Controllo intelligente del movimento per il futuro delle scale mobili

Le nuove tecnologie promettono un nuovo standard di efficienza delle scale mobili, risparmio energetico, sicurezza e comfort.

di Christian-Erik Thoeny e Ruan WeiMin

Questo documento è stato presentato a  Madrid 2016, il Congresso Internazionale sulle Tecnologie di Trasporto Verticale, e pubblicato per la prima volta nel libro IAEE Tecnologia degli ascensori 21, a cura di A. Lustig. È una ristampa con il permesso dell'Associazione Internazionale degli Ingegneri degli Ascensori  (sito web: www.elevcon.com).

Le scale mobili sono un importante integratore dell'infrastruttura. Per risparmiare energia, la velocità delle scale mobili viene ridotta o il movimento viene interrotto durante le ore non di punta. In tali casi, è evidente l'individuazione affidabile dei passeggeri che intendono utilizzare la scala mobile. Una rivoluzionaria soluzione con sensore basato sul tempo di volo (TOF), senza contatto e senza usura, garantisce un rilevamento affidabile delle persone, indipendentemente dagli abiti indossati. Inoltre, l'utilizzo di una tecnologia TOF basata sul sensore TOFstart consente la gestione del traffico trasversale o addirittura il monitoraggio della folla, aumentando l'efficienza e prevenendo situazioni pericolose.

1. introduzione

Le scale mobili svolgono un ruolo essenziale nel movimento di massa delle persone. Questo ruolo è in continuo aumento con la crescita di edifici pubblici, centri commerciali e strutture di trasporto, a causa dell'urbanizzazione in corso nelle città e negli agglomerati.

Nell'arco di 20 anni, l'equilibrio urbano/rurale cambierà radicalmente, passando dal 45% delle persone che vivono nelle città (1998) al 55% (Figura 1) che vivono nelle aree urbane nel 2018. Questo processo è destinato a continuare per il futuro prevedibile.

È ovvio che questo cambiamento richiede miglioramenti significativi per quanto riguarda l'efficienza energetica, il monitoraggio, la sicurezza, le prestazioni e il controllo accurato di tutti i tipi di macchinari coinvolti nel movimento delle persone. Ciò è particolarmente vero per le scale mobili, che ogni giorno spostano masse di persone. Per questo motivo, i produttori di ascensori e scale mobili stanno investendo in modo significativo in ricerca e sviluppo.

I sensori sono il prerequisito onnipresente e la base informativa per ogni funzione di controllo. Da un lato, il numero di macchine aumenta continuamente e, dall'altro, anche le prestazioni di tali macchine devono essere migliorate notevolmente. Di conseguenza, la domanda di sensori sta crescendo più rapidamente della maggior parte degli altri componenti del settore.

 Il mercato totale dei sensori, che copre di tutto, dai tipi meccanici a quelli radar, è destinato a crescere presto fino a raggiungere la grandezza di 200 miliardi di euro (213.5 miliardi di dollari).

La crescita dei sensori optoelettronici all'interno di questo mercato è sproporzionata. Nel 2006 occupava circa il 25%; nel 2016 la cifra superava il 30%.

Un fattore importante nella crescita dei sensori ottici è sicuramente il livello di intelligenza significativamente aumentato. Contrariamente ad altri metodi, questi sensori forniscono dati multiasse. Questo copre molte più informazioni (condensate) per il controllo intelligente e il monitoraggio dei macchinari.

Le scale mobili, siano esse installazioni singole o cluster multilivello combinati (Figura 3), comportano molte funzioni di controllo e monitoraggio.

L'utente finale può risparmiare molta energia e trarre i maggiori benefici dai suoi macchinari per il movimento delle persone quando l'intelligenza del controllo della scala mobile è del tipo più recente e all'avanguardia.

CEDES, insieme a un importante fornitore di scale mobili, ha sviluppato una nuova generazione di controlli che consente un altro livello di efficienza e risparmio energetico.

