Comment faire pour que deux trains ne se rattrapent pas sur mon réseau?

Tout comme dans la réalité, le principe est celui du bloc. Le bloc interdit à un train de pénétrer dans un secteur (ou canton) dans lequel se trouve déjà un autre train. Le terme de bloc vient des débuts du chemin de fer. Les premiers systèmes de sécurité étaient très simple: à chaque canton était attribué un « bloc » de bois que le mécanicien devait prendre avec lui en entrant dans le canton. Seul le train en possession du bloc de bois avait le droit de circuler. Le terme de bloc est resté.

Tout comme pour les trains réels, le modéliste qui souhaite une exploitation automatique ou semi-automatique de son réseau devra installer un système de bloc. Plutôt que de présenter des systèmes existants, je voudrais ici montrer quelques principes de fonctionnement et quelques exemples réalisables à l’aide de relais et quelques autres composants simples. Ces exemples s’appliquent en principe uniquement à l’alimentation analogique.

J’invite le lecteur de se familiariser d’abord avec la fiche pratique n°5, alimentation et section d’arrêt.

Généralités bloc1

Explication:

J’ai découpé une ligne à voie unique sur laquelle les trains circulent dans un seul sens en 4 cantons, A-B-C-D. Lorsque tous les cantons sont libres, tous les signaux sont ouverts (symbolisés par les sémaphores avec une palette levée). Imaginons un train lent, représenté par la locomotive à vapeur, qui circule sur cette voie. Dès qu’il a quitté le cantons D (deuxième ligne), un automatisme doit fermer le signal qu’il vient de franchir: ainsi, même si un train plus rapide arrive derrière, il devra s’arrêter, évitant le rattrapage.

Au moment où notre train quitte le canton C, un même automatisme doit fermer le signal qu’il vient de franchir. Simultanément, comme le canton C est à nouveau libre, le signal entre les cantons C et D peut être réouvert et un train s’engager sur le canton C. Il est représenté ici par la locomotive électrique et on admettra qu’elle roule plus vite que la locomotive à vapeur.

Comme le train électrique est plus rapide, il arrive au bout du canton C avant que le train à vapeur n’ait quitté le canton B. Il doit donc s’arrêter au signal. On notera que le signal entre les cantons C et D est fermé, puisque le train électrique occupe le C.

Lorsque le train à vapeur a quitté le canton B (dernière ligne de l’illustration), il faut que le signale entre B et A soit mis au rouge. Le signal entre C et B peut être réouvert et le train électrique avancer.

C’est ce mécanisme que nous allons chercher à installer sur un réseau miniature pour éviter que deux trains ne se rattrapent.

Remarque: il y a dans la réalité bien sûr aussi des blocs sur des lignes parcourues dans les deux sens, mais c’est beaucoup plus difficile à faire avec des composants simples. La plupart du temps, les modélistes installent des systèmes de bloc sur des lignes à double voie avec une succession de bloc dans chaque sens. Sur une ligne à voie unique en miniature, il est aussi plus rare d’avoir une exploitation automatisée.

Détection Comme indiqué ci-dessus, un système de bloc est composé de sections ou cantons. Chaque canton doit avoir une zone télécommandable pour arrêter un train, combinée avec un signal lumineux (qui peut être omis pour les blocs cachés) et une détection de la présence ou du passage d’un train. Il est possible de monter un système de bloc soit en détectant le passage, soit en détectant la présence d’un train. Un dispositif qui détecte le passage d’un train est souvent appelé une pédale. Dans la réalité, ce sont par exemple des compteurs d’essieux.

Détection du passage du train/pédale

Il existe plusieurs manière de détecter le passage d’un train. Certains producteurs proposent eux-mêmes leur propre système. Souvent les pédales toutes prêtes à être montées sont plus simple que les systèmes que l’on peut bricoler soi-même, mais aussi beaucoup plus chères. Voyons quelques exemples:

