Il dispositivo di sicurezza più importante per le scale mobili

L'evoluzione dei sistemi frenanti delle scale mobili e dei marciapiedi mobili

di Anthony Boom

Introduzione

Fin da quando è stata installata la prima scala mobile, i produttori di scale mobili e i comitati del codice di sicurezza hanno lavorato in modo proattivo e reattivo per rendere le scale mobili il più sicure possibile. Che i produttori e i comitati del codice agissero in modo proattivo o reattivo, col passare del tempo sono stati implementati molti nuovi dispositivi e regole di sicurezza per rendere le scale mobili e i marciapiedi mobili più sicuri. 

Nei miei oltre 35 anni di lavoro nel settore delle scale mobili, ho visto l'implementazione di una varietà di nuovi dispositivi di sicurezza, come rilevatori di gradini mancanti, sensori di velocità del corrimano, dispositivi di impatto a pettine, dispositivi di livello dei gradini, dispositivi di velocità eccessiva e insufficiente e molto altro. 

Si potrebbe scrivere molto sull'aggiunta e l'evoluzione di tutti i dispositivi di sicurezza delle scale mobili, ma l'attenzione di questo articolo è rivolta all'evoluzione del dispositivo di sicurezza più importante: il freno della scala mobile.

Il freno della scala mobile è il dispositivo di sicurezza più importante per le scale mobili, poiché ogni altro dispositivo di sicurezza su una scala mobile dipende dalla funzione del freno della scala mobile. Se non ci fosse il freno della scala mobile, allora quale sarebbe il valore di installare un interruttore di arresto di emergenza o un dispositivo di eccesso di velocità o un dispositivo di impatto a pettine o qualsiasi altro dispositivo di sicurezza? La risposta è "nessuno". Se non ci fosse il freno della scala mobile, allora la scala mobile non si fermerebbe quando si attiva un dispositivo di sicurezza. Nella migliore delle ipotesi, il motore della scala mobile si spegnerebbe e la scala mobile continuerebbe a muoversi finché il peso dei passeggeri sulla scala mobile non fosse sufficiente a superare l'attrito dei corrimano e della fascia scorrevole del gradino. 

Freni a coppia fissa e volani

I primi freni per scale mobili erano semplici freni a molla, ora chiamati freni a coppia fissa. Per applicare il freno della scala mobile quando necessario, venivano utilizzate molle di tensione e molle di tipo compressivo. Le molle di tensione persero popolarità perché il guasto della molla di tensione avrebbe comportato la mancanza di freno, mentre una molla di compressione può comunque fornire una certa forza elastica se la molla si rompe. 

Alcuni svantaggi di un freno a coppia fissa:  

• Man mano che i freni si usurano, è necessario regolarli regolarmente.
• Se la coppia fissa del freno viene regolata in modo tale che la coppia frenante sia sufficiente ad arrestare una scala mobile caricata pesantemente, quando la scala mobile è caricata in modo leggero, potrebbe arrestarsi in modo indesiderato e rapido.
• La distanza di arresto della scala mobile può variare notevolmente a seconda del carico sull'unità. Se il carico sulla scala mobile è elevato, la distanza di arresto della scala mobile sarà lunga. Mentre, se il carico sulla scala mobile è leggero, la distanza di arresto sarà breve. 

Per ridurre al minimo le differenze nelle distanze di arresto e nei tassi di arresto delle scale mobili, i produttori di scale mobili hanno aggiunto un grande volano al motore della scala mobile. L'aggiunta di un volano al motore della scala mobile ha ridotto l'impatto del carico sulla scala mobile. In sostanza, il freno lavora di più per fermare il volano piuttosto che fermare il carico sulla scala mobile. Più grande è il volano, più costante diventa l'arresto di una scala mobile da nessun carico sulla scala mobile a un carico pesante sulla scala mobile. 

L'aggiunta di un volano non solo fa sì che la scala mobile si fermi in modo più costante, ma il volano rende la velocità di arresto della scala mobile più costante in entrambe le direzioni: su e giù. Senza un volano montato sul motore della scala mobile, un carico sulla scala mobile causerà un arresto breve della scala mobile se la scala mobile sta andando verso l'alto e un arresto lungo se la scala mobile sta andando verso il basso. 

