistungsverhältnisse L gebildet werden.

[0104] In Figur 6d beginnt zum Zeitpunkt t3 die Heizung für Weiche 12.3 im Zeittakt von 120 Sekunden und die Regelabweichung sei zum Zeitpunkt t1 größer als 2 K. Bei Regelabweichung größer 2 K wird zum Zeitpunkt t1 die Überwachungsfunktion für Weiche 12.3 abgeschaltet. Das Grenzwertprodukt wird nicht überschritten, so dass weiter im Taktbetrieb geheizt wird. Zum Zeitpunkt tx3 wird die Regelabweichung Null und die weiteren Einschaltungen der Heizung von Weiche 12.3 bleibt solange ausgeschaltet, wie die Regelabweichung xw_n Null ist.

[0105] In Figur 7 ist die Ermittlung der maximalen Regelabweichung xw_max dargestellt, bei deren Überschreitung das Leistungsverhältnis L erhöht und bei deren Unterschreitung das Leistungsverhältnis L verringert wird. Aus praktischer Erfahrung ist bekannt, dass elektrische Weichenheizungsanlagen mit Heizelementen 7, deren spezifische Heizleistung beispielsweise 330 W/m beträgt, beim Heizen mit Taktzeiten Zt und Leistungsverhältnis L 66,6 % die Schienen während einer Aufheizzeit t_auf von 10 Minuten auf eine Übertemperatur 5 K erwärmen, d.h. in diesem Beispiel beträgt die Regelabweichung xw_auf beim Aufheizen 5 K während der Aufheizzeit von t_auf von 10 Minuten. Die Steigung Regelabweichung dxw wird aus dem Quotienten der Regelabweichung beim Aufheizen xw_auf und der Aufheizzeit t_auf aus 5°K geteilt durch 10 Minuten gebildet, d.h. die Steigung Regelabweichung dxw beträgt 0,5 K/min. Die projektspezifisch parametrierbare maximale Aufheizzeit t_auf-max wird anlagenspezifisch individuell parametriert, z.B. 15 Minuten, und die maximale Regelabweichung xw_max aus dem Produkt aus projektspezifisch parametrierbarer maximaler Aufheizzeit t_auf-max und Steigung Regelabweichung xw_steig gebildet, d.h. z.B. Produkt aus projektspezifisch parametrierbare maximaler Aufheizzeit tauf-max von 15 Minuten multipliziert mit Steigung Regelabweichung xw_steig von 0,5 K/min ergibt eine maximale Regelabweichung xw_max von 7,5 K. Während des gesamten Heizbetriebes wird die Regelabweichung xw_n bei allen Weichen 12 einer elektrischen Weichenheizungsanlage erfasst und bei Überschreiten der maximalen Regelabweichung xw_max wird das Leistungsverhältnis L zumindest dieser Weiche 12 erhöht, z.B. auf 100 % und bei Unterschreiten vermindert.

[0106] Die Figur 8 zeigt beim Heizen den Verlauf der Erwärmung der Schienen-Isttemperatur X_n zum Zeitpunkt t1 bis zur Schienen-Solltemperatur X_S während der Aufheizzeit t_auf vom Zeitpunkt t1 bis zum Zeitpunkt t2 und den Verlauf der Schienen-Isttemperatur X_n während dem Regelheizen tr ab Zeitpunkt t2 für jedem Regelzyklus tz, wobei ein Regelzyklus tz z.B. ab Zeitpunkt t2 bis Zeitpunkt t3 dargestellt ist und aus einem Zeitanteil Heizen, hier ist die Heizung eingeschaltet, und einem Zeitanteil Kühlen, hier ist die Heizung ausgeschaltet, besteht. Aufgrund der Trägheit der Schienen erfolgt jeweils ein Überschwingen der Schienen-Isttemperatur X_n. Während des Heizbetriebes erfolgt die Erfassung und Überwachung der Regelabweichung xw_n jeder Weiche 12 der elektrischen Weichenheizungsanlage zu Beginn der Aufheizzeit zum Zeitpunkt t1 und während der Regelzeit tr innerhalb jedes Regelzyklus tz zwischen den Zeitpunkten t2 und t3 durch Vergleich mit der maximalen Regelabweichung xw_max und entsprechende Umschaltung auf ein höheres bzw. niedrigeres Leistungsverhältnis L bei Abweichungen unter Berücksichtigung von einer parametrierbaren Hysterese Regelabweichung XH.

