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Contrôle intelligent des mouvements pour l'avenir des escaliers mécaniques

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Les nouvelles technologies promettent une nouvelle norme d'efficacité des escaliers mécaniques, d'économies d'énergie, de sécurité et de confort.

par Christian-Erik Thoeny et Ruan WeiMin
Ce document a été présenté à ElevcoN  Madrid 2016, le Congrès international sur les technologies de transport vertical, et publié pour la première fois dans le livre de l'IAEE Technologie des ascenseurs 21, édité par A. Lustig. Il s'agit d'une réimpression avec la permission de l'International Association of Elevator Engineers  Iaee (site Internet : www.elevcon.com).

Les escaliers mécaniques sont un élément important de l'infrastructure. Pour économiser de l'énergie, la vitesse des escaliers mécaniques est réduite, ou le mouvement est arrêté pendant les heures creuses. Dans de tels cas, la détection fiable des passagers ayant l'intention d'utiliser l'escalier mécanique est évidente. Une solution de capteur révolutionnaire basée sur le temps de vol (TOF), sans contact et sans usure, garantit une détection fiable des personnes, quels que soient les vêtements portés. De plus, l'utilisation d'une technologie TOF basée sur le capteur TOFstart permet de gérer le trafic transversal voire la surveillance des foules, ce qui augmente l'efficacité et évite les situations dangereuses.

1. Introduction

Les escaliers mécaniques jouent un rôle essentiel dans le mouvement de masse des personnes. Ce rôle ne cesse de croître avec la croissance des bâtiments publics, des centres commerciaux et des moyens de transport, en raison de l'urbanisation continue des villes et des agglomérations.

En l'espace de 20 ans, l'équilibre urbain/rural aura fondamentalement changé, passant de 45 % des personnes vivant en ville (1998) à 55 % (figure 1) vivant en zone urbaine en 2018. Ce processus devrait se poursuivre pour le un avenir prévisible.

Il est évident que ce changement nécessite des améliorations significatives en matière d'efficacité énergétique, de surveillance, de sécurité, de performance et de contrôle précis de tous les types de machines impliquées dans le mouvement des personnes. Cela est particulièrement vrai pour les escaliers mécaniques, qui déplacent des masses de personnes chaque jour. Pour cette raison, les fabricants d'ascenseurs et d'escaliers mécaniques investissent considérablement dans la R&D.

Les capteurs sont la condition préalable omniprésente et la base d'informations pour chaque fonction de contrôle. D'une part, le nombre de machines augmente continuellement et, d'autre part, les performances de ces machines doivent également être considérablement améliorées. En conséquence, la demande de capteurs augmente plus rapidement que la plupart des autres composants de l'industrie.

 Le marché total des capteurs, couvrant tout, des types mécaniques aux radars, devrait bientôt atteindre 200 milliards d'euros (213.5 milliards de dollars).

La croissance des capteurs optoélectroniques sur ce marché est surproportionnée. En 2006, il en occupait environ 25 % ; en 2016, ce chiffre était supérieur à 30 %.

L'un des principaux moteurs de la croissance des capteurs optiques est certainement l'augmentation significative du niveau d'intelligence impliqué. Contrairement à d'autres méthodes, ces capteurs fournissent des données multi-axes. Cela couvre beaucoup plus d'informations (condensées) pour un contrôle et une surveillance intelligents des machines.

Les escaliers mécaniques, qu'il s'agisse d'installations uniques ou de clusters combinés à plusieurs niveaux (Figure 3), impliquent de nombreuses fonctions de contrôle et de surveillance.

L'utilisateur final peut économiser beaucoup d'énergie et tirer le meilleur parti de ses engins de transport de personnes lorsque l'intelligence de la commande d'escalier mécanique est à la pointe de la technologie.

CEDES, en collaboration avec un important fournisseur d'escaliers mécaniques, a développé une nouvelle génération de commandes qui permet un autre niveau d'efficacité et d'économies d'énergie.

2. Capteur de démarrage et d'arrêt d'escalier mécanique TOF/EsPDS

Le dernier escalier mécanique à la pointe de la technologie doit être démarré et arrêté de manière à utiliser le moins d'énergie possible, tout en offrant des performances générant le rendement le plus élevé possible. Cela ne peut être fait que par des données suffisantes et intelligentes fournies par des capteurs intelligents. Le capteur multi-axes TOF compact et perturbateur de CEDES, le TOF/EsPDS (Figure 4), fournit une telle intelligence à la fréquence d'images requise.

