Inhoud

Inleiding
Bekabeling en elektronicabord
Voedingen
Bedieningspanelen
Treinbesturing
Wisselbesturing
Wissel voorkeuzeschakeling
Informatieborden
Bovenleiding
Werkspoor
Koppeling van de snelheidsregelaars
Opstelsporen
Beveiliging

Bekabeling, een essentieel onderdeel van een modelspoorbaan. Stroomvoorziening van het spoor, stuur- en signaalkabels, verlichting, aansturing van wissels, pompjes, motortjes en andere objecten die van spanning voorzien moeten worden vereisen een grote hoeveelheid bekabeling.

Na de laatste telling (20/02/2010) staat de teller op ruim 1,5 Km! aan UTP* kabel.
* UTP kabel: Unshielded Twisted Pair, In de volksmond ook wel patchkabel genoemd, bekabeling die o.a. gebruikt wordt voor gebouwbekabeling in computernetwerken.

De voedingen zijn onder te verdelen in de volgende rubrieken:

12 volt ~ voor verlichting, pompjes en motortjes in het landschap
15 Volt = voor alle elektronica
18,5 volt = voor de wisselaansturing
Snelheidsregeling

12 volt ~ verlichting, pompjes en motortjes in het landschap
Om de verlichting te laten branden heb je stroom nodig. Heb je veel verlichting, dan kost dat veel stroom. De standaard trafo's die bij de trein horen, kunnen dat niet opbrengen.
Ergens in een hoekje had ik nog een trafo liggen voor halogeenverlichting. 11,5 Volt, 4,5 Ampère. Meer dan voldoende voor de verlichting. De uitgangsspanning van 11,5 volt is behoorlijk stabiel. Ook bij zware belasting van de trafo.
De uitgangsspanning van 11,5 volt is wat aan de lage kant, maar voor de verlichting maakt dat niet uit. De lichtopbrengst is wat minder, maar het komt weer ten goede aan de levensduur van de lampjes.
In de rubriek Fase 2-2 is al iets geschreven over de problemen met de stroomvoorziening van de verlichting. Het stroomverbruik is thans van dien aard dat we de maximale capaciteit hebben bereikt.
Al snuffelend bij Conrad zag ik stroken met LED-verlichting voor een zeer schappelijke prijs en uitermate geschikt voor vervanging van de verlichting van de bergen en rotsen. Conrad nr: 181801. De bestaande schijnwerpers zijn vervangen door deze LED-verlichting.
Zes schijnwerpers verbruiken ongeveer 900 mA, een strook LED-verlichting slechts 90 mA. Voor deze verlichting is door middel van een bruggelijkrichter een gelijkstroomcircuit gemaakt.

15 Volt voor alle elektronica
Deze voeding bestaat uit een Velleman-kit type: K7203 gestabiliseerde voeding afgeregeld op 15 volt DC aangesloten op een ringkerntrafo (2 X 18 volt 120 VA) Conrad nr 518689.
Deze voeding wordt gebruikt voor de stroomvoorziening van alle elektronisch componenten, zoals de elektronica op de wisselbesturingsprinten en de stuurkastvoorkeuzeprint.

Werking van de schakeling:
Voorkeur instellen voor besturingskast 1: Met toets VK1 wordt een puls (“1”) gegeven op de CP-ingang van J/K flipflop 4027. Uitgang O wordt hoog en via een stuurtransitor zal relais A aantrekken. De schuifregelaar voor de treinregeling van de betreffende besturingskast is dan ingeschakeld.
Door de puls van de toets VK1 worden via koppeldiodes de andere flipflops gereset (ingang CD). De besturingskast die op dat moment actief was is niet meer voor het betreffende spoor actief.
De koppeling van uitgang /O naar de J en K ingangen is bedoeld om te voorkomen dat de flipflop reageert als de toets VK1 meerdere keren wordt gedrukt. Als /O = “0” dan is J en K ook “0”. Signaalwisselingen op de CP-ingang heeft dan geen invloed meer op de werking van de flipflop.

De hierboven beschreven werking voor VK1 geldt uiteraard ook voor de werking van VK2 en VK3.
De schakeling wordt gebouwd voor elk spoor en bovenleiding. Dus de getoonde tekening wordt 3x uitgevoerd.