[0107] Die Umschaltung auf ein höheres Leistungsverhältnis L soll entsprechend Figur 8 mit den Werten aus Figur 7 beispielhaft erläutert werden. Zu Beginn des Heizbetriebes beträgt die Schienen-Isttemperatur X1 der Weiche 12.1 z.B. - 4 °C und es ist eine projektspezifisch parametrierbare maximale Aufheizzeit tauf-max von 15 Minuten parametriert. Bei Einschalten der Heizung zum Zeitpunkt t1 ist die Regelabweichung xw1 aus maximaler Regelabweichung xw_max mit 7,5 K abzüglich Schienen-Isttemperatur X1 - Xn zum Zeitpunkt t1 (7,5 K - - 4 K) 11,5 K. Aus Vergleich Regelabweichung xw1 mit maximaler Regelabweichung xw_max ergibt Regelabweichung xw1 ist größer als maximale Regelabweichung xw_max und das Leistungsverhältnis L wird zum Zeitpunkt t1 erhöht, z.B. auf 100 %. Nach Ablauf der Aufheizzeit t_auf zum Zeitpunkt t2 beträgt die Regelabweichung xw_n gleich Null und die Heizung wird abgeschaltet und nach einem kurzen Überschwingen der Schienen-Isttemperatur X1 kühlt die Schiene ab. Bei Erreichen der unteren Hysterese Schienentemperatur XH erfolgt die Erfassung der Regelabweichung xw_regel und Vergleich der Regelabweichung xw_regel mit der maximaler Regelabweichung xw_max analog beim Aufheizen und in Abhängigkeit davon das Vermindern des Leistungsverhältnisses L, z.B. auf den parametrierten Wert von 66,6 % unter Berücksichtigung einer parametrierbaren Hysterese Regelabweichung xwH.

[0108] In Figur 9 sind die Betriebsmodi in Abhängigkeit von der Niederschlagsqualität und die dafür vorgesehenen Offsets für in Abhängigkeit von Niederschlagsmenge und Umgebungstemperatur und/oder Schienentemperatur X kalte Schiene dargestellt.

[0109] Bei Betriebsmodus "kein Niederschlag" erfolgt "Tieftemperaturheizen" bei Einschaltbedingung "Tieftemperaturheizen EIN" mit einer Schienen-Solltemperatur X_s von + 6 °C und einer Erhöhung der Schienen-Solltemperatur X_s um 1 K/°C ab einer parametrierbaren Umgebungs- oder Schienentemperatur X (kalte Schiene) und bei Einschaltbedingung "Tieftemperaturheizen EIN" mit einem Schienen-Solltemperatur X_s von - 99 °C, d.h. es erfolgt keine Einschaltung der Heizung.

[0110] Bei Betriebsmodus "Prognose Niederschlag" durch bspw. eine Wetterstation 2 erfolgt mit einer Schienen-Solltemperatur X_s von 0 °C und keiner Erhöhung der Schienen-Solltemperatur X_s in Abhängigkeit von Niederschlagsmenge und Umgebungstemperatur.

[0111] Bei Betriebsmodus "Flugschnee möglich" durch Auswerten der Wetterhistorie bspw. durch Erfassung des zeitlichen Verlaufs Lufttemperatur erfolgt mit einer Schienen-Solltemperatur X_s von 0 °C und keiner Erhöhung der Schienen-Solltemperatur X_s in Abhängigkeit von Niederschlagsmenge und Umgebungstemperatur.

[0112] Bei Betriebsmodus "Regen" bspw. durch eine Wetterstation 2 erfolgt mit Schienen-Solltemperatur X_s von +1°C und keiner Erhöhung der Schienen-Solltemperatur X_s in Abhängigkeit von Niederschlagsmenge und einem Umgebungstemperaturoffset von 1 K auf die Schienen-Solltemperatur X_s ab einer Umgebungs- bzw. Schienentemperatur kalte Schiene pro - 1 °C.

[0113] Bei Betriebsmodus "Schnee" bspw. durch eine Wetterstation 2 erfolgt mit einer Schienen-Solltemperatur X_s von + 3 °C und einer Erhöhung Schienen-Solltemperatur X_s um 1 K in Abhängigkeit von der über erfasste Schneemenge und daraus abgeleiteter Schneehöhe pro Zeiteinheit, z.B. Schneehöhe ab 2 cm pro Stunde und einem zusätzlichen Umgebungstemperaturoffset von 1 K auf die Schienen-Solltemperatur X_s ab einer Umgebungs- bzw. Schienentemperatur kalte Schiene pro -1 °C.

