Asansörler için Fren Kontrol Sisteminin Geliştirilmesi

Asansörün ağırlığının azaltılmasının fren davranışı üzerindeki etkisine bir bakış ve sorunu çözmek için bir fren kontrol sisteminin geliştirilmesi.

Rikio Kondo¹, Hiroşi Kigawa¹Takaharu Ueda², Masunori Shibata¹, Haziran Hashimoto¹, Akihiro Çida¹ ve Hideaki Marumo<sup>1

1</sup>Mitsubishi Electric Corporation, Japonya
²Mitsubishi Asansör Avrupa, Hollanda

Bu makale ELEVCON Lucerne 2010, Uluslararası Dikey Taşımacılık Teknolojileri Kongresi'nde sunulmuş ve ilk olarak A. Lustig tarafından düzenlenen IAEE Elevator Technology 18 kitabında yayınlanmıştır. Uluslararası Asansör Mühendisleri Derneği IAEE'nin (web sitesi: www.elevcon.com) izniyle yeniden basılmıştır. Bu makale tam bir yeniden basımdır ve ELEVATOR WORLD tarafından düzenlenmemiştir. 

Anahtar Kelimeler: Asansör, fren, yavaşlama kontrolü, elektronik güvenlik, acil durum

ÖZET 

Asansör kabinlerindeki ağırlığın azaltılması, enerji tasarrufuna ve daha az kaynak tüketimine katkıda bulunabilir. Bununla birlikte, bir otomobilin ağırlığının azaltılması, acil duruş sırasında daha yüksek yavaşlamaya neden olur. Bu tür daha yüksek yavaşlama aynı zamanda büyük bir çekme kuvveti gerektirir. Bu sorunları çözmek için IEC61508'e dayalı genel işlevsel güvenlik gereksinimlerini karşılayan bir fren kontrol sistemi geliştirdik. Önerilen sistem deneylerle doğrulanmıştır. 

1. GİRİŞ 

Ağırlık azaltma, toplam enerji ve kaynak tüketimini doğrudan etkilediği için otomobil, tren ve uçak gibi ulaşım endüstrileri için ciddi bir sorundur. Bu amaçla, bir sistemin ağırlığını azaltmak için hafif yapılar ve fiber takviyeli plastikler gibi alternatif malzemeler yaygın olarak kullanılmaktadır. Binalarda dikey taşıma sistemleri olan asansörler için de bu ağırlık azaltma konusu endişe vericidir. 

Bununla birlikte, asansör sistemlerinin frenleme sırasında kabin ağırlığındaki azalmayla yakından ilgili özel bir sorunu vardır. Acil durumda, bir asansör freni kabini yalnızca sınırlı bir yavaşlama paterni içinde durdurmakla kalmamalı, durduktan sonra da kabin konumunu korumalıdır (acil durdurma). Kabin ağırlığının azaltılması, acil duruşlarda yavaşlamayı artırır ve gerekli çekişi de artırır. Fren kuvvetinin her ülkedeki sistem gereksinimlerine ve ulusal standartlara uygun olarak tasarlanması gerektiğinden, bu sorunları çözmek için bir fren kontrol sistemi geliştirdik. 

2. AĞIRLIK AZALTILMASI NEDENİYLE FREN DAVRANIŞININ ETKİSİ 

Bir asansör freni, sınırlı bir yavaşlama modeli içinde bir kabini durdurduğundan, fren, kabini belirli bir yavaşlamanın üzerinde yavaşlatır. Şekil 1, tek sarma tahrikli ve halat faktörü 1'e sahip tipik bir asansör sistemini göstermektedir. Bu sistemle, ağırlık azaltma ve kabin yavaşlaması arasındaki ilişki göz önünde bulundurulmaktadır. Genel olarak, minimum yavaşlama, bir acil durdurma sırasında, nominal yükün karşı ağırlık kısmı %50'nin altında olduğunda meydana gelir ve 

Şekil 1. Asansör modeli

araba tam yük durumunda aşağı doğru çalışır. Minimum yavaşlama Greq olarak tanımlandığında, gerekli fren torku T, Mmax'ın maksimum yük olduğu, Mcar'ın kabin ağırlığı olduğu, J'nin çekiş makinesinin ataleti olduğu, h'nin nominal yükün kısmı olduğu, R'nin şu şekilde türetilir: tahrik kasnağının yarıçapı ve g yerçekimi ivmesidir. Bu parametreler Denklem'de yok sayılır. (1) askı halatının ve dengeleme halatının toplam ağırlığı küçük olduğundan. Genel olarak, kabin, yüksüz durumda aşağı doğru çalışırken acil duruş sırasında maksimumda yavaşlar. Bu durumda, maksimum yavaşlama Gmax, Denklem'de türetilir. (2). 

