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Schaltungen
für Fortgeschrittene – Automation der Abläufe Meine Ansichten zum Begriff „ANALOG“ |
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Stand: 16.01.2025 07:20 |
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Kontakt: Mail |
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Der
Anlass zur Gründung meiner Facebook-Gruppe „Märklin H0 analog steuern und fahren“
waren die ständigen Versuche der Digitalfahrer in den anderen
Modellbahn-Gruppen, Benutzer der konventionellen („analogen“)
Modellbahn-Steuerung zu missionieren: „Digital ist alles möglich...“ Der
Gedanke, die Idee, das Gefühl, dass alles, was digital möglich ist, auch mit
konventionellen Mitteln zu realisieren sein müsste, war dann ein weiterer
Grund, diese Interessengemeinschaft ins Leben zu rufen. Es
zeigte sich aber bald, dass eine Vielzahl von Mitgliedern eher Hilfe bei den
Grundbegriffen braucht(e), als nach Automatisierung strebt(e). Daraus
entwickelten sich die Artikel des Bereiches „Das allererste Grundwissen über konventionell gesteuerte
Märklin-H0-Modellbahnen“. Die
Idee, die Automatisierung mit elektromechanischen Mitteln schrittweise auf
die Spitze zu treiben, und die Möglichkeiten möglichst ausführlich und
allgemein verständlich darzustellen, ist nach wie vor ein Ziel und wird in
diesem Bereich „Schaltungen für Fortgeschrittene – Automation der Abläufe“
behandelt. Es
gab Meinungsverschiedenheiten, welche Steuerungshilfmittel in meiner Gruppe
diskutiert werden dürfen. In dieser Abhandlung beschreibe und begründe ich
die Toleranzgrenzen in meiner Gruppe und dieser – meiner – Seite Märklin
HO ... : Alle
Produkte, die im Märklin-HO-System verwendbar sind, interessieren uns.
...
analog steuern und fahren: (aus dem Namen meiner
Gruppe) Hier
beginnen die Probleme... Als
das, was allgemein unter digitaler Modellbahn-Steuerung verstanden wird, auf
den Markt kam, nahm man als Synonym für „nicht digital“ einfach „analog“.
Dass es aber zwischen schwarz und weiß, digital und analog, noch sehr viele
Grautöne gibt, wird in der Regel ignoriert Digital
in dem Sinne sind Modellbahn-Produkte, die über verschlüsselte Steuersignale
kommunizieren, diese über eine zweiadrige Leitung als codierte Impulsfolge
gleichzeitig an eine Vielzahl von empfangsbereiten Geräten versenden und die
vom Inhalt des codierten Steuersignals angesprochenen Geräte dieses Signal
decodieren und die Steuerbefehle dann ausführen. Analog
sei dann entsprechend, dass Steuersignale – besser: Steuerspannungen – direkt
vom Befehlsgeber und in einer Vielzahl separater Leitungen zu jedem einzelnen
Befehlsempfänger, seinem Antrieb, gesandt werden – ohne Codierung und die
dafür notwendige Hard- und Software. Die
eingangs erwähnten Meinungsverschiedenheiten entzünden sich an den
konventionellen (analogen?) Apparaturen und insbesondere an der Kombination
dieser in größerem Umfang und der Nutzung von elektronischen Hilfsmitteln.
Ich komme weiter unten noch einmal darauf zu sprechen. Dem
vermeintlich versierten Modellbahner mag das banal vorkommen, aber ich werde
im Streitfall auf die Festlegungen dieser Abhandlung verweisen. Es ist
notwendig, dass ich Erbsen zähle, damit ein möglichst klares Bild entsteht. Die
Definition von „analog“: Synonyme
von analog sind:
Die
Definition von „analoges Signal“:
Ein
Beispiel für wirklich analoge Geräte,
die wohl jeder kennt: Die
Haushaltswaage in der Küche, ebenso
die Personenwaage. Die
mechanischen Waagen (links) sind analog.
Manche
elektrische Waagen sind digital gesteuert (rechts).
Sie
messen mit elektronischen Sensoren die Belastung in regelmäßigen zeitlichen
Abständen und zeigen die Werte in diesem Rhythmus in gerundeter Form auf
einer digitalen Anzeige an. Waagen, die sich so „benehmen“ erscheinen NICHT
kontinuierlich, NICHT stetig, NICHT stufenlos.
