Ausgabe 5/2005
09/01/05
„MOSIS“ – modulares Schachtinformationssystem
Enrico Marchesi (Schindler Schweiz)
Der Aufzug rast mit 10 m/s von der Lobby in den 47. Stock und stoppt exakt auf Stockwerk. Durch MoSIS kennt die Aufzugssteuerung zu jedem Zeitpunkt die absolute Position der Kabine auf weniger als einen halben Millimeter genau. Dasselbe System erledigt auch eine ganze Reihe von Sicherheitsfunktionen, welche in vielen traditionellen Aufzügen auf verschiedene Einzelkomponenten und Subsysteme verteilt wurden.
Kategorie: Fachaufsaetze Ausgabe 5/2005
Erstellt von: Editor
Möglich wurde dieser große Schritt nach vorne durch eine ganze Reihe von Technologie-, Prozess- und Produktinnovationen. Der Nutzen dieser Entwicklungsarbeiten ist aber nicht nur auf das Produkt MoSIS beschränkt. Vielmehr bieten die erarbeiteten Resultate und Erkenntnisse eine solide Basis, um in Zukunft effizient und kostengünstig weitere Produkte davon abzuleiten.
Kein Umwege bei der Positionsmessung
Mit MoSIS wurde ein System entwickelt, welches die Position der Kabine im Schacht direkt und absolut messen kann, ohne dabei den Umweg z. B. über den Inkrementalgeber an der Treibscheibe zu gehen. Ein magnetisiertes Band im Schacht trägt dabei die absolute Positionsinformation, welche von der Sensorelektronik kontinuierlich ausgelesen wird. Auf diese Weise kann die Position der Kabine jederzeit mit einer Genauigkeit von weniger als einem halben Millimeter bestimmt werden.
Messtechnisch bietet die direkte Bestimmung der Kabinenposition große Vorteile – vor allem bei größeren Hubhöhen und Geschwindigkeiten. Der typische Messfehler durch Seilschlupf kann damit zum Beispiel gänzlich eliminiert werden. Auch dynamische Seileffekte, welche sich durch deren Elastizität ergeben, können so besser in den Griff bekommen werden. Erst die direkte Positionsbestimmung erlaubt nämlich den Einsatz von leistungsfähigen Regleralgorithmen, welche die dynamischen Seileffekte mit einbeziehen. Diese Regelalgorithmen wiederum erlauben Optimierungen der Transportleistung.
Durch das Vorhandensein einer absoluten Positionsinformation steigt auch die Verfügbarkeit des Aufzugs. So ist zum Beispiel nach einem Stromausfall das System unmittelbar in der Lage, die exakte Kabinenposition im Schacht zu bestimmen und den Normalbetrieb wieder aufzunehmen. Synchronisations- oder Lernfahrten entfallen in dieser Situation vollständig.
Die Referenzierung der Stockwerke geschieht bei MoSIS über magnetische Positionsmarken an den Haltestellen selbst. Ein kleiner Zusatzsensor detektiert bei jeder Vorbeifahrt die Position der jeweiligen Türschwelle und vergleicht sie mit dem gespeicherten Schachtabbild. Sollte die gemessene von der gespeicherten Position abweichen – wie dies zum Beispiel mit der Zeit durch Setzen des Gebäudes geschieht – so wird das Schachtabbild automatisch aktualisiert. Nach der Erstinstallation ist MoSIS somit jederzeit und mit gleich bleibender Genauigkeit und Zuverlässigkeit in der Lage, alle Messgrößen zur Verfügung zu stellen, welche für eine Regelung der Aufzugsfahrt benötigt werden.
Kerntechnologie – Die magnetische Codierung
Die Methode der magnetischen Längencodierung hat sich heute in verschiedenen industriellen Applikationsgebieten als robuste, effiziente und kostengünstige Messtechnologie durchgesetzt. Dabei wird eine definierte Abfolge von magnetischen Nord- und Südpolen auf einen geeigneten magnetischen Träger aufgebracht. Diese Pole könne signaltechnisch als Binärcode verstanden werden. Mittels Hall- oder MR-Sensoren werden dann die magnetischen Felder detektiert und über eine entsprechende Signalverarbeitung wird die gewünschte Positionsinformation generiert. Die Abtastung kann dabei gänzlich berührungslos erfolgen – ein positiver Aspekt vor allem bei hohen Geschwindigkeiten.
