Metodologías de arquitectura y análisis de sistemas para impulsar sistemas eléctricos innovadores

por Daryl J. Marvin, Dang V. Nguyen, Peter Herkel y Dirk H. Tegtmeier

Este trabajo fue presentado en  París 2014, el Congreso Internacional de Tecnologías de Transporte Vertical, y publicado por primera vez en el libro de la IAEE Tecnología de ascensores 20, editado por A. Lustig. Es una reimpresión con permiso de la Asociación Internacional de Ingenieros de Ascensores.  (sitio web: www.elevcon.com). Este artículo es una reimpresión exacta y no ha sido editado por ELEVATOR WORLD.

RESUMEN

Cuando cambian los requisitos, las limitaciones o las expectativas del cliente, puede tener un impacto sustancial en la configuración deseada del sistema eléctrico del ascensor. Estos cambios podrían ser el resultado de tendencias globales o regionales (por ejemplo, sensibilidad ambiental), nuevos requisitos fundamentales del sistema (por ejemplo, edificios de gran altura), códigos (por ejemplo, seguridad electrónica programable) o avances tecnológicos. Mediante el uso adecuado de las metodologías de arquitectura y análisis de sistemas, se pueden lograr diseños de sistemas eléctricos innovadores que cumplan y superen las expectativas del cliente.

Los resultados de este proceso se ilustrarán a través de varios estudios de casos.

1. Sistema eléctrico de gran altura
2. Arquitectura optimizada sin cuarto de máquinas
3. Ascensor con pilas

1. INTRODUCCIÓN

La arquitectura del sistema eléctrico de un producto de ascensor, una vez establecida, normalmente no cambia de manera rápida. A medida que los requisitos y las necesidades del cliente evolucionan con el tiempo, el enfoque tradicional consiste en introducir estos cambios de manera incremental para satisfacer las nuevas demandas del mercado.

Si bien este enfoque "de abajo hacia arriba" es de bajo riesgo y minimiza los cambios de interfaz, las arquitecturas y productos de sistemas eléctricos resultantes tienden a ser subóptimos.

El método alternativo es diseñar el sistema eléctrico utilizando un enfoque "de arriba hacia abajo". Si bien este enfoque da como resultado productos con valores significativamente mayores para el cliente, requiere un proceso más estructurado y analítico para diseñar la arquitectura del sistema.

Las secciones posteriores de este documento ofrecerán una sinopsis de los métodos y herramientas útiles para el proceso de arquitectura de sistemas eléctricos. Además, los tres sistemas eléctricos de ascensores resultantes se examinarán en detalle como estudios de caso.

2. MÉTODOS Y HERRAMIENTAS

Existen muchas metodologías y herramientas estructuradas que existen para ayudar en la creación de una arquitectura deseada. Fundamentalmente, estas metodologías adoptan un enfoque sistemático sobre un enfoque empírico de diseño. Algunos de los pasos clave de estas metodologías son:

• Comprensión de las necesidades de las partes interesadas importantes

- Paseo público

- Propietarios de edificios

- Contratistas generales

- Autoridades de códigos

• Identifica Requisitos funcionales de las necesidades del cliente
• Descomposición funcional para identificar necesidades funcionales más detalladas del sistema
• Síntesis funcional agrupar funciones en función de un criterio dado
• Mapeo funcional a físico para asignar funciones a entidades físicas

Una idea central en el enfoque anterior es pensar funcionalmente al diseñar productos (Suh 2001). Esto ayudará a transformar las necesidades del cliente en un conjunto de especificaciones o requisitos funcionales. Los Requisitos Funcionales son “lo que queremos lograr”, y el acto del diseño es mapearlos con los parámetros de diseño en el dominio físico (“cómo lo lograremos”).

Otra característica destacada de las metodologías de diseño es que se basan en principios. Es decir, existen principios generales o axiomas que se pueden aplicar para diseñar buenas arquitecturas. Un ejemplo de esto es el axioma de la independencia y el axioma de la información (Suh 2001). El axioma de independencia establece que la solución de diseño debe mantener la independencia de los requisitos funcionales. Un parámetro de diseño en el dominio físico que satisface un requisito funcional no puede afectar a otro requisito funcional.

El axioma de información establece que el contenido de información del diseño debe minimizarse. Otra forma de ver este axioma, aplicado al paso de síntesis funcional anterior, es agrupar funciones juntas de tal manera que se minimice la interfaz con otras agrupaciones de funciones. Para múltiples diseños que satisfacen el axioma de independencia, el que también satisface el axioma de información se considera el mejor diseño.

