110-V-DC-Eingänge im Schienenverkehr sicher mit Dewesoft überwachen

Die Überwachung digitaler 110-V-DC-Eingänge ist für Eisenbahnen, Kraftwerke und andere kritische Infrastrukturen entscheidend, da diese Schnittstellen sowohl essenzielle Systeme versorgen als auch Betriebszustände übertragen. Um eine sichere, synchronisierte Erfassung zusammen mit analogen Daten zu gewährleisten, müssen Ingenieure die digitalen Hochspannungssignale an moderne Datenerfassungssysteme anpassen – ohne die Genauigkeit oder die Sicherheit zu beeinträchtigen. In diesem Artikel stellen wir Ihnen zwei bewährte Ansätze vor: die Spannungsteilerschaltung und die Schnittstelle für potenzialfreie Relaiskontakte (auch „Trockenkontakt-Schnittstelle“).

Einleitung

In verschiedenen kritischen Infrastrukturen – insbesondere im Schienenverkehrssektor, sowohl in der Streckentechnik als auch in den Fahrzeugen – sind 110-V-DC-Leitungen ein weit verbreiteter Standard zur Energieverteilung an Hilfssubsysteme. Diese Systeme sind für den kontinuierlichen und sicheren Betrieb der Netze unverzichtbar und versorgen unterschiedlichste Abnehmer – von Steuermechanismen bis hin zu Innenbeleuchtung und Kommunikationssystemen.

Über ihre primäre Funktion der Energieversorgung hinaus werden 110-V-DC-Leitungen häufig auch zur Übertragung digitaler Signale genutzt. Die Kombination von Energieversorgung und Kommunikation auf 110-V-DC-Leitungen wird durch Powerline Communication (PLC) ermöglicht, bei der Datensignale mittels hochfrequenter Modulation auf die Versorgungsleitungen aufmoduliert werden. Die Übertragung erfolgt häufig über potenzialfreie Relaiskontakte, die als Schalter fungieren und in Abhängigkeit vom Betriebszustand des Systems öffnen oder schließen. 

Ändert sich ein bestimmter Systemparameter – löst beispielsweise ein Leistungsschalter aus, öffnet sich eine Tür oder wechselt ein Signal –, dann schaltet das zugehörige Relais und ändert den Zustand einer 110-V-DC-Leitung. Diese Übertragungsart stellt eine robuste und zuverlässige Methode für die Übermittlung kritischer Informationen innerhalb des Netzes dar. 

Während 110-V-DC-Statussignale vor allem in Eisenbahnnetzen verbreitet sind, setzen Ingenieure vergleichbare kombinierte Versorgungs- und Signalleitungen auch in Kraftwerken, Fabriken und in der Schifffahrt ein, wo Zuverlässigkeit und Einfachheit Vorrang vor hohen Datenraten haben. In allen Fällen ist die Herausforderung die gleiche: die sichere Erfassung des Logikzustands von Niederspannungs-Gleichstromsignalen für Überwachungs- und Diagnosezwecke.

Überall dort, wo Sicherheit, Zuverlässigkeit und Einfachheit wichtiger sind als die Datenbandbreite, werden weiterhin kombinierte Gleichstrom-Versorgungs- und Signalleitungen eingesetzt. Anstelle komplexer Datenprotokolle ermöglicht hier eine einfache Zustandsmeldung (bestromt/nicht bestromt) die schnelle, fehlersichere Überwachung.

Die Problemstellung

Bei Inbetriebnahmen, Wartung oder Fehlerdiagnose müssen Ingenieure digitale Statussignale gleichzeitig mit analogen Messgrößen wie Strom, Spannung oder Vibration erfassen. Die zeitliche Synchronisierung dieser Signale ist entscheidend für das Verständnis des Systemverhaltens in Echtzeit, etwa um das Auslösen eines Relais mit einer Spannungsschwankung oder Schwingungsspitze zu korrelieren. Die Herausforderung besteht darin, dies sicher und ohne Beeinflussung des laufenden Betriebs umzusetzen.

Daher muss der Erfassungsprozess zuverlässig erfolgen, ohne den Betrieb der Leitung zu beeinträchtigen. Selbst geringfügige Störungen können zu Instabilitäten oder Unterbrechungen führen. Folglich werden zur Gewährleistung der Sicherheit und Integrität des Prozesses nicht-invasive Messtechniken und sorgfältig ausgelegte Schnittstellenschaltungen benötigt, die nicht übermäßig Strom aufnehmen und keine unerwünschten elektrischen Interferenzen in das System einbringen.