Im einfachsten Fall wird bei dieser Technologie ein magnetischer Inkrementalcode verwendet. Dabei wechseln sich Nord- und Südpole kontinuierlich ab (Abb. 2). Die Messwerte werden dabei typischerweise als standardisiertes Pulssignal ausgegeben, analog zu den Signalen eines inkrementellen Drehgebers. Tatsächlich wird dieses Messprinzip nicht nur für lineare Positionsmessungen eingesetzt. Auch rotatorische Applikationen können damit als Alternative zum optischen Drehgeber abgedeckt werden.
Wird nun in einem weiteren Schritt die physikalische Breite der einzelnen Pole so variiert, dass sich deren Muster über die ganze Verfahrstrecke nicht wiederholt, so entsteht eine Codierung, welche signaltechnisch als absolute Positionsinformation verstanden werden kann. Um diese Codierung jedoch auswerten zu können, ist eine parallele, inkrementelle Spur notwendig. Diese inkrementelle Spur dient der Leseelektronik als Taktsignal, um die Lesevorgänge zu synchronisieren. Auch solche zweispurigen Systeme sind heute gängiger Standard und werden von verschiedenen Herstellern angeboten.
Für den Einsatz in einem Aufzug sind diese Systeme jedoch nur bedingt geeignet. Den zweispurigen Magnetbändern stehen zweispurige Leseköpfe gegenüber. Neben dem größeren Platzbedarf und den erhöhten Kosten für Sensor und Band muss ein erheblicher Aufwand betrieben werden, um eine exakte Führung der Sensorköpfe relativ zum Band zu gewährleisten. Lateralverschiebungen des Lesekopfs führen früh zu Messfehlern und Systemversagen.
Eine der wichtigsten Errungenschaften des Projekt Mosis besteht in der Entwicklung eines Verfahrens, welches es erlaubt, ein einspuriges Band so zu codieren, dass einerseits eine absolute Positionsinformation daraus abgeleitet werden kann und zugleich die Synchronisation der Lesevorgänge damit möglich wird. Zur Lösung dieses Problem wurde das Linear Feedback Shift Register Verfahren (LFSR) herbeigezogen, welches unter anderem in der Kryptographie Verwendung findet. Mit diesem Verfahren ist es möglich, einen n Bit breiten, binären Pseudo-Zufallscode zu erzeugen, welcher sich erst nach (2n-1) Bits wiederholt.
Zudem ist garantiert, dass nach spätestens zwei identischen Bits ein Bitwechsel stattfindet. Bei gleich „langen“ Bits – also stets gleich langen Nord- und Südpolen – ergibt sich eine zuverlässige Taktinformation, welche sich zur Synchronisation der Lesevorgänge benutzen lässt. Das Resultat ist ein n Bit breiter Code (im Fall MoSIS n = 17), welcher über die gesamte Fahrstrecke eine eindeutige Zuordnung der absoluten Position erlaubt. Die Polbreite von 7 mm, wie sie in unseren Systemen heute verwendet wird, erlaubt damit eine maximale Messlänge von 917 Metern. Ein Wert, mit welchem auch die kommenden Applikationen im Aufzugsbau sicher abgedeckt sein dürften.
Präzision im Millisekundentakt
Auch bei der Signalverarbeitung wurde bei MoSIS Neuland beschritten. Die magnetischen Pole besitzen eine physikalische Breite. Ein neuer Positionswert liegt somit am Sensor erst nach einer Verschiebung um eine Polbreite an. In dieser Betrachtung entspricht die Polbreite der Auflösung der Messung, welche 7 mm beträgt. Für die Aufzugsregelung wäre diese Auflösung natürlich viel zu grob. Eine Verkleinerung der Polbreite würde zwar die Auflösung erhöhen, aber eine ganze Reihe anderweitige Nachteile nach sich ziehen. Vor allem würde sich der zulässige Leseabstand so verkleinern, dass die Technologie für den Aufzugsbau ungeeignet wäre.
Dieser Zielkonflikt wurde deshalb mit einem innovativen Ansatz in der Signalverarbeitung gelöst. Die magnetischen Signale werden dabei in paralleler Weise digital und analog verarbeitet. Die digitale Auswertung ergibt direkt die grobe Auflösung von 7 mm. Das magnetische Feld innerhalb der Pole ist jedoch nicht konstant. Eine Reihe spezieller Sensoren misst deshalb über mehrere Pole hinweg die jeweiligen Feldstärken und errechnet über ein komplexes Interpolationsverfahren die Position mit einer Auflösung von weniger als einem halben Millimeter – und dies bei Betriebsgeschwindigkeiten, wie sie bei modernen High Rise Aufzügen Standard sind.
