Sponsor
Sponsor
Yenilikçi Elektrik Sistemlerini Sürdürmek için Sistem Analizi ve Mimari Metodolojileri
Sponsor
Daryl J. Marvin, Dang V. Nguyen, Peter Herkel ve Dirk H. Tegtmeier tarafından
Bu bildiri şu adreste sunuldu: Paris 2014, Uluslararası Dikey Taşıma Teknolojileri Kongresi ve ilk olarak IAEE kitabında yayınlandı Asansör Teknolojisi 20, A. Lustig tarafından düzenlendi. Uluslararası Asansör Mühendisleri Birliği'nin izniyle yeniden basılmıştır. (İnternet sitesi: www.elevcon.com). Bu makale tam olarak yeniden basılmıştır ve ELEVATOR WORLD tarafından düzenlenmemiştir.
ÖZET
Gereksinimler, kısıtlamalar veya müşteri beklentileri değiştiğinde, istenen asansör elektrik sistemi konfigürasyonu üzerinde önemli bir etkisi olabilir. Bu değişiklikler, küresel veya bölgesel eğilimlerin (örn. çevresel duyarlılık), yeni temel sistem gereksinimlerinin (örn. süper yüksek binalar), kodun (örn. Programlanabilir Elektronik Güvenlik) veya teknolojik ilerlemenin bir sonucu olabilir. Sistem analizi ve mimari metodolojilerin doğru kullanımıyla, müşteri beklentilerini karşılayan ve aşan yenilikçi elektrik sistemi tasarımları gerçekleştirilebilir.
Bu sürecin sonuçları birkaç vaka çalışmasıyla gösterilecektir.
- Süper yüksek katlı elektrik sistemi
- Optimize edilmiş makine dairesiz mimari
- Pille çalışan asansör
1. GİRİŞ
Bir asansör ürününün elektrik sistem mimarisi bir kez kurulduktan sonra tipik olarak hızlı bir şekilde değişmez. Gereksinimler ve müşteri ihtiyaçları zaman içinde geliştikçe, geleneksel yaklaşım, yeni pazar taleplerini karşılamak için bu değişiklikleri aşamalı olarak uygulamaya koymaktır.
Bu “aşağıdan yukarıya” yaklaşım düşük riskli ve arayüz değişikliklerini en aza indirirken, sonuçta ortaya çıkan elektrik sistemi mimarileri ve ürünleri optimalin altında olma eğilimindedir.
Alternatif yöntem, elektrik sistemini “yukarıdan aşağıya” bir yaklaşım kullanarak inşa etmektir. Bu yaklaşım, müşteri için önemli ölçüde artan değerlere sahip ürünlerle sonuçlanırken, sistemin mimarisi için daha yapılandırılmış ve analitik bir süreç gerektirir.
Bu makalenin sonraki bölümleri, elektrik sistemi mimari süreci için faydalı olan yöntem ve araçların bir özetini verecektir. Ayrıca ortaya çıkan üç asansör elektrik sistemi vaka çalışmaları olarak detaylı olarak incelenecektir.
2. YÖNTEMLER VE ARAÇLAR
İstenen bir mimarinin yaratılmasına yardımcı olmak için var olan birçok yapılandırılmış metodoloji ve araç vardır. Temel olarak, bu metodolojiler, ampirik bir tasarım yaklaşımı üzerinde sistematik bir yaklaşımı benimser. Bu metodolojilerin temel adımlarından bazıları şunlardır:
- Önemli paydaşlardan gelen ihtiyaçların anlaşılması
– Halka açık sürme
– Bina sahipleri
- Genel müteahhitler
– Kod yetkilileri
- Belirlemek İşlevsel gereksinimler müşteri ihtiyaçlarından
- Fonksiyonel Ayrışma sistemin daha detaylı fonksiyonel ihtiyaçlarını belirlemek için
- Fonksiyonel Sentez Belirli bir kritere göre işlevleri gruplandırmak
- Fiziksel Haritalamaya İşlevsel işlevleri fiziksel varlıklara tahsis etmek
Yukarıdaki yaklaşımda merkezi bir fikir düşünmektir işlevsel olarak ürünleri tasarlarken (Suh 2001). Bu, müşteri ihtiyaçlarını bir dizi spesifikasyona veya işlevsel gereksinimlere dönüştürmeye yardımcı olacaktır. İşlevsel Gereksinimler “ne elde etmek istediğimizdir” ve tasarım eylemi, bunları fiziksel alandaki tasarım parametreleriyle eşleştirmektir (“bunu nasıl başaracağız”).