Bezugszeichen

[0114] 

1

Schaltverteilung

2

Wetterstation

3

Steuerungseinrichtung

5

Schaltgerät

6

Heizabgang

7

Heizelemente

8

Schienentemperatursensor

9

Stromnetz

10

Regler

12

Weiche

13

Schieberegister

14

Takter

B

vorgebbarer Betriebsparameter

Hz

Heizanforderung

L

Leistungsverhältnis

L_f

festes Leistungsverhältnis

L_e

mit extern erfassbarem Betriebsparameter (B) korrelierendes Leistungsverhältnis

L_a

aktives Leistungsverhältnis

L_pro

projektspezifisches Leistungsverhältnis

P_max

installierte Leistung

P_n

Leistung Weiche

T_par

parametrierbarer Temperaturwert

St

Stellsignal

t_par

parametrierbare Zeit

t_n

Zeitpunkt

t_max

max. Aufheizzeit

t_auf

parametrierbare Aufheizzeit

t_auf-max

projektspezifisch parametrierbare maximale Aufheizzeit t_auf

t_r

Regelzeit

t_z

Regelzyklus

X

Schienentemperatur

X_n

Schienen-Isttemperatur

X_s

Schienen-Solltemperatur

X_e

Endwert der Schienentemperatur

xw_n

Regelabweichung Weiche

xw_sn

Steigung Regelabweichung Weiche

xw_max

maximal zulässige Regelabweichung

xw_regel

Regelabweichung Regeln

xw_auf

Regelabweichung Aufheizzeit t_auf

xw_steig

Steigung der Regelabweichung xw_auf

Y_n

Stellsignal "Heizen Weiche EIN"

Y_max

Stellsignal "Leistungsverhältnis max"

Zt

Taktzeit

Ansprüche

1. Verfahren zum Energiemanagement einer elektrischen Weichenheizungsanlage, die zumindest zwei Weichen (12), an denen jeweils mindestens ein Heizelement (7) angeordnet ist, zumindest eine Schaltverteilung (1) mit mindestens einem Heizabgang (6) je Weiche (12) und zumindest eine Steuerungseinrichtung (3) zum Steuern und Regeln der Schienentemperatur (X) aufweist, umfassend die Schritte:

a) während des Heizbetriebes der elektrischen Weichenheizungsanlage Bilden von zyklisch nacheinander folgenden Taktzeiten (Zt),

b) für jede Taktzeit (Zt) Bilden mindestens eines Leistungsverhältnisses (L) entsprechend der Anzahl eingeschalteter und ausgeschalteter Heizabgänge (6),

c) während jeder Taktzeit (Zt) zumindest eines festen Leistungsverhältnisses (L_f) oder eines mit zumindest einem extern erfassbaren Betriebsparameter (B) korrelierenden Leistungsverhältnisses (L_e) Aktivieren der Heizabgänge (6) der Reihe nach beginnend mit den eingeschalteten oder ausgeschalteten Heizabgängen (6) entsprechend dem Leistungsverhältnis (L) und Deaktivieren der übrigen Heizabgänge (6) in umlaufender schrittweiser Betriebsweise,

d) dadurch Ausführen zumindest eines aktiven Leistungsverhältnisses (L_a), wobei eine Anpassung des zumindest einen aktiven Leistungsverhältnisses (L_a) vorgenommen wird, die in Abhängigkeit einer tatsächlichen Regelabweichung erfolgt und ein Grenzwert "maximale Regelabweichung" ermittelt wird, indem beim Einschalten der elektrischen Weichenheizungsanlage mit projektspezifischem Leistungsverhältnis (L_pro) zwischen 60 % und 75 % innerhalb der Aufheizzeit (t_auf) eine vorhandene Regelabweichung (xw_auf) zu Beginn der Aufheizzeit (t_auf) erfasst wird, wodurch der Quotient aus vorhandener Regelabweichung (xw_auf) und einer Aufheizzeit (t_auf) eine Steigung der Regelabweichung (xw_steig) ergibt, die gespeichert wird, so dass eine beim Heizen maximal zulässige Regelabweichung (xw_max) aus dem Produkt Steigung der Regelabweichung (xw_steig) und einer projektspezifisch parametrierbaren maximalen Aufheizzeit (t_auf-max) ermittelt wird, wobei beim Überschreitung der maximalen Regelabweichung (xw_max) die Anpassung des zumindest einen aktiven Leistungsverhältnisses (L_a) auf 100 % erfolgt,
d1) Wiederholen des Schritt d) nach einer vorgebbaren Zeitspanne oder bei Unterschreiten oder Überschreiten der maximalen Regelabweichung (XWmax),

e) bei witterungsbedingter Heizanforderung (Hz) für zumindest eine Weiche (12) Berechnen der theoretischen Aufheizzeit bis zum Erreichen der vorgebbaren Schienensolltemperatur (X_s) der Weiche (12) und Vergleichen derselben mit einer parametrierbaren Aufheizzeit (t_auf),
e1) bei Überschreiten der parametrierbaren Aufheizzeit (t_auf) Erhöhen des aktiven Leistungsverhältnisses (L_a) zumindest des betroffenen Heizabgangs (6), indem die Anzahl der pro Taktzeit (Zt) eingeschalteten Heizabgänge (6) um eins erhöht und die Anzahl der pro Taktzeit (Zt) ausgeschalteten Heizabgänge (6) um eins verringert oder das Leistungsverhältnis (L_a) auf 100 % erhöht wird,

