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aktualisiert 31.12.17

- Funkgesteuerte mobile und stationäre Modellbahnobjekte -

Betrachtungen zu effektiven Lösungen

Inhalt dieser Seite:

Anforderungen an Steuermodule für mobile und stationäre Modellbahnobjekte

1. Mobilobjekte

2. Stationärobjekte -  Konstruktionsregeln für Modellbahn-Steuerungen

     2.1 Die klassische Direktsteuerung der Stationärobjekte am Beispiel einer Weichensteuerung

     2.2 Steuermodule für Stationärobjekte

-  Beispiel 1: Kompaktsteuerung eines Weichenantriebes mit Huckepack-Steuermodul

-  Beispiel 2: Kompaktsteuerung bei Lichtsignalen mit Huckepack-Steuermodul

-  Beispiel 3: Kompaktsteuerung bei Formsignalen3. Kompaktsteuerungen an Gleisen

3.1 Die Mindestfunktionen am Modellbahn-Gleis

3.2 Das Gleismodul

3.3 Das Gleis-Steuermodul

An anderer Stelle dieser Webseite habe ich bereits dargelegt, dass die Gestaltung des klassischen Leitungssystems der Modellbahn-Steuerung vielen Anwendern erhebliche Probleme bereitet. Wegen immer weiterer Steigerung der Vorbildtreue wurden immer mehr Verbindungsleitungen innerhalb einer Modellbahnsteuerung erforderlich. Mit der Einführung der Digitalsteuerungen ist es nicht besser geworden, nur anders. Leider richten Modellbahn-Industrie und –Protagonisten ihr Augenmerk bis heute nicht genügend auf diese Problematik. Deshalb besteht das Ziel immer noch, das stationäre Leitungssystem abzuschaffen oder mindestens deutlich zu reduzieren.

Nach meiner Einschätzung ist das nur mit Funksteuerungen wie bei Flug-, Schiffs- und Straßenfahrzeug-Modellen möglich.

In folgenden Texten versuche ich, mit konkreten Lösungen (-wovon ich selbst einige erprobt habe-) auf die Gestaltung drahtlos gesteuerter Modellbahnobjekte (Fahrzeuge, Weichen, Signale usw.) in Kombination mit ihren Steuermodulen hinzuweisen.

1. Mobilobjekte

Der technische Fortschritt bei der Entwicklung von Lokdecodern/Mobildecodern zeigt, welche Leistungsdichte inzwischen erreicht wurde, hardwaremäßig die Steuerung von weit mehr als ein Dutzend von Modellfunktionen, softwaremäßig neben der Kompatibilität zu allen gebräuchlichen Digitalsystemen auch automatische Erkennung der Fahrzeuge mit ihrem Digitalsystem, ihren Daten (Adressen u.a.), usw. Wenn ich vergleiche, wie primitiv und kompliziert das alles in 90-er Jahren ablief, kann ich heute feststellen: die Digitalsysteme haben eine hohe Qualität erreicht. Das betrifft sowohl die Vielfalt der Funktionen als auch die Multisystem-Fähigkeit.

Möglich wurde das durch die äußerst variabel einsetzbaren Mikroprozessoren und ihrer flexiblen Software, ohne die es heute in automatisch arbeitenden Geräten nicht mehr geht.

Aber nun muss der nächste Schritt getan werden, der Schritt zur Drahtlos-Steuerung, denn den Digitalsystemen haften immer noch die Mängel der Anfangszeit an, die ich bereits benannt habe.

Ein kleiner Schaltkreis, z. B. ein IC (Typ 43438) mit den Abmessungen 5 x 3 mm, macht die Verwendung von WLAN oder Bluetooth möglich. Und das wäre die Lösung, Mobildecoder in Kombination mit dem Mikroprozessor WLAN-fähig zu machen.

Mit dieser neuen Funktion entsteht aus „mobil und Steuermodul“ das Mobilmodul. Ob es weiterhin seine Funktionen für die digitalen Gleissignale beibehält, ist sicher für eine Übergangszeit notwendig. Für die Zukunft werden diese Funktionen aber nicht mehr erforderlich sein, weil neue Modellbahnanlagen mit WLAN-Steuerung sie nicht brauchen und alte nach und nach umgerüstet werden. Gerade deshalb, weil die Umrüstung deutlich einfacher ist.Sicher bedarf die neue Technik einiger anderer konstruktiver und technologischer Lösungen, sowohl hard- wie softwaremäßig, sie ist aber realisierbar!

Bei Mobilmodulen allgemein liegt das Problem weniger in der Konstruktion, abgesehen von Änderungen des Layouts der Platinen, als bei den Änderungen der Software.

Der Steuerdatensatz, die Steuerlogik und die Treiber der dann ehemaligen Decoder bleiben beim Übergang zum WLAN-gestützten Mobilmodul erhalten, denn die Datenübernahme aus den WLAN-Daten erfolgt direkt mit der Software.

Wie schon oben betont, kannKompatibilität zu den digitalen Gleissignalen wahlfrei erfolgen, ist aber bei drahtloser Übertragung überflüssig. Lediglich Nachhaltigkeitsbetrachtungen könnte in speziellen Anwendungen dafür sprechen.