El proceso de mapeo funcional a físico también debe tener en cuenta los requisitos físicos adicionales del sistema, como el espacio disponible, los requisitos de acceso a los componentes, etc. para cumplir con el objetivo del sistema.

Por ejemplo, es común en un sistema eléctrico de ascensor tener elementos relacionados funcionalmente (tales como accesorios de demanda de ascensor y el despachador) que deben estar en ubicaciones físicamente diferentes. Luego, existen requisitos funcionales adicionales para comunicaciones adicionales y conexiones de alimentación.

Los métodos descritos anteriormente se complementan con el uso de diversas herramientas informáticas de análisis y modelado. Como se ilustra en el caso del sistema eléctrico de gran altura, el modelado es necesario para evaluar el rendimiento del sistema debido al cambio radical en la arquitectura de comunicación del sistema eléctrico. Además, la construcción de un prototipo físico del sistema a gran escala no es factible debido a la gran cantidad de nodos.

3. ESTUDIOS DE CASO

3.1 Sistema eléctrico de gran altura

Desafío 3.1.1

En los sistemas de ascensores de gran altura, la magnitud de la complejidad del sistema eléctrico es muy alta. La combinación del tamaño del grupo aumentado, el aumento / número de pisos y la velocidad plantean desafíos importantes, especialmente a medida que la altura de los edificios más altos del mundo continúa aumentando. Algunos de estos desafíos son:

• Peso e impacto del sistema asociado del cable móvil
• Número de nodos y longitud total de la comunicación con los accesorios de la sala y los dispositivos de seguridad (por ejemplo, cerraduras de puertas)
• Complejidad del mantenimiento y servicio con el tamaño y alcance de todo el sistema

3.1.2 Enfoque técnico

En los sistemas eléctricos de ascensores tradicionales, las interfaces discretas siguen siendo el método predominante de señalización, especialmente si la información está relacionada con la seguridad. Los avances recientes en el código de ascensor (seguridad electrónica programable) y la tecnología (interfaz de comunicación de bus de bajo costo) han permitido la implementación de una arquitectura basada en bus CAN para eliminar cables discretos utilizados para señales relacionadas con la seguridad. Si bien este enfoque tiene ventajas para resolver algunos de los desafíos enumerados anteriormente, la arquitectura basada en bus tiene un impacto potencial en el retardo de la señal y el rendimiento del sistema debido a los recursos compartidos de procesamiento y comunicación.

La Figura 1 muestra un subconjunto de la estructura del bus que se utiliza para transmitir mensajes relacionados con la seguridad y no relacionados con la seguridad dentro del sistema eléctrico. La placa de interfaz de seguridad en la cabina del ascensor recopila y procesa todas las señales discretas relacionadas con la seguridad en la cabina y las transmite al subsistema de seguridad en el controlador. El subsistema de seguridad en el controlador califica todas las señales relacionadas con la seguridad antes de enviarlas a todos los demás módulos.

Todos los demás módulos que no son de seguridad, como el pesaje de carga y el controlador, también se comunican a través del mismo bus CAN. Para implementar con éxito una solución de sistema eléctrico de este tipo, es fundamental poder evaluar el efecto de la transmisión de mensajes relacionados con la seguridad y no relacionados con la seguridad en el mismo bus físico.

3.1.3 Análisis crítico

Se desarrolló un marco para analizar y explorar la arquitectura del sistema de comunicación para evaluar el rendimiento de los parámetros críticos del sistema eléctrico de gran altura (Ferrari 2012). El marco consiste en un entorno de simulación basado en eventos desarrollado utilizando SystemC, bibliotecas de componentes de comunicación de hardware y software, herramientas para importar el modelo de aplicación de MatLab® y un medio para definir y configurar la topología del sistema.

La topología del modelo del bus CAN del automóvil y del bus CAN del variador se ilustra en la Figura 2. Cada módulo contiene una colección de elementos funcionales que representan el comportamiento de la aplicación (FUNC_NODE), CAN Stack (CAN_Stack), CAN Driver (CAN_Driver) y el hardware del controlador CAN (CAN_Controller). Además de los módulos individuales, cada bus CAN también se modela como un elemento funcional y las conexiones al bus CAN desde cada módulo las define el usuario. Otros parámetros definidos antes de la ejecución del modelo incluyen la velocidad del bus CAN, los estímulos de entrada (llamadas de automóvil), la tasa de llegada de mensajes y la línea muerta de mensajes.

El marco de modelado permite una forma flexible de explorar diferentes configuraciones de arquitectura de sistemas y topologías de red. La simulación de mensajes de bus de ascensor reales permite una evaluación cuantitativa de las decisiones de arquitectura. Además, el límite del sistema se puede evaluar modelando el aumento de la velocidad del automóvil y la elevación del edificio (mayor longitud del autobús). Las tasas de llegada de mensajes aumentan con el aumento de la velocidad del automóvil, lo que resulta en una mayor utilización del autobús.

