Referenz 26. März 2021
Rückwirkungsfrei zur effizienten Rangierlok

Ohne dieselbetriebene Rangierlokomotiven läuft im deutschen Güterverkehr so gut wie nichts. Um die hohen Leerlaufzeiten von nicht selten über 60 Prozent zu reduzieren, hat der Technologiekonzern Voith ein ausgefeiltes automatisches Stopp-Start-System entwickelt. Das Besondere: „OnEfficiency.StopStart“ ist nachrüstbar und herstellerunabhängig auf verschiedene Baureihen adaptierbar. Flottenbetreiber sparen so im Schnitt jährlich 11.000 Liter Kraftstoff und 30 Tonnen CO₂ ein – und das pro Fahrzeug. Die Rückwirkungsfreiheit auf Sicherheitsfunktionen und damit der Schutz der Lokomotive wird technisch mit Relais- und Optokopplermodulen von WAGO gelöst.

Wer sich einen fahrenden Zug vorstellt, der wird vor seinem geistigen Auge wahrscheinlich auch eine Oberleitung sehen. Denn überall dort, wo Gleise verlegt sind, prägen Fahrleitungsanlagen das Landschaftsbild – sollte man meinen. Ganz so ist es allerdings nicht: Gerade einmal 60 Prozent des deutschen Schienennetzes sind elektrifiziert, vom Güterverkehr ganz zu schweigen. Insbesondere auf den zumeist oberleitungslosen Rangierbahnhöfen steht der Verbrennungsmotor weiterhin hoch im Kurs.

Effizienzsteigerung im Güterverkehr – mit Interface-Elektronik und Automatisierungstechnik von WAGO:

Relais- und Optokopplermodule sorgen für Rückwirkungsfreiheit auf Sicherheitsfunktionen.
Kompakte, modulare Lösung für nicht klimatisierte Schaltschränke
Normenkonforme Technik hält mechanischen Belastungen und widrigsten Umgebungstemperaturen Stand.

Wir arbeiten schon seit Jahren sehr eng und vertrauensvoll mit WAGO zusammen und wir kennen das Unternehmen, seine Produkte und Services. Und wir wissen, dass wir uns darauf verlassen können.

Jan Bock, Ingenieur für die Automatisierungstechnik bei Voith

Hoher Leerlauf durch lange Stand- und Wartezeiten

„Zwei Drittel Stand- und Wartezeiten, ein Drittel Betrieb – das ist das typische Einsatzprofil einer dieselbetriebenen Rangierlokomotive“ erklärt Sebastian Günther, System- und Projektingenieur bei Voith. Um die hohen Leerlaufzeiten zu reduzieren, hat Voith ein eigenes automatisches Stopp-Start-System entwickelt. Die Besonderheit: „OnEfficiency.StopStart“ ist nachrüstbar und damit auch für alle Schienenfahrzeuge interessant, die bereits seit vielen Jahrzehnten im Einsatz sind. Verglichen mit proprietären Motorabschaltungen anderer Anbieterist dieses Stopp-Start-System herstellerunabhängig und breit auf viele verschiedene Baureihen adaptierbar.

Nachrüstlösung ohne Rückwirkung

„Eine zentrale Frage unserer Kunden ist, inwiefern unsere Nachrüstlösung eine Rückwirkung auf das Fahrzeug oder auf die Fahrzeugsteuerung hat“, sagt Günther. Bei „OnEfficiency.StopStart“ wird dieser wichtige Sicherheitsaspekt technisch mit Interface-Elektronik von WAGO gelöst. Eingangsseitig werden die erfassten digitalen Signale der Lok – allen voran die des Fahrschalters – über Optokopplermodule in das I/O System 750 XTR geführt. Analoge Signale wie Motordrehzahl und Kühlwassertemperatur sind direkt über Differenzialeingänge angebunden. An den Ausgängen der Automatisierung, die ebenfalls von WAGO ist, unterbrechen wiederum Relaismodule die vorhandenen Leitungspfade für die Motorabschaltung.
Die durchgängige galvanische Trennung von Steuer- und Lastkreisen unterbindet zuverlässig jedwede Eingriffe in die bestehenden Fahrzeugsysteme. „Auf diese Weise erzielen wir eine Rückwirkungsfreiheit auf Sicherheitsfunktionen, unsere Lösung arbeitet autark. Selbst ein Ausfall hätte keine Auswirkungen auf die Funktion und die Verfügbarkeit der Lokomotive“, bekräftigt Jan Bock, bei Voith als Ingenieur für die Automatisierungstechnik zuständig.

Wir schließen mit unserer Lösung eine Marktlücke und leisten zugleich einen echten Beitrag zum Klimaschutz.