wobei nach und/oder vor jeder Taktzeit (Zt) die jeweilige Schienentemperatur (X) zumindest einer an die elektrische Weichenheizungsanlage angeschlossenen Weichen (12) mit der vorgebbaren Schienen-Solltemperatur (X_s) verglichen wird, wobei in Auswertung dieses Vergleichs die Zuordnung der eingeschalteten und ausgeschalteten Heizabgänge (6) innerhalb der zuordenbaren Gruppen (G) verändert wird, indem Heizabgänge (6) mit Erwärmungsüberschuss zugunsten von Heizabgängen (6) mit Erwärmungsdefizit während der jeweiligen Taktzeit (Zt) ausgeschaltet werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei in Abhängigkeit von dem zumindest einen extern erfassbaren Betriebsparameter (B) unterscheidbare Steuerungsarten mit entsprechend zugeordneten Schienen-Solltemperatur-Werten (X_s) gebildet werden, indem zu parametrierbaren Grundsollwerten jeweils Sollwertzuschläge addiert werden, wenn der zumindest eine extern erfassbare Betriebsparameter (B) überschritten oder/oder unterschritten wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei der extern erfassbare Betriebsparameter (B) ausgewählt ist aus Lufttemperatur, Luftfeuchte, Schienentemperatur (X), Schnee, Flugschnee und/oder Regen.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei durch Erfassen des Betriebsparameters "Schnee" die Schneehöhe mit einem geeigneten Sensor ermittelt und dadurch bei dem vorgebbaren Betriebsparameter "Lufttemperatur" eine Steuerungsart "Tieftemperaturheizen" aktiviert oder deaktiviert wird, indem über die Erfassung und Auswertung des zeitlichen Verlaufs des Betriebsparameters "Lufttemperatur" ein parametrierbarer Temperaturwert (T_par) über eine vorgebbare Zeit und/oder über die Erfassung des Betriebsparameters "Regen" über eine parametrierbare Zeit (t_par) erfasst worden ist.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei in Schritt a) die zyklisch nacheinander folgenden Taktzeiten (Zt) gleicher Zeitdauer von 1 Sekunde bis 300 Sekunden, vorzugsweise 50 Sekunden bis 70 Sekunden, mit oder ohne Zeitpause gebildet werden.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das mindestens eine aktive Leistungsverhältnis (L_a) aus dem Quotienten aus Anzahl eingeschalteter Heizabgänge (6) oder ausgeschalteter Heizabgänge (6) und der gesamten Anzahl der Heizabgänge (6) der elektrischen Weichenheizungsanlage gebildet wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Schaltfolge der Heizabgänge (6) nach und/oder vor jeder Taktzeit (Zt) geändert wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der erfasste zeitliche Verlauf der Schienentemperatur (X) an mindestens einer Weiche (12) in der Steuerungseinrichtung (3) gespeichert und der Endwert der Schienentemperatur (X_e) mit einer vorgebbaren Schienensolltemperatur (X_s) verglichen wird, wobei die Anzahl der abgeschalteten Heizabgänge (6) während zumindest einer Taktzeit (Zt) durch die größte so ermittelte Temperaturdifferenz gebildet wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei wenn die Schienentemperatur (X) an einer Weiche (12) mit einem nicht abgeschalteten Heizabgang (6) größer als die Schienen-Solltemperatur (X_s) ist, dieser Heizabgang (6) während der aktuellen Taktzeit (Zt) abgeschaltet wird.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die tatsächliche Leistung während jeder Taktzeit (Zt) ermittelt und innerhalb einer vorgebbaren Zeitdauer die minimale tatsächliche Leistung, die mittlere tatsächliche Leistung und die maximale tatsächliche Leistung gespeichert wird.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei während jeder Taktzeit (Zt) das aktive Leistungsverhältnis (L_a) überwacht wird, so dass wenn bei zumindest einmaligem Erhöhen des aktiven Leistungsverhältnisses (L_a) ein Leistungsverhältnis (L_a) von 100 % erreicht wird, in einem ersten Speicher, der mit der Steuerungseinrichtung (3) verbunden ist, die für diesen Moment aktuellen Betriebsparameter (B) gespeichert werden, wobei bei einer nachfolgenden Heizanforderung (Hz) diese gespeicherten Betriebsparameter (B) mit den dann aktuellen Betriebsparametern (B) verglichen werden, so dass wenn die dann aktuellen Betriebsparameter (B) gleich oder für die elektrische Weichenheizungsanlage schlechter sind als die gespeicherten Betriebsparameter (B), sofort ein Leistungsverhältnis (L_a) von 100 % eingestellt wird.