Kompatibilität mit Digitaleingängen von Datenerfassungssystemen

Eine wesentliche Herausforderung beim Erfassen des logischen Zustands einer 110-V-DC-Leitung besteht in der elektrischen Inkompatibilität mit den üblichen, galvanisch getrennten Digitaleingängen von Datenerfassungssystemen. Viele industrielle oder mobile Systeme – einschließlich der von Dewesoft – weisen typischerweise die folgenden Eigenschaften auf:

• Galvanisch getrennte digitale Eingänge
  In der Regel ausgelegt für Logikpegel von 5 V bis 24 V

• Begrenzte zulässige Eingangsspannung
  Üblicherweise maximal ±40 V

• Begrenzter Überspannungsschutz 

Der direkte Anschluss einer 110-V-DC-Leitung an einen digitalen Eingang würde das Datenerfassungsgerät dauerhaft beschädigen und ein erhebliches elektrisches Sicherheitsrisiko darstellen. Daher ist eine geeignete zwischengeschaltete Schnittstelle erforderlich, um den Signalpegel sicher auf den für die Eingänge des Datenerfassungssystems zulässigen Bereich anzupassen.

Lösungsvorschläge

Jede Schnittstelle, die zur Anpassung von 110-V-DC-Signalen an ein Datenerfassungssystem verwendet wird, muss drei grundlegende Kriterien erfüllen:

• Elektrische Sicherheit: Verhinderung von Überspannungsschäden und Schutz von Bedienern

• Signalintegrität: Vermeidung einer Schaltkreisbelastung oder Verfälschung des Logikzustands

• Synchronisation: Gewährleistung der Kompatibilität mit digitalen Datenerfassungseingängen zur simultanen Erfassung analoger Kanäle

Zwei praktische Ansätze erfüllen diese Anforderungen zur sicheren Erfassung des Zustands einer 110-V-DC-Leitung über die digitalen, galvanisch getrennten Eingänge des Datenerfassungssystems: der Spannungsteiler und die Schnittstelle für potenzialfreie Relaiskontakte.

Empfohlene Dewesoft-Module

• KRYPTON-Datenerfassungsmodule: KRYPTONi-16xDI oder KRYPTONi-8xDI-8xDO

• IOLITE-Datenerfassungsmodule: IOLITE-32xDI

• OBSIDIAN oder SIRIUS-Systeme mit digitalen Eingängen

Spannungsteiler

Eine zuverlässige und einfache Lösung ist ein Spannungsteiler aus geeigneten Widerständen, die zwischen die 110-V-Leitung und Masse geschaltet sind. Der Mittelpunkt des Teilers wird mit dem digitalen Eingangskanal (DI) des Datenerfassungssystems verbunden, sodass am Eingang eine deutlich reduzierte, zulässige Spannung anliegt. 

Allerdings besitzen solche digitalen Eingänge typischerweise eine Impedanz, die mit der des gemessenen Schaltkreises vergleichbar ist (1–100 kΩ). Dies kann zu Spannungsabfällen am Ausgang des Teilers führen und den geprüften Schaltkreis beeinflussen. Die Spannung am Messpunkt kann beim Anschluss des Digitaleingangs sinken und potenziell unter die minimale Schaltschwelle fallen.

Bei der Spannungsteiler-Methode müssen die Widerstandswerte R1 und R2 so gewählt werden, dass

• die Ausgangsspannung (Vout) am Mittelpunkt des Teilers dem Digitaleingangsbereich des Datenerfassungssystems (typischerweise 5–24 V) entspricht,

• die Widerstände die Verlustleistung der 110-V-DC-Leitung ohne Überhitzung sicher dissipieren können.

Die in der Abbildung gezeigten Werte für R1 und R2 sind Beispielswerte und wurden für die Kompatibilität mit folgenden Dewesoft-Geräten berechnet:

• KRYPTONi-16xDI

• KRYPTONi-8xDI-8xDO

Für andere Geräte empfiehlt Dewesoft, die Spezifikationen des jeweiligen DI-Moduls zu prüfen oder sich an das globale Support-Netzwerk des Unternehmens zu wenden. 

Das zugrunde liegende Prinzip besteht darin, die Werte von R1 und R2 so zu dimensionieren, dass

• die geteilte Spannung bei Anschluss des Spannungsteilers unterhalb des maximal zulässigen Spannungsbereichs für den digitalen Eingangskanal des Datenerfassungssystems liegt,

• die Verlustleistung in einem für die Wärmeableitung akzeptablen Rahmen bleibt und 

• die Eingangsimpedanz des Datenerfassungssystems berücksichtigt wird (der Widerstand des Teilers wird so klein gewählt, wie es die Leistungsaufnahme zulässt).

Optional kann zum Schutz vor transienten Überspannungen eine Supressordiode oder eine Zener-Diode hinzugefügt werden – beides Schutzbauelemente, die Überspannungsspitzen auffangen, bevor sie empfindliche Elektronik beschädigen.

