BDEF - Bundesverband Deutscher Eisenbahn-Freunde e.V.

Direktsteuerungen

Arbeitsgruppe Elektrotechnik/Elektronik im AKM, Claus Dahl / Uwe Prill

Die einfache Modellbahnfunktionssteuerung und ihre Weiterentwicklung

Vorbetrachtung

Der direkte Anlass für die nachfolgende Betrachtung von Modellbahn-Steuerungen ist, dass es trotz der seit drei Jahren existierenden NEM 657, sowie der NEM 604 und 605, keine ernsthaften Anzeichen dafür gibt, zumindest im Bereich der ortsfesten Modellbahn-Zubehöre endlich Voraussetzungen für eine Art übergreifenden Standard zu schaffen. Weichen- und Signalantriebe oder auch die elektronischen und optoelektronischen Komponenten werden nach vom Hersteller bestimmten, nicht aber nach systematischen Gesichtspunkten gestaltet. Die Zubehörsteuerung einschließlich ihrer Stromversorgung wird nicht als System betrachtet, indem Bedien- und Anzeigemodule mit den Antrieben eine Einheit bilden, sondern jedes existiert für sich. Und die Verlegung erforderlicher Leitungen zwischen diesen Elementen bleibt den Anwendern überlassen, was sie dann im Allgemeinen recht und schlecht tun. Diese Fakten behindern die systematische Entwicklung geschlossener Modellbahn-Steuerungen, sie verhindern die Anwendung von Halbleiter-Logikelementen (anstelle der Relaistechnik) und die Anwendung moderner und effektiver Techniken. Da die direkte Einflussnahme auf den Modellbahnbetrieb neben der Fahrstromsteuerung in erster Linie über das Zubehör erfolgt, ist die Schaffung eines Modellbahn-Steuersystems von der Automatisierungsfähigkeit dieser einfachen technischen Zubehöre abhängig. Dies ist auch ein erkennbarer Grund dafür, dass die digitalen Steuersysteme nicht oder nur mit unnötigem Aufwand zu einem vollwertigen Steuersystem entwickelt werden können.

Die Modellbahnfunktionssteuerung

Die einfachste Struktur der Modellbahn-Steuerungen wird durch die zentral angeordneten, durch die vom Bediener (- oder ersatzweise durch Automatiken -) betätigten Stellelemente einschließlich der zugehörenden Anzeigeelemente und der über die Anlage verteilten peripheren Funktionsglieder (die Aktoren und Sensoren der Modellbahn, das sind die ausführenden und meldenden bzw. rückmeldenden Modellbahnobjekte) bestimmt. Die genannten Elemente bilden jeweils die beiden "Endpunkte" jeder einzelnen Funktionssteuerung der Modellbahn. In dieser Ausstattungsstufe ohne zusätzliche Hilfsmittel handelt es sich immer um eine einfache Modellbahnfunktionssteuerung (nachfolgend gekürzt Funktionssteuerung).

Die Funktion der Steuerung (die man sich ähnlich wie ein Seil zwischen den Endpunkten aufgespannt zu denken hat) ist es, die Kommunikation zwischen den beiden Baugliedern, den Endpunkten, zu übernehmen. Wichtiges Merkmal ist ihre von der Anlagengestaltung und dem dargestellten Modellbahnbetrieb abhängige Vielzahl verschiedener und gleicher Funktionssteuerungen. Deshalb werden ihre Stell- und Anzeigeelemente gewöhnlich in einem Komplex, einer zentralen Steuerung (üblicherweise als Gleisbildstellpult bezeichnet), zusammengefasst.

Zur Steuerung dieser Bauglieder werden Steuersignale, die überwiegend auch Energieträger sind, über ein Bündel paralleler Steuerleitungen (auch Bus genannt) ausgetauscht. Dieser Bus besteht durchweg aus einer Anzahl parallel geführter Einzeldrähte. Es ergibt sich die in Bild 1 dargestellte Struktur mit den wesentlichen Funktionen.

