Systemanalyse- und Architekturmethoden zur Förderung innovativer elektrischer Systeme

System-Analyse-und-Architektur-Methoden-to-Drive-Innovative-Electrical-Systems
Abbildung 1. Busstruktur
von Daryl J. Marvin, Dang V. Nguyen, Peter Herkel und Dirk H. Tegtmeier
Dieses Papier wurde präsentiert bei ElevcoN  Paris 2014, International Congress on Vertical Transportation Technologies, und erstmals im IAEE-Buch veröffentlicht Aufzugstechnik 20, herausgegeben von A. Lustig. Es handelt sich um einen Nachdruck mit Genehmigung der International Association of Elevator Engineers  Iaee (Webseite: www.elevcon.com). Dieses Papier ist ein exakter Nachdruck und wurde von nicht bearbeitet ELEVATOR WORLD.

ABSTRACT

Wenn sich Anforderungen, Einschränkungen oder Kundenerwartungen ändern, kann dies einen erheblichen Einfluss auf die gewünschte Konfiguration des elektrischen Aufzugssystems haben. Diese Veränderungen können das Ergebnis globaler oder regionaler Trends (z. B. Umweltsensibilität), neuer grundlegender Systemanforderungen (z. B. Superhochhäuser), Codes (z. B. programmierbare elektronische Sicherheit) oder technologischer Fortschritte sein. Durch den richtigen Einsatz von Systemanalyse- und Architekturmethoden können innovative elektrische Systemdesigns erreicht werden, die die Kundenerwartungen erfüllen und übertreffen.

Die Ergebnisse dieses Prozesses werden anhand mehrerer Fallstudien veranschaulicht.

  1. Super hohes elektrisches System
  2. Optimierte maschinenraumlose Architektur
  3. Batteriebetriebener Aufzug

1. EINFÜHRUNG

Die elektrische Systemarchitektur eines Aufzugsprodukts ändert sich, wenn sie einmal eingerichtet ist, typischerweise nicht schnell. Da sich Anforderungen und Kundenbedürfnisse im Laufe der Zeit entwickeln, besteht der traditionelle Ansatz darin, diese Änderungen schrittweise einzuführen, um neuen Marktanforderungen gerecht zu werden.

Während dieser Ansatz von unten nach oben risikoarm ist und Schnittstellenänderungen minimiert, sind die resultierenden elektrischen Systemarchitekturen und Produkte tendenziell suboptimal.

Die alternative Methode besteht darin, das elektrische System nach einem „Top-Down“-Ansatz zu entwerfen. Dieser Ansatz führt zwar zu Produkten mit einem deutlich erhöhten Wert für den Kunden, erfordert jedoch einen strukturierteren und analytischeren Prozess zur Architektur des Systems.

In den folgenden Abschnitten dieses Dokuments werden Methoden und Werkzeuge zusammengefasst, die für den Architekturprozess elektrischer Systeme nützlich sind. Darüber hinaus werden drei entstandene Aufzugselektriken als Fallbeispiele im Detail untersucht.

2. METHODEN UND WERKZEUGE

Es gibt viele strukturierte Methoden und Werkzeuge, die bei der Erstellung einer gewünschten Architektur helfen. Grundsätzlich vertreten diese Methoden einen systematischen Ansatz gegenüber einem empirischen Ansatz des Designs. Einige der wichtigsten Schritte dieser Methoden sind:

  • Verständnis der Bedürfnisse wichtiger Stakeholder

– Reiten in der Öffentlichkeit

– Bauherren

- Generalunternehmer

– Code-Behörden

  • bestimmen Funktionale Anforderungen aus Kundenbedürfnissen
  • Funktionale Zersetzung zur Identifizierung detaillierterer funktionaler Anforderungen des Systems
  • Funktionelle Synthese Funktionen nach bestimmten Kriterien zu gruppieren
  • Funktionelles zu physisches Mapping um Funktionen physischen Einheiten zuzuordnen

Eine zentrale Idee des obigen Ansatzes ist zu denken funktional beim Entwerfen von Produkten (Suh 2001). Dies wird dazu beitragen, die Kundenbedürfnisse in eine Reihe von Spezifikationen oder funktionalen Anforderungen umzuwandeln. Die funktionalen Anforderungen sind „was wir erreichen wollen“, und der Akt des Entwurfs besteht darin, diese auf Entwurfsparameter im physikalischen Bereich abzubilden („wie werden wir es erreichen“).

