Bahnübergangssteuerung

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Motivation

Während Bahnübergänge bei der modernen Bahn aufgrund der damit verbundenen Gefahren gar nicht mehr neu gebaut werden dürfen, waren sie zu früheren Zeit gang und gäbe. Da sich an einem Bahnübergang der Straßen- und der Schienenverkehr auf der gleichen Ebene kreuzen, ist hier eine Sicherung nötig. Die geschieht im einfachsten Fall durch die Aufstellung von Andreaskreuzen und die Freihaltung eines ausreichend großen Sichtdreiecks für die Verkehrsteilnehmer. Damit soll der Straßenverkehr den heranfahrenden Zug frühzeitig erkennen, um rechtzeitig vor dem Bahnübergang anhalten zu können. Solche nichttechnisch gesicherten Bahnübergänge sind jedoch nur bei niedrigen Geschwindigkeiten und geringem Verkehrsaufkommen zulässig.

Deswegen kommen bei höheren Geschwindigkeiten und/oder höherem Verkehrsaufkommen technisch gesicherte Bahnübergänge zum Einsatz. Diese bestehen im einfachsten Fall aus roten Blinklichtern, die Straßenverkehrsteilnehmer vor einem nahenden Zug warnen. Ergänzt werden können sie durch Voll- oder Halbschranken, die ein Befahren des Bahnübergangs mechanisch verhindern sollen.

Solche Bahnübergänge sind auch auf verschiedenen Modulen im FREMO immer wieder anzutreffen. Häufig sind diese jedoch ganz ohne Funktion oder müssen von den Zugmannschaften oder dem nächsten Bahnhofspersonal per Hand geschlossen und wieder geöffnet werden. Dies erfordert zusätzliche Aufmerksamkeit und ist anfällig für Fehlbedienung, weswegen wir hier nach einer automatisierten Lösung gesucht haben. Während dies auf einer Heimanlage mit festen Strecken und oft bekannten Zuglängen relativ einfach zu lösen ist, stellt der Modulbetrieb ganz andere Anforderungen. So befinden sich der Bahnübergang und die auslösenden Sensoren im Regelfall nicht auf dem gleichen Modul, sondern auf, je nach Aufbau, wechselnden Modulen. Auch können örtliche Begebenheiten, z.B. eine Anordnung nach einem Bahnhof, eine andere Ansteuerung erfordern als bei einem Bahnübergang auf freier Strecke.

Anforderungen

Bei der von den H0fine-Kleinbahnern entwickelten Bahnübergangssteuerung handelt es sich um eine vereinfachte Nachbildung einer lokführerüberwachten Bahnübergangssicherung. Hierbei wurden nur die wichtigsten Anwendungsfälle nachgebildet. Weitere Variationen sollten sich bei Bedarf relativ einfach nachrüsten lassen.

Folgendes Verhalten wird nachgebildet:

  • Der Bahnübergang (BÜ) wird durch einen Zug automatisch eingeschaltet.
  • Nach Befahren und Räumen des BÜ wird er wieder ausgeschaltet.
  • Wird der Bahnübergang ausgelöst aber danach nicht befahren oder geräumt, so schaltet der BÜ nach einer einstellbaren Zeit (Grundstellerzeit) wieder ab.
  • Der Bahnübergang kann manuell per Taste ET eingeschaltet und per Taste AT ausgeschaltet werden. Dies wird zum Beispiel benötigt, wenn sich der Bahnübergang direkt hinter einer Haltestelle des Zuges befindet. Hier kann die Einschaltung nicht automatisch erfolgen, sondern erst dann, wenn der Zug weiterfahren soll.
  • Zum Rangieren kann der Bahnübergang mit einem Rangierschalter RS dauerhaft eingeschaltet werden. In diesem Fall kommt die Grundstellerzeit nicht zur Anwendung.
  • Mit der Unwirksamkeitstaste UT kann der Stromsensor unwirksam geschaltet werden. Dies ist notwendig, wenn sich z.B. im Bereich des Einschaltkontaktes ein Anschluss befindet, in dem rangiert wird, ohne dabei den Bahnübergang zu befahren. Dann soll dieser natürlich auch nicht eingeschaltet werden.