Le capteur TOF/EsPDS émet une lumière proche infrarouge modulée (longueur d'onde de 850 ou 940 nm), qui est réfléchie par un objet. L'objet peut être soit un humain, soit un poteau ou un rail fixe. Comme il ne s'agit pas simplement d'un seul faisceau, mais plutôt de plusieurs faisceaux couvrant une zone définie, un calcul intelligent peut être effectué. En effet, un « tapis virtuel » est étalé de manière définie devant l'escalator.

Le capteur (Figure 5) est compact (52 X 44 X 34 mm) et s'adapte à chaque emplacement de montage approprié sur l'escalier mécanique. La zone de détection est polyvalente et suffisamment grande pour couvrir l'espace nécessaire pour gérer correctement le trafic de passagers.

2.1. Fonction de démarrage TOF/EsPDS

Le TOF/EsPDS détecte les passagers potentiels s'approchant d'un escalator. Il démarre l'escalier roulant à économie d'énergie et l'accélère à temps pour qu'ils puissent monter à bord confortablement et en toute sécurité. Après un certain temps, l'escalier mécanique repasse en mode veille.

Les obstacles fixes, tels que les rails et les poteaux, peuvent être simplement masqués lors du processus de calibrage. La zone active (figure 6) est ainsi clairement définie, et la fonction y est limitée.

En raison du volume de données multi-axes, la fonction de démarrage est plus intelligente que de simplement fournir un démarrage et un arrêt. La circulation transversale (personnes passant et déclenchant continuellement l'escalier mécanique) nuit grandement à l'efficacité de l'escalier mécanique. Le TOF/EsPDS est capable de détecter le vecteur de marche des personnes, ce qui signifie qu'il peut « voir » si le passager potentiel de l'escalator a l'intention de marcher dessus ou non. La magie? Non, le capteur utilise de nombreux faisceaux pour détecter la position dynamique et donc la direction de la personne qui marche (Figure 7).

Les zones actives (Figure 7) sont définies, et certaines peuvent même être ajustées après l'installation, offrant un maximum de flexibilité.

2.2. Surveillance des foules TOF/EsPDS et fonction d'arrêt

Avez-vous déjà été dans une situation dangereuse où vous venez de quitter l'escalator avec vos bagages, pour vous retrouver piégé dans une foule de gens qui s'entassent dans les embouteillages ? L'escalator ne s'arrête pas de bouger et continue de transporter de plus en plus de personnes avec leurs valises et équipements sportifs, comme des skis. Imaginez si personne n'appuie sur le bouton d'urgence, ou s'il est trop tard pour le faire. Considérez ce qui pourrait arriver aux petits enfants dans cette confiture.

Le même capteur, monté à l'extrémité de l'escalier roulant (Figure 8), détecte que la foule ne bouge plus et ralentit en toute sécurité et arrête l'escalier roulant à temps. Cela garantit que personne n'est blessé ou poussé inconfortablement. Cette fonction augmente la sécurité et le confort d'un escalier mécanique.

Si des objets s'éloignent de l'escalator de manière normale, la sortie ne sera pas déclenchée.

Si le nombre de personnes dans le champ de détection augmente et que le flux de personnes ralentit (congestion), une sortie définie sera déclenchée (pulsée).

 Même un ralentissement du trafic peut être détecté, déclenchant un ralentissement de l'escalier mécanique lui-même.

La nouvelle technologie TOF et la manière dont le TOF/EsPDS est intégré au système offrent un niveau de compacité unique. De nombreuses fonctionnalités sont intégrées dans la puce de l'imageur, qui est la base d'un nombre limité de composants. Cela signifie que le coût du système est très faible en termes comparatifs, sans égal compte tenu de sa fonctionnalité très intelligente.

Il est possible de réaliser une fonctionnalité accrue. De tels capteurs multifaisceaux peuvent également être utilisés pour détecter si l'escalier mécanique est vide, envoyant le système en mode veille en toute sécurité et beaucoup plus tôt. L'efficacité énergétique est à nouveau augmentée. De plus, des fonctions supplémentaires de maintenance préventive et de sécurité peuvent être intégrées en utilisant de tels capteurs. Des accidents graves peuvent survenir lorsque les marches de l'escalator sont manquantes. De tels systèmes de capteurs peuvent détecter ces situations potentiellement mortelles.