Als besturingskast 1 actief is, dan is /O van de eerste flipflop = “0”. Door het drukken van de toets RR1 wordt een J/K-flipflop aangestuurd die de rijrichting bepaald met relais D.
Steeds als RR1 wordt gedrukt zal relais D opkomen of afvallen waardoor de rijrichting zal omkeren.
Alleen de RR-toets van de actief zijnde besturingskast kan de rijrichting beïnvloeden.

Om te voorkomen dat bij het inschakelen van de spanning de flipflops een willekeurige stand innemen is aan de SD-ingang van de 1e flipflop een condensator C1 toegevoegd. Deze zorgt dat besturingskast 1 de voorkeur krijgt bij inschakelen van de spanning. Condensator C2 zal de andere flipflops resetten.

Zoals boven beschreven had ons ontwerp voor wisselbesturing een mogelijkheid om alle wissels in een vooraf geprogrammeerde voorkeurstand te zetten. Doel van de schakeling is een rijcircuit in te stellen waardoor de treinen de maximale afstand kunnen rijden.
De schakeling van Conrad heeft deze mogelijkheid ook, maar functioneert voor geen meter. Dus hebben we zelf een nieuwe schakeling ontworpen waarmee de wissels door middel van een druk op een knop in een voorkeurstand gezet kunnen worden. (zie schema en printontwerp)
De schakeling is met de uitgangen verbonden aan de Conrad-printjes, en wel op de ingangen waar ook de druktoetsen zijn aangesloten om de wissels te besturen.
De ingangen van de schakeling zijn verbonden met de uitgangen van de Conrad-printjes, en wel op die spoelaansluiting die geactiveerd wordt voor de juiste voorkeurstand. (recht of afbuigend)

Globaal werkt de schakeling alsvolgt:

Het modelspoor emplacement is zo groot dat vanaf de bedieningspanelen niet te zien is wat de standen van de wissels zijn, daarbij zijn er een aantal wissels weggewerkt onder een berglandschap. Ook is van afstand niet te zien of de opstelsporen al dan niet spanningsloos zijn.

Dit is opgelost door het plaatsen van twee informatieborden boven de baan. Op elk bord is een deel van het emplacement zichtbaar waarin door middel van LED's de standen van de wissels en de spanningsvoorziening van de opstelsporen weergegeven wordt.

De LED’s zijn zogenaamde DUO-LED’s groen/rood 5 mm. Dit type LED heeft drie aansluitingen. De middenaansluiting is de negatieve pool (Kathode), de buitenste aansluitingen zijn de positieve aansluitingen voor rood en groen (Anode). Zie ook Software depot voor Datasheet
Dus met spanning op anode rood geeft de LED rood licht en spanning op anode groen geeft de LED groen licht.
Met spanning op beide anodes geeft de LED oranje licht.

Geeft de LED groen licht dan staat de betreffende wissel op recht. Rood licht betekent dat de wissel op rond staat.
Voor de opstelsporen betekent rood dat het spoor spanningsloos is en er geen trein op kan komen of dat de opgestelde trein niet rijden kan. Groen betekent dus dat het spoor spanningsvoerend is.

Met véééél kabel zijn de borden verbonden met het elektronicabord. Zo worden de LED’s in serie geschakeld met de LED’s op de wisselbesturingsprintjes. Alles bij elkaar weer ongeveer 135 meter 8-aderige UTP-kabel gelegd.

Deze relais worden aangestuurd door een stuk elektronica. (Zie schema hierboven voor de uitvoering met relais).
De drie schakelaars worden met één poot aan elkaar verbonden en met de middenrails verbonden. Zie de stippellijn.
De andere poot van schakelaar S1 is verbonden met de rechter rails en bediend motor M1, de linker rails via schakelaar S2 en bediend motor M2 en de bovenleiding via schakelaar S3 en bediend motor M3. Alle motoren hebben dus één gemeenschappelijke retourleiding via de middenrails.
Afhankelijk van de stand van de schakelaar is de rails of bovenleiding dus positief of negatief ten opzichte van de middenrails.
Om kortsluiting te voorkomen moet elke regelbare voeding een eigen trafo hebben of een trafo  gebruiken met meerdere gescheiden wikkelingen. Wij hebben gebruik gemaakt van een trafo met twee wikkelingen en een trafo met één wikkeling.
De spanningsregelaar (de “transistor” op de print) is op een koelplaat gemonteerd. Meerdere regelaars op één koelplaat kan, maar dan wel geïsoleerd monteren zodat ze elektrisch geen verbinding met elkaar hebben.

