Sensoren in Achterbahnen

Veröffentlicht in Panorama

Geschrieben von Jens2155

Vorgeschichte

Automatisierung spielt in der heutigen Zeit eine große Rolle. Besonders natürlich in der Industrie, wo die Produktionsprozesse so effektiv wie möglich gestaltet sein müssen. Doch findet man auch in anderen Bereichen, unter anderem in Achterbahnen, die Automatisierung vor. Dabei unterscheidet sich ein Produktionsprozess einer Firma gar nicht einmal so stark von einer Achterbahn wie man annehmen sollte. So kann man sich vereinfacht folgenden Vergleich verinnerlichen:
Der Achterbahnwagen ist das Produkt, die Schiene das Fließband und die Fahrgäste die einzelnen Komponenten des Produktes.
Für die Automatisierung sind Sensoren existentiell, weshalb auch diese in dem „Achterbahnprozess“ integriert sind. So dienen die Sensoren zum einen der Sicherheit und der Überwachung, zum anderen aber auch der Produktivitätssteigerung (im Sinne der Ermittlung der Auslastung einer Achterbahn zum Beispiel). Dabei sind die Sensoren zum Teil direkt in, zum Teil außerhalb der Achterbahn oder der Wägen montiert.
Die Zeiten als die Abfertigungen ausschließlich von Menschenhand geschahen, sind längst vorbei.

Sicherheit

Blocksystem

Dass zwei Achterbahnzüge gleichzeitig die Strecke passieren wird durch das Blocksystem ermöglicht. Die Anzahl der Blöcke entscheidet dabei über den maximal möglichen Einsatz von Zügen. Sie ist somit auch für die Personenkapazität pro Stunde entscheidend.
Eine Blockeinheit besteht dabei aus den jeweiligen Blockbremsen und den Nerven des Systems, den Sensoren. Die Sensoren erfassen dabei den Zug und geben die jeweilige Information an das Steuersystem weiter. Für einen Block werden jeweils zwei solcher Blockeinheiten benötigt, nämlich einmal am Anfang des Blockes und einmal am Ende des Blockes (auch eine Lifteinheit kann als Block fungieren). Erst wenn die Sensoren am Ende des Blockes den vorbeifahrenden Zug registriert haben, bekommen die Bremsen am Anfang des Blockes das Signal den nachfolgenden Zug durchzulassen (siehe Abb. 1)

Abbildung 1: Blocksystem

Somit ist sichergestellt, dass sich immer nur ein Zug in einem Block befindet. Sollte ein Zug also aus irgendwelchen Gründen in einem Block steckenbleiben, so wird der andere Zug durch einen Not Halt an dem entsprechenden Blocksegment abgebremst.
Zur Erfassung der Züge bei einem Blocksegment werden meistens induktive Näherungsschalter benutzt. Das Funktionsprinzip dieser Sensoren beruht dabei, wie der Name schon sagt, auf der Induktion.
Der induktive Näherungsschalter besteht im Grundaufbau aus der Oszillatorelektronik, einem Kern (in diesem Beispiel ein Ferritkern) einer Spule und einem Kondensator (siehe Abbildung 2).
Der induktive Näherungsschalter erzeugt mittels LC - Schwingkreis ein elektromagnetisches Feld. Befindet sich kein metallisches Material vor dem Sensor, so bleibt das elektromagnetische Feld unverändert. Bewegt man nun allerdings das entsprechende Objekt vor den Sensor, so verändert dieser das elektromagnetische Feld. Diese Veränderung, in Form einer Dämpfung des Feldes, wird von dem Sensor registriert. Sobald sich diese Dämpfung in der voreingestellten Schalttoleranz befindet, sendet der Ausgang des Sensors die Information („Objekt da“) an die Schaltung.
Der Kern des induktiven Näherungsschalters ist je nach Anwendung verschieden. So ist der Ferritkern schlecht geeignet um zum Beispiel Kupfer zu erkennen. Bremsschwerter aus Kupfer werden meistens dann verwendet, wenn die Achterbahn mit einem LSM Launch arbeitet und/oder Wirbelstrombremsen besitzt. In diesem Fall werden induktive Näherungsschalter mit anderen Kernen benutzt, damit der Sensor auch Kupfer gut erkennen kann.
Der große Vorteil eines induktiven Näherungsschalters besteht in der geringen Anfälligkeit gegenüber den Umgebungseinflüssen. Da hier kein optisches Element verbaut ist, ist der Sensor gegenüber Schmutz, Nebel, oder sonstigen „Verunreinigungen“ der Umgebung nahezu resistent. Der Nachteil dieses Sensortyps liegt in seinem geringen Schaltabstand. Dieser Nachteil ist für die Achterbahnanwendung allerdings unerheblich, da hier mit kleinen Schaltabständen gearbeitet wird.

