Ponte trasbordatore Minitrix: analisi dei cablaggi e della logica di controllo

Pubblicato il 16 gennaio 2021

Abbiamo in passato discusso dei ponti trasbordatori, ed anche di quelli girevoli (Dreh-schiebebühne), rappresentati da un modello Minitrix in scala N.

La Dreh-schiebebühne di Minitrix

Il modello Minitrix è predisposto per l’analogico e per il digitale Selectrix (la primissima versione di digitale ferromodellistico prodotta da Doehler e Haas e licenziata da Trix negli anni ’80), ma non per altri tipi di digitale. La documentazione disponibile, che abbiamo discusso in una nota tempo fa, non ne descrive la parte elettrica ed elettronica: ad esempio non è noto quali siano i pin. Una vecchia discussione su 1zu160 ne propone una conversione al digitale, ma la “ricetta “proposta richiede di intervenire fisicamente sulla piattaforma, saldando e dissaldando componenti, ed intervenendo meccanicamente in modo invasivo e irreversibile.

A noi interessava poterla controllare (se possibile senza apportarvi modifiche, o almeno non modifiche irreversibili) tramite un microcontroller digitale, come Arduino, o l’ESP32 che ad esso preferiamo. Ci siamo quindi messi a studiarla. Alla fine è stato meno difficile di quanto pensavamo, e siamo dunque in grado di realizzarne un meccanismo di controllo alternativo, e per chi volesse, anche la digitalizzarne la parte “ferroviaria” senza intervenire sulla piattaforma stessa (o quasi). Anzi, alla fine la versione digitale sarà, come vedremo, persino più semplice di quella analogica.

Per far venire un po’ di appetito, ecco un video dimostra il risultato, con la piattaforma controllata da un telefonino.

Iniziamo ora a spiegare passo passo tutto quel che serve. La prima fase è la comprensione del funzionamento della piattaforma, e l’identificazione degli input. La successiva sarà la movimentazione delle piattaforma, e l’ultima la movimentazioni dei rotabili (analogici e digitali) su di essa.

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Posti di blocco automatici sul plastico: biforcazioni e confluenze.

Pubblicato il 14 novembre 2020

Una delle forme di automatismo che frequentemente troviamo sui plastici è quella relativa ai posti di blocco.

L’implementazione è semplicissima: il binario è suddiviso in segmenti. Ciascun segmento è dotato di un sensore all’ingresso, un segnale posto alla fine ed un sezionamento su un binario poco prima del segnale.

Il sensore agisce sui due segmenti precedenti: se il nostro è il segmento N, agisce su N-1 e N-2. In particolare, mette a rosso il segnale del segmento N-1 e toglie corrente al relativo sezionamento, mentre  mette a verde il segnale del segmento N-2 e dà corrente al relativo sezionamento.

Il meccanismo, basato su relè, ed il suo funzionamento sono ottimamente descritti altrove (ad esempio su scalaTT) per cui non lo ripetiamo qui in dettaglio, limitandoci a riportare solo lo schema elettrico.

Come abbiamo descritto in note precedenti, negli schemi proposti usiamo sensori a effetto Hall che lavorano in logica inversa (in assenza di campo magnetico il segnale è HIGH, es. +5V, e diventa LOW, 0V, quando il campo magnetico è presente). Lavoriamo con relè “Bistable 5V Coil Latching Relay DPDT 2A 30VDC 1A 125VAC HFD2/005-S-L2-D” descritti in passato.

Essendo in logica in inversa abbiamo +5V sui pin 15 e 16 (che in logica diretta sono invece connessi al GND ), ed effettuiamo il SET ponendo a GND il pin 2, ottenendo un ponte tra  i pin 4 e 8, e tra 9 e 13. IL RESET viene effettuato con GND sul pin 1, e causa un ponte tra i pin 4 e 6, e tra 11 e 13.

Lo schema per un posto di blocco allora diviene il seguente:

Schema elettrico di un posto di blocco.

In figura i rombi sono i sensori di presenza, e segnalano l’ingresso in un segmento. I tratti rossi sui binari sono i sezionamenti, e quando disalimentati fermano il convoglio. Ogni sensore manda un segnale a due relè. Il relè del blocco N-2 riceve il SET (via libera) dal sensore del blocco N, ed il RESET (via impedita) dal blocco N-1. In modo analogo di ripete lo schema per ciascun blocco.

