荷役時間を短縮する港湾荷役機器の制御方法と港湾荷役機器
【課題】消費電力する電力量を変えずに、荷役時間を短縮する港湾荷役機器の制御方法と港湾荷役機器を提供する。
【解決手段】コンテナを、コンテナの巻上げ下げ開始から基準速度Ｖ０まで、コンテナの荷重に係わらず、定トルク領域Ａ２の最大トルクである第１最大トルクＴｍによる一定の第１加速度で巻上げ下げし、基準速度Ｖ０から荷重から算出される最大速度Ｖｍａｘまで、定出力領域Ａ２で定められる速度に反比例する最大トルクである第２最大トルクＴｖと保持用トルクＴｗとの差分である第２トルクを、予め定めた一定時間毎に算出し、算出した第２トルクにより一定時間毎に可変する第２加速度で巻上げ下げするようにクレーンのモータを制御する。
【解決手段】コンテナを、コンテナの巻上げ下げ開始から基準速度Ｖ０まで、コンテナの荷重に係わらず、定トルク領域Ａ２の最大トルクである第１最大トルクＴｍによる一定の第１加速度で巻上げ下げし、基準速度Ｖ０から荷重から算出される最大速度Ｖｍａｘまで、定出力領域Ａ２で定められる速度に反比例する最大トルクである第２最大トルクＴｖと保持用トルクＴｗとの差分である第２トルクを、予め定めた一定時間毎に算出し、算出した第２トルクにより一定時間毎に可変する第２加速度で巻上げ下げするようにクレーンのモータを制御する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、吊荷を巻上げ下げする港湾荷役機器において、荷役時間を短縮した港湾荷役機器の制御方法と港湾荷役機器に関する。
【背景技術】
【０００２】
昨今、国際航路におけるコンテナ輸送システムの急速な進展に伴い、コンテナ船は大型化しており、コンテナ船との荷の積み卸しを行う岸壁クレーン、門型クレーン、ストラドルキャリア、及びアンローダなどの港湾荷役機器の荷役効率を上げることが求められている。また、社会的に環境問題としてＣＯ２を削減する省エネルギー化が求められている。それら港湾荷役機器の荷役効率を上げることは、荷役時間を短縮することであり、つまりは吊荷を巻上げ下げする時間を短縮することである。荷役時間が短縮すれば、その分だけ港湾荷役機器で消費される電力を低減することができ、省エネルギー化に繋がる。
【０００３】
従来の電動機を用いて吊荷を巻上げ下げする港湾荷役機器は、巻上げ下げ運動において加速又は減速するときは、電動機を一定の加速度で加減速させている。しかしながらこの一定の加減速で吊荷を巻上げ下げする場合には、加減速中に出せるトルクに余裕がある。
【０００４】
ここで、従来の港湾荷役機器である岸壁クレーンを説明する。図７に示すように、岸壁クレーン１０Ｘは、桁部１１、トロリ１２、運転室１３、スプレッダ（吊り具）１４、ワイヤー１５及び機械室１６Ｘを備える。この岸壁クレーン１０Ｘは、岸壁Ｇに接岸した船舶ＳからコンテナＣ（吊荷）をスプレッダ１４で掴み、機械室１６Ｘに設けたモータ（図示せず）を用いてワイヤー１５を巻上げ下げ及びトロリ１２を横行して、搬送台車１７にコンテナＣの受け渡しを行っている。
【０００５】
このモータは、コンテナＣの荷重によって巻上げ下げの最大速度が決まっており、その最大速度に達するまでは、一定の加速度又は減速度でコンテナＣの巻上げ下げを行っている。しかしながら、モータの最大出力に対して、コンテナＣの昇降に関わらず吊荷重を吊るためだけに必要な出力（以下、保持用トルクという）は低く設定されている。これは、定格荷重を定格速度で巻上げ下げするときにモータ出力１００％となるモータを選定することが多いからである。
【０００６】
定格荷重とは連続で荷役（巻上げ、巻下げ、横行）できる荷重のことでモータは定格荷重で巻上げ加速を行ったときに、定格出力の１８０％〜２００％のトルクを出すことが可能である。このことは誘導電動機（モータ）における一般的な特性であり、誘導電動機は電源が入った直後に定格トルクの１２５％程度の始動トルクを出力し、定格トルクの１８０％〜２００％の停動トルクを出力することができる。始動トルクとはモータが始動の瞬間に出すトルクでこのトルクよりも大きい負荷がかかっているとモータは起動しないため、定格トルクよりも大きいトルクとなる。一方、停動トルクとはモータが一定電圧、一定周波数で出し得る最大トルクで、このトルク以上の負荷がかかれば、モータは停止する。つまり、一般的に吊荷を巻上げ下げする港湾荷役機器に使用されるモータには出力できるトルクに余裕があることになる。
【０００７】
そこで、吊荷を巻上げ下げするモータと、吊荷の荷重に基づいて吊荷保持に必要な吊荷保持用トルクを算出する吊荷保持用トルク算出部と、モータが出し得る最大トルクを算出する最大トルク算出部と、前記最大トルクから前記吊荷保持用トルクを引いて求められる吊荷の加速トルクに基づいて前記モータの加速制御を行う制御部とを備えて、吊荷の巻上げ、巻下げ時間を短縮したクレーン及びクレーンの制御方法がある（例えば特許文献１参
照）。
【０００８】
特許文献１に記載のクレーンの電動機の制御について説明する。その電動機の出力特性を図８に示す。この電動機は、出力が速度に比例し、出力トルクが一定の定トルク領域Ａ２と、出力トルクが速度に反比例し、出力が一定の定出力領域Ａ３とを有している。吊荷を保持するために必要な保持用トルクＴｗの領域を保持用トルク領域３１とし、吊荷を巻上げ下げするために実際に必要なトルクＴ１から保持用トルクＴｗを引いたトルク、つまり加速用に用いることができるトルクの領域を加速用トルク領域３２とする。
【０００９】
従来のクレーンにおいては、基準速度Ｖ０よりも速い速度である定出力領域Ａ３をし移用する場合は定出力領域Ａ３のトルクは速度に反比例するため吊荷の荷重に応じて巻上げ下げの最大速度Ｖｍａｘは決定される。そのときの加速度は最大速度Ｖｍａｘに達するまで一定としていた。
【００１０】
一方特許文献１に記載のクレーンの電動機は、吊荷の巻上げ下げの開始から基準速度Ｖ０までは従来のクレーンと同様の加速度で吊荷を巻上げ下げ、定出力領域Ａ３で示される最大トルクＴｖから、保持用トルクＴｗを引いたトルクで基準速度Ｖ０から最大速度Ｖｍａｘまでより速い加速度で吊荷を巻上げ下げている。このとき加速用に使用されるトルク領域を可変トルク領域３２Ｘとする。この可変トルク領域３２Ｘを利用することで、特許文献１に記載の電動機は基準速度Ｖ０から最大速度Ｖｍａｘまで、従来の電動機よりも速く到達することができ、その分荷役時間を短縮していた。
【００１１】
しかしながら、図８に示すように、電動機の出力特性を考慮すると、定トルク領域Ａ２に余裕があることが分かる。
【００１２】
ここで定トルク領域Ａ２について説明する。通常、電動機への電圧を変えることで制御する。起動時は電圧をごく低くしておき、速度が上がるとトルクは低下するため、これに合わせ徐々に電圧を上げていくと、トルクを一定に保つことができる。このとき電動機の電流は一定に制御され、出力は速度とともに増加する。この起動時からの領域を定トルク領域Ａ２という。この定トルク領域Ａ２は、速度に比例して電圧が増加することから、速度に比例して出力（消費電力）が増加する。
【００１３】
つまり、定トルク領域Ａ２内でより大きい加速度で動作させて、基準速度Ｖ０に早く到達しても、基準速度Ｖ０以上の最大速度Ｖｍａｘまで動作させる場合は、定トルク領域Ａ２内で消費される電力は略変わらない。
【００１４】
このことは下記の数式１からも分かる。数式１において、モータが消費する総電力量をＴＰ、吊荷の荷重をＷｎ、機械効率をη、巻上げ高さをｈｎ、巻上げ速度をＶｍとする。
【数１】
【００１５】
実際問題として考える場合、右の項は全体の１％未満であるため無視出来る。例えば、Ｗ＝３０ｔｏｎ、η＝０．８８、ｈ＝１５ｍ、Ｖ１＝１ｍ／ｓとすると、左項は５０１３、右項は４となる。従って総電力量は巻上げ速度に依存しないことがわかる。よって、吊荷の巻上げ下げ加速度を上げても消費される電力量はほとんど増加することがない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１６】
