Wegen ihrer großen Bedeutung für die Verfügbarkeit der Stellwerke thematisiert die vorliegende Arbeit den Teilbereich der Energieversorgungsanlagen von Stellwerken. Ausgehend von aktuellen Fragestellungen werden neun Forschungsfragen definiert. Zunächst werden die Grundlagen sowie der Forschungsstand im Bereich der Energieversorgung untersucht. Anschließend erfolgt eine Analyse der historischen Entwicklung der Energieversorgung in der Stellwerkstechnik auf Grundlage einer umfangreichen Literaturrecherche. Darauf folgend werden aktuelle und zukünftige Entwicklungen auf diesem Gebiet untersucht. Im Hauptteil der Arbeit erfolgt eine Fokussierung auf die Energieversorgung von Relaisstellwerken. Die derzeit eingesetzten Anlagen werden hinsichtlich Technik, Altersstruktur und Zustand nebst Störungen analysiert. Dazu werden umfangreiche statistische Auswertungen vorgenommen. Im Anschluss wird ein universelles Erneuerungskonzept zur Ausrüstung der vorhandenen Stellwerke mit modernen Energieversorgungen vorgestellt. Durch die Untersuchung von Entscheidungskriterien wird ermittelt, wann unterschiedliche Erneuerungsvarianten eingesetzt werden sollten. In einer Lebenszykluskostenrechnung (LCC) mit anschließender Wirtschaftlichkeitsrechnung (WKR) werden diese Umbauvarianten monetär bewertet und miteinander verglichen. / Due to its importance for the availability of interlockings, this PhD thesis focuses on the part of the interlockings power supply systems. Based on current issues, nine research questions are defined. First, the basics as well as the present state of the art in research and technology in the field of power supply are examined. This is followed by an analysis of the historical development of interlocking power supply systems based on a substantial literature research. Subsequently, the current and future key developments in this field are investigated. The main part of the work focuses on power supply systems of relay interlockings. The systems currently used are analysed regarding technology, aging and present condition as well as incidents. For that purpose comprehensive statistical evaluations are conducted. After that, a universal concept for replacement of old power supplies by state-of-the-art technology in existing interlocking systems is presented. By studying decision-making-criteria, the appropriate application of different renewal variants is determined. In a life-cycle-costing (LCC) and follow-up cost effective analysis (WKR) the different variants are evaluated and compared with each other.

Wegen ihrer großen Bedeutung für die Verfügbarkeit der Stellwerke thematisiert die vorliegende Arbeit den Teilbereich der Energieversorgungsanlagen von Stellwerken. Ausgehend von aktuellen Fragestellungen werden neun Forschungsfragen definiert. Zunächst werden die Grundlagen sowie der Forschungsstand im Bereich der Energieversorgung untersucht. Anschließend erfolgt eine Analyse der historischen Entwicklung der Energieversorgung in der Stellwerkstechnik auf Grundlage einer umfangreichen Literaturrecherche. Darauf folgend werden aktuelle und zukünftige Entwicklungen auf diesem Gebiet untersucht. Im Hauptteil der Arbeit erfolgt eine Fokussierung auf die Energieversorgung von Relaisstellwerken. Die derzeit eingesetzten Anlagen werden hinsichtlich Technik, Altersstruktur und Zustand nebst Störungen analysiert. Dazu werden umfangreiche statistische Auswertungen vorgenommen. Im Anschluss wird ein universelles Erneuerungskonzept zur Ausrüstung der vorhandenen Stellwerke mit modernen Energieversorgungen vorgestellt. Durch die Untersuchung von Entscheidungskriterien wird ermittelt, wann unterschiedliche Erneuerungsvarianten eingesetzt werden sollten. In einer Lebenszykluskostenrechnung (LCC) mit anschließender Wirtschaftlichkeitsrechnung (WKR) werden diese Umbauvarianten monetär bewertet und miteinander verglichen. / Due to its importance for the availability of interlockings, this PhD thesis focuses on the part of the interlockings power supply systems. Based on current issues, nine research questions are defined. First, the basics as well as the present state of the art in research and technology in the field of power supply are examined. This is followed by an analysis of the historical development of interlocking power supply systems based on a substantial literature research. Subsequently, the current and future key developments in this field are investigated. The main part of the work focuses on power supply systems of relay interlockings. The systems currently used are analysed regarding technology, aging and present condition as well as incidents. For that purpose comprehensive statistical evaluations are conducted. After that, a universal concept for replacement of old power supplies by state-of-the-art technology in existing interlocking systems is presented. By studying decision-making-criteria, the appropriate application of different renewal variants is determined. In a life-cycle-costing (LCC) and follow-up cost effective analysis (WKR) the different variants are evaluated and compared with each other.