Potrebbe sembrare che il volano montato sull'albero motore della scala mobile abbia corretto la maggior parte dei problemi del freno a coppia fissa. Tuttavia, l'aggiunta di un volano crea alcuni nuovi problemi indesiderati:

• La necessità di un freno molto più grande. Con un volano montato sull'albero motore, il freno deve avere una coppia di arresto sufficiente per fermare il volano e il pieno carico nominale sulla scala mobile.
• Aumentando le dimensioni del freno aumenta anche il costo dello stesso.
• È necessario più spazio per montare il volano e il freno più grande.
• Per avviare il motore e il volano della scala mobile, che poi ruotano e accelerano, è necessaria una grande quantità di corrente elettrica. 

I produttori di scale mobili hanno sopportato questi problemi per decenni per ottenere i vantaggi che l'aggiunta di un volano fornisce. Tuttavia, con il passare del tempo, i requisiti del codice di sicurezza sono diventati più severi. Il codice richiedeva una distanza minima di arresto di 4.5 pollici (4.5 pollici sono stati calcolati su una velocità di decelerazione massima di 3 piedi/s^2 per una scala mobile che funzionava a 90 piedi/min.) Arrestare più velocemente di 3 piedi/s^2 era considerato destabilizzante per i passeggeri. Tuttavia, la scala mobile doveva essere fermata a una distanza non superiore a circa 16 pollici. Questi 16 pollici erano determinati dalla distanza tra l'interruttore della gonna e i denti del pettine sulla scala mobile. Se la scarpa di qualcuno rimaneva intrappolata tra il bordo del gradino e la gonna della scala mobile quando si attivava l'interruttore della gonna, la scala mobile doveva essere fermata prima che il piede di quella persona venisse trascinato nei denti del pettine. 

Per soddisfare l'intervallo di distanza di arresto consentito dal codice di 4.5 pollici a 16 pollici, indipendentemente dal carico vivo sulla scala mobile, i produttori hanno sperimentato l'aumento delle dimensioni del volano del motore per ridurre al minimo l'effetto del carico vivo sulla scala mobile. Altri produttori hanno esplorato l'impostazione della coppia frenante elevata e quindi il ritardo dell'applicazione del freno per soddisfare il requisito di distanza di arresto minima di 4.5 pollici.

Ritardare l'applicazione del freno ha contribuito a soddisfare il requisito di distanza minima di arresto, ma non è riuscito a soddisfare il tasso di decelerazione massimo di 3 ft/s^2. Quindi, il comitato del codice ha aggiunto il requisito di impostare il freno senza ritardo per evitare un tasso di decelerazione superiore a 3 ft/s^2. 

Freni a coppia fissa variabile

Negli anni '1980, l'azienda per cui lavoravo ha abbinato un freno magnetico permanente (PM) a un nuovo metodo per applicare una coppia frenante fissa proporzionale al carico sulla scala mobile. Il vantaggio del freno PM era ed è che si tratta di un dispositivo a coppia variabile. Il freno PM produce una coppia inversamente proporzionale alla corrente che scorre attraverso la bobina del freno PM. Se il carico sulla scala mobile era pesante, il controller del freno poteva aumentare la coppia frenante riducendo la corrente del freno PM. Se il carico sulla scala mobile era leggero, il controller del freno poteva diminuire la coppia frenante aumentando la corrente della bobina del freno PM.

Ora questo controller dei freni ha determinato il carico sulla scala mobile misurando l'angolo di fase tra la tensione del motore della scala mobile e la corrente del motore della scala mobile. Un angolo di fase maggiore implica un carico più leggero sulla scala mobile, mentre un angolo di fase minore implica un carico più pesante sulla scala mobile. Se l'angolo di fase fosse piccolo, il controller dei freni della scala mobile ridurrebbe la corrente della bobina del freno PM per applicare più forza frenante mentre la scala mobile si ferma. Quando l'angolo di fase fosse maggiore, il controller dei freni della scala mobile aumenterebbe la corrente della bobina del freno PM per ridurre la coppia frenante.

