Elektrisch basierte intelligente Fahrtreppen-Bremssysteme

von Kevin Seaborne, Lutfi Al-Sharif und David Austin

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Abstract

Das Bremssystem einer Fahrtreppe ist die wichtigste Sicherheitseinrichtung, da alle anderen Sicherheitseinrichtungen darauf angewiesen sind, um die Fahrtreppe vollständig zum Stillstand zu bringen. Die meisten Rolltreppen verwenden herkömmliche Bremssysteme mit offener Schleife, die unabhängig von der Last auf der Rolltreppe und der Fahrtrichtung dieselbe Bremskraft aufbringen. Dies führt zu großen Schwankungen im Anhalteweg, aber was noch wichtiger ist, es verursacht ein starkes Anhalten unter leichten Lastbedingungen. Die Folge davon ist ein hohes Risiko von Stürzen der Passagiere beim Anhalten mit leichter Last, mit daraus resultierenden Verletzungen. Die europäische Fahrtreppennorm EN 115:2008 schreibt vor, dass der in Fahrtrichtung gemessene Maximalwert der Verzögerung kleiner als 1 m/s2 sein muss. Die Motivation für diese Klausel besteht darin, das Sturzrisiko von Fahrgästen zu verringern. Fahrtreppen des öffentlichen Dienstes befördern eine größere Anzahl von Fahrgästen und sind daher einem höheren Risiko von Fahrgaststürzen und insbesondere Lawinenabstürzen ausgesetzt. Dieses Dokument beschreibt den Entwurf, die Implementierung und das Testen eines elektrisch basierten intelligenten Bremssystems, das auf eine Fahrtreppe des öffentlichen Verkehrs angewendet wird, das das Sturzrisiko von Fahrgästen erheblich reduziert und die Anforderungen der Norm erfüllt. Von besonderer Bedeutung sind die Backup-Systeme und die implementierten Risikobewertungen, um die erforderliche Sicherheit zu gewährleisten und einen sicheren Betrieb im Falle eines Systemausfalls zu gewährleisten.

Einführung

Das Bremssystem innerhalb der Fahrtreppe ist tatsächlich die wichtigste Sicherheitsvorrichtung. Alle anderen elektrischen Sicherheitsfunktionen verlassen sich auf das Bremssystem, um die Fahrtreppe zum Stillstand zu bringen. Der Verlust der Funktionsfähigkeit des Bremssystems hat den Verlust aller anderen elektrischen Sicherheitsfunktionen zur Folge und führt dazu, dass sich innerhalb der Fahrtreppe eine gefährliche Situation entwickelt.

Ein Bremssystem muss zwei widersprüchliche Anforderungen erfüllen: Anhalten der Rolltreppe innerhalb einer akzeptablen Entfernung, um Verletzungen (z. B. Einklemmen von Fahrgästen) zu verhindern, und nicht zu abruptes Anhalten, um Fahrgäste zu stürzen. Dies ist das Dilemma, dem sich der Konstrukteur des Bremssystems gegenübersieht. Bei öffentlichen Fahrtreppen ist dies aufgrund der hohen Fahrgastzahlen (teilweise bis zu 58,000 Fahrgäste pro Tag) noch kritischer [1]. Tatsächlich ist die Hauptmotivation für die Entwicklung intelligenter Bremssysteme für Fahrtreppen (und insbesondere für Fahrtreppen des öffentlichen Dienstes) die Anforderung, das Problem von Fahrgaststürzen aufgrund des abrupten Anhaltens der Fahrtreppe anzugehen.

Es sollte daran erinnert werden, dass die meisten Stopps auf Fahrtreppen ungeplante Stopps sind, normalerweise nach der Aktivierung einer Sicherheitsvorrichtung. Aus diesem Grund erwartet ein Fahrgast, der auf einer Rolltreppe fährt, niemals, dass diese anhält (im Gegensatz zu einem Aufzug, der an jeder Haltestelle anhält). Folglich halten viele Fahrgäste den Handlauf nicht fest, und dieser Punkt erhöht die Wichtigkeit, sicherzustellen, dass die Rolltreppe nicht abrupt anhält.

Dieses Papier beschreibt die Entwicklung und Erprobung eines elektrisch basierten intelligenten Bremssystems für Fahrtreppen des öffentlichen Dienstes. Das System sorgt für einen sanften Stopp bei gleichzeitiger Einhaltung der normativen Bremsweganforderungen für die Volllast in Abwärtsrichtung. Das Design des Systems stellt auch sicher, dass Fehler innerhalb des Systems vorhergesehen werden und nicht zu einer gefährlichen Situation führen.
Das Hauptproblem herkömmlicher Bremssysteme wird im nächsten Abschnitt diskutiert. Die Arten intelligenter Bremssysteme werden dann im folgenden Abschnitt im Überblick dargestellt. Anschließend werden die Vorteile intelligenter Rolltreppenbremssysteme skizziert. Es folgt ein Überblick über das Funktionsprinzip der elektrisch basierten intelligenten Fahrtreppenbremsung und dann die Auslegung und Risikobewertung des Systems. Anschließend werden die Ergebnisse der Baustellentests an den ersten mit dem System ausgestatteten Fahrtreppen vorgestellt.