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Bild 1 Schema der einfachen Modellbahnsteuerung

Wie wir unschwer erkennen können, bilden die einfachen Steuerungen von Modellbahnfunktionen die Basis aller Modellbahn-Steuerungen. Alle fernsteuerbaren Funktionen beruhen auf dem einfachen Prinzip "hier das Bediengerät und dort die Modellbahnfunktion". Dazwischen befindet sich zur Übertragung der elektrischen Signale das bereits beschriebene Bündel elektrischer Leitungen. Dieses Prinzip beherrscht alle Steuerungen, gleichgültig ob Triebfahrzeuge, Weichen oder andere Funktionen gesteuert werden.

Wo es notwendig ist, zeigen Rückmeldefunktionen den jeweiligen Zustand der gesteuerten Funktion an. Dafür werden zusätzliche Leitungen und Anzeigeelemente benötigt, so wie es beispielsweise für Weichenantriebe bekannt ist. Aber auch für andere Funktionen ist es wichtig, Zustandsmeldungen zu besitzen. Hier sei insbesondere der Besetztzustand von Gleisen erwähnt, eine punkt- oder gleisabschnittsbezogene Meldefunktion, die besonders dem Kollisionsschutz dient. Der Parallelbus dient also der Kommunikation in beiden Richtungen, von der Zentrale zum Funktionsglied und von dieser wieder zurück zur Zentrale. So lässt sich eine ganze Anzahl von Modellbahnfunktionen finden, die alle diese Basisform der Modellbahnsteuerung besitzen. Bild 2 enthält eine Aufzählung der Wichtigsten.

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Bild 2 Wichtige Modellbahnsteuerungen

Bei der Betrachtung der von der Industrie gefertigten Modellbahnprodukte kann allgemein festgestellt werden, dass bei der Gestaltung der Modellbahn-Fahrzeuge und des Zubehörs mit Unterstützung und/oder durch Forderungen der Modellbahner und ihrer Organisationen oft höchste, manchmal schon überspitzte Perfektion erreicht wurde. Die Elemente zu ihrer Steuerung hingegen wurden im Gegensatz dazu nicht oder unzureichend entwickelt. Sicher ist das auch dem, historisch gesehen, anfangs wenig entwickelten, niedrigen Niveau der Steuertechnik geschuldet, vielleicht auch den niedrigen Ansprüchen der Anwender oder weil sie es nicht besser wissen. Inzwischen hat sich aber die Elektrotechnik außerordentlich entwickelt, so dass die bei den einfachen Funktionssteuerungen stehengebliebene Technik die Entwicklung von Steuersystemen außerordentlich behindert.

Es wird nach wie vor mit unterschiedlichen, selten zueinander passenden, also nichtkompatiblen Techniken an den Geräten geklemmt, geschraubt, gelötet, obwohl aus der Elektrotechnik bekannt ist, dass Standard-Schnittstellen (worunter wir umgangssprachlich Steckverbindungen verstehen) und der Einsatz elektronischer Mittel mit Standardsteuersignalen (IC statt Relais) zu wesentlich besseren Lösungen führen. Viele Beziehungen und Verknüpfungen der Funktionen des Modellbahnbetriebes könnten durch den Einsatz einfacher Logikschaltungen schon auf dem sehr niedrigen Steuerungsniveau der Modellbahnsteuerungen gelöst werden, ohne dass man sie digital codiert und über aufwendige Schaltungen bzw. Steuerungen überträgt.

Verschlimmert wird die Situation dadurch, dass andererseits durch die wegen der fehlenden Schnittstellenstandards entstandene Vielfalt nicht zu einander passender Techniken gerade beim hohen Stand vieler elektronischer Lösungsansätze für den Ungeschulten, was für die Menge der Modellbahner zutrifft, unübersehbar wird. Auch die mit so großen Hoffnungen begleiteten digitalen Mehrzugsteuerungen sind von Anfang an so eng konzipiert worden, dass sie die in sie gesetzten Erwartungen nicht erfüllen können und was dazu führte, dass jetzt an ihnen nachgebessert wird. Hier ist vergessen worden, dass der Modellbahn-Betriebsprozess ähnlich dem Vorbild gleisabschnittorientiert ist. Aus unserer Sicht liegt die Ursache dafür in der fehlenden Betrachtung der Modellbahnsteuerung als Gesamtsystem.

