Intelligente Bewegungssteuerung für die Fahrtreppen-Zukunft

Neue Technologien versprechen einen neuen Standard bei Fahrtreppeneffizienz, Energieeinsparung, Sicherheit und Komfort.

von Christian-Erik Thöny und Ruan WeiMin
Dieses Papier wurde präsentiert bei ElevcoN  Madrid 2016, International Congress on Vertical Transportation Technologies, und erstmals im IAEE-Buch veröffentlicht Aufzugstechnik 21, herausgegeben von A. Lustig. Es handelt sich um einen Nachdruck mit Genehmigung der International Association of Elevator Engineers  Iaee (Website: www.elevcon.com).

Fahrtreppen sind ein wichtiger Bestandteil der Infrastruktur. Um Energie zu sparen, wird die Geschwindigkeit von Fahrtreppen reduziert oder die Bewegung in verkehrsarmen Zeiten gestoppt. In solchen Fällen ist die zuverlässige Erkennung von Fahrgästen, die die Rolltreppe benutzen wollen, selbstverständlich. Eine revolutionäre Time-of-Flight-(TOF)-basierte Sensorlösung, berührungslos und verschleißfrei, sorgt für eine zuverlässige Erkennung von Personen, unabhängig von der getragenen Kleidung. Darüber hinaus ermöglicht der Einsatz einer TOF-Technologie auf Basis des TOFstart-Sensors den Umgang mit Querverkehr oder gar Menschenmengenüberwachung, was die Effizienz steigert und gefährliche Situationen verhindert.

1. Einleitung

Fahrtreppen spielen eine wesentliche Rolle in der Massenbewegung von Menschen. Diese Rolle nimmt aufgrund der fortschreitenden Urbanisierung in Städten und Ballungsräumen mit dem Wachstum öffentlicher Gebäude, Einkaufszentren und Verkehrseinrichtungen kontinuierlich zu.

Innerhalb von 20 Jahren wird sich das Stadt-Land-Verhältnis grundlegend verändert haben, von 45% der in Städten lebenden Menschen (1998) auf 55% (Abbildung 1) in städtischen Gebieten im Jahr 2018. Dieser Prozess wird sich für die vorhersehbare Zukunft.

Es ist offensichtlich, dass diese Änderung erhebliche Verbesserungen in Bezug auf Energieeffizienz, Überwachung, Sicherheit, Leistung und genaue Steuerung aller Arten von Maschinen erfordert, die an der Personenbewegung beteiligt sind. Dies gilt insbesondere für Rolltreppen, die täglich Massen von Menschen bewegen. Aus diesem Grund investieren Aufzugs- und Fahrtreppenhersteller erheblich in Forschung und Entwicklung.

Sensoren sind die allgegenwärtige Voraussetzung und Informationsbasis für jede Steuerungsfunktion. Einerseits nimmt die Zahl der Maschinen ständig zu, andererseits muss auch die Leistungsfähigkeit solcher Maschinen drastisch verbessert werden. Infolgedessen wächst die Nachfrage nach Sensoren schneller als die meisten anderen Komponenten der Branche.

 Der Gesamtmarkt für Sensoren, der alles von mechanischen bis hin zu Radartypen abdeckt, wird in Kürze auf eine Größenordnung von 200 Milliarden Euro (213.5 Milliarden US-Dollar) anwachsen.

Das Wachstum optoelektronischer Sensoren in diesem Markt ist überproportional. Im Jahr 2006 waren es etwa 25 %; 2016 waren es über 30 %.

Ein wichtiger Treiber für das Wachstum optikbasierter Sensoren ist sicherlich die deutlich gestiegene Intelligenz. Im Gegensatz zu anderen Verfahren liefern diese Sensoren mehrachsige Daten. Dies umfasst viel mehr (verdichtete) Informationen zur intelligenten Steuerung und Überwachung von Maschinen.