Abbildung 2: Aufbau induktiver Näherungsschalter

Bremsen

Ein weiteres elementares Element einer Achterbahn sind seine Bremsen. Diese garantieren einen sicheren Stillstand der Wägen oder verringern die Geschwindigkeit, damit im Folgenden keine zu großen G-Kräfte auftreten.
Wenn eine kontrollierte Abbremsung oder der komplette Stillstand eines Wagens erreicht werden soll, so müssen die Bremsen Informationen über die Geschwindigkeit eines Wagens erhalten. In diesem Fall werden ebenfalls meistens induktive Sensoren verwendet. Dabei werden mehrere Sensoren nebeneinander positioniert. Sobald der erste Sensor das Objekt registriert beginnt ein Zählprozess der am nachfolgenden Sensor wieder beendet wird. Somit kann recht einfach über den Weg und Zeit Zusammenhang mit der Formel „ v = s / t“ die Geschwindigkeit ermittelt werden. Wie so ein Aufbau aussieht ist in Abbildung 3 dargestellt.

Abbildung 3: Aufbau Geschwindigkeitsbestimmung

Betrieb

Positionserkennung

Während die Achterbahn ihre Runden dreht, passiert Sie mehrere verschiedene Stationen. So beginnt die Fahrt beim Einstieg, dann folgt in der Regel der Kettenlift oder der Launch. Anschließend bestreitet der Wagen die Strecke und die verschiedenen Blöcke. Enden tut die Fahrt dann wieder in der Station.
In der Station sind mehrere Sensoren platziert um die genaue Position der Wägen zu erfassen. Hier wird meistens ein Verbundsystem aus induktiven Näherungsschaltern und Lichtschranken eingesetzt (siehe Abbildung 4). Dies liegt zum einen an dem Sicherheitsvorteil der Anwendung, da Sie nun doppelt kontrolliert, zum anderen daran, dass man so die Position exakter bestimmen kann.

Abbildung 4: Positionserkennung in Achterbahn „Mammut“

Abbildung 5: Reflexionslichtschranke

Anhand der Abbildung 5 kann man das Grundprinzip der Reflexionslichtschranke, welche im Regelfall zum Einsatz kommt, bereits erkennen.
Der Sensor sendet einen Lichtstrahl, meistens rotes Licht, an einen Reflektor. Das reflektierte Licht wird schließlich vom Empfänger wieder detektiert. Sollte dieser Lichtstrahl einmal unterbrochen werden, so sendet der Ausgang des Sensors die entsprechende Information weiter.
Der Nachteil dieses Sensortyps ist die Anfälligkeit für Verschmutzung. Es handelt sich hier um ein optisches System, weshalb die Umgebungsverhältnisse einen wesentlich größeren Einfluss auf die Funktionalität des Sensors, als zum Beispiel bei den induktiven Sensoren haben. Es gibt jedoch Möglichkeiten diese zu minimieren. So verwendet man meistens mehrere Polarisationsfilter, damit der Sensor sein ausgesendetes Licht von dem Umgebungslicht unterscheiden kann. Des Weitern sendet der Reflektor das Licht „gedreht“ zum Sensor zurück. Somit wird verhindert, dass wenn das zu detektierende Objekt das Licht reflektiert, der Sensor diese Unterbrechung fälschlicherweise nicht wahrnimmt. Der Empfänger registriert nämlich nur das „gedrehte“ Licht.

Auf der kompletten Achterbahnstrecke befinden sich immer wieder induktive Näherungsschalter, sowie Reflexionslichtschranken. Neben der Station ist dies noch besonders bei Dark Ride Abschnitten hervorzuheben. Diese Erkennung der Wägen ist für die Schalteinheit der kompletten Achterbahn wichtig, damit diese immer Informationen über die Position der einzelnen Wägen besitzt.

Wartung

Wenn ein Wagen von der normalen Schiene auf die Wartungsschiene befördert wird muss die Position des Zuges ebenfalls exakt bestimmt werden. Auch hier wird ein Verbund aus induktiven Näherungsschaltern und Lichtschranken eingesetzt wie das folgende Beispiel anhand eines Gerstlauer Eurofighter zeigt.

Abbildung 6: Positionsbestimmung Eurofighter

Am unteren Teil des Wagens befindet sich ein geteiltes Metallschwert. Die Lichtschranke registriert zuerst die Unterbrechung des Strahles und die induktiven Sensoren bestätigen, dass es sich um den Wagen handelt. Nun wird der Wagen soweit weiter befördert, bis der Strahl nichtmehr unterbrochen ist. Nun hat der Wagen die Mittelposition erreicht, da der Strahl nun durch die Lücke des geteilten Metallschwertes führt.

