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Dieses Thema hat 1 Antworten
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 IX.5 Modellbahn-Hard- und Software (Regelung, Planung, Steuerung, Automatisierung)
Fdl Triptis Offline




Beiträge: 471

24.01.2018 14:04
Technische Gleisfreimeldung antworten

Eigentlich wollte ich meine Gedanken zur Gleisfreimeldung in den geplanten Beitrag über die Datenstrukturen integrieren, aber mittlerweile ist mir klar geworden, dass das Thema doch sehr umfangreich wird und dass sich deshalb ein eigener Beitrag lohnt.

In Anlagen wie BAE III mit Zugleitbetrieb, wo jeder Zug einen Modellbahner als Lokführer hat, geschieht die Gleisfreimeldung wie in alten Zeiten durch Augenschein und durch festgelegte Melde-Rituale; eine technische Einrichtung ist nicht zwingend.

Wenn man aber - wie in typischen Fahrdienstleiter-Anlagen oder auch in größeren Schattenbahnhöfen - die Züge nicht ständig im Blickfeld hat und wenn gewisse bahntypische Aufgaben wie Lokführer oder Stellwerksbesatzung vollständig oder teilweise von elektronischen Funktionen übernommen werden sollen, dann ist eine technische Gleisfreimeldung notwendig.

Auf das Vorbild möchte ich nicht weiter eingehen, die dort angewendeten Methoden (Gleisstromkreise niederfrequent oder im Tonfrequenzbereich und Achszählkreise) dürften hier im Forum weitgehend bekannt sein, deshalb beschränke ich mich auf das, was mir als Modellbahner dazu einfällt.

Jedes Bahnnetz gliedert sich in Gleisabschnitte (Freimeldeabschnitte), die durch Fahrwege untereinander verbunden werden können. Wenn die Fahrwege gegen Kollisionen abgesichert sind und wenn sie von Zügen befahren werden, dann spricht man von Fahrstraßen oder Zugstraßen. Wenn ein Zug von einem Gleisabschnitt in den Folgeabschnitt fährt, dann ist der Startabschnitt zunächst durch den Zug besetzt. Am Anfang der Fahrstraße zwischen Start- und Zielabschnitt steht im allgemeinen ein Hauptsignal, das nur auf Fahrt gestellt werden kann, wenn die Fahrstraße und der anschließende Zielabschnitt frei ist. Der Bereich zwischen dem Signal und dem Folgesignal vor der nächsten Fahrstraße heißt Blockabschnitt oder Block. Ein Block besteht also aus der Fahrstraße und dem anschließenden Gleisabschnitt. Falls der Zielabschnitt am Prellbock endet, dann muss dort eine Sh2-Tafel stehen, ein einfaches Sh0 reicht nur für Rangierfahrten. Eine Fahrstraße kann eine Reihe von Fahrwegelemeten wie Weichen, Sperrsignale, Gleissperren enthalten, wobei eventuelle Flankenschutz-Einrichtungen auch zur Fahrstraße gehören. Im einfachsten Fall (wenn auf der freien Strecke zwei Blockabschnitte aufeinander folgen) besteht die Fahrstraße nur aus der Vebindung der beiden Gleisabschnitte am Standort des Signals. Fahrstraßen, die von Stellwerken bedient werden, werden festgelegt (= gegen Umstellen gesichert), solange sie vom Zug befahren werden. Erst wenn der Zug die Fahrstraße sicher verlassen hat, kann sie aufgelöst werden und steht dann für folgende Zugfahrten (zB in ein anderes Zielgleis) zur Verfügung. Der ganze Blockabschnitt wird erst dann freigemeldet (=rückgeblockt), wenn der Zug am Folgesignal vorbei ist. Es gibt also einen Unterschied zwischen Abschnitts-Freimeldung und Rückblockung: Das Rückblocken ist eine Freigabe eines ganzen freigefahrenen Blockabschnitts, der aus mehreren einzelnen Freimelde-Abschnitten bestehen kann, beispielsweis aus der Fahrstraße am Anfang des Blocks und dem anschließenden Gleisabschnitt.