Sebastian Günther, System- und Projektingenieur bei Voith

Relais- und Optokopplermodule gemäß Bahnanforderungen

Dass Relais- und Optokopplermodule der Serien 788 und 859 von WAGO in dem kompakten Schaltschrank des nachrüstbaren automatischen Stopp-Start-Systems „OnEfficiency.StopStart“ von Voith gelandet sind, hat gleich mehrere Gründe. Der wichtigste ist, dass Interface-Komponenten von WAGO die strengen Anforderungen der Bahnbranche erfüllen, die unter anderem in der DIN EN 50155, DIN EN 50121-3-2, DIN EN 45545 und der DIN EN 61373 beschrieben sind und die über die normativen Ansprüche der Industrie hinausgehen. Vibration, Schwingungen und Schocks sind in Bahnanwendungen erheblich – für WAGO Produkte stellen sie aufgrund der bewährten Federanschlusstechnik jedoch kein Problem dar.
Neben den mechanischen Belastungen ist die Umgebungstemperatur ein kritischer Faktor, insbesondere in nicht klimatisierten Schaltschränken wie beim automatischen Stopp-Start-System von Voith. Mit einem zulässigen Temperaturbereich von -40 °C bis +70 °C sind Relais- und Optokopplermodule von WAGO auch ohne zusätzliche Kühlung und Heizung vielseitig einsetzbar. „Wir arbeiten schon seit Jahren sehr eng und vertrauensvoll mit WAGO zusammen, wir kennen das Unternehmen, seine Produkte und Services. Und wir wissen, dass wir uns darauf verlassen können“, lobt Technikexperte Bock.

Balance zwischen Einsparung und Schutz der Lokomotive

Die Erfahrungen von Voith mit Stopp-Start-Automatiken reichen über zehn Jahre zurück. „Bei der Entwicklung von ‚OnEfficiency.StopStart‘ wollten wir nicht leichtfertig irgendeine einfache Logik entwickeln, sondern haben uns viele Gedanken hinsichtlich der Praxistauglichkeit, der Effizienz und des schonenden Betriebs gemacht“, sagen Günther und Bock übereinstimmend.
Das Ziel war die perfekte Balance zwischen Einsparung und Schutz der Lokomotive, das schließlich in einem durchdachten Funktionsprinzip seine Erfüllung fand: Sind alle Abschaltbedingungen erfüllt und ist damit sichergestellt, dass zeitnah keine Leistungsanforderung anliegen wird, beginnt zunächst eine obligatorische Wartezeit. Nach Ablauf dieser frei einstellbaren Zeit meldet sich ein Leuchtdrucktaster im Führerstand. Wie lange der Taster blinkt und damit die Vorwarnung dauert, ist ebenfalls individuell parametrierbar. Der Triebfahrzeugführer kann nun die Abschaltautomatik manuell unterdrücken, etwa weil er weiß, dass es gleich weitergehen wird. Reagiert er nicht, geht der Motor aus.

Wir arbeiten schon seit Jahren sehr eng und vertrauensvoll mit WAGO zusammen, wir kennen das Unternehmen, seine Produkte und Services. Und wir wissen, dass wir uns darauf verlassen können.

Jan Bock, Ingenieur für die Automatisierungstechnik bei Voith

720 Stunden weniger Leerlauf, 20.000 Euro weniger Kosten

„Das mehrstufige Funktionsprinzip von „OnEfficiency.StopStart“ hält unnötigen Stress vom Dieselmotor und Getriebe fern“ versichert Sebastian Günther. Im Klartext bedeutet das, dass kurzfristige Abschaltungen und ein daraus resultierender intermittierender Betrieb ebenso vermieden werden wie Kaltstarts und Tiefentladungen der Batterie. Im Stoppmodus bleiben Fahrzeug und Hilfsbetriebe sofort einsatzbereit – selbst bei Funkfernsteuerung rollt die Lok innerhalb von drei bis fünf Sekunden wieder an.

Die positiven Effekte des automatischen Stopp-Start-Systems auf die Umwelt und die Betriebskosten sind indes beachtlich. Bereits bei einer vorsichtigen Annahme von 60 Prozent Stand- und Wartezeiten einer typischen Rangierlok – in der Praxis sind es in der Regel deutlich mehr – ergeben sich pro Jahr 720 Stunden weniger Leerlauf. Und die machen sich in rund 11.000 Litern weniger Diesel, etwa 20.000 Euro weniger Kraftstoff- und Instandhaltungskosten sowie 30.000 Kilogramm weniger CO₂ bemerkbar. Mit diesen Werten rechnet sich „OnEfficiency.StopStart“ für die Betreiber durchschnittlich schon in weniger als zwei Jahren. „Wir schließen mit unserer Lösung eine Marktlücke und leisten zugleich einen echten Beitrag zum Klimaschutz“, erklärt Maschinenbauingenieur Günther abschließend: „Auf dem Weg zur effizienteren Rangierlok ist WAGO ein echter Partner. Den Produkten und Services merkt man einfach an, dass das Unternehmen seit Jahrzehnten in der Bahnindustrie verwurzelt ist.“

Text: Kilian Fröhlich, WAGO

Interview

„Wir wollten nicht bloß eine einfache Motorabschaltung entwickeln!“

Ein automatisches Stopp-Start-System ist bei Autos mittlerweile Standard. Nach drei Jahren Entwicklungsarbeit bringt es das Technologieunternehmens Voith mit seinem „OnEfficiency.StopStart“ nun auch in Rangierlokomotiven – mit Mehrwerten fürs Flottenmanagement. Das Herzstück der Lösung: das WAGO I/O System 750 XTR. Über Hintergründe, Herausforderungen und technische Anforderungen spricht Sebastian Günther, System- und Projektingenieur bei Voith.

