Sistema de Control de Vía
 
 
En el mes de Marzo de 2008, el foro LCTM, dedicó una serie de comentarios a estudiar la posibilidad de crear artesanalmente un sistema de control para maquetas de trenes manejados desde un ordenador. En principio se trataba sólo de manejar los aparatos de vía (desvíos, desenganchadores...) y probablemente accesorios tales como señales mecánicas o luminosas. Casi todas las ideas giraban en torno a un sistema digital, en el cual la función de la central la realizaría el ordenador, pero se mantendría el esquema del mando digital en el sentido de que el ordenador debería producir una señal análoga a la creada por una central digital, y, probablemente, tras amplificarla en un booster, se llevaría de la forma habitual a los decodificadores de aparatos de vía (k83), que actuarían así sobre los desvíos, desenganchadores etc.
 
Naturalmente esto exigía el diseño de una "interfase" que conectada a alguna de las posibles salidas del ordenador (puerto paralelo, puerto serie, conexión de red, USB...) y por otro lado al booster, pudiera generar las señales necesarias.
 
El esquema adjunto, que yo dibujé en esa época, resume el problema planteado: Un ordenador con un programa que presenta dos botones "recto" y "desviado" y un desvío, con su cable amarillo y sus dos cables azules que se debe mover al pulsar el botón correspondiente. Asumía que debería haber una conexión al puerto serie y algún sistema de alimentación, para generar la corriente que mueve las bobinas del relé. Lo demás, en ese momento era para mi una competa incógnita, y lo resumí en una nube, que indicaba mi nula visión de cómo podía llevarse a la práctica.
 
Aunque mi conocimiento práctico sobre el tema era escaso, participé en esas discusiones, desde un punto de vista teórico, pero manteniendo una postura divergente, en el sentido de que no tenía sentido producir una señal digital solamente para el "transporte" de información desde el ordenador a los aparatos de vía. Toda vez que había que construir esa interfase electrónica, sería mucho más sencillo que este dispositivo produjese directamente las señales analógicas que actúan sobre los aparatos de vía, y llevarlas hasta los mismos con un cableado tradicional, igual o muy similar al de una maqueta analógica. El ordenador y su interfase tendrían entonces la función de sustituir los "cuadros de mando",  ya sean esquemáticos o formados por botoneras.
 
La siguiente frase, originada en aquellas discusiones, resume de una forma muy gráfica mi planteamiento: "A nadie se le hubiese ocurrido nunca hacer un sistema basado en una transmisión de ordenes codificadas digitalmente entre el ordenador y los aparatos de vía, sólo para manejar estos aparatos. Sólo tiene sentido hacer esta transmisión digital, si ya tenemos un sistema digital para el control del movimiento de los trenes, y contemplamos el manejo de los aparatos de vía como una ampliación del sistema".
 
Después de esas discusiones del foro LCTM, donde varios compañeros me aclararon una serie de dudas, realicé unas cuantas pruebas que me convencieron de la posibilidad de realizar un sistema de acuerdo con mis ideas. Poco después, comencé la construcción de mi nueva maqueta, FelsdreiStadt, y siempre pensé que cuando llegase el momento intentaría aplicar este sistema a mi nueva maqueta.
 
Después de mas de dos años dedicados a la construcción de la maqueta, que han sido detalladamente descritos en mi blog, hoy puedo decir que el sistema está funcionando a plena satisfacción. En primer lugar, la niebla de la nube se ha despejado totalmente, y lo que se ve ahora es lo que refleja la imagen adjunta.
 
El esquema general como se ve es casi el mismo que en la imagen anterior, ya que en ambos casos tenemos un ordenador con un programa, que ahora ya tiene un nombre ("ControlZ"),  y acabamos con desvíos conectados al sistema que responden a sus señales. Casi la diferencia más significativa, es que la conexión al ordenador se hace por USB en lugar de por el puerto serie. Esto está muy de acuerdo con la tendencia actual de que desaparezcan los puertos serie de los ordenadores.
 
Y naturalmente, todo el interior de la nube de ha concretado en una serie de elementos que el esquema muestra como varios módulos denominados K8055  DEMU01, DEMU02, DEMU03, Y DEMU04.
 