Wenn man es als Modellbahner ganz genau nehmen will, dann muss man beispielsweise bei Einfahrten die Weichenstraße und das Bahnsteiggleis als separate Freimeldeabschnitte vorsehen. Wenn ein Zug vollständig in ein Bahnsteiggleis eingefahren ist (wenn er also die Fahrstraße geräumt hat), dann kann die Fahrstraße aufgelöst werden, obwohl das Bahnsteiggleis noch besetzt ist. Das Einfahrsignal darf für das besetzte Bahnsteiggleis nicht gezogen werden; eine Fahrstraße in ein anderes Bahnsteiggleis kann aber nach Auflösung der Fahrstraße gestellt werden, für diese Einfahrt kann das Einfahrsignal wieder in Fahrtstellung gebracht werden. Dieser Umstand muss bei den verschiedenen Freigabe-Methoden berücksichtigt werden.

Soweit die Vorbemerkung, nun zu den Freigabe-Verfahren:

Spannungsmessung

Dieses Verfahren ist wenig verbreitet, weil es einige besondere Voraussetzungen erfordert. Prinzipiell wird zu der eigentlichen Fahrspannung eine höhere Spannung (zB 30 V) mit einer hochohmigen Quelle addiert. Hochohmig bedeutet, dass diese Quelle nur einen ganz geringen Strom liefern kann (der unter dem Anfahrstrom des sparsamsten Triebfahrzeugs liegt). Sobald sich auf dem Gleisabschnitt ein Triebfahrzeug oder ein Fahrzeug mit einem Übergangswiderstand zwischen den stromabnehmenden Rädern (oder Schleifern) befindet, bricht diese zusätzliche Spannung zusammen und kann als Besetzt-Kriterium ausgewertet werden. Voraussetzung für dieses Verfahren ist, dass die eigentliche Quelle für die Fahrspannung (zB der Booster) rückstromfest ist, damit sich die Mess-Spannung addieren lässt. Außerdem müssen alle Gleisabschnitte durch Trennstellen separiert werden und rückwirkungsfrei eingespeist werden. Rückwirkungsfrei heißt, dass der Effekt der Verringerung der Mess-Spannung nur beim besetzten Gleisabschnitt wirken darf.

Strommessung

Dieses häufig angewendete Verfahren geht davon aus, dass jedes zu erfassende Fahrzeug einen Strompfad für die Fahrspannung hat, beispielsweise einen Widerstand zwischen den Rädern. Außerdem muss auch beim Stillstand der Fahrzeuge eine Spannung am Gleis liegen, beispielsweise eine Wechselspannung, die die Fahrmotoren nicht stört, oder die Digitalspannung aus den Booster. Bei festen Zugzusammenstellungen muss mindestens das letzte Fahrzeug mit einem Messwiderstand ausgestattet sein, bei frei zusammengestellten Zügen (Rangierbetrieb!) müssen alle Fahrzeige detektierbar sein. Der Vorteil liegt darin, dass liegengebliebene Fahrzeuge oder Zugtrennungen bemerkt werden und dass ein Gleisabschnitt sofort freigemeldet werden kann, sobald das letzte Fahrzeug den Abschnitt verlassen hat. Die Zuglänge spielt beim Freigabeverfahren keine Rolle; falls ein Zug länger ist als ein Gleisabschnitt (oder ein Blockabschnitt), dann wird das ohne Zusatzaufwand erkannt. Die Erfassungsschaltung ist wenig aufwendig.

Dis Verfahren hat allerdings auch Nachteile: Alle Gleisabschnitte und alle Fahrstraßen müssen durch Trennstellen separiert werden und rückwirkungsfrei eingepeist werden. Die Rückwirkungsfreiheit kann dadurch erreicht werden, dass der Stromdetektor in die Speiseleitung zwischen Fahrspannungsquelle und Freimeldeanschnitt eingefügt wird; manche Stromdetektoren werden auch in die Rückleitung eingebaut, dann müssen die Trennstellen auch in der Rückleitungs-Schiene sein. Dadurch, dass auch die Weichenstraßen eigene Freimeldungen benötigen, kann die Anzahl der Freimelde-Detektoren schnell sehr groß werden.

Bei analoger Fahrspannung fällt das nicht sehr ins Gewicht, weil hier die Fahrstromverteilung (zB in Z-Schaltung) sowieso eine getrennte Fahrstromeinspeisung und viele Trennstellen erfordert. Bei digitalen Systemen (wo man eigentlich mit möglichst wenigen Trennstellen auskommen will) ist das jedoch ein ziemlicher Nachteil.

