Analisi di sistema e metodologie di architettura per guidare sistemi elettrici innovativi

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Figura 1. Struttura del bus
di Daryl J. Marvin, Dang V. Nguyen, Peter Herkel e Dirk H. Tegtmeier
Questo documento è stato presentato a Elevco N  Parigi 2014, il Congresso Internazionale sulle Tecnologie di Trasporto Verticale, e pubblicato per la prima volta nel libro IAEE Tecnologia degli ascensori 20, a cura di A. Lustig. È una ristampa con il permesso dell'Associazione Internazionale degli Ingegneri degli Ascensori  iaee (sito web: www.elevcon.com). Questo documento è una ristampa esatta e non è stato modificato da ELEVATOR WORLD.

ABSTRACT

Quando i requisiti, i vincoli o le aspettative del cliente cambiano, può avere un impatto sostanziale sulla configurazione del sistema elettrico dell'ascensore desiderata. Questi cambiamenti potrebbero essere il risultato di tendenze globali o regionali (ad es. sensibilità ambientale), nuovi requisiti di sistema fondamentali (ad es. grattacieli), codice (ad es. Sicurezza elettronica programmabile) o progresso tecnologico. Utilizzando correttamente l'analisi del sistema e le metodologie dell'architettura, è possibile ottenere progetti di sistemi elettrici innovativi che soddisfano e superano le aspettative dei clienti.

I risultati di questo processo saranno illustrati attraverso diversi casi di studio.

  1. Impianto elettrico super alto
  2. Architettura ottimizzata senza locale macchina
  3. Ascensore a batteria

PREMESSA

L'architettura del sistema elettrico di un prodotto per ascensori, una volta stabilita, in genere non cambia in modo rapido. Poiché i requisiti e le esigenze dei clienti evolvono nel tempo, l'approccio tradizionale consiste nell'introdurre questi cambiamenti in modo incrementale per soddisfare le nuove richieste del mercato.

Mentre questo approccio "dal basso verso l'alto" è a basso rischio e riduce al minimo le modifiche all'interfaccia, le architetture e i prodotti del sistema elettrico risultanti tendono a non essere ottimali.

Il metodo alternativo consiste nell'architettare l'impianto elettrico utilizzando un approccio "top-down". Sebbene questo approccio si traduca in prodotti con un valore significativamente maggiore per il cliente, richiede un processo più strutturato e analitico per l'architettura del sistema.

Le sezioni successive di questo documento forniranno una sinossi di metodi e strumenti utili al processo di architettura del sistema elettrico. Inoltre, verranno esaminati in dettaglio tre sistemi elettrici per ascensori risultanti come casi di studio.

2. METODI E STRUMENTI

Esistono molte metodologie e strumenti strutturati per assistere nella creazione dell'architettura desiderata. Fondamentalmente, queste metodologie sposano un approccio sistematico rispetto a un approccio empirico del design. Alcuni dei passaggi chiave di queste metodologie sono:

  • Comprensione dei bisogni di importanti parti interessate

– Equitazione pubblico

– Proprietari di edifici

– Appaltatori generali

– Autorità del Codice

  • identifica Richieste funzionali dalle esigenze del cliente
  • Decomposizione funzionale per identificare esigenze funzionali più dettagliate del sistema
  • Sintesi Funzionale raggruppare le funzioni sulla base di un determinato criterio
  • Mappatura funzionale a fisica assegnare funzioni a entità fisiche

Un'idea centrale nell'approccio di cui sopra è pensare funzionalmente quando si progettano prodotti (Suh 2001). Ciò contribuirà a trasformare le esigenze del cliente in un insieme di specifiche o requisiti funzionali. I Requisiti Funzionali sono "ciò che vogliamo ottenere" e l'atto della progettazione è mapparli ai parametri di progettazione nel dominio fisico ("come lo otterremo").

Un'altra caratteristica saliente delle metodologie di progettazione è che sono basate su principi. Cioè, esistono principi generali o assiomi che possono essere applicati per progettare buone architetture. Un esempio di ciò è l'assioma dell'indipendenza e l'assioma dell'informazione (Suh 2001). L'assioma dell'indipendenza afferma che la soluzione progettuale deve mantenere l'indipendenza dei requisiti funzionali. Un parametro di progettazione nel dominio fisico che soddisfa un requisito funzionale non può influenzare un altro requisito funzionale.