【特許文献１】特許第４６１６４４７号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
そこで本発明の目的は、消費する電力量を変えずに、吊荷の巻上げ下げの開始から基準速度に達するまでの時間を短縮して、荷役時間を短縮することができ、その短縮した分の港湾荷役機器で消費されるエネルギーを削減する港湾荷役機器の制御方法と、港湾荷役機器を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
上記の問題を解決するための本発明の港湾荷役機器の制御方法は、吊荷を巻上げ下げする電動機を備えた港湾荷役機器の制御方法において、前記電動機が、前記吊荷の荷重に係わらず、吊荷の巻上げ下げの開始から少なくとも予め定めた基準速度までは、前記電動機が出力できる最大のトルクを出力することを特徴とする方法である。
【００１９】
上記の方法によれば、吊荷の荷重に係わらずに電動機の出力することができる最大トルクで、電動機の動作を制御することができる。これにより、従来よりも大きい加速度で吊荷を巻上げ下げすることができるので、荷役時間も短縮することができ、荷役時間が短縮した分で消費される電力を削減することができる。一方、前述した通り電動機の消費する電力は前述の通り、加速度を増加させても略影響を受けない。よって、短縮された荷役時間分で電力を削減するので、港湾荷役機器全体の消費電力を低減することができる。
【００２０】
また、上記の港湾荷役機器の制御方法において、前記電動機が、前記吊荷の荷重に係わらず、前記吊荷の巻き上げ下げの開始から前記基準速度までは、出力トルクが一定で動作する定トルク領域の第１最大トルクを出力し、前記基準速度から前記吊荷の荷重から算出される最大速度までは、速度に反比例して出力トルクが低下する定出力領域の第２最大トルクを出力する。
【００２１】
この方法によれば、基準速度までは定トルク領域を、また、基準速度からは定出力領域を有した出力特性を持つ電動機を、吊荷の荷重に係わらず、定トルク領域で示される第１最大トルクと、定出力領域で示される第２最大トルクを出力可能に制御することができる。特に、従来に比べて、巻上げ下げ速度が基準速度に到達する時間を早くすることと、その時間の間に吊荷を巻上げ下げする距離を伸すことができるため、荷役時間を短縮することができる。
【００２２】
この電動機に、定格荷重を定格速度で巻上げ下げするときに出力１００％となる電動機を選定する場合は、定格トルク領域の第１最大トルクを好ましくは定格トルク以上に、より好ましくは定格トルクの１８０％〜２００％のトルクに設定する。また、基準速度は、任意に設定することができるが、好ましくは定格周波数の定格電圧を与えられた電動機が定格荷重を巻上げ下げする速度である定格速度に設定する。
【００２３】
加えて、上記の港湾荷役機器の制御方法において、少なくとも前記電動機の始動トルクの発生が確立するまで、前記電動機によってワイヤーの巻取りと送出しで前記吊荷を巻上げ下げするドラムの回転を停止機構によって停止する。
【００２４】
通常、電動機の回転数が定格回転数（定格速度）に達成するまでは、Ｖ／ｆ制御（電圧÷周波数＝一定の制御）であり、電動機の始動直後は電圧と周波数が小さく、よって始動トルクも小さい。そこで、周波数が低いときにトルクが小さくなりすぎるため電圧を上げ
てトルクブーストしている。よって、電動機の始動直後から保持用トルクよりも大きい始動トルクが発生するので、吊荷を保持することができる。
【００２５】
この方法によれば、少なくとも電動機の始動トルクの発生が確立するまで、停止機構によって、ドラムの回転を止めることが可能となる。これにより、電動機が動作していないときに吊荷を保持して、吊荷の落下を防ぐことができる。この停止機構によって吊荷を保持するときは、吊荷を吊り具に吊るときや、巻上げ動作から巻下げ動作に移るときである。
【００２６】
加えて、上記の港湾荷役機器の制御方法において、前記吊荷を、前記吊荷の巻上げ下げ開始から前記基準速度までは、前記第１最大トルクによる一定の第１加速度で巻上げ下げし、前記基準速度から前記最大速度までは、前記第２最大トルクと前記吊荷の荷重から算出される保持用トルクとの差分である第２トルクを、予め定めた一定時間毎に算出し、算出した前記第２トルクによる前記一定時間毎に可変する第２加速度で巻上げ下げする。
【００２７】
上記の方法によれば、定トルク領域の最大トルクと、定出力領域の最大トルクから、吊荷を保持するために必要な保持用トルクの差分のトルクを、吊荷の巻上げ下げの加速度に利用することで、より速く吊荷を巻上げ下げすることができる。特に、定出力領域の最大トルクに合わせて、従来では使用していなかった定トルク領域の最大トルクを吊荷の巻上げ下げ加速度に利用することで、より速く基準速度に達することができる。そのため、港湾荷役機器を短縮することができ、港湾荷役機器が消費する電力量を低減することができる。
【００２８】
さらに、上記の港湾荷役機器の制御方法において、前記基準速度に達するまでの間に、前記荷重の値を取得し、前記荷重から前記最大速度を算出する。
【００２９】
この方法によれば、吊り具に吊荷を吊してから電動機が始動するまでの間、又は、電動機が始動して基準速度に達するまでの定トルク領域で動作する間に、吊荷の荷重を算出することができる。基準速度に到達するまでは、吊荷の荷重によらず、全トルクを利用している。つまり、吊荷を保持するトルク以外のトルクを全て吊荷の巻上げ下げする加速度に利用することになるため、吊荷の巻上げ下げを開始するときに荷重を算出して、保持に必要な保持用トルクを算出することは必要がない。そこで、定出力領域に入るまでの間に、加速度を算出する際に必要な吊荷の荷重と荷重別の最大速度を、定トルク領域で動作している間に算出することができる。
【００３０】
上記の問題を解決するための本発明の港湾荷役機器は、吊荷を巻上げ下げする電動機を備えた港湾荷役機器において、前記電動機を、前記吊荷の荷重に係わらず、吊荷の巻上げ下げの開始から少なくとも予め定めた基準速度までは、前記電動機が出力できる最大のトルクを出力可能に制御する制御装置を備えて構成される。
【００３１】
また、上記の港湾荷役機器において、前記制御装置が、前記電動機に、前記吊荷の荷重に係わらず、前記吊荷の巻き上げ下げの開始から前記基準速度までは、出力トルクが一定で動作する定トルク領域の第１最大トルクを出力させる手段と、前記基準速度から前記吊荷の荷重から算出される最大速度までは、速度に反比例して出力トルクが低下する定出力領域の第２最大トルクを出力させる手段とを備える。
【００３２】
上記の構成によれば、特に、基準速度までに達するまでに電動機が定トルク領域の第１最大トルクを出力することにより、基準速度に達するまでの時間を早くすると共に、その時間の間に進む距離を伸ばすことができるため、荷役時間を短縮することができる。そのため、その短縮した分の消費電力を抑えることができる。
【００３３】
また、上記の港湾荷役機器において、前記電動機によってワイヤーの巻取りと送出しで前記吊荷を巻上げ下げするドラムの回転を停止する停止機構を備え、前記制御装置に、少なくとも前記電動機の始動トルクの発生が確立するまで、前記ドラムの回転を停止するように前記停止機構を制御する手段を備える。
【００３４】
この構成によれば、電動機の始動トルクの発生が確立するまで、停止機構によって、ドラムの回転を停止することができる。そのため、荷役を保持することができる。
【００３５】