Und damit wäre der erste Schritt zum Modellbahn-Steuersystem 4.0 getan.

Wäre es nicht ideal, wenn jedes Modellbahnobjekt vom WLAN-Fahrregler, dem Steuercomputer oder Zentralgerät direkt per Funk gesteuert werden kann, ohne Booster und ohne den Kabelsalat? Erst dann sind die Mobildecoder im Wortessinn mobil!

2.Stationärobjekte

Neben der Einführung der  WLAN-Technik bei den „Mobilmodulen“, ich bleibe mal bei dem Begriff, sind weitere Vorteile nutzbar, nämlich ihre Kleinheit und Leistungsfähigkeit. Sie bieten sich förmlich an, modifiziert als „Huckepack-Steuermodule“ den bisher verfügbaren und verbreitet eingesetzten Stationärobjekten angepasst zu werden. Das würde die Steuerung dieser Objekte wesentlich vereinfachen und das komplizierte Leitungssystem deutlich minimieren, im Wesentlichen auf die Stromversorgung.

Bei Objekten, deren Konstruktion genügend Raum bieten, könnten sie (die Huckepack-Steuermodule) direkt, aber lösbar  eingebaut werden. Wo das nicht geht, sind Lösungen mit passenden Adaptern möglich.
Wo das nicht geht, sind Lösungen mit Steckverbindern oder passenden Adaptern möglich.

Selbstverständlich sind die aus den Mobilmodulen zu entwickelnden Huckepackmodule den Techniken der Stationärobjekte anzupassen. Der für spezielle mobile Anwendungen gedachte Funktionsdecoder könnte dafür eine Basis bilden. Zur Vermeidung zu vieler Varianten müsste beispielsweise ein Weichen-Steuermodul gleichermaßen Magnet- oder Motorantriebe steuern können.

Zur Erinnerung: Während die Modellbahn-Mobilobjekte an das Gleissystem gebunden sind und so über die Schienen eine zentral beeinflussbare leitfähige Verbindung besitzen, müssen die Stationärobjekte mit Steuer-, Melde- und Energie-Leitungen angeschlossen werden. Dieser Umstand führte von Anfang an zu dem Problem des komplizierten Leitungssystems, das immer schwieriger wurde, je höher die Anforderungen an Vorbildtreue wurden.

Die Verwendung von effektiven Übertragungstechniken erfordert für jedes Stationärobjekt ein Endgerät (-im Begriffssystem der NEM „Steuermodul“-).

Die Verwendung von effektiven Übertragungstechniken erfordert für jedes Stationärobjekt ein Endgerät, das im Begriffssystem der NEM als Steuermodul bezeichnet wird.

Die unterschiedlichen Funktionen und Arten der Stationärobjekte führen auch zu entsprechend passenden Steuermodulen. Bei ihrer Konstruktion ist es notwendig, den Aufwand und Nutzen zu beachten. Das führt zu einigen Grundregeln. Ihre Einhaltung ist die Voraussetzung dafür, einheitliche Standards für die Steuerung von Modellbahnen zu schaffen, um die herrschende Vielfalt auf ein notwendiges Maß zu beschränken und um Kompatibilität und Universalität zu schaffen.

Modellbahngerechte Konstruktionsregeln:

1.  Bei allen Steuerungen  Modellbahnobjekte wird die Modultechnik eingesetzt.
2.  Alle Module werden direkt aus einer Standard-Schutzkleinspannung gespeist.
3.  Module, die geringe Stromaufnahme haben und über Schnittstellen mit anderen stromgespeisten Modulen gekoppelt sind, werden von letzteren mit Energie versorgt.
4.  Der Einsatz von Standard-Schnittstellen unter Verwendung von Standard-Steckverbindern ist notwendig , gegebenenfalls bereits standardisierte NEM-Steckverbinder.
5.  Standard-Steckverbinder sollten s eine selbsttätige Bearbeitung oder Herstellung ermöglichen.
6.  Die konstruktive Vielfalt der Modellbahnobjekte erzwingt gegebenenfalls die Adaptierung  direkt am Objekt.
7.  Die Objektschnittstellen sollen möglichst nutzbar sein bei Einsatz netzwerkfähiger Übertragungssysteme und bei klassischer direkter Steuerung.
8.  Die Steuermodule werden variabel einsetzbar gestaltet für Modellbahnobjekte gleicher Funktion trotz unterschiedlicher Funktionsweise.
9. Objekte oder ihre Funktionen, die im Modellbahnbetrieb logisch verknüpft sind oder voneinander abhängen bzw. zusammen wirken, werden aus Gründen der Effektivitätssteigerung mit einem Steuermodul betrieben. Auf die Steuerung von Einzelfunktionen ist wegen des Aufwandes weitgehend zu verzichten!
10. Effektivitätssteigerung wird erreicht, wenn nicht nur Steuermodule für Einzelobjekte hergestellt werden, sondern auch Kompaktsteuermodule für einen Komplex von Objekten.
11. Die Module werden nur konfektioniert, wenn es ihr Überflur-Einsatz erforderlich macht.
12. Die über Allem stehende Hauptregel soll sein, Steuermodul und Objekt beziehungsweise Objektantrieb kompakt zu gestalten, möglichst ohne den Einsatz von Kabeln oder Leitungen zwischen ihnen.