L'assioma dell'informazione afferma che il contenuto informativo del progetto dovrebbe essere ridotto al minimo. Un altro modo di guardare a questo assioma, applicato al passaggio di sintesi funzionale sopra, è raggruppare le funzioni in modo tale che l'interfaccia con altri raggruppamenti di funzioni sia ridotta al minimo. Per più design che soddisfano l'Assioma dell'Indipendenza, quello che soddisfa anche l'Assioma dell'Informazione è considerato il miglior design.

Il processo di mappatura funzionale a fisica dovrebbe anche prendere in considerazione requisiti fisici aggiuntivi del sistema, come lo spazio disponibile, i requisiti di accesso ai componenti, ecc. Mentre questo processo viene eseguito, ci sono spesso funzioni aggiuntive che risultano necessarie per per raggiungere l'obiettivo del sistema.

Ad esempio, è comune in un sistema elettrico per ascensori avere elementi funzionalmente correlati (come i dispositivi di richiesta dell'ascensore e il dispatcher) che devono trovarsi in posizioni fisicamente diverse. Ci sono poi requisiti funzionali aggiuntivi per comunicazioni aggiuntive e connessioni di alimentazione.

I metodi sopra descritti sono potenziati dall'uso di vari strumenti basati su computer nell'analisi e nella modellazione. Come illustrato nel caso di Super High Rise Electrical System, la modellazione è necessaria per valutare le prestazioni del sistema a causa del cambiamento radicale nell'architettura di comunicazione del sistema elettrico. Inoltre, la costruzione di un prototipo fisico del sistema in scala reale non è fattibile a causa dell'elevato numero di nodi

3. CASI STUDIO

3.1 Sistema elettrico super alto

3.1.1 Challenge

Nei sistemi di ascensori a piani alti, l'entità della complessità dell'impianto elettrico è molto elevata. La combinazione dell'aumento delle dimensioni del gruppo, dell'aumento dell'altezza/numero di piani e della velocità pone sfide significative, soprattutto perché l'altezza degli edifici più alti del mondo continua ad aumentare. Alcune di queste sfide sono:

  • Peso e impatto sul sistema associato del cavo mobile
  • Numero di nodi e lunghezza totale della comunicazione con apparecchi di sala e dispositivi di sicurezza (es. serrature)
  • Complessità della manutenzione e del servizio con le dimensioni e la portata dell'intero sistema
3.1.2 Approccio tecnico

Nei tradizionali sistemi elettrici per ascensori, le interfacce discrete sono ancora il metodo di segnalazione predominante, soprattutto se le informazioni sono relative alla sicurezza. I recenti progressi nel codice degli ascensori (sicurezza elettronica programmabile) e nella tecnologia (interfaccia di comunicazione bus a basso costo) hanno consentito l'implementazione di un'architettura basata su bus CAN per eliminare i cavi discreti utilizzati per i segnali relativi alla sicurezza. Sebbene questo approccio presenti vantaggi nella risoluzione di alcune delle sfide sopra elencate, l'architettura basata su bus ha un potenziale impatto sul ritardo del segnale e sulle prestazioni del sistema a causa dell'elaborazione condivisa e delle risorse di comunicazione.

La Figura 1 mostra un sottoinsieme della struttura bus utilizzata per trasmettere messaggi di sicurezza e non relativi alla sicurezza all'interno del sistema elettrico. La scheda di interfaccia di sicurezza nella cabina dell'ascensore raccoglie ed elabora tutti i segnali discreti relativi alla sicurezza sulla cabina e li trasmette al sottosistema di sicurezza nel controller. Il sottosistema di sicurezza nel controllore qualifica tutti i segnali relativi alla sicurezza prima di inviarli a tutti gli altri moduli.

Anche tutti gli altri moduli non di sicurezza, come la pesatura del carico e il controllore, comunicano sullo stesso bus CAN. Per implementare con successo una tale soluzione di sistema elettrico, è fondamentale essere in grado di valutare l'effetto della trasmissione di messaggi di sicurezza e non relativi alla sicurezza sullo stesso bus fisico.

3.1.3 Analisi critica

È stato sviluppato un framework per l'analisi e l'esplorazione dell'architettura del sistema di comunicazione per valutare le prestazioni dei parametri critici del High Rise Electrical System (Ferrari 2012). Il framework è costituito da un ambiente di simulazione basato su eventi sviluppato utilizzando SystemC, librerie di componenti di comunicazione hardware e software, strumenti per importare il modello dell'applicazione da MatLab® e un mezzo per definire e configurare la topologia del sistema.

