Bahnhof „Lahnburg“ und die Digitalisierungsreise

 
Im Laufe der letzten Jahre verschlechterte sich die Elektrik/Elektronik unseres Vereinsbahnhofs. Die analoge Steuerung wurde nach der Umstellung auf den digitalen Fahrbetrieb zum Problem. Die 15 Jahre alte konventionelle Bahnhofssteuerung mit selbstgefertigten Steuerungsplatinen funktionierte zunehmend unzuverlässig. Viele Taster für Weichen, Signale und Fahrstraßen machten den Betrieb zum Glücksspiel. Ersatzteile waren schwer zu bekommen, und Kenner der „antiquierten“ Technologie waren rar. Eine umfassende Modernisierung war notwendig, besonders für unseren großen Stelltisch, dessen Gleisbild nur im Ausstellungsbetrieb dem ursprünglichen Layout entsprach. Eine klare Dokumentation war aufgrund unzureichender Aufzeichnungen und vieler unvollständiger Änderungen ebenfalls überfällig.
 
Es war dringend notwendig, unsere Modulanlage mit dem Bahnhof für Ausstellungen wieder auf Vordermann zu bringen. Von Anfang an war klar, dass dies mit erheblichem finanziellem und zeitlichem Aufwand verbunden sein würde. Wenn wir etwas tun, dann richtig. Daher erweiterten wir die Sanierungsaufgaben. Die motorischen Weichenantriebe mit Herzstückpolarisation waren in die Jahre gekommen und wurden durch neue ersetzt. Gleiches galt für die Signalausgestaltung mit klassischen Flügelsignalen (Viessmann), die moderneren Lichtsignalen weichen sollten, um die Störanfälligkeit bei einer transportablen Modulanlage zu reduzieren. Doch damit nicht genug – ein vergessenes Bahnhofsmodul tauchte auf und ermöglichte eine Verlängerung um 80 cm auf insgesamt 9,2 m. Eine großartige Idee, die natürlich auf die To-do-Liste gesetzt wurde. Mit einer gut ausgestatteten Liste konnte die Planung und Umsetzung beginnen.
 

 Digitalisierung mag auf den ersten Blick einfach erscheinen, doch die Komplexität dahinter und die notwendigen Überlegungen werden oft unterschätzt. Um Gedanken, Ideen und Festlegungen nicht zu verlieren, begann der erste wichtige Schritt: eine detaillierte Dokumentation. Strikt nach dem Motto ‚Dokumentiert und alle richten sich danach!‘ entstanden die ersten Listen und Gleispläne für unseren Bahnhof ‚Lahnburg‘. Mit fortschreitenden Arbeiten wurden diese immer detaillierter. Wir haben mittlerweile Farbcodetabellen für die Kabelführung, Signaltabellen, Weichentabellen, Rückmeldertabellen, Bremsmodultabellen – im Prinzip Tabellen für jeden Zweck.

 

Insgesamt musste die Steuerung von 32 Weichen, 26 Signalen, xx Rückmeldeabschnitten und 13 Bremsabschnitte sorgfältig geplant werden. Ein solcher Umfang erforderte eine gründliche Planung.

Da wir bereits seit einigen Jahren digital fahren und über eine Grundausstattung an Digitalkomponenten verfügen, mussten wir uns zumindest bezüglich der Wahl eines geeigneten Digitalsystems keine Gedanken machen. Vor einigen Jahren hatten wir uns bereits für das Lenz-System entschieden, mit der LZV 200 (20200) als Zentrale und einem zusätzlichen Booster LV103 (22103). Die Zentrale versorgt den Bahnhof und einen Anlagenschenkel, während der Booster den anderen Anlagenschenkel versorgt. Aufgrund unserer maximalen Anlagenlänge von ca. 50m sind wir auf die Lenz Funkhandregler LH101-R (21102) umgestiegen, von denen wir derzeit 4 Stück im Einsatz haben.