Dies ist nur ein exemplarisches Beispiel für die exakte Positionserkennung. Hierbei gibt es mehrere Möglichkeiten, bei denen aber die beiden Sensortypen (Induktive und Lichtschranken) eine wichtige Rolle spielen.

Produktivitätssteigerung

Lange Wartezeiten in einem Freizeitpark stören jeden Besucher. Doch ist es für den Park auch immer eine Kostenfrage, auf welcher Auslastung er die Achterbahn fahren lässt. Das Ziel ist also genau diese Kapazität durch den Einsatz von zum Beispiel drei oder zwei Zügen zu erreichen, welche auch dem Besucherandrang entsprechen.
Um dies zu ermöglichen sind in den Stationen und Anstellbereichen Sensoren platziert, welche die Personen registrieren. Es werden sowohl die wartenden, als auch die fahrenden Gäste registriert. Die Sensoren liefern so also Informationen über die Auslastung einer Bahn (sind alle Plätze besetzt), als auch über die Anzahl der wartenden Gäste. Aufgrund dieser Informationen wird dann die theoretische Wartezeit ebenso wie die ideale Zuganzahl errechnet. Weiterhin werden die einzelnen Züge separat pro Fahrt registriert um damit die Wartungsintervalle zu optimieren.
Zum Einsatz kommen dort meist Lasermesssensoren welche sich in der Station und in der Warteschlange befinden. Solch ein Sensor ist in Abbildung 7 dargestellt.

Abbildung 7: Lasermesssensor

Weitere Einsatzgebiete

Die oben aufgeführten Anwendungen waren nun nur ein paar näher erläuterte Beispiele. So will ich in diesem Block kurz einen Einblick in weitere Einsatzgebiete geben.

Der Kettenlift wird ebenfalls von mehreren Sensoren überwacht. So gibt es zum einen die induktiven Näherungsschalter, welche die Zahnflanke der Liftkette erfassen (siehe Abbildung 8), zum anderen gibt es Sensoren welche die Geschwindigkeit des Zuges überwachen. Dies hat besonders bei der „Silence Lift Hill“ Methode Bedeutung.
Normalerweise hört man beim Hochziehen des Zuges ein rattern. Dabei handelt es sich um den Sicherheitsanker am Zug, welcher über die Widerhaken im Gleisbett fährt. Bei dieser speziellen Methode des „Silence Lift Hill“ hingegen ist kein rattern zu vernehmen. Grund dafür ist, dass der Sicherheitsanker über einen Elektromagneten angehoben wird. Sobald der Wagen eine andere Geschwindigkeit wie die Definierte besitzt, schellt sich der Elektromagnet aus und der Sicherheitsanker fährt hinunter zu den Widerhaken im Gleisbett.

Abbildung 8: Abfrage der Zahnflanken

Wenn eine Achterbahn nicht über einen Kettenlift verfügt, sondern durch einen Launch gestartet wird, dann werden hier, analog zu den Bremsen, induktive Näherungsschalter für die Geschwindigkeitsüberwachung eingesetzt. Dies kann man anhand Abbildung 9 erkennen, welche den LSM Launch von Karacho im Erlebnispark Tripsdrill zeigt.

Abbildung 9: Sensoren beim Launch

Außerdem gibt es auch noch im Zug direkt Sensoren. Diese zählen zum Beispiel die Radumdrehungen des Zuges, damit dieser an bestimmten Positionen die richtige Musik abspielen kann. Auch überprüfen Sensoren die korrekte Schließung der Sicherheitsbügel.

Man erkennt also wie vielseitig die Einsatzgebiete der Sensoren in Achterbahnen sind, aber auch wie wichtig und existentiell deren Benutzung geworden ist. Es kann davon ausgegangen werden, dass in Zukunft immer mehr Sensoren Verwendung finden werden, denn die technischen Neuerungen werden immer vielseitiger und anspruchsvoller, weshalb Sensoren nicht nur für die Sicherheit, sondern eben auch für die Automatisierung der „Achterbahnanwendung“ benötigt werden.

Quellenverzeichnis:

Lasermesssensoren LMS100: Für lange Wartungsintervalle und kurze Warteschlangen im Europa-Park Rust | SICKinsight online
Sensoren in der Achterbahn "Euro-Fighter" | Pepperl+Fuchs | Applikationsbericht
www.turck.de

Bildquellen:

Abbildung 1: www.coasterfriends.de
Abbildung 3: KARACHO Onridevideo Coasterfriends.tv (min 1:28)
Abbildung 5: wenglor sensoric GmbH* :: *Technische Daten
Abbildung 6, 8: Sensoren in der Achterbahn "Euro-Fighter" | Pepperl+Fuchs | Applikationsbericht
Abbildung 7: Lasermesssensoren LMS100: Für lange Wartungsintervalle und kurze Warteschlangen im Europa-Park Rust | SICKinsight online
Abbildung 9: www.coasterfriends.de