Lift Report

 

 

Die bei Aufzügen und Fahrtreppen zum Einsatz kommenden Bremsen müssen ausfallsicher sein. Aus diesem Grund werden sie stets über Federn angezogen und über eine Kraftquelle gelüftet (entweder hydraulisch oder elektromagnetisch).

 

Die am häufigsten bei Fahrtreppen verwendeten Arten sind die hydraulischen oder elektromagnetischen Bremsen. Ein intelligentes Bremssystem benötigt eine proportional steuerbare Bremse.

 

Hydraulikbremsen lassen sich eher als elektromagnetische Bremsen proportional steuern. Bei elektromagnetischen Bremsen besteht das Problem, dass sie nur in die EIN- oder AUS-Stellung eingestellt werden können und es nicht möglich ist, sie für Druckänderungen in einer Zwischenstellung zu halten. Andererseits lassen sich Hydraulikbremsen durch Veränderung des auf die Federn wirkenden Öldrucks steuern. Deshalb fiel die Entscheidung für das intelligente Bremssystem zu Gunsten der Hydraulikbremse aus.

 

Also wird bei allen weiteren Betrachtungen in diesem Aufsatz davon ausgegangen, dass es sich bei der gesteuerten Abbremsung um den Einsatz einer Hydraulikbremse handelt.

 

Der durch die Hydraulikbremse erzeugte Druck ist das Ergebnis aus der Interaktion zwischen der Federkraft (mit der die Bremsbeläge gegen die Scheibe gepresst werden) und des Hydraulikdrucks (mit dem die Bremsbeläge von der Scheibe ferngehalten werden). Der Federdruck ist konstant und kann nicht geändert werden, weil es sich um eine Eigenschaft der Feder handelt. Durch die Steuerung des Hydraulikdrucks lässt sich die exakte Bremsleistung erzeugen. Der Hydraulikdruck wird durch die Steuerung der Ventile geändert, die den Öldurchfluss regeln. Eine derartige Steuerung ist auf zwei Arten möglich:

 

• Mit Proportionalventilen.

• Über eine Impulsdauermodulations (PDM)-Steuerung der EIN/AUS-Ventile.

 

Eine zweite PDM-Methode ist die in dieser Anlage zum Einsatz kommende Methode. Obwohl die Schaltung nicht proportional ist (d. h. nur EIN und AUS), wird die Einschaltdauer des EIN/AUS-Verhältnisses so geändert, dass eine 50 %ige Einschaltdauer zu keiner Druckänderung führt, während eine Einschaltdauer über 50 % (d. h. das Ölversorgungsventil bleibt länger als 50 % geöffnet) einen Druckanstieg und eine Reduzierung des Bremsdrucks (und umgekehrt) verursacht. Die Anforderung einer Verstärkung oder Verringerung des Bremsdrucks ist vom Vergleich zwischen dem idealen Sollprofil und dem gemessenen Istprofil der Geschwindigkeit abhängig.

 

 

Es müssen einige wichtige Aspekte in Betracht gezogen werden, bevor man sich auf das Abenteuer eines intelligenten Bremssystems einlässt. In diesem Aufsatz werden drei dieser Aspekte näher betrachtet.

 

 

Die Konstruktion eines 100 % zuverlässigen intelligenten Bremssystems (oder jedes anderen Systems) ist ein Ding der Unmöglichkeit. Es ist daher immer wichtig, dass man die Möglichkeit hat, auf ein herkömmliches Bremssystem zurückzugreifen, sollte das intelligente Bremssystem versagen.

 

Das heißt mit anderen Worten, dass jede zum Einsatz kommende Anlage ausfallsicher sein muss. Sollte sie versagen und dieses Versagen erfasst werden, muss das System auf eine herkömmliche Hydraulikbremse zum Anhalten der Fahrtreppe zurückgreifen.