La topologia del modello del bus CAN auto e del bus CAN Drive è illustrata nella Figura 2. Ciascun modulo contiene una raccolta di elementi funzionali che rappresentano il comportamento dell'applicazione (FUNC_NODE), CAN Stack (CAN_Stack), CAN Driver (CAN_Driver) e l'hardware del controller CAN (CAN_Controller). Oltre ai singoli moduli, ogni bus CAN viene modellato anche come elemento funzionale e le connessioni al bus CAN da ciascun modulo sono definite dall'utente. Altri parametri definiti prima dell'esecuzione del modello includono la velocità del bus CAN, gli stimoli di input (chiamate dell'auto), la velocità di arrivo del messaggio e la scadenza del messaggio.

Il framework di modellazione consente un modo flessibile per esplorare diverse configurazioni di architetture di sistema e topologie di rete. La simulazione dei messaggi effettivi del bus dell'ascensore consente una valutazione quantitativa delle decisioni relative all'architettura. Inoltre, il limite del sistema può essere valutato modellando l'aumento della velocità delle auto e l'innalzamento degli edifici (maggiore lunghezza del bus). I tassi di arrivo dei messaggi aumentano con l'aumento della velocità dell'auto, con conseguente maggiore utilizzo degli autobus.

Durante lo sviluppo iniziale, la simulazione ha mostrato potenziali problemi con l'overflow della coda e messaggi persi; questi problemi sono stati poi confermati con i dati di laboratorio. Le successive modifiche alla configurazione del framework di messaggistica che hanno risolto questi problemi sono state quindi apportate e valutate utilizzando questo stesso framework di modellazione e verificate tramite dati di laboratorio.

3.1.4 Vantaggi per il cliente

Grazie all'implementazione delle funzioni di sicurezza nel software e all'utilizzo di una topologia di rete per la comunicazione di informazioni relative alla sicurezza e non, sono stati realizzati molti vantaggi. La significativa riduzione del cablaggio discreto ha consentito di ridurre il peso del cavo da viaggio, che ha molti effetti benefici sul sistema, tra cui la riduzione della potenza di propulsione e la conseguente maggiore efficienza energetica del sistema. I componenti ad alta affidabilità utilizzati in una catena di sicurezza a stato solido migliorano la disponibilità del sistema. Sono state inoltre implementate funzionalità aggiuntive che hanno reso il bypass dei dispositivi ben controllato. In questo sistema, questi "smart jumper" sono implementati tramite un software costruito per essere di natura transitoria, e quindi non è possibile che vengano accidentalmente lasciati sul posto. Un framework di modellazione ha fornito la capacità di modellare e simulare parametri prestazionali critici, che hanno permesso di progettare e fornire un'architettura del sistema elettrico in modo efficace con elevata sicurezza e affidabilità.

3.2 Architettura ottimizzata senza locale macchina

3.2.1 Challenge

Gli ascensori senza locale macchina sono il mercato principale in Europa per le applicazioni di fascia bassa e media. L'architettura di controllo in molti ascensori è ancora basata sull'architettura originariamente progettata per gli ascensori con sala macchine. Sebbene siano state apportate modifiche per soddisfare i requisiti aggiuntivi degli ascensori senza locale macchina, l'architettura di controllo non è stata in grado di tenere il passo con i cambiamenti nei requisiti richiesti oggi dai clienti:

  • Nessun impatto estetico degli ingressi
  • Maggiore utilizzo dello spazio del vano corsa
  • Sensibilità per il consumo di energia
  • Capacità in situazione di black-out
3.2.2 Situazione attuale

Gli elementi di controllo che prima risiedevano nel quadro elettrico all'interno della sala macchine sono stati distribuiti all'interno del vano corsa e uno degli ingressi per la loro applicazione in un ascensore senza locale macchine.

Ciò ha portato a diversi punti che sono stati identificati come i principali ostacoli per far corrispondere l'architettura di controllo ai mutati requisiti del cliente.

  • La trasmissione del segnale avviene con un mix di canali e topologie differenti
  • L'ex alimentazione centrale è suddivisa in vari punti di trasformazione.