(Bild-Quelle / picture source:
themt.de) Was
sieht man mit dem inneren Auge, wenn man an die konventionelle, „analoge“
Modellbahn denkt? 1.:
Einen Transformator (Trafo), oft (Mit Trafo sei hier das
Steuergerät gemeint, das mit einem zentralem Drehknopf/-griff das manuelle
Variieren der Ausgangsspannung ermöglicht.) Ketzerische Frage: Ist
ein Märklin-Trafo wirklich „analog“? Kontinuierlich,
stetig, stufenlos? Ich
sage: Nein! Wenn
man den Steuergriff langsam nach rechts dreht, passiert zunächst gar nichts. Mit
dem Messgerät können wir feststellen, dass die Spannung noch Null Volt ist. Der
Kontaktfinger des Steuergriffes im Inneren des Trafos berührt noch nicht die
spannungsführende Sekundärspule. Also nicht kontinuierlich.
Erst
nach einigen Grad Drehung beginnen die Lampen des Fahrzeuges auf dem Gleis zu
leuchten. Mit dem Messgerät können wir nun eine kleine Spannung feststellen,
je nach Trafo zwischen gut 4 und 8 V. Also nicht
stufenlos. Sprung von O V auf 4 ... 8 V. Mit
einer weiteren langsamen Drehung werden die Lampen heller, aber das Fahrzeug
rührt sich noch nicht. Unter
Umständen fühlt man beim Drehen des Steuergriffs (zumindest bei älteren
Trafos) leichte Erschütterungen, als wären feine Rasten eingebaut. Das liegt
in der mechanischen Konstruktion der Spannungsabnahme im Trafo. Die
Sekundärspule, an der die für die Modellbahn brauchbaren Spannungen
abgreifbar sind, besteht aus einer engen Wicklung aus lackiertem Kupferdraht.
Zumindest bei den älteren Trafos, reibt ein Abnahmefinger über die an der
Berührungsstelle blank gemachten Drahtwicklungen. Die spürbaren
Erschütterungen kommen daher, dass der Finger von einer Rille zwischen den
Windungen in die nächste schnappt. Die benachbarten Windungen der Spule haben
geringfügig unterschiedliche Spannungen. Durch die Vielzahl der Windungen
ergibt sich beim Überstreichen eine quasi analoge
Spannungsveränderung, nicht stetig,
sondern in winzig kleinen Stufen.
Wenn
man also sehr pingelig ist, dann ist die Spannungsabnahme im Märklin-Trafo
nicht kontinuierlich, nicht stufenlos und nicht stetig und daher im
Definitionssinne nicht analog. Selbst
beim Vorbild, zumindest bei älteren E-Loks ist die Geschwindigkeit und
Leistung in Stufen geschaltet, weil analog nicht möglich war (ist?). Mit
einer weiteren langsamen Drehung wird man vom Motor ein Brummen hören, noch
bevor er genügend Kraft entwickelt, den Widerstand des Getriebes zu
überwinden. Wir hören die 50 Hertz der verwendeten Wechselspannung. Nach
einer weiteren langsamen Drehung setzt sich das Fahrzeug in Bewegung, mit
einer größeren Geschwindigkeit als erwartet bzw. erhofft. Nicht stufenlos. Man
kann nun ein kleines Bisschen wieder zurückdrehen und trotzdem fährt das
Fahrzeug weiter. Zurück
zur Eingangsfrage: 2.:
Man hat eine Gleisanlage, die – wenn mehr als nur ein Oval – oft elektrisch
in diverse isolierte Zonen unterteilt ist. Diesen Zonen sind die
verschiedenen Trafos zugeordnet oder zuordenbar. 3.:
Man hat diverse Stell- und Schaltpulte für die manuelle Betätigung von
Weichen, Signalen, Entkupplungsgleisen, Beleuchtungseinrichtungen und
Anderes. Jeder Stellbefehl wird über eine separate Leitung an den
betreffenden Antrieb/Leuchtmittel übertragen. Gefahren
wird durch manuelle Regelung der
Zuggeschwindigkeit. Weichen und Signale werden nach Belieben gestellt.