Neben der Funktion selbst, wurden folgende Eigenschaften festgelegt:

  • Die Steuerung sollte vier Blinklichtsignale, zwei Überwachungssignale sowie acht Servos für Schranken etc. ansteuern können.
  • Tonausgabe für die Signalglocke.
  • Erkennung des Zuges über Stromsensoren, so dass keine Veränderungen an Nachbarmodulen notwendig sind.
  • Vorbereitung für die Unterstützung von Zweirichtungsbetrieb, z.B. für zweigleisige Bahnübergänge.
  • Stromversorgung auch ohne Netzversorgung möglich, z.B. über ein USB-Powerpack.
  • Um die geforderte Flexibilität zu erreichen, ist die Bahnübergangssteuerung modular aufgebaut. Sie kann damit bei jedem Einsatz einfach an die Anforderungen des Arrangements angepasst werden.
  • Einfache Verkabelung ohne Konfigurationsaufwand.
  • Flexibilität für mögliche Erweiterungen/Variationen.
  • Möglichst Verwendung von Bauelementen in Durchstecktechnik für einfachen Nachbau.

Komponenten

Wie schon weiter vorne erwähnt, besteht die Bahnübergangssteuerung aus mehreren Komponenten, die variabel aufgebaut und miteinander verbunden werden können. Hier sollen diese nun etwas näher vorgestellt werden.

Hauptplatine

Die Hauplatine wird fest in der Nähe des Bahnübergangs installiert. Alle anderen Komponenten werden mit der Hauptplatine verbunden.

Hauptplatine der Bahnübergangssteuerung

Über Klemmleisten können die Blinklichtsignale des Bahnübergangs sowie die Servos für die Schranken angeschlossen werden. Auf weitere Klemmleisten sind die Eingänge der Steuerung geführt. Auch ein Verstärker für den Anschluss eines Lautsprechers ist vorhanden. Die Töne können auf einer microSD-Karte gespeichert werden. Die Stromversorgung erfolgt über eine USB-Buchse.

Die beiden RJ45-Buchsen dienen dem Anschluss der weiteren Komponenten über ein durchgeschleiftes Kabel. Alle Komponenten können dabei in beliebiger Reihung an das gleiche Kabel angeschlossen werden. Auch Stern-Verkabelung ist möglich. Alternativ können die Ein- und Ausgänge aber auch direkt an die Klemmleisten angeschlossen werden, wenn diese im gleichen Modul eingebaut sind.

Einschaltbox

Zum manuellen Bedienen des Bahnübergangs ist eine kleine Box vorgesehen. Sie enthält jeweils einen Einschalt- (ET) und Ausschalt-Taster (AT), sowie einen Rangierschalter (RS). Dieser verfügt in diesem Beispiel zusätzlich über eine Rückmeldung durch eine LED. Sie leuchtet parallel zur Blinklichtüberwachungssignal auf.

Einschaltbox für die Bahnübergangssteuerung

Die Box kann mit den bekannten FREMO-Klemmen am Modulkasten festgemacht werden. Dazu ist eine entsprechende Aufnahme vorgesehen.

Der Anschluss der Box an die Hauptplatine erfolgt ein gewöhnliches RJ45-Kabel, wie es aus der Netzwerktechnik bekannt ist. Eine Box verfügt standardmäßig über drei gleichwertige Buchsen. Sie kann so auch als Verteiler verwendet werden.

Buchsen zur Signalverteilung für die Bahnübergangssteuerung

Stromsensor

Beim Stromsensor handelt es sich um den Entwurf von Reinhard Müller (http://dcc-mueller.de/wire4dcc/sensor_d.htm), der um eine zum System passende Buchse ergänzt wurde.

Stromsensor für die Bahnübergangssteuerung

Der Stromsensor dient der Erkennung eines heranfahrenden Zuges. Dazu wird eine Schiene eines Moduls beidseitig von den Nachbarmodulen isoliert (Modulverbindungskabel nicht eingesteckt). In die Leitung zur Versorgung dieser Schiene wird dann der Stromsensor eingeschleift. Sobald durch einen Verbraucher Strom fließt, löst der Sensor aus und meldet dies an die Steuerung. All dies geschieht ohne Veränderungen an den Modulen.

Sensorbox

In der Nähe jedes Stromsensors kann eine Sensorbox angebracht werden. Auch sie wird mit Klemmen am Modulkasten befestigt und kann als Verteiler dienen.

