Präsentation

„Die Zukunft der digitalen Modellbahn-Steuerung“

Zu Bild 1

Angesichts des Interessenwandels durch die Wirkungen demografischer und soziologischer Veränderungen sowie bedeutender technischer Innovationen droht dem Modellbahnwesen das Verschwinden in der Bedeutungslosigkeit!

Diese Tendenzen sind nur mit bedeutenden Vereinfachungen des materiellen Aufwandes und des Modellbahn-Betriebes zu überwinden. Deshalb müssen technische Innovationen der Modellbahn-Steuerung neue Anreize schaffen, die Zukunft des Modellbahnwesens zu sichern.

Obwohl die digitalen Modellbahn-Steuersysteme inzwischen im Bereich des zentralen Steuerkomplexes mit WLAN-Funk kommunizieren, reicht diese Modernisierung nicht aus.

Die Konsequenz aus diesen Überlegungen ergibt zwei Forderungen nach Überarbeitung des Modellbahn-Steuersystems mit modernen technischen und systematischen Lösungen:

1. Die Struktur und die Gestaltung des Steuersystems muss entscheidend vereinfacht werden!

Der seit der Einführung des Smartphones (2007) verbreiteten WLAN-Technik folgt jetzt zwangsläufig in logischer Konsequenz die drahtlose Übertragung digitaler Daten zwecks Modernisierung der Modellbahn-Steuerung. Ein sich daraus ergebender und entscheidender Vorteil ist der Wegfall des bisher bei Analog- und Digitalsteuerungen üblichen komplexen Steuerleitungssystems.

2. Die konstruktiven Elemente müssen modernste technische Mittel verwenden!

Die Schalt- und Verbindungstechniken elektrischer/elektronischer Baugruppen müssen sich von den alten Blechspielzeugtechniken vollkommen lösen und sowohl bei den Verbindungselementen wie bei den Baugruppen-Konstruktionen eingeführte und spezielle Standards der Mikroelektronik und/oder der Modellbahn benutzen. Nur so werden viele technische Mängel in der Handhabung der technischen Komponenten.

Diese Präsentation definiert die Hardware-Hauptkomponenten des digitalen Modellbahn-Steuersystems mit drahtlosem Netzwerk und wichtige technische und konstruktive Faktoren mit dem Ziel, die Steuerung von Modellbahnen aller wichtigen Nenngrößen unter Nutzung der WLAN-Technik und der zukunftssicheren Konstruktionsprinzipien zu modernisieren.

Das verlangt insbesondere die radikale Überarbeitung der auf der Modellbahnanlage konzentrierten  mobilen und stationären Modelle einschließlich ihrer Steuermodule.
Im Gegensatz dazu werden die Zentralsteuerungen durch Nutzung der hinreichend und vielfältig vorhandenen Kommunikations- und PC-Techniken gestaltet. Deren Software muss gegebenenfalls in geeigneter Weise ergänzt werden

Zu Bild 2

Zur Einführung zeigt das Bild die Entwicklung der Modellbahn-Steuerung in chronologischer Folge die Haupt-Entwicklungsstufen der Modellbahnsteuerung.

Die Benutzung analoger elektrischer Steuerungen in der Stufe 2 führte mit ihren Schaltungen zu relativ komplizierten Steuerleitungssystemen. Das ist die „angeborene“, technische Behinderung der elektrischen Modellbahn-Steuerung, bedingt durch die notwendige Kommunikation zwischen Objekten der Modellbahnanlage und der Steuerzentrale (Gleisbild-Stellpult usw.) sowie als Mittel ihrer Fernsteuerung (Übertragung von Energie und Information).

Die Überwindung dieses „Geburtsfehlers“ durch die Einführung der Digitalsteuerungen führte zwar zu einigen Vereinfachungen der Leitungssystems, aber auch zu anderen technischen Komplikationen bedingt durch die Übertragung der Steuerdaten über das Gleissystem mit seinen Unsicherheiten und ihren langsamen Kodierung/Decodierungstechniken (10 kHz).

Mit der Einführung der WLAN-Technik sind die Digitalsysteme technisch überholt und veraltet. Mit dieser neuen Technik werden die Steuersignale mit bedeutenden technischen Vorteilen direkt zwischen Zentralsteuerung und Steuermodul übertragen. Stufe 4 zeigt das Prinzip.

Zu Bild 3

Das Bild zeigt zur Veranschaulichung eine Prinzipdarstellung eines drahtgebundenen Modellbahn-Steuersystems mit allen notwendigen Komponenten in einer durchschnittlich konfigurierten Modellbahnanlage. 

Zu Bild 4

Die zwei Textfelder links zeigen die die Konfiguration der Hauptkomponenten der drahtgebundenen Digitalsteuerungen in den Versionen Standard und modernisiert. Das dritte Textfeld  enthält die der drahtlosen Variante.

In der modernisierten Version der Digitalsteuerungen wird erstmals WLAN angewendet.  Das bedeutet die Einführung der komfortableren PC- und Übertragungstechniken in das Steuersystem. Drahtlos wird damit aber die Kommunikation nur zwischen der nun PC-gestützten Steuerzentrale  und  den zur Anlage verlagerten „zentralen Steuereinheiten“ geführt. Damit wurde eine zusätzliche Hardware in Form dieser Zentraleinheiten eingeführt (-rot umrandet-). Aus der technischer Sicht ist das eine überflüssige Maßnahme, da sie das Kernproblem „Leitungssystem“ nicht anpackt.