Fahrtreppen, seien es Einzelanlagen oder kombinierte Multilevel-Cluster (Abbildung 3), beinhalten viele Steuerungs- und Überwachungsfunktionen.

Der Endanwender kann viel Energie sparen und den größten Nutzen aus seinen People-Movement-Maschinen ziehen, wenn die Intelligenz der Fahrtreppensteuerung auf dem neuesten Stand der Technik ist.

CEDES hat zusammen mit einem großen Fahrtreppenhersteller eine neue Generation von Steuerungen entwickelt, die ein weiteres Maß an Effizienz und Energieeinsparungen ermöglichen.

2. Rolltreppen-Start- und Stoppsensor TOF/EsPDS

Fahrtreppen nach dem neuesten Stand der Technik müssen so gestartet und gestoppt werden, dass möglichst wenig Energie verbraucht wird und gleichzeitig eine Leistung erbracht wird, die den höchstmöglichen Ertrag generiert. Dies kann nur durch ausreichende und intelligente Daten von intelligenten Sensoren erfolgen. Der kompakte, disruptive TOF-Mehrachsensensor von CEDES, der TOF/EsPDS (Abbildung 4), liefert diese Intelligenz bei der erforderlichen Bildrate.

Der TOF/EsPDS-Sensor sendet moduliertes Nahinfrarotlicht (Wellenlänge 850 oder 940 nm) aus, das von einem Objekt reflektiert wird. Das Objekt kann entweder ein Mensch oder ein fester Pfosten oder eine Schiene sein. Da es sich nicht nur um einen einzelnen Strahl handelt, sondern um viele Strahlen, die eine definierte Fläche abdecken, kann eine intelligente Berechnung durchgeführt werden. Vor der Rolltreppe wird nämlich ein „virtueller Teppich“ definiert ausgebreitet.

Der Sensor (Abbildung 5) ist kompakt (52 x 44 x 34 mm) und passt an jeden geeigneten Montageort an der Rolltreppe. Der Erfassungsbereich ist vielseitig und groß genug, um den Platzbedarf für die adäquate Abwicklung des Personenverkehrs abzudecken.

2.1. TOF/EsPDS-Startfunktion

Das TOF/EsPDS erkennt beabsichtigte Fahrgäste, die sich einer Rolltreppe nähern. Es startet die energiesparende Schlaffahrtreppe und beschleunigt sie rechtzeitig, damit sie bequem und sicher einsteigen können. Nach einer festgelegten Zeit geht die Rolltreppe wieder in den Schlafmodus.

Feste Hindernisse wie Schienen und Pfosten können beim Kalibriervorgang einfach ausgeblendet werden. Damit ist der aktive Bereich (Bild 6) klar definiert und die Funktion darauf beschränkt.

Aufgrund des mehrachsigen Datenvolumens ist die Startfunktion intelligenter als nur ein Start und Stopp bereitzustellen. Querverkehr (vorbeigehende Personen, die die Rolltreppe ständig auslösen) beeinträchtigt die Effizienz der Rolltreppe erheblich. Das TOF/EsPDS ist in der Lage, den Laufvektor von Personen zu erkennen, dh es kann „sehen“, ob der potenzielle Fahrtreppenpassagier beabsichtigt, darauf zu treten oder nicht. Magie? Nein, der Sensor verwendet viele Strahlen, um die dynamische Position und damit die Richtung der gehenden Person zu erkennen (Abbildung 7).

Die aktiven Bereiche (Abbildung 7) sind definiert und können nach der Installation zum Teil sogar angepasst werden, was ein Höchstmaß an Flexibilität bietet.

2.2. TOF/EsPDS Crowd Monitoring und Stoppfunktion

Waren Sie schon einmal in einer gefährlichen Situation, in der Sie gerade mit Ihrem Gepäck die Rolltreppe verlassen haben, nur um in einer stauenden Menschenmenge gefangen zu sein? Die Rolltreppe steht nicht still und transportiert immer mehr Menschen mit ihren Koffern und Sportgeräten wie Skiern. Stellen Sie sich vor, niemand drückt den Notrufknopf oder es ist zu spät dafür. Überlegen Sie, was kleinen Kindern in diesem Stau passieren könnte.

