Aktuelle Version vom 26. Dezember 2009, 13:43 Uhr

Ein wesentliches Problem bei Modellbahnsteuerungen ist, daß der Begriff viele unterschiedliche Aspekte beinhaltet. Auch der Umfang der zu steuernden Aufgabe kann sich erheblich unterscheiden. Hieraus resultieren viele Mißverständnisse, weil man bei dem Begriff "Modellbahnsteuerung" stets definieren muß, was man bei seiner konkreten Verwendung meint. Ein solches Mißverständnis war auch letztlich Anlaß einer umfangreichen Diskussion in der Newsgroup de.rec.modelle.bahn, aus der dieser Artikel hervorging. Dieser Übersichtsartikel versucht, die unterschiedlichen Sichtweisen zu erläutern und Lösungen bzw. Konzepte aufzuzeigen und gegenüberzustellen. Er wird ergänzt durch eine Reihe anderer Artikel, die näher auf Details eingehen.

Begriffe

Zunächst sollte zwischen Steuern und Regeln unterschieden werden. Beim Steuern wird, allgemein gesprochen, eine Ausgangsgröße durch Veränderung einer Eingangsgröße beeinflusst. Ein- und Ausgangsgröße sind durch Übertragungsglieder miteinander verbunden. Hierbei findet keine Rückmeldung statt. In weiten Teilen der Modellbahn wird hierfür der Begriff Schalten verwendet. Beispiele aus dem Modellbahnbereich: Druck auf Weichenumschalter -> Weiche wird umgelegt Dreh am Trafoknopf -> Lok fährt

Beim Regeln wird eine Größe erfasst, mit einer anderen Größe verglichen und abhängig vom Ergebnis die erste Größe beeinflusst. Es entsteht ein Wirkungskreislauf, bei dem der Informationsfluss geschlossen ist.

Beispiele aus dem Modellbahnbereich: Lastregelung moderner Decoder: Hier wird bei Bergauffahrt mehr Energie zugeführt und bei Bergabfahrt weniger. sodaß die Geschwindigkeit gleich bleibt. In den meisten Fällen wird hingegen der Bediener den Regelkreis schließen.

Ein weitere, wichtiger Begriff ist das Melden. Hierunter werden z.B. Rückmeldungen von besetzten Gleisen, die Stellung von Weichen und ähnliches verstanden.

Grundlagen

Die Modellbahnsteuerung kann man zunächst grob in die beiden Teilbereiche Fahren und Schalten unterteilen. Jeder der beiden Bereiche kann nun unabhängig voneinander mit verschiedenen Mitteln betrieben werden. Eine weitere Unterteilung kann nach der Art der Ansteuerung geschehen; mechanisch, elektrisch/analog und elektronisch/digital.

Mechanisch fahren wäre z.B. bei Brio gegeben, soll hier aber nicht weiter besprochen werden. Mechanisch schalten findet dagegen in vielfältiger Hinsicht statt, angefangen bei den sogenannten Handweichen der Startsets bis zu komplexen, vom Vorbild übernommenen mechanischen Stellwerken. Analog fahren ist die klassische Art des Modellbahnbetriebes. Die Lok ist über die Schienen mit dem Trafo verbunden; durch Veränderung der Spannung am Gleis wird die Geschwindigkeit eingestellt. Analog schalten ist dann der Schalter, der z.B. einen elektrischen Weichenantrieb steuert. Digital fahren erfordert einen Decoder in jedem Triebfahrzeug. Alle auf einer Anlage befindlichen Decoder 'hören' die auf dem Gleis übermittelten Daten mit und reagierenn nur dann, wenn sie direkt 'angesprochen' werden. Digital schalten erfordert für die zu schaltenden Komponenten (Weichen, Signale etc.) ebenfalls einen Decoder. Die Daten werden ebenfalls über das Gleis oder über eine separate Leitung, den sogenannten Gerätebus, übermittelt.

Fahren

Analog

Bei der 'klassischen' Analogsteuerung gibt es jeweils einen geschlossenen Stromkreis für ein Triebfahrzeug. Bei mehreren auf der Anlage befindlichen Triebfahrzeugen muß man die Anlage in verschiedene, elektrisch getrennte Blöcke aufteilen. Diese werden dann mit verschiedenen Methoden mit Strom versorgt. Ganz klassisch per simpler Zuschaltung des jeweiligen Fahrreglers auf die benötigten Gleise. Die sogenannte Z-Schaltung verbindet Fahrregler direkt mit jedem beliebigen Gleisabschnitt. Das wird durch gegenseitig auslösende Tastensätze, Drehschalter oder kurze Kabel in einem Stellpult erreicht. Die bei analog betriebenen Anlagen benutzte Abschaltung von Gleisabschnitten, um Triebfahrzeuge abzustellen, gehört ebenfalls hierher.