Sensorbox für die Bahnübergangssteuerung

Hauptaufgabe ist jedoch die Bereitstellung des Unwirksamkeitstasters (UT) in der Nähe des Stromsensors. Mit diesem Taster kann der Stromsensor für eine vorgegebene Zeit deaktiviert werden, bevor er sich wieder selbstständig aktiviert. Die Deaktivierung kann über eine zusätzliche LED angezeigt werden. Die Deaktivierung des Sensors kann dann notwendig sein, wenn im Bereich des Sensors rangiert wird, ohne dass dabei der Bahnübergang befahren wird. Dies ist dann der Fall, wenn sich zum Beispiel ein Anschluss auf freier Strecke in der Nähe eines Bahnübergangs befindet.

Blinklichtüberwachungssignal

Der Lokführer muss wissen, ob der Bahnübergang korrekt eingeschaltet wurde. Dazu dient das Blinklichtüberwachungssignal, das in Fahrtrichtung nach dem Einschaltkontakt steht. Ist der Bahnübergang gesichert, so blinkt das Signal.

Blinklicht-Überwachungssignal für die Bahnübergangssteuerung

Das Blinklichtüberwachungssignal wird in einen Wattenscheider-Schacht eingebaut und kann so in Module mit passender Aufnahme eingesetzt werden. Der Anschluss erfolgt wieder über eine RJ45-Buchse und das Buskabel. Soll wie hier ein zusätzliches Kennlicht realisiert werden, so ist dafür eine extra Spannungsversorgung vorzusehen. Dies kann zum Beispiel über eine im Schacht untergebrachte Batterie mit einem Spannungsregler erfolgen.

Aufbau

Mit den weiter vorne vorgestellten Komponenten ist ein variabler Aufbau möglich. Beispielhaft sollen hier zwei Aufbauvarianten vorgestellt werden.

Bahnübergang auf freier Strecke

Der einfachste Fall ist der eines Bahnübergangs auf freier Strecke. Dafür wird die Hauptplatine im Modul mit dem Bahnübergang eingebaut. Die Blinklichter, eventuell vorhandene Schranken und der Lautsprecher werden direkt an die Platine angeschlossen. Links und rechts des Bahnübergangs wird in ausreichendem Abstand ein Modul isoliert eingebaut und mit einem Stromsensor versehen. Dieser wird mit einem RJ45-Kabel mit den entsprechenden Buchsen der Hauptplatine versehen.

Schema für den Einbau der Bahnübergangssteuerung auf freier Strecke

Sollen noch zusätzlich Blinklichtüberwachungssignale eingesetzt werden, bietet es sich an, in der Nähe der Stromsensoren jeweils eine Sensorbox zu installieren. Sie dient dann als Verteiler für das Kabel, um das Blinklichtüberwachungssignal anschließen zu können. Mit ihr könnte bei Bedarf dann auch der Stromsensor deaktiviert werden. Alternativ könnte hier auch eine Box ganz ohne Taster vorgesehen werden, die allein der Verteilung des Buskabels dient.

Bahnübergang am Bahnhofskopf

Aufwändiger ist der Fall eines Bahnübergangs im Anschluss an einen Bahnhof oder eine Haltestelle, in der Züge planmäßig zum Halten kommen. In diesem Fall sollte der Bahnübergang aus Richtung des Bahnhofes nicht allein durch einen Stromsensor automatisch ausgelöst werden. Der Stromsensor kann den Bahnübergang automatisch einschalten, um so die Einfahrt des Zuges in den Bahnhof zu sichern, wenn dieser unmittelbar an die Haltestelle des Zuges angrenzt. So wird sichergestellt, dass auch beim Durchrutschen eines Zuges kein Straßenverkehrsteilnehmer zu Schaden kommt.

Schema für den Einbau der Bahnübergangssteuerung bei einem Bahnhof

Sobald der Zug angehalten hat, sollte der Bahnübergang jedoch wieder ausgeschaltet werden, um den Straßenverkehrsteilnehmern das Queren zu ermöglichen, so lange der Zug im Bahnhof steht. Vor Abfahrt des Zuges muss der Bahnübergang dann jedoch manuell wieder eingeschaltet werden, da der Zug den Stromsensor ja schon passiert hat. Dafür ist im Bahnhof eine zusätzliche Einschaltbox zu platzieren, die das manuelle Ein- und Ausschalten des Bahnübergangs ermöglicht. Außerdem enthält die Box einen Rangierschalter, mit dem der Bahnübergang dauerhaft eingeschaltet werden kann. Dies ist zum Beispiel dann nötig, wenn im Bahnhof rangiert werden muss. Die Freimeldung des Bahnübergangs ist in diesem Fall deaktiviert.