Derselbe Sensor, der am Ende der Rolltreppe montiert ist (Abbildung 8), erkennt, dass sich die Menschenmenge nicht mehr bewegt und bremst sicher ab und stoppt die Rolltreppe rechtzeitig. Dadurch wird sichergestellt, dass niemand verletzt oder unangenehm geschoben wird. Diese Funktion erhöht die Sicherheit und den Komfort einer Fahrtreppe.

Wenn sich Gegenstände normal von der Rolltreppe entfernen, wird der Ausgang nicht ausgelöst.

Steigt die Anzahl der Personen im Erfassungsfeld und verlangsamt sich der Personenfluss (Stau), wird ein definierter Ausgang ausgelöst (gepulst).

 Sogar eine Verlangsamung des Verkehrs kann erkannt werden, was eine Verlangsamung der Rolltreppe selbst auslöst.

Die neue TOF-Technologie und die Art und Weise, wie das TOF/EsPDS in das System integriert ist, sorgen für ein einzigartiges Maß an Kompaktheit. Viele Funktionen sind in den Imager-Chip integriert, der die Basis für eine begrenzte Anzahl von Komponenten bildet. Das bedeutet, dass die Kosten des Systems im Vergleich sehr gering sind und angesichts seiner hochintelligenten Funktionalität unerreicht sind.

Es besteht Spielraum, eine erweiterte Funktionalität zu realisieren. Mit solchen Multibeam-Sensoren kann auch erkannt werden, ob die Fahrtreppe leer ist und das System sicher und viel früher in einen Schlafmodus versetzen. Die Energieeffizienz wird nochmals gesteigert. Darüber hinaus können durch den Einsatz solcher Sensoren zusätzliche vorbeugende Wartungs- und Sicherheitsfunktionen integriert werden. Wenn Rolltreppenstufen fehlen, kann es zu schweren Unfällen kommen. Solche Sensorsysteme können diese potenziell tödlichen Situationen erkennen.

Alles in allem bringen solche neuen Technologien Fahrtreppen einen neuen Standard in Bezug auf Effizienz, Energieeinsparung, Sicherheit und Komfort.

2.3. Erkennung von TOF/EsPDS-Kindern

Wie in Abschnitt 2.2 erwähnt, ist am Ausgangsende der Rolltreppe ein TOF/EsPDS-Sensor installiert, um eine Menschenmengenerkennung durchzuführen. Am Ausstiegsende geht der Handgurt in die Hauptstruktur der Fahrtreppe. Wenn Kinder in diesem Bereich spielen (Abbildung 9) besteht eine erhebliche Gefahr, dass Finger und Hände zwischen dem beweglichen Handgurt und der Fahrtreppenstruktur eingeklemmt werden.

TOF/EsPDS berechnet Abstandsinformationen für jedes Pixel im Erkennungsfeld. Kinder, die in unmittelbarer Nähe des Sensors spielen (wo sich auch der Eintritt des Handgurtes in die Fahrtreppenstruktur befindet) können erkannt und ein entsprechender Ausgang ausgelöst werden. Über diesen Ausgang kann eine akustische Warnung, Verlangsamung und/oder Stopp der Fahrtreppenbewegung erfolgen.

3. Rolltreppen-Sichere Regelung im geschlossenen Regelkreis

3.1. Anforderungen an Normen

Gemäß EN 115-1: 2008 + A1: 2010 und GB 16899-2011 müssen Fahrtreppen mit elektrischen Sicherheitseinrichtungen/-funktionen für überhöhte Geschwindigkeit und unbeabsichtigte Fahrtrichtungsumkehr ausgelegt sein. Stillstand (Geschwindigkeitsverlust) oder Rückwärtslaufüberwachung kann auftreten, wenn der Antriebsmotor und das Untersetzungsgetriebe plötzlich an Leistung verlieren, die Antriebskette reißt/verschiebt oder die Fahrtreppe unter der Schwerkraft der darauf befindlichen Fahrgäste rutscht.

