Control de movimiento inteligente para el futuro de las escaleras mecánicas

Las nuevas tecnologías prometen un nuevo estándar de eficiencia en escaleras mecánicas, ahorro de energía, seguridad y comodidad.

por Christian-Erik Thoeny y Ruan WeiMin

Este trabajo fue presentado en  Madrid 2016, el Congreso Internacional de Tecnologías de Transporte Vertical, y publicado por primera vez en el libro de la IAEE Tecnología de ascensores 21, editado por A. Lustig. Es una reimpresión con permiso de la Asociación Internacional de Ingenieros de Ascensores.  (sitio web: www.elevcon.com).

Las escaleras mecánicas son un componente importante de la infraestructura. Para ahorrar energía, se reduce la velocidad de las escaleras mecánicas o se detiene el movimiento durante las horas de menor actividad. En tales casos, es evidente la detección confiable de pasajeros que tengan la intención de usar la escalera mecánica. Una solución de sensor revolucionaria basada en el tiempo de vuelo (TOF), sin contacto y sin desgaste, garantiza una detección confiable de personas, independientemente de la ropa que se use. Además, el uso de una tecnología TOF basada en el sensor TOFstart permite el manejo del tráfico cruzado o incluso el monitoreo de multitudes, lo que aumenta la eficiencia y evita situaciones peligrosas.

1. Introducción

Las escaleras mecánicas juegan un papel esencial en el movimiento masivo de personas. Este papel aumenta continuamente con el crecimiento de los edificios públicos, los centros comerciales y las instalaciones de transporte, debido a la urbanización en curso en las ciudades y aglomeraciones.

En el lapso de 20 años, el equilibrio urbano / rural habrá cambiado fundamentalmente, del 45% de las personas que viven en ciudades (1998) al 55% (Figura 1) que viven en áreas urbanas en 2018. Este proceso continuará durante el futuro previsible.

Es obvio que este cambio requiere importantes mejoras en cuanto a eficiencia energética, monitorización, seguridad, rendimiento y control preciso de todo tipo de maquinaria involucrada en el movimiento de personas. Esto es especialmente cierto para las escaleras mecánicas, que mueven masas de personas todos los días. Por esta razón, los fabricantes de ascensores y escaleras mecánicas están invirtiendo significativamente en I + D.

Los sensores son el requisito previo omnipresente y la base de información para cada función de control. Por un lado, el número de máquinas aumenta continuamente y, por otro lado, el rendimiento de dicha maquinaria también debe mejorarse drásticamente. Como consecuencia, la demanda de sensores está creciendo más rápido que la mayoría de los demás componentes de la industria.

 El mercado total de sensores, que abarca todo, desde los tipos mecánicos hasta los de radar, crecerá pronto a una magnitud de 200 millones de euros (213.5 millones de dólares estadounidenses).

El crecimiento de los sensores optoelectrónicos en este mercado es excesivo. En 2006, ocupaba alrededor del 25%; en 2016, la cifra superó el 30%.

Un factor importante en el crecimiento de los sensores ópticos es sin duda el nivel significativamente mayor de inteligencia involucrado. A diferencia de otros métodos, estos sensores proporcionan datos de varios ejes. Esto cubre mucha más información (condensada) para el control inteligente y la monitorización de la maquinaria.

Las escaleras mecánicas, ya sean instalaciones únicas o clústeres multinivel combinados (Figura 3), involucran muchas funciones de control y monitoreo.

El usuario final puede ahorrar una gran cantidad de energía y obtener los mayores beneficios de su maquinaria de movimiento de personas cuando la inteligencia del control de las escaleras mecánicas es del tipo más reciente y de última generación.

CEDES, junto con un importante proveedor de escaleras mecánicas, ha desarrollado una nueva generación de controles que permite otro nivel de eficiencia y ahorro de energía.

