Messen ohne Eingriff ins System Nachrüstbares Aufzugsmonitoring

Technische Überprüfung mit Sensoren ermöglicht vorausschauende Instandhaltung der Aufzüge.
Sensoren können Aufzugsparameter kontinuierlich erfassen und erleichtern so die periodische technische Überprüfung.

Alle zwei Jahre müssen Aufzüge überprüft werden – und erhalten eine Prüfplakette. Parameter, die Auskunft über den technischen Zustand geben, lassen sich mit Sensoren kontinuierlich erfassen. Das erleichtert die technische Prüfung und ermöglicht sogar eine vorausschauende Instandhaltung.

Zum Erlangen einer Prüfplakette sind an Aufzügen eine Vielzahl von einzelnen Prüfpunkten zu absolvieren, was teilweise sehr aufwendig und damit kostenintensiv ist. Bestimmte Aufzugsparameter, die Auskunft über den technischen Zustand geben, lassen sich mithilfe von Sensoren kontinuierlich erfassen, was nicht nur die Durchführung von Prüfvorgängen erleichtert, sondern auch eine vorausschauende Instandhaltung ermöglicht.

Das Institut für Mikrosystemtechnik der Technischen Universität Hamburg hat für den TÜV Nord [1] einen sogenannten Demonstrator für Aufzugsparameter entwickelt, dessen Funktionsumfang das Messen, Auswerten und Bereitstellen von Betriebsdaten von Aufzügen bietet. Eine geforderte Voraussetzung für den Betrieb des Demonstrators ist, dass kein Eingriff jedweder Art in die Kabine oder die Aufzugssteuerung stattfindet. Die hierfür entwickelte Elektronik gliedert sich grob in zwei Teile, die auf dem Dach der Fahrkabine und im Maschinenraum der Aufzugssteuerung untergebracht sind (Bild 1).

Als Basissystem fungiert ein handelsüblicher Raspberry Pi der Version 3, der mit einer Uhr erweitert sowie mit einer eigens entwickelten Sensorbox verbunden wird. Es wird auf dem Kabinendach des Aufzugs montiert. Die Kommunikation der Sensorbox mit dem Raspberry Pi erfolgt über den I2C-Bus. Das Basissystem wird von einem 5-V-Netzteil versorgt, das mit einer üblichen Steckdose (230 V) auf der Aufzugskabine verbunden ist. An die Steckdose ist außerdem ein Powerline-Transceiver angeschlossen, der als Kommunikationsinterface zwischen dem Raspberry Pi auf dem Kabinendach und der Elektronik im Maschinenraum fungiert, für die zunächst ebenfalls ein Raspberry Pi eingesetzt wurde. Im Laufe des Projektes zeigte sich jedoch, dass dieser von der Leistungsfähigkeit her nicht ausreicht, sodass jetzt ein Mikrocontroller des Typs LPC4330 von NXP [2] in der Maschinenraumelektronik arbeitet.

Die Parameter des Maschinenraums – vom Antrieb (akustisch, optisch, magnetisch) und vom Stromwandler, der für die Überprüfung der Türenschließfunktion vorgesehen ist – werden vom Raspberry Pi auf dem Kabinendach über die Powerline-Verbindung empfangen und zusammen mit den Daten der Sensorbox verarbeitet. Prüfpunkte wie Beleuchtungsstärke, Treibfähigkeit, Absinkverhinderung, Einfahren, Nachstellen, Bündigkeit und Schließstellung der Fahrkorbtür können direkt aus den Sensordaten gewonnen oder daraus abgeleitet werden.

Der Raspberry Pi auf dem Kabinendach stellt ein WLAN und optional eine Mobilfunkverbindung für die Übertragung der gemessenen Daten zur Verfügung, die lokal – beispielsweise mit einem Smartphone – einsehbar sind und an die IT-Infrastruktur der Prüfgesellschaft übertragen und dort weiterverarbeitet werden können. Für die Darstellung der Daten ist keine spezielle App (Android, iOS, Windows Phone) notwendig, weil auf dem Raspberry Pi ein eigener Webserver implementiert ist, sodass die Daten von unterschiedlichen Plattformen, d.h. mit verschiedenen Web-fähigen Endgeräten, dargestellt und weiterverarbeitet werden können.

