Version vom 24. Januar 2006, 11:59 Uhr

Ergänzend zu dem Übersichtsartikel Modellbahnsteuerung will dieser Artikel in einem eher theoretischen Ansatz wichtige Begriffe und Definitionen vermitteln, die in dem Hauptartikel verwendet werden.

Begriffe

Es muß zwischen Steuern und Regeln einer physikalischen Größe 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 (Regelkreis), bei dem der Informationsfluss geschlossen ist.

Beispiele aus dem Modellbahnbereich:

• Lastregelung moderner Decoder: Hier wird bei Bergauffahrt mehr Energie zugeführt und bei Bergabfahrt weniger, so daß die Geschwindigkeit gleich bleibt. In den meisten Fällen wird hingegen der Bediener den Regelkreis schließen, indem er selbst die Geschwindigkeit am Fahrtrafo korrigiert.

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

Funktionen, die nur die Zustände "An" oder "Aus" besitzen, werden i. a. gesteuert, während "kontinuierliche", die beliebige Zwischenwerte annehmen können, sich steuern oder regeln lassen.

Funktionen und Bauglieder

Eine Modellbahnsteuerung steuert vor allem den Zugbetrieb (Hauptfunktion). Hierzu gehören z. B. die Fahrgeschwindigkeit, die Fahrtrichtung, Signalstellungen, Fahrstraßen etc. Dazu stützt sie sich auf Meßfunktionen ab, die insbesondere der Sicherung des Zugbetriebs dienen. Darunter fallen z. B. Besetztmelder oder die Weichenrückmeldung. Die meisten Funktionen werden elektrisch betrieben, so daß z. B. auch die Stromversorgung Teil der Modellbahnsteuerung ist (Versorgungsfunktion). Weiterhin gibt es z. B. Funktionsmodelle wie Kräne, Windmühlen, Haus- und Straßenbeleuchtung (sogenannte Nebenfunktionen). Eine genauere Definition und Einteilung findet man in der NEM 600 "Modellbahn-Steuerungen - Begriffsystematik, Oberbegriffe".

Zu einer Steuerung gehören folgende Bauglieder:

• Stellglieder: Die Stellglieder geben Befehle an die Steuerung. Dies können Schalter, Taster, Reed-Kontakte etc. sein.
• Funktionsglieder: Die Steuerung wirkt auf die Funktionsglieder und steuert sie. Bei einer Modellbahn fallen z. B. Weichenantriebe, Lokomotiven oder Lämpchen darunter.
• weitere Steuerglieder wie Verstärker (z. B. Booster), Zeitgeber, Speicher, Prozessoren etc.

Modellbahnsteuerungen werden häufig hierarchisch aufgebaut. Die Einteilung ergibt sich nach der Art des Eingriffs (siehe NEM 600):

• Auf der untersten Ebene findet man Steuerungsfunktionen, die unmittelbar auf Modellbahnfunktionen wirken oder sie melden. Dies können z. B. Relais sein, die den Fahrstrom schalten, oder Besetztmelder.
• Die mittlere Ebene umfaßt Steuerungen, die Steuerungen der untersten Ebene nach bestimmten Kriterien zusammenfassen. So besteht z. B. eine Blockstreckensteuerung in der Regel aus mehreren Besetztmelder, einem Relais zum Abschalten des Fahrstroms sowie einer Verknüpfung, die die eigentliche Blockfunktion realisiert.
• Die Steuerungen höherer Ebenen wirken auf die der mittleren und unteren Ebenen ein. Hierunter fallen z. B. Gleisbildstellpulte.

Steuersignale am Beispiel einer Weiche: Schalter im Stellpult geben das Befehlssignal die Steuerung, die es in ein Stellsignal umwandelt (z. B. durch Stromverstärkung). Dieses Stellsignal bewirkt im Funktionsglied Weiche das Umlaufen in die andere Position. Dieser Vorgang wird von der Steuerung überwacht, indem sie Meldesignale in Form der Weichenrückmeldung vom Funktionsglied Weiche einliest. Dieselben Meldesignale werden in der Anzeige (Stellpult) verwendet.