Es gibt, wenn man den Elektroniksektor beobachtet, eine Unmenge von Bausätzen, die vorwiegend alle Insel- oder Teillösungen darstellen, leider nicht ohne weiteres in die vorhandene Technik integrierbar sind. Auch haben Modellbahner selbst Lösungsvorschläge entwickelt und veröffentlicht, deren Wirkung aber verpufft, weil alle noch so guten Ideen für den für diese Technik Ungeschulten einfach nicht beherrschbar ist.

Was tun?

Was fehlt ist ein generelles Grundkonzept, das die Voraussetzungen für ein mit mehreren Ausstattungsniveaus ausgeführtes und den Ansprüchen der Modellbahner entsprechendes, zu allen Fahrstromarten kompatibles und alle Betriebsbereiche und -arten umfassendes Steuersystem schafft.

Solch ein universelles Modellbahnsystem mit allen notwendigen Sensoren und Aktoren kann nur funktionieren, wenn alle Komponenten der Steuerung von der Zentrale bis zum letzten peripheren Funktionsglied durch Rahmenbedingungen bestimmt werden, um ihre Kompatibilität untereinander zu erreichen. Wie bei der Computertechnik müssen Leitungen mit einheitlichen Steckverbindern die Baugruppen verbinden und standardisierte Steuersignale zwischen ihnen übertragen..

Der erste Schritt

Der erste Schritt in diese Richtung ist zunächst die Schaffung von Schnittstellenstandards (Normung der Steckverbinder) im Bereich der parallelen Technik, der einfachen Funktionssteuerungen, weil sich hier die speziellen modellbahntypischen Funktionsglieder befinden. Und solange hier keine höhere Effektivität in diesem Bereich der Anwendungstechnik entsteht, solange wird die Konzeption eines geschlossenen Steuersystem erheblich behindert. Auf diesem Niveau können die einfachen Modellbahnanlagen betrieben werden, mit dem Vorteil, dass der Aufbau von Schaltungen gerade für Ungeschulte schon deutlich erleichtert wird..

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Bild 3 Übliche Steuerschaltung für einen Weichenantrieb mit Stellmotor

Als Beispiel für die gegenwärtig übliche Steuerung eines Weichenantriebes mit den in Frage kommenden 4 Schnittstellen in Klemm-, Schraub- oder Lötverbindungen soll Bild 3 dienen. Die Trennung der beiden Pole der 16 Volt-Betriebsspannung stellt neben der Unübersichtlichkeit der Schaltung einen weiteren Nachteil dar und kann zu Verwechslungen oder Kurzschlüssen führen.

Ein nach Bild 4 organisierter Schnittstellenstandard kann die Schaltung übersichtlicher und ihren Aufbau einfacher gestalten. Es muss aber gesichert werden, dass das zentrale Steuer- (oder Schalt- bzw. Stell-) und Anzeigemodul mit dem Funktionsmodul eine Einheit, ein System bildet. Es ist sicherlich empfehlenswert, die Schalt- und Anzeigemodule so zu gestalten, dass eine einem Gleisstellpult angepasste Form entsteht. Auf diese Weise werden die Komponenten der Steuerungen einfach nur ausgewählt und zusammengesteckt (neudeutsch heißt diese Technik "plug and play"). Danach muss es funktionieren, die Computertechnik macht es vor.

Die mittels Strichlinie in Bild 4 eingefügten Umrahmungen deuten die Grenzen eines Schalt- und Anzeigemoduls bzw. eines Weichenantriebsmoduls an. Wichtig ist dabei, dass die Herzstückschnittstelle separat mit extra für den Anschluss zum Weichenherzstück geeigneten Konnektoren (6' - 8') ausgeführt wird. Die drei dargestellten Schnittstellen am Weichenantrieb sind schaltungs- bzw. modulintern so verdrahtet, dass jede Schnittstelle mit vorgefertigten Kabeln sofort in Betrieb genommen werden kann.

Eine weitere wichtige Einzelheit ist außerdem, dass die Stromversorgung konzentriert an einer Schnittstelle erfolgt und aus dem Stell- und Anzeigebus entfernt ist. Es ist heute eine verbreitete Technik, Leistung und Information zu trennen. Die elektrische Leistung wird dort eingespeist, wo sich der entscheidende Energieverbraucher befindet. Ein wichtiger Grund ist, das dadurch eine bessere Ordnung in die Schaltung kommt, was beim Vergleich der Bilder 3 und 4 zu erkennen ist. In Bild 3 werden die Pole der Betriebsspannung räumlich getrennt in der Zentrale und am Weichenantrieb zugeführt, was zusätzlich Fehlerquellen schaffen kann.