Tasarım metodolojilerinin bir diğer göze çarpan özelliği, prensip temelli olmalarıdır. Yani, iyi mimariler tasarlamak için uygulanabilecek genel ilkeler veya aksiyomlar mevcuttur. Bunun bir örneği, Bağımsızlık Aksiyomu ve Bilgi Aksiyomu'dur (Suh 2001). Bağımsızlık Aksiyomu, tasarım çözümünün işlevsel gereksinimlerin bağımsızlığını koruması gerektiğini belirtir. Fiziksel alandaki bir işlevsel gereksinimi karşılayan bir tasarım parametresi, başka bir işlevsel gereksinimi etkileyemez.
Bilgi Aksiyomu, tasarımın bilgi içeriğinin en aza indirilmesi gerektiğini belirtir. Bu aksiyoma bakmanın bir başka yolu, yukarıdaki fonksiyonel sentez adımına uygulandığı gibi, fonksiyonları, diğer fonksiyon gruplamaları ile arayüz en aza indirilecek şekilde birlikte gruplamaktır. Bağımsızlık Aksiyomunu karşılayan çoklu tasarımlar için, Bilgi Aksiyomunu da karşılayan tasarım en iyi tasarım olarak kabul edilir.
İşlevselden fiziksele eşleme süreci aynı zamanda mevcut alan, bileşen erişim gereksinimleri vb. gibi sistemin ek fiziksel gereksinimlerini de dikkate almalıdır. Bu süreç gerçekleştirilirken, çoğu zaman bu işlemi gerçekleştirmek için gerekli olduğu görülen ek işlevler vardır. sistem amacına ulaşmak için.
Örneğin, bir asansör elektrik sisteminde, fiziksel olarak farklı konumlarda olması gereken işlevsel olarak ilgili öğelere (asansör talep armatürleri ve sevk memuru gibi) sahip olmak yaygındır. Ek iletişim ve güç bağlantıları için ek işlevsel gereksinimler vardır.
Yukarıda açıklanan yöntemler, analiz ve modellemede çeşitli bilgisayar tabanlı araçların kullanılmasıyla artırılır. Süper Yüksek Katlı Elektrik Sistemi örneğinde gösterildiği gibi, elektrik sisteminin iletişim mimarisindeki radikal değişiklik nedeniyle sistem performansını değerlendirmek için modelleme gereklidir. Ek olarak, çok sayıda düğüm nedeniyle tam ölçekli sistemin fiziksel prototipini oluşturmak mümkün değildir.
3. DURUM ÇALIŞMALARI
3.1 Süper Yüksek Katlı Elektrik Sistemi
3.1.1 Challenge
Yüksek katlı asansör sistemlerinde elektrik sisteminin karmaşıklığının büyüklüğü çok yüksektir. Artan grup büyüklüğü, artan artış/kat sayısı ve hızın birleşimi, özellikle dünyanın en yüksek binalarının yüksekliği artmaya devam ederken, önemli zorluklar ortaya çıkarmaktadır. Bu zorluklardan bazıları şunlardır:
- Hareketli kablonun ağırlığı ve ilgili sistem etkisi
- Salon armatürleri ve güvenlik cihazlarıyla (örneğin kapı kilitleri) düğüm sayısı ve toplam iletişim uzunluğu
- Tüm sistemin boyutu ve kapsamı ile bakım ve servisin karmaşıklığı
3.1.2 Teknik Yaklaşım
Geleneksel asansör elektrik sistemlerinde, özellikle bilgi güvenlikle ilgiliyse, ayrık arayüzler hala baskın sinyalizasyon yöntemidir. Asansör kodundaki (Programlanabilir Elektronik Güvenlik) ve teknolojideki (düşük maliyetli veri yolu iletişim arayüzü) son gelişmeler, güvenlikle ilgili sinyaller için kullanılan ayrı kabloları ortadan kaldırmak için CAN veriyolu tabanlı bir mimarinin uygulanmasına izin verdi. Bu yaklaşımın yukarıda sıralanan bazı zorlukları çözmede avantajları olsa da, veri yolu tabanlı mimarinin, paylaşılan işleme ve iletişim kaynakları nedeniyle sinyal gecikmesi ve sistem performansı üzerinde potansiyel etkisi vardır.