Un alimentatore di backup per operazioni di emergenza e soccorso in caso di black-out ha aggiunto complessità all'architettura di alimentazione

3.2.3 Soluzione tecnica

Al fine di definire un'architettura di controllo ottimizzata, sono stati applicati gli strumenti ei metodi descritti in precedenza. Il risultato è una riallocazione delle funzionalità tra i principali componenti dell'impianto elettrico. La strategia di ottimizzazione si è concentrata su due elementi:

  • Semplificazione dell'architettura del segnale
  • Semplificazione dell'architettura di potenza
  • Ottimizzazione della posizione fisica della funzionalità

Un'architettura di segnale semplice è stata ottenuta mediante la serializzazione

  • Sostituzione dei cavi di segnale discreti con un sistema bus seriale
  • Definizione di una topologia di bus seriale
  • Applicazione del bus seriale a tutti i principali componenti del sistema di controllo
  • Ulteriori vantaggi grazie a un migliore scambio di informazioni tra i componenti

Una semplice architettura di potenza è stata ottenuta da:

  • Creazione di un sistema di alimentazione centrale
  • Definizione di una topologia di bus seriale
  • Inclusione della batteria di backup come parte dell'alimentazione del sistema centrale
  • Ulteriori vantaggi grazie a una maggiore efficienza e alla riduzione delle dimensioni

L'ottimizzazione della posizione fisica della funzionalità ha comportato il trasferimento di alcune funzionalità dal controller all'auto. Ciò ha comportato:

  • Riduzione dei requisiti di segnalazione nel cavo viaggiante
  • Riduzione dello spazio richiesto nel controller
3.2.4 Vantaggi per il cliente

I benefici risultanti sono

  • Impatto estetico minimo: I dispositivi di servizio e manutenzione sono assemblati nella colonnina porta; non è richiesto un quadro elettrico specifico.
  • Migliore utilizzo dello spazio del vano di corsa: Il pacchetto dell'attrezzatura del vano di corsa è ridotto sia in volume che in profondità.
  • Riduzione del consumo energetico in standby: l'obiettivo è raggiungere la classe A VDI 4707 (standard VDI, 2009).
  • Integrazione di salvataggio automatico e manuale: sono necessari solo componenti aggiuntivi minori per fornire un'operazione di salvataggio completamente automatica.

3.3 Ascensore a batteria

3.3.1 Challenge

Negli ultimi anni, c'è stata una maggiore attenzione sull'impatto della stabilità dell'alimentazione sul funzionamento degli ascensori.

La Figura 5 fornisce una panoramica della frequenza media di interruzione del sistema (SAIFI) per alcuni paesi europei (CEER, 2014). Come si può vedere, SAIFI è nell'intervallo da 0.3 a 4 (interruzioni all'anno).

Anche se questi valori sembrano bassi, c'erano e sono disponibili prodotti che forniscono operazioni di soccorso di emergenza per un ascensore. Questi prodotti utilizzano tradizionalmente sistemi separati che richiedono molto spazio e sono costosi. Spinte dall'attenzione del cliente su questo argomento, le funzioni di salvataggio automatico sono state integrate nelle versioni più recenti del prodotto senza richiedere molto spazio in più per i componenti di controllo. I principali fattori abilitanti per questo approccio integrato sono:

  • Azionamenti Gearless con motori sincroni a magneti permanenti
  • Funzionalità di controllo estese grazie agli azionamenti rigenerativi
  • Standardizzazione delle tensioni all'interno del sistema di controllo/azionamento
  • Utilizzo della direzione dell'auto a gravità per le operazioni di soccorso
  • Numero limitato di corse di soccorso/anno

In altre regioni, soprattutto nei paesi emergenti, la situazione della stabilità dell'alimentazione è molto diversa.

La Figura 6 mostra i dati raccolti dagli ingegneri di Otis Field per diverse regioni dell'India. Anche se lo studio è esperienziale, mostra chiaramente alcune differenze significative rispetto ai dati europei.

  • Le interruzioni di corrente in questo grafico sono al giorno anziché all'anno
  • La maggior parte delle aree ha interruzioni di corrente a una cifra al giorno
3.3.2 Soluzione tecnica

Al fine di fornire una soluzione alle crescenti esigenze relative alla qualità dell'energia, è stato utilizzato un approccio diverso. Invece di continuare a migliorare in modo incrementale l'ascensore supportato dalla batteria (cioè l'operazione di salvataggio automatico), l'architettura desiderata è un ascensore completamente alimentato a batteria (cioè il funzionamento senza interruzioni).