Der folgende Text wird an geeigneter Stelle auf die zweckmäßige Anwendung der obigen Regeln hinweisen.

2.1 Die klassische Direktsteuerung der Stationärobjekte am Beispiel einer Weichensteuerung

Zur Erinnerung ein Rückblick auf die klassische Direktsteuerung einer Weiche, sie  ist im Prinzip in Bild 2 dargestellt. Es zeigt alle denkbaren Funktionen mit den Verbindungsleitungen und  Schnittstellen, die im Idealfall bei hoher Vorbildtreue installiert werden müssten.

Bild 2 Blockschaltungen einer modularen Objektsteuerung am Beispiel einer Einzel-Weichensteuerung mit Anschluss der Steuerung einer 2. Weiche und weiteren Schnittstellen zur Realisierung erweiterter logischer Steuertechniken. Alle Schnittstellen außer X1 als Standard-Steckverbinder Rastermaß 2,54 mm, 2 reihig, Flachleitung 1,27 mm Leiterabstand. X1 2-poliger Anschluss, Schraubklemmen oder Flachstecker 2,8 mm.

Zu X1: Stromversorgung für das ganze System, auch für das Stell- und Anzeige-Modul (erfüllt Regel 1-3).

Zu X2: Schnittstelle für Stell- und Anzeigemodul (1-5, 7).

Zu X3: Schnittstelle für Weichenantrieb, Stell- und Meldeleitungen, ggf. Herzstück-Umschalter, Standard- oder  Adapter-Anschluss am Weichenantrieb. (1-8).

Zu X4: Schnittstelle für 2. Weichen-Steuermodule, Stell- und Meldeleitungen (1-5, 9)

Zu X5: Schnittstelle Weichenstellungs-Meldeleitung für Verknüpfungen, z. B. Beeinflussung von Signalbildern (1-5, 9).

Zu X6: Schnittstelle für Herzstück-Stromversorgung, wenn vorgesehen, Steckverbinder einreihig, (1-5, 9).

   Zu X7: Schnittstelle Stromversorgung Weichenlaterne, wenn vorgesehen (1-5,9).

Regeln 10-12 treffen nicht zu, da das Unterflursystem gegeben ist und Kompaktheit fehlt.

Das Bild 2 zeigt drastisch, wie viele Leitungen sich aus der vorbildgetreuen Steuerung aller Funktionen einer Weiche notwendig werden. Die Betrachtung der folgenden Tabellen mit den Steuersignalen der Schnittstellen des Steuermoduls und des Weichenantriebes (gleichzeitig Ausgangssignale bzw. Anschlüsse des Steuermoduls) ergänzt diese Überlegung.

2.2 Steuermodule

Steuermodule werden neben den erforderlichen Schnittstellen mit drei Hauptschaltungen ausgestattet, der Steuerlogik, den Treiberstufen und der Stromversorgung. Bestandteil der Steuerlogik ist eine Eingangsschaltung, die die Verbindung zum WLAN-Übertragungssystem herstellt (- alle anderen sind nur aus Bestandserhalt notwendig, wie DCC, Motorola usw. -). Prinzipiell sind es also die gleichen Komponenten, die auch die Lokdecoder usw. enthalten.

Das unter 2.1 beschriebene Steuermodul kann mit verschiedenen Techniken ausgestattet sein:

a) mit klassischer, auf Relais und Schaltern beruhender klassischer Direktsteuerung,

        b) mit elektronischen, auf Leiterplatinen befindlichen Schaltkreisen und Treiberstufen.

Die Ausführung b) kann sowohl mit klassischen oder elektronischen Mitteln gesteuert werden (-was mit Ausführung a) nicht möglich ist-). Die derzeitige Technik ermöglicht die Kombination mit modernen Übertragungstechniken, wodurch sich sehr effektiv arbeitende Steuermodule für die benannten Funktionen entwickeln lassen.

Wie auf dieser Webseite mehrfach dargelegt, ist unter Berücksichtigung aller Einflüsse das WLAN die ideale Übertragungstechnik und führt zur Einführung ebenfalls WLAN-gestützter Steuermodule für Stationärobjekte nach Definition b).
Diese werden folgend als Stationärdecoder bezeichnet.

Das wirft die Frage auf, inwieweit spezielle Steuermodule für Stationärobjekte entwickelt und gebaut werden müssen, besitzen doch die Mobildecoder alle Voraussetzungen in modifizierter Form auch als Steuermodule für diese Objekte verwendet zu werden.

Sicher kann auch auf die mobil eingesetzbaren Schalt- oder Funktions-Decoder zurückgegriffen werden, bei Ausstattung mit WLAN-Schnittstelle als Voraussetzung.