Şekil 1, elektrik sistemi içinde hem güvenlik hem de güvenlikle ilgili olmayan mesajları iletmek için kullanılan veri yolu yapısının bir alt kümesini göstermektedir. Asansör kabinindeki Güvenlik Arayüzü Kartı, kabin üzerindeki güvenlikle ilgili tüm ayrı sinyalleri toplar ve işler ve bunları Kontrolördeki Güvenlik Alt Sistemine iletir. Denetleyicideki Güvenlik Alt Sistemi, güvenlikle ilgili tüm sinyalleri diğer tüm modüllere göndermeden önce nitelendirir.
Yük tartımı ve kontrolör gibi diğer tüm güvenlik dışı modüller de aynı CAN veriyolu üzerinden iletişim kurar. Böyle bir elektrik sistemi çözümünü başarılı bir şekilde dağıtmak için, hem güvenlik hem de güvenlikle ilgili olmayan mesajların aynı fiziksel veri yolu üzerinde iletilmesinin etkisini değerlendirebilmek çok önemlidir.
3.1.3 Kritik Analiz
Yüksek Katlı Elektrik Sisteminin kritik parametre performansını değerlendirmek için iletişim sistemi mimarisini analiz etmek ve keşfetmek için bir çerçeve geliştirilmiştir (Ferrari 2012). Çerçeve, SystemC kullanılarak geliştirilen olay tabanlı bir simülasyon ortamından, donanım ve yazılım iletişim bileşenlerinin kitaplıklarından, MatLab®'den uygulama modelini içe aktarmak için araçlardan ve sistem topolojisini tanımlama ve yapılandırma aracından oluşur.
Araba CAN veri yolu ve Sürücü CAN veri yolunun model topolojisi Şekil 2'de gösterilmiştir. Her modül, uygulama davranışını (FUNC_NODE), CAN Yığını (CAN_Stack), CAN Sürücüsü (CAN_Driver) ve CAN denetleyici donanımını temsil eden bir işlevsel öğeler koleksiyonu içerir. (CAN_Controller). Bireysel modüllere ek olarak, her bir CAN veri yolu da işlevsel bir eleman olarak modellenir ve her modülden CAN veriyoluna bağlantılar kullanıcı tarafından tanımlanır. Modelin yürütülmesinden önce tanımlanan diğer parametreler, CAN veri yolu hızı, giriş uyaranları (araba çağrıları), mesaj varış hızı ve mesaj son hattını içerir.
Modelleme çerçevesi, farklı sistem mimarisi konfigürasyonlarını ve ağ topolojilerini keşfetmek için esnek bir yol sağlar. Gerçek asansör veriyolu mesajlarının simülasyonu, mimari kararların nicel bir değerlendirmesine izin verir. Ayrıca, artan araba hızı ve bina yükselişi (daha uzun otobüs uzunluğu) modellenerek sistemin limiti değerlendirilebilir. Mesaj gelme oranları, artan araç hızı ile artar ve bu da daha yüksek otobüs kullanımı ile sonuçlanır.
İlk geliştirme sırasında simülasyon, kuyruk taşması ve bırakılan mesajlarla ilgili olası sorunları gösterdi; bu sorunlar daha sonra laboratuvar verileriyle doğrulandı. Mesajlaşma çerçevesinin yapılandırmasında bu sorunları çözen müteakip değişiklikler yapıldı ve bu aynı modelleme çerçevesi kullanılarak değerlendirildi ve laboratuvar verileriyle doğrulandı.
3.1.4 Müşteri Avantajları
Yazılımda uygulanan güvenlik işlevlerine sahip olarak ve hem güvenlikle ilgili hem de güvenlikle ilgili olmayan bilgilerin iletişimi için bir ağ topolojisi kullanarak birçok fayda sağlandı. Ayrık kablolamadaki önemli azalma, daha düşük tahrik gücü ve sonuçta daha yüksek sistem enerji verimliliği de dahil olmak üzere birçok faydalı sistem etkisine sahip olan daha düşük hareketli kablo ağırlığına izin verdi. Katı hal güvenlik zincirinde kullanılan daha yüksek güvenilirlik bileşenleri, sistem kullanılabilirliğini artırır. Cihazların atlanmasını iyi kontrol eden ek işlevler de uygulandı. Bu sistemde, bu "akıllı atlama telleri", doğası gereği geçici olacak şekilde oluşturulmuş bir yazılım aracılığıyla uygulanır ve bu nedenle yanlışlıkla yerinde bırakılması mümkün değildir. Bir modelleme çerçevesi, kritik performans parametrelerini modelleme ve simüle etme yeteneği sağladı, bu da böyle bir elektrik sistemi mimarisinin etkin bir şekilde tasarlanmasına ve yüksek güven ve güvenilirlikle sunulmasına izin verdi.