12. Einrichtung zum Energiemanagement einer elektrischen Weichenheizungsanlage, die zumindest zwei Weichen (12), an denen jeweils mindestens ein Heizelement (7) angeordnet ist, zumindest eine Schaltverteilung (1) mit mindestens einem Heizabgang (6) je Weiche (12) und zumindest eine Steuerungseinrichtung (3) zum Steuern und Regeln der Schienentemperatur (X) aufweist, umfassend

- zumindest einen Regler (10), der zwischen der Steuerungseinrichtung (3) in der Schaltverteilung (1) und einem Schaltgerät (5) des zumindest einen Heizabgangs (6) angeordnet ist, wobei der zumindest eine Regler (10) über eine binäre Verbindung und/oder eine Busverbindung mit der Steuerungseinrichtung (3) verbunden ist,

- zumindest ein Schieberegister (13) mit Takter (14), das über eine binäre Verbindung und/oder eine Busverbindungmit dem zumindest einen Regler (10) verbunden ist,

- zumindest einen Ausgang "Stellsignal Heizen Weiche EIN" (Yn) des Reglers (10), der über den Takter (14) des Schieberegisters (13) mit einem Steuereingang des Schaltgerätes (5) oder über ein Stellsignal max (St_max) direkt mit dem Schaltgerät (5) verbunden ist,

wobei über eine Verbindung zwischen der Steuereinrichtung (3) und dem Schieberegister (13) während jeder Taktzeit (Zt) das aktive Leistungsverhältnis (L_a) zu dem Schieberegister (13) und die Schienen-Solltemperatur (X_s) von der Steuerungseinrichtung (3) zu dem zumindest einen Regler (10) übertragbar ist, und ein vom aktiven Leistungsverhältnis (L_a) abweichendes Leistungsverhältnis (L) über das Stellsignal max (St_max) von dem zumindest einen Regler (10) auf das Schaltgerät (5) über eine direkte Leitung übertragbar ist, und
wobei in der Schaltverteilung (1) zumindest ein Speicher angeordnet ist, der über eine binäre Verbindung und/oder eine Busverbindung mit der Steuerungseinrichtung (3) verbunden ist, wobei über diese Verbindung zumindest ein Betriebsparameter (B) übertragbar und in dem zumindest einen Speicher speicherbar und von der Steuereinrichtung (3) aus diesem abrufbar ist.

Claims

1. Method for managing energy in an electrical switch heating system, comprising at least two switches (12), on each of which at least one heating element (7) is arranged, at least one circuit distribution (1) with at least one heating output (6) per switch (12) and at least one control device (3) for controlling and regulating the rail temperature (X), comprising the steps of

a) during the heating operation of the electric switch heating system, forming of cyclically successive cycle times (Zt)

b) for each cycle time (Zt), forming at least one power ratio (L) corresponding to the number of switched-on and switched-off heating outputs (6),

c) during each cycle time (Zt) of at least one fixed power ratio (L_f) or a power ratio (Le) correlating with at least one externally detectable operating parameter (B), activating the heating outputs (6) one after the other starting with the switched-on or switched-off heating outputs (6) in accordance with the power ratio (L) and deactivating the remaining heating outputs (6) in a circulating step-by-step mode of operation,

d) thereby carrying out at least one active power ratio (L_a), wherein an adaptation of the at least one active power ratio (L_a) is carried out, which is carried out as a function of an actual control deviation and a limit value "maximum control deviation" is determined by detecting an existing control deviation (xw_auf) at the beginning of the heating time (t_auf) when the electrical points heating system with a project-specific power ratio (L_pro) between 60% and 75% within the heating time (t_auf) is switched on, whereby the quotient of the existing control deviation (xw_auf) and a heating time (t_auf) results in a gradient of the control deviation (xw_steig), which is stored so that a maximum permissible control deviation (xw_max) during heating is determined from the product gradient of the control deviation (xw_steig) and a maximum heating time (t_auf-max) which can be parameterised in a project-specific manner, wherein when the maximum control deviation (xw_max) is exceeded, the at least one active power ratio (L_a) is adapted to 100%,
d1) repeating step d) after a definable time period or if the maximum control deviation (xw_max) is exceeded or not reached,

e) in the event of a weather-related heating requirement (Hz) for at least one switch (12), calculating the theoretical heating time until the predeterminable desired rail temperature (X_s) of the switch (12) is reached and comparing this with a parameterizable heating time (t_auf),
e1) if the parameterizable heating time (t_auf) is exceeded, increasing the active power ratio (L_a) at least of the affected heating output (6) by increasing the number of heating outputs (6) switched on per cycle time (Zt) by one and reducing the number of heating outputs (6) switched off per cycle time (Zt) by one or increasing the power ratio (La) to 100%,

wherein after and/or before each cycle time (Zt) the respective rail temperature (X) of at least one switch (12) connected to the electrical switch heating system is compared with the predeterminable rail target temperature (X_s), wherein in evaluation of this comparison the allocation of the switched-on and switched-off heating outputs (6) within the allocatable groups (G) is changed by switching off heating outputs (6) with heating surplus in favour of heating outputs (6) with heating deficit during the respective cycle time (Zt).