3.2. Steuerung der Antriebswelle

Höchste Zuverlässigkeit für eine Regelung bietet die Positionsanzeige des Sensors direkt am Kettenrad, das formschlüssig mit der Antriebskette verbunden ist. Auf das Ergebnis hat kein Getriebeschlupf Einfluss und die Regelgröße wird direkt als Stellgröße für die Regelung verwendet.

Um die oben genannten Probleme zu lösen, sollte eine Geschwindigkeits- und Richtungsüberwachung an der Hauptachse oder den Stufen ausgelegt werden. Die starke axiale Schwingung der Hauptachse macht jedoch den Einbau eines Encoders unmöglich. Daher wird das EsAPS-Produkt benötigt, um Geschwindigkeits- und Richtungsüberwachung an der Hauptachse/Stufen von Fahrtreppen bereitzustellen (Abbildung 10).

Das EsAPS nimmt ein Bild des an der Hauptachse der Fahrtreppe montierten Codebandes auf, analysiert das Bild, ermittelt die absolute Position und Geschwindigkeit und sendet die Werte über CAN an die Fahrtreppensteuerung (Abbildung 11). Die Geschwindigkeit wird durch das Filtern mehrerer Positionen über die Zeit bestimmt.

3.3. Codierung der Position

Ein 2D-Code besteht aus 30 quadratischen Feldern. Die Felder sind in 10 Spalten und drei Zeilen angeordnet. Die äußersten Spalten werden als Kennungsbereiche verwendet und die Spalten dazwischen (in Abbildung 12 blau markiert) enthalten die Positionsdaten. Die Kennungsbereiche dienen zum Auffinden eines einzelnen 2D-Codes aus vielen benachbarten 2D-Codes sowie zur Unterscheidung mehrerer benachbarter 2D-Codes.

Die 24 Datenfelder im Datenbereich enthalten die wesentlichen Informationen, den Positionscode. Da die maximale Länge des EsAPS-Codebands 765 mm beträgt und ein Codebereich 3 mm lang ist, werden 255 Positionscodes benötigt. Ein Positionscode muss daher aus mindestens acht Codefeldern (Bits) bestehen, um die Informationen zu tragen. Da ein Datenbereich aus 24 Feldern besteht, kann der Positionscode zur Erhöhung der Robustheit dreimal in den Codebereich passen (Abbildung 12).

Der Sensor macht alle 5 ms ein Bild vom Codeband. Ein Bild erfasst je nach Abstand des Sensors zum Codeband sechs bis acht Reihen. Dadurch wird sichergestellt, dass in jedem Sensorbild ein vollständiger Codebereich enthalten ist. Sobald der Positionscode dekodiert ist, wird er mit drei multipliziert, um Millimeter als Einheit zu erhalten.

Danach wird der Offset des Codebereichs im Sensorbild ausgewertet und addiert und dann von der erfassten Millimeterposition abgezogen. Der Wert wird dann in 0.5 mm Auflösung an die nachgeschaltete Verarbeitungseinheit übertragen.

4. Zusammenfassung und Fazit

Nach Jahren der Kostensenkung und der Realisierung von Skaleneffekten zeigt sich, dass Fahrtreppen als wirklich wichtige Infrastrukturkomponenten intelligenter geworden sind. Ziele sind eindeutig, Energie zu sparen und Unfälle zu vermeiden. Die Anwendung von TOF/EsPDS hilft, eine Fahrtreppe mit voller Geschwindigkeit zu fahren, wenn dies wirklich erforderlich ist, stellt aber gleichzeitig sicher, dass Fahrgäste früh genug erkannt werden, um sicherzustellen, dass die Fahrtreppe mit voller Geschwindigkeit fährt, wenn die Fahrgäste die Stufen erreichen. Da TOF/EsPDS mit hoher Bildrate Distanzinformationen des erfassten Feldes zur Verfügung stellt, können zusätzliche Funktionen wie Stauerkennung, Richtungssensitivität oder Erkennung spielender Kinder in unmittelbarer Nähe des Handgurteinstiegs realisiert werden.