Ein weiteres hervorstechendes Merkmal von Entwurfsmethoden ist, dass sie prinzipienbasiert sind. Das heißt, es existieren allgemeine Prinzipien oder Axiome, die auf den Entwurf guter Architekturen angewendet werden können. Ein Beispiel hierfür ist das Unabhängigkeitsaxiom und das Informationsaxiom (Suh 2001). Das Unabhängigkeitsaxiom besagt, dass die Designlösung die Unabhängigkeit von den funktionalen Anforderungen bewahren muss. Ein Entwurfsparameter im physikalischen Bereich, der eine funktionale Anforderung erfüllt, kann eine andere funktionale Anforderung nicht beeinflussen.

Das Informationsaxiom besagt, dass der Informationsgehalt des Designs minimiert werden sollte. Eine andere Möglichkeit, dieses Axiom, wie es auf den obigen Funktionssyntheseschritt angewendet wird, zu betrachten, besteht darin, Funktionen so zu gruppieren, dass die Schnittstelle zu anderen Funktionsgruppierungen minimiert wird. Für mehrere Designs, die das Unabhängigkeitsaxiom erfüllen, wird dasjenige, das auch das Informationsaxiom erfüllt, als das beste Design angesehen.

Der Prozess der funktionalen zu physischen Zuordnung sollte auch zusätzliche physische Anforderungen des Systems berücksichtigen, wie z um das Systemziel zu erreichen.

Zum Beispiel ist es in einem elektrischen System eines Aufzugs üblich, dass funktionsbezogene Gegenstände (wie etwa Aufzugsbedarfsvorrichtungen und der Dispatcher) an physisch unterschiedlichen Orten sein müssen. Es gibt dann zusätzliche funktionale Anforderungen für zusätzliche Kommunikations- und Stromanschlüsse.

Die oben beschriebenen Methoden werden durch den Einsatz verschiedener computerbasierter Werkzeuge in der Analyse und Modellierung ergänzt. Wie im Fall von Super High Rise Electrical System veranschaulicht, ist eine Modellierung erforderlich, um die Systemleistung aufgrund der radikalen Änderung in der Kommunikationsarchitektur des elektrischen Systems zu bewerten. Darüber hinaus ist der Bau eines physischen Prototyps des vollständigen Systems aufgrund der großen Anzahl von Knoten nicht möglich

3. FALLSTUDIEN

3.1 Super High Rise elektrisches System

3.1.1-Herausforderung

Bei hohen Aufzugsanlagen ist die Komplexität des elektrischen Systems sehr hoch. Die Kombination aus erhöhter Gruppengröße, erhöhter Höhe/Anzahl der Stockwerke und Geschwindigkeit stellen erhebliche Herausforderungen dar, insbesondere da die Höhe der höchsten Gebäude der Welt ständig zunimmt. Einige dieser Herausforderungen sind:

  • Gewicht und damit verbundener Systemeinfluss des Hängekabels
  • Anzahl der Teilnehmer und Gesamtlänge der Kommunikation zu Halleneinrichtungen und Sicherheitseinrichtungen (zB Türschlösser)
  • Komplexität von Wartung und Service mit Größe und Umfang des Gesamtsystems
3.1.2 Technischer Ansatz

In traditionellen elektrischen Aufzugssystemen sind diskrete Schnittstellen immer noch die vorherrschende Methode der Signalisierung, insbesondere wenn es sich um sicherheitsrelevante Informationen handelt. Jüngste Fortschritte im Aufzugscode (programmierbare elektronische Sicherheit) und Technologie (kostengünstige Buskommunikationsschnittstelle) haben die Implementierung einer CAN-Bus-basierten Architektur ermöglicht, um diskrete Drähte für sicherheitsrelevante Signale zu eliminieren. Während dieser Ansatz Vorteile bei der Lösung einiger der oben aufgeführten Herausforderungen bietet, hat die busbasierte Architektur aufgrund gemeinsamer Verarbeitungs- und Kommunikationsressourcen potenzielle Auswirkungen auf die Signalverzögerung und die Systemleistung.

