Referenz

Rückwirkungsfrei zur effizienten Rangierlok

3/26/2021

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.

We have been in very close collaboration with WAGO for years now in a partnership relationship, so we know the company, its products and its services. And we know that we can always depend on them.

Jan Bock

engineer for automation technology at 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.

Our solution closes a market gap while also making a real contribution to climate protection at the same time.

Sebastian Günther, system and project engineer at 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.

We have been in very close collaboration with WAGO for years now in a partnership relationship, so we know the company, its products and its services. And we know that we can always depend on them.

Jan Bock

engineer for automation technology at 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.

Mr. Günther, it has long become standard that the engine in cars switches off at red lights. Why haven't automatic start/stop systems established themselves yet in the railway industry?

Firstly, this is because a major portion of the diesel vehicle fleet in the German railway system is very old and at a development level preceding the 1990s. This type of technology did not exist in the company back then. Secondly, operational readiness of locomotives is the top priority in the rail system. Many operators may have concerns that an automatic start/stop feature would cause the diesel motor to continuously switch off and then switch back on again a short time later – potentially resulting in damage to the engine. It's exactly this behavior that we can prevent with our system through monitoring of numerous parameters.

You mean that there is a favorable market for ‟OnEfficiency.StopStart“?

Absolutely! Our automatic start/stop system has two important advantages: For one, it can be retrofitted, making it an interesting option for any diesel-powered shunting locomotive that has been in service for many years or decades. Secondly, ‟OnEfficiency.StopStart“ can be used with the systems and products of any manufacturer.

There are in fact a wide range of demands – and challenging ones at that. We decided relatively quickly [...] on the WAGO I/O System 750 XTR.

What requirements does your automatic start/stop system make on automation systems?

There are in fact a wide range of demands – and challenging ones at that. Besides the lack of interference or adverse impacts that we achieve using WAGO relay and optocoupler modules, an I/O system must above all satisfy all the applicable railway standards, otherwise it cannot be used. This requirement alone narrowed our selection options considerably. In addition, the control cabinet we use is small and is not air-conditioned; as a result, the automation system must be very compact and withstand large temperature fluctuations. It was also important to us that the system have a modular design to enable our solution to be easily adapted to different types of locomotives. We decided relatively quickly on the WAGO I/O System 750 XTR.

And what tasks does the WAGO I/O System 750 XTR ultimately perform?

In a nutshell: the entire control system for the automatic start/stop system. All analog and digital signals entering and leaving our control cabinet are routed through the modules of the WAGO I/O System 750 XTR. This includes motor speed at 0 … 10 V, brake pressure and cooling water temperature at 4 … 20 mA. Data is processed in the CANopen 750-838 controller. In CODESYS V2.3 we have mapped all the necessary stop conditions for this quite conveniently using function blocks.

You spent around three years developing and optimizing ‟OnEfficiency.StopStart“. What were some special challenges you faced?

We did not want to develop just a simple motor stop, we could have done that a lot quicker. Instead, we wanted to offer real value added that goes beyond the actual start/stop function. On request, our system also generates specifically prepared savings reports based on the operating data that is collected. Fleet operators not only see in this report exactly when the motor is switched off and switched back on again, for example, but are also provided with very detailed information about why this occurred – or why it didn't occur. On the one hand this enables idle times to be continuously optimized and, on the other, allows the technical conditions of the vehicle to be monitored at the push of a button. The WAGO I/O System 750 XTR also forms the core of this solution.

Mr. Günther, thank you for this interview.

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