2. Method according to claim 1, wherein, depending on the at least one externally detectable operating parameter (B), distinguishable control modes with correspondingly assigned rail setpoint temperature values (X_s) are formed by adding setpoint supplements to parameterizable basic setpoint values in each case if the at least one externally detectable operating parameter (B) is exceeded and/or undercut.

3. Method according to claim 1 or 2, wherein the externally detectable operating parameter (B) is selected from air temperature, air humidity, rail temperature (X), snow, blowing snow and/or rain.

4. Method according to one of claims 1 to 3, wherein by detecting the operating parameter "snow" the snow depth is determined with a suitable sensor and thereby in the case of the predeterminable operating parameter "air temperature" a control mode "low-temperature heating" is activated or deactivated in that a parameterizable temperature value (T_par) over a predeterminable time and/or over a parameterizable time (t_par) has been detected via the detection and evaluation of the time characteristic of the operating parameter "air temperature" and/or via the detection of the operating parameter "rain".

5. Method according to one of claims 1 to 4, wherein in step a) the cyclically successive cycle times (Zt) of equal duration from 1 second to 300 seconds, preferably 50 seconds to 70 seconds, are formed with or without time pause.

6. Method according to one of claims 1 to 5, wherein the at least one active power ratio (L_a) is formed from the quotient of the number of switched-on heating outputs (6) or switched-off heating outputs (6) and the total number of heating outputs (6) of the electric switch heating system.

7. Method according to one of claims 1 to 6, wherein the switching sequence of the heating outputs (6) is changed after and/or before each cycle time (Zt).

8. Method according to one of claims 1 to 7, wherein the detected time curve of the rail temperature (X) at at least one switch (12) is stored in the control device (3) and the final value of the rail temperature (X_e) is compared with a predeterminable desired rail temperature (X_s), wherein the number of switched-off heating outputs (6) during at least one cycle time (Zt) is formed by the largest temperature difference thus determined.

9. Method according to one of claims 1 to 8, wherein if the rail temperature (X) at a switch (12) with an unswitched heating feeder (6) is greater than the rail target temperature (X_s), this heating feeder (6) is switched off during the current cycle time (Zt).

10. Method according to one of claims 1 to 9, wherein the actual power is determined during each cycle time (Zt) and the minimum actual power, the average actual power and the maximum actual power is stored within a predeterminable time period.

11. Method according to one of claims 1 to 10, wherein during each cycle time (Zt) the active power ratio (L_a) is monitored so that when a power ratio (L_a) of 100% is reached at least once when the active power ratio (L_a) is increased, the operating parameters (B) current at that moment are stored in a first memory connected to the control device (3), wherein, in the event of a subsequent heating request (Hz), these stored operating parameters (B) are compared with the then current operating parameters (B), so that if the then current operating parameters (B) are equal to or worse for the electric points heating system than the stored operating parameters (B), a power ratio (L_a) of 100% is set immediately.

12. Device for the managing energy of an electric switch heating system, which has at least two switches (12), on each of which at least one heating element (7) is arranged, at least one circuit distribution (1) with at least one heating output (6) per switch (12) and at least one control device (3) for controlling and regulating the rail temperature (X), comprising

- at least one controller (10), which is arranged between the control device (3) in the circuit distribution (1) and a switching device (5) of the at least one heating output (6), wherein the at least one controller (10) is connected to the control device (3) via a binary connection and/or a bus connection,

- at least one shift register (13) with clock pulse (14), which is connected to the at least one controller (10) via a binary connection and/or a bus connection,

- at least one output "control signal heating switch ON" (Y_n) of the controller (10), which is connected via the clock pulse (14) of the shift register (13) to a control input of the switching device (5) or via a control signal max (St_max) directly to the switching device (5),

wherein the active power ratio (L_a) to the shift register (13) and the rail target temperature (X_s) can be transmitted from the control device (3) to the at least one controller (10) via a connection between the control device (3) and the shift register (13) during each cycle time (Zt), and a power ratio (L) deviating from the active power ratio (L_a) can be transmitted from the at least one controller (10) to the switching device (5) via a direct line via the actuating signal max (St_max), and
wherein at least one memory is arranged in the circuit distribution (1), which memory is connected to the control device (3) via a binary connection and/or a bus connection, wherein at least one operating parameter (B) can be transmitted via this connection and can be stored in the at least one memory and can be retrieved from the latter by the control device (3).