Dans l'ensemble, ces nouvelles technologies apportent aux escaliers mécaniques un nouveau standard d'efficacité, d'économies d'énergie, de sécurité et de confort.

2.3. Détection des enfants TOF/EsPDS

Comme indiqué dans la section 2.2, un capteur TOF/EsPDS est installé à l'extrémité de sortie de l'escalier mécanique pour effectuer la détection de foule. À l'extrémité de sortie, la ceinture à main entre dans la structure principale de l'escalier roulant. Faire jouer des enfants dans cette zone (figure 9) présente un risque considérable de coincement des doigts et des mains entre la ceinture de sécurité en mouvement et la structure de l'escalier roulant.

TOF/EsPDS calcule les informations de distance pour chaque pixel dans le champ de détection. Les enfants jouant à proximité immédiate du capteur (où se trouve également l'entrée de la ceinture à main dans la structure de l'escalier roulant) peuvent être détectés et une sortie correspondante déclenchée. Grâce à cette sortie, un avertissement sonore, un ralentissement et/ou un arrêt du mouvement de l'escalator peuvent être exécutés.

3. Contrôle en boucle fermée sûre des escaliers mécaniques

3.1. Exigences des normes

Selon EN 115-1 : 2008 + A1 : 2010 et GB 16899-2011, les escaliers mécaniques doivent être conçus avec des dispositifs/fonctions de sécurité électrique en cas de vitesse excessive et d'inversion involontaire du sens de la marche. Une surveillance de décrochage (perte de vitesse) ou d'inversion de marche peut se produire lorsque le moteur du dispositif d'entraînement et le réducteur perdent soudainement de la puissance, la chaîne d'entraînement se casse / se déplace ou l'escalier mécanique glisse en accélération sous la gravité causée par les passagers.

3.2. Contrôle de l'arbre de transmission

La fiabilité ultime pour un contrôle en boucle fermée est d'avoir les lectures de position du capteur directement sur la roue à chaîne, qui est à verrouillage de forme connectée à la chaîne d'entraînement. Aucun glissement de transmission n'a d'impact sur le résultat, et la grandeur réglée est directement utilisée comme grandeur d'actionnement pour la régulation en boucle fermée.

Afin de résoudre les problèmes mentionnés ci-dessus, une surveillance de la vitesse et de la direction doit être conçue sur l'essieu principal ou les marches. Cependant, la forte vibration axiale de l'essieu principal rend l'installation d'un codeur impossible. Par conséquent, le produit EsAPS est nécessaire pour fournir une surveillance de la vitesse et de la direction sur l'essieu/les marches principaux des escaliers mécaniques (Figure 10).

L'EsAPS prend une photo de la bande codée montée sur l'axe principal de l'escalier mécanique, analyse l'image, détermine la position et la vitesse absolues et envoie les valeurs via CAN à la commande de l'escalier mécanique (Figure 11). La vélocité est déterminée en filtrant plusieurs positions dans le temps.

3.3. Codification du poste

Un code 2D se compose de 30 champs carrés. Les champs sont organisés en 10 colonnes et trois lignes. Les colonnes les plus à l'extérieur sont utilisées comme zones d'identification, et les colonnes entre (marquées en bleu sur la figure 12) contiennent les données de position. Les zones d'identification sont utilisées pour localiser un seul code 2D parmi de nombreux codes 2D adjacents, ainsi que pour la distinction de plusieurs codes 2D adjacents.

Les 24 champs de données de la zone de données contiennent l'information essentielle, le code de position. Étant donné que la longueur maximale de la bande de code EsAPS est de 765 mm et qu'une zone de code a une longueur de 3 mm, 255 codes de position sont nécessaires. Un code de position, par conséquent, doit être constitué d'au moins huit champs de code (bits) afin de transporter les informations. Étant donné qu'une zone de données se compose de 24 champs, le code de position peut s'insérer trois fois dans la zone de code afin d'améliorer la robustesse (Figure 12).

Le capteur prend une photo de la bande codée toutes les 5 ms. Une image capture six à huit rangées, selon la distance du capteur à la bande de code. En conséquence, il est garanti qu'une zone de code complète est contenue dans chaque image de capteur. Une fois le code de position décodé, il est multiplié par trois afin d'obtenir le millimètre comme unité.