Herr Günther, in neueren Autos ist es mittlerweile Standard, dass der Motor an der roten Ampel ausgeht. Warum sind Stopp-Start-Automatiken noch nicht in der Bahnindustrie etabliert?

Das liegt zunächst einmal daran, dass ein nicht unerheblicher Teil der Dieselfahrzeugflotte auf deutschen Schienen sehr alt und auf einem Entwicklungsstand weit vor den 1990er-Jahren ist. Damals gab es solche Technik von Haus aus nicht. Hinzu kommt, dass bei der Eisenbahn die Einsatzbereitschaft der Lokomotiven über alles geht. Viele Betreiber haben möglicherweise Bedenken, dass eine Stopp-Start-Automatik dazu führt, dass der Dieselmotor ständig abschaltet und kurz darauf wieder anspringt – und dadurch Schaden nehmen könnte. Genau dieses Verhalten können wir mit unserem System durch das Überwachen zahlreicher Parameter verhindern.

Also ein günstiger Markt für „OnEfficiency.StopStart“?

Auf jeden Fall! Unser automatisches Stopp-Start-System hat zwei wesentliche Vorteile: Es ist zum einen nachrüstbar und damit für eben jene dieselbetriebenen Rangierlokomotiven interessant, die schon seit vielen Jahren und Jahrzehnten unterwegs sind. Zum anderen ist „OnEfficiency.StopStart“ herstellerunabhängig einsetzbar.

Die Anforderungen sind in der Tat vielfältig – und durchaus herausfordernd. Unsere Wahl fiel [...] recht schnell auf das WAGO I/O System 750 XTR.

Welche Anforderungen stellt Ihr automatisches Stopp-Start-System an die Automatisierungstechnik?

Die Anforderungen sind in der Tat vielfältig – und durchaus herausfordernd. Neben der Rückwirkungsfreiheit, die wir über Relais- und Optokopplermodule von WAGO realisieren, muss ein I/O-System zunächst alle einschlägigen Bahnnormen erfüllen, ohne geht es nicht. Allein hierdurch wird die Auswahl erheblich eingeschränkt. Zudem ist der von uns verwendete Schaltschrank klein und nicht klimatisiert, die Automatisierung muss folglich sehr kompakt sein und hohe Temperaturschwankungen aushalten. Wichtig war uns darüber hinaus ein modularer Aufbau, um unsere Lösung problemlos auf unterschiedliche Loktypen adaptieren zu können. Unsere Wahl fiel dann recht schnell auf das WAGO I/O System 750 XTR.

Und welche Aufgaben übernimmt das WAGO I/O System 750 XTR schließlich?

Kurz gesagt: die gesamte Steuerung des automatischen Stopp-Start-Systems. Alle analogen und digitalen Signale, die in unseren Schaltschrank rein- und rausgehen, laufen über die Module des WAGO I/O Systems 750 XTR. Hierzu gehören unter anderem die Motordrehzahl mit 0 … 10 V sowie Bremsdruck und Kühlwassertemperatur mit 4 … 20 mA. Der CANopen-Controller 750-838 übernimmt die Datenverarbeitung. In CODESYS V2.3 haben wir hierzu recht komfortabel mit Funktionsbausteinen alle notwendigen Abschaltbedingungen dargestellt.

Sie haben etwa drei Jahre an „OnEfficiency.StopStart“ entwickelt und optimiert. Welche besonderen Herausforderungen gab es?

Wir wollten nicht bloß eine einfache Motorabschaltung entwickeln, das hätten wir sicherlich deutlich schneller hinbekommen. Stattdessen wollten wir einen Mehrwert bieten, der über die eigentliche Stopp-Start-Funktion hinausgeht. Auf Wunsch generiert unser System anhand der erfassten Betriebsdaten spezifisch aufbereitete Einsparungsberichte. Flottenbetreiber sehen darin zum Beispiel nicht nur, wann der Motor ab- und zugeschaltet wurde, sondern sehr detailliert, warum dies erfolgt ist – oder aus welchen Gründen es eben nicht erfolgt ist. Auf diese Weise lassen sich einerseits die Leerlaufzeiten ständig weiter optimieren und andererseits per Knopfdruck die technischen Zustände der Fahrzeuge überwachen. Herzstück dieser Lösung ist ebenfalls das WAGO I/O System 750 XTR.

Herr Günther, vielen Dank für das Gespräch!

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Referenz 26. März 2021 Rückwirkungsfrei zur effizienten Rangierlok