Digitale Weichendiagnose

Die Weiche ist im Gegensatz zu vielen anderen Infrastrukturkomponenten kontinuierlichen Bewegungen und Belastungen in unterschiedlichste Richtungen ausgesetzt. Hoch belastete Weichen werden pro Tag bis zu 170 Mal umgestellt. Ein störungsfreier Weichenumlauf und das sichere Erreichen der Endlage sind elementare Voraussetzungen für einen zuverlässigen Eisenbahnbetrieb.

Die Umstellung der Weichen erfolgt durch elektrische Weichenantriebe und angeschlossene Übertragungsgestänge. Insbesondere Antriebe, Übertragungsgestänge und Verschlüsse an der Weiche sind kritische Punkte, die häufig zu Verfügbarkeitseinschränkungen führen. Reicht der an der Weiche verfügbare Strom nicht mehr aus, um die Weiche in ihrer Lage umzustellen und zu verriegeln, kann für den Betrieb kein Fahrweg bereitgestellt werden.

Wartungstechniker mit orangefarbener Arbeitskleidung sitzend im Gleis vor geöffnetem Gehäuse mit Weichenantrieb.
Weichenantrieb DIANA in Halle/Saale
© DB AG/Max Zimmermann

Zwei Kernelemente bilden die Voraussetzung für ein prädiktives System bei der Bewirtschaftung von Infrastrukturanlagen:

– Zur Sicherung einer hohen Anlagenverfügbarkeit muss deren aktueller Status aus der Ferne, also ohne punktuelles Anfahren/Auslesen der Anlagen im Feld, jederzeit erfasst werden können.
– Über die Erfassung des Status hinaus gilt es, die Daten zu analysieren, eine Abweichung vom Sollzustand frühzeitig zu erkennen und für deren Ursache – ebenfalls aus der Ferne – die richtige Diagnose zu treffen.

Hier setzt das anlagentypenübergreifende Frühwarnsystem DIANA (Diagnose und Analyse) der Deutschen Bahn AG an.

Blick in den Schaltschrank eines Stellwerks mit Kabeln und an den Kabeln verbauten Sensoren.
Beispiel von im Stellwerk verbauten DIANA-Sensoren (pro Weichenantrieb jeweils ein DIANA-Sensor)
© DB AG/ Claudia Münchow

Funktionsweise

Sensoren im Stellwerk überwachen den Stromfluss in den Antriebsmotoren. Die Datenanalyse forscht nach auffälligen Veränderungen und gibt an, wann eine Wartung notwendig ist, um beispielsweise Zugverspätungen und Ausfälle zu verhindern.

Ausgangspunkt ist ein Sensor, der auf dem Stromkabel des Weichenantriebsmotors sitzt. Wird die Weiche für eine Zugfahrt gestellt, misst der Sensor den dafür benötigten Strom. Die Strommessung erfolgt berührungslos und rückwirkungsfrei. Für jeden Umstellvorgang werden die Stromverlaufskurven gemessen und an die Analyseplattform gesendet. Auf der Plattform werden die Daten anhand von individuell je Weiche eingestellten Parametern und Anwenderregeln analysiert.

Maßgeblich für die Bewertung und Analyse der Umstellbewegung ist neben der eigentlichen Umlaufphase die Entriegelungs- und die Verriegelungsphase der Weichenzunge.

Für die Diagnose werden an jedem Antrieb drei wesentliche Parameter herangezogen:

– die Einschaltzeit,
– der maximal benötigte Stellstrom sowie
– eine für jede Weiche individuell festgelegte Referenzkurve.
 

Die Individualität der Verlaufskurven der Stellströme der Weichen ergibt sich insbesondere aus der Bauart, der Größe und der Lage.

Anhand der in DIANA hinterlegten Berechnungsalgorithmen werden die einzelnen gemessenen Kenngrößen je Umstellvorgang mit den Parametern verglichen. Die Diagnosemeldungen sind im System sichtbar und können den zugeordneten Nutzern parallel per E-Mail oder SMS bereitgestellt werden. Weicht der ermittelte Wert vom normalen Energieverbrauch des Motors ab, werden die Instandhalter aktiv. Anhand der Daten können sie frühzeitig diagnostizieren, welches Ausmaß die Störung hat und welche vorbeugenden Reparaturarbeiten nötig sind, um einen Defekt zu vermeiden. Gründe für den energiefressenden Schwergang der Weiche können z. B. Steine oder Eis sein, aber auch Verschleiß sowie eine mangelnde Schmierung der beweglichen Teile.

Die Diagnose- und Analyseplattform erhält auch Daten von Sensoren, die die Schwellenlage von Weichen überwachen, die mit hohen Geschwindigkeiten befahren werden. Dabei wird überwacht, ob die Weichenschwellen zu tief in den Schotter einsinken, denn auch dadurch kann es zu Ausfällen kommen.

Weiterentwicklung

Im gesamten Bundesgebiet wurden bis 2020 bereits 28.000 bestehende Bahnweichen mit der neuen Technik ausgerüstet. Insgesamt gibt es im deutschen Schienennetz rund 66.000 elektrische Weichen. Ergänzend zu den Komponenten der Weichen ist geplant, auch Weichenheizungen, Bahnübergänge und Stellwerke selbst mit diesen Sensoren auf die Diagnoseplattform aufzuschalten und für eine prädiktive Instandhaltung zu nutzen.

Empfohlene Fachliteratur:

Rees, Dagmar, Digitalisierung in Mobilität und Verkehr
https://www.pmcmedia.com/programm/rail/262/digitalisierung-in-mobilitaet-und-verkehr?c=5

DB Netz AG (Hrsg.), Infrastrukturprojekte 2020 – Bauen für die starke Schiene
https://www.pmcmedia.com/neuerscheinungen/425/infrastrukturprojekte-2020