CAN (Controller Area Network) sorgt bei MoSIS für eine zuverlässige und effiziente Kommunikation der Daten an die Aufzugssteuerung. Bereits bevor CAN im Aufzugsbau Verbreitung fand, hat sich Schindler für den Einsatz dieser robusten Technologie bei MoSIS entschieden. Mit seinen hohen Datenraten und den langen Übertragungsstrecken bietet CAN eine ideale Ergänzung zur hochpräzisen MoSIS Sensorik. Das Resultat ist ein Gesamtsystem, welches die Aufzugssteuerung in weniger als 2 Millisekunden nach der Anfrage mit dem aktuellen Positionswert der Aufzugskabine im Zehntelmillimeterbereich versorgt.
Integrierte Sicherheit
Da durch MoSIS der aktuelle Betriebszustand der Aufzugskabine jederzeit verfügbar ist, können prinzipiell alle Funktionen implementiert werden, welche von Position und Geschwindigkeit der Kabine abhängig sind. Neben der reinen Positionsmessung zu Steuerungszwecken ist MoSIS deshalb in der Lage, verschiedene Sicherheitsfunktionen der Schindler High Rise Aufzüge sicherzustellen. Folgende Funktionen wurden in MoSIS integriert:
• Schachtendschalter,
• Verzögerungskontrolle am Schachtende,
• Detektion der Türzonen und Türüberbrückung auf Zielstockwerk.
Sicherheitsfunktionen dieser Art können natürlich nur dann dem System überlassen werden, wenn die Positionserfassung stets absolut zuverlässig und im technischen Sinn sicher geschieht. Die Basis für diese Sicherheit bildet die vollständig redundante Systemarchitektur von MoSIS in Hard- und Software (Abb. 3). Bis dahin wurden die genannten Sicherheitsfunktionen typischerweise durch eine Reihe individueller Sicherheitsbauteile wie z. B. mechanische Schalter und spezielle Sicherheitslichtschranken abgedeckt. Durch die redundante Systemarchitektur konnte mit MoSIS nun erstmals ein speicherprogrammierbares elektronisches Sicherheitssystem geschaffen werden, welches nach der Aufzugsrichtlinie 95/16/EG und basierend auf EN 81-1:1998 als Sicherheitsschaltung für Aufzüge baumusterprüfbescheinigt wurde. Das Resultat ist ein System, bei welchem alle relevanten Sicherheitsfunktionen vollständig in Software implementiert sind.
Vorteile im Systemverbund
Das neuartige Konzept von MoSIS bietet durch seinen hohen Integrationsgrad im Aufzugssystem eine ganze Reihe von Vorteilen (Abb. 4). Die Möglichkeiten der Softwareimplementation erlauben zudem eine Flexibilität, wie sie mit konventionellen Systemen nicht erreicht werden kann.
Mussten vormals eine ganze Reihe unterschiedlicher Komponenten in Schacht und Triebwerksraum platziert und miteinander verschaltet werden, so werden deren Funktionen heute gänzlich durch ein kompaktes System mit wenigen, definierten Schnittstellen übernommen. Bereits bei der Montage ergeben sich hier große Zeiteinsparungen. Das Magnetband wird dabei in den Schienenhals eingelegt und haftet durch seine magnetischen Eigenschaften von selbst. Die Sensoreinheit wird auf der Kabine befestigt. Ein Rollenschlitten sorgt dabei für eine definierte Führung der Sensorzeile entlang des Bandes (Abb. 5). Die Kommissionierung des Systems geschieht im Anschluss vollautomatisch auf Knopfdruck. Der Gesamte Installations- und Inbe-triebnahmeprozess nimmt nur wenige Stunden in Anspruch.
MoSIS verrichtet seinen Dienst weitgehend wartungsfrei. Setzt sich das Gebäude mit der Zeit, waren früher oft zeitraubende Justagen von Schaltern und Positionsfahnen feste Bestandteile der Unterhaltsarbeiten am Aufzug. Diese Anpassungen geschehen heute vollständig autonom durch das System. MoSIS speichert zu jeder Zeit das ganze Schachtabbild und hält Fahrwege, Stockwerkspositionen und Endpunkte fest. Sollten die aktuellen Messwerte vom gespeicherten Schachtabbild langsam abweichen, so werden die Fehler automatisch korrigiert und an die Steuerung übermittelt. Auch hier ergeben sich in der Praxis Einsparungen bei Wartung und Unterhalt.
Weil alle höheren Funktionen bei MoSIS in Software implementiert sind kann auf neue und sich verändernde Anforderungen sehr schnell und effizient reagiert werden. Sollten sich zum Beispiel Änderungen in den gängigen Normen und Vorschriften ergeben, oder kommen kunden- oder länderspezifische Anforderungen hinzu, so kann diesen mit vergleichbar geringem Aufwand Rechnung getragen werden. Innerhalb der sicheren Hardwarearchitekur müssen im Idealfall lediglich Parameter angepasst werden. Erweiterte Funktionen werden durch Softwaremodule ergänzt. Größere Entwicklungsaufwände entstehen in diesen Fällen kaum noch.