2. Sensore di avvio e arresto scala mobile TOF/EsPDS

L'ultima scala mobile all'avanguardia deve essere avviata e fermata in modo tale da utilizzare la minor quantità di energia, pur continuando a fornire prestazioni che generino il massimo rendimento possibile. Questo può essere fatto solo da dati sufficienti e intelligenti forniti da sensori intelligenti. Il sensore multiasse TOF compatto e dirompente di CEDES, il TOF/EsPDS (Figura 4), fornisce tale intelligenza al frame rate richiesto.

Il sensore TOF/EsPDS emette luce nel vicino infrarosso modulato (lunghezza d'onda di 850 o 940 nm), che viene riflessa da un oggetto. L'oggetto può essere un essere umano o un palo fisso o un binario. Poiché non si tratta semplicemente di un singolo raggio, ma piuttosto di molti raggi che coprono un'area definita, è possibile eseguire un calcolo intelligente. In effetti, davanti alla scala mobile viene steso in modo definito un “tappeto virtuale”.

Il sensore (Figura 5) è compatto (52 X 44 X 34 mm) e si adatta a qualsiasi posizione di montaggio adatta sulla scala mobile. L'area di rilevamento è versatile e abbastanza grande da coprire lo spazio necessario per gestire adeguatamente il traffico passeggeri.

2.1. Funzione di avvio TOF/ESPDS

Il TOF/EsPDS rileva i passeggeri intenzionati che si avvicinano a una scala mobile. Avvia la scala mobile per dormire a risparmio energetico e la accelera in tempo per consentire loro di salire a bordo comodamente e in sicurezza. Dopo un tempo specificato, la scala mobile torna in modalità di sospensione.

Gli ostacoli fissi, come binari e pali, possono essere semplicemente cancellati durante il processo di calibrazione. L'area attiva (Figura 6) è così chiaramente definita e la funzione è limitata ad essa.

A causa del volume di dati multiasse, la funzione di avvio è più intelligente del semplice avvio e arresto. Il traffico trasversale (persone che passano e che fanno scattare continuamente la scala mobile) riduce notevolmente l'efficienza della scala mobile. Il TOF/EsPDS è in grado di rilevare il vettore a piedi delle persone, il che significa che può "vedere" se il potenziale passeggero della scala mobile intende salirci o meno. Magia? No, il sensore utilizza molti raggi per rilevare la posizione dinamica e, quindi, la direzione, della persona che cammina (Figura 7).

Le aree attive (Figura 7) sono definite e alcune possono anche essere regolate dopo l'installazione, fornendo la massima flessibilità.

2.2. Monitoraggio della folla TOF/ESPDS e funzione di arresto

Ti sei mai trovato in una situazione pericolosa in cui hai appena lasciato la scala mobile con i tuoi bagagli, solo per essere intrappolato in una folla di persone che ingorgo nel traffico? La scala mobile non si ferma e continua a trasportare sempre più persone con le proprie valigie e attrezzature sportive, come gli sci. Immagina se nessuno preme il pulsante di emergenza o è troppo tardi per farlo. Considera cosa potrebbe accadere ai bambini piccoli in questa marmellata.

Lo stesso sensore, montato all'estremità della scala mobile (Figura 8), rileva che la folla non si muove più e rallenta in sicurezza e ferma la scala mobile in tempo. Ciò garantisce che nessuno venga ferito o spinto a disagio. Questa funzione aumenta la sicurezza e il comfort di una scala mobile.

Se gli oggetti si allontanano dalla scala mobile in modo normale, l'uscita non verrà attivata.

Se il numero di persone nel campo di rilevamento aumenta e il flusso di persone rallenta (congestione), verrà attivata un'uscita definita (a impulsi).

 Si può rilevare anche un rallentamento del traffico, innescando un rallentamento della scala mobile stessa.

La nuova tecnologia TOF e il modo in cui TOF/EsPDS è integrato nel sistema forniscono un livello unico di compattezza. Molte funzionalità sono integrate nel chip imager, che è la base per un numero limitato di componenti. Ciò significa che il costo del sistema è molto basso in termini comparativi, ineguagliabile considerando la sua funzionalità altamente intelligente.