De elektronica stuurt op haar beurt weer een aantal relais aan, per opstelspoor een relais. Eénmaal drukken, spoor stroomloos, nogmaals drukken, spoor stroomvoerend.
Op de informatieborden is te zien of en opstelspoor stroomvoerend is (LED = groen) of stroomloos is (LED is rood).
Om te voorkomen dat ondoordacht een opstelspoor stroomvoerend wordt gemaakt waarop een trein staat die gevoed wordt door een stroomregelaar die al een andere trein bestuurt, zal de computer onmiddellijk alles stilzetten en een melding geven.
Pas nadat de situatie is hersteld zal de computer het sein veilig geven en de circuits weer inschakelen.

Een stukje geschiedenis

Het leuke van een Trix Express spoorbaan is dat je, zonder technische toeters en bellen, met drie treinen onafhankelijk van elkaar kan rijden. midden + buiten rail, midden + binnen rail en midden + bovenleiding.

Tijdens bouwfase 1 zijn er natuurlijk al vele test kilometers met de treinen gereden met alle gevolgen van dien, onder de kenners ook wel een “van Vollenhoventje” genoemd. Treinen die elkaar de baan uitdrukken omdat ze tegelijk een wissel op willen, kop-staart botsingen of zelfs frontale aanrijdingen omdat twee treinen op één baanvak elkaar tegemoet komen en elkaar geen strobreedte ruimte willen geven... Ook is gebleken dat Engelse wissels bronnen van schade kunnen zijn.

Toen er weer een gevalletje “van Vollenhoven” optrad vonden wij dat dat eigenlijk niet zou moeten kunnen. Wat ga je daar aan doen? Met maar één trein tegelijk rijden kan ook niet de bedoeling zijn. Beveiligen was dus het antwoord. Maar hoe.

Zoals in het webhoofdstuk geschiedenis al is verteld was de mogelijkheid van elektronische besturing in de periode tot 1977 nauwelijks aanwezig. Althans, niet zoals nu met digitale besturing van de huidige merken. Er was van alles mogelijk met transistorschakelingen en standaard IC componenten als AND- en NAND-poorten, flipflops e.d. Maar in die tijd was dat nog behoorlijk aan de prijs, om over computers maar niet te spreken, die bestonden toen nog niet voor thuisgebruik. Daar kwam nog bij dat ik voor nop afgekeurde relais kon bemachtigen waarmee een behoorlijk betrouwbare besturing te maken was.
Het kostte wel veel ruimte en een hogere spanning om de relais aan te sturen (48 Volt), maar het functioneerde wel.
In het huidige computertijdperk is er veel meer mogelijk. Bijna iedereen heeft wel één of meerdere computers in huis. Dus in de huidige bouwfase (vanaf 2006) is tevens een plan gemaakt om de baan te automatiseren (beveiligen).
Deels blijft de aansturing handmatig (wissels en treinbesturing), maar worden de seinen en trajecten door een computerprogramma aangestuurd en beveiligd. Dit programma leest de wisselstanden uit en weet waar de diverse treinen zich op het traject bevinden. Het programma kan ook de rijrichting van de trein bepalen en leest de status van de opstelsporen.

De uitgangspunten

Er zijn natuurlijk vele vormen van beveiligen, van niet beveiligen tot compleet automatiseren. Met zijn drieën waren we het er wel over eens dat het laatste geen optie was, Een compleet geautomatiseerde baan met een vastgelegde treinenloop is leuk om even naar te kijken maar gaat snel vervelen, zelf bepalen wanneer en waarheen een trein rijdt blijft natuurlijk het meest uitdagend. Daarom zijn we van het volgende uitgegaan:

• De treinenloop en richting is handmatig te bepalen door middel van het controlepaneel waarop de wisselstanden, rijrichting en snelheden worden ingesteld.

• Aan de hand van de wisselstanden, baanvakbezetting,rijrichting en rangeersporen wordt door een computerprogramma bepaald of een trein voorzien wordt van een groen sein en dus spanning om te mogen rijden.

• Een negental baanvakken worden aangewezen als rangeersporen waardoor het mogelijk moet zijn om negen treinen op de baan te hebben, terwijl er maximaal drie treinen tegelijk kunnen rijden.

