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SaMoba Systemübersicht

Bilder sagen mehr als viele Worte, deshalb zunächst 3 Übersichtsbilder.

Bild 1
zeigt eine SaMoBa Gesamt-Übersicht:
  • die beiden Programm-Komponenten - ein DOS und ein Win98 Programm - mit Bildschirm/Tastatur/Maus im PC
  • die PC-Schnittstelle mit dem CMA Modul (PC ISA Steckkarte) und dem CMA-Modellbahn-Bus (backplane), auf dem die CMA-I/O-Karten stecken
  • die Schematik der selbst gebauten Elektronik Komponenten, die mit der Anlage verbunden sind


Gesamt Übersicht der Steuerung

Bild 1: Gesamt-Übersicht der SaMoba Steuerung
Als ich das Diagramm zeichnete hatte ich einen pentium II PC (daher die Bezeichnung im Diagramm); es kann jede Art von Windows PC sein, er muß nur einen ISA-Bus mit Steckplatz haben und Windows-98 kompatibel sein.



Bild 2 zeigt eine Übersicht über die Module, die die Loks steuern:
  • ganz links der Pentium PC mit DOS und Windows98
  • an einer ISA Steckkarte hängt ein paralleler Datenbus mit 8 Adressleitungen, 8 Datenleitungen und 3 Controlleitungen
  • an dem Bus hängen insgesamt 12 (demnächst 14) Input / Output Karten mit je 24 parallelen digitalen Anschlüssen zu den Steuerungsmodulen; Bemerkung: ein Teil der I/O Karten wird von der Weichen-Steuerung (s. Bild 2 unten) mit benutzt
  • jeder Block hat ein eigenes Blockmodul BM, in dem jeder der 3 Block-Gleisabschnitte einen GBM und einen Blockverstärker BV angeschaltet hat
  • bei Blöcken mit Fahrtrichtungsumkehr ist zwischen BM und Streckenblock ein 6-poliges Umschaltrelais geschaltet
  • es gibt 4 Fahrspannungsgeneratoren FSM, jeder bekommt vom PC über 4 digitale Leitungen eine 16 stufige Fahrspannung aufgeschaltet. Die Ausgänge der FSMs sind nur Steurspannungen (haben also noch keine Leistung) für die nachgeschalteten DZM und BM Module
  • ein System von mehreren Platinen, die die Digitale Z-Schaltung DZM bilden. Die DZM schaltet die 4 Fahrspannungen an die 37 Blockmodule; 
  • die DZM besteht nicht aus Relais (wie man bei einer Z-Schaltung vermuten würde) sondern aus Kleintransistoren, die vom PC Steuerprogramm geschaltet werden


(c) Bernd Kösters
Bild 2: Die SaMoBa Loksteuerung



Bild 3 zeigt das System der Weichen-Steuerung:
meine Anlage hat etwa 64 Weichen. Es war mir klar, dass ich die Menge an Kommandos (je Weiche 2 Kommandos) nicht über parallele Kanäle von den (zentral liegenden) I/O Karten steuern konnte; es wären zu viel Karten und ein dicker Kabelbaum geworden. Zusätzlich wollte ich noch die Weichenstellungen zurücklesen.
Deshalb hab ich mir ein Multipexer/Demultiplexer System gebaut.
  1. Demultiplexer (für das Schalten)
  • Dazu erhält jede Weichenspule eine fiktive 7-Bit Demux-Adresse, die an einer CMA-Outputkarte ausgegeben wird. 
  • Das 8. Bit wird als Impuls ausgegeben,
  • somit schaltet nur die adressierte Spule.
  1. Multiplexer (für das Rückmelden)
  • jede der 64 Weichenmelder erhält eine 6-Bit Multiplexer-Adresse, ist also an einen Multiplexereingang geschaltet
  • der Multiplexer liest den Zustand des adressierten Weichenmelders und 
  • der Multiplexer meldet das 0/1 Signal des adressierten Melders an die CMA-Inputkarte
  • der Multiplexer generiert also ein "1 aus 64 Signal".
Da die Weichen mit Wechselspannung geschaltet werden, hab ich das ganze Weichensystem galvanisch von der übrigen Steuerung getrennt, indem ich alle Input und Output Leitungen an den CMA-IO-Karten über Optokoppler führe.

Übersicht der Weichensteuerung
Bild 3: Die SaMoBa Weichensteuerung


1. Das SaMoBa PC-MoBa Interface

Meine Steuerung basiert auf einer Hardware-Architektur, das von der Firma Berg+Broman in den 80-90er Jahren entwickelt wurde, genannt CMA (Computer-Modellbahn-Adapter).
Sie enthält
  1. eine ISA Slotkarte
  2. eine Busplatine, genannt Modellbahnbus, der parallel die Adress-, Read/Write-Steuerleitungen und die 8-Bit Datenworte  zu den
  3. Input- / Outputkarten
Jede I/O Karte hat eine eine eingestellte Adresse und stellt 3x8 = 24 digitale  Eingangs/Ausgangsleitungen zur Verfügung. Der zentrale Baustein dieser Karten ist das 8255 parallel IO-Port IC.
An diese Karten sind alle selbstgebauten Platinen angeschaltet.