Für die digitale Bahnhofssteuerung mussten wir uns überlegen, was wir digital ansteuern oder regeln wollen. Die Weichenansteuerung erfolgt durch selbstgefertigte Servoantriebe, gesteuert durch ESU SwitchPilot 3 Servo (51832) mit entsprechenden SwitchPilot Extension-Bausteinen (51831) für die Weichenherzpolarisierung. Für die Ansteuerung der Lichtsignale haben wir uns für den ESU Signalpiloten (51840) entschieden.

Die weiteren Komponenten stammen aus dem Sortiment von Lenz. Die beiden Kehrschleifen erhielten jeweils ein entsprechendes Kehrschleifenmodul LK200 (12200). Für Gleisbelegtmeldung und Rückmeldung entschieden wir uns für den LRB08 Baustein (11230). Bei der Planung der Bremsabschnitte wurde es komplexer, besonders aufgrund der modularen Anlage mit wechselnden Modulkombinationen und variablen Blocklängen. Das Blockstellenmodul mit dem kürzesten verfügbaren Bremsabschnitt wurde als Referenz gewählt. Die maximale Bremsstrecke beträgt 800mm, und alle Lokomotiven müssen auf diese konstante Bremsstrecke eingemessen werden.

Ein häufig unterschätzter Aspekt der Digitalisierung ist die Verkabelung. Um möglichen Problemen vorzubeugen, haben wir eine grundlegende Neuverdrahtung unseres Bahnhofs und aller Module sowie der Verbindungskabel zwischen den Modulen mit einem Kabelquerschnitt von 1,5mm² vorgesehen. Die Steckverbindungen zwischen den Modulen erfolgen über 12-polige Stecklüsterklemmen für eine sichere und leistungsfähige Verbindung.

Abschließend zur Planung des neuen Stelltisches: Wie bereits erwähnt, sollte unsere bisherige klobige und unflexible Variante gegen etwas getauscht werden, das uns die Flexibilität für den Ausstellungsbetrieb [MECxx] und den betrieblichen Betrieb im Vereinsheim mit etwas reduziertem Gleisumfang [MECxx] bietet. Die naheliegende Wahl war die Verwendung eines Touch-Monitors und einer entsprechenden Stellpultsoftware. Ein handelsüblicher xx“-Monitor wurde schnell gefunden und über einen vorhandenen PC mit dem Digitalsystem verbunden. Für die Steuerungssoftware entschieden wir uns für die ESTGJ-Software, die unsere Vereinsmitglieder mit Bahnhintergrund nun mit einem Drucktastenstellwerk DR S 60 erfreut. Zur besseren Verständlichkeit für Nicht-Eisenbahner haben wir die Software etwas abgespeckt. Mit dieser Planung konnten wir dann zur Umsetzung übergehen.

Umsetzung

Um eine klare Struktur während der Umsetzung zu gewährleisten, haben wir bewusst ein festes „Bahnhofsteam“ gebildet. Ein unstrukturiertes Vorgehen führt oft zu Chaos, wo jeder nach eigenem Ermessen handelt. Durch unser eingespieltes Team konnte die Arbeit überwacht und die Einhaltung von Vorgaben, wie Kabelfarben und -querschnitten, sichergestellt werden. Der nicht zu unterschätzende Vorteil dieser kleinen und engagierten Gruppe besteht darin, dass wir neue Mitglieder gezielt in die komplexe Verdrahtung und die Zusammenhänge der Digitaltechnik einführen können. Dadurch gewinnen wir zusätzliche Expertise für unsere Bahnhofstechnik.

Es mag zwar nicht viel sein, aber es ist ein wenig übersichtlicher geworden. Es ist wichtig zu beachten, dass wir nun über erweiterte Möglichkeiten verfügen, wie Bremsstrecken, Gleisbelegtmeldungen und zusätzliche Fahrstraßen. Insbesondere haben wir Komponenten namhafter Hersteller verbaut, die uns langfristig die Möglichkeit eines einfachen Austauschs bieten, ohne dass aufwändige Bastelarbeiten an selbstgefertigten Elektronikkomponenten oder Softwareanpassungen erforderlich sind.

