ICE 4 - Leittechnik

Die Fahrzeugsteuerung ist hierarchisch aufgebaut und besteht aus zwei Kommunikationsebenen:

• Zugbus: Ethernet Train Backbone (ETB)
  Übergeordneter, zugweiter Kommunikationsbus mit 100 Mbit/s auf Fast-Ethernet-Basis. Er verbindet alle Wagen und Fahrzeuge eines Zuges miteinander und nutzt neben Automatisierungsprotokollen auch TCP/IP.
• Wagenbus: PROFINET
  Wagenlokales Netzwerk zur Anbindung sämtlicher Subsysteme innerhalb eines Wagens. In den Endwagen ist der Bus als Ring ausgeführt, wodurch bei Leitungsunterbrechung die Kommunikation in Gegenrichtung fortgeführt werden kann.

Die Verbindung zwischen Wagen- und Zugbus erfolgt über ETB-Links (Gateways). Jeder Wagen verfügt über einen eigenen Zugbusknoten; in den Endwagen sind diese redundant vorhanden, um die Verfügbarkeit zu erhöhen.

Zentrale Steuergeräte
Das zentrale Element der Leittechnik ist der Wagenrechner, bestehend aus dem Steuergerät SP CS (Control System) und dem zugehörigen Systemserver SP SR. Der SP CS übernimmt die eigentliche Steuerung und Überwachung der Funktionen im Wagen. Der SP SR stellt beim Systemstart die Software bereit, organisiert die Kommunikation und speichert Diagnosedaten.

Im führenden Endwagen übernimmt der SP CS zusätzlich die Rolle des Fahrzeug- und Zugmasters. Damit steuert er nicht nur seinen eigenen Wagen, sondern koordiniert fahrzeug- und zugweite Funktionen über den ETB. Bei einem Führerraumwechsel wird diese Masterrolle automatisch auf die neue Zugspitze übertragen. So bleibt die Steuerungslogik stets eindeutig definiert.

Ein wesentliches Merkmal der ICE-4-Leittechnik ist die automatische Ermittlung der Zugkonfiguration, die sogenannte Zugtaufe.

Beim Systemhochlauf melden sich alle funktionsfähigen ETB-Links mit ihren Wageneigenschaften am Zugbus. Daraus wird ein digitales Verzeichnis („Train Directory“) erzeugt, das unter anderem enthält:

• Reihungsnummern der Wagen
• Fahrzeugtypen und Eigenschaften
• Führungsstatus (führend / nicht führend)

Die ermittelte Ist-Konfiguration wird mit der hinterlegten Soll-Konfiguration verglichen. Änderungen in der Zugbildung, beispielsweise durch Kuppeln oder Trennen von Fahrzeugen, erkennt das System selbstständig und passt die Steuerstruktur entsprechend an.

Integration der Subsysteme
Über den PROFINET-Wagenbus sind sämtliche technischen Subsysteme eingebunden. Dazu zählen unter anderem:

• Antriebssteuergerät (ASG)
• Bremssteuergeräte (BSG)
• Türsteuerung
• Klimaanlagensteuerung
• Hilfsbetriebeumrichter (HBU)
• Batterieladegerät (BLG)
• Fahrgastinformationssystem (FIS)
• Brandmeldeanlage (BMA)

Digitale und analoge Signale werden über dezentrale Ein- und Ausgabestationen erfasst und an den SP CS übertragen. Die Antriebssteuerung ist dabei funktional zweigeteilt: Während der SP CS die zugweite Koordination von Sollwerten und Zuständen übernimmt, setzt das lokale Antriebssteuergerät im Stromrichtercontainer die Befehle technisch um.

Trotz der durchgängigen Ethernet-Kommunikation werden sicherheitsrelevante Funktionen nicht ausschließlich über Bus-Systeme übertragen. Zusätzlich existieren konventionelle 110-V-Zugsteuerleitungen sowie hardwarebasierte Sicherheitsschleifen.