Abhängigkeiten sind im Kopf des Bedieners hinterlegt und werden – oft
halbherzig – beachtet. „Regeln“
heißt das Variieren einer Stellgröße in Abhängigkeit des Feedbacks aus der
Wirkung des Steuerbefehls. Bei
der manuell geregelten Modellbahn heißt das, die tatsächliche Geschwindigkeit
des Zuges entsprechend dem persönlichen Eindruck mit der Hand zu variieren. „Steuern“
ist nur das aktivieren oder deaktivieren einer Funktion, ohne Feedback. Der
Trafo ist ein Steuergerät, die Kombination Mensch-Trafo, die Auge-Hand-Koordination,
ist die Regelung.
Eine
automatische Regelung ist mit analogen Mitteln möglich (Beispiel: der
Fliehkraftregler der Dampfmaschine), aber in diesem Maßstab im Fahrzeug kaum
zu verwirklichen. Bei
der Fahrt entlang unseres Gleisovals kann man unter Umständen beobachten,
dass das Fahrzeug mit wachsender Entfernung vom Anschlussgleis langsamer wird
und mit der Annäherung wieder schneller. Begründung:
Die Übergangswiderstände zwischen den Gleisstücken summieren sich und die am
Anschlussgleisstück eingespeiste Spannung sinkt von Übergang zu Übergang. Das
ist mit einem analogen Messgerät schwer zu messen, es sei denn, man hat ein
sehr teures, gutes. Hier haben wir einen Vorteil der digitalen Messtechnik. Führen
wir das Gleis über einen Hügel, wird das Fahrzeug bergauf langsamer und
bergab schneller. Erkenntnis:
Die Geschwindigkeit eines konventionell gesteuerten Fahrzeugs wird von
Eigenschaften des Fahrweges beeinflusst. Man
könnte abschließend sagen: Das
manuelle Bedienen einer Modelleisenbahn „fühlt sich analog an“. Automatisierung
von Funktionen mit konventionellen Mitteln (mein Ziel) Schon
bei einer kleinen Anlage bedarf es einer gewissen Konzentration, mehr als
einen Zug gleichzeitig unfallfrei in Bewegung zu halten. Daher hat Märklin
schon früh Möglichkeiten der Automatisierung erdacht und publiziert sowie z.
B. die Signale mit den dafür notwendigen Schaltkontakten versehen. Der
Grundgedanke bei der Gruppengründung war, diese Möglichkeiten ins Bewusstsein
zu rufen, sie in Anwendungen zu benutzen, zu verfeinern, auf die Spitze zu
treiben.
Ich
habe sagen hören, weil Relais nur „aus“ und „ein“, 0 und 1, kennen, seien sie
digital. Das hieße, der Universal-Fernschalter von Märklin sei daher ein
digitales Bauteil? Desgleichen Weichen und Signale, die genauso
funktionieren? Das
hieße auch: Nur
wenn die Hand einen Taster drückt und der dadurch geschlossene Stromkreis die
Magnetspule des Signals flutet, so dass es das Signalbild wechselt, sei das
„analog“, konventionell. Wenn
ein Fahrzeug über ein Kontaktgleis fährt und mit dem dadurch geschlossenen
Stromkreis dasselbe tut, sei das eine Prozesssteuerung und digital. Wenn
weitere Relais in der Schaltung sind, die Anhängigkeiten zu Weichenstellungen
und Gleisbelegungen herstellen, erst recht. Wenn
wir also mit Relais eine Automatisierung gestalten wollen, müssen wir uns vom
Begriff analog verabschieden, aber auch NICHT
den Begriff digital benutzen. Märklin
nennt es mittlerweile in den neueren Produktbeschreibungen konventionell. Ich nenne es
außerdem elektromechanisch und in meinem Sinne und damit im Sinne meiner Gruppe und dieser Homepage. Im
Märklin-Signalbuch von 1955 sind
mehrere Varianten der Blocksignalsteuerung
beschrieben, mit Kontaktgleisen und Signalen mit Doppelspulenantrieb und
Zugbeeinflussung. Zu der Zeit hat der durchschnittliche Modellbahner nichts
anderes gekannt und daher den Begriff analog nicht
benutzt, geschweige denn digital. Eine
Blocksteuerung, die ja nur aus vom Zug betätigten Kontakten und elektrisch
bewegten/geschalteten Signalen zu bestehen braucht, nennt Märklin konventionell, betrachte ich als elektromechanisch
und in meinem Sinne und damit im Sinne meiner Gruppe und dieser Homepage. Die
elektromechanische Steuerung eines Bahnhofs an eingleisiger Strecke, auf dem
sich automatisch Züge begegnen ohne zu kollidieren, betrachte ich als in meinem Sinne und damit im Sinne
meiner Gruppe und dieser Homepage. Die
elektromechanische Steuerung eines Schattenbahnhofs mit etlichen Gleisen, in
dem der einfahrende Zug den nächsten Nachbarn automatisch startet, betrachte
ich als in meinem Sinne und damit im Sinne meiner Gruppe und dieser Homepage. Auch
die manuelle Bedienung von Weichen und Signalen kann man durch geschickte
Schaltung und unter Verwendung von Relais vereinfachen, die Anzahl der zu
betätigenden Knöpfe drastisch verringern. Als Beispiel nenne ich die
Relais-Stellwerke der Deutschen Bahn. Kaum jemand käme auf die Idee, diese
als digital zu bezeichnen. Also betrachte
ich auch Schaltungen in diesem Umfang als im Sinne meiner Gruppe
und dieser Homepage. Wenn
ein Modellbahner, seine Anlage mit Schränken voll Relais, mit Telefonwählern
und Ähnlichem steuern lässt, möchten wir das in meiner Gruppe sehen und ich
betrachte das als in meinem Sinne
und damit im Sinne meiner Gruppe und dieser Homepage.