Inicialmente, como se puede ver en mi blog utilicé la placa USB1188, (a la izquierda) fabricada por la casa Micropik, para la comunicación con el ordenador a través del puerto USB. Sin embargo en un momento dado, la citada empresa, ha dejado de distribuir esta placa, lo cual me movió a buscar una alternativa, que al final ha resultado mejor y más barata que la primera opción.  
 
La nueva placa, es fabricada por la empresa belga Velleman, que tiene distribuidores en bastantes países, incluyendo varios en España. Esta nueva placa, al igual que la antigua, es capaz de recibir y enviar señales hacia un ordenador conectado por puerto USB. En esta primera fase solo utilizo la captura de datos recibidos desde el ordenador y lo que la placa hace es proporcionar una salida de 8 bits en correspondencia a la recepción en serie recibida desde el ordenador. La placa viene con un microcontrolador PIC16C745 ya programado, con lo cual evito la necesidad de programar el microcontrolador, que es un tema en el cual no me he metido, y por lo tanto constituye una barrera para mi.
 
Tras las pruebas correspondientes (véase "Tenía que hacer esta prueba") me convencí no sólo de que la placa K8055 de Velleman  
podía sustituir a la de Micropik, sino de que tenía algunas ventajas, de forma que se abren unas posibilidades que la anterior no tenía.
 
En concreto, las ventajas adicionales son estas:
  • Cada placa tiene unos jumpers para asignarle una dirección entre 0 y 3, por lo que se pueden usar simultáneamente hasta cuatro placas. Esto no era posible en la placa Micropik.                                 
  • Cada placa tiene dos salidas de tipo PWM con ancho de pulso regulable de 0 a 255. La de micropick sólo tenía una salida PWM
  • Y una, de tipo práctico pero importante: La placa de Velleman se comporta de modo más estable. La de Micropick, cuando se producían conexiones y desconexiones, paradas y arrancadas del programa de control, etc, en muchos casos se quedaba bloqueada. La de Velleman no ha fallado ni una vez.

La señal producida por la placa se lleva un sistema demultiplexor que identifica la señal recibida y activa una de las 256 posibles salidas distintas que corresponden al dato recibido. Este demultiplexor está organizado en dos etapas, materializadas en los circuitos DEMU01 y DEMU02. De esta forma el sistema adopta una forma modular, ya que a partir de la primera etapa realizada por DEMU1, se pueden añadir cuantas etapas DEMU2 sean necesarias hasta un máximo de 16

Las dos etapas de demultiplexión, se realizan mediante los circuitos integrados 74HC154 y 74HC4514, de manera que apenas se necesitan elementos adicionales.
Concretamente, la etapa DEMU01 está realizada en un sencillo circuito impreso que podemos ver en la imagen de la derecha. Como se ve, es simplemente el circuito integrado y las conexiones de entrada salida y alimentación.
 
La segunda etapa de demultiplexado está compuesta de placas tipo DEMU02. Cada placa decodifica hasta 16 señales y puede haber hasta 16 placas, con lo que llegamos a las 256 señales posibles a partir de lo 8 bits que genera el ordenador.
 
Esta placa, que podemos ver más abajo, es algo más complicada, en primer lugar porque lleva unos "pianillos" para darle una dirección individual, y en segundo lugar porque lleva unos circuitos integrados adicionales ULN2803, que son amplificadores de señal, de manera que se obtengan directamente impulsos de 12 voltios capaces de accionar los aparatos de vía que se mueven por impulsos, fundamentalmente los desvíos y las señales mecánicas. En principio los desenganchadores también estarían en este grupo, aunque para este caso he utilizado una forma especial de conexión
 
Los conectores situados a cada lado en la parte superior son directamente las salidas que pueden llevarse a los desvíos y demás aparatos movidos por impulsos, o también a las bobinas de relés biestables. para accionar aparatos que requieren una corriente constante en vez de un impulso, como es el caso de las señales luminosas y realmente casi cualquier cosa que queramos manejar desde el programa. Un ejemplo de esto es la posibilidad de controlar completamente el funcionamiento de las rotondas desde el mismo programa de control
 
Con objeto de dar una forma práctica al montaje de todas estas placas que pueden llegar a ser hasta 16, he dispuesto una placa de las que se venden con perforaciones y tiras de cobre para realizar montajes experimentales. Utilizando esas tiras a modo de bus, y disponiendo conectores para las placas DEMU02, se logra un montaje modular y fácilmente ampliable en función del número de placas necesario para cada instalación.
 