Zu den wichtigsten sicherheitsgerichteten Schleifen gehören:

• Not-Aus-Schleife (Hauptschalter, Stromabnehmer)
• Schnellbremsschleifen
• Türschleife (Türen geschlossen und verriegelt)
• Fahrgastnotbremsschleife
• Brandmeldeschleife

Diese Hardwarestruktur wird durch einen zweiten softwarebasierten Wirkweg ergänzt. Ein Beispiel ist der Schnellbremsmanager im Zugmaster-SP CS. Er sammelt sämtliche Schnellbremsanforderungen aus verschiedenen Systemen und greift redundant in die Schnellbremskette ein.

Bei erkannter Zugtrennung in Doppeltraktion werden automatisch folgende Maßnahmen ausgelöst:

• Zwangsbremsung
• Abschalten der Hauptschalter
• Senken der Stromabnehmer

Notsteuerung und Verfügbarkeit
Für den Fall schwerer Störungen, etwa bei Ausfall des Zugbusses oder bei Brandereignissen, steht eine Notsteuerung zur Verfügung. In diesem Modus werden die wichtigsten Steuerbefehle über konventionelle Zugsteuerleitungen verteilt. Die lokalen Steuergeräte setzen diese Befehle unabhängig vom ETB um, sodass eine eingeschränkte Weiterfahrt bis zu einem geeigneten Haltepunkt möglich bleibt.

Das gesamte System ist konsequent redundant ausgelegt. Neben der Ringstruktur im Wagenbus und den doppelten Zugbussträngen sind auch zentrale Steuergeräte und Gateways mehrfach vorhanden. Leitungen werden räumlich getrennt verlegt, um Ausfälle durch gemeinsame Ursachen zu vermeiden.

Lokschutz
Als Lokschutz sind Überwachungen der Fahrzeugsteuerung zu verstehen, die die Hochspannungs- und Traktionsausrüstung vor unzulässigen Strömen/Spannungen/Zuständen schützen.

Diagnose und Service
Die Leittechnik verfügt über ein mehrstufiges Diagnosesystem. Im Betrieb werden Störungen funktionsbezogen auf dem Maschinentechnischen Display angezeigt. Für die Instandhaltung stehen detaillierte Werkstattmeldungen zur Verfügung, die auch per Datenfernübertragung übermittelt werden können. Über ein webbasiertes Servicenetzwerk können zahlreiche Subsysteme mit einem Browser erreicht werden. Softwareupdates und Servicefunktionen sind damit zentral durchführbar und durch Authentifizierung abgesichert.

Zweistufiges Diagnosekonzept
Das Diagnosesystem unterscheidet konsequent zwischen betrieblicher Diagnose und Werkstattdiagnose.

Betriebliche Diagnose
Die betriebliche Diagnose ist auf die unmittelbare Betriebsführung ausgerichtet. Sie stellt die funktionalen Auswirkungen einer Störung in den Vordergrund, nicht deren technische Ursache. Ziel ist es, dem Triebfahrzeugführer (Tf) und dem Zugbegleiter (Zub) schnell entscheidungsrelevante Informationen bereitzustellen.

Die Meldungen werden auf dem Maschinentechnischen Display (MTD) sowie dem Zub-Display ausgegeben. Inhalt und Detailtiefe der Meldungen sind rollenabhängig strukturiert, sodass:

• der Tf betriebsrelevante Handlungsanweisungen erhält,
• der Zub zuständigkeitsbezogene Informationen bekommt.

Werkstattdiagnose
Die Werkstattdiagnose dient der Ursachenanalyse und Instandsetzung. Sie enthält detaillierte technische Informationen zur Fehlerquelle, zum betroffenen System sowie zu internen Zustandswerten.

Werkstattmeldungen werden:

• lokal im Fahrzeug gespeichert,
• im Wartungsmenü angezeigt,
• per Datenfernübertragung an die Instandhaltung übermittelt.

Dadurch ist eine zustandsorientierte Instandhaltung (Condition Based Maintenance) möglich, bei der Fehler bereits vor einem funktionalen Ausfall erkannt werden können.