2. Sensor de arranque y parada de escaleras mecánicas TOF / EsPDS

La última escalera mecánica de última generación debe iniciarse y detenerse de tal manera que se utilice la menor cantidad de energía, sin dejar de ofrecer un rendimiento que genere el mayor rendimiento posible. Esto solo se puede hacer con datos suficientes e inteligentes proporcionados por sensores inteligentes. El sensor TOF multieje compacto y disruptivo de CEDES, el TOF / EsPDS (Figura 4), ofrece dicha inteligencia a la velocidad de fotogramas requerida.

El sensor TOF / EsPDS emite luz infrarroja cercana modulada (longitud de onda de 850 o 940 nm), que es reflejada por un objeto. El objeto puede ser un ser humano o un poste fijo o un riel. Como no se trata simplemente de un solo haz, sino de muchos haces que cubren un área definida, se puede realizar un cálculo inteligente. En efecto, una “alfombra virtual” se extiende de forma definida frente a la escalera mecánica.

El sensor (Figura 5) es compacto (52 X 44 X 34 mm) y se adapta a cualquier lugar de montaje adecuado en la escalera mecánica. El área de detección es versátil y lo suficientemente grande como para cubrir el espacio necesario para manejar adecuadamente el tráfico de pasajeros.

2.1. Función de inicio TOF / EsPDS

El TOF / EsPDS detecta posibles pasajeros que se acercan a una escalera mecánica. Inicia la escalera mecánica para dormir que ahorra energía y la acelera a tiempo para que puedan subir a bordo de manera cómoda y segura. Después de un tiempo especificado, la escalera mecánica vuelve al modo de suspensión.

Los obstáculos fijos, como rieles y postes, pueden eliminarse simplemente en el proceso de calibración. El área activa (Figura 6) queda así claramente definida y la función se limita a ella.

Debido al volumen de datos de varios ejes, la función de inicio es más inteligente que solo proporcionar un inicio y una parada. El tráfico cruzado (gente que pasa y activa continuamente la escalera mecánica) perjudica en gran medida la eficiencia de la escalera mecánica. El TOF / EsPDS puede detectar el vector que camina de las personas, lo que significa que puede "ver" si el posible pasajero de la escalera mecánica tiene la intención de pisarlo o no. ¿Magia? No, el sensor utiliza muchos rayos para detectar la posición dinámica y, por lo tanto, la dirección de la persona que camina (Figura 7).

Las áreas activas (Figura 7) están definidas, y algunas incluso se pueden ajustar después de la instalación, proporcionando un máximo de flexibilidad.

2.2. Función de parada y supervisión de multitudes TOF / EsPDS

¿Alguna vez ha estado en una situación peligrosa en la que acaba de salir de la escalera mecánica con su equipaje, solo para quedar atrapado en una multitud de personas que atascan el tráfico? La escalera mecánica no para de moverse y sigue transportando cada vez a más personas con sus maletas y material deportivo, como esquís. Imagínese si nadie presiona el botón de emergencia o si es demasiado tarde para hacerlo. Piense en lo que les podría pasar a los niños pequeños en esta situación.

El mismo sensor, montado al final de la escalera mecánica (Figura 8), detecta que la multitud ya no se mueve y desacelera de manera segura y detiene la escalera mecánica a tiempo. Esto asegura que nadie resulte herido o empujado de forma incómoda. Esta función aumenta la seguridad y la comodidad de una escalera mecánica.

Si los objetos se alejan de la escalera mecánica de forma normal, la salida no se activará.

Si aumenta el número de personas en el campo de detección y el flujo de personas se ralentiza (congestión), se activará una salida definida (pulsada).

 Incluso se puede detectar una ralentización del tráfico, provocando una ralentización de la propia escalera mecánica.

La nueva tecnología TOF y la forma en que el TOF / EsPDS está integrado en el sistema proporcionan un nivel único de compacidad. Hay muchas funciones integradas en el chip del generador de imágenes, que es la base de un número limitado de componentes. Esto significa que el costo del sistema es muy bajo en términos comparativos, inigualable considerando su funcionalidad altamente inteligente.

