التحكم الرقمي بالأوامر

نظام التحكم الرقمي ( DCC ) هو بروتوكول اتصال موحد للتحكم في نماذج السكك الحديدية . ^{[ 1 ]} وبالتالي، فإن المنتجات المتوافقة مع معايير DCC متوافقة بغض النظر عن الشركة المصنعة، مما يتيح التشغيل البيني بين جميع نماذج السكك الحديدية التي تعمل بنظام DCC. وقد طوّر فريق عمل DCC التابع للجمعية الوطنية لنماذج السكك الحديدية (NMRA) المعايير والممارسات الموصى بها التي تحدد نظام DCC . ^{[ 2 ]} وتعود ملكية العلامة التجارية لشعار DCC إلى الجمعية الوطنية لنماذج السكك الحديدية (NMRA). ^{[ 3 ]}

تتمثل أبرز سمات نظام التحكم الرقمي للقطارات (DCC) في إمكانية التحكم المستقل في قاطرات نموذجية تشغل نفس جزء السكة الحديدية، وذلك عن طريق ترميز إشارة رقمية في شكل الموجة الكهربائية، مما يسمح للقاطرات بالتواصل مباشرةً مع القاطرة المطلوبة. وهذا يختلف عن أنظمة التحكم التناظرية التي تتطلب وجود القاطرات في أجزاء معزولة كهربائيًا من السكة للتحكم بها بشكل مستقل. ولأن القاطرات تتحرك على طول السكة بطبيعتها، فإن التنسيق ضروري لربط جزئي السكة قبل أن تقوم قاطرة بتوصيل ( تقصير كهربائي ) الفجوة بينهما، ولمنع قاطرتين من شغل نفس جزء السكة. في نظام DCC، تتلقى جميع القاطرات نفس الإشارة الكهربائية، لكن كل قاطرة تستجيب فقط للأوامر الموجهة إليها. هذه السمة هي ما يُفسر عبارة "لا يتطلب نظام DCC سوى سلكين" في هذا السياق.

أتاح نظام التحكم الرقمي للسكك الحديدية (DCC) درجة عالية من سهولة النقل والتخصيص والتوسع في مجال تصميم نماذج السكك الحديدية. يستطيع المستخدمون نقل القاطرات وأجهزة التحكم إلى نماذج السكك الحديدية في منازلهم ونواديهم وتجمعاتهم الكبيرة دون القلق بشأن التوافق. كما يمكنهم تخصيص سلوك القاطرات وإعدادات وحدة التحكم حسب رغبتهم. ويستطيع المصنّعون إنتاج مجموعة واسعة من المنتجات ذات الأغراض المختلفة، والتي تضمن توافقها مع المنتجات الأخرى المتوافقة مع المعايير.

كان نظام التحكم الرقمي الأول هو Hornby Railways Zero 1 ، الذي طُرح في منتصف سبعينيات القرن العشرين. أما نظام التحكم الرقمي التالي الذي أصبح متاحًا على نطاق واسع، فقد طُوّر (بموجب عقد مع شركة Lenz Elektronik GmbH الألمانية) في ثمانينيات القرن العشرين لصالح شركتي Märklin و Arnold الألمانيتين المصنّعتين لنماذج السكك الحديدية . ظهرت أولى وحدات فك التشفير الرقمية التي أنتجتها Lenz في السوق مطلع عام 1989 لشركة Arnold ( مقياس N ) ومنتصف عام 1990 لشركة Märklin ( مقياس Z ، ومقياس H0، ومقياس 1 ؛ Digital=). ^{[ 4 ]} انسحبت Märklin وArnold من الاتفاقية بسبب مشاكل تتعلق ببراءات الاختراع، لكن Lenz واصلت تطوير النظام. في عام 1992، قام ستان أميس، الذي ترأس لاحقًا فريق عمل NMRA/DCC، بدراسة نظام Märklin/Lenz كمرشح محتمل لمعايير NMRA/DCC. عندما طلبت لجنة التحكم والقيادة التابعة للجمعية الوطنية لسكك حديد النماذج (NMRA) من الشركات المصنعة تقديم مقترحاتها لمعيار التحكم والقيادة المقترح في التسعينيات، قدمت شركتا ماركلين وكيلر إنجينيرينغ أنظمتهما للتقييم. ^{[ 1 ]} وقد أعجبت اللجنة بنظام ماركلين/لينز، واستقرت على النظام الرقمي في وقت مبكر من العملية. وفي نهاية المطاف، طورت الجمعية بروتوكولها الخاص استنادًا إلى نظام لينز، وقامت بتطويره لاحقًا. وسُمي النظام فيما بعد بالتحكم والقيادة الرقمي. عُرضت أولى الأنظمة التجارية المبنية على نظام التحكم والقيادة الرقمي التابع للجمعية في مؤتمر الجمعية عام 1993، حيث أُعلن عن معيار التحكم والقيادة الرقمي المقترح. ونُشر المعيار المقترح في عدد أكتوبر 1993 من مجلة "موديل ريلرودر" قبل اعتماده.