Eigendiagnose als Systemgrundlage
Die Diagnosearchitektur basiert auf einer verteilten Eigendiagnose der Subsysteme. Jedes rechnerbasierte Steuergerät überwacht kontinuierlich seine internen Zustände und Prozessgrößen. Abweichungen von definierten Sollwerten werden bewertet und führen bei Bedarf zu einer Änderung des Diagnosestatus.

In die Eigendiagnose eingebunden sind:

• alle über PROFINET angebundenen Steuergeräte,
• das zentrale Steuergerät SP CS,
• sowie weitere rechnerbasierte Systeme wie FIS, SP SR, MTD, Zub-Display und MIP.

Subsysteme, die nicht direkt über PROFINET kommunizieren, sondern über digitale oder analoge Peripherie angebunden sind, werden indirekt durch das zentrale Steuergerät SP CS diagnostisch überwacht. Dieses bewertet eingehende Prozesssignale und erkennt daraus Unregelmäßigkeiten.

Architekturmerkmale der Diagnose
Die Fahrzeugdiagnose des ICE 4 zeichnet sich durch folgende technische Merkmale aus:

• Dezentrale Intelligenz: Vorverarbeitung und Bewertung direkt im Subsystem
• Zentrale Aggregation: Zusammenführung und Priorisierung im SP CS
• Rollenbasierte Visualisierung: Anpassung der Meldungstiefe an Bedienpersonal
• Fernübertragung: Integration in Instandhaltungs-IT-Systeme
• Persistente Speicherung: Nachvollziehbarkeit von Ereignissen und Fehlerhistorien

Durch diese Architektur entsteht ein durchgängiger Informationsfluss vom Sensor bis zur Werkstatt.

Anfahrüberwachung
Die Anfahrüberwachung ist eine sicherheitsrelevante Softwarefunktion innerhalb der zentralen Fahrzeugsteuerung. Sie dient der Überprüfung der korrekten Zugbewegung nach dem Aufschalten von Traktionsleistung.

Sobald folgende Bedingungen gleichzeitig erfüllt sind:

• Sollzugkraft > 1,5 %
• Fahrzeuggeschwindigkeit < 0,5 km/h

startet eine zeitbasierte Überwachungsfunktion. Das System prüft, ob der Zug innerhalb eines definierten Zeitfensters von 60 Sekunden eine messbare Bewegung aufnimmt.

Wird innerhalb dieser Zeit keine Beschleunigung bzw. keine Geschwindigkeitszunahme detektiert, interpretiert die Fahrzeugsteuerung dies als unzulässigen Betriebszustand (z. B. Festbremsung, Blockierung oder Traktionsstörung). In diesem Fall werden automatisch folgende Maßnahmen eingeleitet:

• Aktivierung einer Fahrsperre
• Auslösung einer Zwangsbetriebsbremsung
• Generierung und Ausgabe einer entsprechenden Störungsmeldung

Durch diese Überwachungslogik wird verhindert, dass bei aufgeschalteter Zugkraft ein mechanisch oder betrieblich blockierter Zug weiter belastet wird. Gleichzeitig unterstützt die Funktion die frühzeitige Fehlererkennung im Anfahrvorgang.

Signallichtsteuerung
Die Signallichtsteuerung ist vollständig in die elektronische Fahrzeugsteuerung integriert und übernimmt die Ansteuerung sämtlicher Signallichtlampen und Scheinwerfer in den Endwagen. Die Lichtbilder werden automatisch in Abhängigkeit von der Zugkonfiguration und der Fahrzeugausrichtung geschaltet. Die Umschaltung von Spitzen- und Schlusssignal erfolgt systemgesteuert und berücksichtigt die durch die Zugtaufe ermittelte Führungsposition.

Erweiterte Signalbilder
Zusätzlich zu den Standardlichtbildern stehen betriebliche Sonderfunktionen zur Verfügung.

Über einen Leuchtdrucktaster „Warnsignal“ kann – auf entsprechender Infrastruktur – ein spezielles Warnlicht aktiviert werden, das eine Gefahrensituation signalisiert.