Konventionelle Bremssysteme versus intelligente Bremssysteme

Die meisten Rolltreppen des öffentlichen Dienstes haben zwei mechanische Bremsen: die Betriebs- und die Hilfsbremse. Die Betriebsbremse wirkt in der Regel auf die Motorwelle. Die Hilfsbremse wirkt direkt auf die Hauptantriebswelle der Rolltreppe (und schützt so vor einem Ausfall der Antriebskette). Diese beiden Bremsen umfassen das derzeitige herkömmliche Bremssystem.

Herkömmliche Fahrtreppen-Bremssysteme bremsen sofort und voll, sobald die Sicherheitsleine unterbrochen wird. Sie verlassen sich auf mechanische Bremsen, um die Rolltreppe zum Stehen zu bringen. Aus offensichtlichen Sicherheitsgründen ist die Bremse immer eine mechanische Bremse, die federbetätigt und kraftbetätigt (entweder hydraulisch oder elektromagnetisch) ist. Die Tatsache, dass die Bremse federbetätigt ist, stellt sicher, dass die Bremse auch im Falle eines Stromausfalls oder eines Ausfalls des Steuerungssystems noch anzieht.

Das Hauptproblem herkömmlicher Bremssysteme besteht darin, dass sie mit einer Reihe unterschiedlicher Parameter fertig werden müssen. Dazu gehören die Fahrtrichtung (auf und ab); Last (keine Last bis Volllast); Verschleiß der Bremsbeläge/-schuhe; Temperaturveränderungen und Verschmutzung der Bremsbeläge/-backen. Die Bremsen sind in der Regel so ausgelegt/eingestellt, dass sie bei Volllast in Abwärtsrichtung so ausgelegt/eingestellt sind, dass der Bremsweg den in der Norm festgelegten Wert nicht überschreitet (z. B. 1500 mm für eine 0.75-m/s-Fahrtreppe).[2] Dieser Aufbau führt jedoch zu einem scharfen Stopp, wenn die Rolltreppe ohne Last angehalten wird, sowie zu einem sehr kurzen Anhalteweg, wenn die Rolltreppe in der Aufwärtsrichtung belastet wird. Einmal eingestellt und eingestellt, ist das von dem herkömmlichen Bremssystem aufgebrachte Drehmoment unabhängig von der Last auf der Rolltreppe oder der Fahrtrichtung dasselbe. Der abrupte Stopp, der sich im Leerlauf ergibt, kann zu Stürzen der Passagiere führen. Wenn die Drehmomenteinstellung des mechanischen Bremssystems reduziert wird, um das abrupte Stoppen zu verringern und das Risiko von Stürzen der Fahrgäste zu beseitigen, wird die Fahrtreppe die volle Last in der Abwärtsrichtung nicht innerhalb des von den Normen festgelegten erforderlichen Bremswegs stoppen .

Dies ist das Dilemma des Fahrtreppenbremssystems. Daher ist die Hauptmotivation für die Entwicklung eines intelligenten Bremssystems die dringende Notwendigkeit, das oben genannte Problem anzugehen und das Risiko von Stürzen der Passagiere zu beseitigen und gleichzeitig die von den Normen vorgeschriebenen Bremswege einzuhalten. Der Zusammenhang zwischen dem Sturzrisiko von Fahrgästen und der Kinematik der haltenden Fahrtreppe wurde in [3] und [7] umfassend untersucht. Es hat sich gezeigt, dass der maximale Verzögerungswert während eines Halts der beste Indikator für das Risiko eines Fahrgaststurzes ist. Die Verwendung des maximalen Verzögerungswertes während eines Halts als Indikator für das Sturzrisiko von Fahrgästen auf einer Fahrtreppe hat sich inzwischen in der Industrie durchgesetzt und ist in die Normen [2] und [4] aufgenommen worden. Der Einsatz intelligenter Bremssysteme ist eine der erfolgreichsten Methoden, um diese maximale Verzögerungsanforderung zu erfüllen.