加えて、上記の港湾荷役機器において、前記制御装置が、前記第１最大トルクの値を算出する手段と、前記第２最大トルクの値を算出する手段と、前記第２最大トルクと前記吊荷の荷重から算出される保持用トルクとの差分の第２トルクの値を予め定めた一定時間毎に算出する手段とを備えると共に、前記吊荷の巻上げ下げの開始から前記基準速度までは、前記第１最大トルクによる第１加速度で前記吊荷を巻上げ下げする手段と、前記基準速度から前記最大速度までは、前記第２トルクによる前記一定時間毎に変化する第２加速度で前記吊荷を巻上げ下げする手段を備える。
【００３６】
この構成によれば、基準速度までの第１加速度と、基準速度から最大速度までの第２加速度が、従来の加速度よりも大きくなる。これにより、吊荷の荷重から算出される最大速度にも速く達するので、荷役時間を短縮することができる。
【００３７】
さらに、上記の港湾荷役機器において、前記基準速度に達するまでの間に、前記吊荷の荷重の値を取得する手段と、前記荷重から前記最大速度を算出する手段とを備える。
【００３８】
この構成によれば、吊荷の荷重とその保持用トルクとその最大速度を必要な定出力領域になるまでに、荷重を取得し、最大速度を算出することができる。荷重を取得する手段は、一定加速運転中にモータ電流と速度を計測することで取得する手段や、クレーンに取り付けたロードセルによって吊荷の荷重を計測する手段を用いる。また、荷役前に予め吊荷の荷重を取得し、制御装置に入力しておく手段も用いることができる。取得された荷重と、電動機の出力特性の定出力領域との関係から電動機の最大巻上げ下げ回転数を決め、最大速度を算出することができる。
【発明の効果】
【００３９】
本発明によれば、消費する電力量を変えずに、吊荷の巻上げ下げの開始から基準速度に達するまでの時間を短縮して、荷役時間を短縮することができ、その短縮した分の港湾荷役機器で消費されるエネルギーを削減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明に係る第１の実施の形態のクレーンを示した概略図である。
【図２】図１のモータのトルク特性を示した図である。
【図３】本発明に係る第１の実施の形態のクレーンの制御方法を示したフローチャートである。
【図４】本発明に係る第２の実施の形態のクレーンを示した概略図である。
【図５】本発明に係る第２の実施の形態のクレーンの制御方法を示したフローチャートである。
【図６】本発明に係る第１の実施の形態のクレーンの巻上げ速度と時間を示した図である。
【図７】従来のクレーンを示した側面図である。
【図８】従来のクレーンの電動機のトルク特性を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００４１】
以下、本発明に係る実施の形態の港湾荷役機器の制御方法と港湾荷役機器について、図面を参照しながら説明する。なお、従来と同一の構成及び動作については同一の符号を用いて、その説明を省略する。また、本発明に係る実施の形態の港湾荷役機器として、コンテナ船との荷の積み卸しを行う岸壁クレーン（以下、クレーンという）を例として説明するが、本発明に係る実施の形態の港湾荷役機器はクレーンに限定しない。電動機を用いて吊荷を巻上げ下げする港湾荷役機器であればよく、例えば、岸壁クレーン、門型のヤードクレーン、ゴライアスクレーン、ジブクレーン、タワークレーン、アンローダークレーン、天井クレーン、及びストラドルキャリアなどの港湾荷役機器に適用することができる。
【００４２】
本発明に係る第１の実施の形態のクレーン１０は、図７に示した従来のクレーンの構成に加えて、図１の概略図に示すように、機械室１６に、制御装置２０、インバータ２１、モータ（電動機）２２、減速機２３、ブレーキ（停止機構）２４、ドラム２５、及び速度センサ２６を備える。また、運転室１３に運転装置２７を備える。
【００４３】
コンテナなどの吊荷を荷役する際に、運転室１３に搭乗した運転手が運転装置２６を操作する。その操作信号を制御装置２０が受け取り、インバータ２１を介してモータ２２が回転する。そのモータ２２の回転によって、ドラム２４がワイヤーを巻取り又は送り出してトロリの横行及び吊り具の巻上げ下げを行う。
【００４４】
インバータ２１は一般的なインバータを用いることができるが、好ましくはモータ２２を基準速度に達成するまではＶ／ｆ制御、基準速度からはベクトル制御することができるベクトル制御インバータがよい。Ｖ／ｆ制御とは、電圧と周波数の比が一定の制御方法である。一方、ベクトル制御とはモータ２２のトルクをモータ２２に流れる電流を励磁電流と負荷電流に分解し、位相を考慮して、電圧及び周波数を制御する手法である。このベクトル制御インバータは、負荷や回転数の急変時にもトルクの乱れがなく、安定して動作するので、モータ２２の出力トルクを制御して、巻上げ下げ速度を制御することができる。
【００４５】
ブレーキ２４はモータ２２からの動力によって回転するドラム２５の回転を停止することができる装置である。このブレーキ２４には、ドラムブレーキ、バンドブレーキ、ディスクブレーキ、メカニカルブレーキ、又は過電流ブレーキなどを用いることができる。また、このブレーキ２４を運転装置２７の操作と連動させると共に、制御装置２０によって制御する。
【００４６】
速度センサ２６は、ＭＲ素子（磁気抵抗素子）から形成され、ドラム２５の回転角度を検出するセンサである。この速度センサ２６の構成は上記に限らず、制御装置２０がモータ２２の回転数Ｒ１及び速度Ｖ１を算出することができるようなデータを取得できる構成であればよい。
【００４７】
モータ２２の出力特性について説明する。本発明において、特にモータの種類は限定しないが、好ましくは、インバータ専用定トルクモータで、センサレスベクトル制御によって制御されるモータがよい。
【００４８】
このモータ２２の使用できるトルクと回転数との関係を図２に示す。
【００４９】
実際に使用する場合は、図２に示すように、このモータ２２は、基準回転数Ｒ０（基準速度Ｖ０の回転数）を有し、その基準回転数Ｒ０を境界線にして、トルクが一定の定トルク領域Ａ２と、トルクが回転数（速度）に反比例で、出力が一定の定出力領域Ａ３とを備える。また、定トルク領域Ａ２の最大値を第１最大トルクＴｍとし、定出力領域Ａ３の最大値を、回転数に反比例する第２最大トルクＴｖとする。加えて、基準速度Ｖ０は、任意
に設定することができるが、モータ２２を安全に動作せるために、定格速度に設定することが好ましい。
【００５０】
このモータ２２は、インバータ２１から送られる電流の周波数と電圧が低いときに、始動トルクは小さい。モータ２２の回転数が基準回転数Ｒ０（基準速度Ｖ０）になるまでは、前述したようにＶ／ｆ制御され、周波数と電圧が一定で大きくなる。その始動トルクが小さくて、実際に利用できないため、電圧を一時的に大きくして、トルクをブーストする。これがトルクブーストである。これにより、モータ２２が始動直後に、吊荷を保持する保持用トルク以上のトルクが発生することになる。
【００５１】
ここで、巻上げ下げするコンテナを、荷重Ｗ１を有するコンテナＣ１とする。荷重Ｗ１は定格荷重よりも軽い荷重とする。このコンテナＣ１を保持するために必要なトルクを保持用トルクＴｗとし、コンテナＣ１を巻上げ下げする実際の速度を速度Ｖ１とし、巻上げ下げの最大速度を最大速度Ｖｍａｘとする。また、実際の速度Ｖ１のときの実際の回転数をＲ１とする。加えて、コンテナＣ１を巻上げ下げする実際のトルクをトルクＴ１とする。
【００５２】
本発明の第１の実施の形態のクレーン１０のモータ２２は、定トルク領域Ａ２内に、第１保持用トルク領域３１ａと第１トルク領域３２ａとを備え、定出力領域Ａ３内に、第２保持用トルク領域３１ｂと第２トルク領域３２ｂとを備える。
【００５３】
第１保持用トルク領域３１ａと第２保持用トルク領域３１ｂは、各領域Ａ２及びＡ３内の保持用トルクＴｗを示した領域である。第１トルク領域３２ａは、定トルク領域Ａ２で示される最大トルクである第１最大トルクＴｍと、保持用トルクＴｗとの差分の第１トルクを示す領域である。第２トルク領域３２ｂは、定出力領域Ａ３で示される最大トルクである第２最大トルクＴｖと、保持用トルクＴｗとの差分の第２トルクを示す領域である。
