Dienstag, 24. September 2013

Die Funktionsweise des österreichischen Regelstellwerks 5007 - Blockfelder, Weichenhebel und allgemeine Verschlusslogik

English version of this posting

In diesem zweiten Animationsposting will ich zeigen, welche Abläufe sich prinzipiell im Rahmen der Bahnhofsblockung im Inneren von Regelstellwerken der Bauart 5007 und den zugehörigen Befehlswerken abspielen.

Dabei habe ich die Funktionsweise der Blockfelder und der diversen Sperreinrichtungen radikal vereinfacht. Manche Teile, wie etwa die elektrischen Schaltungen oder die doppelte Sperre des Signals, habe ich überhaupt weggelassen – vielleicht komme ich irgendwann dazu, solche Teile realitätsnäher zu erklären.
Die grundsätzliche Funktionsweise, insbesondere wichtige sicherheitstechnische Details, habe ich im Bereich der "Innenanlagen" von Fahrdienstleitung und Stellwerk aber überall erhalten, nur bei den Außenanlagen habe ich gespart – es fehlt u.a. die Drahtbruchsicherung des Signals und der Spitzenverschluss der Weiche.

Wir sehen uns für das Verständnis des Innenlebens wieder die sechs Schritte aus dem letzten Posting an, diesmal lassen wir die Animationen allerdings mit abgehobenen Abdeckplatten ablaufen.

4.1. Fahrdienstleitung: Befehlsabgabe


Wieder legt der Fahrdienstleiter die Knagge für die Fahrstraße um und blockt zuerst das Ba-Feld – zugleich wird am Stellwerk das Be-Feld entblockt –, anschließend löst er den Gleisanzeiger aus:



Zwei Vorgänge schauen wir uns hier genauer an: Zuerst das Blocken des Ba-Feldes, dann das Entblocken des Be-Feldes.
Ich weise noch einmal darauf hin, dass Blockfelder in Wirklichkeit um einiges komplizierter aufgebaut sind als in meiner einfachen Animation. Im wesentlichen funktionieren sie aber schon sehr ähnlich zu dem, was ich hier zeige. Wer's ganz genau wissen will, muss sich in entsprechende Fachbücher eingraben. Eine frühe Darstellung findet man in Rölls Enzyklopädie des Eisenbahnwesens unter "Blockeinrichtungen".
Ein Blockfeld besteht aus einem
  • Rechen mit aufgeschraubten Farbblenden, der durch den  
  • Anker einer Hemmung am Verdrehen gehindert wird, indem einer der zwei Zacken des Ankers in die Zahnung des Rechens greift. 
Wenn der Anker allerdings durch die zwei Elektromagneten hin- und herbewegt wird, dann kann sich der Rechen Zahn um Zahn stückchenweise verdrehen. Beim Blocken dreht er sich allein aufgrund seines Gewichts nach unten. Allerdings wird er normalerweise nach oben gehalten, indem der  
  • Triebstift des Rechens auf dem 
  • Rechenführer an der Riegelstange aufliegt.
Damit der Rechen nach unten fallen kann, muss daher die Riegelstange nach unten gedrückt werden, was mittelbar über die Druckstange erfolgt, die der Fahrdienstleiter während des Blockens über die daran befestigte Blocktaste niederdrückt. Das folgende Diagramm zeigt diese Teile des Blockfeldes:


Am Ende des Blockens ist der Rechen nach unten gewandert. Weil er sich wegen des eingreifenden Ankers nicht zurückdrehen kann, hält er nun seinerseits über den Triebstift die Riegelstange gegen die Spannung der Riegelstangenfeder nach unten – dadurch kann die Riegelstange nun Sperraufgaben erfüllen. In unserem Fall legt sie in ihrer unteren Stellung den Fahrstraßenschieber fest. Hier sieht man dieses Spiel als Animation:



Zugleich mit dem Blocken des Ba-Feldes wird das Be-Feld entblockt. Auch dort drückt die Riegelstangenfeder die Riegelstange nach oben. Wenn der Anker nun zu pendeln beginnt, hebt die Riegelstange mittels des Rechenführers über den Triebstift nun den Rechen an. Damit wird die Sperre, die die Riegelstange vorher bewirkt hat, aufgehoben:



Zwei miteinander verbundene (sogenannte korrespondierende) Blockfelder können also eine Sperrinformation zwischen zwei entfernten Punkten sicher austauschen. Aber wozu überhaupt diese komplexe elektromechanische Lösung für die Übertragung eines einzigen Bits an Information?