Über das Maschinentechnische Display (MTD) können ferner folgende Modi ausgewählt werden:

• Rangierfahrt
• Rangierbewegung

Diese Modi aktivieren spezifische, normierte Signalbilder für Rangierzwecke. Bei aktivierter Notsteuerung werden diese Rangiermodi automatisch deaktiviert, um widersprüchliche Signalzustände zu vermeiden.

Betriebsarten der Signalbeleuchtung
Die Signallichtsteuerung verfügt über drei definierte Betriebsarten:

• Automatikbetrieb
  Vollständig systemgesteuerte Lichtbildwahl gemäß Zugkonfiguration und Betriebszustand.
• Notspitzensignal
  Manuelle Aktivierung eines Spitzenlichtes bei Störungen der Automatik.
• Notschluss
  Manuelle Aktivierung des Zugschlusslichtes bei Ausfall der automatischen Steuerung.

Die Auswahl erfolgt über einen dreistufigen Störschalter „Notschluss-/Notspitzensignal“. Damit ist sichergestellt, dass selbst bei Teilausfällen der Steuerung jederzeit ein normgerechtes Signalbild dargestellt werden kann.

Automatische Fahr- und Bremssteuerung (AFB)
Die Automatische Fahr- und Bremssteuerung (AFB) ist eine übergeordnete Regelungsfunktion innerhalb des zentralen Steuergeräts SP CS. Sie integriert die bestehenden Traktions- und Bremssysteme in einen geschlossenen Geschwindigkeitsregelkreis.

Die AFB verarbeitet kontinuierlich die Ist-Geschwindigkeit des Zuges und vergleicht diese mit der vorgegebenen Sollgeschwindigkeit. Auf Basis dieser Regelabweichung generiert das System dynamisch Sollwerte für:

• Traktionsleistung im Fahrbetrieb
• elektrische Bremse
• pneumatische Druckluftbremse

Die Funktionsvorgabe erfolgt ausschließlich im führenden Endwagen. Die Regelung wirkt jedoch zugweit und koordiniert alle beteiligten Antriebs- und Bremseinrichtungen. Ziel ist eine stabile und energieoptimierte Geschwindigkeitsführung mit einer Regelgenauigkeit von typischerweise ± 1 km/h.

Brandmeldeanlage (BMA)
Die Brandmeldeanlage ist als autonomes, sensorbasiertes Sicherheitssystem ausgeführt. Sie detektiert Rauch- und Temperaturentwicklungen und ist vollständig in die Fahrzeugsteuerung integriert.

Je nach Überwachungsbereich kommen unterschiedliche Sensortechnologien zum Einsatz:

• Rauchmelder und Rauchansaugsysteme in Fahrgastbereichen, Einstiegszonen, Lüftungssystemen, Führerraum, Zugbegleiterabteilen, Galley/Bistro und WC-Bereichen
• Linientemperaturmelder in Hochleistungs- und Energieanlagenbereichen wie Stromrichter, HBU, Batterieladegerät, Batterie und E-Geräte-Containern

Die einzelnen Melder sind zu Brandmeldelinien zusammengefasst. Deren Auswertung erfolgt über Linienrelais, die im Ereignisfall automatisch wagenbezogene Reaktionen initiieren. Zusätzlich werden sämtliche Meldungen an die elektronische Fahrzeugsteuerung übertragen. Dort erfolgt eine Diagnoseaufbereitung sowie die Weiterverarbeitung in übergeordneten Sicherheitsfunktionen.

Steuerung Hilfsbetriebeumrichter (HBU)
Der Hilfsbetriebeumrichter (HBU) ist im Stromrichtercontainer integriert und versorgt die Hilfsbetriebe des Fahrzeugs mit elektrischer Energie.