Halbleiter
sind allgemein üblich in der konventionellen Modellbahn. Ohne Dioden und
Transistoren wäre vieles nicht oder nur schwer machbar. Wir brauchen sie,
also lassen wir sie zu. Elektronische
Bausteine namhafter Hersteller die aus Halbleiter-Elementen und Relais
aufgebaut sind, z. B. für das sanfte Anfahren und Bremsen durch entsprechende
Steuerung der Fahrspannung oder (überflüssigerweise) für die Schattenbahnhof-Steuerung
oder die Blocksteuerung oder den elektronischen Universal-Fernschalter 7244
oder ... oder ... betrachte ich als in meinem Sinne
und damit im Sinne meiner Gruppe und dieser Homepage.
Das
Weichenstellen mit einem Servo-Antrieb, wenn der Antrieb mit seiner Steuerung
als Funktionseinheit betrachtet wird und über zwei Schaltkontakte gerade und
abzweigend gestellt wird, betrachte ich als in meinem
Sinne und damit im Sinne meiner Gruppe
und dieser Homepage. Sinngemäß gilt das für mit Servoantrieben
bewegte Signale, Schuppentore, Drehscheiben, animierte Figuren usw. Die
innere (digitale) Struktur einer Funktionseinheit interessiert im Grundsatz
nicht, wenn die Einheit von und nach außen wie ein elektromechanisches Gerät
agiert, man es auch elektromechanisch bauen könnte, wenn auch mit immens
größerem Aufwand. Steuerungszentralen Je
größer die Anlage wird, je mehr Antriebe bewegt werden müssen, je
komplizierter die Zusammenhänge werden, um so größer wird die Anzahl der
steuernden Bauteile und deren Verdrahtung. Da
macht es Sinn, über den Tellerrand zu gucken: Bei
Werkzeugmaschinen der Industrie sind seit jeher regelmäßig wiederkehrende
Schaltvorgänge auszuführen. 1969 wurde dafür die Speicherprogrammierbare
Steuerung (SPS) erfunden, ein über Schaltergruppen oder später digital
programmierbares Schaltwerk, das Funktionen der angeschlossenen Maschine ein-
und ausschalten kann in Abhängigkeit von der Betätigung von Kontakten in der
Maschine. Einer der Erfinder „... wehrte sich gegen die Bezeichnung Computer.
Er sah hierdurch die Akzeptanz bei den bisher tätigen Steuerungsfachleuten
gefährdet.“ SPS in dieser Form betrachte ich als in der Wirkung nichts
anderes als ein hochkomplexes Relais-Schaltwerk und damit in meinem Sinne und damit im Sinne
meiner Gruppe und dieser Homepage. Ich
komme noch einmal auf die Unterschiede zwischen der sogenannten „digitalen“
und der sogenannten „analogen“ Modellbahn zu sprechen. Die
Funktionsweise der digitalen Modellbahn: Theoretisch
führen bei der digitalen Märklin-Modellbahn nur zwei Leitungen ans Gleis und
damit zu allen Signalen und Weichen. (In der Praxis sind es einige mehr...) Ein
Stellbefehl wird quasi als Morse-Nachricht in dieses Leitungspaar geschickt.