Auf dem Dach der Fahrkabine: die Sensorbox

Ursprünglich sollte die Sensorbox (Bild 2) an der Decke der Kabine befestigt werden, sodass dann ein Kabel zum Raspberry Pi auf dem Kabinendach durch ein Loch hätte geführt werden müssen. Weil diese Kabelführung ohne mechanische Arbeiten am Fahrkorb nicht möglich ist, wurde die Sensorbox stattdessen ebenfalls auf dem Kabinendach montiert. So kann das Verbindungskabel (UB, Masse, I2C) nun auch recht kurz gehalten werden.

Die Werte (Tabelle) werden dann natürlich nicht innerhalb, sondern außerhalb des Fahrkorbs gemessen, was sich jedoch nicht als nachteilig erwiesen hat. Die Beleuchtungsstärke sowie die Temperatur beziehen sich demnach nicht auf die Kabine, sondern auf den Schacht. Das gilt ebenfalls für den Feuchtesensor, dessen Aussagekraft im Schacht ohnehin wertvoller ist.

Zur Ermittlung des optimalen Sensors für die Höhenmessung sind verschiedene analoge und digitale Luftdrucksensoren – MEAS 1220A, NXP MPX2450, Bosch BMP 180, Bosch BMP 085, Bosch BMP 280, MEAS MS5607, MEAS MS5611 – evaluiert worden.

Die Höhe wird dabei mithilfe der barometrischen Höhenformel aus dem gemessenen Luftdruck der Sensoren errechnet.

Die besten Ergebnisse stellten sich mit dem MS5611 [3] von MEAS ein, weshalb dieser für die Sensorbox ausgewählt wurde.

Die im Datenblatt angegebene Höhenauflösung von 10 cm hat sich in der Praxis nicht verlässlich eingestellt, weil geringe Luftbewegungen, die Umgebungstemperatur und letztlich die Wetterlage Einfluss nehmen und auch ein gewisses Grundrauschen unvermeidlich ist, was sich jedoch relativ einfach per Software herausrechnen lässt (Bild 3).

Die anderen Umwelteinflüsse werden ebenfalls so weit wie möglich per Software kompensiert, indem der Sensor beim Stand des Fahrkorbs im unteren Geschoss – es sollte das Geschoss sein, das am häufigsten angefahren wird – neu kalibriert wird. Die anschließend gemessene Höheninformation wird dann hierauf bezogen.

Als Referenz könnte natürlich auch ein zweiter fest installierter Luftdrucksensor − beispielsweise im Maschinenraum − eingesetzt werden, was zu einer besseren Kompensation der Umwelteinflüsse führen würde. Für den Demonstrator war dies jedoch nicht erforderlich.

Sensorik im Maschinenraum

Die Elektronik im Maschinenraum setzt sich aus drei wesentlichen Funktionsblöcken (Bild 1) zusammen: Einem Stromwandler, Sensoren für die Messungen am Antrieb inklusive einem Mikrofon und einem steuernden Mikrocontroller, wofür zunächst ebenfalls ein Raspberry Pi eingesetzt wird. Der Raspberry Pi wird um ein Uhr-Modul, Shim RTC der Firma PiFace, und um einen USB-Audioeingang ergänzt, weil ein Raspberry Pi weder eine Uhr noch einen Audioeingang hat.

Für die Kontrolle der Türposition ist ein Stromwandler vorgesehen. Bei Aufzügen sind in den meisten Fällen alle Türkontakte in einer Reihenschaltung verdrahtet, d.h., wenn kein Strom fließt, ist eine Tür offen. Welche Tür es ist, lässt sich dann über die Höhenmessung oder über den Weg des »abgespulten« Antriebsseils ermitteln. Der in der Türkontaktreihenschaltung fließende Wechselstrom wird mit einem aufklappbaren Stromwandler und einem nachgeschalteten Stromdetektormodul im Schaltschrank gemessen. Eine dazugehörige Verstärkerschaltung setzt das Strommesssignal in ein TTL-kompatibles Spannungssignal um, das an den Raspberry Pi »alle Türen zu« oder »eine Tür ist offen« meldet.

Bei der Erprobung der Sensorbox zeigte sich, dass die Funktion der Türen auch anhand der Messdaten des Beschleunigungssensors überwacht werden kann, d.h., wenn der Aufzug steht, erfährt er bei der Türbewegung eine geringfügige horizontale Bewegung, was eindeutig detektierbar ist. Deshalb ist der Stromwandler nicht zwangsläufig notwendig, zumal die Schaltschrankelektronik auch stark vom Aufzugsmodell abhängt und die Platzierung des Stromwandlers im Schaltschrank nicht immer einfach möglich ist.