Revendications

1. Procédé de gestion énergétique d'une installation électrique de chauffage d'aiguillage présentant au moins deux aiguilles (12) sur chacune desquelles est disposé au moins un élément chauffant (7), au moins un distributeur de commutation (1) avec au moins une sortie de chauffage (6) par aiguille (12) et au moins un dispositif de commande (3) permettant de commander et réguler la température du rail (X), ledit procédé comprenant les étapes suivantes :

a) pendant la phase de chauffage de l'installation électrique de chauffage d'aiguillage, formation de temps de cycle (Zt) se succédant de façon cyclique,

b) pour chaque temps de cycle (Zt), formation d'au moins un rapport de puissance (L) en fonction du nombre de sorties de chauffage (6) branchées et débranchées,

c) pendant chaque temps de cycle (Zt) formation d'au moins un rapport de puissance fixe (L_f) ou d'un rapport de puissance (L_e) en corrélation avec au moins un paramètre de fonctionnement (B) pouvant être saisi de manière externe, activation dans l'ordre des sorties de chauffage (6) en commençant par les sorties de chauffage (6) branchées ou débranchées en fonction du rapport de puissance (L) et désactivation des autres sorties de chauffage (6) en procédant par étapes sur le pourtour,

d) de ce fait, mise en œuvre d'au moins un rapport de puissance actif (L_a), une adaptation dudit au moins un rapport de puissance actif (L_a) étant effectuée en fonction d'un écart de régulation effectif et une valeur limite « Écart de régulation maximal » étant déterminée par la saisie d'un écart de régulation existant (xw_auf) au début du temps de chauffe (t_auf), l'installation électrique de chauffage d'aiguillage étant mise en marche avec un rapport de puissance spécifique au projet (L_pro) entre 60 et 75 % pendant le temps de chauffe (t_auf), de sorte que le quotient de l'écart de régulation existant (xw_auf) et d'un temps de chauffe (t_auf) donne une augmentation de l'écart de régulation (xw_steig) qui est enregistrée, permettant ainsi, à partir du produit de l'augmentation de l'écart de régulation (xw_steig) et d'un temps de chauffe maximal (t_auf-max) paramétrable de façon spécifique au projet, de déterminer un écart de régulation maximal autorisé pendant le chauffage (xw_max), ledit au moins un rapport de puissance actif (L_a) étant adapté à une valeur de 100 % en cas de dépassement de l'écart de régulation maximal (xw_max),
d1) répétition de l'étape d) après un laps de temps prédéfinissable ou lorsque l'écart de régulation n'atteint pas ou dépasse l'écart de régulation maximal (xw_max),

e) en cas de demande de chauffage (Hz) due aux conditions atmosphériques pour au moins une aiguille (12), calcul du temps de chauffe théorique jusqu'à obtention de la température de consigne prédéfinissable du rail (X_s) de l'aiguille (12) et comparaison de ce temps avec un temps de chauffe paramétrable (t_auf),
e1) en cas de dépassement du temps de chauffe paramétrable (t_auf), augmentation du rapport de puissance actif (L_a) d'au moins la sortie de chauffage (6) concernée, en augmentant d'une unité le nombre de sorties de chauffage (6) branchées par temps de cycle (Zt) et en diminuant d'une unité le nombre de sorties de chauffage (6) débranchées par temps de cycle (Zt) ou en augmentant le rapport de puissance (L_a) à une valeur de 100 %,

la température de rail (X) concernée d'au moins une aiguille (12) raccordée à l'installation électrique de chauffage d'aiguillage étant comparée après et/ou avant chaque temps de cycle (Zt) avec la température de consigne prédéfinissable du rail (X_s) et l'affectation des sorties de chauffage (6) branchées et débranchées au sein des groupes (G) affectables étant, suite à l'évaluation de cette comparaison, modifiée par le débranchement de sorties de chauffage (6) présentant un excédent d'échauffement au profit de sorties de chauffage (6) présentant un déficit d'échauffement pendant le temps de cycle (Zt) concerné.

2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel, en fonction du au moins un paramètre de fonctionnement (B) pouvant être saisi de manière externe, des types de commande distincts auxquels sont affectées des valeurs de température de consigne de rail (X_s) correspondantes sont créés par l'ajout de majorations de consigne à des consignes de base paramétrables lorsque le au moins un paramètre de fonctionnement (B) pouvant être saisi de manière externe est dépassé ou/ou n'est pas atteint.

3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, dans lequel le paramètre de fonctionnement (B) pouvant être saisi de manière externe est choisi parmi : température de l'air, humidité de l'air, température du rail (X), neige, neige poudreuse et/ou pluie.

