Überarbeitet am 17.03.2021 (Umbenennung)
Ich traue mich mal:
Seit geraumer Zeit verfolge ich ein inzwischen anspruchsvolles Projekt, habe Entwicklungsmuster, die funktionieren. Jetzt spezifiziere ich, was dabei am Ende rauskommen soll. Meine Absicht ist, damit letztlich die Stückzahl der Fertigung zu steigern und Kosten zu senken. Alle, die am Projekt teilnehmen, bekommen von mir solange Unterstützung, bis es bei ihnen funktioniert!
In Beitrag https://stummiforum.de/viewtopic.php?f=5...158242#p2158242 sind Anwendungsszenarien beschrieben.
Die Ziele, Vorteile des Systems in dieser Technik:
Das Projekt besteht aus zwei technischen Abschnitten: Der erste Abschnitt ist, aus RFIDs eine Identifikation auszulesen. Diese Identifikation wird an den zweiten Abschnitt weitergeleitet. Der zweite Abschnitt ist, dass mittels geeigneter Algorithmen in einer Computersteuerung/Kleincomputer aus den Identifikationen ein Modell berechnet wird und aus diesem Modell werden wiederum in Realzeit Besetztmeldungen abgeleitet.
Das Gleisbett hat keine unnötigen Stöße durch Schnitte. Diese und Kontaktierungen und Verdrahtung der Kontaktierungen entfallen. ebenso die teilweise recht umfangreiche S88N Verdrahtung, auch für die Stromversorgung von S88 Modulen entfällt. Was für S88 gilt, ist bei 2-Leiter-Meldern noch schlimmer, da der Aufwand, über den Melder auch den Fahrstrom zu führen, hinzu kommt. Die Verdrahtung ist dann ebenfalls zur Zentrale hin erforderlich, ob LocoNet, oder CAN, oder S88N.
Stand der Technik:
Wenn man die Vielfalt heutiger Meldetechniken im Markt anschaut, unterscheiden sie sich nur durch Meldewege, also Protokolle und Signalisierung über verschiedene Spannungen und Frequenzen und mehr oder weniger inkompatible Systeme.
Die Meldung wird aber nur durch 2 verschiedene Arten gewonnen: durch Brückung über die Gleisräder und Achsen bei 3-Leiter-Technik, alternativ durch von Schleifern ausgelöste Schalter zu Masse, oder Strommessung ab Milliampere bei 2-Leiter-Technik.
Gemeldet wird nur, dass dort etwas eingefahren ist. Erst, wenn eine Lok mit RailCom im Block ist, kriegt man ihre Adresse - die man in der Steuerung aber bereits kennt. Und auch die Geschwindigkeit. RailCom bietet der Steuerung kaum etwas, das sie nicht schon weiß oder wissen sollte.
Insofern ist bei konventionellen Meldetechniken keine echte Identifikation möglich. Ein Wendezug mit voraus fahrendem Steuerwagen benötigt darin einen RailCom Sender und jeder Abschnitt auch einen Empfänger.
Kosten und Verdrahtungsaufwand steigen mit Railcom (auch als BiDiB) dann drastisch an, braucht man doch für jeden Block einen Empfänger und Booster, die eine Austastlücke beherrschen.
Ich erfinde nicht das Rad neu in Bezug auf die Kompatibilität zu bestehendem. Das System ist an fast alles existierende anschließbar. Nur die Gewinnung der Information ist neu und (zukunftsträchtig) eine Identifikation kommt hinzu, sie steht sogar vor der Gewinnung einer Block-Besetzt-Meldung.
Die Auslösung erfolgt mit recht großer Wiederholgenauigkeit, da die Melder eine Abtastrate von 5 msec haben und jeder autonom arbeitet, nicht in Zeitfenstern der Zentrale.
Die Meldung der Identifikation erfolgt per Funk, Punkt zu Punkt, mit höherer Geschwindigkeit, als bei konventioneller Technik mit Verdrahtung, weil dort die Datenrate niedriger ist.