Falls man die Gleise selbst einschottert, ist unbdingt darauf zu achten, dass der verwendete Leim die Schienen nicht berührt, weil der (meistens wasserlösliche) Leim möglicherweise hygroskopisch ist und bei hoher Luftfeuchtigkeit einen geringen aber störenden Stromfluss verursacht. Ich hatte dieses Freimeldungs-Verfahren bei meiner alten Anlage (Triptis I) angewendet und hatte das Problem, dass bei Gewitterstimmung im Sommer manchmal kein Betrieb möglich war, weil es unberechtigte Besetztmeldungen gab.

Für Steuerungssysteme (zB Lenz Digital Plus) gibt es spezielle Belegtmelder, die nach diesem Prinzip arbeiten und an das systemspezifischen Bussystem angeschlossen werden.

Zählverfahren

Die beim Vorbild weit verbreiteten Achszählkreise sind für die Modellbahn kaum brauchbar, weil es sehr schwierig sein dürfte, für die vergleichsweis winzigen Räder einen sicher funktionierenden Detektor herzustellen.

Aber man muss ja nicht die Räder zählen, sondern man könnte Schaltmagnete mittels Reedkontakten zählen. Es muss auch nicht jedes Fahrzeug einen Schaltmagnet haben. Wenn einer am ersten und am letzten Fahrzeug angebracht ist, reicht das prinizpiell schon. Die Zählkontakte befinden sich an den Übergängen der Freigabeabschnitte; am Eingang wird hochgezählt, am Ende wieder abwärts. Wenn das Ergebnis Null ist, ist der Abschnitt frei. Dabei kann ein Kontakt gleichzeitig als Anfangs- oder Endekontakt dienen. Die Zählkapazität richtet sich nach der maximalen Anzahl Schaltmagnete in einem Zug. Wenn man den Computer zählen lässt, hält der Aufwand sich in Grenzen. Der Hauptvorteil dieses Verfahrens zeigt sich bei Digitalbetrieb: Die Gleisabschnitte müssen nicht gegeneinander isoliert werden, es müssen also keine zusätzlichen Trennstellen eingebaut werden. Ein weiterer Vorteil ist, dass sich die Schaltmagnete auch zur Ortung der Züge innerhalb eines Gleisabschnitts eignen: Ein Kontakt am Vorsignal oder am Anfang des Bahnsteigs bestimmt den Anfang des Bremswegs, weitere Kontakte markieren den Halteplatz am Hauptsignal oder an der Haltetafel oder an einer beliebigen Stelle. Damit ist es völlig gleichgültig, an welcher Stelle des Zuges die Fahrspannung für den Vortrieb entnommen wird; Wendezüge benötigen keine Fahrstrom-Kunstschaltungen, sie halten auch mit führendem Steuerwagen zuverlässig am Haltekontakt, diese leidigen "Halteabschnitte" braucht man nicht.

Etwas kniffelig wird es allerdings bei Rangierfahrten: Wenn die Fahrtrichtung geändert wird, dann muss sich auch die Zählrichtung aller von dieser Garnitur berührten Gleisabschnitte ändern.

Als Schaltmagnete eignen sich die winzigen (aber sehr starken) Neodym-Magnete, die sich leicht unter jedem Fahrzeug anbringen lassen. Bei Triptis II habe ich mit Magneten der Größe 5 mm x 4 mm x 1 mm und mit Reedkontakten mit ca 18 mm Glaskolbenlänge gute Erfahrungen gemacht. Die bei Triptis I zur Ortung eingesetzten größeren keramischen Magnete verlieren jetzt (nach 30 Jahren Betrieb) langsam ihre Kraft und müssen ersetzt werden.

Zuglängen-Erfassung

Die Idee mit dem Zählverfahren war mir bei der Planung von Triptis II noch nicht geläufig, deshalb habe ich ein anderes Verfahren eingesetzt, das auch auf Schaltmagneten beruht und prinzipiell keine Trennstellen benötigt:

Wie beim Zählverfahren sind in jeder Blockstrecke verschiedene Reedkontakte verbaut, die man sowieso zur Ortung der Züge benötigt. Das Steuerungssystem hat für jede Blockstrecke eine Information über den Abstand der verschiedenen Kontakte (zB Bremskontakt, Haltekontakte) zum Ende des Gleisabschnitts, außerdem führt das System Buch die Länge der Züge oder Zuggarnituren. Wenn jetzt ein Zug beispielsweise mit dem ersten Fahrzeug den Bremskontakt am Vorsignal überfährt, dann vergleicht das System den Abstand zum Abschnitts-Ende mit der Zuglänge. Falls der Zug kürzer ist, dann kann das System die zurückliegende Fahrstraße auflösen und den zurückliegenden Block rückblocken. Bei Zügen, die nur in einer Fahrtrichtung unterwegs sind, genügt ein Schaltmagnet an der Zugspitze; bei Zügen (oder automatisch gesteuerten Rangiergruppen), die geschoben werden, muß auch ein Magnet am letzten Fahrzeug sein.

