Modern Hidrolik Güç Üniteleri: Elektronik Kontrolden Zekaya Gelişiyor

Elektronik kontrollü kaldırma valflerinin avantajları ve özellikleri araştırılmıştır.

Dr.-Ing. E. Goenechea, Bucher Hydraulics AG, İsviçre

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: Hidrolik valf, elektronik kontrol, kendi kendine öğrenme, durum izleme

ÖZET

Ekim 2009'da Bucher Hydraulics, yeni elektronik kontrollü kaldırma valfi "iValve"yi sundu. "i" harfi "akıllı" anlamına gelir çünkü valf, kendinden önceki LRV-1'de olduğu gibi yalnızca elektronik olarak kontrol edilmez. iValve ayrıca “iTeach” adı verilen kendi kendine öğretme kapasiteleri ile gerçekleştirilen kendi kendine ayarlama ve durum izleme gibi bazı önemli akıllı özellikler de sunar. Bu özellikler, mekatronik ürünler için en yüksek standartlara uyan Ar-Ge stratejileri, araçları ve kapasiteleri kullanılarak geliştirilmiştir. Aşağıda elektronik kontrolün avantajları ve özellikleri ile yeni özelliklerin etkisi anlatılacaktır. Geliştirilen öğrenme algoritmalarının gücü deneysel sonuçlarla gösterilmektedir.

1. GİRİŞ

Her hidrolik yağın yanı sıra her hidrolik güç ünitesi çeşitli fiziksel özelliklere tabidir. Örneğin, hidrolik yağın viskozitesi artan sıcaklıkla azalır. Bu, yağın inceldiği, daha fazla ısındığı anlamına gelir. Örneğin, tipik olarak kullanılan bir madeni yağ HLP46'nın viskozitesi, 500°C'de yaklaşık 2 cSt ve 20°C'de 60 cSt olabilir.

Başka bir örnek, bir güç ünitesinin pompası olabilir. Bu tipik olarak bir vidalı pompadır. Geometrik toleranslar nedeniyle bu pompalarda sızıntı vardır. Bu, pompanın hacimsel yer değiştirmesinin, yukarıda belirtilen viskozitenin yanı sıra basınca da bağlı olduğu anlamına gelir.

Basınç, sıcaklık, ortamın yaşlanması, bileşenlerin aşınması, filtrelerin durumu ve çok daha fazlası gibi çeşitli parametrelere bağlı olarak bir hidrolik sistemin az çok önemli çok sayıda özelliği vardır.

Ne yazık ki bu ilişkilere genellikle hidrolik sistemlerin dezavantajları denir. Basit mekanik valfler söz konusu olduğunda, gerçekten öyleler. Aşağıda, akıllı elektronik kontrollü bir valf kullanılarak bu etkilerin kolaylıkla ele alınabileceği ve müşteriye, hassas bir şekilde inen, konforlu sürüş sağlayan ve mümkün olduğunca fazla enerji tasarrufu sağlayan bir hidrolik sistemin avantajlarından başka bir şey kalmadığı gösterilecektir. Pek çok avantaj sayılabilir. Bu makale, kompakt, hassas ve güvenilir bir sürüş eğrisinden – enerji verimliliği ve hassas iniş – türetilenlere odaklanacaktır.

2. MEKANİK KONTROLLÜ VANA

İki kat arasında hareket eden bir asansör olduğunu varsayalım. Teknisyen, sistemi parametrelendirmek için boş bir araba ve nispeten soğuk yağ ile sürüyor. Seyahat aşağıdaki süreçten etkilenir (Şekil 1).

İlk önce asansör alt konumda hareketsiz duruyor. Motor çalıştırılır ve valfe tam hızda yukarı doğru sürmesi için bir sinyal verilir. Valfin kontrol pistonu rölanti konumundan (%100 sirkülasyon) sürüş konumuna (%0 sirkülasyon) geçecektir. Kontrol eden pistonun hızı, arabanın sarsıntısının yanı sıra ivmeyi de tanımlar. Genellikle bir hidrolik alçak geçiş vasıtasıyla etkilenir ve ayarlanabilir bir orifis delinerek ayarlanır. Aracın hızı, daha önce görüldüğü gibi basınç, viskozite, pompa sızıntısı ve daha pek çok parametre ile artık tanımlanıyor.