Der Grund für diese aufwendige Lösung ist, dass sicherheitsrelevante Informationen eben extrem sicher und von Störungen unbeeinflusst übertragen werden müssen. Und die "langwierige" Übertragung von mehreren Impulsen für das "Umschalten" des einen Bits macht diese Übertragung extrem störsicher. Einzelne elektrische Impulse, etwa durch Störströme in Gleisen oder sogar von Blitzeinschlägen, lassen den Rechen im Blockfeld maximal um einen Zahn weiterspringen – viel zu wenig, um einen Verschluss aufzuheben. Damit kann die Übertragung von Information ohne zusätzlichen "Prüfkanal" erfolgen (wie das etwa bei den englischen Gleichstrom-Blockinstrumenten nötig ist, wo eine Änderung des Zustandes immer durch eine vorherige Kommunikation der Blockwärter angekündigt und abgesichert wird).

Allerdings glaube ich nicht, dass die Entscheidungen für die jeweiligen Lösungen in England und Deutschland so "rational" fielen, denn direkt angeführte Gründe für die verschiedene technische Entwicklung in England und Deutschland/Österreich habe ich nicht gefunden. 1912 steht in Röll's "Enzyklopädie des Eisenbahnwesens" unter dem Stichwort "Blockeinrichtungen" apodiktisch:
Bei Beurteilung der Verläßlichkeit einer elektrischen B. ist vor allem zu berücksichtigen, daß die Verwendung von Wechselströmen jener der Gleichströme (Batterieströme) unbedingt vorzuziehen ist, da eine Einwirkung der atmosphärischen Elektrizität (Blitzschläge) auf die Apparate ausgeschlossen ist.
Trotz dieser Aussage werden danach die englischen und französischen Blockeinrichtungen, die alle Gleichstrom verwenden, mehr oder weniger detailliert beschrieben (Hodgson (Saxby&Farmer), Sykes, Lartigue, Regnault, Tyer, PLM und schließlich Sarroste und Loppé).

Umgekehrt waren auch Siemens'schen Blockfelder – erfunden von Carl Frischen in Berlin im Jahr 1871 für die Streckenblocksicherung – in England nicht unbekannt: In seinem Buch "The Application of Electricity to Railway Working" von 1877 beschreibt William Edward Langdon sie unter dem Titel "Siemens's System" auf zehn Seiten.

Nachdem ich Langdons Buch und Rölls Beschreibung etwas genauer studiert habe, meine ich, dass sich die Geschichte etwa so abgespielt haben könnte:
  • In den 1840ern und 1850ern spielte sich die Entwicklung elektrischer Blockanlagen praktisch nur in England ab. Bei diesen ersten Anlagen wurden bedenkenlose kurz eingeschaltete Gleichströme für die Besetzt- und Freianzeige von Blockstrecken verwendet.
  • Während der 1860er machte man die Erfahrung, dass solche Anlagen nicht ohne Risiko war: Atmosphärische elektrische Aufladungen konnten Ströme verursachen, die genügten, um magnetisierte Telegraphennadeln auszulenken; und bei Blitzschlägen konnte gar eine Ummagnetisierung erfolgen, sodass Instrumente dauerhaft "frei" statt "besetzt" anzeigten. Daher wurde aktiv nach Verbesserungen gesucht, unter anderem: (a) Gefährliche Zustände sollten nur mehr durch polarisierte Dauerströme übertragen werden; (b) vielfach stärkere Dauermagneten sollten eine Ummagnetisierung verhindern; (c) bei Zustandsänderungen ohne Dauerstrom sollte Wechselstrom statt Gleichstrom verwendet werden. Die Lösungen (a) und (b) waren die "englische Version", (c) – zusammen mit (b) – die von Frischen realisierte "deutsche Version".
  • Zusätzliche Faktoren waren die Stromversorgung (Gleichstrom wurde durch Batterien geliefert, die aber – weil ein flächendeckendes Stromnetz ja noch vollkommen fehlte – ganz ausgetauscht werden mussten, oder zumindest mussten Elektroden und Säure ersetzt werden; Wechselstrom musste mit relativ aufwendigen Induktoren manuell erzeugt werden, dafür mussten keine Verbrauchsmaterialien nachgeliefert werden) und die Anzahl der nötigen Leitungen (Drahtleitungen waren am Anfang enorm teuer, daher wurden alle Stromkreise mit Erdung betrieben – diese Praxis wurde spätestens mit den ersten elektrischen Bahnen um 1900 zu risikoreich).
  • Um etwa 1875 waren die grundlegende Probleme dann aber gelöst, und – so scheint es mir – die Anwendung der Elektrizität im Eisenbahnbetrieb wurde in neuen Gebieten untersucht, allen voran der elektrischen Traktion und elektrischen Stellwerken. Da die experimentelle Zeit vorbei war, wurden die vorhandenen Lösungen (Batteriestrom in England, Induktorstrom mit Blockfeldern in Deutschland) zu Standards erklärt, die nicht mehr verlassen wurden, sondern nur für große Anlagen und weitere Funktionen weiterentwickelt.
So oder ähnlich könnte sich diese "Trennung der Stromarten" abgespielt haben – wenn jemand hier weitere Unterlagen und Informationen hat, bin ich für entsprechende Hinweise immer dankbar!