Die Kommunikation zwischen Fahrzeugsteuerung und HBU erfolgt über die Sibas-PN-Schnittstelle des Antriebssteuergeräts (ASG). Über diese Schnittstelle werden:

• Steuerbefehle
• Statusinformationen
• Diagnosedaten

bidirektional übertragen. Im aufgerüsteten Zustand oder bei externer Energieeinspeisung wird der HBU automatisch durch die Fahrzeugsteuerung aktiviert. Eine manuelle Zuschaltung ist nicht erforderlich.

Steuerung Batterieladegerät (BLG) und Batteriedrehrichter (BDR)
In Wagen mit Hilfsbetrieben sind ein Batterieladegerät (BLG) sowie ein Batteriedrehrichter (BDR) installiert. Beide Systeme sind über eine gemeinsame Sibas-PN-Schnittstelle in die elektronische Fahrzeugsteuerung eingebunden.

Das BLG übernimmt im aufgerüsteten Zustand oder bei Fremdeinspeisung (DC 670 V / AC 1000 V):

• das Laden der Fahrzeugbatterien
• die Versorgung der DC-110-V-Zugsammelschiene

Der BDR speist das gestützte Wechselstromnetz aus der Batterie, solange die Betriebsbedingungen dies erfordern. Die Abschaltung erfolgt automatisch gemäß hinterlegtem Batterieabschaltprofil.

Bremssteuergeräte (BSG)
Jeder Wagen ist mit zwei Bremssteuergeräten (BSG 1 und BSG 2) ausgestattet. Diese steuern und überwachen die pneumatischen Bremssysteme des jeweiligen Wagens.

Neben der Bremsregelung beinhalten die Geräte jeweils einen Kanal der redundanten Drehgestellüberwachung. Dadurch ist eine fehlertolerante Erfassung sicherheitsrelevanter Fahrwerkszustände gewährleistet.

Blockperipherie (BP)
Die Blockperipherie ist als kompaktes Ein-/Ausgabemodul mit fest definierter Kanalanzahl ausgeführt. Sie ergänzt die modularen IO-Stationen und dient insbesondere der Erfassung spezifischer Führerraumsignale.

Erfasst werden unter anderem:

• Taster und Schalter
• Leuchtdrucktaster
• Leitungsschutzschalter
• Kodierstecker
• Fahrschalter
• AFB-Sollwertsteller

Die BP ermöglicht eine robuste, direkte Signalverarbeitung sicherheits- und bedienrelevanter Komponenten.

Ein- / Ausgabestation (IO-Station (IO))
Die IO-Stationen bilden die dezentrale Schnittstelle zwischen Feldsignalen und Fahrzeugsteuerung. Sie sind über PROFINET angebunden und verarbeiten:

• digitale Signale (DC 110 V)
• analoge Spannungs- und Stromsignale (±10 V / ±20 mA)

Je nach Wagenkonfiguration ist die Anzahl der Ein- und Ausgabebaugruppen variabel.

Typische über IO-Stationen angebundene Funktionen sind:

• Steuerung und Rückmeldung der Brandmeldeanlage
• Überwachung von Leitungsschutzschaltern
• Signalleuchtensteuerung
• Türdiagnose
• Transformator- und Lüfterüberwachung
• Spannungsüberwachung (Batterie und Netz)
• Status von Sicherheitsschleifen
• Rückmeldungen zu Hauptschalter, Trennschalter und Koppelschützen
• Erfassung der Stellung des Führerbremsventils

Die IO-Architektur ermöglicht eine strukturierte, modulare und wartungsfreundliche Feldanbindung.

MVB-Link / CAN-Link
Zur Integration von Subsystemen, die nicht der aktuellen PROFINET-Architektur entsprechen, werden Kommunikations-Gateways eingesetzt.
Der MVB-Link dient insbesondere der Anbindung älterer Systeme, beispielsweise aus dem Sibas-32-Umfeld, sowie von Zugbeeinflussungssystemen.
Der CAN-Link wird primär zur Steuerung der Innenbeleuchtung verwendet.
Beide Links fungieren als Protokollwandler und gewährleisten die vollständige Integration heterogener Subsysteme in die übergeordnete Fahrzeugsteuerung.