Durante el desarrollo inicial, la simulación mostró problemas potenciales con el desbordamiento de la cola y los mensajes caídos; Luego, estos problemas se confirmaron con datos de laboratorio. Las modificaciones posteriores a la configuración del marco de mensajería que resolvieron estos problemas se realizaron y evaluaron utilizando este mismo marco de modelado y se verificaron a través de datos de laboratorio.

3.1.4 Beneficios para el cliente

Al tener las funciones de seguridad implementadas en el software y al usar una topología de red para la comunicación de información relacionada con la seguridad y no relacionada con la seguridad, se obtuvieron muchos beneficios. La reducción significativa en el cableado discreto permitió un menor peso del cable móvil, lo que tiene muchos impactos beneficiosos en el sistema, incluida la potencia de propulsión reducida y la mayor eficiencia energética del sistema resultante. Los componentes de mayor confiabilidad utilizados en una cadena de seguridad de estado sólido mejoran la disponibilidad del sistema. También se implementó una funcionalidad adicional que hizo que la omisión de dispositivos estuviera bien controlada. En este sistema, estos "puentes inteligentes" se implementan a través de un software construido para ser de naturaleza transitoria y, por lo tanto, no es posible dejarlos en su lugar accidentalmente. Un marco de modelado proporcionó la capacidad de modelar y simular parámetros de rendimiento críticos, lo que permitió que una arquitectura de sistema eléctrico de este tipo se diseñara de manera efectiva y se entregara con alta confianza y confiabilidad.

3.2 Arquitectura optimizada sin sala de máquinas

Desafío 3.2.1

Los ascensores sin cuarto de máquinas son el principal mercado en Europa para aplicaciones de rango bajo y medio. La arquitectura de control de muchos ascensores todavía se basa en la arquitectura que se había diseñado originalmente para ascensores con sala de máquinas. Aunque se realizaron modificaciones para adaptarse a los requisitos adicionales de los ascensores sin sala de máquinas, la arquitectura de control no pudo mantenerse al día con los cambios en los requisitos que los clientes exigen en la actualidad:

• Sin impacto estético de las entradas
• Mayor uso del espacio de la caja del ascensor
• Sensibilidad al consumo de energía
• Capacidad en situación de apagón

3.2.2 Situación actual

Los elementos de control que anteriormente residían en el armario de control dentro de la sala de máquinas se han distribuido dentro del hueco del ascensor y una de las entradas para su aplicación en un ascensor sin sala de máquinas.

Esto ha llevado a varios puntos que se identificaron como obstáculos importantes para hacer coincidir la arquitectura de control con los requisitos modificados del cliente.

• La transmisión de la señal se realiza con una mezcla de diferentes canales y topologías.
• La antigua fuente de alimentación central se divide en varios puntos de transformación.

Una fuente de alimentación de respaldo para operaciones de emergencia y rescate en caso de una situación de apagón ha agregado complejidad a la arquitectura de energía

3.2.3 Solución técnica

Para definir una arquitectura de control optimizada, se aplicaron las herramientas y métodos descritos anteriormente. El resultado es una reasignación de funcionalidades entre los principales componentes del sistema eléctrico. La estrategia de optimización se centró en dos elementos:

• Simplificación de la arquitectura de señales
• Simplificación de la arquitectura energética
• Optimización de la ubicación física de la funcionalidad.

Se logró una arquitectura de señal simple mediante serialización

• Reemplazo de cables de señal discretos con un sistema de bus en serie
• Definición de una topología de bus serie
• Aplicar el bus serie a todos los componentes principales del sistema de control
• Beneficios adicionales al mejorar el intercambio de información entre los componentes.

Se logró una arquitectura de energía simple mediante:

• Establecimiento de una fuente de alimentación del sistema central
• Definición de una topología de bus serie
• Inclusión de la batería de respaldo como parte de la energía del sistema central
• Beneficios adicionales por mayor eficiencia y reducción de tamaño

La optimización de la ubicación física de la funcionalidad resultó en la reubicación de algunas funciones del controlador al automóvil. Esto resultó en:

• Reducción de los requisitos de señalización en el cable móvil
• Reducción del espacio requerido en el controlador

3.2.4 Beneficios para el cliente

Los beneficios resultantes son

• Impacto estético mínimo: los dispositivos de servicio y mantenimiento se montan en la pequeña columna de la puerta; no se requiere un armario de control específico.
• Uso mejorado del espacio de la caja de ascensor: el paquete del equipo de la caja de ascensor se reduce tanto en volumen como en profundidad.
• Reducción del consumo de energía en espera: el objetivo es lograr VDI 4707 clase A (estándar VDI, 2009).
• Integración de rescate automático y manual: solo se requieren componentes complementarios menores para proporcionar una operación de rescate completamente automática.