Aber nun kehre ich zurück zu den Details der Bahnhofsblockung!


4.2. Stellwerk: Fahrstraße und Signal stellen


Nach dem Befehlsempfang am Stellwerk stellt dort der Stellwerker nun die Weichen in die richtige Stellung (und verriegelt sie, wo nötig), verschließt die Fahrstraße mechanisch über die Fahrstraßenknagge und legt die Fahrstraße dann durch Blocken des Fahrstraßefestlegefeldes elektrisch fest. Daraufhin kann er das passende Signal freistellen:



Wir sehen uns hier genauer zuerst das Umstellen der Weiche an. Die folgende Animation zeigt, dass die Handfalle den Hebel an der Hebelbank ausklinkt, wonach er sich umstellen lässt. Nach dem Umstellen lässt man die Handfalle wieder aus, und der Hebel klinkt wieder ein. Das Ziehen und Auslassen der Handfalle bewirkt aber auch jeweils, dass der Verbindungshebel, der zur Verschlussmechanik führt, gekippt wird. Weil der Weichenhebel aber zwischen Ziehen und Auslassen der Handfalle um ca. 180° umgestellt wird, addieren sich diese beiden Kippbewegungen gleichsinnig, sodass die ganz oben sichtbare Verschlussklinke im Schieberkasten in eine andere Stellung bewegt wird und daher an Verschlussaufgaben teilnehmen kann:



Man sieht auch, dass die Handfalle nicht direkt mit der Verschlussmechanik verbunden ist, sondern über eine Feder. Wieso ist das nötig?

Die folgende Animation zeigt, dass bei einer verschlossenen Weiche, also wenn der Fahrstraßenschieber verschoben ist, sich die Verschlussklinke im Schieberkasten nicht mehr vollständig nach unten bewegen kann – sie läuft am Schieber an. Dadurch bleibt der Weichenhebel eingeklinkt und kann nicht umgestellt werden. Die Handfalle kann dennoch vollständig gezogen werden, denn über die Feder wird die Mechanik im Inneren des Verschlusskasten vor zu großen Kräften geschützt. Wäre die Handfalle direkt mit der Verschlussmechanik verbunden, könnte ein ungestümer Stellwerker bei einer verschlossenen Weiche mit Gewalt an der Handfalle ziehen und womöglich Teile der Verschlussmechanik verbiegen, eventuell sogar den Verschluss überwinden und die Weiche umstellen – alles das muss zuverlässig verhindert werden.
Tatsächlich ist diese Feder eigentlich im Inneren des Hebels verborgen und ist (wohl) eine Druckfeder. Ein Signalmeister hat mit mir verzweifelt diese Feder an einem Hebel gesucht – wir haben sie nirgends gesehen ... Die Federn, die man an Hebeln außen sieht, sind die Rückholfedern der Handfalle, die in meiner Animation fehlen.



Nach dem Stellen und dem Verschließen erfolgt die Fahrstraßenfestlegung. Hier sieht man, wie dafür der Induktor angetrieben wird, der bei voller Drehzahl eine Wechselspannung von ca. 70 bis 90 Volt abgibt. Dieselbe Betätigung hat natürlich schon beim Blocken des Ba-Feldes der Fahrdienstleiter ausgeführt:

Induktor.mp4

Und hier sieht man, wie ein Fahrstraßenfestlegefeld geblockt wird – die Taste ist schon niedergedrückt, wenn das Video beginnt:
Für Fachleute: Das ist eigentlich ein Gleichstrom-Wechselstromfeld eines Mittelstellwerks; eine Aufnahme eines Wechselstrom-Fahrstraßenfestlegefeldes habe ich leider nicht.