Hay margen para realizar una mayor funcionalidad. Dichos sensores multihaz también se pueden utilizar para detectar si la escalera mecánica está vacía, enviando el sistema a un modo de reposo de forma segura y mucho antes. Se aumenta de nuevo la eficiencia energética. Además, se pueden integrar funciones de seguridad y mantenimiento preventivo adicionales mediante el uso de estos sensores. Pueden ocurrir accidentes graves cuando faltan los escalones de las escaleras mecánicas. Estos sistemas de sensores pueden detectar estas situaciones potencialmente fatales.

Con todo, estas nuevas tecnologías aportan a las escaleras mecánicas un nuevo estándar de eficiencia, ahorro de energía, seguridad y comodidad.

2.3. Detección de niños TOF / EsPDS

Como se indica en la sección 2.2, se instala un sensor TOF / EsPDS en el extremo de salida de la escalera mecánica para realizar la detección de multitudes. En el extremo de la salida, el cinturón de mano entra en la estructura principal de la escalera mecánica. Tener niños jugando en esta área (Figura 9) representa un riesgo considerable de que los dedos y las manos se aprieten entre el cinturón de mano en movimiento y la estructura de la escalera mecánica.

TOF / EsPDS calcula la información de distancia para cada píxel en el campo de detección. Los niños que juegan muy cerca del sensor (donde también se encuentra la entrada del cinturón de mano en la estructura de la escalera mecánica) pueden detectarse y activarse una salida respectiva. Con esta salida se puede realizar un aviso acústico, una desaceleración y / o parada del movimiento de la escalera mecánica.

3. Control de bucle cerrado seguro para escaleras mecánicas

3.1. Requisitos de las normas

De acuerdo con EN 115-1: 2008 + A1: 2010 y GB 16899-2011, las escaleras mecánicas deben diseñarse con dispositivos / funciones de seguridad eléctrica para una velocidad excesiva y una inversión involuntaria del sentido de la marcha. Puede ocurrir un bloqueo (pérdida de velocidad) o monitoreo de marcha atrás cuando el motor del dispositivo de conducción y la caja de cambios de reducción pierden potencia repentinamente, la cadena de transmisión se rompe / se desplaza o la escalera mecánica se desliza en aceleración bajo la gravedad causada por los pasajeros en ella.

3.2. Control del eje de transmisión

La máxima confiabilidad para un control de circuito cerrado es tener las lecturas de posición del sensor directamente en la rueda de la cadena, que está conectada con bloqueo de forma a la cadena de transmisión. Ningún deslizamiento de la transmisión tiene un impacto en el resultado, y la variable controlada se utiliza directamente como variable de actuación para el control de bucle cerrado.

Para resolver los problemas mencionados anteriormente, se debe diseñar un control de velocidad y dirección en el eje principal o en los escalones. Sin embargo, la gran vibración axial del eje principal imposibilita la instalación de un codificador. Por lo tanto, el producto EsAPS es necesario para proporcionar monitoreo de velocidad y dirección en el eje / escalones principales de las escaleras mecánicas (Figura 10).

El EsAPS toma una fotografía de la cinta de código montada en el eje principal de la escalera mecánica, analiza la imagen, determina la posición absoluta y la velocidad y envía los valores a través de CAN al control de la escalera mecánica (Figura 11). La velocidad se determina filtrando varias posiciones a lo largo del tiempo.

3.3. Codificación de la posición

Un código 2D consta de 30 campos cuadrados. Los campos están organizados en 10 columnas y tres filas. Las columnas más externas se utilizan como áreas de identificación y las columnas intermedias (marcadas en azul en la Figura 12) contienen los datos de posición. Las áreas de identificación se utilizan para ubicar un solo código 2D entre muchos códigos 2D adyacentes, así como para la distinción de múltiples códigos 2D adyacentes.