Die Mobildecoder besitzen die notwendigen Logik- und Steuerstufen und genügend Ausgabefunktionen, sind in Leistungskategorien (klein, mittel, groß) gestaffelt und können für verschiedene Schnittstellen, möglicherweise mit Adaption, ausgestattet werden. Auch besitzen sie genormte Schnittstellen. Allerdings müssen einige Steuersignal-Eingänge für Sensoren ergänzt bzw. eingerichtet werden, um Rückmeldungen oder den Anschluss anderer im Gleis angeordneter Sensoren (z.B. statische und dynamische Besetztmelder) zu ermöglichen.

Das gilt für kleine und große Nenngrößen, für Unter- und Überflur-Betrieb, mit  und ohne Gehäuse.

Selbst die Stromversorgung dürfte kaum Schwierigkeiten machen, da die Decoder zur Abtrennung der Energie aus den Gleissignalen auch Gleichrichter enthalten.

Einzig ihre interne Programmierung muss der Aufgabe, Weichen, Signale usw. zu steuern, angepasst werden, die sogar einfacher arbeitet als die für Mobilobjekte.

Dass man dafür praktische Lösungen finden kann, sollen folgende Beispiele zeigen.

Sie beziehen sich auf im Handel erhältliche Produkte, die mit meinen Vorschlägen zweckmäßig für Huckepack-Steuermodule umgerüstet werden könnten. Bei neu entwickelten Produkten können die passenden Schnittstellen von vorn herein in die Konstruktion eingefügt werden. Die Huckepack-Steuermodule sollten aber aus verschiedenen Sachgründen steckbar ausgeführt werden.

Beispiel 1: Kompaktsteuerung eines von mir genutzten Weichenantriebes.

I

Im Allgemeinen ist genügend Freiraum unter der Anlage, so dass dieser bewährte Motor-Weichenantrieb mit seinem Steuermodul als Einheit Platz findet. Vorausgesetzt, dass wirklich ein WLAN-gestütztes Steuermodul aufgesteckt wird, entsteht so eine sehr kompakte Form ohne Leitungen und Kabel. Übrig bleiben die Zweidrahtleitung der Stromversorgung und die drei Leitungen für die Herzstück-Umschaltung. Letztere werden über die dreipolige Schnittstelle am Weichenantrieb angeschlossen. Dessen Gehäuse bietet dafür genügend Platz.

Die gesamte übrige Kommunikation (Weiche stellen, Weichenstellung melden, Licht für Weichenlaterne und Gleissperre und was sich noch so ergibt) läuft über WLAN von und zur Zentralsteuerung.

Die gesamte übrige Kommunikation (Weiche stellen, Weichenstellung melden, Licht für Weichenlaterne und Gleissperre und was sich noch so ergibt, läuft über WLAN von und zur Zentralsteuerung.

Bei diesem Beispiel würde die mit Regel 12 erhobene Forderung nach Kompaktheit erfüllt werden. Ich bin überzeugt davon, dass sich diese kompakte Huckepacktechnik durchsetzen lässt. Selbstverständlich muss sich die Industrie von ihren Traditionen der Abgrenzung gegeneinander lösen.

Im Beispiel dieses Weichenantriebes ist es durchaus möglich, mit einem entsprechend programmierten Lokdecoder auch den Weichenantrieb zu steuern. Stromstärke und Richtungsteuerung des Motorstromes müssten ausreichen. Mit einer Schnittstelle NEM 652 oder einer kleinen PLUX-Schnittstelle könnte schon jetzt ein DCC- Decoder den Weichenantrieb steuern, noch allerdings ohne Rückmeldekanal. Zukünftige Stationärdecoder brauchen also auch digitale Eingänge.

Auch ist der Preis noch nicht angemessen. Wie schon geschrieben, 3 € müssten reichen.

Für den Fall, dass, wie oben mit Regel 10 gesagt wird, Steuermodule einen Komplex von Modellbahnobjekten steuern sollen, dann wird es mit einem Kabel an der 8 - 10-poligen Schnittstelle des Weichenantriebes angeschlossen.

Wenn der Anschluss des Herzstücks gleich am Weichenantrieb erfolgt, müssen 3 Kontakte nicht über den Steuermodulanschluss geführt werden.

Beispiel 2: Kompaktsteuerung bei Lichtsignalen mit Huckepack-Steuermodul.

Moderne Lichtsignalmodelle besitzen LED als Leuchtelemente, aber auch mit Zwergglühlampen bestückte Modellsignale unterliegen den folgenden Betrachtungen, obwohl ihre Betriebsspannung und -Strom deutlich höher sind.

Lichtsignale werden vorbildgetreu mit Unterflurkomponenten gesteuert. Ihr besonderes Merkmal ist ihre schlanke Bauform. Die behindert die Abmessungen der an den Signalsockel angebauten Konstruktionselemente, weil sie in der Regel durch eine Bohrung in der Anlagenplatte eingeführt werden müssen.

Ehe darauf eingegangen wird, ist zu klären, welche Steuersignale zum vorbildgetreuen Betrieb der Lichtsignale benötigt werden. Die folgende Tabelle enthält die möglicherweise verwendeten Leuchtelemente und die zugehörigen Kontakte der Schnittstelle.