Ein administrativer Zentralknoten, ich nenne es Konzentrator, empfängt die Identifikationen und errechnet daraus, welche Streckenabschnitte besetzt sind. Das Melde-Netzwerk ist im LAN, kabelgebunden. Also direkt an einen PC mit Steuersoftware, oder eine Zentrale wie die Infinity-Cube, eine CS oder Z21. Wo der Zentralknoten ist, ist baulich egal. Durch die Einspeisung der Besetztmeldungen per LAN Netzwerk erfolgt eine schnellstmögliche Auswertung. Dadurch sollten Züge immer recht genau anhalten. Wo kein LAN vorhanden ist, kann ich später eine konventionelle S88N Schnittstelle oder CAN am Konzentrator hinzufügen.
Ein- und Ausfahrt aus Schattenbahnhöfen oder Rangierbereichen können zugleich Identifikation und Besetztmeldung auslösen. Wenn die Zentrale mit Identifikationen nicht umgehen kann, bedient man sich Zug-spezifischer Melder, Phantom-Melder, die nur von diesem Zug ausgelöst werden können. Diese sind nur in der Schein-Realität vorhanden, durch eine passende Daten-Konfiguration des Konzentrators.
Als Nebeneffekt können ungewollt entkuppelte, abgehängte Waggons erkannt werden, wie bei Achszählern - sogar auch über umgeschaltete Weichen hinweg. Auch ohne Kenntnis der Gleisführung und Weichenstellungen ist dies automatisch möglich. Eine Warnmeldung und Stopp können erfolgen.
Hier die detaillierte, technische Spezifikation, die Beschreibung des Kernstücks.
- Das Rückmeldesystem kann bei jedem Gleissystem ab Größe H0, G, 1, 0 egal ob DC oder AC eingesetzt werden. N musste ich zunächst streichen.
- bei H0 wird eine HF Spule unsichtbar ins/unter das Gleis eingebaut.
- bei größeren Spuren ist eine Richtungserkennung/Handlung durch einen einzigen Melder möglich, die Spule wird in Form eines Indusi neben die rechte Schiene plaziert. Nur eine Bohrung mittels Schablone und das System sitzt.
- Der Einbau mittig ist bei Spur 1 oder G natürlich auch möglich.
- Es ist keine Verdrahtung für die Identifikation erforderlich, Gleistrennungen sind nicht erforderlich.
- es gibt bei DC keinen Spannungsabfall durch Dioden, die für die Lasterkennung benötigt werden.
- die Meldung der Identifikation an den Konzentrator erfolgt über 2.4 GHz Funk der BLE (Bluetooth 5.1) Norm, in einem von WLAN getrennten Netzwerk, in eigenen Funk-Kanälen.
- Reichweite mindestens 20m in geschlossenem Raum, die Melder geben aber untereinander Meldungen weiter.
- die Anzahl der Melder ist praktisch nicht begrenzt, die Steuerungssoftware muss es natürlich ebenfalls schaffen.
- H0 : Voll-Metall-Loks (Zinkdruckguss, Messing) werden ebenso erkannt, wie Kunststoff Waggons: per unterwärts, in Achsnähe angeklebten RFIDs.
- Das RFID hat nur 8x8mm Größe, oder 3.3x3.3mm - je nach Typ (die sind aber vorgegeben)
- Spuren 1, G, 0: das RFID wird unauffällig an Indusi Nachbildungen oder Trittbrettern angebracht, oder mittig.
- die volle Bahngeschwindigkeit ist möglich, der Leser ist schnell, das ist er im Unterschied zu anderen RFID Lesern.
- die Melder kommunizieren mit einem Konzentrator und können Züge identifizieren. Wird der Zug unvollständig, gibt es Alarm, je nach System auch Abschaltung/Stop.
- die Belegt-Zustände im Konzentrator werden aufgehoben, wenn der Zug vollständig passiert hat, oder die Richtung wechselt und vollständig zurückfährt.
- die Belegt-Zustände werden einer Zentrale, oder einer Software Bahnsteuerung in Realzeit per Netzwerk übergeben. Die Zeit dieser Erfassung hängt nicht von der Anzahl der Melder ab.
- die Ausgaben macht ein Sammelknoten, der auch alle administrativen Aufgaben erledigt, ein Raspberry PI. Ich arbeite nur mit dem PI 4. Ich nenne ihn Konzentrator. Der PI soll nichts anderes tun, als Meldungen in Realzeit weiterreichen. Er hat den Algorithmus, um aus Punktmeldungen an beliebigen Meldern Rollmaterial, Belegungen von Blöcken, Strecken zu ermitteln. Er hat keine Kenntnis des Gleisplans und braucht diese auch nicht.