【００５４】
従って、モータ２２がコンテナＣ１を巻上げ下げする際に使用されるトルク領域は、定トルク領域Ａ２内では、第１保持用トルク領域３１ａと第１トルク領域３２ａであり、定出力領域Ａ３内では、第２保持用トルク領域３１ｂと第２トルク領域３２ｂである。
【００５５】
定トルク領域Ａ２の最大のトルクである第１最大トルクＴｍを、好ましくは定格トルクＴ０以上、より好ましくは定格トルクＴ０の１８０％〜２００％に設定する。
【００５６】
上記のクレーン１０の巻上げ下げ開始から基準速度Ｖ０に達するまでの動作を説明する。コンテナＣ１を巻上げ下げする場合、スプレッダ１４を巻下げ、着床を確認する。この着床の確認はスプレッダ１４がコンテナＣ１に置かれたことをリミットスイッチ（図示しない）で行う。次に、巻下げ動作を停止して、ブレーキ２４を閉じる。ブレーキ２４が閉じ、ドラム２５の回転が停止されると、スプレッダ１４がツイストロック（図示しない）によりコンテナＣ１を固定する。
【００５７】
そしてインバータ２１からモータ２２へ電力を供給する。そして、モータ２２の始動トルクの発生が確立できると、ブレーキ２４を開き、ドラム２５を回転させる。これにより、コンテナＣ１の巻上げ下げを開始する。
【００５８】
巻上げ下げ開始から定格速度Ｖ０に到達するまでは、インバータ２１がモータ２２をＶ／ｆ制御して、コンテナＣ１の荷重に係わらず（ここではコンテナＣ１の荷重Ｗ１）、第１最大トルクＴｍでコンテナＣ１を巻上げ下げする。つまり、コンテナＣ１を巻上げ下げする実際のトルクＴ１が第１最大トルクＴｍとなる。このときの加速度は、第１トルク領域３２ａで定められる第１トルクから求めることができる。コンテナＣ１を保持する保持
用トルクＴｗは第１保持用トルク領域３１ａで確保されるため、コンテナＣ１の巻上げ下げの途中で、コンテナＣ１が落下するなどの危険がない。
【００５９】
上記の動作によれば、定トルク領域Ａ２内では、第１最大トルクＴｍでコンテナＣ１を巻上げ下げすることができ、従来のクレーンに比べて基準速度Ｖ０に到達するまでの時間を短縮することができるため、荷役時間を短縮することができる。そのため、その短縮した分で消費される電力を削減することができるため、省エネルギー化することができる。
【００６０】
また、吊荷の荷重に係わらずに第１最大トルクＴｍで巻上げ下げするため、複雑な計測や計算を必要とすることがない。
【００６１】
次に図３に示すように、本発明の第１の実施の形態のクレーン１０の制御方法Ｓ１を説明する。また、この制御方法は、吊荷を巻上げ下げ、加速運転及び減速運転共に共通した制御方法である。よって、ここではコンテナＣ１を巻上げる際の制御方法Ｓ１として説明する。
【００６２】
荷役が開始されると、スプレッダ１４を巻き下げるステップＳ２を行う。次にスプレッダ１４がコンテナＣ１に着床したか否かを判断するステップＳ３を行う。ステップＳ３では、スプレッダ１４に設けたリミットスイッチ（図示しない）で着床を確認している。ステップＳ３で着床が確認されると、次に、スプレッダ１４の巻下げを停止するステップＳ４を行う。そして、ブレーキ２４を閉じて、ドラム２３の回転を停止するステップＳ５を行う。ドラムの回転が停止するとスプレッダ１４にコンテナＣ１を吊すステップＳ６を行う。このときスプレッダ１４のツイストロック（図示しない）でコンテナＣ１を固定する。
【００６３】
次に、インバータ２１からモータ２２に電力の供給を開始するステップＳ７を行う。このときインバータ２１は、電圧と周波数の比が一定のＶ／ｆ制御を行うが、電圧と周波数が小さいと始動トルクが定格トルクＴ０よりも小さくなってしまうため、電圧のみを大きくするトルクブーストを行う。これにより、モータ２２の始動からコンテナＣ１を保持するトルクを得ることができる。
【００６４】
次に、モータ２２の始動トルクの発生が確立したか否かを判断するステップＳ８行う。始動トルクが発生していない場合は、再度ステップＳ７へと戻る。始動トルクの発生が確立されると、ブレーキ２４を開いて、ドラムの回転を開始するステップＳ９を行う。
【００６５】
次に、モータ２２は吊荷の荷重（ここではコンテナＣ１の荷重Ｗ１）に係わらず、定トルク領域Ａ２で示される最大のトルクである第１最大トルクＴｍで巻上げするステップＳ１０を行う。このステップＳ１０ではコンテナＣ１の荷重Ｗ１などを計測する必要がなく、また、第１最大トルクＴｍが保持用トルクＴｗよりも大きいため、保持用トルクＴｗを算出する必要がない。荷役開始と同時に、モータ２２のトルクを第１最大トルクＴｍに設定し、コンテナＣ１を巻上げていく。
【００６６】
ここで、ステップＳ１０でコンテナＣ１を巻上げ下げする第１加速度は、第１最大トルクＴｍと保持用トルクＴｗの差分の第１トルクにより求めることができる。この第１加速度は略一定の値となる。このステップＳ１０でも、インバータ２１はＶ／ｆ制御を行い、モータ２２を第１最大トルクＴｍで動作するように制御している。
【００６７】
次に、コンテナＣ１の荷重Ｗ１を算出した否かを判断するステップＳ１１を行う。これまでコンテナＣ１の荷重Ｗ１が算出されていないので、次のコンテナＣ１の荷重Ｗ１を取得するステップＳ１２を行う。ステップＳ１２はモータ２２に流れる電流をインバータ２
１で計測し、ドラム２３の回転を計測する速度センサ２５で速度Ｖ１を計測し、それら電流と速度Ｖ１から荷重Ｗ１を算出するステップである。
【００６８】
コンテナＣ１の荷重Ｗ１を取得すると、次は、コンテナＣ１の巻上げの最大速度Ｖｍａｘを算出するステップＳ１３を行う。モータ２２の出力特性は予め制御装置２０に記憶されており、取得した荷重Ｗ１とその出力特性（図２参照）を用いて、最大速度Ｖｍａｘを算出する。このステップＳ１２の荷重の取得方法は上記の方法に限定せず、例えば、クレーン１で荷役する前に取得したデータを用いる方法でもよい。また、ステップＳ１３の最大速度を算出する方法も上記の方法に限定しない。
【００６９】
次に、コンテナＣ１の巻上げ速度Ｖ１が基準速度Ｖ０に達したか否かを判断するステップＳ１４を行う。基準速度Ｖ０に達していない場合は再度ステップＳ１０へと戻る。速度Ｖ１が基準速度Ｖ０に達した場合は、定出力領域Ａ３の速度Ｖ１に反比例する最大トルクである第２最大トルクＴｖを算出するステップＳ１５を行う。このステップＳ１５からは、インバータ２１はベクトル制御を行う。ベクトル制御とは、モータ２２に流れる電流と電圧の位相角から、トルクと回転数を推定し、それに基づいて電圧と周波数を変化させ、目的のトルクと回転数を得る制御方法である。これはモータ２２などの電動機が回転数を上げるほど内部抵抗が増え、電流を励磁電流と負荷電流に分解して制御しなければならないからである。このベクトル制御は速度センサを用いる制御方法であるが、速度センサを用いずに制御するセンサレスベクトル制御でもよい。また、ベクトル制御に換えて、すべり周波数制御を用いることもできる。
【００７０】
このステップＳ１５の第２最大トルクＴｖを算出する方法は、その時点の速度Ｖ１から、モータ２２の出力特性から算出する方法や、前述のインバータ２１のベクトル制御から推定する方法などを用いることができる。第２最大トルクＴｖは、速度Ｖ１に反比例するため、ステップＳ１５は速度Ｖ１が変化する度に算出される第２最大トルクＴｖの値が異なる。このステップＳ１５から後述するステップＳ１７までが一定単位時間毎に行われ、その都度、第２最大トルクＴｖを算出する。
【００７１】
第２最大トルクＴｖが算出されると、次に第２最大トルクＴｖでコンテナＣ１を巻上げするステップＳ１６を行う。ステップＳ１５で算出した可変トルクＴｖと、ステップＳ１２で取得した荷重Ｗ１から算出した保持用トルクＴｗの差分の第２トルクを算出する。その算出した第２トルクによりコンテナＣ１を可変の第２加速度で巻上げ下げする。