Kontaktbelegung der Objektschnittstelle Lichtsignal

Kontakt            Bezeichnung

• 1                    Bezugsleiter Lichtsignal-Leuchtelemente
• 2                    Leuchtelement rot 1
  
• 3                    Leuchtelement gelb 1
  
• 4                    Leuchtelement grün1
  
• 5                    Leuchtelement gelb2
  
• 6                    Leuchtelement grün 2
  
• 7                    Leuchtelement rot 2
  
• 8                    Leuchtelement 2 x weiß
  
• 9                    Reserve
  
• 10                  Reserve

Da Lichtsignale nur Leuchtelemente besitzen, ist die Objektschnittstelle nur mit den ihren Anschlüssen einschließlich des Bezugsleiters belegt. Gegebenenfalls werden weitere Leuchtelemente für Zusatzsignale benötigt. Deshalb werden zwei Reservekontakte vorgesehen für eventuellen später notwendig werdenden Bedarf. Die 10-polige Schnittstelle kann je nach dem angeschlossen Lichtsignal beschaltet werden. Nicht benötigte Anschlüsse werden einfach nicht belegt.

Das Problem, dass bei Licht- wie bei Formsignalen nicht einfach zu beherrschen ist, ist ihre mechanische Instabilität wegen ihrer grazilen Gestalt bei den kleinen Nenngrößen. Ich benutze deshalb eine gegenüber der üblichen Praxis mit losen Leitungsenden geänderte Konstruktion. Jedes Signal bekommt eine schmale Leiterplatte an seinen Sockel.

Dort werden die dünnen Leiter der Signallampen an Lötpunkte angebracht. An deren Verlängerung kann nun ein Stecker für ein Objektkabel oder ein stabileres Objektkabel angebracht werden. Die kleine Platine ist gleichzeitig der Träger für die LED-Vorwiderstände, dagegen ist die Platine bei Einsatz Zwergglühlampen von Vorwiderständen unbestückt. Mit der unmittelbaren Nähe der Widerstände zum Signal wird gleichzeitig eine Schutzfunktion der empfindlichen LED erreicht.

Jedes Leuchtelement wird direkt ein- und ausgeschaltet. Aber es müssen zur Bildung der Signalbilder Verknüpfungen zwischen den einzelnen Leuchtelementen hergestellt werden. Das müssen Logikschaltungen im Steuermodul nach Programm erledigen. So wird dafür gesorgt, dass bestimmte Elemente nicht leuchten, wenn die Voraussetzungen nicht gegeben sind. Als Beispiel sei genannt: Bei Rot dürfen nur das weiße Signal Zs 1, bzw. RA12 leuchten (Signalsystem DB).

Nach Möglichkeit sollte das gegebenenfalls vorhandene Licht-Vorsignal mitgesteuert werden können.

Mit den 6 Ausgängen eines Funktionsdecoders könnten bei entsprechender Programmierung sofort Lichtsignale steuern. Drei Ausgänge für rot, grün 1, gelb1 und zwei für die häufig vorkommenden  Kombinationen grün 1/gelb 2 und gelb 1/gelb 2. Der letzte Ausgang schaltet das Rangiersignal Ra12 oder Ersatzsignal Zs1, jeweils zusammen mit Rot!. Die anderen stets ohne Rot.

Unter der Voraussetzung, dass die meisten Lichtsignale nicht diese Lampenvielfalt brauchen, kann ein für mobile Anwendung gedachter Funktionsdecoder eines beliebigen Digitalsystems mit 6 Ausgängen ein Lichtsignal mit den Leuchtelementen Rot, Grün 1, Gelb 1, Grün1 + Gelb 2, Gelb 1 + Gelb 2 und Zs 1/Ra 12 gesteuert werden. Möglicherweise lassen sich CVs so programmieren, dass die vorstehend beschriebenen Bedingungen eingehalten werden können.

Bei diesem Beispiel würde die mit Regel 12 erhobene Forderung nach Kompaktheit erfüllt werden. Ich bin überzeugt davon, dass sich diese kompakte Huckepacktechnik durchsetzen lässt. Selbstverständlich muss sich die Industrie von ihren Traditionen der Abgrenzung gegeneinander lösen.

Beispiel 3: Kompaktsteuerung bei Formsignalen

Formsignale besitzen einen mechanischen Antrieb, der ähnlich den Weichenantrieben verschiedene Ausführungen haben kann. Sie haben auch mit Zwergglühlampen oder LED beleuchtete Signallaternen und können mit bestimmten Lichtsignalen, wie ZS1, Ra12, und weiteren Zusatzsignalen ausgestattet sein.

Wie beim Weichenantrieb muss das Steuermodul, - nach wie vor WLAN-fähig- , Motor- und Magnetantriebe stellen können.

Außerdem muss es Ausgänge für die Leuchtelemente geben. Die folgende Tabelle zeigt die notwendige Kontaktbelegung der Formsignal-Schnittstelle. 

Die Forderung nach Kompaktheit kann eingehalten werden, wenn für Vorsignale eine zum Hauptsignal parallele Schnittstelle vorgesehen wird. Sie kann am Adapter vorgesehen werden. Das Vorsignal wird über diese Schnittstelle betrieben, angeschlossen mit einem Objektkabel.