(2)

(3)

Şekil 2, Denklem 3'deki araba ağırlığı ve yavaşlama arasındaki ilişkiyi göstermektedir. (XNUMX). Greq (kesik çizgi) kabin ağırlığından bağımsızdır. Düşük araba ağırlığının Gmax (düz çizgi) için daha yüksek yavaşlamaya neden olduğu açıktır. 

Şekil 2. Yavaşlamanın araç ağırlığına bağımlılığı 

Daha sonra, maksimum çekme kuvveti aynı şekilde hesaplanır. Bir araba yüksüz durumda yukarı doğru çalıştığında, acil durdurma sırasında maksimum çekiş kuvveti Gtrac gereklidir. Gtrac bu durumda yavaşlama olarak tanımlanır. Gtrac, Denklem'den türetilir. (4) 

(4)

(5)

h 0.5'in altında olduğu için, Gtrac daha az araba ağırlığı Mcar ile her zaman daha yüksektir. Çekiş, Euler formülü ile aşağıdaki gibi tanımlanır. 

(6)

burada f, sürtünme faktörüdür ve a, tahrik kasnağının halat tarafından sarılmış açısıdır. Denklemin sol tarafı (6) çekiş gücüdür ve sağ taraf, kabin ile karşı ağırlık arasındaki çekiş oranıdır. denklem (6), Denklem'de daha hafif araba ağırlığı Mcar ve daha yüksek yavaşlama Gtrac'ın neden olduğu daha yüksek bir çekiş oranı nedeniyle araba ağırlığındaki azalmanın daha yüksek bir çekme kuvveti gerektirdiğini ima eder. (5) 

Yukarıda bahsedildiği gibi, kabin ağırlığındaki azalma, yalnızca acil duruş sırasında maksimum yavaşlamayı değil, aynı zamanda gerekli çekiş gücünü de artırır. Devam etti

3. FREN KONTROL SİSTEMİNİN GELİŞTİRİLMESİ 

Önceki bölümde açıklanan sorunlar, esas olarak, gerçekte gerekli olandan daha büyük bir fren kuvvetinden kaynaklanır. Bu nedenle, acil durdurma sırasında uygun yavaşlamayı ve yeterli çekiş gücünü koruyabilen bir fren kontrol sistemi (BCS) geliştirdik. 

3.1 Tasarım Standardı 

Acil durdurma sırasında, geleneksel bir sistem, frene sağlanan gücü keser ve aracı durdurmak için frenleri etkinleştirir. Öte yandan, BCS'miz acil durumu algılar ve acil durdurma sırasında güvenlik gerekliliklerine karşı gelmeden yavaşlamayı yeterince kontrol eder. Güvenli bir tasarım oluşturmak için önerilen BCS, elektrikli/elektronik/programlanabilir elektronik güvenlikle ilgili sistemlerin genel işlevsel güvenliğini öngören IEC61508'e dayalı olarak geliştirilmiştir. Japon standardı JISC0508, IEC61508'in çevirisi olarak Japonya'da zaten yayınlanmıştır. 

3.2 Sistemin Sistem Konfigürasyonu 

Şekil 3, tüm BCS konfigürasyonunu göstermektedir. 

BCS esas olarak iki ana birimden oluşur. Biri araç kontrol baskılı devre kartından (Car Control PCB) izole edilen fren kontrol baskılı devre kartı (Fren Kontrol PCB), diğeri ise fren bobinine giden güç kaynağının kapatılmasıyla devreye giren elektromanyetik frendir. . Asansör sistemi, bir aşırı hız algılama düzenleyicisine ve çukurda bir tampona sahiptir. 