C'è spazio per realizzare una maggiore funzionalità. Tali sensori multiraggio possono essere utilizzati anche per rilevare se la scala mobile è vuota, inviando il sistema in modalità di sospensione in modo sicuro e molto prima. L'efficienza energetica è nuovamente aumentata. Inoltre, utilizzando tali sensori è possibile integrare ulteriori funzioni di manutenzione preventiva e di sicurezza. Possono verificarsi incidenti gravi quando mancano i gradini delle scale mobili. Tali sistemi di sensori possono rilevare queste situazioni potenzialmente fatali.

Nel complesso, queste nuove tecnologie portano le scale mobili a un nuovo standard di efficienza, risparmio energetico, sicurezza e comfort.

2.3. Rilevamento bambini TOF/ESPDS

Come indicato nella sezione 2.2, un sensore TOF/EsPDS è installato all'estremità dell'uscita della scala mobile per eseguire il rilevamento della folla. All'estremità dell'uscita, la cintura a mano entra nella struttura principale della scala mobile. Avere bambini che giocano in quest'area (Figura 9) comporta un notevole rischio di schiacciamento delle dita e delle mani tra la cintura mobile e la struttura della scala mobile.

TOF/EsPDS calcola le informazioni sulla distanza per ogni pixel nel campo di rilevamento. È possibile rilevare i bambini che giocano in prossimità del sensore (dove si trova anche l'ingresso della cintura a mano nella struttura della scala mobile) e attivare una rispettiva uscita. Tramite questa uscita è possibile effettuare un avviso acustico, rallentamento e/o arresto del movimento della scala mobile.

3. Controllo a circuito chiuso sicuro delle scale mobili

3.1. Requisiti degli standard

Secondo EN 115-1: 2008 + A1: 2010 e GB 16899-2011, le scale mobili devono essere progettate con dispositivi/funzioni elettriche di sicurezza per velocità eccessiva e inversione involontaria del senso di marcia. Il monitoraggio dello stallo (perdita di velocità) o dell'inversione di marcia può verificarsi quando il motore del dispositivo di guida e il riduttore perdono improvvisamente potenza, la catena di trasmissione si rompe/si sposta o la scala mobile scivola in accelerazione sotto la gravità causata dai passeggeri su di essa.

3.2. Controllo dell'albero di trasmissione

La massima affidabilità per un controllo ad anello chiuso consiste nel disporre delle letture di posizione del sensore direttamente sulla ruota della catena, che è collegata alla catena di trasmissione mediante bloccaggio di forma. Nessuno slittamento di trasmissione ha un impatto sul risultato e la variabile controllata viene utilizzata direttamente come variabile di attuazione per la regolazione.

Per risolvere i problemi sopra menzionati, il monitoraggio della velocità e della direzione dovrebbe essere progettato sull'asse principale o sui gradini. Tuttavia, la grande vibrazione assiale dell'asse principale rende impossibile l'installazione di un encoder. Pertanto, il prodotto EsAPS è necessario per fornire il monitoraggio della velocità e della direzione sull'asse/gradini principali delle scale mobili (Figura 10).

L'EsAPS scatta una foto del nastro codificato montato sull'asse principale della scala mobile, analizza l'immagine, determina la posizione e la velocità assolute e invia i valori tramite CAN al controllo della scala mobile (Figura 11). La velocità è determinata filtrando più posizioni nel tempo.

3.3. Codifica della posizione

Un codice 2D è composto da 30 campi quadrati. I campi sono organizzati in 10 colonne e tre righe. Le colonne più esterne vengono utilizzate come aree identificative e le colonne intermedie (contrassegnate in blu nella Figura 12) contengono i dati di posizione. Le aree identificative vengono utilizzate per individuare un singolo codice 2D tra molti codici 2D adiacenti, nonché per la distinzione di più codici 2D adiacenti.