Bedienung

Bahnübergang auf freier Strecke

Im Falle eines Bahnübergangs auf freier Strecke ist keine Bedienung des Bahnübergangs notwendig. Der Bahnübergang wird durch die Stromsensoren vom Zug eingeschaltet und nach Passieren des letzten Wagens wieder automatisch abgeschaltet.

Bahnübergang am Bahnhofskopf

Befindet sich ein Bahnübergang unmittelbar neben einer planmäßigen Haltestelle eines Zuges, so sind vier Fälle zu unterscheiden:

  1. Quert der Zug den Bahnübergang, bevor er den Haltepunkt erreicht, so ist keine Aktion der Zugmannschaft nötig. Der Bahnübergang wird durch den Stromsensor automatisch eingeschaltet und nach Räumung des Bahnübergangs wieder automatisch abgeschaltet.
  2. Hält der Zug vor dem Bahnübergang, so wird der Bahnübergang bei ausreichend großem Durchrutschweg zum Bahnübergang nicht automatisch aktiviert. Vor Weiterfahrt des Zuges muss der Bahnübergang durch das Zugpersonal mit der ET-Taste manuell eingeschaltet werden. Nach Passieren und Räumen des Bahnübergangs wird dieser automatisch deaktiviert.
  3. Ist der Durchrutschweg zwischen Halt des Zuges und Bahnübergang nicht ausreichend, so wird der Bahnübergang vor Einfahrt in den Bahnhof automatisch durch einen Stromsensor aktiviert. Sobald der Zug am Bahnsteig zum Stehen gekommen ist, muss der Bahnübergang mit der AT-Taste deaktiviert werden. Nun können anderen Verkehrsteilnehmer den Bahnübergang während des Halts des Zuges passieren. Vor Abfahrt des Zuges ist der Bahnübergang dann wieder manuell mit der ET-Taste einzuschalten. Auch hier erfolgt die Abschaltung des Bahnübergangs nach vollständiger Räumung wieder automatisch.
  4. Muss ein Zug im Bahnhof rangieren, so bietet es sich an, den Bahnübergang dauert zu aktivieren. Dafür ist der Rangierschalter (RS) vorgesehen. Durch ihn wird der Bahnübergang dauerhaft aktiviert, eine Freierkennung wird nicht vorgenommen. Auch die Grundstellerzeit läuft nicht. Nur durch Rücksetzen des Rangierschalters wird der Bahnübergang sofort deaktiviert. Eine Erkennung, ob der Bahnübergang auch wirklich frei ist wird dabei nicht vorgenommen!

Rangieren in der Einschaltstrecke

Befindet sich zum Beispiel ein Anschluss innerhalb der Sensorstrecke für einen Bahnübergang, so würde der Bahnübergang von dem dort rangierenden Zug ausgelöst, obwohl der Zug den Bahnübergang nicht passieren wird. Dies bedeutet, dass der Bahnübergang so lange aktiviert bleibt, bis er durch den Ablauf der Grundstellerzeit wieder deaktiviert wird. Um dies zu verhindern, muss das Zugpersonal den Stromsensor vor Erreichen der Einschaltstelle durch Drücken der Unwirksamkeitstaste (UT) deaktivieren. Dann kann über den Einschaltkontakt rangiert werden, ohne dass der Bahnübergang aktiviert wird. Dies wird durch das Aufleuchten der UT-LED signalisiert. Nach einiger Zeit wird der Sensor jedoch automatisch wieder aktiviert. Ggf. muss er dann durch Drücken der UT-Taste erneut deaktiviert werden.

Entwicklungsgeschichte

April 2015

Die Entwicklung der Bahnübergangssteuerung begann im April 2015 auf der Jahrestagung in Schutterwald. Hier wurde zusammen mit MSau und MHel ein erster Ablaufplan entwickelt, der jedoch nicht wie sonst üblich nicht auf einer Serviette, sondern auf auf einem Abfallstück Karton verewigt wurde.

Erster Ablaufplan der Bahnübergangssteuerung

Zum Einsatz sollte ein Arduino Mikrokontroller kommen, der über eine Zusatzplatine mit der benötigten Hardware ergänzt wird. Hauptaugenmerk lag auf einem einfachen und möglichst flexiblen Aufbau, der es auch Menschen ohne tiefes Technikverständnis möglich machen sollte, die Steuerung einzusetzen.