Ein herkömmliches Bremssystem ist eine Form eines Steuersystems mit offenem Regelkreis, wie in Abbildung 1 gezeigt. Das Drehmoment der Bremse wird auf einen bestimmten Wert eingestellt, und daher würde jede Änderung der „Störungs“-Parameter zu großen Änderungen des Ausgangs führen. Die Ausgabe ist in diesem Fall sowohl der Wert der Verzögerung als auch der Wert des Anhaltewegs.

Intelligente Bremssysteme hingegen bringen das Bremsmoment allmählich über einen Zeitraum auf die Fahrtreppe auf, um ein allmähliches und kontrolliertes Anhalten zu ermöglichen. Die Systeme können so eingestellt werden, dass sie die Verzögerung oder den Gesamtbremsweg konstant halten, die beide miteinander in Beziehung stehen.

Ein intelligentes Bremssystem überwacht den Wert der Variablen, die es zu steuern versucht (in diesem Fall die Geschwindigkeit), während des Bremsvorgangs. Es passt dann kontinuierlich die Bremskraft an, um der eingestellten Geschwindigkeitskurve zu folgen. Selbst wenn eine „Störung“ in das System eingeführt wird (z. B. in Form einer sich ändernden Last), leitet die Rückkopplungsschleife diese Information an das System weiter, und die Bremskraft wird entsprechend angepasst. Dies ist ein Beispiel für ein System mit geschlossenem Kreislauf (Abbildung 2).

Wie aus der obigen Erörterung hervorgeht, erfordert ein intelligentes Bremssystem Mittel zum Variieren des Bremsmoments in Abhängigkeit von den Last- und Richtungsbedingungen, die während eines Bremszyklus vorherrschen. Es gibt zwei verschiedene Technologien, um diese Variation zu erreichen, wie im nächsten Abschnitt beschrieben.

Arten von intelligenten Bremssystemen

Intelligente Bremssysteme fallen im Allgemeinen in zwei Kategorien: auf hydraulischer Basis und auf elektrischer Basis.

Hydraulisch basierte Systeme

Auf Hydraulik basierende Systeme erfordern, dass eine der herkömmlichen Bremsen hydraulisch angehoben wird. Hydraulische Systeme steuern den hydraulischen Druck, der die Bremsbeläge von der Scheibe abhebt. Dies kann entweder unter Verwendung eines linear proportionalen Ventils oder unter Verwendung einer Ein/Aus-Modulation durch Variieren des Tastverhältnisses (dh Ein/Aus-Verhältnis) erfolgen. Hydraulisch basierte intelligente Bremssysteme gehen über den Rahmen dieses Papiers hinaus. Sie werden ausführlicher in [5] diskutiert.

Elektrisch basierte Systeme

Moderne Fahrtreppensteuerungssysteme sind mit drehzahlvariablen Antrieben ausgestattet, die dazu verwendet werden, die Fahrtreppe zu starten und tagsüber mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten laufen zu lassen. Über diesen Antrieb kann auch die intelligente Bremsfunktion realisiert werden. Elektrisch basierte Systeme verwenden den Antrieb mit variabler Geschwindigkeit (normalerweise einen VF-Antrieb), um die Fahrtreppe zum Stillstand zu bringen, und wenden dann die mechanischen Bremsen als Haltevorrichtungen an. In diesem Fall werden die mechanischen Bremsen, die zum herkömmlichen Bremsen verwendet werden, zu reinen Feststellbremsen, sobald die Fahrtreppe zum Stillstand gekommen ist. Der in diesem System verwendete Wechselrichter verwendet keine geschlossene Rückkopplungsschleife und beruht auf der Tatsache, dass der Motor der Geschwindigkeit folgt, die durch die vom Antrieb gesendete Frequenz eingestellt wird.

Vorteile elektrisch basierter intelligenter Bremssysteme

Die Vorteile elektrisch basierter intelligenter Bremssysteme lassen sich in drei Hauptkategorien einteilen:

1. Reduzierung des Sturzrisikos von Passagieren: Der wichtigste Vorteil eines elektrisch basierten intelligenten Bremssystems besteht darin, dass es das Profil der Geschwindigkeits-Zeit-Kurve beim Anhalten genau steuern kann. Dadurch kann das System den Wert der maximalen Verzögerung, die stark mit dem Sturzrisiko der Passagiere korreliert, genau steuern.[3] Diese maximale Verzögerungsanforderung ist auch eine Anforderung der Norm EN 115, und somit gewährleistet das elektrisch basierte intelligente Bremssystem die Einhaltung der europäischen Norm. Es ist anzumerken, dass es aufgrund früherer praktischer Erfahrungen äußerst schwierig ist, eine solche Anforderung mit einem herkömmlichen Bremssystem zu erfüllen.
2. Fähigkeit, zwischen verschiedenen Arten von Sicherheitsvorrichtungsauslösungen zu unterscheiden: Da jeder Sicherheitsvorrichtungsstopp von der programmierbaren Steuerung in Form eines an den Frequenzumrichter gesendeten Signals eingeleitet würde, ist es möglich, den Anhalteweg und den Wert der maximalen Verzögerung zu variieren abhängig von der Art der Sicherheitsvorrichtung, die den Stopp einleitet. Beispielsweise erfordern die Bremsweganforderungen als Reaktion auf das Auslösen eines Kammschalters einen kürzeren Bremsweg im Vergleich zu einem Übergeschwindigkeitsschutzgerät. Im ersteren Fall wird einem kürzeren Anhalteweg der Vorzug gegeben, sofern der Wert der maximalen Verzögerung innerhalb der Grenzen liegt, während im letzteren Fall ein niedriger Wert der maximalen Verzögerung bei längerem Anhalteweg vorzuziehen wäre. Diese Funktion kann als Differenzierter Anhalteweg der Sicherheitseinrichtung (SDDSD) bezeichnet werden. Diese Funktion ist derzeit noch nicht auf diesem System implementiert, wird aber in zukünftigen Versionen berücksichtigt.
3. Da die mechanischen Bremsen nur als Feststellbremsen verwendet werden, ergeben sich dauerhaft geringere Verschleißraten. Dies erfordert jedoch eine regelmäßige Überprüfung der Funktionsfähigkeit der mechanischen Bremsen (z. B. bei der halbjährlichen Inspektion).

Funktionsprinzip elektrisch basierter intelligenter Bremssysteme

Ein Blockdiagramm eines konventionellen Bremssystems ist in Abbildung 3 dargestellt. Die Sicherheitsleitung wirkt direkt auf die letzten Schütze (allerdings über die Kontakte der programmierbaren Steuerung). Sobald eine Sicherheitsvorrichtung auslöst, lösen die Hauptschütze aus und unterbrechen damit die Stromversorgung des Antriebsmotors und ziehen die mechanische Bremse an.

Elektrisch basierte intelligente Bremssysteme hingegen schalten die programmierbare Steuerung zwischen das Ende der Sicherheitsleitung und die Hauptschütze. Wie in Abbildung 4 gezeigt, speist die Sicherheitsleitung ihr Signal in die programmierbare Steuerung ein, wenn ein Stopp erforderlich ist. Die programmierbare Steuerung sendet dann einen „Rampen-Ab“-Befehl an den Wechselrichter und hält das/die Hauptschütz(e) aktiviert, bis die Rolltreppe zum Stillstand gekommen ist, wo sie dann das/die Hauptschütz(e) auslöst und die mechanischen Bremsen als Feststellbremsen anlegt . Als Backup-Funktion werden zwei Sicherheitstimer verwendet, die durch die Unterbrechung der Sicherheitsleine ausgelöst werden und die Bremsen am Ende einer bestimmten Zeit einfallen lassen, unabhängig davon, ob die Fahrtreppe angehalten hat oder nicht.

Die Abfolge der Ereignisse während eines Stopps kann also in den folgenden zwei parallelen Pfaden zusammengefasst werden. Sobald eine Sicherheitsvorrichtung in der Sicherheitsleitung auslöst, wird gleichzeitig ein Signal an die programmierbare Steuerung und das Sicherheitsrelais gesendet. Die programmierbare Steuerung sendet ein Signal an den Antrieb mit variabler Drehzahl, um die Drehzahl herunterzufahren. Sobald die Fahrtreppe zum Stillstand gekommen ist, werden die mechanischen Bremsen als Feststellbremsen betätigt. Während dieser Zeit läuft der Sicherheitstimer ab und betätigt die mechanischen Bremsen, wenn die Fahrtreppe bis zum Ende der festgelegten Zeitspanne nicht zum Stillstand gekommen ist. Dies ist zum Schutz vor einem Ausfall innerhalb der programmierbaren Steuerung oder des Frequenzumrichters erforderlich.

Es ist erwähnenswert, dass die Verwendung des drehzahlvariablen Antriebs als Mittel zum Bremsen kein neues Konzept ist und tatsächlich seit 30 Jahren in Aufzügen verwendet wird. Die Gründe für die Verzögerung bei der Anwendung auf Rolltreppen der Londoner U-Bahn sind jedoch die folgenden:

1. Die Sicherheitsnormen verlangen traditionell, dass die Sicherheitsleitung direkt auf die Hauptschütze wirkt, die den Motor antreiben. Eine solche Anforderung macht es unmöglich, ein elektrisch basierendes intelligentes Bremsen zu verwenden. Diese Anforderung wurde in EN 115:2008 gestrichen und steht der Implementierung des elektrisch basierten intelligenten Bremssystems nicht mehr im Wege. [2, 6] Es besteht ein grundlegender Unterschied zwischen der Verwendung von elektrisch basierten intelligenten Bremssystemen in Aufzügen und Fahrtreppen. Die Mehrheit der Aufzugshaltestellen sind funktionale Haltestellen an Stockwerken, und in diesen Fällen wird die Verwendung einer elektrisch basierten Bremsung von den Normen akzeptiert. Allerdings handelt es sich bei den meisten Stopps einer Fahrtreppe um Stopps mit Sicherheitseinrichtungen, und in diesen Fällen wurde die Verwendung von Bremsen auf elektrischer Basis erst kürzlich durch die Normen zugelassen (wie im vorherigen Punkt erörtert).
2. Die Anforderung an eine hohe Integrität des Gesamtsystems. Es muss sichergestellt werden, dass der Ausfall eines Bauteils nicht zu einer gefährlichen Situation führt. Darauf wurde im nächsten Abschnitt eingegangen.

System-Architektur

Der letzte Abschnitt skizzierte die grundlegende Architektur und das Funktionsprinzip eines grundlegenden elektrisch basierten intelligenten Bremssystems. Dieser Abschnitt analysiert die möglichen Systemarchitekturen im Detail, führt eine allgemeine Risikobewertung durch und empfiehlt zusätzliche Schutzmaßnahmen.

Der gewählte Ansatz ist folgender:

1. Aufbau des Systems aus Basisblöcken und Bewertung des Risikos, das durch den Ausfall eines beliebigen Blocks verursacht wird.
2. Wenn ein einzelner Fehler zu einer gefährlichen Situation führt, muss das System verbessert werden, um ihn zu beseitigen.
3. Die obigen Schritte werden wiederholt, bis keine Einzelfehler mehr vorhanden sind, die zu einer gefährlichen Situation führen.

Der Vorteil, die Systemkomponenten als große Blöcke zu behandeln, vermeidet die Notwendigkeit, die Software innerhalb dieser Blöcke detailliert zu untersuchen. Die Risikobewertung stellt sicher, dass das System jeden Fehler innerhalb des betrachteten Blocks toleriert, unabhängig davon, ob es sich um einen Hardware- oder einen Softwarefehler handelt.

Es ist wichtig zu betonen, dass dieser Ansatz keine Alternative zu einer detaillierten Risikobewertung des Herstellers rund um dieses System darstellt.

Struktur des Systems

Nach mehreren Iterationen wurde eine optimale Architektur für das System gefunden, die weiterhin sicherstellt, dass ein Ausfall in irgendeiner Komponente des Systems nicht zu einer gefährlichen Situation führt. Dieses endgültige System wird in diesem Abschnitt beschrieben.

Die weitere Analyse des im letzten Abschnitt diskutierten Grundsystems zeigt, dass bei Ausfall der Steuerung oder des Antriebs die Fahrtreppe nach Erhalt eines Stoppsignals für ca. 2 s weiterläuft, bis der Sicherheitstimer die Bremsen einlegt. Bei einer Geschwindigkeit von 0.75 m/s beträgt der zusätzlich zurückgelegte Weg 1500 mm, was zu viel ist und zu einer gefährlichen Situation führen kann. Daher wurde die folgende Erweiterung des Systems eingeführt. Alle modernen Fahrtreppensteuersysteme der Londoner U-Bahn umfassen zwei speicherprogrammierbare Steuerungen: die Hauptsteuerung und die Hilfssteuerung. Die beiden Controller erfüllen die Anforderung nach Redundanz bei der Erkennung von Über- und Untergeschwindigkeitsfunktionen von Stufen und Handläufen. Um dies zu tun, empfangen beide Steuerungen unabhängig voneinander das Ist-Geschwindigkeitssignal der Rolltreppe und sind somit ideal platziert, um einen zusätzlichen Prüfmechanismus bereitzustellen, der die im letzten Abschnitt erörterten Beschränkungen des Basissystems angehen könnte.

Jeder Controller überprüft in regelmäßigen Abständen nach dem Auslösen einer Sicherheitseinrichtung die Geschwindigkeit der Fahrtreppe. Die Controller vergleichen die tatsächliche Geschwindigkeit der Rolltreppe mit einer hypothetischen „Hüllkurve“, um sicherzustellen, dass die Rolltreppe langsamer wird. Wenn eine der Steuerungen an irgendeinem Punkt eine Diskrepanz feststellt, löst sie die Hauptschütze aus und wendet die mechanischen Bremsen an. Diese zusätzliche Überprüfung ist in Abbildung 5 als Flussdiagramm dargestellt.