3.3 Ascensor a batería

Desafío 3.3.1

En los últimos años, hubo un mayor enfoque en el impacto de la estabilidad del suministro de energía en el funcionamiento del ascensor.

La Figura 5 ofrece una descripción general de la Frecuencia de interrupción promedio del sistema (SAIFI) para países europeos seleccionados (CEER, 2014). Como se puede ver, SAIFI está en el rango de 0.3 a 4 (cortes por año).

Incluso si estos valores parecen bajos, había y hay productos disponibles que brindan operaciones de rescate de emergencia para un ascensor. Estos productos utilizan tradicionalmente sistemas separados que consumen espacio y son costosos. Impulsados ​​por el enfoque del cliente en este tema, las funciones de rescate automático se integraron en los lanzamientos de productos más recientes sin requerir mucho más espacio para los componentes de control. Los principales facilitadores de este enfoque integrado son:

• Accionamientos sin engranajes con motores síncronos de imanes permanentes
• Capacidades de control extendidas por accionamientos regenerativos
• Estandarización de voltajes dentro del sistema de control / accionamiento.
• Uso de la dirección del automóvil impulsada por gravedad para operaciones de rescate
• Número limitado de carreras de rescate / año

En otras regiones, especialmente en los países emergentes, la situación de estabilidad del suministro eléctrico es bastante diferente.

La Figura 6 muestra los datos recopilados por los ingenieros de Otis Field para diferentes regiones de la India. Aunque el estudio es experimental, muestra claramente algunas diferencias significativas con los datos europeos.

• Los cortes de energía en este gráfico son por día en lugar de por año
• La mayoría de las áreas tienen cortes de energía de un solo dígito por día

3.3.2 Solución técnica

Con el fin de proporcionar una solución a las crecientes necesidades de preocupación por la calidad de la energía, se utilizó un enfoque diferente. En lugar de continuar mejorando gradualmente el elevador soportado por batería (es decir, operación de rescate automático), la arquitectura deseada es un elevador totalmente accionado por batería (es decir, operación sin problemas).

Si bien esta arquitectura tiene varios desafíos, como el compromiso entre el nivel de voltaje de la batería y el voltaje del motor requerido para hacer funcionar el ascensor, se obtienen muchos beneficios para el cliente.

• Funcionamiento autónomo y sin problemas en caso de corte de energía
• Suministro monofásico
• Peak shaving (solo potencia promedio de la red)
• Compatible con fuentes de energía alternativas

Estas características hacen que este elevador accionado por batería sea un candidato apropiado para cumplir con las expectativas del cliente en áreas con condiciones de red eléctrica muy inestables. El suministro monofásico y la reducción de picos también brindan una ventaja de costos en algunas áreas en comparación con los elevadores trifásicos estándar.

Además, extender el elevador accionado por batería para usar fuentes de energía alternativas como celdas solares o molinos de viento es muy simple, ya que la capacidad de almacenamiento y gestión de energía ya está incluida en el producto.

4. CONCLUSIONES

Mediante el uso adecuado de las metodologías de arquitectura y análisis de sistemas, se pueden lograr diseños de sistemas eléctricos innovadores que cumplan y superen las expectativas del cliente. En función de los desafíos que se abordan, a menudo se requieren soluciones fundamentalmente diferentes.

Esto se ha demostrado en varios estudios de casos, que van desde ascensores de gran altura, ascensores de poca altura sin sala de máquinas y ascensores que funcionan con baterías. Al continuar utilizando estas metodologías de análisis y arquitectura, los requisitos futuros, las limitaciones y las necesidades de los clientes se seguirán abordando con éxito.

• 

• 

• 

• 

• 

Referencias
Suh, Nam Pyo (2001), Diseño axiomático: avances y aplicaciones. Oxford University Press, Nueva York.
Ferrari A., Ginsberg, D., Scholte, E. y Nguyen, D. (2012), “Prototipado virtual escalable de control integrado distribuido en un sistema de ascensor moderno”, 7º Simposio internacional de IEEE sobre sistemas integrados industriales.
Estándar VDI: VDI 4707: Ascensores - Eficiencia energética, marzo de 2009.
CEER (Consejo de Reguladores de Energía Europeos), Informe de evaluación comparativa 5.1 sobre la continuidad del suministro de electricidad, Ref: C13-EQS-57-03, febrero de 2014.