L'applicazione di una coppia frenante proporzionale al carico sulla scala mobile ha eliminato la necessità di un volano, pur essendo in grado di soddisfare i requisiti del codice per la velocità di decelerazione e le distanze di arresto. Tuttavia, questo controller del freno richiedeva una configurazione di controllo piuttosto complessa che variava a seconda delle dimensioni del motore e della fabbricazione del motore. Inoltre, la coppia frenante PM non era coerente da freno a freno per una data corrente della bobina del freno. Di conseguenza, di tanto in tanto o ogni volta che il freno veniva sostituito con un nuovo freno, dovevano essere apportate ulteriori regolazioni della configurazione.

Controllo del freno con feedback di velocità

Nel 1988, la stessa azienda ha ideato un nuovo controllo dei freni più semplice da impostare e indipendente dalle dimensioni del motore, dalla fabbricazione del motore e dalle variazioni della coppia frenante per una data corrente della bobina del freno. Questo nuovo metodo utilizzava il "feedback di velocità" con lo stesso freno PM. Il controllore dei freni "feedback di velocità" confrontava una rampa di tensione predefinita con la tensione di un tachimetro azionato dal motore della scala mobile. Il controllore dei freni avrebbe variato la coppia frenante a seconda di come la tensione del tachimetro seguiva la rampa di tensione predefinita. Se, mentre la scala mobile si stava fermando, la tensione del tachimetro era inferiore alla tensione della rampa di tensione predefinita, la scala mobile si stava fermando più rapidamente del desiderato. Quindi, il controllore dei freni avrebbe ridotto la coppia frenante per diminuire la velocità di arresto della scala mobile. Tuttavia, se la tensione del tachimetro era superiore alla rampa di tensione predefinita, la scala mobile si stava fermando più lentamente del desiderato. Quindi, il controllore dei freni avrebbe aumentato la coppia frenante per diminuire la velocità di arresto della scala mobile.

I vantaggi del controllo del freno con feedback di velocità includevano:

• Procedura di configurazione semplificata
• Indipendentemente dalle dimensioni del motore
• Indipendente dalla fabbricazione del motore
• Indipendente dalle variazioni della coppia frenante per una data corrente della bobina del freno
• Eliminata la necessità di un volano

Finché il freno riusciva a produrre una coppia sufficiente ad arrestare il carico nominale, il feedback di velocità funzionava abbastanza bene.

Gli svantaggi del controllo del freno a feedback di velocità includevano:

• La necessità di “sintonizzare” il tachimetro sulla rampa di tensione predefinita generata dal controller del freno
• Poiché la tensione del tachimetro si è degradata nel tempo, è stato necessario "riregolare" il tachimetro sulla rampa di tensione predefinita generata dal controller del freno.
• Il controller dei freni aveva solo una rampa di tensione preprogrammata con cui veniva confrontata la tensione di feedback del tachimetro. Quindi, erano necessarie diverse schede di controllo dei freni per ogni velocità per cui una scala mobile o un marciapiede automatico era progettato per funzionare.

È opportuno notare che, per evitare situazioni pericolose, il controllore della scala mobile non consentirebbe il funzionamento della scala mobile se la tensione sul tachimetro fosse troppo bassa.

Controllo del freno con feedback di decelerazione

Nel 1993, la stessa azienda ha ideato un altro nuovo controller dei freni che aveva tutti i vantaggi del controller dei freni "velocity feedback" ma era ancora più semplice da configurare e non doveva essere "regolato" o "riregolato". Questo nuovo metodo utilizzava il "deceleration feedback" con lo stesso freno PM. Questo controller dei freni utilizzava un encoder anziché un tachimetro per determinare la velocità e calcolare la decelerazione in tempo reale della scala mobile. La velocità di decelerazione in tempo reale calcolata della scala mobile veniva quindi confrontata con un setpoint di decelerazione desiderato. Il controller dei freni utilizzava un controllo PI (proporzionale e integrale) per variare la coppia frenante a seconda di quanto la velocità di decelerazione in tempo reale della scala mobile fosse vicina al setpoint desiderato. Se, mentre la scala mobile si stava fermando, la velocità di decelerazione in tempo reale della scala mobile era maggiore del setpoint, la scala mobile si stava fermando più rapidamente del desiderato. Quindi, il controller dei freni avrebbe ridotto la coppia frenante per diminuire la velocità di arresto della scala mobile. Tuttavia, se la velocità di decelerazione della scala mobile in tempo reale fosse inferiore al setpoint, la scala mobile si fermerebbe più lentamente del desiderato. Quindi, il controller dei freni aumenterebbe la coppia frenante per aumentare la velocità di arresto della scala mobile.