Richtig wäre die direkte drahtlose Kommunikation mit den Steuermodulen der Modellbahnobjekte. Wie das 3. Textfeld zeigt, würden mit der Einführung des drahtlosen Digitalsystems die kritischen Hardware-Komponenten (Zentraleinheit, Leitungssystem).entfallen

Zu Bild 5

Das Textfeld zeigt eine Aufzählung aller nützlichen Effekte, die sich mit dem digitalen Drahtlos-Steuersystem ergeben.

Zu 1. Echtzeitbetrieb ist wegen der hohen Übertragungsgeschwindigkeit möglich.

Zu 2. Die bidirektionale Datenübertragung ermöglicht es, durch Sensoren ermittelte Betriebsdaten der Anlage an die Steuerzentrale zu übermitteln.

Zu 3, Die direkte Datenübertragung erhält alle Daten im systemeigenen Digitalformat. Bestehende Steuerdatensätze bleiben unverändert.

Zu 4. Das WLAN-gestützte Steuersystem ermöglicht die Vergleichbarkeit mit der Steuerung von Flug-, Schiffs- und Straßenfahrzeug-Modellen wegen des Wegfalls des Steuerleitungssytems.

Zu 5. Der Neuaufbau von Modellbahnanlagen und die Rekonstruktion älterer werden durch den Wegfall des komplexen Steuerleitungssystems vereinfacht.

Zu 6. Die Verlagerung vieler Modellbahn-Funktionen, Verknüpfungen und Abhängigkeiten in die Software wird der Modellbahnbetrieb bedeutend erleichtert und vereinfacht.

Zu 7. Die Datenübertragung von Betriebsdaten aus der Modellbahnanlage verbessert den Betriebsablauf und die Betriebsüberwachung durch die Software! Beispielsweise melden sich Netzwerk-Komponenten sich im System an und senden Betriebsdaten! Das ermöglicht  auch die echte Zugverfolgung!

Zu 8. Durch den Wegfall der speziellen Digitalsystem-Hardware und der Anwendung effektiver, möglichst gleichartiger Konstruktionsprinzipien wird der materielle Aufwand verringert, werden die Losgrößen erhöht, und die Produktions- und Anschaffungskosten gesenkt

Zu Bild 6

Zum Vergleich mit dem drahtgebundenen Steuersystem in Bild 3 zeigt das Bild eine Prinzipdarstellung des Drahtlos-Steuersystems für Modellbahnen.

Zu Bild 7

Das digitale Drahtlos-Steuersystem besteht aus zwei Basis-Gerätegruppen, welche jeweils die Endgeräte des aktiven Kommunikationskanals bilden und miteinander kommunizieren. In der Regel wird der Kommunikationskanal zwischen der Zentralsteuerung und einem Steuermodul gebildet. Möglich ist aber auch eine Verbindung zu Steuermodulgruppen, z.B. bei Noteingriffen, oder zwischen einzelnen Steuermodulen.

1. Die Zentralsteuerung des Steuersystems steuert mit einem Modellbahn-Betriebssystem die bidirektionale Kommunikation zu allen dezentralen Modellobjekten und/oder anderen Komponenten. Ziel sind die Steuerung der Objektfunktionen und Meldung ihrer Betriebszustände und/oder anderer Anlagenfunktionen.

Die Geräte der Zentralsteuerung werden entsprechend ihrer Konfiguration stromversorgt.

2. Die Steuermodule lösen durch Umsetzung der Steuerbefehle Modellfunktionen aus und/oder melden Betriebszustände oder andere Informationen an die Zentralsteuerung.

Alle auf/an/in der Modellbahnanlage verteilten mobilen und stationären Modellobjekte mit Steuer- und Sensor-Funktionen besitzen Steuermodule.

Mobilmodule (MM)  steuern die Funktionen von Triebfahrzeugen aller Art (bekannt als Lokdecoder, allgemein Digitaldecoder).und/oder Funktionen in Fahrzeugen (Funktionsdecoder) und melden Betriebsfunktionen oder deren Zustände.

Stationärmodule (SM) steuern die Funktionen von stationären Modellobjekten und melden Betriebszustände und/oder andere relevante Informationen. Entsprechend ihrer Aufgaben gibt es verschiedene Arten von Stationärmodulen.

Varianten der Stationärmodule sind nach Art der Modellöbjekte und der Konfiguration der Modellbahn sinnvoll.

Steuermodule besitzen eine WLAN-Schnittstelle mit einer IP-Adresse.

Steuermodule melden sich nach dem Einschalten der Betriebsspannung bei der Zentralsteuerung an und melden Betriebszustände und andere Informationen.

Steuermodule und Modellobjekte bzw. ihre Antriebe werden aus einer Standard-Betriebsspannung stromversorgt. Ihre Werte sind allgemein gültig festzulegen (NEM 611)!

Für Übergangslösungen sollten Drahtlos-Steuermodule alternativ mit Digitalströmen betrieben werden können, um den Parallelbetrieb der Systeme zu ermöglichen.