Los 24 campos de datos en el área de datos contienen la información esencial, el código de posición. Dado que la longitud máxima de la cinta de código EsAPS es de 765 mm y un área de código tiene una longitud de 3 mm, se necesitan 255 códigos de posición. Por lo tanto, un código de posición debe constar de al menos ocho campos de código (bits) para transportar la información. Dado que un área de datos consta de 24 campos, el código de posición puede caber tres veces en el área del código para mejorar la solidez (Figura 12).

El sensor toma una imagen de la cinta de código cada 5 ms. Una imagen captura de seis a ocho filas, dependiendo de la distancia del sensor a la cinta de código. Como resultado, se garantiza que cada imagen de sensor contenga un área de código completa. Una vez que se decodifica el código de posición, se multiplica por tres para obtener el milímetro como unidad.

Después de eso, el desplazamiento del área de código en la imagen del sensor se evalúa y se suma, luego se resta de la posición milimétrica adquirida. A continuación, el valor se transmite con una resolución de 0.5 mm a la unidad de procesamiento posterior.

4. Resumen y conclusión

Después de años de reducción de costos y realización de efectos de escala, es evidente que las escaleras mecánicas, como piezas de infraestructura verdaderamente importantes, se han vuelto más inteligentes. Los objetivos, claramente, son ahorrar energía, así como prevenir accidentes. La aplicación de TOF / EsPDS ayuda a hacer funcionar una escalera mecánica a toda velocidad cuando realmente se necesita, pero al mismo tiempo, asegura que los pasajeros sean detectados con suficiente anticipación para garantizar que la escalera mecánica funcione a toda velocidad cuando los pasajeros lleguen a los escalones. Como TOF / EsPDS tiene información de distancia del campo detectado disponible a una alta frecuencia de cuadros, se pueden realizar funciones adicionales, como detección de congestión, sensibilidad de dirección o detección de niños jugando cerca de la entrada del cinturón de mano.

Se puede utilizar un EsAPS para medir la velocidad y la dirección de desplazamiento de las escaleras mecánicas exactamente allí donde es más ideal, es decir, en el eje principal.

Esto se puede habilitar gracias al principio de medición sin contacto de EsPDS, evitando los problemas que surgen al instalar encoders en esta posición. Otras influencias de deslizamiento o frenado de la rueda de cadena ya no influyen.

Por lo tanto, tanto TOF / EsPDS como EsAPS aumentan en gran medida la seguridad y la comodidad de los pasajeros e instaladores de escaleras mecánicas.

Agradecimientos de Christian-Erik Thoeny

Trabajar en CEDES es genial, en lo que respecta al trabajo en equipo. Por lo tanto, disfruté de un tremendo apoyo e inspiración del fundador de CEDES, Beat DeCoi, quien suma mucho conocimiento en sensores ópticos. Él lleva esta industria a nuevas fronteras y cambió el mundo en lo que respecta a las tecnologías de semiconductores TOF industrializados y componentes de sensores. El equipo de gestión de CEDES permite convertir la tecnología TOF en muchas aplicaciones en el campo de ascensores, escaleras mecánicas, puertas, portones, robótica y gestión de almacenes. Muchas gracias a mi esposa, Luzia, a los miembros del equipo directivo de CEDES, a Ruan WeiMin ya todos los clientes que apoyaron al equipo y a mí para lograr resultados sobresalientes.

Referencias
[1] INTECHNO CONSULTING Basel (2012); Informe mundial sobre mercados de sensores 2016.
[2] SCHINDLER; Frankie Schmid (2014): Un vistazo al futuro 2014.
[3] CEDES (2015); diversos documentos técnicos y folletos.
[4] SHANGHAI MITSUBUSHI ELECTRIC CORP. (2015): especificaciones técnicas.