يخضع بروتوكول DCC لمعيارين صادرين عن الرابطة الوطنية لسكك الحديد (NMRA): يحدد المعيار S-9.1 المعيار الكهربائي، بينما يحدد المعيار S-9.2 معيار الاتصالات . كما تتوفر العديد من وثائق الممارسات الموصى بها.

يُحدد بروتوكول DCC مستويات الإشارة وتوقيتاتها على السكة. ولا يُحدد البروتوكول المستخدم بين محطة التحكم DCC والمكونات الأخرى، مثل أجهزة التحكم الإضافية. توجد معايير احتكارية متنوعة، وبشكل عام، لا تتوافق محطات التحكم من مُصنِّعٍ ما مع أجهزة التحكم من مُصنِّعٍ آخر.

يتكون نظام التحكم الرقمي الأساسي من محطة تحكم واحدة، ووحدة واحدة على الأقل من كل مما يلي: محطة توليد الطاقة، ووحدة التحكم في السرعة، ووحدة فك التشفير. تُعد محطة التحكم ومحطة توليد الطاقة ووحدة التحكم في السرعة أجهزة منفصلة من حيث المفهوم، ولكنها غالبًا ما تُدمج في جهاز واحد متكامل كمنتج للمبتدئين.

• تعمل محطة التحكم كحلقة وصل بين أجهزة التحكم في السرعة وأجهزة فك التشفير. يحتوي أي نظام DCC على محطة تحكم واحدة فقط. لا يحدد أي معيار من معايير DCC بروتوكول الاتصال على شبكة أجهزة التحكم في السرعة، ولذلك، فإن محطات التحكم هي أجهزة تحول الإشارات من شبكة أجهزة التحكم في السرعة إلى ترميز DCC القياسي (دون تضخيم الطاقة). غالبًا ما تتضمن هذه المحطات العديد من الميزات الأخرى التي لا تُعد بالضرورة جزءًا من أي معيار من معايير DCC.
• تعمل محطات الطاقة ^{[ 7 ]} (المعروفة باسم معززات التيار) كمضخمات للتيار ، وتوفر معظم أو كل الطاقة الكهربائية اللازمة لمركبات نظام التحكم الرقمي بالقطارات (DCC) عن طريق تضخيم إشارة التحكم من محطة التحكم. يعتمد عدد محطات الطاقة المطلوبة في نظام DCC على عدد المركبات التي يُراد لها استقبال الأوامر (وبالتالي سحب التيار) من أي محطة تحكم.
• توفر أجهزة التحكم ، سواءً الافتراضية أو المادية، واجهةً للمستخدم للتفاعل مع نظام التحكم الرقمي للقطارات (DCC). تُرسل الأوامر الصادرة من المستخدم عبر جهاز التحكم إلى محطة التحكم ليتم توجيهها إلى أجهزة فك التشفير (أو جهاز تحكم آخر). يعتمد عدد أجهزة التحكم المطلوبة في نظام DCC على عدد المستخدمين المتفاعلين مع النظام. عادةً، لا يستخدم المستخدم أكثر من جهاز تحكم واحد أو اثنين في أي وقت.
• أجهزة فك التشفير هي أجهزة استقبال للأوامر المُرسلة من محطة التحكم. يُخصص لكل جهاز فك تشفير عنوان، ويستجيب فقط للأوامر المُوجهة إلى هذا العنوان، ولذلك يُمكن اعتبارها بمثابة "فك تشفير" للرسائل. بعض أجهزة فك التشفير هي أجهزة إرسال واستقبال ، قادرة على إرسال البيانات إلى محطة التحكم لإعادة توجيهها إلى وحدات التحكم. على الرغم من اسمها، فإن فك تشفير العناوين ليس سوى جزء من وظيفة جهاز فك التشفير. عادةً ما تحتوي أجهزة فك التشفير على دوائر إضافية (مثل تنظيم الطاقة، والتحكم في المحركات، وتوليف الصوت) لأنه بمجرد أن يستقبل الجهاز أوامر مُوجهة إلى عنوانه، يحتاج إلى تنفيذ الأمر المطلوب منه. صُممت أجهزة فك التشفير المتنقلة ليتم تركيبها في مركبة متحركة، مثل قاطرة نموذجية ، وتتحكم في جميع جوانب سلوك المركبة تقريبًا، مثل اتجاه السير، وسرعة السير، وتأثيرات الإضاءة والصوت. تُمكّن أجهزة فك التشفير الملحقة أو الثابتة منافذ الإدخال/الإخراج العامة (GPIO) من تشغيل أي ميزات ثابتة أخرى، مثل المحولات ، والإشارات ، أو أي مشاهد متحركة.