Die Steuerdatensätze der eingeführten Digitalsteuerungen bleiben unverändert (ohne Kodierung und Dekodierung) und werden im neuen System weiterbenutzt! Das ermöglicht übergangsweise den Parallelbetrieb vorhandener Digitalsteuerungen mit dem Drahtlos-Steuersystem  und seine schrittweise Einführung. Bei Vorhandensein aller Hardware-Komponenten ist das mit entsprechend kombinierter Software möglich.

Zu Bild 8

Steuermodule

Der obere Teil des Bildes zeigt die mögliche Artenstruktur der Steuermodule.

Steuermodule sind generell mit Mikroprozessoren ausgestattet und be- und verarbeiten eingehende Steuerbefehle und andere Daten entsprechend ihrer Software. Sie können bei Vorhandensein von Sensortechnik Fahrzeugdaten, Prozessdaten und andere Funktionsdaten programmgemäß der Zentralsteuerung melden.

Neben der Datenverarbeitung müssen Steuermodule Leistungsstufen (Treiber oder Booster) besitzen, um die angeschlossenen Verbraucher (Motoren, Magnetantriebe, LED usw.) zu betreiben. Wegen des Raumbedarfs und der Wärmeentwicklung dieser Leitungselemente sollte es denk- und machbar sein, die Leistungs-Treiberstufen an die Verbraucher zu verlagern, um insbesondere die Steuermodule mit Minibauform konstruktiv zu vereinfachen.

Mobilmodule sind für den Einbau in Triebfahrzeuge und andere Fahrzeuge vorgesehen. Entsprechend der jeweiligen Nenngröße ist ihre Baugröße angepasst. Standardgemäß werden neben der Geschwindigkeitsfunktion Licht und mechanische Funktionen gesteuert. Zusätzlich können die Mobilmodule mit Geräuschgenerationen ausgerüstet sein.

Mobilmodule, die nur Licht und mechanische Funktionen steuern, werden als Funktionsmodule bezeichnet.

Eine weitere Anwendung der Mobilmodule ist der Einbau einer Video-Kamera mit Life-Übertragung zur Zentralsteuerung.

Stationärmodule

Stationärmodule dienen der Steuerung stationärer Modellobjekte. Wichtig für den Modellbahnbetrieb ist die Steuerung der Weichen, an 2. Stelle folgen die Signale.

Andere Stationärobjekte ergänzen den Modellbahnbetrieb.

Grundsätzlich bestimmt das zu steuernde Objekt die Art der Funktionen der Stationärmodule.

Einzelobjekt-Steuermodule

Viele gesteuerte Modellobjekte sind verteilt über die Modellbahnanlage. Hier lohnt sich zur Vermeidung von längeren Leitungen das Einzelobjekt-Steuermodul.

Bei Weichenantrieben gibt es Varianten der Antriebe.  Die Antriebsart der Weiche (Magnet-, Motorantrieb) beststimmt die Art der zu erzeugenden Stromart. Unterschiedliche Stromarten bedingen Varianten der Steuermodule oder universelle Module.

Steuermodule in Mini-Bauform sollten als Steckmodul an den Weichenantrieben oder anderen Antrieben mit gleichem Arbeitsprinzip angebracht werden können.

Die Weichensteuermodule können geringfügig modifiziert für die Steuerung von Formsignalen verwendet werden.

Steuermodule für Objektgruppen

In Anlagenbereichen mit einer besonderen Objektdichte kann es effektiver sein, Steuermodule für die Steuerung einer vorgegebenen Anzahl Objekte einzusetzen. Dies ist sinnvoll, wenn die Objekte gleichartig sind (Weichen-Gruppen) oder ihre Funktionen in einem Zusammenhang zueinander stehen (Gleismodul).

In dem Sinne sind auch Module für spezielle Nebenfunktionen (Drehscheibensteuerung) oder für universelle Anwendung (Haus- und Straßenbeleuchtung) sinnvoll.

Steuermodule

Der obere Teil des Bildes zeigt die mögliche Artenstruktur der Steuermodule.

Steuermodule sind generell mit Mikroprozessoren ausgestattet und be- und verarbeiten eingehende Steuerbefehle und andere Daten entsprechend ihrer Software. Sie können bei Vorhandensein von Sensortechnik Fahrzeugdaten, Prozessdaten und andere Funktionsdaten programmgemäß der Zentralsteuerung melden.

Neben der Datenverarbeitung müssen Steuermodule Leistungsstufen (Treiber oder Booster) besitzen, um die angeschlossenen Verbraucher (Motoren, Magnetantriebe, LED usw.) zu betreiben. Wegen des Raumbedarfs und der Wärmeentwicklung dieser Leitungselemente sollte es denk- und machbar sein, die Leistungs-Treiberstufen an die Verbraucher zu verlagern, um insbesondere die Steuermodule mit Minibauform konstruktiv zu vereinfachen.

Mobilmodule sind für den Einbau in Triebfahrzeuge und andere Fahrzeuge vorgesehen. Entsprechend der jeweiligen Nenngröße ist ihre Baugröße angepasst. Standardgemäß werden neben der Geschwindigkeitsfunktion Licht und mechanische Funktionen gesteuert. Zusätzlich können die Mobilmodule mit Geräuschgenerationen ausgerüstet sein.