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Bild 4 Mit Standardschnittstellen ausgestattete Steuerschaltung für einen Weichenantrieb

Ob die interne Verdrahtung direkt im Weichenantrieb erfolgt oder beispielsweise auf einer Adapter- oder Modulplatine ausgeführt wird, sei in dieser Entwicklungsstufe offen. Auch können ggf. benötigte Hilfsspannungen sehr einfach aus der 16 Volt-Wechselspannung erzeugt werden.

Die eben hier beschriebene Schaltungstechnik modernisiert die Schaltungstechnik der einfachen Funktionssteuerung der Modellbahn in Richtung vereinfachter Anwendung und erhöhter Betriebssicherheit sowie Anwenderfreundlichkeit, bleibt aber auf dem Niveau der einfachen Schaltungen und ist auf Grund seines hohen Fertigzustandes besonders gut für Anfänger und Ungeschulte geeignet. Inwieweit vorhandene Technik nach und nach ersetzt wird, bleibt dem Anwender überlassen. Auch ist es relativ einfach, für die älteren Produkte Adaptermodule einzusetzen.

Der zweite Schritt

Als zweiter Schritt muss nun für die Anwender in Richtung Automatisierung logischerweise die verknüpfbare Funktionssteuerung folgen. Darunter ist zu verstehen, das elektronische Steuer-, Anzeige- und Logikelemente in die Modellbahnfunktionssteuerungen integriert werden.

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Bild 5 Verknüpfbare Funktionssteuerung

Die verknüpfbare Funktionssteuerung, deren Schema in Bild 5 dargestellt ist, führt durch Anwendung logischer Schaltungen (enthalten in integrierten Schaltkreisen als Ersatz für die Relaistechnik) zu einem Standardniveau der Steuersignale (z. B. TTL-Pegel 5 Volt), zur binären Anwendung der Steuersignale und zu der Möglichkeit, einfache Verknüpfungen schon auf dem niedrigen Niveau der Funktionssteuerung zu realisieren. Dazu können auf den Steuer- und Funktionsmodulen Logikschaltungen integriert werden, die zusätzliche Ein- und Ausgänge mit UND- oder ODER-Funktionen zur Realisierung von einfachen Verknüpfungen zwischen bestimmten Funktionsgliedern besitzen.

Unter einfachen Verknüpfungen sind solche Zusammenhänge zu verstehen, wie die Beeinflussung des Einfahrsignals und des Fahrstroms im Signalgleisabschnitt durch den Besetztmelder bei besetztem Gleis. Derartige einfache Verknüpfungen sind bekannt (z. B. als automatischer Block) und wurden in der Vergangenheit durch Relais- oder Kontaktschaltungen realisiert. Eine nicht einfache Verknüpfung ist die Steuerung von Fahrstraßen mit mehreren Weichen und Gleisen. Dagegen ist die Umschaltung des Signales von "grün auf gelb" in Abhängigkeit von der Stellung der dem Signal folgenden Weiche wieder eine einfache Beziehung.

Auf dem Niveau der verknüpfbaren Modellbahnsteuerung ist bei den Funktionsgliedern der Gebrauch von Modulplatinen notwendig, damit die angeführten Logikschaltungen auf diesen Platinen installiert werden können. Es muss ausdrücklich erwähnt werden, dass diese elektronischen Steuer- und Logikschaltungen sowohl an den Funktionsgliedern wie auch an den Stell- und Anzeigemodulen unbedingt erforderlich sind, um jede weitere Automatisierung zu ermöglichen.

Die elektronische Ansteuerung jeder Einzelfunktion der Modellbahn ist unverzichtbarer Bestandteil der Automatisierung!

Andererseits kann jeder Anwender auch auf diesem Niveau der verknüpfbaren Funktionssteuerungen seine Modellbahn betreiben.