I vantaggi del controllo del freno con feedback di decelerazione includono:

• Tutti i vantaggi del regolatore di feedback della velocità
• Una procedura di configurazione ancora più semplice
• Nessuna messa a punto o rimessa a punto
• La stessa scheda di controllo dei freni può essere utilizzata su qualsiasi scala mobile o marciapiede mobile.

Altri miglioramenti integrati nel nuovo controller del freno a feedback di decelerazione includono:

• L'uso di PWM (Pulse Width Modulation) al posto della regolazione lineare per controllare la corrente di frenata. PWM fornisce un controllo più preciso ed è più efficiente dal punto di vista energetico rispetto al vecchio controllo lineare.
• È stato aggiunto l'uso del controllo PI per regolare la corrente di rilascio della bobina del freno. Quindi, poiché la resistenza della bobina del freno variava da freno a freno, o poiché la resistenza della bobina del freno variava a causa delle variazioni di temperatura, il controller PI manterrebbe la stessa corrente di rilascio del freno nel tempo.
• La logica fuzzy su cui ho ricevuto un brevetto per il controllo dei freni ha stimato il carico sulla scala mobile in modo che la coppia frenante iniziale corrispondesse da vicino alla coppia frenante effettivamente richiesta. Il risultato della stima del carico sulla scala mobile prima dell'inserimento del freno ha ridotto il tempo di ricerca e l'entità per produrre un inserimento del freno più fluido.

Finché il freno riusciva a produrre una coppia sufficiente ad arrestare il carico nominale, il feedback di decelerazione funzionava bene.

Uno degli svantaggi principali del controllo del freno a feedback di decelerazione è su una scala mobile in salita. Una scala mobile in salita carica si fermerà sempre prima del setpoint di decelerazione desiderato se non c'è una massa del volano montata sul motore della scala mobile. Tuttavia, al momento, l'Escalator Safety Code non richiede una velocità di decelerazione massima quando la scala mobile è in salita. 

Frenata dinamica controllata dal motore

All'inizio del 2024, ho terminato di testare un nuovo sistema frenante ibrido per scale mobili e marciapiedi mobili. Questo sistema frenante ibrido incorpora il controllo della frenata con feedback di decelerazione con un altro tipo di controllo della frenata recentemente autorizzato dall'ASME A17.1-2019 e dalla norma 2022 del Codice di sicurezza delle scale mobili del 6.1.5.3.4. Il Codice di sicurezza delle scale mobili si riferisce a questo nuovo sistema frenante come "Frenata dinamica con controllore motore". La frenata dinamica controllata dal motore richiede che l'alimentazione rimanga collegata al motore della scala mobile durante il processo di frenata perché il motore viene utilizzato per la frenata.

In realtà, la frenata dinamica controllata dal motore non è una novità, ma fino a poco tempo fa non era consentita per l'uso su scale mobili e marciapiedi mobili perché l'Escalator Safety Code ha sempre richiesto la rimozione dell'alimentazione dal motore della macchina motrice e dal freno ogni volta che viene attivato un dispositivo di sicurezza. L'Escalator Safety Code ora consente l'uso della frenata dinamica controllata dal motore, a condizione che vengano rispettate diverse altre regole. 

I vantaggi della frenata dinamica controllata dal motore:

• Tutti i vantaggi del regolatore di feedback di decelerazione
• La scala mobile non accelera né rallenta mentre attende che il freno si innesti quando viene azionato un dispositivo di sicurezza. Senza frenata dinamica, la scala mobile "girerà a ruota libera" durante il tempo che impiega un freno normale per passare da aperto a innestato. Mentre il tempo di innesto del freno normale è relativamente breve, la scala mobile accelererà momentaneamente sotto carico nella direzione di discesa finché il freno non si innesta. Con la frenata dinamica, la ruota libera del motore viene eliminata. Di conseguenza, il processo di arresto è migliorato.
• Velocità di arresto costante indipendentemente dal carico sulla scala mobile o dalla direzione di marcia
• Distanze di arresto costanti indipendentemente dal carico sulla scala mobile o dalla direzione di marcia
• Può essere utilizzato come mezzo aggiuntivo per fermare la scala mobile — Codice richiesto sopra i 6 m
• Elimina la necessità di un secondo freno macchina quando il codice richiede un freno ridondante
• Il profilo di frenata è fluido come un freno a coppia fissa. 