Bei der Verdrahtung haben wir stets auf ausreichenden Kabelquerschnitt geachtet. Für die Verlängerung der Steuerkabel der Servos zur Weichenansteuerung haben wir handelsübliche, fertig konfektionierte Kabelverlängerungen verwendet. Der mechanische Aufbau der Servohalterungen wird in einem separaten Artikel behandelt. Die Einstellung der Servoendlagen sowie der Stellgeschwindigkeit erfolgte manuell direkt über den ServoPiloten. Für die Weichenherzpolarisierung sind entsprechende Erweiterungsmodule am ServoPiloten angeschlossen. Es sei angemerkt, dass es bei einigen Servopositionen vorkommen kann, dass sich die Weichenzunge zu spät vom Gleis löst und die Weichenherzumschaltung bereits stattgefunden hat, was zu einem Kurzschluss führen kann. Dieses Problem konnten wir durch die Reduzierung des Anpressdrucks der Weichenzungen lösen. Durch diese Maßnahme lösen sich die Weichenzungen schneller aus ihrer Position, und die Standardverzögerung der ESU-Bausteine ist wieder ausreichend, um Kurzschlüsse zu vermeiden. Ein weiterer wichtiger Punkt ist das sogenannte Servobrummen. Hierbei fährt das Servo zwar in seine Endlage, schaltet jedoch aufgrund von Stellkräften den Stellstrom für den Antrieb nicht ab. Dadurch beginnt das Servo zu brummen und wird warm. Im schlimmsten Fall kann es überhitzen und Schaden nehmen.

Es mag zwar nicht viel sein, aber es ist ein wenig übersichtlicher geworden. Es ist wichtig zu beachten, dass wir nun über erweiterte Möglichkeiten verfügen, wie Bremsstrecken, Gleisbelegtmeldungen und zusätzliche Fahrstraßen. Insbesondere haben wir Komponenten namhafter Hersteller verbaut, die uns langfristig die Möglichkeit eines einfachen Austauschs bieten, ohne dass aufwändige Bastelarbeiten an selbstgefertigten Elektronikkomponenten oder Softwareanpassungen erforderlich sind.

Bei der Verdrahtung haben wir stets auf ausreichenden Kabelquerschnitt geachtet. Für die Verlängerung der Steuerkabel der Servos zur Weichenansteuerung haben wir handelsübliche, fertig konfektionierte Kabelverlängerungen verwendet. Der mechanische Aufbau der Servohalterungen wird in einem separaten Artikel behandelt. Die Einstellung der Servoendlagen sowie der Stellgeschwindigkeit erfolgte manuell direkt über den ServoPiloten. Für die Weichenherzpolarisierung sind entsprechende Erweiterungsmodule am ServoPiloten angeschlossen. Es sei angemerkt, dass es bei einigen Servopositionen vorkommen kann, dass sich die Weichenzunge zu spät vom Gleis löst und die Weichenherzumschaltung bereits stattgefunden hat, was zu einem Kurzschluss führen kann. Dieses Problem konnten wir durch die Reduzierung des Anpressdrucks der Weichenzungen lösen. Durch diese Maßnahme lösen sich die Weichenzungen schneller aus ihrer Position, und die Standardverzögerung der ESU-Bausteine ist wieder ausreichend, um Kurzschlüsse zu vermeiden. Ein weiterer wichtiger Punkt ist das sogenannte Servobrummen. Hierbei fährt das Servo zwar in seine Endlage, schaltet jedoch aufgrund von Stellkräften den Stellstrom für den Antrieb nicht ab. Dadurch beginnt das Servo zu brummen und wird warm. Im schlimmsten Fall kann es überhitzen und Schaden nehmen.