【００７２】
ここで、定出力領域Ａ２で加速する場合は保持用トルクＴｗと、加速する第２トルク（第２最大トルクＴｖと保持用トルクＴｗの差分トルク）の和がモータ２２の最大出力（第２最大トルクＴｖ）を超えなければよいため下記の数式２〜５で表すことができ、第２加速度をアクティブに制御することができる。現在の巻上げ速度をＶ１（ｍ／ｓ）、荷重をＷ１（ｔｏｎ）、慣性モーメントをΣＧＤ２、定格速度をＶ０（ｍ／ｓ）、定格モータ回転数をＮ０（ｒｐｍ）、機械効率をη、回転数と速度との比をαとする。また、定出力領域Ａ２の一定の出力をＰｍａｘとする。数式２を巻上げ加速度、数式３を巻上げ減速度、数式４を巻下げ加速度、数式５を巻下げ減速度とする。
【数２】
【数３】
【数４】
【数５】
【００７３】
次に一定期間、例えば１０ｍｓ〜１００ｍｓ間後に、速度Ｖ１が最大速度Ｖｍａｘに到達しているか否かを判別するステップＳ１７を行う。ステップＳ１７で速度Ｖ１が最大速度Ｖｍａｘ未満であれば、ステップＳ１５へ戻り、再度そのときの速度Ｖ１から第２最大トルクＴｖを算出し、ステップＳ１６を行う。この繰返しは速度Ｖ１が最大速度Ｖｍａｘに到達するまで行う。
【００７４】
速度Ｖ１が最大速度Ｖｍａｘに到達すると、次に最大速度Ｖｍａｘで巻上げるステップＳ１８を行う。次に、コンテナＣ１を巻上げる目標の高さ（コンテナＣ１の実際の巻上げ高さから、巻上げ減速動作で巻上げる高さを差し引いた高さ）に達したか否かを判断するステップＳ１９を行う。ステップＳ１９で目標の高さに達したと判断されると、次に巻上げを停止するステップＳ２０を行い。次にブレーキ２４を閉じてドラム２５の回転を停止するステップＳ２１を行い制御は完了する。
【００７５】
上記のクレーン１０の制御方法Ｓ１によれば、コンテナＣ１を巻上げ下げするときに、
モータ２２の定トルク領域Ａ２で定められる最大トルクである第１最大トルクＴｍと保持用トルクＴｗの差分の第１トルクで基準速度Ｖ０まで一定の第１加速度で巻上げ下げし、定出力領域Ａ３で定められる最大トルクである第２最大トルクＴｖと保持用トルクＴｗの差分の第２トルクで基準速度Ｖ０から最大速度Ｖｍａｘまで可変の第２加速度で巻上げ下げすることができるため、荷役時間を短縮することができる。よって、クレーン１０が消費する電力を荷役時間が短縮した分だけ削減することができる。
【００７６】
特に巻上げ下げの開始から基準速度Ｖ０までは、コンテナＣ１の荷重Ｗ１に係わらずに第１最大トルクＴｍで巻上げ下げを行うため、複雑な制御を行わずに、基準速度Ｖ０に達する時間を短縮すると共に、その時間の間に巻上げ下げする距離も長くすることができる。
【００７７】
また、モータ２２の始動トルクの発生が確立されるまで、つまり、モータ２２が始動するまでや、モータ２２の巻上げ下げ動作の切り替わるときには、ブレーキ２４によって、ドラム２５の回転を停止することにより、コンテナＣ１を保持することができる。モータ２２が始動するとトルクブーストによりコンテナＣ１の保持に必要なトルクを発生させることができる。
【００７８】
次に本発明の第２の実施の形態のクレーン２０について図４を参照しながら説明する。クレーン２０は、図１で示した本発明の第１の実施の形態のクレーン１０のスプレッダ１４に、ロードセル２８を備える。その他の構成は同様である。このロードセル２８は荷重や力を電気信号に変換するセンサであり、好ましくは、引張型のＳ字型ロードセルなどを用いる。ロードセル２８は前述の制御方法Ｓ１において使用することもでき、制御方法Ｓ１のステップＳ１２で、コンテナＣ１の荷重Ｗ１を取得することができる。
【００７９】
上記の構成によれば、コンテナＣ１の荷重Ｗ１を取得するためにロードセル２８を用いることで、より速く精密に測定することができる。また、ロードセル２８は他のセンサに比べてコストが安く寿命が長いため、クレーン１０の製造コストを下げることができる。
【００８０】
次に、前述した図４の制御方法Ｓ１とは異なる、クレーン２０の制御方法Ｓ３０を、図５を参照しながら説明する。ステップＳ３１からステップＳ３５までは、前述した制御方法Ｓ１と同じ制御である。次に、コンテナＣ１の荷重Ｗ１を取得するステップＳ３６を行う。ステップＳ３６はロードセル２８で荷重Ｗ１を算出するステップである。コンテナＣ１の荷重Ｗ１をロードセル２８で取得すると、次は、コンテナＣ１の巻上げの最大速度Ｖｍａｘを算出するステップＳ３７を行う。この最大速度Ｖｍａｘの算出方法は前述の制御方法Ｓ１と同様である。
【００８１】
以降、ステップＳ３８〜ステップＳ５０までは前述した制御方法Ｓ１と同様である。
【００８２】
上記のクレーン２０の制御方法Ｓ３０によれば、コンテナＣ１を巻上げる前にコンテナＣ１の荷重Ｗ１を計測することができる。そのため、モータ２２が始動してからは、モータ２２の制御のみを行えばよいため、制御を単純化することができる。
【００８３】
図６は、本発明の実施の形態のクレーン１０の制御方法Ｓ１で吊荷を巻上げたときの速度と時間を示した図である。この図６には従来のクレーン１０Ｘで巻上げたときの速度と時間も比較対象として示してある。荷重Ｗ１、最大速度Ｖ１ｍａｘ、基準速度Ｖ０は各クレーンで共通である。実施の形態のクレーン１０の基準速度Ｖ０に達する時間とｔ１とし、最大速度Ｖ１ｍａｘに達する時間をｔ３とし、巻上げ完了した時間をｔ５とする。従来のクレーン１０Ｘの基準速度Ｖ０に達する時間をｔ２とし、最大速度Ｖ１ｍａｘに達する時間をｔ４とし、巻上げ完了した時間をｔ６とする。
【００８４】
実施の形態のクレーン１０と従来のクレーン１０Ｘの最大速度Ｖ１ｍａｘは同一であるが、実施の形態のクレーン１０の方が最大速度Ｖ１ｍａｘに達する時間ｔ３が速いため、その分だけ完了する時間ｔ５も早くなっていることがわかる。特にクレーン１０は従来のクレーン１０Ｘに比べて基準速度Ｖ０に到達する時間ｔ１が早い。加えて、加速度も大きいため、基準速度Ｖ０に到達した時点での移動距離も長くなる。これは、巻上げ開始から直ぐに第１最大トルクＴｍでコンテナＣ１を巻上げることができるためである。よって従来のクレーン１０Ｘに比べて、より実施の形態のクレーン１０は荷役時間を短縮することができる。
【００８５】
加えて、クレーン１０の巻上げの加速度が巻上げ開始から基準速度Ｖ０まで（０〜ｔ１の区間）は一定の第１加速度を使い、基準速度Ｖ０から最大速度Ｖ１ｍａｘまで（ｔ１〜ｔ３の区間）は可変の第２加速度を使う。この第２加速度の最大値は、第１加速度よりも必ず小さくなる。一方、従来のクレーン１０Ｘの定格速度Ｖ０から最大速度Ｖ１ｍａｘまで（ｔ２〜ｔ４の区間）は、それまでの加速度よりも一時的に大きくなるため、吊荷に衝撃がかかり、安定した巻上げを実現することができない。
【００８６】
吊荷を安全に巻上げ下げするためには、加速度の変化をできるだけ緩やかに制御することが好ましく、本発明のクレーン１０及びクレーン２０は巻上げ開始から一定に第１加速度で加速して、基準速度Ｖ０からは、第１加速度から徐々に小さくなる第２加速度で行うため、加速度の変化を緩やかにすることができる。そのため、吊荷の巻上げ下げを安全に行うことができる。
【００８７】
上記の制御方法Ｓ１及びＳ２は、クレーン１０及び２０の巻上げ下げ動作に限らず、トロリ１２の横行動作にも用いることができる。また、クレーン１０及び２０に限らず、動作させる対象物の荷重によって出力を変動する電動機であれば利用することもできる。
【産業上の利用可能性】
【００８８】
本発明の港湾荷役機器は、消費電力する電力量を変えずに、荷役時間を短縮することができ、その短縮した分の荷役機器が消費するエネルギーを削減することができる。そのため、消費エネルギーの少ない港湾荷役機器として、岸壁クレーン、門型のヤードクレーン、ゴライアスクレーン、ジブクレーン、タワークレーン、アンローダークレーン、天井クレーン、及びストラドルキャリアなどの港湾荷役機器に用いることができる。