Digital

Hier liegt die Energie zum Fahren ständig am Gleis an, eine Unterteilung der Anlage in Blöcke ist nicht nötig. Die einzelnen Fahrzeuge werden mit Decodern ausgerüstet. Die Änderungen am Fahrregler (1-2 oftmals direkt in der Zentrale eingebaut) werden von der Zentrale in Datenpakete umgewandelt und über die Gleise ausgesendet. Alle Decoder empfangen dieses Signal, aber nur der jeweils angesprochene reagiert darauf.

Schalten

Mechanisch

Von Hand umzulegende Weichen, zu stellende Signale etc. sind wie beim Vorbild auch bei der Modellbahn üblich.

Analog/elektrisch

Steuerung der Stellglieder mittels einzelner Schalter, die 1:1 mit den Funktionsgliedern (Weichen, Signale, Licht usw.) verbunden werden. Das Ganze geht mit vielen Kabeln einher und erlaubt keine Abhängigkeiten der Schaltvorgänge untereinander.

Digital

Alle Stellglieder sind mit Decodern ausgerüstet und über eine Leitung, den sogenannten Bus (der auch das Gleis sein kann) verbunden. Eine Zentrale (meist die Zentrale) ist mittels dieses Busses in der Lage, jede Komponente einzeln anzusprechen und zu schalten.

Melden

Mechanisch

?

Analog/elektrisch

Einzelne Besetztmelder werden separat verdrahtet zum Stellpult geführt und dort z.B. als Leuchtsignal angezeigt.

Digital

Die Rückmeldungen 'aus der Anlage' wie z.B. von Belegtmeldern werden über eine gemeinsame Leitung zur Zentrale geschickt. Hierzu benötigt jede Meldeeinheit wiederum einen Decoder.

Zweck der Steuerung

Typische Aufgaben für Modellbahnsteuerungen sind:

• Steuern der Geschwindigkeit und der Richtung von Zügen
• Schalten von Weichen und Signalen
• Verhindern von "Zugunfällen"
  • mittels Blockstrecken (Auffahrunfälle)
  • mittels Fahrstraßen und Verriegelungen (Bedienfehler, z.B. falsch gestellte Weiche)
• automatisches Schließen und Öffnen von Bahnschranken
• automatisches langsames Abbremsen und Anfahren an Signalen
• Vollautomatischer Vorführbetrieb

Die notwendige Komplexität und der Aufbau einer Steuerung hängen wesentlich von der Aufgabe, dem Automatisierungsgrad und der Anlagengröße ab. Allgemeingültige Aussagen lassen sich daher kaum treffen. Dieser Artikel stellt zunächst eher theoretisch vor, wie Steuerungen aufgebaut sind, bevor er sich den praktischen Realisierungen widmet.

Realisierung

Komponenten

Stellglieder

Die Stellglieder, mit denen der Modellbahner die zu steuernden Funktionen auslöst, sind in der Regel handelsübliche Schalter, Taster oder Potentiometer, die entweder als Teil von fertigen Steuergeräten von den Modellbahn- oder Zubehörherstellern verkauft werden oder bei teilweisem oder kompletten Selbstbau an die Steuerglieder angeschlossen werden. Die Stellglieder sind normalerweise in (Gleisbild-)Stellpulten angeordnet. Die Stellpulte wiederum können zentral für die gesamte Anlage oder mehrfach dezentral nur für bestimmte Anlagenteile zuständig sein. Die Bandbreite reicht von den Mehrfach-Tasterkästen der Modellbahnhersteller über Taster und Schalter von den Elektronikversendern bis hin zur professionell gefertigten Nachbildung von SpDrS60-Stelltischen (Beispiel Firma Erbert). Als Stellglieder kommen ebenso PC mit Bildschirm, Tastatur und Maus (oder Touchscreen) infrage. Auch von Hand zu bedienende, rein mechanische Stellglieder sind in Teilbereichen möglich und üblich.

Anzeigen und Melder

Die Modellbahn- und Zubehörindustrie hat die Anzeige von (Rück-)Meldesignalen lange Zeit vernachlässigt. Entsprechend werden nur wenige Lösungen kommerziell angeboten. Hier ist man im wesentlichen auf Selbstbau mit LEDs und Lämpchen angewiesen. Anders sieht es bei PC-basierten Steuerungssystemen aus. Hierbei steht im allgemeinen der Monitor zur Anzeige zur Verfügung. Die digitalen Meldesignale werden über einen Bus weitergeleitet, der alle Komponenten verbindet.