متغير التكوين (CV) هو قيمة مكونة من 8 بتات تُخزَّن في ذاكرة غير متطايرة لجهاز فك التشفير. يسمح كل متغير تكوين للمستخدم بتكوين أو عرض جانب واحد أو أكثر من وظائف جهاز فك التشفير. تُعد برمجة متغيرات التكوين الطريقة الأساسية التي يمكن للمستخدم من خلالها تخصيص جهاز فك التشفير وتكييفه مع احتياجاته. تشمل هذه التخصيصات معاملات PID للمحرك ، وتعيين الجهد للسرعة، وتأثيرات الإضاءة، وتعيين مخرجات الوظائف، والمؤثرات الصوتية، ومستوى الصوت، وسلوكيات أخرى متنوعة. توفر محطات التحكم عادةً إمكانية برمجة متغيرات التكوين باستخدام ذراع تحكم. متغيرات التكوين الوحيدة الموحدة تمامًا (وفقًا لمعيار NMRA S-9.2.2) هي CV1 لعنوان جهاز فك التشفير، وCV7 لإصدار جهاز فك التشفير كما يحدده المُصنِّع، وCV8 لمعرّف المُصنِّع كما تحدده NMRA، وعادةً CV29 لتكوين الحركة الأساسي. جميع متغيرات التكوين الأخرى إما مُوصى بها أو اختيارية وفقًا لتقدير المُصنِّع. ^{[ 8 ]}

تُستخدم الموجة الكهربائية المرسلة إلى أجهزة فك التشفير (عادةً على طول مسار السكة الحديدية النموذجية) كإشارة رقمية وناقلة للطاقة الكهربائية . الطاقة المنقولة هي حاصل ضرب فرق الجهد بين الذروتين في التيار. تحدد الهيئة الوطنية لسكك حديد النماذج (NMRA) قيمة الجهد بناءً على مقياس النموذج . ^{[ 7 ]} تُشفّر البيانات عبر تعديل التردد عن طريق تغيير دورة الموجات المربعة الفردية . يُرمز للرقم الثنائي 1 بـ الفترة الاسمية (المدة) 116 ميكروثانية ، بينما يتم تمثيل الصفر بواسطة aفترة زمنية اسمية تبلغ 200  ميكروثانية . تُشكّل هذه البتات (0 و1) حزمًا تحتوي على مقدمة، وعنوان وحدة فك التشفير المُستقبِلة، وتعليمات، ومجموع اختباري . وبذلك، تُشفّر الإشارة الرقمية بالكامل زمنيًا، وهي مستقلة تمامًا عن جهد الموجة. ولعدم وجود قطبية طويلة الأمد في الموجة، فإن اتجاه حركة مركبة DCC مستقل عن القطبية اللحظية بين القضبان، كما هو الحال في التشغيل التقليدي للتيار المستمر. لا يوجد مرجع أرضي في إشارة DCC، وبالتالي، يمكن استخدام أي من القضيبين كمرجع للآخر. إضافةً إلى ذلك، هذا يعني أن الموجة المربعة التي تبدأ بحافة صاعدة تُفسّر تمامًا كموجة مربعة تبدأ بحافة هابطة، لأن المعلومات الرقمية تُنقل خلال فترة الموجة.

نظام التحكم في تخطيط المسار (LCC)، المعروف سابقًا باسم "NMRANet"، هو معيار تم تقديمه عام 2015 بهدف تخفيف الازدحام على ناقل اتصالات DCC. ^{[ 9 ]} وقد أدى تزايد استخدام أجهزة فك التشفير الثابتة لتحقيق التشغيل الآلي أو الرسوم المتحركة إلى زيادة كبيرة في عدد الحزم مما تسبب في ازدحام على ناقل DCC. ويسعى نظام LCC إلى الاحتفاظ بالاتصالات المتعلقة بالتحكم في المركبات على ناقل DCC ونقل جميع الاتصالات الأخرى إلى ناقل LCC.