Fren kontrol PCB'si, normal serviste araba kontrol PCB'sinin talimatına göre çalışır. Fren kontrol PCB'si, güvenlik devresinin sinyaliyle acil bir durumu algılar ve aracı hemen durdurur. Acil durdurma sırasında, fren kontrol PCB'si, freni hassas bir şekilde kontrol etmek için çekiş makinesinin kodlayıcı sinyalini kullanır. Fren kontrol PCB'sinin ikili sistemi, çalışmasını garanti etmek için birbiriyle karşılaştırır. 

Şekil 4, fren kontrol PCB'sinin ana konfigürasyonunu gösterir. 

Şekil 4. Fren kontrol PCB'si (baskılı devre kartı) 

Her bloktaki ana cihazlar şu şekilde açıklanmaktadır; 

Giriş: araba kontrol PCB'sinin talimat sinyali, güvenlik devresi sinyalleri ve çift kodlayıcı sinyalleri 

Kontrol: CPU, bellek, bekçi zamanlayıcısı (WDT), saat frekansı monitörü ve güç kaynağı voltajı monitörü 

Çıkış: güvenlik rölesi ve transistör kıyıcı 

IEC61508 tarafından tasarlanan fren kontrol PCB'si aşağıdaki ana kendi kendine teşhis izleme işlevlerine sahiptir: 

• iki CPU aritmetik işleminden elde edilen sonuçları karşılaştırarak karşılıklı izleme 
• her CPU'da bir bekçi köpeği zamanlayıcı ile yazılım kaçak 
• her CPU'daki saat frekansı 
• güç kaynağı voltajı 
• iki kodlayıcı sinyalinin karşılıklı kontrolüyle sensör hatası 
• güvenlik röleleri ve transistör kıyıcılar hatası 

3.3 Kontrol Yöntemi 

Şekil 5, yavaşlama kontrol yöntemini göstermektedir. BCS, acil durdurma sırasında hedef hız düzenini takip etmek için çekiş makinesinin hızını kontrol eder. Hedef hız modeli belirli bir ılımlı yavaşlamaya sahip olduğundan, BCS arabanın yavaşlamasını geleneksel sistemden daha iyi azaltabilir. 

Şekil 5. BCS ile kontrol yöntemi 

Bir acil durum tespit edildiğinde, fren kontrol PCB'si önce bir hedef hız modeli oluşturur. Ardından, fren kontrol PCB'si her kontrol döngüsü için çekiş makinesinin hızını tespit eder. BCS'yi kullanarak hızı kontrol etmek için kıyıcı ile fren-bobin voltajını ayarlar. Algılanan hız hedef hızdan daha hızlı olduğunda, fren kuvveti güçlüdür; tersi durumda, fren kuvveti zayıflar. Ek olarak, fren kontrol PCB'si, aracın aşırı hareket etmesini önlemek için güvenlik rölelerini kapatarak elektromanyetik frene giden güç kaynağını keser. 

4. DENEYSEL SONUÇLAR 

4.1 Önerilen Kontrolün Etkisi 

Bu bölümde, asansör sistemlerinin BCS'sini doğrulamak için deneysel sonuçlar gösterilmektedir. Önerilen sistemin etkinliğini netleştirmek için deney için daha hafif bir araba kullanıldı. Bu nedenle, kontrolün araba ağırlığının azaltılması üzerindeki etkisi doğrulanabilir. 

Şekil 6. Deney sonuçları

Şekil 6, inceleme sonuçlarının bir örneğini göstermektedir. Kontrollü araba hızı, kontrolsüz araba hızı ile karşılaştırılır. Fren kontrol PCB'si dikey kesik çizgi ile gösterilen zamanda bir acil durum tespit ettiğinde, BCS fren kuvvetini kontrol etmeye başlar. Sonuç, fren kontrol PCB'sinin hedef hızı takip ettiğini gösterir. Bu nedenle, araba orta derecede yavaşlama ile durabilir. 

4.2 Azaltılmış Araba Yavaşlamasının Etkisi 

Arabanın yavaşlaması için bir kriter belirlemek önemlidir. Bir yol, ortalama yavaşlamayı kullanmaktır, ancak bu, ani araba yavaşlamasına karşı uygun değildir. Başka bir yol, maksimum yavaşlamayı kullanmaktır. Ancak, yavaşlama süresi göz ardı edilir. 