Alle Decoder lesen sie. Die Nachricht beginnt mit dem Namen dessen, an den
die Nachricht gerichtet ist. Weichen und Signale mit anderem Namen ignorieren
die Nachricht, die eine Weiche, die gemeint ist, führt den anschließenden
Befehl aus. Das
ist also völlig anders als in der konventionellen Installation, wo von jeder
Weiche und von jedem Signal ein Kabelbündel zum Befehlsgerät führt und jede
Funktion ihre eigene Befehlsleitung hat. Auch bei der Anwendung einer SPS! Ich
bin in der Planung meiner nächsten Anlage. Bisher sehe ich keine
Veranlassung, anstelle der fest verdrahteten Relais ein Elektronengehirn mit
Aufgaben zu betrauen. Allerdings, wenn man die Geschwindigkeitssteuerung
der Züge einbezieht, wird der Schaltungsaufwand immens. Das betrachten wir
jetzt: Bei
der digitalen Zug-Steuerung ist es genauso wie bei den Weichen: erst die
Adresse, dann der Befehl. Bei den Loks kann es bis zu 32 (oder mehr)
Funktionen zusätzlich zu der Geschwindigkeitssteuerung geben. Das ist
elektromechanisch natürlich unmöglich – in der Lok zumindest. Eine
Pulsbreiten-Steuerung mit ~ 200 Hz hat Märklin schon 1978 auf den Markt
gebracht in Form des „Elektronik-Fahrgerätes 6699“. Damit wurde – handgeführt
– extrem langsames Fahren und sanftes Anfahren und Abbremsen möglich – mit
elektronischen Mitteln. Der sehr kurze Umschaltimpuls ermöglichte auch mit
Lokomotiven der 800er Reihe den Bocksprung beim Umschalten zu minimieren. 1983
kam die um eine Pendelzugsteuerung erweiterte Version 6600 heraus. Hier wurde
auch eine automatische Lastregelung integriert, die die Geschwindigkeit
bergauf und bergab konstant halten soll. Obwohl man geneigt ist, bei diesen
beiden Geräten an Digitalsteuerung zu denken, sind sie doch der
konventionellen Steuerung zuzurechnen und damit in meinem
Sinne und damit im Sinne meiner Gruppe
und dieser Homepage. Die
beschriebenen Geschwindigkeitssteuerungen bedürfen stets der regelnden Hand. Wie
könnte man sich eine automatische Geschwindigkeitssteuerung mit
elektromechanischer Steuerung vorstellen? Ein
Zug benötigt auf seinem Weg über die Anlage die folgenden verschiedenen
Spannungen:
Es
gibt eine Reihe von Möglichkeiten, diese verschiedenen Spannungen
bereitzustellen. Letztlich müssen sie zur richtigen Zeit am richtigen
Gleisbereich zur Verfügung gestellt werden. Das kann man mit Relais
verwirklichen oder – bei einer größeren Menge von Zügen – besser mit einer
SPS oder mit einem PC mit Schaltinterface. Diese ersetzen lediglich die
manuelle Bedienung, die nicht mehr zu leisten wäre. – Allerdings habe ich
inzwischen ein Konzept für eine überschaubare Relaissteuerung; es könnte doch
ohne Rechner gehen… Für
die Beschleunigungs- und Abbremsvorgänge gibt es fertige Bausteine auf
Halbleiterbasis oder Bastelanleitungen. Zugeschaltet über die Steuerung. Auch
das betrachte ich als in meinem Sinne
und damit im Sinne meiner Gruppe und dieser Homepage. Geräusche
können an den bestimmten Stellen der Anlage als Lautsprecher an einer
Geräuscheinheit installiert und durch die Lok oder die Steuerung ausgelöst
werden. Bewegte Geräusche kann man als Stereo- oder Quadrophonie-Ereignis
steuern (siehe Miniatur Wunderland in Hamburg, Airport Knuffingen). Die
Steuerung „weiß“, welche Schalter wann bewegt werden müssen. Und das ist ebenfalls in meinem Sinne
und damit im Sinne
meiner Gruppe und dieser Homepage. Dies
alles ist einer der Grundgedanken zur Gründung meiner Gruppe und damit auch
dieser Homepage. Alles
(?), was digital geht, kann man irgendwie auch „analog“, nein, konventionell
erreichen... |