Kontaktbelegung der Objektschnittstelle Formsignal

Kontakt                        Bezeichnung

• 1                             Bezugsleiter Formsignalantrieb
• 2                             Haltstellung Flügel 1 und 2 (Hf0)
• 3                             Fahrtstellung Flügel 1 (Hf1)
• 4                             Fahrtstellung Flügel 2 (Hf2)
• 5                             Signallampen
• 6                             Zusatzsignal Zs1
• 7                             nicht belegt )
• 8                             nicht belegt ) für weitere Funktionen
• 9                             nicht belegt )
• 10                          (nicht belegt) 

Die beigefügten Bilder beziehen sich auf einen zylindrischen Unterflur-Magnetantrieb. Bei diesem Objekt tritt an einer Stirnseite der Stelldraht des Signals aus, an der anderen, der unteren, werden die Leitungen des Magnetantriebes und eines Schalters herausgeführt. Letzterer ermöglicht  z.B. die Beeinflussung des Fahrstromes bei der Haltstellung des Signals. Leitungen der Signallaternen und weiterer Lichtsignale werden in der Regel nicht durch den Antrieb geführt, sondern an ihm vorbei.

Die bereits bei Lichtsignalen vorgestellte Adapter-Platine kann auch hier verwendet werden um das Huckepack-Steuermodul anzuschließen. Allerdings muss es an dem Leitungsbündel hängend verwendet werden, was aber wegen der Robustheit der Leiter nicht problematisch ist. Es ist auch möglich, die schwebende Anordnung mechanisch abzufangen.

Bei Neukonstruktionen dieser bewährten Antriebes könnte wegen der Zylinderform ein Mini-DIN-Stecker integriert werden, um wieder zu mechanischer Stabilität zu gelangen (DIN     ). Denkbar is aber auch eine feste Verbindung zur Adapter-Platine herzustellen

3. Kompaktsteuerungen an Gleisen

Das Basiselement der Modellbahn ist das Gleis, das wie beim Vorbild aus logistischen Gründen in Betriebseinheiten, in Stücke, in Abschnitte zerlegt ist und aus denen auch das Modellbahn-Gleissystem entwickelt wird. Als betriebstechnische Einheit wird ein derartiges Gleisstück als Gleis bezeichnet. Beim Vorbild ist jedes Gleis durch Signale begrenzt, um es zu sichern.

Auf den Gleisen bewegen sich die mobilen Objekte, an ihnen sind die stationären Objekte in sich wiederholender Form und vorgegebener Systematik angeordnet, so dass sich daraus Ansätze für Zusammenfassungen und Vereinfachungen ableiten lassen.

3.1 Die Mindestfunktionen am Modellbahn-Gleis

Beim Vorbild sind die Gleise zur Durchführung des Betriebes mit verschiedenen stationären Einrichtungen versehen. Das sind:
1. die den Fahrweg bestimmenden Weichen und
2. Sicherheitseinrichtungen, wie Signale und Besetztmeldeeinrichtungen.

Bei der Modellbahn gibt es diese Einrichtungen auch, obwohl sie nicht unbedingt erforderlich sind, abgesehen von den Weichen. Bei einfacheren Ansprüchen an den Modellbahnbetrieb werden Signale oft nicht funktionell eingesetzt.

Höhere Vorbildtreue verlangt funktionsfähige Signalfunktionen und Sicherheitseinrichtungen. Für automatisch oder teilautomatisch arbeitende Modellbahn-Steuersysteme sind diese Funktionen unbedingt erforderlich.

Die genannten Einrichtungen kehren im Gleissystem an allen Gleisen immer wieder, jedoch abhängig von der jeweiligen Funktion des Gleises im Gesamtsystem. Das führt zu unterschiedlichen Ausstattungen der Gleise mit ihnen. Die umfangreichste Ausstattung besitzen Hauptgleise mit Verkehr in beiden Richtungen (Zwei-Richtungsverkehr).

Das Schema in Bild 6 zeigt die Mindestausstattung eines Gleises mit Zwei-Richtungsverkehr, dessen Sicherheitseinrichtungen in beiden Richtungen unabhängig von der jeweils verwendeten Steuertechnik und der jeweils dargestellten Epoche immer vorhanden sein sollten. Jedenfalls dann, wenn

a) der Modellbahnbetrieb vorbildgetreu sein und

b) Automatisierungsmittel zur Steuerung der Modellbahn eingesetzt werden.

Bild 6 Mindestfunktionen am Gleis unter Berücksichtigung der Fahrtrichtung.

3.2 Das Gleismodul

Ausgehend von den Überlegungen, dass zu einem Gleis festinstallierte Einrichtungen gehören, kann man ein Gleis mit den zugehörenden Komponenten als Einheit auffassen, als ein Gleismodul. Trotz der Variierbarkeit der Gleismodul-Komponenten entsprechend den Aufgaben des Gleises im Gleissystem werden immer wieder gleichartige Grundfunktionen auftreten. Zur Unterscheidung erhalten Gleise charakterisierende Bezeichnungen, wie z. B. Hauptgleis, Rangiergleis usw. oder werden im einfachsten Fall nummeriert.