【符号の説明】
【００８９】
１０ クレーン
１１ 桁部
１２ トロリ
１３ 運転室
１４ 吊り具
１５ ワイヤー
１６ 機械室
１７ 搬送台車
２０ 制御装置
２１ インバータ
２２ モータ（電動機）
２３ 減速装置
２４ ブレーキ（停止機構）
２５ ドラム
２６ 速度センサ
２７ 運転装置
２８ ロードセル
Ｇ 岸壁
Ｓ 船舶
Ｃ コンテナ（吊荷）
【技術分野】
【０００１】
本発明は、吊荷を巻上げ下げする港湾荷役機器において、荷役時間を短縮した港湾荷役機器の制御方法と港湾荷役機器に関する。
【背景技術】
【０００２】
昨今、国際航路におけるコンテナ輸送システムの急速な進展に伴い、コンテナ船は大型化しており、コンテナ船との荷の積み卸しを行う岸壁クレーン、門型クレーン、ストラドルキャリア、及びアンローダなどの港湾荷役機器の荷役効率を上げることが求められている。また、社会的に環境問題としてＣＯ２を削減する省エネルギー化が求められている。それら港湾荷役機器の荷役効率を上げることは、荷役時間を短縮することであり、つまりは吊荷を巻上げ下げする時間を短縮することである。荷役時間が短縮すれば、その分だけ港湾荷役機器で消費される電力を低減することができ、省エネルギー化に繋がる。
【０００３】
従来の電動機を用いて吊荷を巻上げ下げする港湾荷役機器は、巻上げ下げ運動において加速又は減速するときは、電動機を一定の加速度で加減速させている。しかしながらこの一定の加減速で吊荷を巻上げ下げする場合には、加減速中に出せるトルクに余裕がある。
【０００４】
ここで、従来の港湾荷役機器である岸壁クレーンを説明する。図７に示すように、岸壁クレーン１０Ｘは、桁部１１、トロリ１２、運転室１３、スプレッダ（吊り具）１４、ワイヤー１５及び機械室１６Ｘを備える。この岸壁クレーン１０Ｘは、岸壁Ｇに接岸した船舶ＳからコンテナＣ（吊荷）をスプレッダ１４で掴み、機械室１６Ｘに設けたモータ（図示せず）を用いてワイヤー１５を巻上げ下げ及びトロリ１２を横行して、搬送台車１７にコンテナＣの受け渡しを行っている。
【０００５】
このモータは、コンテナＣの荷重によって巻上げ下げの最大速度が決まっており、その最大速度に達するまでは、一定の加速度又は減速度でコンテナＣの巻上げ下げを行っている。しかしながら、モータの最大出力に対して、コンテナＣの昇降に関わらず吊荷重を吊るためだけに必要な出力（以下、保持用トルクという）は低く設定されている。これは、定格荷重を定格速度で巻上げ下げするときにモータ出力１００％となるモータを選定することが多いからである。
【０００６】
定格荷重とは連続で荷役（巻上げ、巻下げ、横行）できる荷重のことでモータは定格荷重で巻上げ加速を行ったときに、定格出力の１８０％〜２００％のトルクを出すことが可能である。このことは誘導電動機（モータ）における一般的な特性であり、誘導電動機は電源が入った直後に定格トルクの１２５％程度の始動トルクを出力し、定格トルクの１８０％〜２００％の停動トルクを出力することができる。始動トルクとはモータが始動の瞬間に出すトルクでこのトルクよりも大きい負荷がかかっているとモータは起動しないため、定格トルクよりも大きいトルクとなる。一方、停動トルクとはモータが一定電圧、一定周波数で出し得る最大トルクで、このトルク以上の負荷がかかれば、モータは停止する。つまり、一般的に吊荷を巻上げ下げする港湾荷役機器に使用されるモータには出力できるトルクに余裕があることになる。
【０００７】
そこで、吊荷を巻上げ下げするモータと、吊荷の荷重に基づいて吊荷保持に必要な吊荷保持用トルクを算出する吊荷保持用トルク算出部と、モータが出し得る最大トルクを算出する最大トルク算出部と、前記最大トルクから前記吊荷保持用トルクを引いて求められる吊荷の加速トルクに基づいて前記モータの加速制御を行う制御部とを備えて、吊荷の巻上げ、巻下げ時間を短縮したクレーン及びクレーンの制御方法がある（例えば特許文献１参
照）。
【０００８】
特許文献１に記載のクレーンの電動機の制御について説明する。その電動機の出力特性を図８に示す。この電動機は、出力が速度に比例し、出力トルクが一定の定トルク領域Ａ２と、出力トルクが速度に反比例し、出力が一定の定出力領域Ａ３とを有している。吊荷を保持するために必要な保持用トルクＴｗの領域を保持用トルク領域３１とし、吊荷を巻上げ下げするために実際に必要なトルクＴ１から保持用トルクＴｗを引いたトルク、つまり加速用に用いることができるトルクの領域を加速用トルク領域３２とする。
【０００９】
従来のクレーンにおいては、基準速度Ｖ０よりも速い速度である定出力領域Ａ３をし移用する場合は定出力領域Ａ３のトルクは速度に反比例するため吊荷の荷重に応じて巻上げ下げの最大速度Ｖｍａｘは決定される。そのときの加速度は最大速度Ｖｍａｘに達するまで一定としていた。
【００１０】
一方特許文献１に記載のクレーンの電動機は、吊荷の巻上げ下げの開始から基準速度Ｖ０までは従来のクレーンと同様の加速度で吊荷を巻上げ下げ、定出力領域Ａ３で示される最大トルクＴｖから、保持用トルクＴｗを引いたトルクで基準速度Ｖ０から最大速度Ｖｍａｘまでより速い加速度で吊荷を巻上げ下げている。このとき加速用に使用されるトルク領域を可変トルク領域３２Ｘとする。この可変トルク領域３２Ｘを利用することで、特許文献１に記載の電動機は基準速度Ｖ０から最大速度Ｖｍａｘまで、従来の電動機よりも速く到達することができ、その分荷役時間を短縮していた。
【００１１】
しかしながら、図８に示すように、電動機の出力特性を考慮すると、定トルク領域Ａ２に余裕があることが分かる。
【００１２】
ここで定トルク領域Ａ２について説明する。通常、電動機への電圧を変えることで制御する。起動時は電圧をごく低くしておき、速度が上がるとトルクは低下するため、これに合わせ徐々に電圧を上げていくと、トルクを一定に保つことができる。このとき電動機の電流は一定に制御され、出力は速度とともに増加する。この起動時からの領域を定トルク領域Ａ２という。この定トルク領域Ａ２は、速度に比例して電圧が増加することから、速度に比例して出力（消費電力）が増加する。
【００１３】
つまり、定トルク領域Ａ２内でより大きい加速度で動作させて、基準速度Ｖ０に早く到達しても、基準速度Ｖ０以上の最大速度Ｖｍａｘまで動作させる場合は、定トルク領域Ａ２内で消費される電力は略変わらない。
【００１４】
このことは下記の数式１からも分かる。数式１において、モータが消費する総電力量をＴＰ、吊荷の荷重をＷｎ、機械効率をη、巻上げ高さをｈｎ、巻上げ速度をＶｍとする。
【数１】
【００１５】
実際問題として考える場合、右の項は全体の１％未満であるため無視出来る。例えば、Ｗ＝３０ｔｏｎ、η＝０．８８、ｈ＝１５ｍ、Ｖ１＝１ｍ／ｓとすると、左項は５０１３、右項は４となる。従って総電力量は巻上げ速度に依存しないことがわかる。よって、吊荷の巻上げ下げ加速度を上げても消費される電力量はほとんど増加することがない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１６】
【特許文献１】特許第４６１６４４７号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
そこで本発明の目的は、消費する電力量を変えずに、吊荷の巻上げ下げの開始から基準速度に達するまでの時間を短縮して、荷役時間を短縮することができ、その短縮した分の港湾荷役機器で消費されるエネルギーを削減する港湾荷役機器の制御方法と、港湾荷役機器を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
上記の問題を解決するための本発明の港湾荷役機器の制御方法は、吊荷を巻上げ下げする電動機を備えた港湾荷役機器の制御方法において、前記電動機が、前記吊荷の荷重に係わらず、吊荷の巻上げ下げの開始から少なくとも予め定めた基準速度までは、前記電動機が出力できる最大のトルクを出力することを特徴とする方法である。