Abbildung 1 zeigt eine Teilmenge der Busstruktur, die verwendet wird, um sowohl sicherheitsbezogene als auch nicht sicherheitsbezogene Nachrichten innerhalb des elektrischen Systems zu übertragen. Das Safety Interface Board an der Aufzugskabine sammelt und verarbeitet alle diskreten sicherheitsrelevanten Signale an der Kabine und überträgt sie an das Safety Subsystem in der Steuerung. Das Sicherheits-Subsystem in der Steuerung qualifiziert alle sicherheitsbezogenen Signale, bevor es sie an alle anderen Module sendet.

Auch alle anderen nicht sicherheitsrelevanten Module, wie die Lastwägung und der Controller, kommunizieren über denselben CAN-Bus. Für den erfolgreichen Einsatz einer solchen elektrischen Systemlösung ist es entscheidend, die Auswirkungen der Übertragung von sowohl sicherheitsbezogenen als auch nicht sicherheitsbezogenen Nachrichten auf demselben physischen Bus beurteilen zu können.

3.1.3 Kritische Analyse

Ein Rahmen für die Analyse und Untersuchung der Kommunikationssystemarchitektur wurde entwickelt, um die Leistung kritischer Parameter des elektrischen Hochhaussystems zu bewerten (Ferrari 2012). Das Framework besteht aus einer ereignisbasierten Simulationsumgebung, die mit SystemC entwickelt wurde, Bibliotheken von Hardware- und Software-Kommunikationskomponenten, Werkzeugen zum Importieren von Anwendungsmodellen aus MatLab® und Mitteln zum Definieren und Konfigurieren der Systemtopologie.

Die Modelltopologie des Car-CAN-Busses und des Drive-CAN-Busses ist in Abbildung 2 dargestellt. Jedes Modul enthält eine Sammlung von Funktionselementen, die das Anwendungsverhalten (FUNC_NODE), CAN-Stack (CAN_Stack), CAN-Treiber (CAN_Driver) und CAN-Controller-Hardware darstellen (CAN_Controller). Neben den einzelnen Modulen wird auch jeder CAN-Bus als Funktionselement modelliert und die Anbindung an den CAN-Bus von jedem Modul aus vom Anwender definiert. Andere Parameter, die vor der Ausführung des Modells definiert werden, umfassen die CAN-Bus-Geschwindigkeit, Eingabestimuli (Autorufe), die Nachrichtenankunftsrate und die Nachrichtentotlinie.

Das Modellierungs-Framework ermöglicht eine flexible Möglichkeit, verschiedene Systemarchitekturkonfigurationen und Netzwerktopologien zu untersuchen. Die Simulation von tatsächlichen Aufzugsbusnachrichten ermöglicht eine quantitative Bewertung von Architekturentscheidungen. Darüber hinaus kann die Grenze des Systems durch Modellieren der steigenden Fahrgeschwindigkeit und des Gebäudeanstiegs (längere Buslänge) abgeschätzt werden. Die Nachrichtenankunftsraten werden mit zunehmender Fahrkorbgeschwindigkeit erhöht, was zu einer höheren Busauslastung führt.

Während der anfänglichen Entwicklung zeigte die Simulation potenzielle Probleme mit Warteschlangenüberlauf und verworfenen Nachrichten. diese Probleme wurden dann mit Labordaten bestätigt. Nachfolgende Änderungen an der Konfiguration des Messaging-Frameworks, die diese Probleme lösten, wurden dann unter Verwendung desselben Modellierungs-Frameworks vorgenommen und evaluiert und anhand von Labordaten verifiziert.