 

Dabei gibt es zwei Punkte, die beachtet werden müssen:

 

Zuerst sollte das intelligente Bremssystem über eine Redundanz verfügen. Hierdurch wird der Möglichkeit eines Versagens der Bremssteuerung Rechnung getragen. Die Redundanz kann bei jedem Bauteil der Anlage Anwendung finden (z B. Sollwert der Antriebsdrehzahl [Drehgeber]; die Verarbeitungsplatine; die endgültige Ausgangsplatine, die das Ventil steuert). Die Redundanz könnte sogar so weit gehen, dass man zwei Magnetspulen und zwei Ventile für ein und dieselbe Bremse verwendet. Die Vielseitigkeit ist ein anderer Aspekt. Die Möglichkeit besteht, zwei verschiedene Verarbeitungsplatinen mit unterschiedlichen Software-Implementierungen und unterschiedlichen Algorithmen einzusetzen.

 

Der zweite Punkt ist der, dass wenn eine Bremse gesteuert wird (z. B. die Betriebsbremse), die andere Bremse immer als eine letzte Verteidigungslinie agiert (in diesem Fall die Hilfsbremse).

 

Der dritte Punkt ist der, dass die Anlage einer Ausfallauswirkungsanalyse unterzogen werden muss, um der grundlegenden Sicherheitsanforderung aus EN 115 zu entsprechen:

 

Das alleinige Auftreten eines Fehlers innerhalb der Anlage darf nicht zu einem gefährlichen Betriebszustand führen. Sobald ein Fehler erfasst wird, darf die Anlage beim nächsten Zyklus nicht wieder anlaufen und muss eine Fehlermeldung erzeugt werden [3].

 

Bei einer Ausfallauswirkungsanalyse müssen alle möglichen Fehlerarten bewertet werden, müssen die Fehler identifiziert werden, die zu einer gefährlichen Situation führen, und muss die Auslegung dahingehend geändert werden, dass die sich aus einem derartigen Versagen ergebenden Risiken eliminiert werden. Diese Ausfallauswirkungsanalyse wurde für die elektronischen und hydraulischen Bauteile der Anlage durchgeführt. Ein einfaches Beispiel: die Unterbrechung der Verbindung zum Drehgeber darf nicht zu einer gefährlichen Situation, sondern muss zu einem Ausschalten der Anlage und zur Erzeugung einer Fehlermeldung führen.

 

Auf der Grundlage der vorhergehenden Ausführungen hat man sich der Problemstellung wie folgt genähert:

 

Die kritischen Bauteile der Anlage verfügen über redundante Teile.

 

Wenn beide redundanten Teile versagen, greift die Anlage auf eine herkömmliche Bremsanlage zurück.

 

Eine gründliche Ausfallauswirkungsanalyse wurde durchgeführt, um jegliches Versagen an einzelnen Punkten auszuschließen.

 

 

Ein weiterer wichtiger Aspekt, der unbedingt beachtet werden sollte, ist die Steuerung der Betriebsbremse, der Hilfsbremse oder beider Bremsen. EN 115 schreibt vor, dass es beim Anziehen der Betriebsbremse zu keiner Verzögerung kommen darf. Die Steuerung der Betriebsbremse stellt keine Verzögerung dar, solange die Steuerung sofort bei Erhalt des Haltesignals einsetzt. Es gibt diesbezüglich drei Steuerungsoptionen:

 

Nur die Betriebsbremse wird gesteuert und die Hilfsbremse darf im Falle einer elektromagnetischen Bremse über einen Zeitgeber (ca. 3 s) oder im Falle einer Hydraulikbremse über den natürlichen hydraulischen exponentiellen Verfall gesteuert werden. Bei diesem Szenario wird die Betriebsbremse sofort angezogen und die Steuerung der Geschwindigkeit eingeleitet. Die Hilfsbremse wird nach und nach oder verzögert angezogen. Sollte die Fahrtreppe bis zum Anziehen der Hilfsbremse noch nicht völlig zum Stillstand gekommen sein, dann wird jede durch das Anziehen der Hilfsbremse hervorgerufene Geschwindigkeitsänderung sich im Algorithmus für die Betriebsbremse widerspiegeln, was zu einer Reduzierung des Bremsdrucks führt, um dieser Geschwindigkeitsänderung zu entsprechen.