Şekil 1. Mekanik Kontrollü Bir Valfin Sürüş Eğrileri

Araç, üst kademeye belirli bir mesafedeki bir şalteri geçtiğinde, sinyal "tam hız"dan "yavaş hız"a değişir. Bu, valfin, hacimsel akışın çoğu için sirkülasyonu açarak kabini yavaşlatarak yavaşlatmasına neden olur. Yavaşlama ve tam yavaş hız, belirtilen parametrelere bağlıdır. Yavaş hız, arabanın örneğin tam hızının %10'unda hareket ettiği ve pompanın hacimsel yer değiştirmesinin %90'ının silindir basıncına karşı iletildiği ve doğrudan rezervuara geri döndüğü anlamına gelir.

Bu durum, araba bir sonraki anahtarı geçene kadar tutulur. Artık kabin vanaya “dur” sinyali verir. Bazı mekanik valfler aniden durur, diğerleri ise yumuşak durma olarak adlandırılan bir işlemi gerçekleştirmek için mekanik araçlara sahiptir. Durma sinyalinden son durmaya kadar olan mesafe yine iyi bilinen parametrelere bağlıdır.

Şekil 2. iValve

Teknisyen mekanik valfi parametrelendirdi. 10 veya daha fazla vidayı birçok kez yukarı ve aşağı hareket ettirdi. Araba hala boş. Yağ nispeten sıcaktır. İki şeyi hesaba katmış olmalı. Bir yandan asansör, şimdi ayarlandığından daha düşük sıcaklıklarda kullanılabilir. Bu durumda pompanın yer değiştirmesi daha yüksek olacak ve yavaşlama daha uzun sürecektir. Böylece durmak için daha uzun bir yol alacaktır. Teknisyen bu etkiyi telafi etmek için yeterince uzun bir yavaş hız süresi ayarlamalıdır, aksi takdirde asansör iniş pozisyonunu geçecek ve geri almak zorunda kalacaktır. Öte yandan, araç tam yüklüyse ve/veya yağ sıcaksa, tam hız önemli ölçüde yavaşlayacaktır. Seçilen ayar ile otomobil çok daha kısa sürede yavaşlayacak ve çok fazla enerji harcayarak yavaş hızda uzun bir mesafe kat etmesi gerekecek – bu enerji yağı daha da fazla ısıtacak. Açıkça, hızlanma ve yavaşlamanın viskoziteden bağımlılığı ve hidrolik kontrolün basitliği, sarsıntı ve titreşim gibi konfor sorunlarına yol açar.

3. ELEKTRONİK KONTROLLÜ VANA

Hidrolik güç ünitelerinin belirtilen özelliklerinden kaynaklanan enerji kaybını en aza indirmenin en güçlü yolu, yük ve sıcaklıktan bağımsız olarak hızlı bir başlangıç, yüksek hızlanma ve yavaşlama ve kısa bir yavaş hız fazını garanti etmektir.

Bu, elektronik kontrol kullanılarak elde edilebilir. Herhangi bir hacimsel akışı yukarı ve aşağı ayarlayabilen bir valf olduğunu varsayalım. Buna ek olarak, vanadan geçen ayarlanmış akışı ölçen bir hacimsel akış sensörü vardır. Bu bileşenlerle, araba hareketini mekanik bir Valfin yapabileceğinden çok daha karmaşık bir şekilde kontrol eden bir sistem tasarlayabilirsiniz. Örneğin, maksimum hızlanma ve yavaşlamada minimum sarsıntı ve titreşimi garanti eden bir sürüş eğrisi tasarlayabilirsiniz. Sürüş eğrisi, zamanın bir fonksiyonu olarak hacimsel akışı (karşılıklı olarak araba hızı) gösterir. Yavaşlamanın başlaması ve yumuşak durma gibi karakteristik noktalar, kabinin şaft içindeki konumu ile tetiklenir.