Waar beginnen we aan

Om een beeld te krijgen wat dit inhoudt, eerst wat cijfers op een rij.
Wanneer de drie bouwfases samen opgeteld worden:

• 53 baanvakken, het complete spoor wordt onderverdeeld in 53 baanvakken
  o 2 baanvakken buiten de beveiliging gehouden (historisch deel en kolenmijn)
  o 3 baanvakken zonder beveiliging (geen seinen)
  o 48 volledig beveiligde baanvakken
• 96 hall elementen verwerkt in de 48 baanvakken.
• 37 wissel-uitleespunten
• 3 rijrichting-uitleespunten
• 9 uitleespunten voor rangeersporen
• 1 noodstop-uitleespunt (Parallel geschakeld over meerdere lokaties op de zolder)
   
• 3 baanbeveiligingen, spanningsonderbrekers
• 3 spanningsdelers, Bied de mogelijkheid de treinen op halve snelheid te laten rijden.
   
• 300 meter UTP kabel (TBV de beveiliging)
• 8 prints (één hoofdprint , twee mulitplexer prints en zes hall concentrator prints op diverse locaties onder baan)
• 19000 regels Visual Basic code (op dit moment)

De techniek

Alle technische details en tekeningen zijn terug te vinden in het modelspoorbaan software depot.

11-11-11 Update, Het blijkt maar weer dat niet alles wat je bedenkt ook werkt zoals je zou willen dat het werkt. De oplettende lezer zal merken dat we de technische invulling van de beveiliging drastisch hebben moeten omgooien.

De initiëel door ons bedachte schakelingen: Hall elementen in de baan => Samenvoegen in paren van 16 op 6 multiplexers onder de baan => Hoofdprint => Computer, bleek in de praktijk toch niet zo te werken als wij gehoopt hadden. De gekozen oplossing had een aantal problemen welke we met de gemaakte keuze niet makkelijk konden oplossen, met als gevolg dat we een heel nieuw concept hebben moeten bedenken om de beveiliging toch werkend te krijgen. Printplaten naar de prullenbak, uithuilen en opnieuw beginnen.

Voor de technisch geïnteresseerde, waar zijn we tegen aangelopen:

- Het scannen van de 96 hall elementen, wissels, opstelsporen en rijrichtingen door de parallelpoort van de computer gaat zo snel dat de achterliggende elektronica het niet bij kon houden,met als gevolg dat verkeerde waarden gemeten worden, VB: actie Lees wissel 1, en krijg reactie van wissel 2.
Dit probleem is redelijk eenvoudig de wereld uitgeholpen door in de computer applicatie een pauze van enkele CPU kloktikken in te bouwen na het zetten van de uitgangen op parallelpoort. Hierdoor krijgt de elektonica voldoende tijd zich in de juiste stand te zetten en de benodigde signalen door te sturen.

- Door het inbouwen van bovenstaande ontstond een tweede probleem. Na metingen met een scope (onmisbaar instrument!!) bleek dat wanneer een trein met volle snelheid over een hall element rijdt de pulstijd ongeveer 10 ms is. Door dat de computer ruim 160 metingen per cyclus moet doen ontstond het probleem dat dit niet binnen 10 ms afgehandeld kon worden en er dus missers ontstaan. Gevolg dat de computer applicatie niet meer weet waar de trein daadwerkelijk rijdt.
Oplossing, dit is een zeer ingrijpende oplossing geworden. ALLE 96 hall elementen worden doormiddel van een Schmitt Trigger en een vertragende RC schakeling enkele miliseconde gebufferd zodat het korte signaal van een passerende trein wat langer vast gehouden wordt.

- Door de enorm lange kabels (Het laatste hall ellement zit qua kabel lengte ruim 15 meter verderop) ontstond er looptijd vertraging en verstoring van de signalen in de aderparen van de UTP kabel.
Oplossing, Ook deze valt onde de ingrijpende oplossingen. De Schmitt Trigger in bovenstaande oplossing heeft een tweede positief effect, de verstorde signalen worden door de Schmitt Trigger opgepakt en weer tot strakke pulsen omgezet. De loopvertraging oplossen door de multiplexers onder de tafel verplaatsen naar een lokatie zo dicht mogelijk op de hoofdprint. Gevolg nog meer kabels naar de hall elementen, elk hall element moet per stuk naar de mulitplexer print gevoerd worden. Echter hierdoor zijn wel alle loopvertragingen en kabel verstoringen verdwenen.