Die NEM 603 "Steuersignale - Definitionen, Kennbuchstaben" definiert:

• Meldesignale, die die Zustände und/oder die Änderungen bestimmter Modellbahnfunktionen messen und/oder melden (Meldungen von Sensoren). Hierzu gehören z. B. Besetztmelder
• Rückmeldesignale, die den bestehenden Zustand bestimmter Modellbahnfunktionen melden (Zustandsmeldungen von Aktoren). Hierzu gehört z. B. die Weichenrückmeldung (Weichenstellungssignal nach NEM)
• Stellsignale, Befehlssignale, die den Zustand der Modellbahnfunktionen (Aktoren) beeinflussen. Hierzu gehören z. B. Weichenstellsignale, Signalstellsignale, Fahrstrombeeinflussung etc.
• interne Steuersignale, die auf verschiedenen Verarbeitungsstufen der Steuerung vorhanden sind und auf Ursachen oder Wirkungen hinweisen bzw. Verarbeitungszustände der Steuerung signalisieren. Diese internen Steuersignale dienen meistens Sicherheitsaspekten innerhalb von z. B. Blockstreckensteuerungen.

Wichtig: Der Begriff "Signal" ist hier im Sinne von "Information" zu verstehen. Es kann leicht zu Verwechslungen mit "Formsignal" oder "Lichtsignal" o. ä. kommen.

Es müssen nicht immer Stellsignale und Meldesignale bei einem Funktionsglied vorhanden sein. Ein Funktionsglied "Besetztmelder" verfügt z. B. nicht über ein Stellsignal; ein Funktionsglied "Weichenantrieb ohne Endkontakte" besitzt kein (Rück-)meldesignal. Eine Steuerung kann auch mehrere Funktionsglieder ansteuern (z. B. mehrere Weichenantriebe bei einer Fahrstraßensteuerung). Die angesteuerten Funktionsglieder können auch unterschiedlich sein, wenn z. B. Ein- oder Ausfahrsignale und Fahrstromrelais in die Fahrstraßensteuerung einbezogen werden.

Prinzipielle Realisierungsmöglichkeiten

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.

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:

• 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

Verdrahtung

Der Informationsaustausch zwischen der Steuerung und den Stell- sowie Funktionsgliedern geschieht häufig elektrisch. Dazu sind die Glieder mittels Leitungen zu verbinden. Neben den Stellsignalen wird über diese Leitungen meistens auch die notwendige Energie für den Stellvorgang (z. B. für das Umstellen der Weiche) übertragen. Einige Hinweise dazu vermittelt der Artikel Fahrstromverdrahtung.

Im klassischen Fall sind zahlreiche Leitungen notwendig.

Im klassischen Fall verbindet man alle Stellglieder mittels Leitungsbündeln mit der Steuerung. Ebenso verfährt man mit den Funktionsgliedern (zur Steuerung und zur Anzeige). Da die Steuerung häufig zentral aufgebaut ist (z. B. in Form eines (Gleisbild-)Stellpults und einiger Steuerungskomponenten, die Funktionsglieder sich jedoch über die ganze Anlage verteilt befinden, entsteht ein hoher Verdrahtungsaufwand mit nicht unerheblichen Kabelmengen. Man bezeichnet eine solche Verdrahtung als "parallel", weil für jedes Signal eine eigene Leitung vorhanden ist. Da die Glieder häufig mit mehr als einer Leitung angeschlossen werden müssen, liegen die Leitungen zwischen den Gliedern quasi "parallel" (siehe Bild).

Die von der Modellbahnindustrie angebotenen Hilfsmittel zu Verdrahtung entsprechen nicht den modernen Möglichkeiten, die die elektrotechnische Industrie anbietet. Insbesondere bei Modellbahnanfängern ist das Thema "Elektrik" daher sehr unbeliebt.

Mit einer Busverdrahtung sinkt die Leitungszahl. In den Funktionsgliedern sind jedoch zusätzliche Decoder notwendig.

Mit Aufkommen der Digitalsysteme hat sich die Anlagenverdrahtung stark geändert. Die Steuerung ist (z. B. in Form der Digitalzentrale oder des PCs) nach wie vor zentral, die Stellsignale werden jedoch über eine Zweidrahtleitung an alle Funktionsglieder übertragen. Vor Ort in der Anlage (und in den Loks) übernehmen sogenannte Decoder die Aufgabe, die Stellsignale für das jeweilige Funktionsglied aus dem Digitalsignal zu entnehmen und auszugeben (z. B. beim Betrieb mit Weichendecodern). Da die Digitalsysteme im allgemeinen nicht fähig sind, auch die (Rück-)Meldesignale auf demselben Weg wie die Stellsignale zu übertragen, kommen hierfür gesonderte Bussysteme wie S88 oder LocoNet zum Einsatz. Bei den modernen Systemen erfolgt die Übertragung der Daten "seriell", also zeitlich hintereinander.