Mai 2015

Nach der Beschaffung einiger Grundkomponenten konnte auf einem Steckbrett sehr schnell der erste Aufbau vorgenommen werden.

Erster Aufbau der Bahnübergangssteuerung

Bei dem 7. Southwest Division Weekend in Karlsbad-Mutschelbach konnten damit erste Tests durchgeführt werden.

Erster Testeinsatz der Bahnübergangssteuerung in Karlsbad-Mutschelbach 2015

Während die ausgewählten Stromsensoren wie erwartet einwandfrei funktionierten, machten die Reflexlichtschranken Probleme. Zum einen waren sie störlichtanfällig, vor allem aber war ihre Reichweite zu gering, um die Raumdiagonale des Bahnübergangs zu erfassen. Hierfür wurden später modulierte IR-Lichtschranken ausgewählt, die seither einwandfrei funktionieren.

Januar 2016

Nachdem die grundlegende Hardware feststand, konnte weiter am Ablaufplan gefeilt werden. Ein erster Einsatz beim Treffen in Gorxheimertal 2016 verlief nicht ganz so erfolgreich, da es Probleme mit der Lichtschranke zur Freimeldung des Bahnübergangs gab.

Einsatz der Bahnübergangssteuerung in Gorxheimertal 2016

Zur Signalisierung kamen damals auch noch selbstgebaute Prototypen zum Einsatz.

Selbst gebautes Blinklicht-Überwachungssignal

März 2016

Im März 2016 kamen endlich die in China produzierten ersten Platinen für die Bahnübergangssteuerung an.

Platine der Bahnübergangssteuerung

Platine der Bahnübergangssteuerung mit zusätzlichen Bauteilen

Mit den übrigen Bauteilen konnte damit der erste Aufbau ohne Steckbrett erstellt werden. Entgegen erster Befürchtungen kam es zu keinem Fehler außer einem falschen Footprint für den Spannungsregler.

Ein erster Aufbau auf dem Schreibtisch ist auf dem folgenden Bild zu sehen.

Systemaufbau der Bahnübergangssteuerung

April 2016

Nachdem nun die Steuerung soweit stand, konnte mit dem Bau der benötigten Signale angefangen werden. Es kamen Blicklicht- und Überwachungssignale von http://rst-modellbau.de zum Einsatz.

Rohbau der Signale für die Bahnübergangssteuerung

Juni 2016

Die Blinklicht-Überwachungssignale wurden in Wattenscheider-Träger eingebaut, um sie flexibel im Arrangement einbauen zu können. Da die verwendeten Signale über ein zusätzliches Kennlicht verfügen, musste eine extra Stromversorgung mit einer Batterie und einem Spannungsregler in den Träger integriert werden.

Stromversorgung des Blinklicht-Überwachungssignals

August 2016

Ein Betriebseinsatz der Steuerung beim Treffen in Heinsberg 2016 verlief ohne Auffälligkeiten.

Überblick über Trösel in Heinsberg 2016

Oktober 2016

Im Oktober wurde eine neue Revision der Platine gefertigt, bei der unter anderem der Fehler mit dem falschen Footprint für den Spannungsregler behoben wurde. Außerdem wurden Optimierungen bei der Belegung der Anschlussleisten vorgenommen.

November 2016

Beim Treffen in Mannheim 2016 kam die Steuerung wieder zum Einsatz. Diesmal mit einem kompletten Satz Blinklichter:-)

Bahnübergangssignal-Steuerungselektronik

Januar 2017

Den bisher letzten Einsatz gab es beim Treffen in Gorxheimertal 2017. Hier auch nicht mehr mit dem selbstgebauten Überwachungssignal.

Bahnübergangssicherung

Da diese bei den eigenen Modulen nicht benötigt wird, wurde die Ansteuerung der Servos für die Schranken bisher recht stiefmütterlich behandelt. Während die Bewegung selbst schon möglich war, musste die Einstellung der Endlagen und der Geschwindigkeit immer direkt im Quellcode erfolgen. Dies ist natürlich auf die Dauer nicht praktikabel. So wird inzwischen an einer Einstellroutine gearbeitet, mit der die Positionen ähnlich wie bei anderen Servodekodern mit ein paar Tastern eingestellt werden können.