In der vorliegenden Arbeit werden eine sichere FPGA-Stellwerksplattform und ein Transformationsverfahren entwickelt, mit dem die Schaltungen bestehender Relaisstellwerke in eine FPGA-Logik überführt werden können. Die FPGA-Stellwerksplattform ersetzt die Innenanlage eines Relaisstellwerks. Ihre Schnittstellen entsprechen den bisherigen Schnittstellen am Kabelabschlussgestell und zur Bedien- und Meldeeinrichtung. Damit ist eine einfache Migration bestehender Stellwerke möglich. Das Sicherheitskonzept basiert auf einer zweikanaligen Struktur mit sicherem Vergleicher und zusätzlichen Selbsttests zur schnellen, datenflussunabhängigen Ausfalloffenbarung. Die erreichbare Gefährdungsrate liegt im Bereich von SIL 4 und entspricht damit dem Sicherheitsziel für Stellwerke der Deutschen Bahn. Die Transformation sieht eine Trennung der Stellwerkslogik in Logik- und Leistungsteil vor. Der Logikteil wird auf dem FPGA realisiert. Die im Leistungsteil verbliebenen Kontakte und Überwacherrelais werden durch sichere Stellteile ersetzt. Die logischen Ansteuerbedingungen der Relais werden in Schaltnetze überführt. Die gesteuerten Relais werden durch Instanzen generischer Zustandsmodelle ersetzt. Für jeden verwendeten Relaistyp wurde ein entsprechendes Modell entwickelt, das bei der Transformation als Baustein eingesetzt werden kann. Die generischen Zustandsmodelle berücksichtigen auch die sicherheitsrelevanten konstruktiven Eigenschaften der Relais. So wird bei der Auftrennung einer Schaltung in Logik- und Leistungsteil sichergestellt, dass die in getrennte Schaltungsteile überführten Öffner und Schließer eines Relais nie gleichzeitig geschlossen sein können (Zwangsführung der Kontakte). Dies ist eine Voraussetzung für die Beibehaltung der sicherheitsrelevanten Funktionsbedingungen der Originalschaltung. Das Transformationsverfahren und die implementierten Mechanismen zur Ausfalloffenbarung sind unabhängig von der Anwenderlogik und vom gewählten Schaltkreistyp. Damit kann der generierte VHDL-Code bei Obsoleszenz eines Schaltkreises auch auf andere FPGA-Typen portiert werden. In einer Ressourcenabschätzung wird gezeigt, dass der gewählte Lösungsansatz geeignet ist, die Schaltungen kleinerer Relaisstellwerke vollständig auf einem FPGA zu realisieren. Die Anwendung des vorgestellten Verfahrens wird am Beispiel der Weichengruppe des Stellwerkstyps GS II DR demonstriert. Das Transformationsverfahren ist aber auch für andere Stellwerksbauformen geeignet. Dabei ist es unerheblich, ob diese nach dem tabellarischen Verschlussplanprinzip oder dem Spurplanprinzip arbeiten.

In der vorliegenden Arbeit werden eine sichere FPGA-Stellwerksplattform und ein Transformationsverfahren entwickelt, mit dem die Schaltungen bestehender Relaisstellwerke in eine FPGA-Logik überführt werden können. Die FPGA-Stellwerksplattform ersetzt die Innenanlage eines Relaisstellwerks. Ihre Schnittstellen entsprechen den bisherigen Schnittstellen am Kabelabschlussgestell und zur Bedien- und Meldeeinrichtung. Damit ist eine einfache Migration bestehender Stellwerke möglich. Das Sicherheitskonzept basiert auf einer zweikanaligen Struktur mit sicherem Vergleicher und zusätzlichen Selbsttests zur schnellen, datenflussunabhängigen Ausfalloffenbarung. Die erreichbare Gefährdungsrate liegt im Bereich von SIL 4 und entspricht damit dem Sicherheitsziel für Stellwerke der Deutschen Bahn. Die Transformation sieht eine Trennung der Stellwerkslogik in Logik- und Leistungsteil vor. Der Logikteil wird auf dem FPGA realisiert. Die im Leistungsteil verbliebenen Kontakte und Überwacherrelais werden durch sichere Stellteile ersetzt. Die logischen Ansteuerbedingungen der Relais werden in Schaltnetze überführt. Die gesteuerten Relais werden durch Instanzen generischer Zustandsmodelle ersetzt. Für jeden verwendeten Relaistyp wurde ein entsprechendes Modell entwickelt, das bei der Transformation als Baustein eingesetzt werden kann. Die generischen Zustandsmodelle berücksichtigen auch die sicherheitsrelevanten konstruktiven Eigenschaften der Relais. So wird bei der Auftrennung einer Schaltung in Logik- und Leistungsteil sichergestellt, dass die in getrennte Schaltungsteile überführten Öffner und Schließer eines Relais nie gleichzeitig geschlossen sein können (Zwangsführung der Kontakte). Dies ist eine Voraussetzung für die Beibehaltung der sicherheitsrelevanten Funktionsbedingungen der Originalschaltung. Das Transformationsverfahren und die implementierten Mechanismen zur Ausfalloffenbarung sind unabhängig von der Anwenderlogik und vom gewählten Schaltkreistyp. Damit kann der generierte VHDL-Code bei Obsoleszenz eines Schaltkreises auch auf andere FPGA-Typen portiert werden. In einer Ressourcenabschätzung wird gezeigt, dass der gewählte Lösungsansatz geeignet ist, die Schaltungen kleinerer Relaisstellwerke vollständig auf einem FPGA zu realisieren. Die Anwendung des vorgestellten Verfahrens wird am Beispiel der Weichengruppe des Stellwerkstyps GS II DR demonstriert. Das Transformationsverfahren ist aber auch für andere Stellwerksbauformen geeignet. Dabei ist es unerheblich, ob diese nach dem tabellarischen Verschlussplanprinzip oder dem Spurplanprinzip arbeiten.