Zugsteuerung (Technik)

Protokolle auf dem Gleis der Modellbahn

Die Technik der Zugsteuerung einer digitalen Modelleisenbahn ist heute eine Wissenschaft für sich. Reichte es „in den Kindertagen“ einen Trafo an das rote und braune Kabel des Stromgleises anzuschließen, eine Lok darauf zustellen und über den Drehregler am Trafo die Spannung zu erhöhen, so spielen heute Computer, Booster, Watch-Dogs, Weichen- und Signaldecoder, … eine tragende Rolle. Und als ob das nicht reichen würde gibt es, wie in fast jeder Technik, auch noch verschiedene Protokolle.

Die Firma Märklin hat mit ihrem Digital-System einst das MM-Format (Motorola) entwickelt. Die Firma Lenz hatte das Format DCC (Digital Command Control) entwickelt. Heute sind beide Formate, von den meisten Digitalzentralen gleichzeitig, auf einem Gleis steuerbar. Dies nennt man Mischprotokoll.

Auf der Modellbahn-Anlage Miningen fahren wir im Mischprotokoll, also sowohl MM als auch DCC und auch im neuen Märklin-Format mfx. Dies soll sich im Laufe der Zeit aber auf einen reinen DCC-Betrieb ändern. Vor allem das etwas langsamere, alte MM-Protokoll soll als erstes abgeschalten werden, da dies doch erheblich die Geschwindigkeit am Gleis herabsetzt.

Geschaltet wird aber ausschließlich im DCC-Format mit Decodern unseren Decoder Eigenbauten.

Digitale Steuerung der Modellbahn

Jeder Zug, jedes fahrende Auto auf unserer Modellbahn-Anlage Miningen wird vollautomatisch über ein PC-System gesteuert. Die Steuerungssoftware heißt „TrainController Gold„ und wird auf vielen großen Anlagen verwendet. Auf der Seite zur Computersteuerung können Sie mehr darüber lesen.

Die Befehle aus bzw. zum Computer, nämlich Fahren (Züge/Autos), Schalten (z.B. Weichen und Signale) und Rückmelden (wo ist welcher Zug/Auto), werden je über ein separates Digitalsystem gesteuert. Genau genommen werden Schalten und Rückmelden über mehrere Zentralen gesteuert. Das Car-System hat eine eigene „Fahren“ Zentrale, so dass das von den Zügen getrennt ist. Auch unsere Straßenbahnen werden über eine eigene Zentrale zum Fahren bewegt. Also sind an dem Computer derzeit über 10 Digitalzentralen angeschlossen. Der Vorteil: Jedes System arbeitet für sich autark, bei Fehlern oder Störungen (Kurzschluss) arbeiten die anderen Systeme fehlerfrei weiter und der Befehlssatz pro Zentrale verringert sich enorm. So können in unterschiedlichen Bereichen der Modellbahn zur gleichen Sekunde mehrere Weichen, Signale, … gleichzeitig gestellt werden. Welche Systeme wir für die Aufgaben Fahren, Schalten und Rückmelden verwenden, können Sie nachstehend nachlesen.

Fahren

Fahren Zugsteuerung mit ESU ECoS

Zum Fahren der Züge kommt die ECoS II von ESU seit dem 01.10.2010 zum Einsatz. Es waren lange auch andere Digitalzentralen in der näheren Auswahl. Der Hauptgrund zur Entscheidung für die ESU ECoS war dann aber, dass Sie nicht nur über einen hochmodernen Anschluss zum PC-System verfügt (Ethernet), sondern dass diese Zentrale auch uneingeschränkt Lokomotiven mit dem mfx-Standard von Märklin ansprechen kann. So können erstmals alle 16 Sonderfunktionen unseres Märklin Big Boys aufgerufen werden.