【００１９】
上記の方法によれば、吊荷の荷重に係わらずに電動機の出力することができる最大トルクで、電動機の動作を制御することができる。これにより、従来よりも大きい加速度で吊荷を巻上げ下げすることができるので、荷役時間も短縮することができ、荷役時間が短縮した分で消費される電力を削減することができる。一方、前述した通り電動機の消費する電力は前述の通り、加速度を増加させても略影響を受けない。よって、短縮された荷役時間分で電力を削減するので、港湾荷役機器全体の消費電力を低減することができる。
【００２０】
また、上記の港湾荷役機器の制御方法において、前記電動機が、前記吊荷の荷重に係わらず、前記吊荷の巻き上げ下げの開始から前記基準速度までは、出力トルクが一定で動作する定トルク領域の第１最大トルクを出力し、前記基準速度から前記吊荷の荷重から算出される最大速度までは、速度に反比例して出力トルクが低下する定出力領域の第２最大トルクを出力する。
【００２１】
この方法によれば、基準速度までは定トルク領域を、また、基準速度からは定出力領域を有した出力特性を持つ電動機を、吊荷の荷重に係わらず、定トルク領域で示される第１最大トルクと、定出力領域で示される第２最大トルクを出力可能に制御することができる。特に、従来に比べて、巻上げ下げ速度が基準速度に到達する時間を早くすることと、その時間の間に吊荷を巻上げ下げする距離を伸すことができるため、荷役時間を短縮することができる。
【００２２】
この電動機に、定格荷重を定格速度で巻上げ下げするときに出力１００％となる電動機を選定する場合は、定格トルク領域の第１最大トルクを好ましくは定格トルク以上に、より好ましくは定格トルクの１８０％〜２００％のトルクに設定する。また、基準速度は、任意に設定することができるが、好ましくは定格周波数の定格電圧を与えられた電動機が定格荷重を巻上げ下げする速度である定格速度に設定する。
【００２３】
加えて、上記の港湾荷役機器の制御方法において、少なくとも前記電動機の始動トルクの発生が確立するまで、前記電動機によってワイヤーの巻取りと送出しで前記吊荷を巻上げ下げするドラムの回転を停止機構によって停止する。
【００２４】
通常、電動機の回転数が定格回転数（定格速度）に達成するまでは、Ｖ／ｆ制御（電圧÷周波数＝一定の制御）であり、電動機の始動直後は電圧と周波数が小さく、よって始動トルクも小さい。そこで、周波数が低いときにトルクが小さくなりすぎるため電圧を上げ
てトルクブーストしている。よって、電動機の始動直後から保持用トルクよりも大きい始動トルクが発生するので、吊荷を保持することができる。
【００２５】
この方法によれば、少なくとも電動機の始動トルクの発生が確立するまで、停止機構によって、ドラムの回転を止めることが可能となる。これにより、電動機が動作していないときに吊荷を保持して、吊荷の落下を防ぐことができる。この停止機構によって吊荷を保持するときは、吊荷を吊り具に吊るときや、巻上げ動作から巻下げ動作に移るときである。
【００２６】
加えて、上記の港湾荷役機器の制御方法において、前記吊荷を、前記吊荷の巻上げ下げ開始から前記基準速度までは、前記第１最大トルクによる一定の第１加速度で巻上げ下げし、前記基準速度から前記最大速度までは、前記第２最大トルクと前記吊荷の荷重から算出される保持用トルクとの差分である第２トルクを、予め定めた一定時間毎に算出し、算出した前記第２トルクによる前記一定時間毎に可変する第２加速度で巻上げ下げする。
【００２７】
上記の方法によれば、定トルク領域の最大トルクと、定出力領域の最大トルクから、吊荷を保持するために必要な保持用トルクの差分のトルクを、吊荷の巻上げ下げの加速度に利用することで、より速く吊荷を巻上げ下げすることができる。特に、定出力領域の最大トルクに合わせて、従来では使用していなかった定トルク領域の最大トルクを吊荷の巻上げ下げ加速度に利用することで、より速く基準速度に達することができる。そのため、港湾荷役機器を短縮することができ、港湾荷役機器が消費する電力量を低減することができる。
【００２８】
さらに、上記の港湾荷役機器の制御方法において、前記基準速度に達するまでの間に、前記荷重の値を取得し、前記荷重から前記最大速度を算出する。
【００２９】
この方法によれば、吊り具に吊荷を吊してから電動機が始動するまでの間、又は、電動機が始動して基準速度に達するまでの定トルク領域で動作する間に、吊荷の荷重を算出することができる。基準速度に到達するまでは、吊荷の荷重によらず、全トルクを利用している。つまり、吊荷を保持するトルク以外のトルクを全て吊荷の巻上げ下げする加速度に利用することになるため、吊荷の巻上げ下げを開始するときに荷重を算出して、保持に必要な保持用トルクを算出することは必要がない。そこで、定出力領域に入るまでの間に、加速度を算出する際に必要な吊荷の荷重と荷重別の最大速度を、定トルク領域で動作している間に算出することができる。
【００３０】
上記の問題を解決するための本発明の港湾荷役機器は、吊荷を巻上げ下げする電動機を備えた港湾荷役機器において、前記電動機を、前記吊荷の荷重に係わらず、吊荷の巻上げ下げの開始から少なくとも予め定めた基準速度までは、前記電動機が出力できる最大のトルクを出力可能に制御する制御装置を備えて構成される。
【００３１】
また、上記の港湾荷役機器において、前記制御装置が、前記電動機に、前記吊荷の荷重に係わらず、前記吊荷の巻き上げ下げの開始から前記基準速度までは、出力トルクが一定で動作する定トルク領域の第１最大トルクを出力させる手段と、前記基準速度から前記吊荷の荷重から算出される最大速度までは、速度に反比例して出力トルクが低下する定出力領域の第２最大トルクを出力させる手段とを備える。
【００３２】
上記の構成によれば、特に、基準速度までに達するまでに電動機が定トルク領域の第１最大トルクを出力することにより、基準速度に達するまでの時間を早くすると共に、その時間の間に進む距離を伸ばすことができるため、荷役時間を短縮することができる。そのため、その短縮した分の消費電力を抑えることができる。
【００３３】
また、上記の港湾荷役機器において、前記電動機によってワイヤーの巻取りと送出しで前記吊荷を巻上げ下げするドラムの回転を停止する停止機構を備え、前記制御装置に、少なくとも前記電動機の始動トルクの発生が確立するまで、前記ドラムの回転を停止するように前記停止機構を制御する手段を備える。
【００３４】
この構成によれば、電動機の始動トルクの発生が確立するまで、停止機構によって、ドラムの回転を停止することができる。そのため、荷役を保持することができる。
【００３５】
加えて、上記の港湾荷役機器において、前記制御装置が、前記第１最大トルクの値を算出する手段と、前記第２最大トルクの値を算出する手段と、前記第２最大トルクと前記吊荷の荷重から算出される保持用トルクとの差分の第２トルクの値を予め定めた一定時間毎に算出する手段とを備えると共に、前記吊荷の巻上げ下げの開始から前記基準速度までは、前記第１最大トルクによる第１加速度で前記吊荷を巻上げ下げする手段と、前記基準速度から前記最大速度までは、前記第２トルクによる前記一定時間毎に変化する第２加速度で前記吊荷を巻上げ下げする手段を備える。
【００３６】
この構成によれば、基準速度までの第１加速度と、基準速度から最大速度までの第２加速度が、従来の加速度よりも大きくなる。これにより、吊荷の荷重から算出される最大速度にも速く達するので、荷役時間を短縮することができる。
【００３７】
さらに、上記の港湾荷役機器において、前記基準速度に達するまでの間に、前記吊荷の荷重の値を取得する手段と、前記荷重から前記最大速度を算出する手段とを備える。
【００３８】