Fig. 5 veranschaulicht auch die verschiedenen Verteidigungslinien (funktional; erste Verteidigungslinie unter Verwendung des Sicherheitszeitgebers; zweite und dritte Verteidigungslinie bereitgestellt durch die Prüffunktion der programmierbaren Steuerung). Dies ist auch im Zeitstrahldiagramm (als Geschwindigkeits-Zeit-Profilkurve) in Bild 6 dargestellt.

Ein Blockdiagramm der verschiedenen Komponenten und Verbindungen des vollständigen Systems ist in Fig. 7 gezeigt. Den Komponenten werden allgemeine Beschreibungen gegeben. Das Blockdiagramm zeigt die zusätzliche Verbindung vom Ende der Sicherheitsleitung zur programmierbaren Hilfssteuerung, um das unabhängige Signal zu liefern, das erforderlich ist, damit die programmierbare Hilfssteuerung die Geschwindigkeitskurvenprüffunktion ausführen kann.

Sicherheitsüberlegung

Aus dem Ansatz zur Entwicklung des Systems ergeben sich drei wesentliche Punkte:

1. Innerhalb des Systems wurde eine Reihe von Verteidigungslinien aufgebaut, um sicherzustellen, dass das System im Falle des Versagens einer Verteidigungslinie auf die nächste Verteidigungslinie zurückgreift.
2. Im Falle eines Ausfalls des elektrisch basierten Bremssystems kann die Steuerung auf ein herkömmliches Bremssystem zurückgreifen.
3. Unabhängig davon muss am System eine FMEA (Fehlermöglichkeits- und Einflussanalyse) durchgeführt werden, um sicherzustellen, dass die folgende Sicherheitsprämisse der EN 115 immer erfüllt ist: Ein einzelner Fehler innerhalb des Systems sollte nicht zu einer gefährlichen Situation führen. Wenn ein Fehler erkannt wurde, sollte das System beim nächsten Zyklus nicht neu starten und ein Fehler ausgelöst werden. [2, 6]

Eine FMEA umfasst die Bewertung aller möglichen Ausfallarten, die Identifizierung der Fehler, die zu einer gefährlichen Situation führen, und die Änderung des Designs, um das durch solche Fehler entstehende Risiko zu eliminieren. Diese FMEA wurde an den elektrischen und mechanischen Teilen des Systems durchgeführt. Als einfaches Beispiel sollte der Verlust der Rückmeldeverbindung nicht zu einer gefährlichen Situation führen und dazu führen, dass das System stoppt und einen Alarm auslöst.

Pass/Fail-Kriterien für elektrisch basierte intelligente Bremssysteme

Die Pass/Fail-Kriterien für jedes Bremssystem fallen in zwei Hauptkategorien: Anhalteweg und maximale Verzögerung während des Anhaltens.

1. Bremsweg: Dieser wird üblicherweise als Mindestwert des Bremswegs ohne Last und als Höchstwert des Bremswegs unter Volllastbedingungen in Abwärtsrichtung angegeben. Beispielsweise beträgt bei einer Nenngeschwindigkeit von 0.75 m/s der minimale Anhalteweg im Leerlauf 400 mm und der maximale Anhalteweg bei Volllast 1500 mm in Abwärtsrichtung.
2. Maximale Verzögerung während des Halts: Die maximale Verzögerung während eines Halts ist der beste Indikator für das Sturzrisiko von Fahrgästen. Dieser ist derzeit auf einen Maximalwert von 1 m/s2 in Fahrtrichtung eingestellt (tiefpassgefiltert bei 4 Hz).

Der Grund für die Anforderung des maximalen Anhaltewegs ist der Schutz der Insassen nach einem Einklemmfall. Der Grund für die Anforderung des Mindestbremswegs ist die Reduzierung des Sturzrisikos von Fahrgästen, obwohl dies eine sehr grobe Methode ist, um dies sicherzustellen. Historisch gesehen ist das zweite Kriterium (dh maximale Verzögerung) eine relativ neue Anforderung. Tatsächlich ist die Verwendung der maximalen Verzögerung ein viel besserer Indikator für das Sturzrisiko von Fahrgästen als der Mindestbremsweg. Die Anforderungen an den Mindestbremsweg bleiben jedoch in den Normen erhalten.

Für ein elektrisch basiertes intelligentes Bremssystem ist das Erreichen des maximalen Verzögerungskriteriums einfach. Da das elektrisch basierte intelligente Bremssystem unter Volllast- und Leerlaufbedingungen effektiv den gleichen Bremsweg erreichen kann, ist es angemessener, das Bremswegkriterium als einen Bremsweg mit einer Toleranz anzugeben. Beispielsweise kann festgestellt werden, dass das System einen Bremsweg von 1100 mm ± 20 mm erreichen kann.