Sebbene questa architettura presenti diverse sfide, come il compromesso tra il livello di tensione della batteria e la tensione del motore necessaria per azionare l'ascensore, ne derivano molti vantaggi per il cliente.

  • Funzionamento autonomo e senza interruzioni in caso di interruzione di corrente
  • Alimentazione monofase
  • Peak shaving (solo potenza media dalla rete)
  • Compatibile con fonti energetiche alternative

Queste caratteristiche rendono questo ascensore a batteria un candidato appropriato per soddisfare le aspettative dei clienti in aree con condizioni della rete elettrica molto instabili. L'alimentazione monofase e la riduzione dei picchi offrono anche un vantaggio in termini di costi in alcune aree rispetto agli ascensori trifase standard.

Inoltre, estendere l'ascensore a batteria per utilizzare fonti di energia alternative come celle solari o mulini a vento è molto semplice, poiché la capacità di immagazzinamento e gestione dell'energia è già inclusa nel prodotto.

4. CONCLUSIONI

Utilizzando correttamente l'analisi del sistema e le metodologie dell'architettura, è possibile ottenere progetti di sistemi elettrici innovativi che soddisfano e superano le aspettative dei clienti. In base alle sfide da affrontare, spesso sono necessarie soluzioni fondamentalmente diverse.

Ciò è stato dimostrato in diversi casi di studio, che vanno da ascensori a piani altissimi, ascensori bassi senza locale macchina e ascensori alimentati a batteria. Continuando a utilizzare queste metodologie di analisi e architettura, i requisiti, i vincoli e le esigenze dei clienti futuri continueranno a essere affrontati con successo.

RIFERIMENTI
Suh, Nam Pyo (2001), Progettazione assiomatica: progressi e applicazioni. Oxford University Press, New York.
Ferrari A., Ginsberg, D., Scholte, E. e Nguyen, D. (2012), "Scalable Virtual Prototyping of Distributed Embedded Control in a Modern Elevator System", 7th IEEE International Symposium on Industrial embedded Systems.
Standard VDI: VDI 4707: Ascensori – Efficienza energetica, marzo 2009.
CEER (Consiglio dei regolatori europei dell'energia), Rapporto di benchmarking 5.1 sulla continuità dell'approvvigionamento elettrico, Ref: C13-EQS-57-03, febbraio 2014.
Daryl J. Marvin, Dang V. Nguyen, Peter Herkel e Dirk H. Tegtmeier

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

Daryl J. Marvin si è laureato alla Carnegie-Mellon University (BS), all'Università del Maryland (MS) e all'Università di Hartford (MBA). È entrato in Otis Elevator Company nel 1994 ed è attualmente il Direttore, Innovation. Il Sig. Marvin è un inventore nominato su numerosi brevetti di ascensori ed è coinvolto in una vasta gamma di progetti di innovazione in tutte le aree del sistema di ascensori.

Dang V. Nguyen è un Associate Fellow di Otis con esperienza in sistemi embedded: comunicazioni e networking. È un collaboratore chiave del programma High Rise Electrical System (HRES) e ha svolto un ruolo fondamentale nell'analisi di molteplici aspetti del CAN Bus impiegato su HRES. Dang ha conseguito una laurea in ingegneria elettrica presso il Georgia Institute of Technology e un master presso il Rensselaer Polytechnic Institute in ingegneria elettrica e informatica.

Peter Herkel ha un Master in Ingegneria presso l'Università di Kaiserslautern, in Germania. È entrato in Otis nel 1985 ed è attualmente Associate Fellow con competenze in progettazione di sistemi elettrici ed elettronica di sicurezza. Recentemente ha guidato la nuova architettura per un ascensore senza sala macchine con particolare attenzione alla riduzione del consumo energetico in standby e alla riduzione dello spazio assegnato al sistema di controllo elettrico.

Dirk H. Tegtmeier ha conseguito un master in ingegneria elettrica presso la Technische Universität di Hannover e un dottorato presso la Technische Universität di Berlino. È entrato in Otis Elevator Company nel 1989 ed è attualmente Program Manager con focus su sistemi e componenti elettrici.

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