Die Steuerung der einzelnen LEDs erfolgt über den ESU SignalPiloten. Ein Signalpilot kann 16 einzelne LEDs steuern. Die Programmierung gestaltet sich dabei als unkompliziert, insbesondere wenn man den ESU LokProgrammer (53451) verwendet. Die zugehörige Software bietet bereits eine Vielzahl von verschiedenen vorprogrammierten Signalbildern, die man mühelos den entsprechenden LED-Ausgängen zuweisen kann.

Nachdem alle Signale programmiert waren, wurden sämtliche entstandenen Kollateralschäden behoben und einige Stellen hier und da aufgehübscht. Anschließend konnten wir mit der Programmierung der Software beginnen.

Software

Für die Software haben wir uns für ESTGWJ (http://www.estwgj.com/) entschieden, da wir ein annähernd vorbildgerechtes Spurplanstellwerk darstellen wollten. Um das Ganze weniger komplex und verwirrend zu gestalten, haben wir die bildliche Darstellung auf dem Monitor später etwas vereinfacht. Dies diente dazu, unsere Vereinsmitglieder, die nicht im Bahnbereich tätig sind, nicht zu überfordern. Für alle Beteiligten stellte dies einen akzeptablen Kompromiss dar.

Die Programmierung gestaltet sich relativ komplex. Einerseits ist eine Auseinandersetzung mit der umfangreichen und qualitativen Dokumentation von Herrn Grandjean erforderlich, andererseits sind Kenntnisse über ein originales Spurplanstellwerk und dessen Funktionsweise hilfreich. Glücklicherweise konnten wir auf die Erfahrungen eines Vereinsmitglieds zurückgreifen, das sich sowohl mit ESTGWJ als auch mit der originalen Stellwerkstechnik bestens auskennt.

Ein erheblicher Mehraufwand bei der Programmierung entstand durch unsere beiden Anwendungsfälle „Vereinsheim“ und „Ausstellungsbetrieb“. Hierfür mussten zwei separate Stelltischdateien erstellt werden, da in der Vereinsheimversion der Bediener auf der anderen Bahnhofsseite steht und somit eine um 180° gedrehte Darstellung erforderlich ist. Zudem umfasst das Gleisbild hier nur den halben Bahnhof, dafür aber noch eine zusätzliche Wende. Insgesamt war dies jedoch nichts, was sich nicht lösen ließ, und vor allem hat sich dieser doppelte Programmieraufwand gelohnt, da man jetzt immer das passende Gleisbild vor Augen hat.

Probelauf

Fast alle Punkte auf unserer To-do-Liste waren abgearbeitet, daher lag es nahe, einen ersten Probeaufbau mit anschließendem Probelauf zu starten. Nachdem die Weichen und Signaldarstellungen der Software an die Realität angepasst wurden, konnten wir mit dem Einmessen der ersten Lok beginnen. Dieser Vorgang ist bedauerlicherweise für jede Lok erforderlich, da sie lernen muss, auf das ABC-Bremssystem zu reagieren, den konstanten Bremsweg einzuhalten und aufgrund unserer recht kurzen Bremsstrecke nur eine bestimmte Maximalgeschwindigkeit zu erreichen. Wenn die Geschwindigkeit darüber liegt, schafft es der Decoder nicht mehr, die Lok im vorgesehenen Bremsbereich zu regeln. Dies könnte dazu führen, dass die Lok am Signal vorbeifährt. Obwohl es einfach klingt, erfordert dieser Prozess viel Experimentieren, Geduld und Arbeit. Am Ende hat man dann bei einigen hundert Lokomotiven der Vereinsmitglieder ein recht umfangreiches Zahlenwerk.

Eine kleine Ergänzung zu unseren Decoderadressen: Um endlose Listen zu vermeiden, die Auskunft über die jeweilige Lokadresse geben, haben wir uns bei der Nummernvergabe dafür entschieden, die ersten drei Stellen und die letzte Stelle der Loknummer zu verwenden (Beispiel: 213 333-8 → 2138). Auf diese Weise kann die Decoderadresse jederzeit schnell direkt von der Lok abgelesen werden.