Testergebnisse

Nach dem Entwurf und der Implementierung des Systems wurden im Juli 2009 die ersten Standorttests durchgeführt. Die Ergebnisse der Gewichtstests sind in Tabelle 1 dargestellt Maximaler Verzögerungswert laden (nach dem Gewichtstest).

Die maximalen Verzögerungswerte wurden unter Verwendung des Beschleunigungsmessers an der EVA625-Einheit, hergestellt von PMT, gemessen (mit 256 Abtastungen pro Sekunde abgetastet und mit 4 Hz in der kombinierten X- und Z-Achse in Fahrtrichtung tiefpassgefiltert). Die Werte der maximalen Verzögerungen, die in der Tabelle gezeigt werden, stammen von diesen Beschleunigungsmesserablesungen.

Zusätzlich zum Messwert des Beschleunigungsmessers wurde ein zweites eva625-Gerät verwendet, um die Geschwindigkeits-Zeit-Profile zu Informationszwecken zu messen. Die Geschwindigkeitsprofile wurden unter Verwendung der tragbaren Tachoradeinheit mit dem EVA625-Gerät gemessen. Die Abtastfrequenz des handgehaltenen Tachorads beträgt 64 Abtastungen pro Sekunde. Das Gerät verfügt über einen integrierten Tiefpassfilter von 4 Hz.

Die durch die Verwendung des handgehaltenen Tachorads erfassten Geschwindigkeits-Zeit-Profile geben einen guten Überblick über die Vorteile der Verwendung des elektrisch basierten Bremsens im Vergleich zu den herkömmlichen Bremsen. Die Hand-Tachorad-Messwerte haben den Vorteil, dass sie zeitbezogene Messwerte in Bezug auf die Einleitung eines Stopps liefern, obwohl sie eher vom Handlauf als vom Stufenband abgenommen werden (und daher eine geringere Genauigkeit bieten). Der lastabhängige Verlauf des Anhaltegeschwindigkeits-Zeitprofils ist in Bild 8 für die Hilfsbremse und in Bild 9 für die Betriebsbremse deutlich zu erkennen. Wie in Abbildung 10 gezeigt, gibt es jedoch nur sehr geringe Abweichungen im Geschwindigkeits-Zeit-Profil und im Anhalteweg unter verschiedenen Lastbedingungen, wenn die Fahrtreppe unter dem Einfluss des Wechselrichters angehalten wird. Dies ist ein hervorragendes Ergebnis und rechtfertigt die Verwendung des Frequenzumrichters als Basis für das intelligente Bremssystem der Fahrtreppe. Der Bremsweg unter allen Lastbedingungen beträgt etwa 1100 mm.

Es ist jedoch wichtig zu beachten, dass am Ende der Umrichterbremsperiode bei allen Lasten ein gewisser Schlupf auftritt, wie in Abbildung 10 gezeigt. Es wird eine gewisse Feinabstimmung durchgeführt, um diesen Schlupf zu beseitigen.

Das wichtige Ergebnis aus der Tabelle ist der niedrige Wert der maximalen Verzögerung mit dem elektrisch basierten intelligenten Bremsen (weniger als 0.5 m/s2). Auch das ist ein hervorragendes Ergebnis und zeigt den Erfolg des elektrisch basierten intelligenten Bremssystems.

Arten von Haltestellen

Wie in den vorherigen Abschnitten besprochen, greift das System im Falle eines Ausfalls des elektrisch basierten Bremssystems auf einen herkömmlichen mechanischen Bremsstopp zurück. Wenn der Umrichter beispielsweise eine Anweisung erhält, die Fahrtreppe zu verlangsamen und anzuhalten, dies jedoch nicht tut, veranlasst das System, dass die mechanische(n) Bremse(n) angezogen werden.

Die Tatsache, dass das System in bestimmten geplanten oder ungeplanten Fällen auf die mechanischen Bremsen zurückgreifen könnte, um die Rolltreppe anzuhalten, hat die Klassifizierung der Arten von Stopps erforderlich gemacht, unter denen die Rolltreppe anhält. Diese werden im Folgenden beschrieben:

• Stopp Typ I: Die Fahrtreppe wird unter dem Einfluss des Umrichters gestoppt. Dies wäre die erwartete Art von Stopp unter normalen Stoppbedingungen. Dies kann auch als kontrollierte Art des Stopps angesehen werden.
• Stopp Typ II: Die Fahrtreppe wird unter dem Einfluss der Betriebsbremse angehalten, wobei eine Verzögerung auf das Anlegen der Hilfsbremse angewendet wird. Dieser Stopp erfolgt normalerweise, wenn das elektrisch basierte Bremssystem ausfällt.
• Stopp Typ III: Die Fahrtreppe wird sowohl unter dem Einfluss der Betriebsbremse als auch der Hilfsbremse (ohne Verzögerung) gestoppt. Dieser Stopp erfolgt nach der Aktivierung bestimmter Arten von Sicherheitsvorrichtungen (z. B. Stufenband-Übergeschwindigkeit).