3.1.4 Kundenvorteile

Durch die Implementierung von Sicherheitsfunktionen in Software und die Verwendung einer Netzwerktopologie für die Kommunikation von sowohl sicherheitsbezogenen als auch nicht sicherheitsbezogenen Informationen wurden viele Vorteile realisiert. Die deutliche Reduzierung der diskreten Verkabelung ermöglichte ein geringeres Hängekabelgewicht, was viele vorteilhafte Auswirkungen auf das System hat, einschließlich einer geringeren Antriebsleistung und der daraus resultierenden höheren Energieeffizienz des Systems. Die in einer Solid-State-Sicherheitskette verwendeten Komponenten mit höherer Zuverlässigkeit verbessern die Systemverfügbarkeit. Es wurden auch zusätzliche Funktionen implementiert, die das Umgehen von Geräten gut kontrollierbar machten. In diesem System werden diese „intelligenten Jumper“ über eine Software implementiert, die von Natur aus kurzlebig ist und daher nicht versehentlich an Ort und Stelle gelassen werden kann. Ein Modellierungsrahmen bot die Möglichkeit, kritische Leistungsparameter zu modellieren und zu simulieren, wodurch eine solche elektrische Systemarchitektur effektiv entworfen und mit hoher Zuverlässigkeit und Zuverlässigkeit geliefert werden konnte.

3.2 Optimierte maschinenraumlose Architektur

3.2.1-Herausforderung

Maschinenraumlose Aufzüge sind der wichtigste Markt in Europa für den Low- und Mid-Range-Bereich. Die Steuerungsarchitektur vieler Aufzüge basiert noch immer auf der Architektur, die ursprünglich für Aufzüge mit Maschinenraum konzipiert wurde. Obwohl Modifikationen vorgenommen wurden, um den zusätzlichen Anforderungen von maschinenraumlosen Aufzügen gerecht zu werden, konnte die Steuerungsarchitektur nicht mit den geänderten Anforderungen Schritt halten, die die Kunden heute stellen:

  • Keine ästhetische Wirkung der Eingänge
  • Erhöhte Nutzung des Schachtraums
  • Empfindlichkeit für Stromverbrauch
  • Fähigkeit in Blackout-Situation
3.2.2 Gegenwärtige Situation

Die Bedienelemente, die sich früher im Schaltschrank im Maschinenraum befanden, wurden für ihren Einsatz in einem maschinenraumlosen Aufzug im Schacht und einem der Eingänge verteilt.

Dies hat zu mehreren Punkten geführt, die als wesentliche Hindernisse identifiziert wurden, um die Steuerungsarchitektur an die veränderten Kundenanforderungen anzupassen.

  • Die Signalübertragung erfolgt mit einem Mix aus verschiedenen Kanälen und Topologien
  • Die ehemalige zentrale Stromversorgung ist in verschiedene Transformationspunkte aufgeteilt.

Eine Notstromversorgung für Not- und Rettungseinsätze im Falle eines Stromausfalls hat die Stromversorgungsarchitektur komplexer gemacht

3.2.3 Technische Lösung

Um eine optimierte Steuerungsarchitektur zu definieren, wurden die zuvor beschriebenen Werkzeuge und Methoden angewendet. Das Ergebnis ist eine Neuzuordnung von Funktionalitäten zwischen den Hauptkomponenten des elektrischen Systems. Die Optimierungsstrategie konzentrierte sich auf zwei Elemente:

  • Vereinfachung der Signalarchitektur
  • Vereinfachung der Leistungsarchitektur
  • Optimierung des physischen Standorts der Funktionalität

Durch Serialisierung wurde eine einfache Signalarchitektur erreicht

  • Ersetzen diskreter Signalleitungen durch ein serielles Bussystem
  • Definieren einer seriellen Bustopologie
  • Anwenden des seriellen Busses auf alle Hauptkomponenten des Steuerungssystems
  • Zusatznutzen durch verbesserten Informationsaustausch zwischen den Komponenten

Eine einfache Leistungsarchitektur wurde erreicht durch:

  • Aufbau einer zentralen Systemstromversorgung
  • Definieren einer seriellen Bustopologie
  • Einbindung der Pufferbatterie in die zentrale Systemversorgung
  • Zusatznutzen durch höhere Effizienz und Größenreduzierung