Mit dem Schrumpfen unserer To-do-Liste begann unsere Fehlerliste zu wachsen. Es war ein ständiges Auf und Ab. Sobald einige Fehler behoben wurden, traten sofort neue auf. Angefangen bei falschen Weichenpositionen über fehlerhafte Signalausleuchtungen bis hin zu falsch zugeordneten Weichennummern im ESTGWJ. Dies waren jedoch alles Kleinigkeiten, die sich ohne viel Aufwand beheben ließen. Bis zu dem Tag, an dem wir die Anlage erstmals in voller Größe in einer angemieteten Sporthalle testen konnten. Plötzlich hatten wir massive Fehlausleuchtungen im Gleisbildstellwerk, von Zügen, die überhaupt nicht vorhanden waren. Dadurch wurden durch die Software ständig Fahrstraßen abgebrochen, mussten gelöscht und neu aufgerufen werden. Ein reibungsloser Fahrbetrieb war so nicht mehr möglich. Dann begann die Ursachenforschung und Lösungsfindung. Die Ursache war schnell gefunden: Induktionsspannungen in den Rückmeldeleitungen zum LRB08. Doch was dagegen tun? Nach zahlreichen Versuchen mit verdrillten und abgeschirmten Datenleitungen sowie verschiedenen Dioden-, Widerstands- und Kondensatorschaltungen, die nur teilweise zu einer Lösung des Problems beitrugen, stießen wir auf eine nicht dokumentierte CV (CV54) des LRB08, über die sich die Empfindlichkeit des Rückmelders einstellen lässt. Nach einigen Experimenten mit den Einstellwerten löste sich unser Problem in Luft auf. Seitdem können wir den Betrieb nun reibungslos durchführen.

Technisches:
Gemäß der Norm der ARGE Nordmodul werden die Züge auf den Bahnhofsmodulen analog gesteuert. Dies führt beim Zweileiter-System dazu, dass die Steuerung  komplexer wird, wenn man den Bahnhof  möglichst umfangreich nutzen möchte. Als Beispiel sei hier die notwendige Umpolung jedes Gleisabschnitts genannt, damit dieser in Gegenrichtung durchfahren werden kann.
Um eine umfangreiche und flexible Nutzung des Bahnhofs zu ermöglichen, wurde ein eigenes Digitalsystem zur Ansteuerung der Weichen, Gleisabschnitte und Signale entwickelt.
Im Stellpultkasten befinden sich hierfür fünf mit Mikro-Controllern bestückte Master-Platinen, die die Taster auslesen und über den sogenannten I²C-Bus mit den Slave-Platinen kommunizieren, die unter den Bahnhofs-Segmenten verbaut sind. Verwendet wurden ATMEGA 16 Mikrocontroller der Firma Atmel. Die Software wurde in „C“ geschrieben, kompiliert und auf die Mikrocontroller übertragen. An eine Slave-Platine können bis zu 40 monostabile Relais angeschlossen werden. Mit diesen Relais werden die Signale und Weichen angesteuert, sowie die einzelnen isolierten Gleisabschnitte, wenn nötig, umgepolt.
 
 
Gleisplan:
 
Der Bahnhof besteht aus neun Einzel-Modulen mit einer Gesamtlänge von 8,40 m. Es sind 7 Hauptgleise vorhanden. Davon ein Stumpfgleis. Zusätzlich verfügt der Bahnhof über eine Abstellgruppe, einen Güterschuppen sowie über einen Postbahnhof, eine Verladerampe und eine Ladestrasse. Der Anschluss eines zusätzlichen Moduls mit einem Bahnbetriebswerk ist derzeit noch in Planung. Beim Gleissystem handelt es sich um das ELITE-Gleis der Firma Tillig und bei den Signalen um Formsignale der Firma Viessmann.