Mobilmodule, die nur Licht und mechanische Funktionen steuern, werden als Funktionsmodule bezeichnet.

Eine weitere Anwendung der Mobilmodule ist der Einbau einer Video-Kamera mit Life-Übertragung zur Zentralsteuerung.

Stationärmodule

Stationärmodule dienen der Steuerung stationärer Modellobjekte. Wichtig für den Modellbahnbetrieb ist die Steuerung der Weichen, an 2. Stelle folgen die Signale.

Andere Stationärobjekte ergänzen den Modellbahnbetrieb.

Grundsätzlich bestimmt das zu steuernde Objekt die Art der Funktionen der Stationärmodule.

Einzelobjekt-Steuermodule

Viele gesteuerte Modellobjekte sind verteilt über die Modellbahnanlage. Hier lohnt sich zur Vermeidung von längeren Leitungen das Einzelobjekt-Steuermodul.

Bei Weichenantrieben gibt es Varianten der Antriebe.  Die Antriebsart der Weiche (Magnet-, Motorantrieb) beststimmt die Art der zu erzeugenden Stromart. Unterschiedliche Stromarten bedingen Varianten der Steuermodule oder universelle Module.

Steuermodule in Mini-Bauform sollten als Steckmodul an den Weichenantrieben oder anderen Antrieben mit gleichem Arbeitsprinzip angebracht werden können.

Die Weichensteuermodule können geringfügig modifiziert für die Steuerung von Formsignalen verwendet werden.

Steuermodule für Objektgruppen

In Anlagenbereichen mit einer besonderen Objektdichte kann es effektiver sein, Steuermodule für die Steuerung einer vorgegebenen Anzahl Objekte einzusetzen. Dies ist sinnvoll, wenn die Objekte gleichartig sind (Weichen-Gruppen) oder ihre Funktionen in einem Zusammenhang zueinander stehen (Gleismodul).

In dem Sinne sind auch Module für spezielle Nebenfunktionen (Drehscheibensteuerung) oder für universelle Anwendung (Haus- und Straßenbeleuchtung) sinnvoll.

Zu Bild 9

Als Beispiel für ein Objektgruppen-Steuermodul soll das Gleismodul dienen, das alle möglichen Funktionen eines Gleisabschnitts (Block) steuern soll. Entsprechend dem Bild wird das Steuermodul für die Steuerung der maximal notwendigen Funktionen des Gleisabschnitts vorgesehen. Das ermöglicht die nachträgliche Vervollständigung des Gleisabschnitts. Andererseits sind Vereinfachungen durch Weglassen immer möglich.

Die Tabelle zeigt auch alle wichtigen Messfunktionen, die zur Steuerung eines Gleisabschnitts notwendig sind. Je nach Betriebsart werden die Funktionen der Gleise festgelegt.

Vermieden werden sollte die  Gestaltung unterschiedlich ausgestatteter Gleismodule. Der bei Vollausstattung entstehende zusätzliche Aufwand an mikroelektronischen Standard-Bauelementen rechtfertigt nicht den materiellen und kostenintensiven Aufwand für eine Vielzahl Varianten des Gleismoduls.

Entscheidend für die Verbesserung der Betriebssicherheit und der Betriebsabläufe ist der Einsatz der Besetztmelde-Sensoren. Statisch/dynamische Besetztmelder überwachen linienhaft den im Fahrstromkreis liegenden Gleisabschnitt auf ruhende und/oder bewegte Fahrzeuge. Dynamische Besetztmelder erfassen das Erreichen und/oder Verlassen eines punktförmigen Messorts durch Fahrzeuge und lösen einen Vorgang aus.

Im Zusammenwirken mit ferngesteuerten Fahrstromschalter (- im Bild nicht dargestellt-) können diese Sensoren genutzt werden, Informations- und Betriebsdaten bereitzustellen, um damit durch die Zentralsteuerung ein ganzes Paket von Betriebsabläufen, anderer Effekte oder Funktionen auszulösen.

Zu Bild 10

Veränderungen des Hardware-Aufwandes führen zu bedeutenden Vereinfachungen und Kosten- bzw. materiellen Reduzierungen. Sie werden bei Verwendung der Drahtlos-Steuerung möglich.

Zu 1. Das Verschwinden des komplexen Steuer-Kabel- und Leitungssystems ist der bedeutendste Nutzen des WLAN-gestützten Steuersystems. Nur die zweipoligen Stromversorgungsleitungen müssen erhalten bleiben.

Zu 2. Alle Hardware-Komponenten der Digitalsysteme sind technisch überholt und entfallen inklusive ihrer Kodiertechniken! Sie können übergangsweise bis zur totalen Systemumstellung integriert bleiben, sofern einige Voraussetzungen berücksichtigt werden.

Die eingangs angeführten Gründe für die Modernisierung der Modellbahn-Steuerung durch das Drahtlos-Steuersystems ist an die Einführung bestimmter moderner und effektiver Konstruktionsprinzipien gekoppelt, die vor allem zur Senkung des materiellen und kostenintensiven Aufwandes führen. Was vorteilhaft für Anwender und Hersteller gleichermaßen ist.