Auf verschiedenen Seiten wird darüber berichtet, dass die ECoS relativ langsam sei, was die interne Verarbeitung von Befehlen vom PC auf das Gleis angeht, wenn bestimmte Konstellationen auftreten. Da wir aber alle Funktionen wie Fahren, Schalten und Rückmelden auf mehrere verschiedene Digitalzentralen verteilt haben, sollte die ECoS soweit entlastet sein, dass dies kaum ins Gewicht fallen dürfte.

Natürlich sagen auch viele Kritiker, dass ein Computer nicht einen anderen Computer, in unserem Fall die ECoS, steuern soll/braucht und eine „einfachere“ Digitalzentrale besser sei. Dies mag aber gerne jeder für sich entscheiden, es gibt für beide Varianten Vor- und Nachteile.

Technische Daten:

• H4-Booster mit 4.0 A Dauerausgangleistung
• H4-Programmiergleisausgang mit 0.6 A Leistung
• RailCom Unterstützung (wird in Miningen nicht genutzt)
• 7 Zoll TFT LCD Display mit Touchpanel und LED-Backlight (weiß)
• 32-Bit ARM 720T Controller, 64 MByte Flash ROM, 64 MByte RAM, Linux Betriebssystem 16 Bit Realtime Coprozessor
• 2x motorgetriebene Potentiometer-Fahrregler mit Endanschlag und Lokwahltaste
• 2x Zwei-Wege-Analog-Joysticks

Booster an der ECoS von Littfinski

Um das Digitalsignal in andere „Stromkreise“ zu übertragen, werden so genannte Booster (Stromverstärker) eingesetzt. Diese erhalten die Signale der Digitalzentrale und verstärken diese in einem neuen, getrennten Stromkreis. Unsere Wahl fiel dabei auf den DigitalBooster DB-4 von Littfinski.

• Der DigitalBooster DB-4 verstärkt die Digitalformate Märklin-Motorola, mfx, M4 und DCC.
• Über die Steckbrücke (Jumper) „Short Report“ kann der DigitalBooster DB-4 so eingestellt werden, dass er einen Kurzschluss an die Digitalzentrale meldet, und damit für das Abschalten aller Booster sorgt, oder nur den eigenen Gleisbereich abschaltet, in dem der Kurzschluss aufgetreten ist.
• Über den Jumper „Auto Go“ kann der DigitalBooster DB-4 so eingestellt werden, dass er kontinuierlich alle 5 Sekunden prüft, ob ein Kurzschluss noch vorhanden ist. Wird der Kurzschluss beseitigt, versorgt der DigitalBooster DB-4 den eigenen Gleisbereich wieder automatisch.
• Über einen weiteren Jumper lässt sich der maximale digitale Ausgangsstrom des DigitalBoosters DB-4 auf 2,5 oder 4,5 Ampere einstellen.
• Der DigitalBooster DB-4 bietet die Möglichkeit, die Spannung am Gleis durch externe Taster rund um die Anlage, ein- und auszuschalten. Dieses ist besonders hilfreich, da der Weg zur Stop-Taste der Digitalzentrale in kritischen Situationen sehr weit sein kann.
• Wird die Modellbahn über einen PC mit Modellbahnsoftware gesteuert, kann die Digitalspannung am Gleis über den DigitalBooster DB-4 auf Wunsch über Märklin-Motorola- oder DCC-Befehle ein- und ausgeschaltet werden.
• Integrierte WatchDog-Funktion: Wird diese über eine Modellbahnsoftware aktiviert, überwacht der DB-4 zusätzlich den PC und die Digitalzentrale. Meldet sich der PC bzw. die Modellbahnsoftware nicht alle 5 Sekunden über einen Schaltbefehl beim DB-4, ist der PC oder die Digitalzentrale abgestürzt und die Modellbahnsoftware hat keine Kontrolle mehr über die Modellbahnanlage. Damit die Züge nun nicht unkontrolliert weiterfahren, schaltet der DB-4 die Gleise spannungsfrei und alle Züge werden gestoppt.
• Für das Booster-Management der Modellbahnsoftware bietet der DigitalBooster DB-4 einen Rückmeldeausgang, über den die Modellbahnsoftware erfahren kann, ob momentan Spannung an die Gleise geliefert wird oder die Gleise im Boosterbereich momentan spannungslos sind.
• Auf Wunsch kann der DigitalBooster DB-4 im DCC-Betrieb die RailCom^®-Austastlücke erzeugen.