3.2 Optimize Makine Dairesiz Mimari
3.2.1 Challenge
Makine dairesiz asansörler, düşük ve orta seviye uygulamalar için Avrupa'daki en büyük pazardır. Birçok asansördeki kontrol mimarisi, orijinal olarak makine daireli asansörler için tasarlanmış mimariye dayanmaktadır. Makine dairesiz asansörlerin ek gereksinimlerini karşılamak için değişiklikler yapılmış olsa da, kontrol mimarisi müşterilerin bugün talep ettiği gereksinimlerdeki değişikliklere ayak uyduramadı:
- Girişlerin estetik etkisi yok
- Asansör boşluğunun artan kullanımı
- Güç tüketimi için hassasiyet
- Karartma durumunda yetenek
3.2.2 Mevcut Durum
Daha önce makine dairesi içindeki kontrol kabininde bulunan kontrol elemanları, makine dairesiz bir asansörde uygulanmaları için asansör kuyusu ve girişlerden birine dağıtılmıştır.
Bu, kontrol mimarisini değişen müşteri gereksinimleriyle eşleştirmek için büyük engeller olarak tanımlanan birkaç noktaya yol açmıştır.
- Sinyal iletimi, farklı kanal ve topolojilerin bir karışımı ile yapılır.
- Eski merkezi güç kaynağı çeşitli dönüşüm noktalarına bölünmüştür.
Elektrik kesintisi durumunda acil durum ve kurtarma operasyonu için yedek güç kaynağı, güç mimarisine karmaşıklık kattı
3.2.3 Teknik Çözüm
Optimize edilmiş bir kontrol mimarisi tanımlamak için daha önce açıklanan araçlar ve yöntemler uygulandı. Sonuç, elektrik sisteminin ana bileşenleri arasında işlevlerin yeniden tahsisidir. Optimizasyon stratejisi iki unsura odaklandı:
- Sinyal mimarisinin basitleştirilmesi
- Güç mimarisinin basitleştirilmesi
- İşlevselliğin fiziksel konumunun optimizasyonu
Serileştirme ile basit bir sinyal mimarisi elde edildi
- Seri veri yolu sistemi ile ayrık sinyal kablolarının değiştirilmesi
- Seri veri yolu topolojisi tanımlama
- Kontrol sisteminin tüm ana bileşenlerine seri veri yolunun uygulanması
- Bileşenler arasında geliştirilmiş bilgi alışverişi sayesinde ek faydalar
Basit bir güç mimarisi şu şekilde elde edildi:
- Merkezi sistem güç kaynağının kurulması
- Seri veri yolu topolojisi tanımlama
- Merkezi sistem gücünün bir parçası olarak yedek pilin dahil edilmesi
- Daha yüksek verimlilik ve boyut küçültme ile ek avantajlar
İşlevselliğin fiziksel konumunun optimize edilmesi, bazı işlevlerin denetleyiciden araca taşınmasıyla sonuçlandı. Bunun sonucunda:
- Hareketli kabloda sinyalizasyon gereksinimlerinde azalma
- Kontrolörde gerekli olan alanda azalma
3.2.4 Müşteri Avantajları
Ortaya çıkan faydalar
- Minimal estetik etki: Servis ve bakım cihazları küçük kapı kolonuna monte edilmiştir; özel bir kontrol kabini gerekli değildir.
- Asansör boşluğunun iyileştirilmiş kullanımı: Asansör boşluğu ekipmanı paketi hem hacim hem de derinlik açısından azaltılmıştır.
- Bekleme modunda güç tüketiminin azaltılması: Odak noktası, VDI 4707 sınıf A'ya ulaşmaktır (VDI Standard, 2009).
- Otomatik ve manuel kurtarma entegrasyonu: Tam otomatik kurtarma operasyonu sağlamak için yalnızca küçük ek bileşenler gereklidir.