Après cela, le décalage de la zone de code dans l'image du capteur est évalué et ajouté, puis soustrait de la position millimétrique acquise. La valeur est ensuite transmise avec une résolution de 0.5 mm à l'unité de traitement en aval.

4. Résumé et conclusion

Après des années de réduction des coûts et de réalisation d'effets d'échelle, il est évident que les escaliers mécaniques, en tant qu'éléments d'infrastructure vraiment importants, sont devenus plus intelligents. Les objectifs sont clairement d'économiser l'énergie et de prévenir les accidents. L'application de TOF/EsPDS aide à faire fonctionner un escalier roulant à pleine vitesse lorsque cela est vraiment nécessaire, mais en même temps, garantit que les passagers sont détectés suffisamment tôt pour garantir que l'escalier mécanique fonctionne à pleine vitesse lorsque les passagers atteignent les marches. Comme TOF/EsPDS dispose d'informations de distance du champ détecté disponibles à une fréquence d'images élevée, des fonctions supplémentaires, telles que la détection d'encombrement, la sensibilité à la direction ou la détection d'enfants jouant à proximité de l'entrée de la ceinture à main peuvent être réalisées.

Un EsAPS peut être utilisé pour mesurer la vitesse et le sens de déplacement des escaliers mécaniques exactement là où il est le plus idéal, à savoir au niveau de l'essieu principal.

Ceci peut être activé grâce au principe de mesure sans contact d'EsPDS, évitant les problèmes qui surviennent lors de l'installation des codeurs à cette position. Les autres influences du patinage ou du freinage de la roue à chaîne n'ont plus d'influence.

Par conséquent, le TOF/EsPDS et l'EsAPS augmentent considérablement la sécurité et le confort des passagers et des installateurs d'escaliers mécaniques.

Remerciements de Christian-Erik Thoeny

Travailler au CEDES, c'est super, en ce qui concerne le travail d'équipe. Ainsi, j'ai bénéficié d'un soutien et d'une inspiration formidables du fondateur de CEDES, Beat DeCoi, qui agrège beaucoup de savoir-faire dans les capteurs optiques. Il mène cette industrie vers de nouvelles frontières et a changé le monde en ce qui concerne les technologies de semi-conducteurs TOF industrialisés et les composants de capteurs. L'équipe de direction de CEDES permet la conversion de la technologie TOF en de nombreuses applications dans le domaine des ascenseurs, des escaliers mécaniques, des portes, des portails, de la robotique et de la gestion d'entrepôt. Un grand merci à ma femme, Luzia, aux membres de l'équipe de direction de CEDES, à Ruan WeiMin et à tous les clients qui ont soutenu l'équipe et à moi-même en obtenant des résultats exceptionnels.

Références
[1] INTECHNO CONSULTING Bâle (2012) ; Rapport mondial sur les marchés des capteurs 2016.
[2] SCHINDLER; Frankie Schmid (2014) : Un aperçu du futur 2014.
[3] CEDES (2015) ; divers documents techniques et brochures.
[4] SHANGHAI MITSUBUSHI ELECTRIC CORP. (2015) : spécifications techniques.
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Christian-Erik Thoeny et Ruan WeiMin

Christian-Erik Thoeny et Ruan WeiMin

Christian-Erik Thoeny est PDG de CEDES AG depuis trois ans. Son siège social est situé en Suisse et les filiales de CEDES sont réparties dans le monde entier. Il a obtenu une maîtrise ès sciences en mécanique de précision fine et en génie logiciel. Il a fait des études complémentaires en gestion et économie avancées, comme à l'INSEAD, Fontainebleau. Il a, dans une large mesure, de l'expérience dans l'automatisation des semi-conducteurs, les ascenseurs (plus de 15 ans), l'automobile et les machines de construction. Il est membre d'associations industrielles et d'organisations à but non lucratif.

Ruan WeiMin est vice-président de Shanghai Mitsubishi Elevator Co. Ltd. en charge de la direction générale du développement technologique, de la production et de la logistique de l'entreprise. En tant que leader technique de Shanghai Mitsubishi Elevator, une société produisant 70,000 196 unités d'ascenseurs par an, Ruan WeiMin est également le spécialiste scientifique enregistré du Shanghai Electric Group, vice-président membre du SAC/TC 196 (Comité technique national XNUMX sur les ascenseurs de l'administration de la normalisation de Chine), et un spécialiste technique enregistré et pionnier à Shanghai.

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