Teknisyen yavaşlama noktasını durma konumuna çok daha yakın ayarlayabilir çünkü asansör rahatsız edici etkiler olmadan çok daha hızlı yavaşlayabilir. Buna ek olarak araç, araç yükünden veya yağ sıcaklığından etkilenmeden aynı yavaşlamayı sürdürecektir. Böylece teknisyen yavaş hız fazını çok kısa olarak ayarlayabilir. Seyahatin bu aşamasında boşa harcanan enerji önemli ölçüde azaltılabilir. Durdurma sinyali anahtarını taktıktan sonra, yavaşlamayı, otomobilin yumuşak durdurma anahtarına ulaşmadan kısa bir süre önce yavaş hıza ulaşması için ayarlar. Ayrıca yumuşak durma sinyalinden durma konumuna hareket, kabin yükünden ve sıcaklığından çok bağımsızdır. Ayarlandıktan sonra, Bucher Hydraulics LRV-3 durumunda yaklaşık +/- 1 mm değişir.

Şekil 3. Elektronik Kontrollü Bir Valfin Sürüş Eğrisi

4. AKILLI VANA

Yukarıda açıklanan bu kalite standartları, seçici müşteriler için ortaktır. +/- 3 mm'lik durdurma doğruluğu ve 0.5 saniye ile 1 saniye arasında yavaş hız aşaması, elektronik olarak kontrol edilen bir valf kullanıldığında, onlarca yıldır satıldığı için elde edilebilir.

4.1 iTeach

Akıllı bir valfin, bir elektronik valfin sistem özelliklerini maksimuma çıkarması beklenir. Şekil 1 ile Şekil 3'ü karşılaştırdığınızda, elektronik valfin, ortalama yavaş hız hareketini önemli ölçüde kısaltarak, bir hidrolik asansörün ortalama hareketi için ihtiyaç duyulan enerjinin %30'a kadar tasarruf ettiğini anlıyorsunuz. Bu aşamada önlenebilir enerji kaybının çoğu yaşanır. Bunu sağlamak için, tüm çalışma noktaları için yüksek hız sabit tutulur. Daha önce görüldüğü gibi, birimin hacimsel yer değiştirmesi, araba yükü ve yağ viskozitesi gibi parametrelerin bir fonksiyonudur. Bu nedenle seçilen hız, yüklü araba için mümkün olan en yavaş hız ve en düşük viskozite olmalıdır. Bu, boş araba ve/veya soğuk yağ ile yukarı doğru sürüşün, pompanın hacimsel yer değiştirmesinin belirli bir yüzdesinin kullanılmadan aktığı anlamına gelir. Akıllı valf ile bu duruma son verilir. Hidrolik sistemin tüm çalışma noktalarında pompanın maksimum hacimsel yer değiştirmesine kadar yüksek hızlı hızı kontrol eder. Ancak otomobil, enerji tüketen yavaş hız aşamasını minimuma indiren bir sürüş eğrisinde yine de yavaşlayacaktır. Bu, “iTeach”in bir yönü olan kapasiteleri ile gerçekleştirilir. iTeach, iValve'in bağlı hidrolik sistemi tanımasını ve davranışına uyum sağlamasını sağlayan kendi kendine öğrenen algoritmalar topluluğudur. Sistemler söz konusu olduğunda, yüksek hızlı hız iTeach, hızlanan arabanın hızı maksimum değerine ulaştığında, yağ viskozitesi, araba yükü, motor devir hızı ve daha pek çok parametreye bağlı olarak gerçekleştirebilir. Algoritma, ulaşılan hızı sıcaklık ve sistem basıncının bir fonksiyonu olarak öğrenir. Bazı seyahatlerden sonra artan hassasiyetle doğrudan sistemlerin maksimum hızına yönelebilir. Bu algoritmayı kullanarak iValve, motor ve pompa tarafından üretilen tüm hidrolik gücü kullanabilir. Ancak yukarıya doğru tam hız, şimdi adlandırılmış parametrelerin bir fonksiyonu olacaktır. Otomobil aynı sürüş eğrisi parametreleştirmesini kullanarak farklı hızlarda yavaşlarsa, farklı mesafeleri kat edecektir. Bundan kaçınmak ve tüm çalışma noktaları için minimum yavaş hız fazını gerçekleştirmek için sürüş eğrisini gerçek hıza uyarlamak gerekir.