3.3 Pille Çalışan Asansör
3.3.1 Challenge
Son yıllarda, güç kaynağı kararlılığının asansör işletimi üzerindeki etkisine artan bir şekilde odaklanıldı.
Şekil 5, seçilen Avrupa ülkeleri için Sistem Ortalama Kesinti Sıklığına (SAIFI) genel bir bakış sunar (CEER, 2014). Görüldüğü gibi SAIFI 0.3 ile 4 (yıllık kesinti) aralığındadır.
Bu değerler düşük gibi görünse de bir asansör için acil kurtarma operasyonu sağlayan ürünler vardı ve mevcut. Bu ürünler geleneksel olarak hem yer kaplayan hem de maliyetli olan ayrı sistemler kullanır. Müşterinin bu konuya odaklanmasından hareketle, otomatik kurtarma işlevleri, kontrol bileşenleri için önemli ölçüde daha fazla alan gerektirmeden en yeni ürün sürümlerine entegre edilmiştir. Bu entegre yaklaşımın ana kolaylaştırıcıları şunlardır:
- Daimi Mıknatıslı Senkron Motorlu Dişlisiz Sürücüler
- Rejeneratif sürücüler tarafından genişletilmiş kontrol yetenekleri
- Kontrol/sürücü sistemi içindeki voltajların standardizasyonu
- Kurtarma operasyonu için yerçekimi tahrikli araba yönünü kullanma
- Sınırlı sayıda kurtarma çalışması/yıl
Diğer bölgelerde, özellikle gelişmekte olan ülkelerde, güç kaynağı istikrarı durumu oldukça farklıdır.
Şekil 6, Hindistan'daki farklı bölgeler için Otis Field mühendislerinden toplanan verileri göstermektedir. Çalışma deneysel olmasına rağmen, Avrupa verilerinden bazı önemli farklılıklar açıkça göstermektedir.
- Bu grafikteki elektrik kesintileri yıllık değil günlüktür
- Çoğu bölgede günde tek haneli elektrik kesintileri yaşanıyor
3.3.2 Teknik Çözüm
Güç kalitesi konusunda artan ihtiyaçlara çözüm sağlamak için farklı bir yaklaşım kullanılmıştır. Pil destekli asansörü kademeli olarak geliştirmeye devam etmek (yani Otomatik Kurtarma Operasyonu) yerine, istenen mimari tamamen pille çalışan bir asansördür (yani sorunsuz çalışma).
Bu mimarinin, asansörü sürmek için gereken akü voltajı seviyesi ile motor voltajı arasındaki uzlaşma gibi çeşitli zorlukları olsa da, sonuçta ortaya çıkan birçok müşteri avantajı vardır.
- Elektrik kesintisinde otonom, sorunsuz çalışma
- Tek fazlı besleme
- Tepe tıraşı (sadece şebekeden gelen ortalama güç)
- Alternatif enerji kaynaklarına uyumlu
Bu özellikler, bu pille çalışan asansörü, çok dengesiz elektrik şebekesi koşullarının olduğu alanlarda müşteri beklentilerini karşılamaya uygun bir aday yapmaktadır. Tek fazlı besleme ve tepe tıraşlama da bazı alanlarda standart 3 fazlı asansörlere göre maliyet avantajı sağlar.
Ek olarak, pille çalışan asansörün güneş pilleri veya yel değirmenleri gibi alternatif enerji kaynaklarını kullanacak şekilde genişletilmesi, enerji depolama ve yönetim kabiliyeti zaten ürüne dahil edildiğinden çok basittir.
4. SONUÇLAR
Sistem analizi ve mimari metodolojilerin doğru kullanımıyla, müşteri beklentilerini karşılayan ve aşan yenilikçi elektrik sistemi tasarımları gerçekleştirilebilir. Ele alınan zorluklara bağlı olarak, genellikle temelde farklı çözümler gerekir.
Bu, süper yüksek asansörler, alçak makine dairesiz asansörler ve pille çalışan asansörler arasında değişen çeşitli vaka incelemelerinde gösterilmiştir. Bu analiz ve mimari metodolojilerini kullanmaya devam ederek, gelecekteki gereksinimler, kısıtlamalar ve müşteri ihtiyaçları başarıyla ele alınmaya devam edilecektir.