2. Das SaMoBa Steuerungsprinzip
Die Steuerung beruht auf der Z-Schaltung, also es wird jeweils ein Fahrpult im Bahnhof an eine gestellte Fahrstraße oder auf der Strecke an einen Folge-Block geschaltet. Damit nehmen die Loks quasi ihr Fahrpult automatisch mit durch die Anlage.
Die Spannung der Fahrpulte wird über D/A Wandler von der PC Software zum Bremsen, Beschleunigen, Signalstop und Fahren für die jeweilige Lok eingestellt.
Die maximale Spannung jedes D/A Wandlers wird zusätzlich noch manuell von einem FahrpultPoti "gedimmt". Dadurch ist das Fahrgefühl identisch wie bei Digital, mit der PC-gesteuerten Fahrspannung und dem nachgeschalteten Poti (=Handregler) wird durch die gesamte Anlage gefahren.
Beim Fahrstraßen-Stellen werden Weichen, Signale, Bahnübergänge, Polwenderelays und die Fahrpulte normalerweise von der Steuerung automatisch gestellt; für manuellen Betrieb kann das aber auch alles über Dialog-Menüs und -Fenster manuell mit Tastatureingabe gemacht werden.

3. SaMoBa Gleisbesetztmelder
Es werden keine "Event"-basierten Melder wie SRKs oder Lichtschranken benutzt, sondern nur Dauersignale über Strom-/Widerstandsfühler.

4. Fahrtrichtungswechsel in Blöcken
erfolgt über Polwenderelays (könnte auch mit Transistoren gebaut werden, aber ich hatte schon so viele Relays vorhanden).

5. SaMoBa Block-Steuerung:
Die Anlage ist in Blockstrecken (und jeder Block in 3 Bereiche für Fahren, Bremsen, Signalstop) aufgeteilt.
Jeder Block hat ein eigenes HW Blockmodul:
  • mit je 3 Darlington Verstärkern
  • mit je 3 Gleisbesetztmeldern (Besetztzustände werden periodisch alle 50 msec vom PC gelesen)
  • mit einem Polwenderelay (wird von PC gesteuert), es ist nur vorhanden, wenn der Block in beiden Richtungen befahren wird (z.B. Bahnhöfe, eingleisige Strecken)

Fahrspannungen werden permanent lokspezifisch eingestellt entsprechend der Position im Block und der Hp-Stellung des Blocksignals.

Die Blocksteuer-Funktionen sind vollständig in Software realisiert (keine HW Logik). Durch den Signalstopbereich sind genaue Halts vor den Signalen möglich (auch bei geschobenen Wendezügen !!).

Bei HP0, wird beim Einfahren in den Bremsbereich langsam, lokspezifisch die Spannung von dem PC auf eine Minimal Spannung (=Kriechgeschwindigkeit) reduziert, und bei Einfahren in den Stopbereich abrupt abgeschaltet
--> damit halten auch Wendezüge mit hinten fahrendem Antrieb direkt am Signal (der Steuerwagen muß dann aber auch ein Stromverbraucher sein).
Wird während des Bremsvorgangs auf Hp1/2 gestellt, dann wird die Fahrspannung vom aktuellen Wert langsam wieder auf den lokspezifischen Maximalwert hochgefahren.

6. Die SaMoBa Z-Schaltung:
  • Zur Zeit habe ich 4 Fahrspannungsgeneratoren, die vom PC in real-time periodisch (etwa 20 msec) eingestellt werden,
  • jede Fahrspannung kann über eine Dioden/Transistor Matrix an jeden Block zugeschaltet werden - an welche entscheidet die Fahrstraßen-Logik in der Software
  • es können z.Z. 4 Loks gleichzeitig in verschiedenen Blocks fahren. Eine Erweiterung auf mehr Züge ist grundsätzlich kein Problem, es müssen einfach zusätzliche Z-Schaltungs Module eingebaut werden

7. SaMoBa Schattenbahnhof (SBH)
  • es wird eingefahren, wenn irgendein Gleis frei ist; die Fahrstraße in das freie Gleis wird automatisch gestellt: ist kein Gleis frei, hält der Zug vor dem SBH
  • es kann ein neuer Zug manuell oder automatisch (ein Zug auf einem Nachbargleis) ausgewählt werden und auf die Strecke geschickt werden
  • es kann durchgefahren werden ohne Zugwechsel