Besonderes Gewicht haben einige Schwerpunkte, die bei zukünftigen Entwicklungen und Konstruktionen zu beachten sind.  

Zu 1. Die Ausrüstung aller Steuermodule mit WLAN-Schnittstelle ist Grundbedingung für das Drahtlos-Steuersystem!

Zu 2, Die Übernahme moderner Konstruktionsprinzipien  und der Standards der Mikroelektronik sowie die Übertragung der Mini-Bauform der Mobilmodule auf alle Steuermodule führt zu effektiven technischen Lösungen!

Zu 3. Die Ausstattung der Steuermodule und Adapter mit Steckverbinder ermöglicht die einfache Montage der Baugruppen unter den beschränkten räumlichen Bedingungen bei der Gestaltung der Modellbahnanlage!

Zu 4. Unter Berücksichtigung Pkt. 3 sollten Stationärmodelle mit ihren Stationärmodulen zu Kompakteinheiten (Paket) mittels Standard-Schnittstellen kombiniert werden. Bei eingeführten Modellen können Adapter die Kombination der Modelle mit den Steuermodulen zu Kompakteinheiten erleichtern!

Zu 5. Die Stromversorgung der Mobil- und Stationärobjekte erfolgt aus einer Standard- Betriebsspannung! Davon abweichende Betriebsspannungen, beispielweise für elektronische Bauelemente, sind  auf der Baugruppe zu erzeugen. Der Zugang der Betriebsspannung erfolgt immer nur am Modell, um zusätzlichen Verdrahtungsaufwand zu vermeiden.

Zu Bild 11

Die Bilder zeigen schematisch die Kompakteinheiten von einem Weichenantrieb und einem Lichtsignal. Zwecks Erhalt der handelsüblichen Antriebe bzw. Modelle sollten leicht zu montierende Adapter-Bausätze angeboten werden.

Die Adapter müssen den Steckverbinder-Standard des jeweiligen Steuermoduls anwenden.

Drahtlos-Steuerung der Modellbahn mit WLAN-Technik

Mit den auf dieser Webseite vorgestellten Texten möchte ich Anreize zur Entwicklung der drahtlosen Steuerung der Modellbahn setzen. Denn für die zukünftige Entwicklung des Modellbahnwesens besitzt die Modellbahnsteuerung hohe Relevanz. Es muss das Ziel sein, in naher Zukunft alle Modellbahnobjekte auf den gleichen technischen Stand zu setzen, wie es inzwischen bei Flug-, Schiffs- und Straßenfahrzeug-Modellen üblich ist.

Dank der in den letzten 10 Jahren beschleunigten Entwicklung der Mikroelektronik und der damit verbundenen verbreitet angewendeten WLAN-gestützten Kommunikationstechnik ist das möglich.

 WLAN-gestützte Steuermodule erlauben die direkte drahtlose Steuerung aller(!) mobilen und stationären Modellbahnobjekte ohne Zwischenschaltung der zurzeit verwendeten drahtgebundenen Steuermodule und ohne den komplizierten, störanfälligen Umweg über die digitalen Gleissignale.

Mit der gegenwärtig angewendeten WLAN- Technik bei Modellbahn-Steuerungen wird das Ziel nicht erreicht!

Dass im Ergebnis ein fast nur auf die Stromversorgung reduziertes, sehr vereinfachtes Leitungssystem entsteht, aber alle Arten digitaler Gleissignale dabei entfallen werden, liegt im Wesen dieses Quantensprungs der Modellbahnsteuerung. Das verlangt aber ein Umdenken und die Umorientierung aller Beteiligten, den Modellbahnern, den Modellbahn-Medien und der Modellbahn-Industrie.

Es ist mir bewusst, dass die Industrie ihre Produkte der Modellbahn-Steuerung generell überarbeiten und die aktivierbaren, mobilen und stationären Modellbahnobjekte (Fahrzeuge, Weichen, Signale usw.) prinzipiell an die neuen Steuersystem-Komponenten durch geeignete Schnittstellen-Standards anpassen muss.

An dieser Stelle muss auch auf die Verantwortung des MOROP und seiner Organisationen für diese technische Weiterentwicklung der Modellbahnsteuerung verwiesen werden.

Die Modell-Industrie selbst muss ihre Produkte so gestalten, dass deren WLAN-gestützte Steuermodule/Decoder mit ihnen zu einer kompakten Einheit werden. Die dafür zu entwickelnden Steuermodule sollten durch Kleinheit, Leistungsfähigkeit und der mit der WLAN-Technik gegebenen Rückmeldefähigkeit gekennzeichnet sein und der Bauform heutiger Lokdecoder folgen. Deren Leistungsfähigkeit und Varianz ermöglicht auch die Steuerung der Stationärobjekte. Das erfordert gegebenenfalls die Kooperation zwischen den beiden Industriezweigen Modell und Elektronik.

Der Modellbahn-Industrie ist also zu empfehlen, sich kurzfristig auf die neue Technik einzustellen und nicht auf Aktivitäten des „Silicon Valley“ zu warten. Europäische Industrie hat sich oft genug neuen Entwicklungen verweigert und so den Anschluss verloren. Herrn Gorbatschows Spruch gilt auch für das Modellbahnwesen.