Dieses Verfahren hat zwei Nachteile:

1. Zugtrennungen werden nicht erkannt. Allerdings wären auf der Anlage Triptis II Zugtrennungen auch mit einer Erkennung ziemlich katastrophal, weil es lange Steigungsstrecken gibt, bei denen sich der ggf. abgetrennte Zugteil unkontrolliert nach hinten bewegt und ziemliches Unheil verursacht, da hilft auch eine Erkennung nichts. Ich muss also gegen die Zugtrennungen andere Maßnahmen ergreifen, zB die Kupplungen ordentlich justieren.

2. Die Freimeldung erfolgt nicht sofort, nachdem das letzte Fahrzeug den Vorgänger-Abschnitt verlassen hat, sondern erst, wenn die Zugspitze den ersten wirksamen Kontakt erreicht hat. Bei Blockabschnitten, die für die Zugfolge besonders kritisch sind, beispielsweise bei der stark frequentierten Ausfahrt aus dem Schattenbahnhof, habe ich zusätzliche Kontakte installiert, damit der Zug den zurückliegenden Block nicht erst am Vorsignal rückblockt, sondern schon früher.

Bei manuell gesteuerten Rangierfahrten spielen die Schaltkontakte keine Rolle, die Freigabe bzw. Besetztmeldung der eventuell freigefahrenen Gleisabschnitte geschieht durch den Rangierleiter. Bei Rangierfahrten ist die Freigabe nicht zwangsläufig, denn eine Rangierfahrt hinterlässt recht häufig besetzte Gleisabschnitte.

Kontaktschiene bei Dreileiter-Gleisen

Zur Rückleitung des Fahrstroms genügt bei Dreileiter-Anlagen eine Fahrschiene, weil ja alle Radsätze bei diesem System leitend sein sollten. Man trennt also die beiden Fahrschienen elektrisch auf ganzer Länge und benutzt die eine Schiene durchgehend zur Stromrückleitung, während die andere - in Gleisabschnitte getrennt - zur Besetzterfassung herangezogen werden kann. Im besetzten Gleisabschnitt fließt der Rückstrom des Triebfahrzeugs zunächst über beide Schienen und dann über die Radsätze der Wagen in die eigentliche Rückleitungs-Schiene, so dass keine Kontaktprobleme zu erwarten sind. Zur Freimeldung dient eine Mess-Spannung an der Erfassungs-Schiene, die sofort kurzgeschlossen wird (und beispielsweise ein Gleisrelais abfallen lässt), sobald ein Radsatz auf den Gleisabschnitt rollt. Der Umbau der Dreileiter-Weichen dürfte in diesem Fall das größte Hindernis sein.

Mit Hp1-Gruß - Helmut

Fdl Triptis Offline




Beiträge: 471

23.03.2020 18:01
#2 RE: Technische Gleisfreimeldung antworten

Hallo Forumer, heute habe ich mal wieder etwas mehr Zeit, weil durch den Corona-Effekt viele Aktivitäten weggefallen sind: Die MoBa ist im Moment so ziemlich mein einziges Hobby.

Angeregt durch Huberts Anlagen-Update, wo ja die PuKo-Gleise eingesetzt werden, ist mir das Thema Besetzterfassung wieder hochgekommen. Die PuKo-Gleise sind ja umstritten, sie haben aber einige wichtige Vorteile: Neben der besseren Fahrstromaufnahme ist das beispielsweise die einfache Möglichkeit einer Besetztmeldung/Besetzterfassung. Also, PuKo-Fahrer, aufgepasst, ihr habt gute Karten!

Je nach Länge der Freimelde-Abschnitte sehe ich zwei Möglichkeiten:



Beide Schaltungen haben den Vorzug, dass sie völlig unabhängig von der Fahrstromversorgung arbeiten; egal, ob digital oder analog oder etwas dazwischen, sogar bei Oberleitungsbetrieb!. Wenn alle Fahrzeuge Radsätze mit elektrisch verbundenen Rädern ("Wechselstrom-Radsätze") ausgestattet sind, dann beginnt die Besetztmeldung, sobald die erste Achse des Zuges in den Freimeldeabschnitt einfährt und endet exakt dann, wenn die letzte Achse den Abschnitt verlässt. Bei Zweileiter-Anlagen ist diese Eigenschaft nur mit großem Aufwand zu erreichen.