 

Die zweite Option besteht darin, nur die Hilfsbremse zu steuern und es der Betriebsbremse zu ermöglichen, sofort anzuziehen, wenn ein Haltebefehl erfolgt. Das Problem dieser Methode liegt darin, dass die Betriebsbremse so stark ist, dass es zu einem abrupten Halt kommt und die ursprüngliche Absicht des Einsatzes eines intelligenten Bremssystems konterkariert wird.

 

Die dritte Möglichkeit ist der Einsatz eines Hybridsystems, wobei gleichzeitig beide Bremsen gesteuert werden. Ein Vorschlag ging dahin, die beiden Bremsen so wie ein Schatten zu einzusetzen, wobei die Sollkurve für die Hilfsbremse zeitlich etwas hinter der Betriebsbremse versetzt ist und so als Reserve fungiert, sollte die Betriebsbremse nicht klar kommen und die Geschwindigkeit sich nicht mehr innerhalb der Grenzwerte bewegen.

 

Bei diesem Projekt wurde beschlossen, die Hilfsbremse auf herkömmliche Weise und nur die Betriebsbremse intelligent zu steuern (Option 1). Hierdurch ergibt sich eine Form der Diversifikation, indem man an der herkömmlichen Steuerung der Hilfsbremse festhält und die Betriebsbremse in ein intelligentes Bremssystem umwandelt.

 

 

Eines der Probleme, mit dem ein intelligentes Bremssystem konfrontiert wird, ist der Last- und Richtungswechsel. Bei einer Abwärtsfahrt mit voller Last benötigt die Bremse den größten Teil der Bremsleistung. Bei Nulllast muss die Bremse nur wenig Kraft aufwenden, um einen abrupten Halt zu verhindern. Bei einer Aufwärtsfahrt unter Volllast erledigt die Schwerkraft die ganze Arbeit und muss die Bremse nur angezogen werden, wenn die Nullgeschwindigkeit erreicht ist.

 

 

Die aktuellen Anforderungen der Norm EN 115 [1] beziehen sich nur auf den Bremsweg. Es wird gefordert, dass die Fahrtreppe bei Abwärtsfahrten in mehr als 350 mm bei Nulllast (bei einer Geschwindigkeit von 0,75 m/s) und in weniger als 1500 mm bei Volllast (bei einer Geschwindigkeit von 0,75 m/s) zum Stillstand kommen muss.

 

Neue Ausarbeitungen eines CEN-Unterausschusses (TC10), die veröffentlicht wurden [2], schlagen für das Bremsen einen neuen Satz Kriterien für die Bewertung der Eignung vor (siehe Tabelle 1). Hierbei kommen im Prinzip zwei Parameter zur Anwendung: die Abbremsung und der Bremsweg (Anmerkung: von Stößen ist nicht mehr die Rede).

 

 

Diese Tabelle basiert auf den Ergebnissen einiger Tests, die durch die Arbeitsgruppe 2 (WG2) des Ausschusses TC10 durchgeführt wurden, wobei die Teilnehmer gebeten wurden, eine Fahrt mit der Treppe zu unternehmen und subjektiv den Haltekomfort zu bewerten. Daraufhin erfolgte ein Vergleich mit den erzielten Abbrems- und Stoßwerten (Tabelle 2).

 

 

Aus diesen Ergebnissen wurde der Wert von 1 m/s² für die Abbremsung vorgeschlagen.

 

 

In diesem Abschnitt wird ein allgemeiner Überblick und eine Beschreibung des intelligenten Bremssystems gegeben.

 

 

Die ideale Kurve für den Haltevorgang ist die S-Kurve. Eine S-Kurve ist eine Geschwindigkeitskurve, die sehr flach beginnt (niedrige Beschleunigung und Stoßwirkung), immer steiler wird (bei Erreichen des höchsten Abbremswertes) und dann wieder abflacht (und bei Abbremsung Null endet). Das Problem mit der S-Kurve ist, dass die Ausgangsbremsung sehr gering ist und dies zu einem größeren Fehler im Gesamtbremsweg führt.