ILS. Source conrad.ch

Interrupteur à lame souple (ILS, appelé aussi tube reed): il s’agit de deux petites lames métalliques dans un tube sous vide. Lorsqu’un aimant passe au-dessus, les lames se touchent et donnent un contact. Ce type de composant s’achète auprès de la plupart des distributeurs de produits électroniques et coûte nettement moins qu’un euro. On trouve aussi des reeds prêts à être installés chez différents producteurs, par exemple l’article 7555 de Märklin ou le 9115 de Fleischmann en N. Pour que le reed fonctionne et puisse donner un contact, chaque train doit être équipé d’un aimant et c’est certainement le plus gros désavantage du système, outre le fait que le montage des reeds peut être assez délicat. Sinon, le système est simple, fiable et bon marché.
Pédale mécanique: certains producteurs ont eu à un moment ou un autre dans leur assortiment une pédale mécanique. Il s’agissait au sens propre d’une pédale: un élément mobile qui s’abaisse au passage d’un train pour donner un contact. Le bricoleur peut aussi s’amuser à reproduire une telle pédale à l’aide de microswitch par exemple. Le désavantage de la pédale mécanique est de réagir à chaque passage d’essieu, si c’est les essieux qui abaissent la lame.  Autrement dit, le train est détecté tout au long de son passage. On verra plus loin pourquoi c’est un désavantage. Par ailleurs, pour les petites échelles, la pédale risque de faire dérailler des wagons légers ou des bissels de locomotive à vapeur. Le système Märklin avec frotteur central propose aussi une pédale mécanique qui a en plus l’avantage de détecter aussi dans quel sens le train passe et peut donner deux contacts différents (un par sens, ce qui permet aussi un bloc bi-directionnel). Voir par exemple l’article 5146 pour la voie M, mais cela c’est aussi décliné pour les voies K et C, en ligne droite et en courbe. Le contact se fait avec la masse. La firme Märklin a aussi développé une telle pédale pour son programme de voie Z (voir image).

Source: JoKa elektronik

Barrières infra-rouge: Que ce soit sur le principe d’un faisceau coupé ou de la réflexion d’un rayon IR sous un train qui passe, on peut utiliser des systèmes à infra-rouge pour détecter le passage d’un train. L’avantage est d’avoir un système qui est indépendant de la voie, indépendant de l’alimentation et qui ne nécessite pas d’adaptation au matériel roulant. En revanche, le montage et le réglage de tels systèmes demande un peu d’adresse et de la patience.

Un exemple de détecteur basé sur la réflexion de la lumière infrarouge est disponible dans l’assortiment de JoKa elektronik. Il n’est pas cher, fiable, discret, mais demande pas mal d’habileté avec un fer à souder (la pièce de 10 cts d’euro montre l’échelle…).
La firme Busch propose quant à elle une barrière IR composée d’un émetteur et d’un récepteur à placer de part et d’autre de la voie. Le gros désavantage – outre son prix – est que l’émetteur et le récepteur sont plutôt gros et difficiles à camoufler dans le paysage.

Contrairement aux pédales mécaniques et aux ILS où la polarité n’ont en principe pas d’importance (à l’exception de la pédale centrale Märklin), les barrières IR, respectivement les réflecteurs ont souvent une polarité définie, ce qui rend leur utilisation parfois un peu plus complexe.

Pontage électrique: Il est possible d’utiliser le courant de traction comme détection de passage. Par exemple le rail de contact Minitrix 14979 utilise ce principe: une petite section d’un rail est isolée. Lorsqu’une roue passe dessus elle ponte l’isolation et donne le contact. Si le système est très simple il a le désavantage principal de donner un contact qui dépend de la polarité dans la voie, ce qui n’est pas toujours souhaitable. Par ailleurs, il se peut que de très courtes locomotives avec une prise de courant pas optimale s’arrête sur la section isolée.

 

Détection de présence

Contrairement à la pédale qui donne un signal lorsqu’un train franchit un point spécifique, la détection de présence indique la présence d’un train sur un canton aussi longtemps qu’un courant électrique est consommé sur le canton.

Avec le système Märklin à alimentation centrale, avec les voies K et C, il est très facile d’isoler un rail de l’autre. Tant qu’un essieu conducteur ponte les deux rails, le contact et donné, ce qui peut par exemple activer un relais qui indique alors la position de voie « occupée ».

Avec une alimentation en courant continu sur deux rails (de même qu’en numérique), cela n’est pas possible. On utilise alors en principe la détection de la consommation électrique. Aussi longtemps qu’un consommateur électrique se situe dans la zone, le contact est donné. Evidemment, si seule la locomotive consomme du courant, lorsque celle-ci aura quitté la zone, elle ne sera plus détectée. En revanche, chaque wagon éclairé sera à nouveau détecté. Il est aussi possible de « graphiter » les essieux des wagons (1 par wagon) afin qu’une consommation de quelques milliampères soit détectée.