Übergang zum seriellen Bus

Die nun vorhandene Ausstattung der Funktionsglieder und die mit dem Parallelbus angeschlossenen, dazu passenden Stell- und Anzeigemodule erlauben den Schritt zum seriellen Datenbus. In Bild 6 sind die notwendigen Ergänzungen eingetragen. Die seriellen Schnittstellen-Module können so gestaltet werden, dass sie direkt auf die parallelen Schnittstellen der Funktionsglieder als Sandwich-Module aufgesteckt werden können, so dass eine Erweiterung zum seriellen Bus auf einfache Weise möglich wird.

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Bild 6 Prinzip der seriellen Übertragung

Das Prinzip der seriellen Steuerung der Funktionsglieder beruht darauf, Steuerbefehle und Meldungen nacheinander zu übertragen. Damit es möglichst wenige Daten-Kollisionen auf dem seriellen Bus gibt, empfiehlt sich die Verwendung eines bidirektionalen Datenbusses, der für jede Richtung ein Leitungssystem bereitstellt und den Ablauf der Steuerung zusätzlich beschleunigt, was insbesondere bei Anwendung sehr vieler Funktionsglieder (Großanlagen) vorteilhaft ist. In Bild 7 ist das Funktionsprinzip dargestellt.

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Bild 7 Serieller Datenbus mit größerer Anzahl angeschlossener Funktionsglieder (E, A = serielle Ein- und Ausgänge, Ziffern = Adressen)

Fazit

Die Entscheidung für einen seriellen Datenbus ist unter den heutigen Bedingungen nicht schwer, da es viele in Frage kommende fertige, kostengünstige industrielle Lösungen gibt. Es ist eigentlich nur eine Auswahl zu treffen, die den Grundsatz der Kompatibilität zur Heimcomputertechnik als die einzige wichtige Bedingung berücksichtigt.

Nicht zu verstehen ist, dass die Modellbahn-Industrie, insbesondere die aus der Elektronikindustrie stammenden Hersteller (die es anders kennen müssten), bisher nicht daran interessiert waren, Vereinbarungen zu einheitlichen Standards zu treffen. Das was in dieser Hinsicht existiert, ist halbherzig angelegt, unsystematisch und unterentwickelt, auch veraltet, wenn man an die Schraub-, Klemm- und Löttechnik denkt. Und Bemühungen der Modellbahner-Verbände (siehe NEM 657, 604 und 605) wurden entweder nicht ernst genommen oder ignoriert. Anträge für andere Lösungsvorschläge wurden aber auch nicht gestellt. Und vergessen wir nicht, dass die Decoder-Schnittstellen NEM 650-654, wenn auch in bestimmten Fragen kritisiert, erhebliche Vorteile für Hersteller und Anwender gebracht haben.

Zusätzlich ist es eine Nötigung der Kunden, wenn sie sich auf Grund der fehlenden Kompatibilität nicht nach objektiven Gesichtspunkten sondern nur für das Produktsystem eines Herstellers entscheiden können. Damit wird die Funktion des Marktes außer Kraft gesetzt und dem Hersteller die Erhöhung der Marktanteile gesichert. Man kann leicht feststellen, dass dies auf dem Sektor der Modellbahnindustrie eine immer noch vorherrschende, aber veraltete Vorgehensweise ist. Hierin mag einer der Gründe liegen, dass technisch nicht gemacht wird, was technisch möglich ist.

Trotz oder wegen der Standardisierung bestimmter Komponenten bleibt unseres Erachtens wie bei der Computertechnik für die Industrie immer genügend Freiraum für die Gestaltung der Produkte sowohl hard- wie auch softwaremäßig. Eine möglichst vereinfachte und sichere Anwendung der Steuertechnik bedingt auch sicher neue Absatzchancen. Und vergessen wir nicht, auf dem mechanischen Sektor der Modellbahntechnik ist die Koordinierung mit Hilfe der Modellbahner und ihrer Organisationen weitgehend gelungen.

Wie sollten nun die Rahmenbedingungen im Bereich der Direktsteuerungen gestaltet werden?

1.   Voraussetzung ist die Schaffung von Standards für Steckverbinder, welche a) für jedes modellbahntypische Funktionsglied festgelegt werden, b) in großen Stückzahlen industriell gefertigt werden, c) zu den Schaltungen passende Steckerbelegungen und d) teilvorgefertigte Komponenten (Meterware Bandleitung und selbstschneidende, selbstmontierbare Steckelemente) besitzen oder konfektionierte Leitungen möglich machen.