Gli svantaggi della frenata dinamica controllata dal motore includevano:

• Il motore non riesce a produrre coppia frenante in caso di perdita di potenza.
• L'Escalator Safety Code consente l'uso della frenata dinamica controllata dal motore per la maggior parte dei dispositivi di sicurezza, ma non per tutti. La frenata dinamica NON è consentita per il monitoraggio della velocità della scala mobile, il dispositivo a catena di trasmissione, gli interruttori di fossa, l'inversione di arresto, il dispositivo di sicurezza del motore scollegato, il dispositivo di impatto del pettine e molti altri.

Per superare gli svantaggi della frenata dinamica controllata dal motore, ho abbinato la frenata dinamica al controllo del feedback di decelerazione per formare un sistema ibrido. Per la maggior parte dei dispositivi di sicurezza, viene utilizzata la frenata dinamica del controller del motore. Laddove non è possibile utilizzare la frenata dinamica controllata dal motore, il sistema ibrido utilizza il controllo del feedback di decelerazione.

Tabella comparativa della frenata

• La linea tratteggiata in alto rappresenta la frenata PM a pieno carico verso il basso.
• La seconda linea tratteggiata dall'alto rappresenta la frenata PM senza carico sulla scala mobile in entrambe le direzioni.
• La linea continua centrale rappresenta la frenata dinamica (rigenerativa), in tutte le condizioni, con carico, senza carico, in salita e in discesa.
• La linea tratteggiata in basso rappresenta la direzione di salita a pieno carico della frenata PM.
• Con qualsiasi freno a molla o applicato magneticamente c'è un tempo di applicazione. La tabella di confronto dei freni mostra un tempo di applicazione del freno di 100 m/s e una velocità di corsa della scala mobile di 100 ft/min. La velocità effettiva della scala mobile dipende dalla velocità effettiva della scala mobile a vuoto, dalla direzione di corsa e dal carico sulla scala mobile. Una scala mobile carica in salita funzionerà più lentamente della velocità effettiva della scala mobile a vuoto e una scala mobile carica in discesa funzionerà più velocemente della velocità effettiva della scala mobile a vuoto. 
• Il grafico della direzione di frenata PM a pieno carico mostra che la velocità della scala mobile è aumentata a 2.5 piedi/s² da 100 ft/min a 115 ft/min e spostato di 2.15 pollici prima che il freno si attivasse. Quindi, il controller PM Brake ha controllato la velocità di decelerazione a 1.5 ft/s² per ulteriori 14.7 pollici. Il tempo di arresto totale è di circa 1.4 s con una distanza di arresto totale di 16.8 pollici. Se ci fosse un tempo di applicazione pari a zero e se ci fosse una coppia frenante sufficiente per arrestare il carico a 1.5 piedi/s², la distanza di arresto effettiva sarebbe di 11.11 pollici.
• Il grafico della frenata PM senza carico mostra che la velocità della scala mobile è diminuita di 0.5 piedi/s² da 100 ft/min a 97 ft/min e si è spostato di 1.97 pollici prima che il freno si attivasse. Quindi, il controller del freno PM ha controllato la velocità di decelerazione a 1.5 ft/^s2 per ulteriori 10.45 pollici. Il tempo di arresto totale è di circa 1.2 s con una distanza di arresto totale di 12.4 pollici. A seconda dell'inerzia e dell'attrito del sistema meccanico, il tempo effettivo, il tempo di arresto e la distanza varieranno. Se ci fosse un tempo di applicazione pari a zero e se ci fosse sufficiente inerzia per superare l'attrito del sistema, la distanza di arresto effettiva sarebbe di 11.11 pollici.
• Il grafico della frenata PM a pieno carico in direzione ascendente mostra che la velocità della scala mobile è diminuita a 4.2 piedi/s² da 100 piedi/min a 74.8 piedi/min e si è spostato di 1.75 pollici prima che il freno si attivasse e poi ha continuato a decelerare a 4.2 piedi/s² per altri 2.22 pollici. Il tempo di arresto totale è di circa 0.4 s con una distanza di arresto totale di 3.97 pollici. In questo caso, il controller del freno PM applicherà una forza frenante minima. Il peso sulla scala mobile rallenterà la scala mobile fino a fermarsi più rapidamente della velocità programmata dal controller del freno. Il tempo di arresto totale è di circa 0.4 s con una distanza di arresto di 3.9 pollici. A seconda di quanto peso è sulla scala mobile e dell'inerzia e dell'attrito del sistema meccanico, il tempo effettivo, il tempo di arresto e la distanza varieranno.
• Il grafico della frenata dinamica (rigenerativa) non mostra alcun ritardo nella frenata. Indipendentemente dal carico sulla scala mobile e dalla direzione di marcia, il grafico mostra che la scala mobile ha rallentato a 1.7 ft/s² da 100 ft/min a 0 ft/min in 1.0 s in una distanza di arresto totale di 9.8 pollici. In questo caso, il controller del freno PM applicherà una forza frenante ridotta durante l'arresto poiché l'inverter rallenta la scala mobile più velocemente del punto di regolazione del controller del freno. Nella direzione verso l'alto, l'inverter "spingerà" il carico della scala mobile per mantenere 1.7 ft/s² tasso di decelerazione. 