Am Gleis werden aber immer Sicherheits-, Überwachungs-, Fahrweg-, Fahrtrichtungs- und Geschwindigkeits-Funktionen erforderlich sein.

Im Bild 6 finden wir das Gleis eingeschlossen in zwei Weichen. Im Gleissystem kann das Gleis je nach seiner betriebstechnischen Funktion auch ohne Weichen (z.B. als Streckengleis) oder nur mit einer Weiche an einem Ende des Gleises verwendet werden. Weichen müssen nicht immer zur Ausstattung eines Gleises gehören. Es können aber auch Kreuzungsweichen oder andere Bauformen sein.

Bei Signalen ist das anders. Die Ausfahrt aus dem befahrenen Gleis wird grundsätzlich mit einem Signal, - in der Regel einem Hauptsignal -, beeinflusst. Dessen Hauptfunktion ist immer der Schutz von Fahrzeugen im der Fahrtrichtung folgenden Gleis (Folgegleis).

Das bei Bahnhöfen als „Einfahrsignal“ benannte Signal ist in dem Sinne ein Ausfahrsignal. Es erlaubt die Ausfahrt aus dem Streckengleis und schützt das ihm folgende Bahnhofsgleis.

Eine Freigabe der Fahrt darf nur bei freiem Folgegleis erfolgen, also in Abhängigkeit von dessen Besetztmeldern („Gleis-Frei-Meldung“). Das gilt bei Handsteuerung wie bei Automatiken. Die Einfahrt in ein besetztes Gleis, beispielsweise beim Rangieren, erfordert besondere Regelungen.

Vorsignale sind abhängig vom verwendeten Signalsystem vorhanden. Für durchzuführenden Rangierbetrieb sind Gleissperrsignale vorgesehen, was auch für Rangier- und andere Nebengleise gilt.

Besetztmeldefunktionen gibt es als linienhaft wirkende (statisch/dynamische), die einen Gleisabschnitt auf das Vorhandensein von ruhenden und bewegten Fahrzeugen überwachen, und punktförmig arbeitende (dynamische), die das Erreichen einer definierten Position durch ein Fahrzeug melden.

Die Strukturierung des Gleissystems in Gleisabschnitte wurde ursprünglich nur bei der bekannten und verbreiteten analogen Fahrstromsteuerung angewendet (A-Schaltung, Z-Schaltung), ist aber auch bei digitalen Fahrstromsystemen erforderlich. Weil prinzipiell bei jeder Fahrstrom-Betriebsart Mobilobjekte in Abhängigkeit von der Fahrzeugposition und den Betriebseinflüssen, wie Signalisierung und Gleisbesetzung, gesteuert werden. Das ist unabhängig davon, ob automatisierte oder Handsteuerungen verwendet werden.

Im Bild 6 sind drei Gleisabschnitte a-c eingerichtet, die mit statisch/dynamischen Besetztmeldern bzw. -gebern ausgestattet sind.

Außerdem gibt es zwei dynamische Besetztgeber, deren Steuersignal eine besondere Aktion auslösen kann. Diese Ausstattung lehnt sich an praktische Erfahrungen an, kann aber auch variiert werden.

Gleichgültig, welches Fahrstromsystem angewendet wird, solange es keine besseren Techniken gibt, sind mehrere linienhaft wirkende und/oder punktförmig arbeitende Besetztmelder in einem Gleis erforderlich. Besonders dann, wenn automatisierte Betriebsabläufe angewendet werden. Denn Besetztmelder zeigen nicht nur die Gleisbesetzung an, sondern innerhalb von Automatiken können mit ihnen verschiedene Betriebsabläufe ausgelöst werden. Ein einfaches Beispiel dafür ist das Rückstellen eines Hauptsignals bei der Besetzung des Folgegleises.

Punktförmig arbeitende Besetztmelder werden vorzugsweise eingesetzt zur Auslösung von Betriebsfunktionen, die von einer genauen Position am Gleis abhängt. Sie sollten entsprechend der Einsatzfunktion frei am Gleis positioniert werden. Für ihren Betrieb ist ein Kabel erforderlich. Zum Beispiel kann ab dem Standort des dynamischen Besetztgebers bei haltzeigendem Hauptsignal die Geschwindigkeit von Fahrzeugen abgesenkt oder damit auch eine Schranke betätigt werden.

Eine weitere Funktion ist die Fahrstromeinspeisung. Damit bestimmte Betriebsabläufe, wie Anhalten vor dem Signal, realisiert werden können, ist das Gleis in zwei Signalgleisabschnitte a und c und mindestens einen Hauptgleisabschnitt b aufgeteilt. In der Fahrstromeinspeisung, also der jeweiligen Zuleitung der drei Gleisabschnitte, werden statisch/dynamische Besetztgeber positioniert. Dort gehören sie hin, denn die stromsensitiven Melder müssen jeweils in einer Ader der 2-poligen Betriebsstrom-Zuleitung des Gleisabschnittes liegen. Fehlender Stromfluss weist auf ein freies Gleis, vorhandener Stromfluss auf Gleisbesetzung.