 

Das aktuelle System verwendet eine voreingestellte Rampe, die eine konstante Abbremsung definiert. Der Bereich unterhalb der Kurve ist identisch mit dem Bremsweg. Abbildung 3 zeigt, wie dies im aktuellen System eingestellt wird. Der Anwender definiert die gewünschte Abbremszeit, wodurch automatisch ein Geschwindigkeitsprofil und daher ein Abbremsprofil erstellt wird. Der Bereich unterhalb der Kurve ist der Bremsweg.

 

 

Das System verfügt über intern voreingestellte Abweichungsbänder (ober- und unterhalb des Geschwindigkeitsprofils). Sollte das Geschwindigkeitsprofil eines dieser Abweichungsbänder berühren, wird das System den Druck entweder reduzieren oder erhöhen, um die Bremsleistung zu ändern und die Abweichung zu korrigieren. Das Band wird enger je niedriger die Geschwindigkeit wird (Abb. 4). Sobald die Geschwindigkeit einen bestimmten vorgegebenen Wert erreicht (auch virtueller Nullpunkt genannt), wechselt das System zu einer konstanten Rampe, um den endgültigen Halt herbeizuführen.

 

 

Schnelle Bewegung der Beläge in Richtung Scheibe

 

Sobald das Bremssignal eingeht, muss sichergestellt werden, dass die Bremsbeläge sich so schnell wie möglich auf die Bremsscheibe zubewegen, um jede Verzögerung beim Bremsvorgang auszuschließen. Ein Algorithmus zur schnellen Annäherung wird angewendet, um die Reaktionszeit des Systems zu verkürzen. Innerhalb des Systems werden die Beläge mit einem gewissen im System eingestellten Druck schnell in Kontakt mit der Scheibe gebracht, sodass der Bremsvorgang so schnell wie möglich und ohne mechanische Verzögerung wirksam eingeleitet werden kann.

 

Dies erfolgt durch den Einsatz eines Druckbegrenzungsventils, das so eingestellt ist, dass die Beläge die Scheibe nur gerade berühren und keine wirksame Bremsung stattfindet.

 

 

Abb. 5 zeigt ein allgemeines Blockschaltbild der elektronischen Verarbeitung, und Abb. 6 ist eine Aufnahme der entsprechenden Bauteile.

 

 

 

Das intelligente Bremssystem besteht aus zwei parallelen Kanälen, die durch denselben Drehgeber versorgt werden. Der Drehgeber verfügt über zwei Kanäle (A und B) in Form von um 90 Grad phasenverschobenen Rechteckwellen. Diese werden Querkanäle genannt und ermöglichen die Erfassung der Drehrichtung durch das System. Die zwei Signale des Drehgebers gehen an zwei Sensormodule, die eine Über- oder Unterdrehzahl erfassen. Anschließend gehen die Signale an die beiden identischen Verarbeitungsplatinen. Da beide Platinen sowohl das Signal A als auch das Signal B erhalten, sind sie in der Lage, die Drehrichtung zu bestimmen.

 

Die Platinen zur Erfassung der Drehzahl versorgen die Verarbeitungsplatinen (A und B), die in einer Master/Slave-Konfiguration funktionieren, sodass zu jedem beliebigen Zeitpunkt nur ein Signal aktiv ist (obwohl beide Platinen jederzeit in Betrieb sind). Der Hauptvorteil, den diese spezifischen Einheiten bieten, liegt in der Selbstüberwachung. Wenn also intern ein Fehler auftritt (Hard- oder Software), geht von ihnen ein Fehlersignal aus. Das System verfügt auch über ein so genanntes Redundanzmodul, das die von den Master- und Slave-Platinen eingehenden Meldungen miteinander vergleicht. Es überwacht die von beiden eingehenden Fehlersignale. Wenn ein Fehler in der Masterplatine auftritt, benutzt es fortan das von der Slave-Platine eingehende Signal.