Schlussfolgerungen

Elektrisch basierte intelligente Bremssysteme verwenden den Antrieb mit variabler Geschwindigkeit, um die Rolltreppe zu verlangsamen und zum Stillstand zu bringen. Der Hauptvorteil intelligenter Bremssysteme besteht darin, dass sie das Risiko von Fahrgaststürzen aufgrund ungeplanter Stopps reduzieren oder sogar eliminieren können. Sie bieten auch den potenziellen Vorteil, beim Bremsweg zwischen verschiedenen Arten von Sicherheitseinrichtungen zu unterscheiden.

An einem generischen intelligenten Bremssystem auf elektrischer Basis wurde eine Systemanalyse und Risikobewertung durchgeführt. Das System wurde schrittweise verbessert, um potenzielle Single-Point-Ausfälle zu eliminieren. Das endgültige System verfügt über drei Verteidigungslinien zum Schutz vor Fehlern, die zu einer gefährlichen Situation führen.

Die Anforderungen von EN 115:2008 wurden anhand des elektrisch basierten intelligenten Bremssystems bewertet, um zu bestätigen, dass sie deren Verwendung nicht verhindern.

Das endgültige System wurde vor Ort getestet. Die Ergebnisse zeigen deutlich, dass das elektrisch basierte intelligente Bremssystem eine ideale Lösung ist, um die Schwankungen des Bremswegs bei Laständerungen zu bewältigen und das Risiko von Stürzen der Passagiere zu verringern. Das System hat erfolgreich Schwankungen zwischen Volllast und Leerlauf eliminiert und den maximalen Verzögerungswert während eines Stopps mit geringer Last auf etwa 0.5 m/s2 reduziert, was deutlich unter dem maximal zulässigen Wert von 1 m/s2 liegt.

Die Verwendung eines Umrichterantriebs ist grundlegend für die Implementierung elektrisch basierter intelligenter Bremssysteme. Wenn der Wechselrichter bereits im Steuersystem vorhanden ist, werden die zusätzlichen Kosten für die Implementierung des elektrisch basierten intelligenten Bremssystems bei weitem durch die Sicherheitsvorteile in Bezug auf die Verringerung oder Beseitigung des Sturzrisikos von Fahrgästen aufgrund ungeplanter Stopps aufgewogen.

Wissen

Die Autoren würdigen den Beitrag des Kunden für dieses Projekt, London Underground Ltd., der diese Arbeit unterstützt hat, und KONE Escalators UK, die das elektrisch basierte intelligente Bremssystem geliefert und installiert haben.

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Referenzen

[1] Lutfi Al-Sharif, „Asset Management of Public Service Escalators“, Elevator Technology 9, Proceeding of the International Conference on Elevator Technology (Elevcon '98) Zürich, Schweiz, Oktober 1998.

[2] BSI, „BS EN-115: 2008, Sicherheit von Fahrtreppen und Fahrsteigen, Teil 1: Konstruktion und Installation.“ 2008.

[3] Lutfi Al-Sharif, „Experimentelle Untersuchung des Zusammenhangs zwischen dem Fahrgastkomfort auf einer anhaltenden Rolltreppe und der Kinematik des Stopps“, Proceedings der 6. Jordanischen Internationalen Konferenz für Maschinenbau (JIMEC'6), 22. - 24. Oktober 2007, Amman – Jordanien.

[4] ASME, „ASME A17.1-1993: Sicherheitscode für Aufzüge und Fahrtreppen“, The American Society of Mechanical Engineers, 1993.

[5] Lutfi Al-Sharif, „Intelligent Braking Systems for Public Service Escalators“, Proceedings of the 1st International Conference Building Electrical Technology Professional Network (BETNET) Conference, BETNET 2004, Oktober 2004, Hongkong, China.

[6] CEN, „EN115, Sicherheitsregeln für die Konstruktion und Installation von Fahrtreppen und Fahrsteigen“, 1995.

[7] Wolfgang Stein & Reiner Ludwig „Bremsen für Fahrtreppen und Fahrsteige“, Lift Report, Jahrgang 29, Heft 1/2003.

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Dieser Weiterbildungsartikel erscheint in Bildungsschwerpunkt, Band 3, die bei Elevator Books zu finden sind