I 24 campi dati nell'area dati contengono le informazioni essenziali, il codice di posizione. Poiché la lunghezza massima del nastro codificato EsAPS è 765 mm e un'area codice è lunga 3 mm, sono necessari 255 codici di posizione. Un codice di posizione, quindi, deve essere costituito da almeno otto campi di codice (bit) per trasportare l'informazione. Poiché un'area dati è composta da 24 campi, il codice di posizione può adattarsi tre volte all'area del codice per migliorarne la robustezza (Figura 12).

Il sensore scatta un'immagine del nastro codificato ogni 5 ms. Un'immagine cattura da sei a otto righe, a seconda della distanza del sensore dal nastro codificato. Di conseguenza, è garantito che un'area di codice completa sia contenuta in ogni immagine del sensore. Una volta decodificato il codice di posizione, viene moltiplicato per tre per ottenere il millimetro come unità.

Successivamente, l'offset dell'area del codice nell'immagine del sensore viene valutato e aggiunto, quindi sottratto dalla posizione millimetrica acquisita. Il valore viene quindi trasmesso con una risoluzione di 0.5 mm all'unità di elaborazione a valle.

4. Riepilogo e Conclusione

Dopo anni di riduzione dei costi e realizzazione di effetti di scala, è evidente che le scale mobili, in quanto parti di infrastruttura veramente importanti, sono diventate più intelligenti. Gli obiettivi, chiaramente, sono il risparmio energetico e la prevenzione degli incidenti. L'applicazione di TOF/EsPDS aiuta a far funzionare una scala mobile a tutta velocità quando è realmente necessario, ma allo stesso tempo garantisce che i passeggeri vengano rilevati con sufficiente anticipo per garantire che la scala mobile funzioni alla massima velocità quando i passeggeri raggiungono i gradini. Poiché TOF/EsPDS dispone di informazioni sulla distanza del campo rilevato a un frame rate elevato, è possibile realizzare funzioni aggiuntive, come il rilevamento della congestione, la sensibilità alla direzione o il rilevamento di bambini che giocano in prossimità dell'ingresso della cintura.

Un EsAPS può essere utilizzato per misurare la velocità e la direzione di marcia delle scale mobili esattamente là dove è più ideale, vale a dire sull'asse principale.

Ciò può essere abilitato grazie al principio di misurazione senza contatto di EsPDS, evitando problemi che si verificano durante l'installazione di encoder in questa posizione. Ulteriori influenze di slittamento o frenata della ruota della catena non hanno più influenza.

Pertanto, sia TOF/EsPDS che EsAPS aumentano notevolmente la sicurezza e il comfort per i passeggeri e gli installatori di scale mobili.

Ringraziamenti da Christian-Erik Thoeny

Lavorare in CEDES è fantastico, per quanto riguarda il lavoro di squadra. Pertanto, ho goduto di un enorme supporto e ispirazione dal fondatore di CEDES, Beat DeCoi, che aggrega molto know-how nei sensori ottici. Guida questo settore verso nuove frontiere e ha cambiato il mondo per quanto riguarda le tecnologie dei semiconduttori TOF industrializzate e i componenti dei sensori. Il team di gestione di CEDES consente la conversione della tecnologia TOF in molte applicazioni nel campo degli ascensori, scale mobili, porte, cancelli, robotica e gestione del magazzino. Molte grazie a mia moglie, Luzia, ai membri del team dirigenziale di CEDES, Ruan WeiMin ea tutti i clienti che hanno supportato il team e me ottenendo risultati sempre eccezionali.

Referenze
[1] INTECHNO CONSULTING Basilea (2012); Rapporto mondiale sui mercati dei sensori 2016.
[2] SCHINDLER; Frankie Schmid (2014): Uno sguardo al futuro 2014.
[3] CEDES (2015); vari documenti tecnici e opuscoli.
[4] SHANGHAI MITSUBUSHI ELECTRIC CORP. (2015): specifiche tecniche.