L’image de gauche montre un exemple de détecteur d’occupation de voie basé sur la consommation de courant. Il s’agit d’un GBM-8 de Tams elektronik qui peut controler jusqu’à 8 sections de voie. Il donne un contact de masse qui peut être utilisé pour allumer une lampe ou tirer un relais aussi longtemps qu’un consommateur se trouve sur la section surveillée.

Il peut aussi être utilisé pour une détection d’occupation en numérique, voire pour de la rétrosignalisation en lui ajoutant un module S88.

Principe Schématiquement on peut représenter le principe du bloc de la manière suivante:

Sur l’illustration ci-dessus, les détecteurs de passage sont symbolisés par les cercles rouges. Les flèches de couleur indiquent la fonction de ces détecteurs. On constate ainsi que chaque détecteur doit simultanément:

  • mettre au rouge le signal que le train vient de passer et
  • mettre au vert le signal précédent

Remarque: le premier signal d’un tronçon avec des blocs successifs peut ne libérer aucun signal précédent et le dernier doit être libéré manuellement.

Si on utilise un détecteur de présence, le système peut être représenté schématiquement ainsi:

Aussi longtemps qu’un train est détecté dans un bloc (ce qui est symbolisé par le trait rouge épais), le signal précédent est maintenu au rouge. Lorsqu’il n’y a plus de train détecté, le signal doit rebasculer automatiquement au vert.

Ainsi, contrairement au système avec détecteur de passage où chaque signal peut avoir deux positions « stables », avec le détecteur de présence, on a une position par défaut qui est la position « voie libre », et une position temporaire « arrêt » lorsque le bloc est occupé. Cette différence se traduira par l’utilisation de relais bistables pour un bloc conçu avec détection de passage et de relais monostables pour un bloc conçu avec détection de présence.

La tête où la queue? Si l’on choisit un système de détection de passage à l’aide d’ILS, il faudra installer un aimant dans chaque train. La solution la plus simple pour avoir un aimant dans chaque train, c’est de la mettre sous la locomotive. Mais est-ce vraiment la meilleures solution?

L’illustration ci-dessus montre ce qui se passe si un train lent est suivi d’un train rapide dans le cas où la détection du passage est effectuée en tête du train, par exemple sous la locomotive: dès que la locomotive a passé sur le détecteur, le signal précédent est mis au vert. Si le deuxième train est beaucoup plus rapide que le premier, il n’est pas impossible qu’il rattrappe la queue du train avant qu’il n’atteigne la zone d’arrêt au signal. Cette solution ne garantit pas une exploitation sans accident.

Si on choisit de remplacer la détection de la tête du train par une détection de l’ensemble du train, par exemple avec une barrière IR, on risque la situation suivante:

Le train 1 lent passe le signal puis active la détection, qui met au rouge le signal qu’il vient de quitter et au vert le précécent. Le deuxième train passe le premier signal et atteint la détection. Celle-ci doit mettre le signal qu’il vient de passer au rouge, mais en même temps, le train lent est encore en train d’activer la détection du signal de droite. Le signal de gauche reçoit par conséquent deux ordres contradictoires. Mais en même temps, le signal encore précédent le signal de gauche et libéré!

Si le premier train est plus long que le deuxième et qu’il continue d’activer la détection alors que le deuxième a fini de passer le détecteur, le signal de gauche continuera d’être vert. Ainsi le troisième train entrera lui aussi dans le bloc et rattrapera le deuxième train au signal. Cette solution ne garantit pas non-plus une exploitation sûre.

En revanche en détectant uniquement la queue du train, on garantit qu’un train lent aura fini de passer le signal avant de libérer le suivant et qu’un seul train se trouvera simultanément dans le bloc.

Remarques:

  • il est possible de construire un système combiné qui n’agit que lorsque le train a fini de passer sur le détecteur. Ce n’est pas mon propos ici. Le bloc sNs dont je parlerai plus bas est un exemple.
  • avec un aimant sous le dernier wagon, on garantit aussi que même si une partie du train s’est décrochée, il n’y aura pas de rattrapage.
Cas pratique 1: bloc avec détection de passage par ILS Cette première illustration montre le cas détaillé d’un seul signal. On reconnaît les composants déjà utilisés dans ma fiche pratique sur l’alimentation et les sections d’arrêt.

Cette illustration présente le cas d’alimentation analogique en courant continu par 2 rails.