Mit einem EsAPS lässt sich die Geschwindigkeit und Fahrtrichtung der Fahrtreppen genau dort messen, wo es am besten ist, nämlich an der Hauptachse.

Dies kann durch das berührungslose Messprinzip von EsPDS ermöglicht werden, wodurch Probleme vermieden werden, die bei der Installation von Encodern an dieser Position auftreten. Weitere Einflüsse durch Schlupf oder Bremsen des Kettenrades haben keinen Einfluss mehr.

Daher erhöhen sowohl TOF/EsPDS als auch EsAPS die Sicherheit und den Komfort für Fahrtreppenpassagiere und Monteure erheblich.

Danksagung von Christian-Erik Thöny

Die Arbeit bei CEDES ist toll, was die Teamarbeit angeht. Daher habe ich eine enorme Unterstützung und Inspiration durch den Gründer von CEDES, Beat DeCoi, genossen, der viel Know-how in optisch-basierten Sensoren bündelt. Er führt diese Branche zu neuen Grenzen und verändert die Welt in Bezug auf industrialisierte TOF-Halbleitertechnologien und Sensorkomponenten. Das Managementteam von CEDES ermöglicht die Umsetzung der TOF-Technologie in viele Anwendungen im Bereich Aufzüge, Fahrtreppen, Türen, Tore, Robotik und Lagerverwaltung. Vielen Dank an meine Frau Luzia, die Mitglieder des Managementteams von CEDES, Ruan WeiMin und alle Kunden, die das Team und mich unterstützt haben, um weiterhin hervorragende Ergebnisse zu erzielen.

Referenzen
[1] INTECHNO CONSULTING Basel (2012); Weltbericht Sensormärkte 2016.
[2] SCHINDLER; Frankie Schmid (2014): Ein Blick in die Zukunft 2014.
[3] CEDES (2015); diverse technische Unterlagen und Broschüren.
[4] SHANGHAI MITSUBUSHI ELECTRIC CORP. (2015): Technische Spezifikationen.
Christian-Erik Thöny und Ruan WeiMin

Christian-Erik Thöny und Ruan WeiMin

Christian-Erik Thöny ist seit drei Jahren Vorstandsvorsitzender der CEDES AG. Der Hauptsitz befindet sich in der Schweiz und die Tochtergesellschaften von CEDES sind auf der ganzen Welt verteilt. Er schloss sein Studium als Master of Science in Mechanical Fine Precision and Software Engineering ab. Er absolvierte zusätzliche Studien in Advanced Management und Economics, wie zum Beispiel am INSEAD, Fontainebleau. Er hat weitreichende Erfahrungen in der Halbleiterautomation, Aufzug (mehr als 15 Jahre), Automotive und Baumaschinen. Er ist Mitglied in Industrieverbänden und gemeinnützigen Organisationen.

Ruan WeiMin ist Vice President von Shanghai Mitsubishi Elevator Co. Ltd. und verantwortlich für die allgemeine Leitung der Technologieentwicklung, Produktion und Logistik des Unternehmens. Als technischer Leiter von Shanghai Mitsubishi Elevator, einem Unternehmen, das jährlich 70,000 Aufzüge herstellt, ist Ruan WeiMin auch der eingetragene Wissenschaftsspezialist der Shanghai Electric Group, stellvertretender Vorsitzender des SAC/TC 196 (National Technical Committee 196 on Elevators of Standardization Administration of China) und ein registrierter technischer Spezialist und Pionier in Shanghai.

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