Diese Aufteilung eines Gleises und die Ausstattung mit statischen Besetztmeldern ermöglicht seine Überwachung. So sind sowohl ganze Züge wie auch Fahrzeuggruppen oder Einzelfahrzeuge erfassbar, ruhend oder fahrend.

Wenn dann Mobilmodule ( siehe 1.) verwendet werden, ist eine echte Zugverfolgung möglich. Denn nach dem Einschalten der Betriebsspannung müssen sich alle aktiven WLAN-Fahrzeuge bei der Zentrale anmelden.

 Schaltet man die Betriebsspannung nach vorgegebener Reihenfolge an die Gleisabschnitte, so können die sich jeweils meldenden Fahrzeuge identifiziert und dem Gleisabschnitt zugeordnet werden, auch inaktive Fahrzeuge werden so erkannt als „Gleisbesetzer“. Mit der Dreiteilung des Gleises sind sogar Zugspitze und -Ende messbar. Voraussetzung für diese Funktion ist aber die adressierte Schaltbarkeit der Betriebsspannung jedes Gleisabschnitts.

3.3. Das Gleis-Steuermodul

Der von mir verfolgte Gedanke ist, jedem Gleis oder auch einer Gleisgruppe ein funkgesteuertes Fahrgerät in Modulform zuzuordnen. Die verbreitete Praxis, Fahrregler und Fahrgerät/Steuerzentrale/Booster zu trennen, ermöglicht das.

Es liegt nahe, mit einem WLAN-Übertragungskanal einen Komplex von mehreren Modellbahnfunktionen zu steuern. Zum steuern eines einzelnen Objektes ist ein solcher Kanal nicht ausgelastet. Bei einem Weichenantrieb sind es 2 Bit (jeweils 1 Bit für Stellen und Melden links/rechts). Auch wenn noch 1 Bit für die Weichenbeleuchtung oder die Gleissperre hinzukommt, ist das kaum mehr Belastung.

Einer dieser vorgeschlagenen Komplexe umfasst die Gesamtheit aller oben beschriebenen Funktionen am Gleis. Seine Realisierung führt zum Gleis-Steuermodul. Ein zweiter beschränkt sich nur auf die Fahrstromsteuerung und die Besetztmelder.

Die erste Bauform (Typ A, siehe Bild 7) schließt die am Gleis verteilten Stationärobjekte ein. Diese werden dann über Standard-Objektkabel an das Gleis-Steuermodul angeschlossen. Dabei ist von Vorteil, dass alle zum Gleis gehörenden Objekte über einen Übertragungskanal betrieben werden. Nachteilig ist, dass wieder mehr Leitungen verlegt werden müssen. Mit Standard-Objektkabeln und –Längen kann man diesem Nachteil eingrenzen.

Ein Ausgleich ergibt sich, weil die Einzelobjekt-Steuermodule (Huckepackmodule) nicht erforderlich sind. Es müssen aber dieselben Objektschnittstellen verwendet werden, sonst macht das keinen Sinn.

Wichtig dabei die Verwendung von Standard-Steckverbindern, deren Einsatz wegen ihrer Massenproduktion kostengünstig ist und die auch mit einfachen Mitteln im Eigenbau zu Kabeln verarbeitet werden können. Spezielle, von Herstellern entwickelte Eigenkonstruktionen sind zu vermeiden. Man sollte dabei möglichst auf bereits in NEM standardisierte Schnittstellen zurückgreifen.

        Bild 7 Blockschaltung Gleis-Steuermodul Typ A (Vollausstattung)

Die zweite Version (Typ B, siehe Bild 8) stützt sich auf die selbstständig arbeitenden Stationärobjekte mit Huckepackmodulen. Hier würden die genannten Standard-Objektkabel entfallen, da nur die Gleisanschlüsse gebraucht werden. Aber es werden mehr Übertragungskanäle benötigt.

Bei Verwendung der WLAN-gestützten Mobilmodule wird das Fahrzeug-Steuersignal direkt auf die Mobilobjekte geleitet, während über die Gleis-Steuermodule nur Betriebsspannung eingespeist wird. Aber die traditionell genutzten analogen und digitalen Fahrströme sollten auch auf das aktuelle adressierte Gleis geleitet werden können, was technisch durchaus möglich ist.. Das sichert den Bestand bis zu dessen Umbau und bedeutet, dass diese Gleissignale durch zusätzliche technische Mittel wahlfrei eingeschleust werden können (Stichwort: Multifunktionsfahrgerät).

Grundsätzlich sollte gelten, dass in jeder der beiden Varianten A und B immer die Vollausstattung mit Schnittstellen vorgesehen ist. Am Gleis nicht benötigte Ausstattungen werden nicht benutzt. Sie werden von der Software blockiert. Nachträglich aber können immer Nachbestückungen oder Erweiterungen vorgenommen werden.

Standardgemäß vorhandene Komponenten und Abweichungen davon müssen mit der Software verwaltet werden, auch die Art der Objekte (Signale, Weichen usw.). Beispielsweise müssen Lichthauptsignale mit 8 Funktionen oder Gleissperrsignale mit zwei Funktionen an der gleichen Schnittstelle gesteuert werden können.

Bild 8 Blockschaltung Gleis-Steuermodul Typ B (Teilausstattung)