Der Gedanke, das Modellbahn-Steuersystem entscheidend zu vereinfachen und zu „entschlacken“ muss doch jeden ernsthaften Modellbahner interessieren, ja begeistern. Ich bin davon überzeugt, dass sich mit der Einführung der neuen Techniken nicht nur Vereinfachungen bei ihrem Gebrauch ergeben, sondern auch kostengünstigere Lösungen. Ein wichtiger Grund dafür ist die Verlagerung vieler Funktionen der Modellbahnsteuerung von der Hardware in die Software.

Ich möchte ausdrücklich darauf verweisen, dass die auf meiner Webseite vorgestellte WLAN-gestützte Steuerung der Modellbahnobjekte keine Alternative zu den digitalen Gleissignalen ist.

Sie ist die sich aus dem technischen Fortschritt ergebende, konsequente Weiterentwicklung der Modellbahnsteuerung, an der kein Weg vorbeiführt (siehe auch Entwicklungsstufen in NEM 601).

Jeder kann täglich selbst bei sich oder seiner Umgebung beobachten, welchen Einfluss Smartphone und PC auf das gesellschaftliche Leben haben.

Das folgende Strukturschema zeigt die allgemeine Struktur der Modelbahnbahn-Steuersysteme mit allen ihren Entwicklungsstufen einschließlich ihrer Entwicklungsperspektive und dient dem Verständnis des unten folgenden Textbeitrages „Kritik und Perspektiven der Modellbahnsteuerung“. Die im Schema rot markierten Begriffe beschreiben die Entwicklungsfelder, die Überaabeitet oder weiterentwickelt werden müssen, um das beschriebene Ziel zu erreichen.

Der folgende Text beschreibt das WLAN-gestützte Standard-Modellbahn-Steuersystem, das alle digitalen Gleissignale ablöst. Deshalb ist zu erwarten, dass die beschriebene technische Lösung erheblichen Widerspruch und Gegenargumentationen hervorrufen wird. Zumal sich die Technik der digitalen Gleissignale zweifellos gegenwärtig auf einem hohen technischen Stand befindet. Aber die inzwischen beschleunigt entwickelten Kommunikations- und Informationstechniken ermöglichen die grundsätzlich einfachere Steuerung der Modellbahn mit WLAN-Technik.

Das bisher noch verbreitete Hobby „Modelleisenbahn“ wird bestimmt durch die Technik seiner Bedienung und ist deshalb abhängig von den verwendeten Steuersystemen. Letztere bestimmen die Vorbildtreue des Modellbahnbetriebes. Die Modellbahnsteuerung selbst ist in den vergangenen mehr als 100 Jahren Geschichte des Modellbahnwesens mehrfach der technischen Entwicklung angepasst worden und befindet im Zeitalter der Computer- und Netzwerk-Technik zweifellos vor einer weiteren Neuerung, der drahtlosen Übertragungstechnik mit WLAN-Funktechnik. Funktechnik ist bei Modellbahnen länger bekannt, WLAN-Netzwerktechnik ist eine neue Qualität (siehe Kasten „ Vorteile von WLAN- gestützten Steuerungen“.

Größtes Hemmnis ist das für die Steuerung vieler Modellbahn-Funktionen erforderliche komplexe und verwirrende Leitungssystem der Modellbahnanlage. Moderne Verfahren der Informations- und Kommunikationstechniken, wie der WLAN-Technik, ermöglichen ein deutlich einfacheres und stark reduziertes Leitungssystem, da alle Modellbahnobjekte (Fahrzeuge, Weichen, Signale usw.) dem drahtlosen Netzwerk zugeordnet werden können.

Die drahtlose Übertragung der Steuersignale ersetzt die Übertragungs-Leitungen zwischen Steuerzentrale und Endgeräten der Modellbahnobjekte (nach NEM: Steuermodule). Kabel oder Leitungen gibt es nur zwischen Stationärobjekt und Steuermodul, sofern nicht eine Kompaktlösung verwendet wird. Dafür gibt es oft mehr oder weniger Gründe konstruktiver Art.

Mit dem schnellen WLAN-Funksystem entsteht so die universelle und kompatible Standard-Modellbahnsteuerung der Zukunft mit hervorragenden Eigenschaften. Voraussetzung für die Einführung des modernen Übertragungssystems ist die Ausstattung der dezentralen Objekt-Steuermodule mit WLAN-Schnittstellen.

Eine wichtige Eigenschaft der WLAN-Übertragungssystems ist die Bidirektionalität. Das bedeutet, dass der Datenaustausch in beiden Richtungen erfolgt. So können wichtige Melde- oder Messfunktionen auf dem gleichen Übertragungskanal erfolgen. Die entsprechenden Steuermodule können also Steuerbefehle ausführen und deren Vollzug unmittelbar zurückmelden, bei Weichen z. B. nach dem Stellen der Weiche die Meldung der Weichenstellung. Beide Funktionen können in einem Gerät kombiniert werden, im Gegensatz zu heutigen Verfahren.

Alle mobilen und stationären Modellbahnobjekte werden so mit Funk direkt gesteuert. Sie benötigen an ihrer Anlagenposition neben ihrem Steuermodul eine Energieversorgung. Sie erfolgt aus einem Schutz-Kleinspannungsnetz entweder über das Gleis bei mobilen oder mit einer direkten Leitung bei stationären Objekten.