Fahren Straßenbahn

Unser Straßenbahn-System im 3. Bauabschnitt „Lailingen“ wird mit einer eigenen Digitalzentrale versorgt. Das wäre technisch nicht unbedingt notwendig gewesen, aber man darf sich nicht täuschen, die Straßenbahnen sind die Züge, die am meisten Befehle auf der Modellbahn erhalten. Nicht nur für das ständige Anfahren und Abbremsen, es werden dazu passende Geräusche über den Decoder ausgelöst, Haltestellenansagen ausgelöst sowie Licht, Blinker und Bremslichter gesetzt. Bei mehreren Straßenbahnen auf der Strecke kommt da doch einiges an Befehlen pro Minuten zusammen, das, dank der eigenen Zentrale, die Hauptzentrale (ESU ECoS) doch ganz schön entlastet und Kapazitäten für die Hauptstrecke freigibt.

Zur Steuerung der Straßenbahn nutzen wir die Digitalzentrale von Lokstoredigital. Der sogenannte „Rektor“ verhält sich wie eine „z21“ und kann mit dessen „Treiber“ aus der Computersteuerung angesprochen werden. An dem Rektor hängt direkt ein Booster von Lokstoredigital und versorgt mit 2×2,5 Ampere die Straßenbahnstrecke mit genug Energie. Ggf. wird später mal ein weiterer Booster hier angeschlossen werden. Das Schalten der wenigen Signale und der Weichen übernimmt hingegen die z21 des Raumes, die Rückmeldung übernimmt ebenfalls das vorhandene Rückmeldesystem, so dass die s88-Decoder einfach in den gleichen Rückmelde-Bus eingehängt werden.

Fahren Car-System

Dies wird hier bald genauer beschrieben…

Schalten

Als Schaltzentrale verwenden wir seit 2015 die „z21“ von Roco. Diese verwenden wir auf unserer Modellbahn-Anlage dreimal! Je Abschnitt (Abschnitt #3 versorgt dabei die wenigen Weichen und Signale von Abschnitt 4 mit) haben wir eine dieser Digitalzentralen. Zuvor hatten wir für die Aufgaben die „Intellibox I“ von Uhlenbrock im Einsatz, die von 2001 bis 2010 alle Aufgaben (Fahren und Schalten) auf der Modellbahn übernommen hatte. Nach 2010 übernahm die ESU ECoS das Fahren, die Intellibox schaltete dann „nur“ noch, bis 2015 auch hier ein Ersatz in Form der z21 kam. Die Intellibox dient bei uns noch zu Testaufbauten, da unsere Box von den berühmten „Intellibox-Resets“ weitgehend verschont blieben.

Ab 2020 haben wir Zug um Zug für jeden der drei Abschnitte eine eigene z21 besorgt, da die Schaltaufgaben, vor allem in der Lichtsteuerung, gewaltig zunehmen. Dadurch verteilen sich die Schaltlasten der Zentralen deutlich und viele Befehle können zeitgleich in mehreren Abschnitten ausgelöst werden.

Die „z21“ ist eine Digitalzentrale die per Ethernet (Netzwerktechnik) angesteuert wird, was das Installieren von Treibern oder serielle Anschlüsse überflüssig macht und ein richtiger Weg in die Zukunft ist! So können die Zentralen dadurch auch problemlos dezentral – wie bei uns in jedem Raum – angebracht werden.

Schalten im DCC-Format ist ebenso ein wichtiger Standard. Zum einen ist das Protokoll sehr gut durchdacht, „Ausschalt“-Befehle (wie im Motorola (MM)-Format) entfallen bzw. übernimmt der Decoder selbst.