In posizione di SET il relè accende la luce verde ed alimenta il sezionamento, in quella di RESET accende la luce rossa e toglie la corrente al sezionamento.  Tutti i segmenti sono alimentati ed hanno segnale verde, eccetto quelli che si trovano subito prima di un segmento occupato da un convoglio, e che quindi sono in blocco di protezione

A rigore andrebbe detto che la descrizione fatta su scalaTT non è proprio supersicura: se la distanza tra  la posizione di blocco di un settore ed il sensore di ingresso del settore successivo  non è lunga almeno quanto il convoglio, sono possibili incidenti tra il convoglio entrante e quello uscente. Il treno uscente attiverebbe infatti il sensore prima di aver liberato completamente la sezione protetta dal segnale del segmento che libera, e nel caso  abbia una fermata imprevista (ad esempio per cattiva presa di corrente) potrebbe essere tamponato dal convoglio entrante che sopraggiunge. Per evitarlo occorre garantire distanze sufficienti.

Qui vogliamo invece occuparci di situazioni più complesse. Cosa accade se abbiamo confluenze (o divergenze) di più linee? Come possiamo gestirle?

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Pilotare uno scambio o un segnale da web con un microcontrollore ESP32

Pubblicato il 17 ottobre 2020

Di recente abbiamo visto di come sia possibile utilizzare un microcontrollore per eseguire semplici operazioni come l’azionamento di una batteria di relè che pilotano degli scambi. Ci siamo occupati in quell’occasione dello schema hardware, rimandando ad un’altra occasione la discussione del software. Il microcontrollore usato era un ESP32, che possiamo considerare come un Arduino potenziato, dato che ha diverse cose in più già integrate, tra cui la possibilità  di collegarsi ad una rete wireless.

Ora vogliamo discutere degli aspetti di programmazione. Daremo quindi una breve introduzione agli elemento base della programmazione dell’ESP32, per passare poi a vedere come gestire la parte wireless che ci permette di comandare remotamente la nostra batteria di scambi.

Per cominciare, avremo bisogno di qualche nozione di base. I vari piedini (pin) del nostro microcontrollore sono chiamati (ad eccezione di quelli di alimentazione e controllo) GPIO, che sta per general-purpose input/output, e possono essere usati per leggere o scrivere un segnale. Il segnale può essere analogico (un livello di tensione pressochè continuo tra zero ed il massimo ammissibile) oppure digitale, ovvero avere solo due possibili valori: LOW (0 V) e HIGH (3.3V). Noi ci occuperemo per ora solo del digitale. – Nota: sui vari Arduino HIGH può essere 5V invece che 3.3V a seconda del modello; su ESP32 la tensione HIGH è a 3.3 V.

Template stampabile che mostra il numero del GPIO corrispondente ai vari piedini.

Ma vediamo come è strutturato il codice che impartisce al microcontrollore i comandi.

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Pilotare un set di relè con un microcontrollore ESP32

Pubblicato il 1 agosto 2020

Tradizionalmente, gli scambi di un plastico sono azionati con dei pulsanti. Tutti i produttori hanno a catalogo dei dispositivi ah hoc, dall’aspetto più o meno sofisticato, ma altro non sono che pulsanti.

Pulsantiera Minitrix per uno scambio (Weichenschalter)

Azionatori Arnold rapido per scambi

Nei plastici più evoluti (digitali)  è possibile anche azionarli con dei decoder ad hoc, cosicché li si può comandare dalla centralina: in questo caso è anche possibile definire un “routing”, ovvero una sequenza di comandi che attuino una “rotta” disponendo una sequenza di deviatoi nell’ordine giusto per ottenere il risultato voluto (ad esempio accedere al binario 3 provenendo dall’accesso sud). Il passo successivo è interfacciare un computer (ed ovviamente un programma) per definire delle azioni complesse.

Fleischmann 6852, decoder per quattro scambi

Una possibile alternativa, praticabile anche in analogico, è di controllare i deviatoi con uno o più microcontrollori. Questi potranno essere programmati per effettuare delle sequenze di azioni, oppure interfacciati con un computer e un programma, oppure potranno esibire una interfaccia web che permetta di azionarli anche da un telefonino o da un tablet. E’ questo l’approccio che vogliamo provare ad esplorare e discutere.

Nelle nostre sperimentazioni utilizzeremo un microcontrollore ESP32 del costo di pochi Euro: è simile agli Arduino, ma ha supporto integrato per la rete wireless, oltre molte altre interessanti caratteristiche aggiuntive.