Schaltung 1 ist die einfachere Lösung, sie ist besonders für relativ kurze Abschnitte geeignet, zB für Bahnsteiggleise oder Abstellabschnitte im Schattenbahnhof.

Hier bildet eine der beiden Schienen den kompletten Isolierabschnitt, diese Schiene muss also am Anfang und am Ende des zu überwachenden Gleisabschnitts elektrisch aufgetrennt werden. Für die Fahrstromrückleitung bedeutet das nur eine ganz geringe Verschlechterung, weil die beiden Fahrschienen bei der Überfahrt über die nicht isolierten Radsätze mehrfach verbunden werden.

Wie funktioniert die Schaltung? Das Relais sollte ein übliches 12 V-Relais sein; je weniger Kontakte desto besser. Der Widerstand R sollte etwa so groß sein wie der Spulenwiderstand, bei üblichen 12 V-Kammrelais liegt dieser Wert bei etwa 400 Ohm. Der Widerstand muss für eine Leistung von 1 W geeignet sein, weil er während des Besetzt-Zustands den doppelten Relais-Strom aushalten muss.

Im Grundzustand ist der Abschnitt frei, das Relais ist angezogen, der Ruhekontakt ist offen, so dass am Anschluss BES keine Spannung anliegt. Wenn ein Zug oder eine Rangiergruppe mit seiner ersten Achse den Abschnitt befährt, wird das Relais kurzgeschlossen und fällt ab, die Besetztmeldung kommt über den nun geschlossenen Ruhekontakt. Das ist schon alles; erst wenn die letzte Achse den Abschnitt verlassen hat, zieht das Relais wieder an und meldet FREI. Diese Schaltung funktioniert auch beim Einschalten der Anlage; bei besetztem Abschnitt erscheint sofort die Besetztmeldung. Diese Schaltung eignet sich auch für die Funktion Zugeinwirkung bei Stellwerken mit Fahrstraßen-Festlegefeldern.

Die Schaltung 2 benötigt zwei Relais, die ist besonders für ganz lange Streckenabschnitte geeignet, weil der Bereich zwischen den beiden notwendigen Isolierabschnitten ganz normal verlegt werden kann. Die Funktion geht so: Im Ruhezustand sind beide Relais angezogen, der Kontakt E am Relais A ist geschlossen, der Ruhekontakt im gleichen Stromweg ist offen. Die erste Achse schließt bei Punkt a das Relais kurz, es fällt ab, der Ruhekontakt schließt und schließt gleichzeitig das Relais über eine zweiten Stromweg kurz, so dass es nicht mehr anziehen kann, wenn die letzte Achse den Punkt b überfährt. Das Relais bleibt also abgefallen, so lange der Zug sich zwischen den Punkten b und c befindet. Sobald die erste Achse den Punkt c überfährt, fällt das Relais E ab. Dadurch öffnet sich der Kontakt E am Relais A, das dadurch wieder anziehen kann. Die Besetztmeldung wird über den Ruhekontakt des Relais E aufrechterhalten, bis die letzte Achse den Punkt d überfährt. Dadurch kann das Relais E wieder anziehen und alles ist wieder im Grundzustand FREI. Diese Schaltung funktioniert allerdings nur in einer Richtung, falls Zweirichtungsbetrieb bei eingleisigen Strecken vorliegt, muss auch bei langen Gleisabschnitten die Schaltung 1 eingesetzt werden. Ein zweiter Nachteil der Schaltung 2 muss auch beachtet werden: Steht bei abgeschalteter Anlage ein kompletter Zug zwischen den Punkten b und c, dann wird nach dem Einschalten der Abschnitt frei gemeldet; man muss also dafür sorgen, dass beim Abschalten der 24 V-Versorgung keine Züge zwischen b und c stehen bleiben, beispielsweise indem man eventuelle Anhalte-Positionen zwischen c und d legt.

In Triptis II habe ich diese schöne Möglichkeit nicht, deshalb muss ich auf meiner Anlage einige Nachteile in Kauf nehmen, beispielsweise kommt bei mir die Freimeldung erst, wenn sich das Zugende schon ziemlich weit im den nächsten Abschnitt befindet.

Mit Hp1-Gruß - Helmut

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