Şekil 4. Akıllı Valfin Sürüş Eğrileri

Bunu mümkün kılmak için ikinci bir iTeach kapasitesine ihtiyaç vardır. Bir araba belirli bir yüksek hızda hareket ederse, teknisyenler tarafından bilinen ve kılavuzda belirtilen minimum bir yavaşlama stroku vardır. Valf, devrilmesini önlemek için fabrikada bu yavaşlamaya ayarlanmıştır. Şaft maksimumda inşa edilmezse, kabin çok hızlı yavaşlayacak ve gerekenden daha uzun süre yavaş hızda sürmek zorunda kalacaktır. Bu anda iTeach, yavaşlama anahtarı ile yumuşak durdurma anahtarı arasındaki gerçek geometrik mesafeyi öğrenecektir.

Bir dahaki sefere araç yüksek hızda hareket ettiğinde ve yavaşlama sinyali verildiğinde, iTeach minimum yavaş hız fazıyla yumuşak durma konumuna ulaşmak için gerekli yavaşlama eğrisini gerçek zamanlı olarak hesaplayacaktır. Bunun için yavaşlama anahtarı ile yumuşak durdurma anahtarı arasındaki öğrenilen mesafeyi ve ayrıca yüksek hız optimizasyonundan türetilen gerçek hızı kullanacaktır.

Bu akıllı özellikler sayesinde valf, otomobilin motor ve pompanın mümkün kıldığı en yüksek hızda hareket etmesini sağlayacak ve ayrıca optimum sürüş eğrisini takiben minimum yavaş hız aşaması ile yavaşlayacak ve minimum mesafe ile zemin seviyesinde duracaktır – araba yükünden, yağdan ve oda sıcaklığından veya sistemin yaşı gibi diğer parametrelerden ve daha pek çok şeyden bağımsız (Şekil 4).

4.2 Durum İzleme

Zekanın elektronik olarak kontrol edilen bir valfe entegrasyonu, teknisyeni parametrelendirme, ayarlama, belki yeniden ayarlama veya optimizasyon gibi görevlerden kurtarmayı mümkün kılar. Ancak entegre zeka daha fazlasını karşılayabilir. Durum İzleme yöntemleri aracılığıyla, hidrolik sistemin durumunu gözlemlemek ve analiz etmek ve filtreler, ortam ve çok daha fazlası gibi tekil öğelerin durumunu değerlendirmek ve hatta tahmin etmek mümkündür.

Bu özellikler, iValve lansmanının ikinci adımında geliştirilecektir. Seçilen ortaklarla işbirliği içinde, aşağıda açıklananları gerçekleştirmek için iValve tahrikli hidrolik kaldırma ünitelerinden veriler toplanacaktır.

iTeach algoritmalarının akıllı özelliklerini gerçekleştirmek için elektronik olarak kontrol edilen valf, halihazırda bir hacimsel yer değiştirme sensörü, bir basınç sensörü ve hidrolik tarafta bir termal sensör ile donatılmıştır. Buna ek olarak, örneğin orantılı mıknatısa giden elektrik akımını kontrol ettiği için elektronik tarafta hassasiyete sahiptir.

Bu sensör paketi tarafından büyük miktarda bilgi toplanır ve konumlanmış sanal bir modele beslenir.
vanada. Model, valfi ve bağlı olan hidrolik sistemi temsil eder. İzlenen sistemin simülasyon modeline benzer şekilde temsil edilebilir ve sistem parametrelerinin değişip değişmediğini fark eder.

Son olarak, valfin veya sistemin tek tek elemanlarının durumuna ilişkin modelden sonuçlar çıkarılabilir. Filtreler temizlenirken veya yağ değiştirilirken uyarılar ve öneriler verilebilir.

5. DENEYSEL SONUÇLAR

4. bölümde açıklanan algoritmalar, Neuheim'deki Bucher Hydraulics'te bir test asansörü kullanılarak incelenmiştir. iValve 250L'nin bir prototipi, 250 l/dak'lık bir vidalı pompa ve uygun bir asenkron motorla çalışan 2:1 pistonlu silindir tahrikli bir asansörün hidrolik sistemine bağlanmıştır. Valfin kontrol ünitesi, LabVIEW kontrollü bir veri toplama kartı ile değiştirilmiştir. Testler, iValve'ın çalışma parametreleri alanında gerçekleştirilmiştir. Sıcaklık: 2°C - 60°C, Statik Basınç: 12 bar – 60 bar.