 

Das System verfügt ebenfalls über eine Not-Aus-Funktion, über die das System abgeschaltet und die Hydraulikbremse angezogen werden kann, um so eine herkömmliche hydraulische Abbremsung herbeizuführen. Das System verwendet auch ein Ablassventil, über das bei Auftreten eines Fehlers im System die gesamte Ölmenge abgelassen wird, sodass die Bremse voll angezogen werden kann.

 

Abb. 6 ist eine Aufnahme des Steuerschranks mit den verschiedenen elektronischen Bauteilen.

 

 

Zu den größten bei der Erprobung auftretenden Schwierigkeiten gehörte die Qualität des Rückführsignals. Ein Drehgeber wurde für die Rückführung der Drehbewegung der oberen Fahrtreppenwelle verwendet. Der Drehgeber war mechanisch mit einer Gegenwelle der Fahrtreppe verbunden. Die Qualität des Signals war sehr schlecht, und das rückgeführte Drehzahlsignal war erheblich mit Störungen behaftet.

 

Bei der Untersuchung wurde festgestellt, dass die Störung eher mechanisch als elektrisch bedingt war. Die Methode der axialen Kopplung des Drehgebers wurde in starkem Maße durch die Ausrichtungsgenauigkeit beeinflusst. Eine alternative Methode über eine Umfangsverbindung mit einem großen Radius hat die Störungen im Signal erheblich verringert.

 

Die Verwendung der axialen Verbindung mit der Gegenwelle ergab ein Störsignal in der Größenordnung von 35 %. Eine Umfangsverbindung mit einem kleinen Radius ergab ein Störsignal von 41 %. Die alternative Methode einer Umfangsverbindung mit einem großen Radius verringerte das Störsignal auf die Größenordnung von 5% des Hauptsignals (wie in Abb. 7 dargestellt).

 

 

 

Um mit der Einführung des Systems auch die höchstmögliche Sicherheit zu gewährleisten, mussten einige Vorsorgemaßnahmen getroffen werden:

 

Es wurde eine Kontaktverknüpfung eingesetzt, um die gesamte Steuerlogik zu implementieren.

 

Ein Drehzahlregler war immer noch unabhängig in Betrieb und konnte eingreifen, um die Hilfsbremse zu betätigen.

 

Die Hilfsbremse wurde immer noch auf herkömmliche Weise gesteuert.

 

Jeder Fehler im ersten Prozessor führte zur Übergabe der Steuerung an den zweiten Prozessor.

 

Jeder Fehler innerhalb des Systems hätte zu einem herkömmlichen Bremsvorgang über die hydraulische Bremse geführt.

 

Unabhängige Hardware-Überwachungsprogramme kamen bei beiden Verarbeitungseinheiten zum Einsatz. Sollte eine der beiden Einheiten sich in eine unendliche Softwareschleife oder einen Stau begeben, würde das Überwachungsprogramm diesen Mangel an Kommunikation erfassen, das ganze System rücksetzen und ein Fehlersignal senden.

 

 

Das Hauptziel, das es mit der Entwicklung eines erfolgreichen Bremssystems zu erreichen gilt, ist die Reduzierung des Sturzrisikos für die Fahrtreppenbenutzer. Und noch immer ist es nicht ganz klar, welche Beziehung es zwischen dem Sturzrisiko und den Eigenschaften eines Fahrtreppenhalts gibt. Zu den bisher vorgeschlagenen Einflussfaktoren gehören der Wert des Stoßes, der beim Anhalten auftritt, der Wert der Abbremsung und die Dauer der Abbremsung [4].

 

Um dieses Verständnis noch weiter zu vertiefen, wurden subjektive Tests durchgeführt, um die Beziehung zwischen der subjektiv empfundenen Qualität des Haltevorgangs einer Fahrtreppe und dem Maximalwert der Abbremsung zu bewerten.

 

Die mit Personen besetzte Fahrtreppe wurde mehrmals angehalten, wobei die Fahrgäste gebeten wurden, in einer Bewertungsskala von 1 bis 10 die Qualität des Haltevorgangs zu beurteilen (1 = sehr schlecht und 10 = sehr gut). Je besser der Haltevorgang, desto geringer die Wahrscheinlichkeit eines Sturzes.