Gegenwärtig verwenden einige neue Steuersystem-Entwicklungen die Vorteile der WLAN-Technik nur halbherzig, weil sie das zur Übertragung notwendige Leitungssystem beibehalten und die langsamen digitalen Gleissignale nach wie vor benutzen. Letztere aber sind aber aus der Sicht des Ingenieurs für die Modellbahn-Steuerung so etwas, wie eine Krücke für einen Gehbehinderten. Die  bei der Kopplung von Energie- und Informations-Übertragung zu einem Gleissignal entstehenden Mängel, hauptsächlich hervorgerufen durch Kontaktstörungen, führen zu Problemen.

Bei der Nutzung von WLAN sind die Gleissignale technisch überflüssig, da sie eine doppelte Kodierung/Decodierung im Übertragungssystem bewirken. Denn die Steuersignale können unverschlüsselt direkt aus dem WLAN-Datensatz entnommen werden. Somit werden alle Varianten der digitalen Gleissignale überflüssig. Die „Krücken“ können weggeworfen werden und gleichzeitig verschwinden viele Ihrer systembedingten Mängel. Das ist eine logische Folge der technischen Entwicklung, vergleichbar mit der Ablösung der Video-Kassette durch die DVD, oder der Dampflok durch Diesel- und E-Lok.

Erhalten aber bleiben alle für die Steuerung von den Funktionen der mobilen und stationären Objekte erforderlichen Datensätze! (siehe Kasten „Notwendige Voraussetzungen für WLAN-gestützte Steuerungen“).

1. Betrachtungen zur Hardware (Geräte)

Mobilobjekte

Die Fahrzeuge müssen WLAN-fähige Steuermodule erhalten, die die in digitalen Lokdecodern  verfügbaren Funktionen der Fahrzeuge steuern (siehe Kasten „Mobildecoder/Steuermodul Fahrzeug“). Die in den WLAN-Datenpaketen enthaltenen Steuersignale werden direkt verarbeitet den Steuerfunktionen zugeführt. Die zusätzliche Kodierung/Decodierung in DCC, MM usw. kann entfallen!

Abwärtskompatibilität zu den digitalen Steuersystemen kann wahlfrei gestaltet werden.

Stationärobjekte

Die Vielfalt der Stationärobjekte, beginnend mit Weichen und Signalen, erfordert auch entsprechende WLAN-fähige Steuergeräte. Deren Eigenschaften werden im Kasten „Stationärdecoder/Steuermodul Stationärobjekt“ beschrieben.

Weitere Aspekte

Die vorstehend beschriebenen zwei Steuermodule bilden in der Perspektive die Basis der zukünftigen Modellbahn-Steuersysteme zusammen mit einer ausgewählten PC-gestützten Konfiguration der zentralen Steuerung, einschließlich mobiler und stationärer Fahrregler (siehe Bild 1, Bild 2). 

Für neu zu errichtende Modellbahnanlagen ist das eine große Erleichterung. Bei den folgenden Darlegungen werden aber aus Gründen der Vollständigkeit die bestehenden und die perspektivischen Techniken zusammenhängend betrachtet.

Unabhängig davon, ob Neuanlagen ausgestattet werden sollen oder Altanlagen umgerüstet werden sollen, muss geklärt werden, welche Betriebsart dominieren soll. Zur Auswahl stehen der „Lokführer-“ und der „Fahrdienstleiter-Betrieb“.

Der „Lokführerbetrieb“ erlaubt den einfacheren Betrieb mit mobilen Fahrreglern, die direkt auf mobile und stationäre Objekte zugreifen. Das Verfahren ist aus Sicht des Modellbahners sowohl für bestehende Heimanlagen oder für Modulanlagen geeignet, bei denen der Modellbahnbetrieb in einem überschaubaren Bereich abläuft.

Die Stromversorgung erfolgt mit Gleichspannung (Schutz-Kleinspannung). Die Gleisanlage muss bei dieser Betriebsart nur Betriebsstrom erhalten. Polarität muss bei Kehrschleifen usw. beachtet werden, dementsprechend werden Schalteinrichtungen benötigt..

Der „Fahrdienstleiter-Betrieb“ bietet den umfassenden Einsatz aller Steuertechniken. Dafür müssen zwei wichtige technischen Voraussetzungen geschaffen werden.

1. Wie beim Vorbild wird die Gleisanlage in Gleisabschnitte aufgeteilt. Deren Stromversorgung muss einzeln steuerbar und umschaltbar für jede Art Betriebsstrom sein, wenn es der Fahrzeugpark erfordert. D.h., wenn wegen Nachhaltigkeit Analog- und Digital-Fahrzeuge betrieben werden.
2. Für die Standortbestimmung der Fahrzeuge ist die Ausstattung der Gleisabschnitte mit Besetztmelde-Sensoren zwingend notwendig. Die Zuordnung der Fahrzeuge zu ihrem jeweiligen Gleisabschnitt ermöglicht die computergestützte Zugverfolgung[i]

Der Fahrdienstleiter-Betrieb ist mit diesen Voraussetzungen die Basis für universellen und kompatiblen Betrieb aller Modellbahnanlagen. Unter „Fahrdienstleiterbetrieb“ ist die Steuerung komplexerer Modellbahnanlagen mit umfangreicherem Zugbetrieb verstehen. Der Fahrdienstleiter steuert mit virtuellen oder physischen Gleisbild-Stellwerken den Betriebsablauf dieser Anlagen.