Le relais bistable (représenté par les deux rectangles avec une diagonale) commande deux inverseurs. L’un peut être utilisé pour les feux du signal. Par simplification du schéma, j’ai omis ici leur représentation (voir fiche pratique n°5 si le branchement n’est pas clair). L’ILS est représenté entre les voies par l’interrupteur entouré de l’ovale. J’ai ajouté encore sur le schéma une commande manuelle du bloc avec des boutons poussoirs, ce qui peut être très utile dans certains cas. Toutefois, il faut s’assurer qu’en mettant manuellement le signal au rouge, on ne libère pas en même temps le signal précédent, et réciproquement. C’est le rôle des deux diodes noires.

En rouge, l’alimentation de la section d’arrêt, sur le rail droit dans le sens de marche. La position du relais correspond à un signal fermé et la zone d’arrêt n’est pas alimentée. La diode en rouge permet à un train qui circule dans l’autre sens (dans le cas d’une alimentation en courant continu, système 2 rails) de ne pas être influencé par le signal.

La succession des blocs donne l’image suivante:

Pour ne pas surcharger le dessin, je n’ai plus représenté les boutons pour la commande manuelle de chaque signal, mais il n’est pas difficile de les rajouter. Sous le dernier wagon du train qui circule de droite à gauche, on voit l’aimant en rouge. Il vient de passer sur l’ILS qui a mis au rouge le signal de droite.

Cas pratique 2: bloc avec détection de présence

Explication: chaque canton est relié au détecteur de présence (ou d’occupation) et l’indicateur d’occupation est chaque fois relié au côté masse d’un relais monostable. Lorsque le relais monostable est activé (sur mon illustration c’est le cas de celui de droite), le signal est mis au rouge et le courant est coupé dans la zone d’arrêt. Quand le train quitte un secteur, le relais précédent n’est plus alimenté à la masse et il retombe, libérant alors le train.

Cas pratique 3: un bloc bi-directionnel

Ce cas pratique présente une réflexion pour une voie unique avec système de bloc qui fonctionne dans les deux sens. Bien évidemment, des trains successifs ne peuvent circuler que dans un sens à la fois et toute la construction se base en effet sur cette idée de base:

  • Un relais bistable marqué RS permet de commuter le sens de circulation. Il peut être commandé manuellement ou par un automatisme basé sur la polarité de la voie une une pédale directionnelle à l’entrée de la voie unique. (l’illustration montre le cas où les trains circulent de gauche à droite).
  • Le choix du sens de circulation par le relais RS met aussi au rouge le premier signal de la ligne de bloc dans le sens contraire et au vert dans le sens de circulation (signaux S1 et S11).
  • Sur l’illustration, l’alimentation des zones d’arrêt marquée en rouge et les reed violets correspondent au sens de circulation gauche-droite. L’alimentation des sections d’arrêts en bleu et les reed oranges servent au sens de circulation droite-gauche. Par simplification du schéma, je n’ai pas représenté la réalimentation des voies entre les différentes zones d’arrêt, mais elle est impérative, puisque les rails sont coupés des deux côtés.
  • Dans l’illustration, la situation est celle d’un train qui circule de gauche à droite et a passé le signal S2 qu’il vient de mettre au rouge, mettant simultanément le S1 au vert.
  • Le dernier signal de sortie de la section bi-directionnelle avec les blocs (S4, resp. S14) doit être libéré manuellement.
Quelques exemples de blocs réalisés Le bloc du Gothard

Notre réseau d’exposition des rampes du Gothard est exploité en digital. Plus précisément, nous pilotons les trains digitalement. Toutefois par simplification, nous avons décidé d’implémenter un bloc analogique et de positionner les blocs en zone invisible. Dès lors, les arrêts brusques et la perte des fonctions numériques ne nous posent pas de problème.

En revanche, nous faisons parfois aussi circuler des trains-navettes avec voiture pilote en tête. Il a fallu trouver une solution qui permette de nous assurer que les trains sont toujours totalement en zone cachée avant qu’ils ne s’arrêtent, et ceci indépendemment s’ils sont tractés ou poussés. De plus, il fallait s’assurer qu’en cas de perte de wagons, les trains suivants s’arrêtent et qu’un train même tronqué sôit aussi arrêté au prochain bloc.