Bu nedenle, Eiband'ın yönteminin [1] değerlendirmesine atıfta bulunarak, dürtüye dayalı kriteri kullanıyoruz. Bununla birlikte, çekiş sistemi tarafından bir acil durdurma sırasındaki yavaşlama açıkça bunun altında olduğu için Eiband diyagramını kabul etmiyoruz. İmpuls P, şu şekilde türetilir: 

P = M x (g + Gif) x ∆ t, (7)

Burada M yüklenen ağırlıktır, Gif darbe M'ye etki ettiğinde yukarı doğru ivmedir, g yerçekimi ivmesidir ve ∆ t yavaşlamanın süresidir. Hem Gif hem de ∆ t, Denklem katsayılarında yalnızca asansör sisteminin yavaşlama hareketi ile ilgilidir. (7). Bu nedenle, itmeyi orantılı olarak etkileyen arabanın yavaşlaması için değerlendirme indeksi 'Gif x ∆ t' olarak tanımlanır. Kontrol etkisi, kontrol koşulu için ∆ t ve Gif arasındaki ilişki ile kontrol yok koşulu için olan ilişki karşılaştırılarak değerlendirildi. 

Şekil 7, aracın ölçülen yavaşlamasına ilişkin bir örneği göstermektedir ve yavaşlama profillerinden Gif ve ∆ t'yi değerlendirme yöntemi aşağıda açıklanmıştır. Yavaşlama ve yavaşlama süresi değerlendirildi; eylem yavaşlamasına tepki veren süre Gif1 ∆ t1 ve ∆ t2 ve Gif2'ye ⊿ t3 olarak değerlendirildi. Gif1'in iki süresi olmasına rağmen, itici gücü arttığı için daha uzun olanı değerlendirilen değer olarak kabul edildi. Devam etti

Şekil 7. Darbe kuvvetinin değerlendirme yöntemi

Şekil 8, yavaşlamanın sonuçlarını ve süreyi göstermektedir. 

Şekil 8. Darbe kuvveti değerlendirmesi 

Karşı ağırlık kabinden daha ağır olduğu için, içinde ince düz çizgi ile gösterildiği gibi yüksüz durumda aşağı doğru hareket durumunda kabin hızla yavaşlar. Öte yandan, kabin tam yük durumunda aşağı doğru hareket ettiğinde, kabin yavaşlaması o kadar düşüktür ki yavaşlama süresi (ince kesikli çizgi) uzar. Ancak önerilen BCS, yüklü ağırlık koşullarından bağımsız olduğundan, kalın düz ve kalın kesikli çizgiler oldukça benzerdir. 

Normal serviste meydana gelen yavaşlamalar (veya hızlanmalar) önemli değildir (Şekil 8). Daha sonra normal serviste yavaşlama yerine yavaşlamaya odaklanıldığında, kontrollü durumlarda maksimum yavaşlamalar kontrolsüz durumlara göre daha düşük ve süreler daha kısadır. Bu nedenle, 'Gif x ∆ t' azalır ve M üzerindeki darbe kontrol ile azalır. 

4.3 Halat Kaymasını Önlemenin Etkisi 

Figure 9 shows the results of emergency-stop examinations during the upward motion with no-load condition. The examinations were executed in a car with further ­reduced weight, so that braking would cause a slip between the driving sheave and suspension rope. Without any control, the motor and the rope speeds split because of the motor's rapid deceleration, that is to say, the rope slipped on the sheave. However, the rapid deceleration of the traction machine was prevented with the control, and the rope did not slip on the sheave during braking. 

Şekil 9. Çekme kuvveti değerlendirmesi 

5. SONUÇLAR 

Geliştirilen fren kontrol sistemi özetlenmiştir: 

1) Geliştirilmiş BCS'mizi kullanan asansör arabaları, acil duruşlar sırasında orta derecede yavaşlama ve çekiş sağlayabilir. 

2) BCS'mizin güvenilir tasarımı, programlanabilir elektronik güvenlik sistemleri için uluslararası standartlara dayalı olarak elde edilmiştir. 

3) BCS'nin etkinliği bir prototip sistemle doğrulandı ve yavaşlama kontrolünü değerlendirmek için bir dürtü kriteri getirildi. 

6. REFERANSLAR 

[1] A. M. Eiband, "Human tolerance to rapidly applied accelerations: A summary of the literature," NASA Memorandum No. 5-19-59E, 1959