4.3. Zugfahrt


Bei der Zugfahrt löst der Zug die Tastensperre aus. Die Auslösung erfolgt im Gegensatz zum Blocken mit Gleichstrom (aus einer Batterie), daher werden diese Blockfelder auch als Gleichstrom-Wechselstromfelder bezeichnet. Für die Auslösung ist ein eigener Magnet vorgesehen:



Hier sieht man ein solches Feld im ausgebauten Zustand. Vorne ist der Rechen erkennbar, auf dem hier noch keine schwarz-weiße Blende aufgeschraubt ist. Hinter dem Anker sieht man die beiden ölpapierumwickelten Anker-Magnete nach hinten stehen (das Bild des auf einem Tisch liegenden Blockfelds ist um 90° gedreht):


Das folgende Bild zeigt oben noch einmal die beiden Ankermagnete (einer ist direkt hinter Ankerwelle), darunter sieht man die beiden größeren Gleichstrom-Auslösemagnete:


4.4. Stellwerk: Signal zurückstellen


Im Tastensperrfeld kann sich nach der Auslösung durch den Zug die Druckstange nach unten bewegen, woran sie bisher durch die schräg stehende Sperre gehindert wurde. Der Stellwerker kann daher nun über die gemeinsame Taste das Be-Feld blocken; zugleich wird das Ts-Feld wieder in seine Sperrstellung geblockt. In der Fahrdienstleitung läuft zugleich das Ba-Feld in die entblockte Stellung und gibt damit dort den Fahrstraßenschieber frei.

Im Gegensatz etwa zu deutschen Einheitsstellwerken gibt es übrigens bei der Bauart 5007 keine mechanische Wiederholungssperre: Solange das Be-Feld nicht zurückgeblockt ist, kann ein Formsignal prinzipiell beliebig oft auf Halt und Frei gestellt werden (bei Ergänzung mit einer Flügelkupplung kann allerdings eine elektrische Wiederholungssperre vorgesehen werden).



4.5. Fahrdienstleitung: Fahrstraße auflösen


Durch Blocken des Fa-Feldes löst der Fahrdienstleiter die Fahrstraße am Stellwerk auf. In echten 5007ern wird dadurch der Fahrstraßenschieber im Befehlswerk ein zweites Mal entriegelt (in meiner Animation fehlt diese doppelte Verriegelung), sodass nun (erst) der Fahrdienstleiter die Knagge zurücklegen und andere, feindliche Fahrstraßen einlegen kann.

Am Stellwerk springt durch das Entblocken des Ff-Feldes dessen Riegelstange nach oben und gibt den entsprechenden Fahrstraßenschieber wieder frei:



4.6. Stellwerk: Weichen in Grundstellung bringen


Der elektrische Verschluss der Fahrstraßenschiebers ist aufgehoben, daher kann er nun wieder in die Grundstellung bewegt werden. Nun können auch alle Hebel, die bisher unter Verschluss lagen und die deshalb nicht ausgeklinkt werden konnten (siehe die Animation unter Schritt 4.2), wieder frei gestellt werden. Wenn nichts anderes nötig ist, stellt der Stellwerker nun alle Weichen in die Grundstellung und kann sich dann entspannt zurücklehnen und auf den nächsten Befehl warten:



Das war der Regelablauf einer Zugfahrt in einem 5007er-Stellwerk. Diese Beschreibung könnte nun in viele Richtungen erweitert werden:
  • Wo und wie erfolgen die verschiedenen Sperrungen nicht erlaubter Handlungen?
  • Welche Arten von Störungen können auftreten, und welche konstruktiven Details sind zu ihrer Vermeidung oder Behandlung nötig?
  • Wie sehen andere Stellwerksanordnungen aus – allen voran die häufigen Mittelstellwerke?
  • Wie sehen weitere technische Details aus – etwa Schieberkästen für mehr als eine Fahrstraße, auffahrbare Weichenhebel, elektrische Schaltungen.
  • Wie funktioniert ein Felderstreckenblock, und wie wirkt er mit der Bahnhofsblockung zusammen?
  • ... und vermutlich vieles mehr.
Wenn jemand Interesse an einem dieser Punkte hat, kann er oder sie mir gerne eine Nachricht zukommen lassen – vielleicht finde ich ja Zeit, ein paar weitere Texte und Animationen zusammenzubasteln!