Nous avons donc réalisé le bloc suivant:

  • Le système est composé de deux relais R1 et R2, commandés par des ILS (ILS1 et ILS2). Chaque train dispose d’un aimant sous le dernier wagon (ou en tête si c’est un train poussé avec voiture de commande en tête).
  • Le cas illustré montre un bloc montrant l’arrêt: R1 alimente la diode rouge (et éventuellement la diode rouge d’un signal) et le courant dans la « zone de sécurité » est coupé (cette dernière sert à arrêter un train qui aurait perdu son aimant, par exemple suite à un décrochage de wagons). Le courant est amené à travers un des inverseurs de R2 jusqu’à l’ILS 2 et la zone d’arrêt est aussi alimentée.
  • Lorsque le train entre dans la zone d’arrêt, il roule jusqu’à ce que son aimant passe au-dessus de l’ILS2. A ce moment, R2 est permuté, ce qui coupe le courant dans la zone d’arrêt (ainsi que dans l’ILS2) et le train s’arrête si la loc est en tête ou continue d’être poussé jusqu’à ce que la locomotive entre dans la zone d’arrêt.
  • Lorsque le bloc est libéré (par l’aimant d’un train qui passe sur l’ILS représenté tout à droite ou manuellement par le bouton-poussoir), les deux relais R1 et R2 sont permutés, ce qui redonne le courant dans la zone de sécurité et la zone d’arrêt.
  • Le train roule et le passage de l’aimant sur l’ILS1 a pour effet de remettre R1 en position fermé et de libérer le bloc précédent.

Dans ce petit film, on voit le fonctionnement à partir de la minute 1.00.

En option et dans le rectangle jaune est représentée une variante que j’ai utilisée pour le segment Biaschina. Ce dernier est en effet équipé d’un bloc dans la partie visible. Dans un permier temps, je l’avais équipé de la technique de freinage ABC (système Lenz). Afin que l’ordre de freinage soit reconnu par toutes les locomotives, j’ai remplacé l’ABC par un générateur de freinage qui donne un ordre d’arrêt à tout décodeur dans le secteur.

Les modifications nécessaires sont:

  • Isolation des deux rails de la zone d’arrêt et non d’un seul.
  • Remplacement de l’ILS2 par un détecteur IR positionné de manière à ce que la totalité du train soit dans la zone d’arrêt avant que la tête du train n’atteigne la barrière IR.
  • Un relais monostable (dans le rectangle jaune) est activé par le relais R2 et fais basculer l’alimentation de la zone d’arrêt sur le courant de freinage.

Le résultat est visible dans cette petite vidéo.

Le bloc sNs

Le groupement modulaire sNs (spur-N-schweiz) a développé un système de bloc analogique assez intéressant et utilisable de manière modulaire. A la base c’est un bloc basé sur le principe de relais bistables commandés par des ILS avec un aimant sous le train, comme je l’ai décrit au cas pratique 1. Avec le temps le bloc a été développé de manière intéressante.

Voici la liste des fonctionnalités ajoutées successivement bloc sNs:

  • Avertissement: en plus des deux images « voie libre » et « arrêt », le bloc sNs peut montrer l’avertissement avec un signal combiné: lorsque le bloc est libre mais que le suivant est encore occupé (le prochain signal est rouge), le signal montre une image d’avertissement selon le principe illustré ci-dessous (source http://www.spur-n-schweiz.ch):

Principe du bloc sNs. Source http://www.spur-n-schweiz.ch

  • Modularité: le système est conçu de telle manière que les modules comprenant un bloc peuvent être placés librement dans le réseau à double voie. Pour chaque bloc, il y a une alimentation dédiée qui alimente le tronçon depuis le bloc précédent.
  • Compatibilité très navette et train avec plusieurs locomotives: le bloc a été amélioré afin de pouvoir fonctionner indépendemment du nombre de locomotives dans le train et de leur position. Pour cela, en plus des ILS qui commandent la position du bloc, un système de détecteur infrarouge est installé peu avant le signal. Lorsque la tête du train passe sur la barrière IR, le courant est coupé dans la totalité du secteur de bloc, c’est à dire depuis le bloc précédent. Ainsi, la position de la locomotive, de même que la longueur du train ne jouent aucun rôle.
  • Accélération et décélération progressives: La dernière amélioration consiste à éviter l’arrêt trop brusque au signal.

La documentation complète du bloc sNs est disponible à cette adresse: http://www.spur-n-schweiz.ch/sns/streckenblock.html