4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel la saisie du paramètre de fonctionnement « Neige » a pour effet de déterminer la hauteur de neige par un capteur approprié et d'activer ou de désactiver ainsi un type de commande « Chauffage à basse température » au paramètre de fonctionnement prédéfinissable « Température de l'air », une valeur de température paramétrable (T_par) sur un laps de temps prédéfinissable ayant été saisie via la saisie et l'évaluation de l'évolution chronologique du paramètre de fonctionnement « Température de l'air » et/ou via la saisie du paramètre de fonctionnement « Pluie » sur un laps de temps paramétrable (t_par).

5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel à l'étape a) les temps de cycle (Zt) de même durée de 1 à 300 secondes, de préférence de 50 à 70 secondes, qui se succèdent de façon cyclique, sont formés avec ou sans pause.

6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel le au moins un rapport de puissance actif (L_a) est formé à partir du quotient du nombre de sorties de chauffage (6) branchées ou de sorties de chauffage (6) débranchées et du nombre total de sorties de chauffage (6) de l'installation électrique de chauffage d'aiguillage.

7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel la séquence de commutation des sorties de chauffage (6) est modifiée après et/ou avant chaque temps de cycle (Zt).

8. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel l'évolution chronologique saisie de la température du rail (X) à au moins une aiguille (12) est enregistrée dans le dispositif de commande (3) et la valeur finale de la température du rail (X_e) comparée à une température de consigne prédéfinissable du rail (X_s), le nombre de sorties de chauffage (6) débranchées pendant au moins un temps de cycle (Zt) étant formé par la plus grande différence de température déterminée de la sorte.

9. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, dans lequel, lorsqu'à une aiguille (12) avec une sortie de chauffage (6) non débranchée, la température du rail (X) est supérieure à la température de consigne du rail (X_s), ladite sortie de chauffage (6) est débranchée pendant le temps de cycle (Zt) actuel.

10. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, dans lequel la puissance effective est déterminée pendant chaque temps de cycle (Zt) et la puissance effective minimale, la puissance effective moyenne et la puissance effective maximale sont enregistrées pendant un laps de temps prédéfinissable.

11. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, dans lequel le rapport de puissance actif (L_a) est surveillé pendant chaque temps de cycle (Zt), de sorte que si un rapport de puissance (L_a) de 100 % est obtenu à au moins une seule augmentation du rapport de puissance actif (L_a), les paramètres de fonctionnement (B) momentanés sont enregistrés dans une première mémoire reliée au dispositif de commande (3), lesdits paramètres de fonctionnement (B) enregistrés étant comparés aux paramètres de fonctionnement (B) actuels lors d'une demande de chauffage (Hz) suivante, de sorte que si les paramètres de fonctionnement (B) alors actuels sont identiques aux paramètres de fonctionnement (B) enregistrés ou moins bons que ces derniers pour l'installation électrique de chauffage d'aiguillage, un rapport de puissance (L_a) de 100 % est réglé immédiatement.

12. Dispositif de gestion énergétique d'une installation électrique de chauffage d'aiguillage présentant au moins deux aiguilles (12) sur chacune desquelles est disposé au moins un élément chauffant (7), au moins un distributeur de commutation (1) avec au moins une sortie de chauffage (6) par aiguille (12) et au moins un dispositif de commande (3) permettant de commander et réguler la température du rail (X), ledit dispositif comprenant :

- au moins un régulateur (10) disposé entre le dispositif de commande (3) dans le distributeur de commutation (1) et un appareil de commutation (5) de la au moins une sortie de chauffage (6), ledit au moins un régulateur (10) étant relié au dispositif de commande (3) via une connexion binaire et/ou une connexion par bus,

- au moins un registre à décalage (13) avec horloge (14) relié audit au moins un régulateur (10) via une connexion binaire et/ou une connexion par bus,

- au moins une sortie « Signal de commande de chauffage d'aiguille ACTIVÉ » (Yn) du régulateur (10) reliée via l'horloge (14) du registre à décalage (13) à une entrée de commande de l'appareil de commutation (5) ou reliée directement à l'appareil de commutation (5) par un signal de commande max (St_max),

le rapport de puissance actif (L_a) pouvant être transmis au registre à décalage (13) via une connexion entre le dispositif de commande (3) et le registre à décalage (13), et la température de consigne du rail (X_s) pouvant être transmise du dispositif de commande (3) audit au moins un régulateur pendant chaque temps de cycle (Zt), et un rapport de puissance (L) différant du rapport de puissance actif (L_a) pouvant être transmis dudit au moins un régulateur (10) à l'appareil de commutation (5) par le signal de commande max (St_max) via une ligne directe, et
au moins une mémoire étant disposée dans le distributeur de commutation (1), reliée au dispositif de commande (3) via une connexion binaire et/ou une connexion par bus, ladite connexion permettant de transmettre au moins un paramètre de fonctionnement (B), et dans lequel au moins une mémoire peut être enregistrée et consultée par le dispositif de commande (3) depuis celle-ci.

Zeichnung