2.   Zur Einschränkung der Zahl der notwendigen Leitungen werden die Steuerleitungen binär belegt. D. h. der Wert 0 auf einer Leitung entspricht einer Funktion (z. B. Weichengrundstellung), der Wert 1 der zweiten Funktion (z. B. Weichenstellung abzweigend). Damit kann die Zahl der Steuerleitungen von 4 auf 2 (1 x Weichenstellung, 1 x Rückmeldung) verringert werden.

3.   Die Steuerspannungspegel werden definiert (z. B. als TTL-Pegel 5 Volt). Damit und mit Maßnahme 2 wird der Einsatz von integrierten Logik-Schaltkreisen (IC) möglich, auch als unbedingte Voraussetzung für serielle Steuerungen.

4.   Weitgehende Trennung von Energie- und Steuerströmen, letztere werden leistungsfrei. Die Energieversorgung selbst erfolgt aus der separaten Zuführung von Gleich- und/oder Wechselströmen am Ort des Energieverbrauchers. Bei kleinem Energiebedarf darf die Energie (definierter Maximalstrom erforderlich!) von der Zentrale bzw. Unterzentrale geliefert werden.

5.   Entwicklung eines einfachen Systems der Funktionssteuerungen durch Betrachtung des Funktionsgliedes, dem Stell- und Schaltmodul und der Verbindungsleitung mit Standardschnittstellen als Einheit. Auf diese Weise kann die Übersichtlichkeit der Anlagenbeschaltung entscheidend verbessert werden.

Die hier genannten Forderungen lassen einerseits die Anwendung aller Modellbahnfunktion in allen bekannten Entwicklungs- bzw. Ausbaustufen zu und ermöglichen andererseits die Schaffung eines weitgehend kompatiblen Modellbahn-Steuersystems mit allen in der Abhandlung beschriebenen Eigenschaften. Und noch etwas, die von uns beschriebenen Systemverbesserungen sind nicht von uns erfunden worden, sondern sie sind gängige Praxis in anderen technischen Bereichen.

Es ist zweifellos zu erkennen, dass es der Anstrengungen aller Interessengruppen bedarf, um letztendlich zu einem entsprechenden Ergebnis zu kommen. An der Unterstützung durch die Modellbahner und Ihrer Verbände wird es sicher nicht liegen..

Auswahl der zu modernisierenden elektrischer Schnittstellen von Modelbahn-Funktionsgliedern

1. Gleis und Weichen: Verdeckte, unter dem Gleis zugängliche, steckbare Schnittstellen
2. Weichen- u. Formsignalantriebe: Standardschnittstelle (NEM 657) für Steuer- und Meldesignale, Standardschnittstelle für Stromversorgung und Hilfskontakte
3. Lichtsignale: Standardschnittstelle (NEM 657) für Steuer- und Meldesignale einschließlich Sekundärschnittstelle für Lichtvorsignale, Standardschnittstelle für Stromversorgung
4. Fahrstrommodule: Standardschnittstelle für analoge oder digitale Steuersignale, Standardschnittstellen für Stromversorgung und Ausgang Fahrstrom
5. Melder: Standardschnittstelle (NEM 657) für Meldesignale, Standardschnittstelle für Stromversorgung
6. andere Funktionsträger Standardschnittstelle (NEM 657) für Steuer- und Meldesignale, Standardschnittstelle für Stromversorgung
7. Stromversorgungsgeräte Standardschnittstellen für Stromversorgung der Modellbahn

Über eine interessierte Diskussion, über Anregungen und Beiträge – besonders von Herstellern – freuen wir uns sehr. Bitte richten Sie Ihre e-Mail an Diese E-Mail-Adresse ist vor Spambots geschützt! Zur Anzeige muss JavaScript eingeschaltet sein!

 

Termine

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    02.04.-29.10.2016

    Beginn der Samstagsfahrten

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    Info: www.boehmetal-kleinbahn.de

     
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    Köln-Bonner Eisenbahn-Freunde e.V.

    Info: www.koeln-bonner-eisenbahn-freunde.de

     
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    Tag der offenen Tür

    Köln-Bonner Eisenbahn-Freunde e.V.

    Info: www.koeln-bonner-eisenbahn-freunde.de

     
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