- es entsteht als erstes ein C-Gleis, welches komplett fertig ist. Für Märklin und Trix, H0. Ich denke erstmal an CNC Bearbeitung und Einbau bei mir.
- Roco Gleise mit Bettung: Wird geprüft - dürfte aber sicher klappen.
- für K Gleis wird Antenne und Platine getrennt, dies ist die für mich persönlich wichtigste Variante, da ich ausschließlich K-Gleis habe.
- für K Gleis: beides wird fertig geliefert, der Einbau wird mit Werkzeug gestützt.
- für N Gleis: derzeit zurückgestellt - Die N Schienen sind hoch und eng nebeneinander. Das ist für Hochfrequenz problematisch.
Versuche mit kleinen RFIDs stehen noch aus.
- Spuren 1, G, 0: Die HF Spule sitzt in einer Indusi-Nachbildung, wie im Original. Einfache Nachrüstung möglich, eine Bohrung reicht zur Montage aus.
- DC H0 Gleise werden ebenfalls mit definiertem Werkzeug bearbeitet, für Erscheinungsbild und Funktionssicherheit.
- Gartenbahnen werden mit Wetter-festen Einbausätzen möglich sein. Die werden jahrelang außen überleben.
- Die Identifikation des Zuges kann entweder direkt in die Steuerung übergeben werden, vorausgesetzt, sie kann damit etwas anfangen.
- Die Identifikation kann per Konzentrator auf zugeordnete 'Phantom'-Melder zugeordnet werden, um besondere Aktionen für genau diesen Zug zu ermöglichen. Dann kann auch eine handelsübliche Steuerung wie eine CS3 individuell auf bestimmtes Rollmaterial reagieren.
- Die Konfiguration erfolgt über ein einfach verständliches Verwaltungstool auf dem Konzentrator, aufgerufen über ein Web-Interface, also per Smartphone oder Anlagen-PC. Auf diesem Weg wird konfiguriert, was nötig ist - zum Beispiel Meldernummern, Phantom-Melder etc.
- Wenn Bedarf entsteht, wird der Konzentrator alternativ mit einem LCD Touchscreen anzeigen und bedient.
- ob der Zug vor oder zurück fährt, ist irrelevant, es funktioniert.
- Weichen-Strecken sind beliebig, Vollständigkeit wird trotzdem erkannt.
- das System kommt ohne Kenntnis des Gleisbilds oder Weichen, Weichenstellungen aus.
- die Platine ist mit modernen Chips aufgebaut, hoch verdichtet, sie kann nur mit Reflow-Löten hergestellt werden.
- es wird der Logik, aber nicht der Technik von Besetztmeldern wie bei S88 gefolgt (Abschnitt, Block besetzt oder frei).
Nachtrag: Dies ist eigentlich eine fast unzulässige Vereinfachung der tatsächlichen Leistung, denn was bei konventionellen Meldern eine feste Strecke ist, entspricht hier einerseits zwar dem festen Abschnitt zwischen 2 Meldern, aber es wird zusätzlich auf die Länge des Zugs Rücksicht genommen.
- als Zusatz gibt es bei Bedarf eine S88N Bus-Meldeplatine, für diejenigen, die unbedingt das S88N System verwenden wollen oder müssen.
- Alternativ kann der einschlägig bekannte LocoNet verwendet werden, oder der Z21 R-Bus
- Auch die Ausgabe per CAN ist denkbar.
- die Meldung erfolgt schnell und zuverlässig, auf ca.1 - 2 cm genau (Wiederholgenauigkeit).
- Die Latency liegt bei 6 bis 10 msec (oder kürzer)
- es werden nur RFIDs bestimmter Norm verwendet, die Außenmaße von 8x8 mm oder 3.2x3.2mm haben. Andere lasse ich zunächst nicht zu.
- die Zugverbände können jederzeit frei geändert werden, das System lernt den Zug automatisch an.
- zur Steuerungssoftware ( oder Zentrale ) wird mit einem Raspberry PI per Netzwerk der Melder-Datenstrom übergeben vom Konzentrator.
- der PI hat genug Rechenleistung, um keine nennenswerte Verzögerung zu verursachen
- der PI macht exklusiv dieses, nichts anderes. Das Administrations-User-Interface realisiere ich per Web-Page des PI, so dass jeder PC oder ein Tablet zugreifen kann.