ESP32 ESP-32S ESP-WROOM-32 Development Board

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Gestione delle fermate di treni reversibili su un binario bidirezionale

Pubblicato il 4 luglio 2020

Abbiamo di recente discusso di come fermare correttamente e in modo automatico treni reversibili su un plastico. Lo abbiamo fatto assumendo che la percorrenza sul binario sia sempre unidirezionale, cioè che i treni arrivino sempre ad esempio da sinistra verso destra, come può tipicamente avvenire in una stazione nascosta, o su un binari o di incrocio in stazione nella quale sia prescritta una circolazione data (ad esempio quella “italiana”, ovvero con i treni che, su doppio binario, tengono la mano sinistra).

In tal caso la soluzione standard prevede due brevi sezionamenti.

Semplice stazione per effettuare incroci con circolazione “all’italiana”

Il problema che ci eravamo posti era come rispondere all’esigenza di porte far circolare anche treni reversibili (ad esempio con la motrice in coda) facendo funzionare il tutto correttamente. Lo avevamo risolto usando una coppia di sensori, e gestendoli con un paio di relè.

Tratta sezionata con due sensori

La soluzione individuata aveva il pregio di funzionare sia in analogico che in digitale.

Ora vogliamo invece gestire la circolazione in entrambe le direzioni, in modo ad esempio da poter effettuare anche sorpassi oltre che incroci.

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Fermata automatica di treni reversibili sul plastico

Pubblicato il 18 aprile 2020

I treni reversibili sono quelli che possono viaggiare sia in avanti che all’indietro. Il caso più curioso è forse quello del Suburban Steam Shuttle effettuato nel novembre ’18 dall’operatore storico britannico “Steamrail Victoria“, che per tutto il giorno fece viaggiare avanti e indietro un convoglio avente una locomotiva a vapore in testa ed una, rivolta in direzione opposta, in coda, come documentato dal seguente filmato.

Anche senza giungere a questi estremi però il caso di convogli reversibili è tutt’altro che raro, come ne caso di automotrici, elettromotrici ed elettrotreni, o convogli ordinari con locomotore e carrozza semipilota.

Un IC reversibile – foto © Lele H da flickr

Un regionale reversibile – foto © Lele H da flickr

Abbiamo già discusso come li si possa gestire nel plastico, facendoli fermare automaticamente grazie all’accoppiata di sensori e scambi intelligenti.

Ci proponiamo ora di presentare un’ulteriore soluzione che prescinda dall’azione degli scambi. Dovrà essere in grado di gestire automaticamente e correttamente le fermate sia per convogli tradizionali che per treni reversibili, e sarà basata su sensori che rilevino la presenza del convoglio. Tali sensori potranno essere magnetici, ottici o di altro tipo. La cosa essenziale è che venga dato un segnale sia a inizio che a fine convoglio, così da funzionare sia che questo marci “in avanti” che “all’indietro”. Eventuali segnali intermedi (come nel caso di pedali azionati da ogni asse) non dovranno creare disturbi.

Assumeremo che il binario sia percorso in una direzione data, lasciando ad una prossima nota l’estensione al caso bidirezionale.

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Scissors crossover parte 4: “Bivio S.Pietro”

Pubblicato il 14 marzo 2020

In varie note precedenti, abbiamo discusso degli scissors crossover presentandoli [1], poi esaminandone le realizzazioni industriali in scala N [2], e quindi discutendone i collegamenti elettrici nel caso dei Peco [3] (la gestione dei Kato e Tomix è banale, e ne abbiamo parlato nella seconda nota).

Tuttavia nell’esame degli schemi elettrici per i Peco, abbiamo assunto che i due binari paralleli che le “forbici” interconnettono fossero alimentati con la stessa corrente. Esaminiamo questa volta il caso in cui invece le due correnti siano diverse (ovviamente stiamo parlando di analogico, in quanto in digitale il problema non si porrebbe). Lo faremo partendo da un esempio concreto: lo snodo del “Bivio S. Pietro”.

Tale bivio si trova su un plastico, nel punto in cui un doppio binario a “marcia italiana”(ovvero con circolazione sulla sinistra” si dirama verso un terzo circuito, e parte di tale diramazione è proprio realizzata con una “forbice”.

Bivio San Pietro

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Sensori magnetici: reed vs. effetto Hall

Pubblicato il 29 febbraio 2020

Per realizzare automatismi su un plastico ferroviario occorre rilevare la posizione dei rotabili. Potremo allora prevedere degli effetti legati al transito di un treno, come ad esempio abbassare le sbarre, far scattare un segnale o commutare uno scambio, rallentare o fermare il treno stesso o farne partire un altro.