Die Optimierung des physischen Standorts der Funktionalität führte dazu, dass einige Funktionen vom Controller in das Auto verlagert wurden. Dies führte zu:

  • Reduzierung des Signalisierungsbedarfs im Hängekabel
  • Reduzierung des Platzbedarfs in der Steuerung
3.2.4 Kundenvorteile

Die daraus resultierenden Vorteile sind

  • Minimale ästhetische Auswirkungen: Die Service- und Wartungsgeräte sind in der kleinen Türsäule montiert; ein spezieller Schaltschrank ist nicht erforderlich.
  • Verbesserte Nutzung des Schachtraums: Das Paket der Schachtausrüstung wird in Volumen und Tiefe reduziert.
  • Reduzierung des Standby-Stromverbrauchs: Im Fokus steht das Erreichen der VDI 4707 Klasse A (VDI-Richtlinie 2009).
  • Integration von automatischer und manueller Rettung: Für einen vollautomatischen Rettungsbetrieb sind nur geringe Zusatzkomponenten erforderlich.

3.3 Batteriebetriebener Aufzug

3.3.1-Herausforderung

In den letzten Jahren wurde der Einfluss der Stromversorgungsstabilität auf den Aufzugsbetrieb immer stärker in den Fokus gerückt.

Abbildung 5 gibt einen Überblick über die System Average Interruption Frequency (SAIFI) für ausgewählte europäische Länder (CEER, 2014). Wie zu sehen ist, liegt SAIFI im Bereich von 0.3 bis 4 (Ausfälle pro Jahr).

Auch wenn diese Werte gering erscheinen, gab und gibt es Produkte, die eine Notfallrettung eines Aufzugs ermöglichen. Diese Produkte verwenden traditionell separate Systeme, die sowohl platzraubend als auch teuer sind. Angetrieben durch die Kundenorientierung zu diesem Thema wurden in den neuesten Produktversionen automatische Rettungsfunktionen integriert, ohne dass wesentlich mehr Platz für Steuerungskomponenten benötigt wird. Die wichtigsten Voraussetzungen für diesen integrierten Ansatz sind:

  • Getriebelose Antriebe mit Permanentmagnet-Synchronmotoren
  • Erweiterte Steuerungsmöglichkeiten durch regenerative Antriebe
  • Normierung der Spannungen innerhalb des Steuerungs-/Antriebssystems
  • Verwenden der schwerkraftgetriebenen Fahrzeugrichtung für Rettungsaktionen
  • Begrenzte Anzahl Rettungsläufe/Jahr

In anderen Regionen, insbesondere in Schwellenländern, ist die Situation der Stromversorgungsstabilität ganz anders.

Abbildung 6 zeigt Daten, die von Otis Field-Ingenieuren für verschiedene Regionen in Indien gesammelt wurden. Obwohl es sich bei der Studie um Erfahrungswerte handelt, zeigt sie deutlich einige signifikante Unterschiede zu den europäischen Daten.

  • Stromausfälle in dieser Grafik gelten pro Tag statt pro Jahr
  • In den meisten Gebieten gibt es täglich einstellige Stromausfälle
3.3.2 Technische Lösung

Um eine Lösung für den erhöhten Bedarf an Netzqualitätsproblemen bereitzustellen, wurde ein anderer Ansatz verwendet. Anstatt den batteriegestützten Aufzug (dh den automatischen Rettungsbetrieb) schrittweise weiter zu verbessern, ist die gewünschte Architektur ein vollständig batteriebetriebener Aufzug (dh nahtloser Betrieb).

Während diese Architektur mehrere Herausforderungen mit sich bringt, wie zum Beispiel den Kompromiss zwischen Batteriespannungspegel und Motorspannung, die zum Antrieb des Aufzugs erforderlich sind, ergeben sich daraus viele Kundenvorteile.