Schnittstelle für potenzialfreie Relaiskontakte

Ein sichererer, vollständig isolierter Ansatz nutzt die 110-V-DC-Leitung zur Ansteuerung eines potenzialfreien Relaiskontakts (Trockenkontakt), der wiederum eine lokale 12-V-Versorgung auf den Eingangskanal des Datenerfassungssystems schaltet.

Die Ausgangskontakte eines potenzialfreien Relais verhalten sich wie mechanische Schalter – sie liefern selbst keine Spannung oder Strom, sondern öffnen oder schließen lediglich einen externen Stromkreis. Solche Kontakte werden auch als Trockenkontakte bezeichnet, wobei „Trocken-“ auf das Fehlen einer internen Spannungsquelle auf der Ausgangsseite hinweist. 

Die Relaiskontakte sind galvanisch getrennt und führen ausschließlich die Spannung und den Strom, die von außen zugeführt werden. Vereinfacht gesagt ist ein potenzialfreier Relaiskontakt wie ein Lichtschalter: Er kann ein- oder ausgeschaltet werden, besitzt aber keine eigene Stromversorgung, sondern verbindet oder trennt lediglich eine externe Spannungsquelle.

Die Schnittstelle für potenzialfreie Relaiskontakte ist ideal für Umgebungen mit hohen Anforderungen an galvanische Trennung, elektrische Sicherheit und die Einhaltung von Bahnnormen (z. B. EN 50155). Sie eliminiert die direkte elektrische Kopplung zwischen der 110-V-Leitung und dem Datenerfassungssystem und reduziert Risiken bei Wartung oder Testarbeiten.

Bei dieser Konfiguration muss R1 entsprechend den Spezifikationen des Relais dimensioniert werden. Diese Lösung bietet folgende Vorteile:

• Vollständige galvanische Trennung zwischen der 110-V-DC-Leitung und dem Datenerfassungssystem

• Reiner Niederspannungsbetrieb auf der Datenerfassungsseite

• Robuste Zuverlässigkeit, konform mit einschlägigen Eisenbahnnormen (z. B. EN 50155)

Hohe Störfestigkeit gegenüber elektrischen Transienten und Störungen

Sicherheitshinweis

Überprüfen Sie vor dem Anschluss an unter Spannung stehende 110-V-DC-Systeme stets die Bauteilkennzeichnungen, Isolationsniveaus und die Verdrahtung. Verwenden Sie geeignete Sicherungen, Erdungen und Schutzeinrichtungen gemäß den geltenden IEC/EN-Sicherheitsnormen.

Conclusions

Wir haben zwei Schnittstellenlösungen für die sichere Erfassung von 110-V-DC-Digitaleingängen mit Dewesoft-Systemen bewertet.

Der Spannungsteiler-Ansatz ist kostengünstig und einfach umzusetzen, da kein zusätzliches externes Relais, sondern lediglich zwei Widerstände benötigt werden. Er erfordert jedoch eine präzise Dimensionierung zur Minimierung von Spannungsabfällen, thermischen Verlusten und Belastungseffekten durch die Eingangsimpedanz des Datenerfassungssystems.

Die Widerstandswerte müssen so berechnet werden, dass unerwünschte Kopplungen zwischen dem Spannungsteiler und der Digitaleingangsimpedanz begrenzt werden, während gleichzeitig die durch den Joule-Effekt entstehende Wärme minimiert wird.

Der Ansatz mit potenzialfreien Relaiskontakten erfordert zwar externe Komponenten, bietet jedoch vollständige galvanische Trennung, Niederspannungsbetrieb und eine höhere Robustheit, was ihn zur zuverlässigsten Option für kritische Anwendungen im Eisenbahn- und Infrastruktursektor macht.

Diese Option ist fehlersicher und einfach umzusetzen. Das Schließen der isolierten 12-V-DC-Versorgung auf den DI+-Eingang gewährleistet einen reinen Niederspannungsbetrieb und entkoppelt die 110-V-DC-Leitung vom Messgerät und vom Bedienpersonal.

Beide Lösungen ermöglichen eine sichere, zuverlässige und synchronisierte Erfassung von 110-V-DC-Logiksignalen mit Dewesoft-Datenerfassungssystemen.

• Der Spannungsteiler bietet Einfachheit und Kosteneffizienz für weniger anspruchsvolle Anwendungen.

• Der potenzialfreie Relaiskontakt gewährleistet vollständige galvanische Trennung und robuste Zuverlässigkeit für kritische Bahn- und Industrieanwendungen.

Durch die Kombination dieser Schnittstellentechniken mit den synchronisierten High-Speed-Datenerfassungsfunktionen der Dewesoft-Systeme können Ingenieure jedes kritische Ereignis erfassen – sicher, präzise und perfekt korreliert mit analogen Daten.