La rilevazione di posizione è basata su sensori, che possono essere di varia natura: meccanici, ottici, magnetici. Qui ci concentriamo su quelli magnetici:  i reed (piuttosto diffusi in ambito ferromodellistico) e quelli ad effetto Hall (usatissimi i molti contesti, che vanno dal controllo di chiusura delle finestre al blocco del portello della lavatrice).

Cerchiamo di esaminarli entrambi, e di confrontarli tra loro.

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“Scissors crossover”, parte 3: approfondimenti sui Peco.

Pubblicato il 15 febbraio 2020

Abbiamo di recente affrontato la discussione degli scambi a forbice (“Scissors crossover”) in scala N, ed abbiamo avuto modo di constatare come i Peco, con i loro cuori metallici, siano interessanti modellisticamente, sia dal punto di vista estetico che da quello funzionale, quest’ultimo per per quanto riguarda la continuità di alimentazione elettrica dei rotabili che li percorrono.

Peco Crossover

Al tempo stesso, proprio la continuità elettrica va gestita, il che non è del tutto banale. Abbiamo visto come, usando lo scambio così come è fornito dalla fabbrica, sia suddiviso in diverse zone elettriche:

Zona centrale delle “forbici” Peco

• due “V” orizzontali: una blu scuro a sinistra, ed una viola a destra.
• il rombo centrale, suddiviso in una zona gialla in alto ed una arancio in basso.

Queste quattro zone sono connesse con quattro fili metallici di alimentazione elettrica che fuoriescono dalla sua parte inferiore.

Le otto rotaie che fuoriescono dal blocco (quattro binari) sono elettricamente separate tra loro, ma noi consideriamo che i due binari paralleli in cui la “forbice” si inserisce abbiamo la stessa corrente, che riassumiamo in due polarità che denominiamo “rossa”e “verde”.

Vi sono poi altre quattro “V” asimmetriche, che abbiamo colorato in turchese ed in marrone: sono i cuori dei quattro scambi. I cuori sono alimentati “meccanicamente”dagli aghi quando questi vanno a contatto con rispettivi i contraghi.

Qui vedremo dapprima come gestire in modo semplice ed efficace la “forbice”. Lasceremo ad una prossima nota la discussione di come fare se i due binari paralleli non hanno la stessa corrente.

Infine, ci occuperemo qui anche di rendere “digital-friendly” la forbice stessa.

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Intersezioni o incroci, parte 2: gli “scissors crossover”.

Pubblicato il 1 febbraio 2020

Abbiamo di recente discusso degli incroci (intersezioni), ed abbiamo sostenuto che nelle ferrovie reali la loro presenza sia piuttosto limita. Abbiamo visto che c’è pero una configurazione nella quale l’incrocio è immancabile: il cosiddetto “scissors crossover” (incrocio a forbice, detto anche “scissors crossing“, “double crossover” o “overlapping crossover with diamond crossing“).

Scissor crossover alla stazione di Madrid Atocha

Si tratta di una conformazione di binari che, date due linee parallele, permette di passare dall’una all’altra e viceversa.

Anmazione che mostra uno scissors crossing, tratta da https://dccwiki.com/

 

Scissor crossover in costruzione in Austria nel 1926 – da http://www.voestalpine.com/

Spesso al posto di uno o più scambi semplici si trovano degli scambi inglesi: questi possono anche diventare parte di una “forbice”. La seguente immagine mostra una interessante configurazione dove si contano ben nove scissors crossings (tutti con scambi inglesi), ed un singolo incrocio non riconducibile a tale configurazione (in altro a destra). Vista la presenza di un TGV supponiamo che sia in Francia, anche se quei convogli viaggiano un po’ in tutta l’Europa occidentale.

Sequenza di scambi inglesi e scissors crossovers – da Pinterest.

La stessa funzionalità della “forbice”si può ottenere con il “cappello del prete”(cosi chiamato per la forma che l’insieme dei quattro scambi assume, che richiama appunto i copricapi usati dai sacerdoti nel secolo scorso – ricordate don Camillo ad esempio?), ma la configurazione a forbice riesce ad offrirla riducendo lo spazio necessario di circa il 50%.

Cappello del prete (in alto) confrontato con lo scissors crossing.

Don Camillo con il “cappello del prete”, da wikimedia

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