Konum ölçüm sistemi sayesinde tüm anahtar noktaları dijital olarak ayarlanabilmekte ve kabinin konumu mm ile kontrol edilebilmektedir.

Örnek olarak iki öğrenme süreci aşağıda gösterilmiştir. İlk örnekte asansör, 250 bar statik basınçta maksimum 0.6 l/dak (30 m/sn) hızla yukarı doğru hareket ediyordu. Yavaşlama mesafesi 0.8 m olarak ayarlandı. Yavaş hız 20 l/dak ve yumuşak durma mesafesi 20 mm olarak seçilmiştir. Bu yumuşak durma mesafesi nispeten uzundur ve en kötü durumu analiz etmek için seçilmiştir. Genellikle yumuşak durma mesafesi 10 mm'ye ayarlanır. Şekil 5'te, iniş pozisyonunun hatası, yürütülen hareketlerin sayısına karşı çizilir. Fabrika ayarı çok hızlı bir duruştur. Bu nedenle asansör çok kısa duracak ve doğru durma konumundan önce 8 mm tutacaktır. 3. seyahatten sonra öğrenme algoritması +/- 3mm hedef hatanın altına iner.

Şekil 5. Yumuşak Durma Mesafesinde 20mm İniş Hassasiyetinin Öğrenilmesi

Başka bir örnek Şekil 6'da verilmiştir. Bu durumda araba yukarı doğru hareket etmiştir. Statik yük 12 bar idi. Yüksek hız 250 l/dak, düşük hız 20 l/dak. Yavaşlama mesafesi 0.8 m'dir. Yavaşlama ön ayarı çok yüksektir. Böylece ilk hareket sırasında asansör çok hızlı yavaşlayacak ve yumuşak durdurma anahtarına ulaşana kadar bir süre düşük hızda hareket etmesi gerekecektir. İlk yolculuktan sonra algoritma yavaşlama mesafesini öğrendi ve ikinci yolculukta zaten 0.7 saniyelik yavaş hız hareketi hedef ayarına ulaştı.

Şekil 6. Yavaş Hızda Seyahat Süresini Öğrenmek 0.7sn'ye Ayarlandı

6. SONUÇ

Hidrolik asansör, kontrol panosu tarafından verilen çeşitli sinyallerle tetiklenir. Bu sinyaller, şafttaki anahtar noktalarının geometrik konumu ile tanımlanır. Bu noktalar arasında arabanın belirli hızlar, ivmeler ve düşük sarsıntı ile hızlanması, yavaşlaması, sürmesi ve hareketsiz durması gerekiyor. Mekanik bir valfte bu özellikler sıcaklığa, arabanın yüküne ve çok daha fazlasına bağlıdır. Bu nedenle mekanik bir valf, uzun ve enerji tüketen yavaş hız fazına ayarlanmalıdır ve yine de iniş hassasiyeti düşüktür.

Elektronik olarak kontrol edilen bir valf, çalışma noktalarından çok bağımsızdır. Bu nedenle, enerji tasarrufu sağlayan, çok hassas iniş ve konforlu sürüş sağlayan optimum sürüş eğrisine çok daha yakın ayarlanabilir. Yine de, elektronik olarak kontrol edilen bir vananın kullanıcı arayüzü, mekanik bir vananın soyut vidalarından çok daha rahat olsa da, bu ayarlamalar yapılmalıdır.

Akıllı bir valf, bir asansörün hidrolik sistemini analiz edebilir ve kendini ayarlayabilir. Asansörü mekanik olarak kurduktan sonra, akıllı valf güvenli bir fabrika ayarı ile hareket edecektir. Birkaç seyahatten sonra, bağlantılı kaldırma sisteminin gerçek özelliklerini öğrenecek ve kendisini en uygun sürüş eğrisine göre ayarlayacaktır.