8. SaMoBa Fahrstraßen Logik / Automatik-Betrieb
  • Fahrstraßen werden manuell per Maus und/oder automatisch von den Zügen über die Gleisbesetztmelder gestellt,
  • bei automatischem Betrieb, fahren Züge nach einem einstellbaren Umlaufplan (=Folge von Blockstrecken); es können manuell fahrende Züge jederzeit zwischen die automatisch fahrenden Züge eingeschoben werden,
  • die Besetztzustände der Gleise werden periodisch auf dem Gleisbild angezeigt,
  • ist der Ziel-Block besetzt oder kann die FaStr nicht gestellt werden (weil Weichen von einer anderen aktiven Fahrstraße belegt sind), wird periodisch automatisch geprüft, bis die FaStr dann sicher gestellt werden kann,
  • bei Bahnhofseinfahrten werden freie Bahnsteiggleise gesucht (das ganze aber zugspezifisch, weil ja  Fernzüge nicht auf Nebenbahngleise einfahren sollten)  - entspricht nicht ganz der Wirklichkeit, ist aber toll für die MoBa...der Betrieb rollt automatisch
  • Fahrstraßen werden erst entriegelt, wenn der Zug im Zielgleis vollständig angekommen ist (oder besser: alle rückwärtigen durchfahrenen Gleisabschnitte frei sind); deshalb ist bei mir der letzte Wagen wenn möglich ein Stromverbraucher.

9. Stellen von Signalen und Weichen
Weichen und Signale werden in Fahrstraßen gestellt, und zwar hintereinander und nicht alle gleichzeitig.
Signale auf der Anlage haben keine Steuerungsfunktion, sondern sind nur optische Highlights.

10. SaMoBa Zugerkennung/-Rückmeldung
Züge/Loks werden direkt auf der Anlage nicht durch irgendwelche Sensoren gemessen, die einzigen Sensoren sind die strom/widerstands-fühlenden GBMs. Welcher Zug augenblicklich zu welchem GBM gehört, weiß aber das Steuerprogramm, weil es die Züge "auf die Reise schickt" und mit den GBMs ihre Fahrt beobachtet.
Zum Initialisieren (wo welche Züge/Loks stehen) gibt es ein spezielles Dialogfenster. Im laufenden Betrieb können sehr einfach Korrekturen gemacht werden, falls z.B. wegen der Unzuverlässigkeit von Weichenstellungen ein Zug in ein falsches Gleis gefahren ist.
Der Zustand der Zugerkennung wird bei Betriebssende auf Festplatte abgespeichert, und bei Betriebsbeginn wieder geladen.

11. Einige SaMoBa Betriebshighlights
  • Züge können als "lang" deklariert werden und halten nicht an "zu kurzen Bahnsteigen" --> automatische Durchfahrt durch Bahnhöfe; insbesondere für lange Fern-/Güterzüge
  • Fahrpulte können neue Züge im Bahnhof übernehmen (und lassen die alten stehen)
  • In den Bahnhöfen kann ein Fahrpult auf einen wartenden Zug automatisch überwechseln (der eingefahrene Zug bleibt stehen und der wartende Zug fährt ab). Dadurch entsteht der Eindruck, daß viel mehr als nur 4 Züge fahren
  • der Anlagenzustand wird bei Betriebsende auf Festplatte gespeichert  und die Software wird passend initialisiert bei Neubeginn
  • bei Rangierbetrieb in Bahnhöfen wird der Streckenbetrieb angehalten (alle Signale werden auf Hp0 gestellt, damit halten alle Zugfahrten an Signalen) und ein spezieller Handregler (mit guten Langsamfahreigenschaften) übernimmt das Rangieren
  • rangiert wird wiederum nur mit Fahrstraßen d.h. auch Rangierfahrten beginnen und enden vor fiktiven  (es sind nur wenige Rangiersignale als Atrappen aufgestellt) Rangier-Signalen, wenn sie nicht vorher manuell angehalten werden über den Handregler; dabei ist die Automatik abgeschaltet, die verhindern würde, dass in einen Bereich eingefahren wird, den die GBMs als belegt melden, weil dort ein stromverbrauchender Waggon steht.

12. Rückblick
Rückblickend hat sich bei mir bewährt, daß ich die SW selber leicht ändern kann und daß ich mich nicht mit einer gekauften "Black-Box" (die ich nicht ändern kann) zufrieden geben mußte.

Es ist gerade die Steuerung, an der ich viel herum bastele, da immer neue Wünsche aufkommen je mehr man sich mit der Anlage beschäftigt.
z.B. das Problem mit den zu kurzen oder zu langen Bahnsteigen konnte ich schnell per SW lösen.:
  • Das Programm legt je nach Zuglänge die Blockabschnitte so, dass ein Langer Zug bis zum Signal vorfährt, ein Kurzzug aber in der Mitte des Bahnsteigs im Bremsbereich hält
  • zu lange Personen- oder durchgehende Güterzüge, die nicht am Bahnsteig wegen ihrer Länge halten sollen, warten am Einfahrsignal auf eine Durchfahrt auf einem freien Bahnhofsgleis in das freie Ausfahrgleis hinter dem Bahnhof...und
  • das alles ohne an der MoBa Hardware etwas zu ändern (natürlich mußten die Stop / Bremsabschnitte in den Gleisen vorhanden sein.... aber das waren sie zum Glück)
  • dadurch kann ich jetzt mit superlangen und ganz kurzen Zügen fahren im Automatikbetrieb
  • wenn der letzte Wagen eine Lampe oder Widerstandslack auf den Achsen hat, machen auch verlorene Wagen kein Problem mehr...keine Auffahrprobleme im Automatikbetrieb.