Der vorwiegend mit mobilen Fahrreglern durchgeführte Lokführer-Betrieb wird in den Fahrdienstleiter-Betrieb nach vorgegebenen Regeln eingeordnet.

Der Fahrdienstleiter-Betrieb erfordert den Einsatz des Multifunktions-Steuermoduls „Fahrgerät“. Für reine WLAN-Systeme muss es zwei Hauptfunktionen je Gleisabschnitt besitzen:

1.  eine fernschaltbare Einspeisung des Fahrstromes,
2.  nen Besetztmeldesensor.und
3.  die programmierbare Generierung der digitalen und analogen Gleissignale.

Das Steuermodul „Fahrgerät“ wird mit diesen Aufgaben zu einem Multifunktionsgerät (siehe Kasten „Fahrgerät“). Es muss von stationären Fahrreglern der Steuerzentrale wie auch von mobilen Fahrreglern angesteuert werden können!

Dabei muss berücksichtigt werden, dass die Multifunktionen nur solange benötigt werden, wie die Fahrzeuge mit digitalen Gleissignalen betrieben werden. Ansonsten reichen die beiden erstgenannten Funktionen. Mit ihnen meldet sich nach dem Betriebsstrom-Einschalten ein Mobilobjekt bei der Zentrale an und mit dem Besetztmeldesignal kann sie das Objekt dem Gleisabschnitt zuordnen. Was übrigens prinzipiell auch für die Stationärobjekte gilt.

Das Gleissystem ist abschnittweise nach betriebstechnischen Prinzipien mit doppelten oder einseitigen Trennstellen zu organisieren. Bei klassischer Schaltungstechnik der Altanlagen sind diese oft vom Ursprung her vorhanden. Für betriebstechnische Abläufe können zusätzlich einpolig getrennte schaltbare Unter-Gleisabschnitte eingerichtet werden. Diese erfordern auch Besetztmeldesensoren und Schalteinrichtungen ähnlich den Prinzipien des klassischen Analogbetriebes. Wenn dann das Fahrgerät auch für die gesteuerte Generierung von analogen und digitalen Gleissignalen geeignet ist, dann können die im Gleisabschnitt befindlichen WLAN-, Digital- und Analog-Fahrzeuge mit jeweils eigenen Fahrströmen gespeist werden.

So stellt das Steuermodul „Fahrgerät“ gerätetechnisch die Grundlagen der Kompatibilität für viele Arten der Fahrstromsysteme bereit. Dieses Prinzip muss sowohl von der Hardware wie der Software unterstützt werden. So finden auch Nachhaltigkeits- und Nostalgie-Aspekte Beachtung.

Das „Aber“ dieses Multifunktionsgerätes ist, ob dieser Aufwand auch wirklich erforderlich und vertretbar ist?

Steuerzentrale

Bei der Einbindung eines PC oder spezieller Steuerzentralen in das Steuersystem ist die Verwendung eines Gleisbild-Stellpultes möglich, entweder virtuell auf einem Bildschirm oder real mit einem physisch vorhandenen Gleisbild-Stellpult.

Bei obiger Betrachtung wurde nicht auf die vielen Nebenfunktionen der Modellbahn eingegangen, die bis zur Videotechnik reichen und mit der WLAN-Technik in das System eingeordnet werden.

Ziel war die Kurzbeschreibung der Hardware des Basis-Steuersystems, dessen vorstehend beschriebene Steuergeräte entscheidend für den perspektivischen Modellbahnbetrieb sind. Sie sind unten im Bild und in der Zusammenfassung dargestellt.

2. Betrachtungen zur Software (Programme)

Das Modellbahn-Betriebssystem muss die Steuerung aller Fahrstromsysteme in Abhängigkeit von dem im Gleisabschnitt befindlichen Fahrzeug unterstützen, so dass Forderungen nach Universalität und Kompatibilität erfüllt werden. Mit dem Gleisbild-Stellpult werden Start-Ziel-Fahrten programmiert und automatisch durch Einhaltung der Betriebsregeln vorbildgetreu durchgeführt.

Weiterhin muss das Modellbahn-Betriebssystem komplexere Betriebsabläufe, wie Zugverfolgung, Steuerung von Fahrstraßen, Fahren nach Fahrplänen und andere automatisierte Abläufe unterstützen. Selbstverständlich sind: Zwei-Richtungsverkehr im Gleisabschnitt (Block), Fahren nach Signalisierung, Beachtung besetzter Gleisabschnitte und Weichenstellungen, Flankenschutz, Erkennung von Entgleisungen und Zugtrennungen, Fahrtrichtungswechsel nur bei Stillstand oder nach Erzwingung des Stillstandes, Mehrfachtraktion, eigenständige Steuerung mehrerer Teilbereiche größerer Anlagen (Bahnhöfe), automatische Installation der Systemkomponenten sowie Update-Fähigkeit.

Zusammenfassung der Basiskomponenten des

WLAN-gestützten Modellbahn-Steuersystems gegliedert nach Betriebsart