Hieronder de vernieuwde oplossing

WOR sensoren

De Wisselstand, Opstelspoor en Rijrichting data wordt vanuit verschillende lokaties verzameld en naar de hoofdprint gestuurd.
De wisselstanden (37 stuks) worden uitgelezen vanuit de wisselbesturingsprints (Schema Wisselschakelprints 1 t/m 24) Volgens nagenoeg hetzelfde principe als de hall sensoren. Vanuit de wisselbesturingsprints wordt via een drietal multiplexers een signaal naar de parallelpoort gestuurd waarmee de stand van een wissel uitgelezen kan worden.
De status van de opstelsporen (9 stuks), baanvak onder spanning of niet wordt simpel bepaald door de stand van een schakelaar in de betreffende besturingskast (Schema Regelkast 1 t/m 3).
De rijrichting van een trein (3 stuks) wordt gelezen vanuit een aantal aansluiting op de besturingskastprint (Schema Stuurkast voorkeuze print). De Opstelsporen , de rijrichting en een noodstop signaal komen weer samen op de hoofdprint en gaan via, wederom, een multiplexer de parallelpoort in.

Aansturing

Met alle sensoren en uitleespunten zit de parallelpoort vol en is er geen ruimte kanaal meer vrij voor de uitgaande lijnen. Gedacht is aan een tweede parallelpoort, echter voor de eerdere tests hadden we de Velleman K8055 nog liggen.

De beveiligingssoftware is geschreven in Visual Basic 6.0 (VB) (Onder Windows XP) in samenwerking met de inpout32.dll, een binary kernel device driver in DLL vorm. Als freeware beschikbaar gesteld door: logix4u.net en verzorgt de interface tussen VB en de parallelpoort. De aansturing van de Velleman K8055 vind plaats door een meegeleverde DLL.

Waarom VB… Als echte Unix Sun Solaris kenner botst dit natuurlijk, maar onze (Visual) Basic kennis en ervaring is vele malen groter dan C++, Perl, Java of welk ander programmeertaal dan ook. Ook de eenvoudige interface tussen VB, inpout32.dll, de parallelpoort en de USB poort. is een reden om VB te gebruiken. Voor ons doel goed en snel genoeg en voldoet aan onze wensen en eisen.

Eenvoudig omschreven verzorgd de software de volgende zaken:

• Leest aan de hand van een continue counter de 16 poorten van de 10 inkomende multiplexers uit.
• Aan de hand van deze gegevens kan bepaald worden:
  o welke trein zich op welk baanvak bevindt
  o de wisselstanden
  o rijrichting van elke trein
  o status van een opstelspoor.
• Aan de hand van kruismatrixen worden er berekening uitgevoerd en wordt bepalaald wat de te nemen vervolgstappen en condities zijn.
• Stuurt aan de hand van de condities de USB poort aan.

• Seinstanden aan de hand van baanvakbezetting, rijrichting en wisselstanden.
• Baanvak bezetting aan de hand van trein / baanvak lengteoverschrijding en rijrichting.
• Seinstanden aan de hand van baanvakbezetting, rijrichting en wisselstanden, bijzondere situaties.
• Route tabellen, Volgende baanvak bezetting aan de hand van baanvakbezetting en wisselstanden.
• Multiplexer status t.o.v. counter en parallel inputvariable.
• Counter en parallel outputvariable t.o.v. multiplexer status.
• Voorrang condities. Seinstanden aan de hand van baanvakbezetting en wisselstanden.
• Rangeerspoorbezetting t.o.v. treinnummer en baanvakbezetting.

Ik kan je verzekeren dat een Engelse wissel de hoeveelheid regels in de diverse kruismatrixen aardig op kan voeren. Gezien het feit dat er vijf Engelse wissels verwerkt zijn in de spoorbaan geeft te denken.

Wanneer de software voor het eerst gestart wordt is deze nog niet op de hoogte welke trein zich in welk baanvak bevindt. Daarom is er een eenvoudig te bedienen opstartwizzard toegevoegd die er voor zorgt dat er een herkenbare beginsituatie gecreëerd wordt. Na het beëindigen van de opstartwizzard is er geen persoonlijke interactie met de PC meer vereist en kan de gehele treinenloop, wisselstanden en seinstanden op het scherm gevolgd worden.

Uiteraard wordt de laatste status onthouden zodat een volgende dag niet wederom de opstart wizzard uitgevoerd hoeft te worden.

Schermafdrukken en andere afbeeldingen zijn terug te vinden in het fotoalbum. Printschema’s, printlayouts, kruismatrixen en andere documentatie is terug te vinden in het modelspool software depot. De VB software is niet terug te vinden in het depot. Indien iemand meer informatie omtrent de software wilt hebben kan hij/zij contact opnemen met Marcel Houkes.