2048 Schaltadressen sind im DCC-Format möglich – in unserem Beispiel, wie oben bereits beschrieben, sogar mal 3, da drei Schalt-Digitalzentralen im Einsatz sind. So gibt es, als Beispiel, in jedem Raum eine Weiche mit der Digitaladresse „1“. Das klingt am Anfang immer nach viel, kann aber ganz schnell an die Grenzen kommen, wenn man Licht, Effekte, Signale, Weichen, Sonderdecoder, … damit steuern möchte. Auf der anderen Seite kann man gerade beim Licht wieder durch kluge Decoder-Programmierung Adressen einsparen, wenn mehrere auf die gleiche Adresse hören und unterschiedliche Start- und Stoppverzögerungen schon im Programm nutzen, dass nicht alles schlagartig hell oder dunkel wird. Also konkret: Der Decoder für das Bahnsteiglicht „Bad Dänischburg“ hört auf die Adresse „2“, der Decoder für das Licht im Bahnhofsgebäude aber auch. Damit nun nicht bei beiden gleichzeitig das Licht an geht, was ziemlich langweilig wäre, haben beide Decoder nach dem Empfang der Adresse „1 grün“ (also Start) eine zufällige Startzeit, bis das Programm mit dem Lichteinschalten beginnt. Dadurch ist jeder Start der Modellbahn Nacht anders, die Häuser, Straßenlaternen, … schalten in jeder Nacht das Licht anders ein – alles per Zufall gesteuert. Und man braucht dafür nur eine DCC-Adresse.

Melden bzw. Rückmelden

Rückmelden Züge & Straßenbahn

Auf der gesamten Modellbahn sind Rückmelder-Module nach dem S88-N-Standard eingebaut, d.h. sie sind mit den, aus der Computerwelt bekannten, RJ45-Steckern- bzw. Kabeln verbunden. Dies garantiert ein Maximum an Zuverlässigkeit und weniger Störungen.

All diese Meldungen, die auf unserer Anlage in mehreren Strängen, also Bussysteme, zusammenlaufen, müssen auf dem schnellsten Weg zur Computer-Steuerung gelangen. Dies geschieht heute am besten über das Ethernet-Protokoll, da dafür weder Treiber installiert werden müssen (wie z.B. bei USB-Schnittstellen) oder alte Technik (wie Serielle-Karten) zum Einsatz kommen muss.

Wir teilen hierbei die Rückmeldesysteme wie folgt auf:

• Abschnitt 1 (viele Rückmedler) – ein eigener µcon-S88-Master
• Abschnitt 2,3 und 4: µcon-S88-Master. Dabei geht Strang 2 zum Abschnitt 2 und Strang 3 zum Abschnitt 3 und Abschnitt 4. Strang 1 wird später für ein oder mehrerer externe(s) Stellpult(e) am Leitstand zur Verfügung stehen.
• Das Car-System hat zwei eigene Stränge (nach Nord und Süd vom Leitstand aus) und soll autark rückmelden (LoDi Rückmelder).

Über die µcon-S88-Master werden die gesamten Rückmeldekarten auf der Anlage nach dem Speicherkettenprinzip abgefragt und direkt an die Computer-Steuerung weitergegeben.

Somit ist ein optimales Verfolgen der Züge auf der Anlage gewährleistet – und bietet für 48 Rückmelder die Power – das sind 768 Kontakte – das sollte reichen… Erstmal 🙂

Nachtrag: Inzwischen ist ein zweiter S88-Master im Einsatz, also 2x 768 Kontakte. Man muss ja Luft nach oben haben 😉

Rückmelden Car-System

Aus den verschiedensten Gründen erlauben wir uns den Luxus, dass das Car-System einen eigenen Rückmeldestrang verwendet, der in einer eigenen S88-Rückmeldezentrale endet. Wir haben uns hier für den LoDi-S88-Commander entschieden. Diese Rückmeldezentrale wird nicht vom TrainController