Bussysteme

S88

Den Meldebus S88 hat Märklin in den 80er Jahren eingeführt. Es handelt sich dabei um ein sogenanntes Schieberegister, das die Eingangssignale parallel einliest und seriell über den Bus weitergibt. Die Taktrate beträgt ca. 5-6 kHz. Pro S88-Bus können 31 Module mit je 16 Eingängen angeschlossen werden, so dass eine maximale Anzahl von 496 auswertbaren Rückmeldeeingängen resultiert. Der interne Aufbau ist sehr einfach, so daß es viele zu S88 kompatible Geräte gibt. Hierzu gehören auch Schaltungen, die eine Kopplung mehrerer S88-Busse ermöglichen; dem entsprechend erhöht sich die Anzahl der auswertbaren Rückmeldungen. Auch ein Selbstbau von S88-Bausteinen ist mit etwas Geschick möglich. Die Einfachheit führt jedoch unter Umständen zu Problemen, so daß die Signale nicht korrekt übertragen werden. Abhilfe schaffen häufig geschirmte Kabel anstelle der ungeschirmten Flachbandkabel, die Märklin vorgesehen hat. Eine zusammenstellende Beschreibung zur Funktion mit Anschlußbeispielen findet man bei Railware: http://www.railware.com/s88.html. Der S88-Bus wird von vielen Digitalzentralen unterstützt; eine Übersicht hierzu ist im Artikel Digitalzentralen enthalten. Im Digitalprojekt wurde eine Technik entwickelt, mit der sich der S88-Bus an die parallele Schnittstelle des PCs anschließen und von auf dem PC laufenden Programmen auswerten läßt.

LocoNet

LocoNet ist ein Peer-to-Peer Netzwerk, das einen gleichberechtigten Zugriff aller LocoNet-kompatiblen Komponenten in beiden Richtungen zulässt. Verbindungen sind über ein einfaches, preiswertes Steckersystem (RJ12-Würfelstecker) in Stern- oder Busform möglich.

Funktionsglieder

In die Kategorie Funktionsglieder fallen:

• Lokomotiven
• Wagen mit Sonderfunktionen (z. B. Licht)
• Weichen
• Signale
• Besetztmelder
• Gleiskontakte
• Lichtschranken
• Funktionsmodelle (Kräne, Drehscheiben, Schiebebühnen, Windmühlen, ...)
• Toneffekte
• ...

Die Modellbahn- und Zubehörhersteller liefern ein umfangreiches Angebot. Bei Besetztmeldern kommen entweder käufliche Lösungen oder Selbstbaulösungen in Betracht.

Steuerglieder

In die Kategorie Steuerglieder fallen:

• Stellstangen
• Schalter
• Relais und Relaisschaltungen
• Diodenmatrix
• Elektronikschaltungen
• Digitalzentralen
• PC

Wie sich leicht erahnen läßt, sind hier sowohl käufliche Lösungen als auch Selbstbau in allen Preislagen möglich. Für welche Variante man sich entscheidet, hängt im wesentlichen ab von:

• den Ansprüchen und zu realisierenden Anforderungen
• dem zur Verfügung stehenden Budget und Zeitrahmen
• Elektrik-, Elektronik- oder Computerkenntnissen
• Handwerklichen Fähigkeiten

Verknüpfungen

Durch sinnvolles Verknüpfen verschiedener Komponenten gewinnt die Steuerung neue Funktionen.

Schalten

Mechanisch

Schon auf der mechanischen Ebene kann man (wie beim Vorbild) durch sinnvoll verbundene Hebel, Rasten, Klinken und ähnlichem z.B. die Freigabe eines Signals von der Stellung einer Weiche abhängig machen.

Analog

Einfacher und vielfältiger wird das Ganze, sobald man die Komponenten elektrisch schaltet; z.B.:

• Abhängigkeit der Fahrspannung und Signal oder Weichenstellung, oft mittels Kontakten an den Signalen. Das ganze ist aber eine recht punktuelle Sache.
• Abhängigkeit der Signal- und Weichenstellungen voneinander. Dies bedeutet eine Umsetzung des Bahnhofs in "Logik", die man mit Relais verwirklichen kann. "Signal A kann nur auf grün gestellt werden, wenn Weichen B und C richtig liegen".
• Abhängig der Signal- und Weichenstellungen durch die Züge selbst. Dazu stellen die Züge mittels Schienenkontakten (Reed-Kontakte, ...) ihre Weichen und Signale selbst (Beispiel Blockstreckensteuerung).

Ein logisches Netzwerk, das alle Möglichkeiten eines Bahnhofs berücksichtigt wird schon bei kleinen Bahnhöfen recht komplex, und - da alles mit Relais "hart verdrahtet" wird - ist es aufwendig und äußerst änderungsresistent, d.h. man muß vor dem ersten Relais bereits das gesamte Netzwerk durchdacht und geplant haben. Aufgrund des hohen Aufwands sind solche "Relaisgräber" selten billig. Weil sie auch umfangreich sind, ist eine Fehlersuche oftmals schwierig. So etwas kann ohne jede Beeinflussung des Fahrstromes gebaut werden, man kann aber auch die jeweilige Fahrspannung mitschalten, was es aber noch viel schwieriger macht. Ähnliches gilt auch, wenn man anstelle der Relais mit elektronischen Logikbausteinen (z. B. CD40xx oder 74xx) arbeitet.

Ein wenig Abhilfe schaffen hier standardisierte Funktionsbausteine, die mit Hilfe von Diodenmatritzen "programmiert" werden.

Eine völlig andere Zielrichtung verfolgen Schaltungen, die die Bedienung verändern, indem man z.B. Start- und Zieltasten in einem Gleisbildstellpult verwendet. Aber das kann man auch mit dem oben gesagten kombinieren.