- die Melder beinhalten einen ARM Cortex Prozessor, für den das gleiche gilt: nur diese Meldetechnik, für schnellste Funktion, keine Nebenfunktionen.
- Der Konzentrator bleibt üblicherweise bei Anlagen(Not)abschaltung eingeschaltet.
- Die Melder erhalten im einfachsten Fall Strom aus dem Gleis; die Wiederverbindung mit dem Konzentrator nach Gleis-Abschaltung erfolgt im Sekundenbereich.
- Der Konzentrator speichert den Systemzustand im Falle der Abschaltung des Gleises. Der Melder hat feste Konfigurationsdaten.
- Mit einem Smartphone oder dem Konzentrator kann beim Einbau des Melders seine Funktion geprüft werden
- jeder Melder hat einen garantiert eigenen, einmaligen Namen
- im Falle einer CS2/3 werden die Meldungen in deren Märklin UDP Format an diese übergeben, dann als CAN Meldungen von Besetztmeldern verarbeitet
- bei RocRail im MQTT / XML Format
- Ein manuell definiertes Mapping bestimmter RFID Transponder auf Extra-Meldernummern erlaubt Sonderaktionen (Phantom-Melder).
- die Verwaltungssoftware erlaubt die Konfiguration der Melder, Namensvergaben und Anzeige von Zuständen. Die Namensvergabe gilt nur im Konzentrator und erleichtert den Aufbau.
- Die Melder und der Raspberry arbeiten autonom, müssen nur einmalig konfiguriert werden.
- Die Konfiguration ist größtenteils automatisch, aber da die Anlagen ggf. bereits Melder haben, braucht man einmalige Nummern.
- Es gab die Frage, ob man die Melder in Weichen integrieren kann: Nein, leider nicht. Der benötigte Raum, freie Strecke im Gleis ist zu kurz,
Im Gegenbogen schlanker H0 Weichen geht's aber
- Das Identifikationsgleis wird um simple, optionale Belegungsmeldungen ergänzt. Variante 2 ist also mit Märklin Masse-Meldung, Variante 3 mit DC Strommessung. Die ist sensibel einstellbar, oder tolerant für Außenbereich.
- Diese Option macht die Verwendung flexibel und erlaubt weite Strecken konventioneller Technik ohne Verdrahtung, z.B. im Außenbereich.
Antworten auf Fragen:
Die Anzahl benötigter Melder hängt davon ab, ob man die Option von 4 konventionellen Meldern nutzt. Bei ausschließlich RFID-Punkt-Meldung ist es so, wie mit Reed-Kontakten zu zählen.
Dies ist genau die gleiche Anzahl in einem komplett in Abschnitte gegliederten Gleisplan.
Also im einfachsten Falle eines Bahnhof-Gleises: Einen bei Einfahrt, der löst mit dem ersten RFID, z.B. der Lok, 'besetzt' aus.'
Die Lok sollte dann Fahrt zurücknehmen, bis sie vor dem Ende am IN Melder schleicht.
Dann einen am anderen Ende, kommt der zweite, IN Melder, die Lok wird mit Geschwindigkeit 0 angehalten.
Sie wird dann ggf. noch ein paar cm fahren, aber stoppen.
Irgendwann später, fährt der Zug wieder an.
Der Block bleibt besetzt, bis der letzte Waggon mit RFID, der den Einfahrtmelder passiert (hat oder nun wird), am Ausfahrtmelder (hier dem zweiten) den RFID Melder ebenfalls überfahren hat.
Das Konzept dient ja auch dazu, die Vollständigkeit zu prüfen.
Die Züge werden mit *mindestens* 2 RFIDs bestückt. Am besten mehr, um Zusammenstellungen frei zu gestalten.
Die Blöcke haben jeder 2 Melder. Der Streckenblock befindet sich dann zwischen denen.
Logisch aber ist, dass man auf freier Strecke nur je weiteren Block einen weiteren Melder braucht - zwischen je 2 gibt es eine Block-Strecke dazwischen.
Soweit erstmal. Ich hatte überlegt, das Projekt mit Kickstarter zu beginnen, aber es ist einfach kein trendiges Massenprodukt, sondern eine Weiterentwicklung von Bestehendem. Wer Interesse für eine eigene Verwendung hat, kann bitte an mich eine PN senden oder hier diskutieren.
Viele Grüße
Joachim