La fotografía siguiente muestra como queda el montaje final, con sólo dos placas DEMU02 montadas en sus zócalos, y un zócalo libre detrás. La fotografía muestra también, en primer término la placa DEMU01 y el cable de la conexión a la placa de Velleman.
 
También vemos al final de la placa perforada la placa DEMU03. Esta placa es simplemente una serie de leds que visualizan el estado de los bits de datos que se están procesando en cada momento.
 
Como se ve, los elementos son bastantes sencillos y se pueden construir sin demasiada dificultad por cualquier aficionado a la electrónica, y por un precio realmente barato. Por ejemplo los circuitos integrados 74HC4514 cuestan 0,84 € cada uno, y los ULN 2803 cuestan 0,32 €. Sorprendentemente, los elementos más caros son los microinterruptores de pianillo que cuestan 1,74€. La placa de Velleman se puede comprar en forma de kit por unos 35 €
 
Como ya he comentado, estas placas DEMU02 producen directamente impulsos de 12 voltios que pueden accionar los desvíos y las señales mecánicas. En mi caso, voy a mantener el circuito de tracción de los trenes en analógico, por lo que necesito unos elementos que sustituyan a los clásicos interruptores que se usan para cortar la corriente en determinados sectores de la vía, de manera que se puedan dejar estacionados trenes en esos sectores con la alimentación cortada. Como en mi caso hay más de cuarenta de estos sectores, he dispuesto otros tantos relés biestables V23079-B1203-B301 de Tyco Electronics que reciben los impulsos generados por DEMU02 y accionan dos contactos conmutados. Según la configuración que demos a estos contactos, se puede hacer un interruptor, por ejemplo para aislar o conectar un sector de vía, un conmutador, por ejemplo para cambiar una señal luminosa de rojo a verde, o incluso un inversor para cambiar la polaridad de un sector de vía.
 
Con el fin de organizar todos estos relés y sus conexiones de una forma ordenada he creado una cuarta placa DEMU04 que se puede ver en imagen siguiente:
 
 
 
 
En la imagen vemos el "truco" empleado para configurar las salidas del relé como interruptor, conmutador, etc. Consiste en un zócalo en el cual, unos pequeños puentes permiten conectar las distintas salidas del relé a las correspondientes del conector. La imagen corresponde exactamente a la placa que controla la rotonda, y vemos como la salida FB que controla la corriente de tracción de las vías del puente está configurada como inversor, para permitir los dos sentidos de movimiento de las locomotoras,  la salida FC está configurada como interruptor y controlará el la puesta en marcha del giro del puente, y la salida FD es otro inversor para conseguir el giro del puente en uno u otro sentido. Esta flexibilidad me ha permitido hacer todas las placas DEMU04 iguales y adaptar cada una al uso que de ella se hace.
 
Al final juntando todos estos elementos he construido un "armario de control" que permite manejar todos los aparatos de vía y sectores aislados que necesito.
 
Utilizo el nombre de "armario" que es un término muy ferroviario. En las instalaciones reales, los mecanismos de control que tienen que estar junto a la vía, se sitúan en cajas metálicas que los protegen y que se denominan armarios.
 