 

Bevor mit der Erprobung des intelligenten Bremssystems (mit veränderlichen Parametern) begonnen wurde, wurden die Personen, die den Anhaltekomfort bewerten sollten, gebeten, an einem herkömmlichen Haltevorgang dieser Fahrtreppe teilzunehmen und diesen auf einer Skala von 1 bis 10 zu bewerten. Der auf herkömmliche Weise herbeigeführte Haltevorgang erhielt die Note 2 (von 10). Die Fahrtreppenbenutzer wurden auch gebeten, einen über einen Umrichter und eine Reibung hervorgerufenen Haltevorgang (bei letzterem werden beide Bremsen gelüftet und der unbelastete Motor kommt durch Reibung zum Stillstand) zu bewerten. Diese erhielten die Note 9 (von 10) bzw. 10 (von 10). Hierdurch konnte ein Bezugspunkt für den bestmöglichen und schlechtmöglichsten Haltevorgang ermittelt werden.

 

Anschließend wurde die Fahrtreppe mit Hilfe des intelligenten Bremssystems mit verschiedenen Einstellungen zum Halten gebracht, um ein gewisses Wertespektrum für die Abbremsung zu ermitteln.

 

Die maximalen Abbremswerte einiger dieser Tests und die entsprechenden subjektiven Bewertungsfaktoren für den Haltevorgang sind in Tabelle 3 dargestellt.

 

 

Bei jeder Messung wurde der maximale Abbremswert extrahiert und wurden die beiden Werte (d. h. die aus der subjektiven Bewertung stammende Qualitätsbenotung des Haltevorgangs und die maximale Abbremsung) in einem Streudiagramm ausgedruckt. Das sich daraus ergebende Streudiagramm ist in Abb. 8 dargestellt und zeigt einen hohen Korrelationskoeffizienten von 0,89 (d. h., dass 89 % der Veränderung im subjektiven Anhaltekomfort durch die Veränderung im Abbremswert verursacht wurden).

 

 

Diese Ergebnisse zeigen besonders gut, welcher Einfluss der maximale Abbremswert auf die Qualität eines Haltevorgangs hat. Darüber hinaus liegt bei einem intelligenten Bremssystem mit einem Abbremswert von ca. 0,6 m/s² bei Nulllast der entsprechende Wert des Haltekomforts bei ca. 6, während dieser Wert bei einem herkömmlichen Haltevorgang nur bei 1 liegt.

 

 

Es wurden zwei Eignungskriterien eingestellt: eine max. Abbremsung von 1 m/s² und eine max. Veränderung des Abbremswegs von 35 % zwischen Nulllast und Volllast bei einer Abwärtsfahrt.

 

Die Testergebnisse entsprachen dem Eignungskriterium. Die Veränderung beim angestrebten Abbremsweg entspricht dem Veränderungskriterium von 35 %. Der erzielte Bremsweg liegt bei 850 mm unter Nulllast und bei 1100 mm unter Volllast während einer Abwärtsfahrt. Darüber hinaus ist bei einer spezifischen Last und einem spezifischen angestrebten Bremsweg die Wiederholbarkeit sehr gut (ca. 5 bis 10 % Veränderungen beim Bremsweg).

 

Was die Abbremswerte betrifft, so haben sie alle den Eignungstest bestanden (die Werte liegen zwischen 0,7 bei Nulllast und 0,85 m/s² bei Volllast für eine Abwärtsfahrt; Aufwärtsfahrten mit Last unterliegen der Schwerkraft und liegen stets bei rund 1 m/s²).

 

Die Testergebnisse sind grafisch in Abb. 9 (d. h. als Vergleich zwischen den herkömmlich und den mit dem intelligenten Bremssystem herbeigeführten Haltevorgängen bei Nulllast) und in Abb. 10 (d. h. die Veränderung von Nulllast zu Volllast beim intelligenten Bremssystem) dargestellt.