تتمثل الميزة الكبرى للتحكم الرقمي في إمكانية التحكم الفردي بالقاطرات أينما كانت على مسار السكة الحديدية. أما في التحكم التناظري، فيتطلب تشغيل أكثر من قاطرة بشكل مستقل توصيل المسار بأقسام منفصلة، ​​يحتوي كل منها على مفاتيح لاختيار وحدة التحكم. بينما يتيح التحكم الرقمي التحكم بالقاطرات من أي مكان.

غالبًا ما تتضمن أجهزة فك تشفير القاطرات الرقمية محاكاة القصور الذاتي، حيث تزيد القاطرة سرعتها أو تنقصها تدريجيًا بطريقة واقعية. كما تقوم العديد من أجهزة فك التشفير بضبط طاقة المحرك باستمرار للحفاظ على سرعة ثابتة . وتتيح معظم وحدات التحكم الرقمية للمشغل تحديد سرعة قاطرة واحدة، ثم اختيار قاطرة أخرى للتحكم في سرعتها بينما تحافظ القاطرة السابقة على سرعتها.

وتشمل التطورات الحديثة وحدات الصوت المدمجة في القاطرات الصغيرة بحجم مقياس N، والتي أصبحت ممكنة بفضل التطورات في الهواتف الذكية ، والتي تميل إلى استخدام مكبرات صوت صغيرة ولكنها عالية الجودة.

تُصبح متطلبات التوصيلات الكهربائية أقل عمومًا مقارنةً بالتصميمات التقليدية التي تعمل بالتيار المستمر. مع التحكم الرقمي في الملحقات، يتم توزيع التوصيلات على وحدات فك التشفير الخاصة بالملحقات بدلًا من توصيلها بشكل فردي بلوحة تحكم مركزية. بالنسبة للتصميمات المحمولة، يُمكن لهذا أن يُقلل بشكل كبير من عدد التوصيلات بين اللوحات - حيث لا تحتاج سوى الإشارة الرقمية ومصادر طاقة الملحقات إلى توصيلات بين اللوحات الأساسية.

يوجد بديلان أوروبيان رئيسيان: نظام Selectrix ، وهو معيار مفتوح لأنظمة السكك الحديدية النموذجية الأوروبية (NEM)، ونظام Märklin Digital الخاص. يوفر نظام Rail-Lynx الأمريكي الطاقة بجهد ثابت للسكك الحديدية، بينما تُرسل الأوامر رقميًا باستخدام الأشعة تحت الحمراء .

وتشمل الأنظمة الأخرى نظام القيادة الرقمية ونظام التحكم في القطارات (Trainmaster Command Control) .

دخلت العديد من الشركات المصنعة الكبرى (بما في ذلك ماركلين، وفليشمان ، وروكو ، وهورنبي ، وباخمان ) سوق أنظمة التحكم الرقمي للقطارات (DCC) إلى جانب الشركات المتخصصة فيها (بما في ذلك لينز، وديجيتراكس، وإي إس يو، وزيمو، وكوهن، وتامز، وإن سي إي، وديجيكيج، وسي في بي برودكتس، وساوند تراكس، وأنظمة التحكم بالقطارات، وزد تي سي). معظم وحدات التحكم المركزية من سيليكتريكس هي وحدات متعددة البروتوكولات تدعم أنظمة التحكم الرقمي للقطارات (DCC) كليًا أو جزئيًا (مثل راوتنهاوس، وستارز، وإم تي تي إم).

• أنظمة التحكم الرقمية لنماذج السكك الحديدية
• قائمة حافلات الشبكة

• وايلد، مايك (أبريل-مايو 2007). "التحكم الرقمي بالقيادة: دليل للمبتدئين". مجلة هورنبي . العدد  1. هيرشام: دار نشر إيان آلان. ص  88-92. الرقم الدولي الموحد للدوريات 1753-2469 . رقم OCLC 226087101 .  
• غرينجر، فيل (يناير 2008). "نظام التحكم الرقمي للقطارات: الطريق إلى الأمام". مجلة نماذج السكك الحديدية . العدد  113. بيتربورو: إيماب أكتيف. الصفحات 40-41 . الرقم الدولي الموحد للدوريات 1369-5118 . رقم OCLC 173324502 .   

• صفحة معايير وممارسات NMRA الموصى بها
• تاريخ شركة دي سي سي على موقع دي سي سي ويكي
• دي سي سي ويكي
• توصيلات كهربائية لنظام التحكم الرقمي بالقطار (DCC)
• DCC-EX - برنامج مركزي مفتوح المصدر لأنظمة التحكم الرقمي للمحتوى (DCC).
• OpenDCC - مشروع مفتوح المصدر لبناء أجهزة فك التشفير ومحطات التحكم الخاصة بك وما إلى ذلك.