  • Autonomer, reibungsloser Betrieb bei Stromausfall
  • Einphasige Versorgung
  • Peak-Shaving (nur durchschnittliche Leistung aus dem Netz)
  • Kompatibel mit alternativen Energiequellen

Diese Eigenschaften machen diesen batteriebetriebenen Aufzug zu einem geeigneten Kandidaten, um die Kundenerwartungen in Gebieten mit sehr instabilen Stromnetzbedingungen zu erfüllen. Einphasige Versorgung und Peak-Shaving bieten in einigen Bereichen auch Kostenvorteile im Vergleich zu standardmäßigen 3-Phasen-Aufzügen.

Darüber hinaus ist die Erweiterung des batteriebetriebenen Aufzugs zur Nutzung alternativer Energiequellen wie Solarzellen oder Windräder sehr einfach, da Energiespeicher und -management bereits im Produkt enthalten sind.

4. SCHLUSSFOLGERUNGEN

Durch den richtigen Einsatz von Systemanalyse- und Architekturmethoden können innovative elektrische Systemdesigns erreicht werden, die die Kundenerwartungen erfüllen und übertreffen. Ausgehend von den angegangenen Herausforderungen sind oft grundlegend unterschiedliche Lösungen erforderlich.

Dies wurde in mehreren Fallstudien gezeigt, die von superhohen Aufzügen über niedrige maschinenraumlose Aufzüge bis hin zu batteriebetriebenen Aufzügen reichen. Durch die weitere Verwendung dieser Analyse- und Architekturmethoden werden zukünftige Anforderungen, Einschränkungen und Kundenbedürfnisse weiterhin erfolgreich adressiert.

REFERENZEN
Suh, Nam Pyo (2001), Axiomatic Design: Fortschritte und Anwendungen. Oxford University Press, New York.
Ferrari A., Ginsberg, D., Scholte, E., und Nguyen, D. (2012), „Scalable Virtual Prototyping of Distributed Embedded Control in a Modern Elevator System“, 7. IEEE International Symposium on Industrial Embedded Systems.
VDI-Richtlinie: VDI 4707: Aufzüge – Energieeffizienz, März 2009.
CEER (Rat der europäischen Energieregulierungsbehörden), Benchmarking Report 5.1 on the Continuity of Electricity Supply, Ref: C13-EQS-57-03, Feb 2014.
Daryl J. Marvin, Dang V. Nguyen, Peter Herkel und Dirk H. Tegtmeier

Daryl J. Marvin, Dang V. Nguyen, Peter Herkel und Dirk H. Tegtmeier

Daryl J. Marvin ist Absolvent der Carnegie-Mellon University (BS), der University of Maryland (MS) und der University of Hartford (MBA). Er kam 1994 zur Otis Elevator Company und ist derzeit Director, Innovation. Herr Marvin ist ein namentlich genannter Erfinder zahlreicher Aufzugspatente und ist an einer Vielzahl von Innovationsprojekten in allen Bereichen des Aufzugssystems beteiligt.

Dang V. Nguyen ist ein Otis Associate Fellow mit Expertise in eingebetteten Systemen: Kommunikation und Netzwerk. Er leistet einen wichtigen Beitrag zum High Rise Electrical System (HRES)-Programm und hat eine wesentliche Rolle bei der Analyse mehrerer Aspekte des CAN-Busses gespielt, der auf HRES verwendet wird. Dang hat einen Bachelor-Abschluss in Elektrotechnik vom Georgia Institute of Technology und einen Master-Abschluss vom Rensselaer Polytechnic Institute in Elektrotechnik und Informatik.

Peter Herkel hat einen Master of Engineering der TU Kaiserslautern, Deutschland. Er kam 1985 zu Otis und ist derzeit Associate Fellow mit Fachkenntnissen im Design elektrischer Systeme und Sicherheitselektronik. Kürzlich hat er die neue Architektur für einen maschinenraumlosen Aufzug mit Fokus auf die Reduzierung des Standby-Stromverbrauchs und die Reduzierung des Platzbedarfs für das elektrische Steuerungssystem vorangetrieben.

Dirk H. Tegtmeier hat einen Master-Abschluss in Elektrotechnik der Technischen Universität Hannover und einen Doktortitel der Technischen Universität Berlin. Er kam 1989 zur Otis Elevator Company und ist derzeit Programmmanager mit Schwerpunkt auf elektrischen Systemen und Komponenten.

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