A diferencia de otras filosofías que acercan cada elemento de control (decodificadores de impulsos etc) al elemento a controlar, yo he centralizado todos, de manera que a partir de este armario no hay más que cables que van directamente a cada aparato de vía. Creo que es una buena solución, por varios motivos:
  • El cableado de la maqueta es sencillo: solamente hay cables que prolongan los terminales de cada aparato de vía hasta el "armario de control" Por eso mismo no es previsible que haya que hacer ningún cambio ni modificación en este cableado, ya que no implica ninguna relación con la lógica o el funcionamiento.
  • Estos cables largos que van desde el armario de control hasta cada aparato, sólo llevan corriente continua. no hay por lo tanto ningún problema en que sean todo lo largos que sea necesario, y no hay pérdidas por acople de impedancia ni emisión de radiofrecuencias ni ninguno de los problemas asociados a cuando llevamos un bus de datos por toda la maqueta.
  • Como decía no es previsible que haya que modificar para nada el cableado de la maqueta en si. Toda la complicación e interconexión está realizada dentro del armario, que está mucho mas accesible que el cableado de la maqueta. Además se puede tener el armario abierto con los trenes funcionando y teniendo ambos a la vista, y así poder hacer mediciones o comprobaciones del funcionamiento del sistema,
Inicialmente, este armario está situado sobre un mueble con ruedas, de modo que se puede desplazar para tenerlo a la vista, o ocultarlo bajo la maqueta. Este movimiento se permite porque la conexión de la maqueta con el armario está hecha mediante 12 cables planos de 20 vías, que tienen la longitud suficiente par permitir este desplazamiento.
 
Naturalmente el agrupar así todos los elementos de control da lugar a un conjunto bastante espectacular de placas de circuito y cableados dentro del armario de control, pero se tiene la ventaja de que está todo junto, ordenado y accesible. La imagen siguiente recoge el aspecto de la situación actual del armario de control. Vemos en primer término dos placas de comunicaciones Velleman, y a la derecha el conjunto formado por DEMU01, DEMU03 y doce placas DEMU02, y al fondo vemos 8 de las placas DEMU04. (detrás hay cuatro más, en total son doce). La coincidencia de que sean doce DEMU02 y otras doce DEMU04 es casual y viene de que en mi maqueta el número de desvíos es casi igual al número de sectores aislados
 
A la derecha hay un agrupamiento de pequeñas placas, cada una de ellas con un conector para cable plano de 20 vías. Aquí llegan los cables que conectan el armario a la maqueta
 
 
 
En realidad, para todo lo explicado hasta ahora, con una sola placa de comunicaciones es más que suficiente. El hecho de haya una segunda placa tiene que ver con el sistema de mando de tracción, pero eso lo trataremos en otro lugar.
 
El siguiente vídeo es una pequeña demostración del funcionamiento del programa. Se ha procurado mostrar en primer plano la pantalla del ordenador y en segundo plano, el aparato de vía (desvío, señal, o rotonda) que responde a la acción sobre la ventana del programa.
 
 
 
En este otro vídeo, mucho más largo, se ven las primeras pruebas de la maqueta funcionando ya completamente controlada por el sistema de control descrito en esta página. En particular se puede comprobar como se manejan desde el ordenador, los desvíos, los bloques aislados para el estacionamiento de trenes y el puente giratorio de la rotonda.
 

Tarde de Trenes

 
 
Como se puede comprobar, todo lo explicado hasta aquí tiene relación solamente con el control de los aparatos de vía, es decir los desvíos y desenganchadores, las rotondas, las señales mecánicas y luminosas y también con la posibilidad de controlar la conexión y desconexión de la corriente de tracción a determinados sectores de la vía.
 
No se ha hecho ninguna distinción en si los trenes se mueven por un sistema analógico o por control digital, ya que este sistema es perfectamente válido para ambos casos, y completamente independiente. Naturalmente con un control digital podría haber muchos menos sectores aislados, incluso ninguno.
 
Así que este sistema, con lo descrito hasta aquí,  se puede utilizar con cualquier sistema de control de las locomotoras (analógico o digital) y con cualquier escala. Incluso para los casos en que los aparatos de vía no se mueven por impulsos sino por conmutación de una corriente constante, se pueden manejar con este sistema utilizando los relés, de la misma forma en que se hace con una señal luminosa. La tensión de salida, que yo he estado diciendo que son 12 Voltios puede en realidad ser cualquier otra, por ejemplo 16 voltios, sin más variación que alimentar el sistema con esa tensión.
 
En la página "Descarga de Archivos" se pueden descargar los esquemas y plantillas de PCB así como listas de componentes y demás material técnico, que pueden ser empleados para reproducir los circuitos presentados en esta página.
 
 
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