Conclusione

Fin da quando è stata installata la prima scala mobile, i produttori di scale mobili e i comitati per la sicurezza hanno lavorato in modo proattivo e reattivo per rendere le scale mobili e i marciapiedi mobili il più sicuri possibile, aggiungendo e migliorando i dispositivi di sicurezza.

Il dispositivo di sicurezza più importante sulla scala mobile è il freno della scala mobile. Tutti gli altri dispositivi di sicurezza dipendono dal freno della scala mobile per fermare la scala mobile quando viene azionato un dispositivo di sicurezza. Il freno non deve solo fermare la scala mobile o il marciapiede mobile, ma deve fermare la scala mobile nel modo più sicuro possibile.

Come discusso in precedenza, i freni delle scale mobili sono partiti come freni a coppia fissa. Poi sono arrivati ​​i miglioramenti con l'aggiunta di volani, freni a coppia fissa variabile, feedback di velocità, feedback di decelerazione e, ora, frenata dinamica controllata dal motore. 

Il sistema frenante che ho recentemente terminato di testare è un sistema ibrido che combina la frenata dinamica controllata dal motore con la frenata con feedback di decelerazione per i casi in cui la frenata dinamica controllata dal motore non può essere utilizzata.

Riferimenti al codice

ASME A17.1-2019/CSA B44:19 Regola 6.1.5.3 Freni

• 6.1.5.3.1 Freno della macchina di azionamento della scala mobile 
• 6.1.5.3.2 Frenatura dell'albero motore principale
• 6.1.5.3.3 I freni della macchina di guida della scala mobile e i sistemi di frenatura dinamica controllati dal motore devono essere certificati secondo i requisiti di 8.3.1 e 8.3.6
• 6.1.5.3.4 Frenata dinamica controllata dal motore della macchina di guida della scala mobile
• 6.1.5.3.5 Freno ausiliario 
• ASME A17.1-2019/CSA B44:19 Regola 6.1.6.7 Monitoraggio della distanza di frenata delle scale mobili
• ASME A17.1-2019/CSA B44:19 Regola 6.1.6.3 Dispositivi di protezione elettrica 6.1.6.3.1 fino a 6.1.6.3.16 includono la seguente terminologia se la frenata dinamica è consentita per il dispositivo, "deve causare l'avvio della frenata dinamica (6.1.5.3.4) o l'interruzione dell'alimentazione elettrica dal motore e dal freno della macchina di azionamento della scala mobile". Se la frenata dinamica non è consentita, la seguente terminologia verrà omessa: "deve causare l'avvio della frenata dinamica". I dispositivi sono elencati nella sezione Requisiti di questo documento. 
• ASME A17.1-2019/CSA B44:19 Regola 6.1.6.10 Circuiti di controllo e operativi. La progettazione e l'installazione dei circuiti di controllo e operativi devono essere conformi a 6.1.6.10.1 attraverso 6.1.6.10.4.
• ASME A17.1-2019/CSA B44:19 Regola 8.3.1 Requisiti generali per test e certificazione
• ASME A17.1-2019/CSA B44:19 Regola 8.3.6 Prove di tipo del freno della scala mobile e del sistema frenante