Innovation und unternehmerischer Nutzen
MoSIS stellt als Produkt an sich eine Innovation dar und beinhaltet große Technologiesprünge. Diese Produktinnovation ist aber das Ergebnis einer ganzen Reihe von Technologie- und Prozessinnovationen. Stellt man sich nun die Frage nach dem Nutzen der Investitionen, welche zu MoSIS geführt haben, so ist eine enge Sicht auf das Produkt alleine der falsche Ansatz. Mit dieser Sicht wären die Investitionen nicht zu rechtfertigen und die rein betriebswirtschaftliche Rechnung in diesem Rahmen würde solche Entwicklungsvorhaben als unwirtschaftlich ausweisen.
Die magnetische Messtechnik an sich ist keine Innovation. Sie wird in verschiedenen Industrien bereits seit Jahrzehnten erfolgreich angewandt. Für den Einsatz im Aufzug war diese Technologie jedoch unzureichend. Die Verfahrwege waren zu kurz, die Codierungsverfahren zu umständlich und aufwändig, die Leseabstände zu klein und die Hardware zu teuer für unsere Applikationen. Erst mit der MoSIS Entwicklung wurden mit verschiedenen technologischen Innovationsschritten in all diesen Teilbereichen die Probleme gelöst und diese Technologie für den Aufzugsbereich zugänglich gemacht. Die Anwendung dieser Technologie bei MoSIS ist aber nur ein erster Schritt. Tatsächlich verfügt Schindler nun über eine Basistechnologie, welche sich für alle Marktsegmente eignet.
Je nach spezifischen Anforderungen können auf dieser Basis die geeigneten Produkte abgeleitet werden. Die Entwicklungsrisiken und -zeiträume dafür sind minimal, da das technologische Kernelement in identischer Form immer wieder verwendet wird. Auf der Produktebene ergeben sich damit Kostenvorteile durch Skaleneffekte, denn die meisten elektronischen Komponenten sind für alle Produktlinien identisch. Auch Installation und Unterhalt profitieren, denn die Komplexität reduziert sich. Egal welcher Typ Aufzug – die Schachtinformation funktioniert nach denselben Prinzipien. Mit der magnetischen Messtechnik wurde also eine Plattform geschaffen, deren vielfacher Nutzen erst über die nächsten Jahre zum Tragen kommen wird.
Ähnlich verhält es sich mit dem Sicherheitssystem, welches in MoSIS Anwendung gefunden hat. Neben der technologischen Realisierung an sich, sind die Innovationen hier vor allem im Prozessbereich zu finden. Die Baumusterprüfung ist nur die letzte einer Reihe von Prozessen, welche den Einsatz von MoSIS als elektronisches Sicherheitssystem in Aufzügen ermöglichen. Mit diesem Wissen verfügt Schindler heute über eine weitere solide Basis, auf welche bei zukünftigen Projekten aufgebaut werden kann. Auch hier wurden mit dem Präzedenzfall MoSIS Risiken abgebaut und Potenziale für zukünftige Entwicklungen eröffnet.
Mit diesen Betrachtungen wird klar, dass der ganze Nutzen von Innovationen im Investitionsgüterbereich damit nicht nur im kurzfristigen ROI einzelner Produkte liegt, sondern in den Technologie- und Prozessinnovationen welche neues Wissen und neue Erkenntnisse schaffen und damit eine längerfristige Basis dafür legen, um sich in den Märkten vom Wettbewerb zu differenzieren.
Vortrag anlässlich des European Lift Congress Heilbronn (ELCH) am 28. und 29. Juni 2005.
Autoreninformation
Studium an der Eidgenössischen Technischen Hochschule mit Abschluss als Maschineningenieur 1995. Anschließendes Studium an der University of California, Davis. Abschluss als Master of Science in Transportation Technology and Policy. Verschiedene Forschungsaktivitäten im Bereich alternative Fahrzeugantriebssysteme und Individualverkehr in Kalifornien und Zürich. Eintritt bei Schindler Aufzüge 1999 in die Abteilung R&D – Technology Management. Leitung von Technologiestudien und Vorentwicklungsprojekten. Weiterbildung an der Universität Basel mit Abschluss als Master of Advanced Studies in Marketing. Seit 2002 verantwortlich für den Konzernentwicklungsbereich Schachtsysteme.
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