この構成によれば、吊荷の荷重とその保持用トルクとその最大速度を必要な定出力領域になるまでに、荷重を取得し、最大速度を算出することができる。荷重を取得する手段は、一定加速運転中にモータ電流と速度を計測することで取得する手段や、クレーンに取り付けたロードセルによって吊荷の荷重を計測する手段を用いる。また、荷役前に予め吊荷の荷重を取得し、制御装置に入力しておく手段も用いることができる。取得された荷重と、電動機の出力特性の定出力領域との関係から電動機の最大巻上げ下げ回転数を決め、最大速度を算出することができる。
【発明の効果】
【００３９】
本発明によれば、消費する電力量を変えずに、吊荷の巻上げ下げの開始から基準速度に達するまでの時間を短縮して、荷役時間を短縮することができ、その短縮した分の港湾荷役機器で消費されるエネルギーを削減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明に係る第１の実施の形態のクレーンを示した概略図である。
【図２】図１のモータのトルク特性を示した図である。
【図３】本発明に係る第１の実施の形態のクレーンの制御方法を示したフローチャートである。
【図４】本発明に係る第２の実施の形態のクレーンを示した概略図である。
【図５】本発明に係る第２の実施の形態のクレーンの制御方法を示したフローチャートである。
【図６】本発明に係る第１の実施の形態のクレーンの巻上げ速度と時間を示した図である。
【図７】従来のクレーンを示した側面図である。
【図８】従来のクレーンの電動機のトルク特性を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００４１】
以下、本発明に係る実施の形態の港湾荷役機器の制御方法と港湾荷役機器について、図面を参照しながら説明する。なお、従来と同一の構成及び動作については同一の符号を用いて、その説明を省略する。また、本発明に係る実施の形態の港湾荷役機器として、コンテナ船との荷の積み卸しを行う岸壁クレーン（以下、クレーンという）を例として説明するが、本発明に係る実施の形態の港湾荷役機器はクレーンに限定しない。電動機を用いて吊荷を巻上げ下げする港湾荷役機器であればよく、例えば、岸壁クレーン、門型のヤードクレーン、ゴライアスクレーン、ジブクレーン、タワークレーン、アンローダークレーン、天井クレーン、及びストラドルキャリアなどの港湾荷役機器に適用することができる。
【００４２】
本発明に係る第１の実施の形態のクレーン１０は、図７に示した従来のクレーンの構成に加えて、図１の概略図に示すように、機械室１６に、制御装置２０、インバータ２１、モータ（電動機）２２、減速機２３、ブレーキ（停止機構）２４、ドラム２５、及び速度センサ２６を備える。また、運転室１３に運転装置２７を備える。
【００４３】
コンテナなどの吊荷を荷役する際に、運転室１３に搭乗した運転手が運転装置２６を操作する。その操作信号を制御装置２０が受け取り、インバータ２１を介してモータ２２が回転する。そのモータ２２の回転によって、ドラム２４がワイヤーを巻取り又は送り出してトロリの横行及び吊り具の巻上げ下げを行う。
【００４４】
インバータ２１は一般的なインバータを用いることができるが、好ましくはモータ２２を基準速度に達成するまではＶ／ｆ制御、基準速度からはベクトル制御することができるベクトル制御インバータがよい。Ｖ／ｆ制御とは、電圧と周波数の比が一定の制御方法である。一方、ベクトル制御とはモータ２２のトルクをモータ２２に流れる電流を励磁電流と負荷電流に分解し、位相を考慮して、電圧及び周波数を制御する手法である。このベクトル制御インバータは、負荷や回転数の急変時にもトルクの乱れがなく、安定して動作するので、モータ２２の出力トルクを制御して、巻上げ下げ速度を制御することができる。
【００４５】
ブレーキ２４はモータ２２からの動力によって回転するドラム２５の回転を停止することができる装置である。このブレーキ２４には、ドラムブレーキ、バンドブレーキ、ディスクブレーキ、メカニカルブレーキ、又は過電流ブレーキなどを用いることができる。また、このブレーキ２４を運転装置２７の操作と連動させると共に、制御装置２０によって制御する。
【００４６】
速度センサ２６は、ＭＲ素子（磁気抵抗素子）から形成され、ドラム２５の回転角度を検出するセンサである。この速度センサ２６の構成は上記に限らず、制御装置２０がモータ２２の回転数Ｒ１及び速度Ｖ１を算出することができるようなデータを取得できる構成であればよい。
【００４７】
モータ２２の出力特性について説明する。本発明において、特にモータの種類は限定しないが、好ましくは、インバータ専用定トルクモータで、センサレスベクトル制御によって制御されるモータがよい。
【００４８】
このモータ２２の使用できるトルクと回転数との関係を図２に示す。
【００４９】
実際に使用する場合は、図２に示すように、このモータ２２は、基準回転数Ｒ０（基準速度Ｖ０の回転数）を有し、その基準回転数Ｒ０を境界線にして、トルクが一定の定トルク領域Ａ２と、トルクが回転数（速度）に反比例で、出力が一定の定出力領域Ａ３とを備える。また、定トルク領域Ａ２の最大値を第１最大トルクＴｍとし、定出力領域Ａ３の最大値を、回転数に反比例する第２最大トルクＴｖとする。加えて、基準速度Ｖ０は、任意
に設定することができるが、モータ２２を安全に動作せるために、定格速度に設定することが好ましい。
【００５０】
このモータ２２は、インバータ２１から送られる電流の周波数と電圧が低いときに、始動トルクは小さい。モータ２２の回転数が基準回転数Ｒ０（基準速度Ｖ０）になるまでは、前述したようにＶ／ｆ制御され、周波数と電圧が一定で大きくなる。その始動トルクが小さくて、実際に利用できないため、電圧を一時的に大きくして、トルクをブーストする。これがトルクブーストである。これにより、モータ２２が始動直後に、吊荷を保持する保持用トルク以上のトルクが発生することになる。
【００５１】
ここで、巻上げ下げするコンテナを、荷重Ｗ１を有するコンテナＣ１とする。荷重Ｗ１は定格荷重よりも軽い荷重とする。このコンテナＣ１を保持するために必要なトルクを保持用トルクＴｗとし、コンテナＣ１を巻上げ下げする実際の速度を速度Ｖ１とし、巻上げ下げの最大速度を最大速度Ｖｍａｘとする。また、実際の速度Ｖ１のときの実際の回転数をＲ１とする。加えて、コンテナＣ１を巻上げ下げする実際のトルクをトルクＴ１とする。
【００５２】
本発明の第１の実施の形態のクレーン１０のモータ２２は、定トルク領域Ａ２内に、第１保持用トルク領域３１ａと第１トルク領域３２ａとを備え、定出力領域Ａ３内に、第２保持用トルク領域３１ｂと第２トルク領域３２ｂとを備える。
【００５３】
第１保持用トルク領域３１ａと第２保持用トルク領域３１ｂは、各領域Ａ２及びＡ３内の保持用トルクＴｗを示した領域である。第１トルク領域３２ａは、定トルク領域Ａ２で示される最大トルクである第１最大トルクＴｍと、保持用トルクＴｗとの差分の第１トルクを示す領域である。第２トルク領域３２ｂは、定出力領域Ａ３で示される最大トルクである第２最大トルクＴｖと、保持用トルクＴｗとの差分の第２トルクを示す領域である。
【００５４】
従って、モータ２２がコンテナＣ１を巻上げ下げする際に使用されるトルク領域は、定トルク領域Ａ２内では、第１保持用トルク領域３１ａと第１トルク領域３２ａであり、定出力領域Ａ３内では、第２保持用トルク領域３１ｂと第２トルク領域３２ｂである。
【００５５】
定トルク領域Ａ２の最大のトルクである第１最大トルクＴｍを、好ましくは定格トルクＴ０以上、より好ましくは定格トルクＴ０の１８０％〜２００％に設定する。
【００５６】
上記のクレーン１０の巻上げ下げ開始から基準速度Ｖ０に達するまでの動作を説明する。コンテナＣ１を巻上げ下げする場合、スプレッダ１４を巻下げ、着床を確認する。この着床の確認はスプレッダ１４がコンテナＣ１に置かれたことをリミットスイッチ（図示しない）で行う。次に、巻下げ動作を停止して、ブレーキ２４を閉じる。ブレーキ２４が閉じ、ドラム２５の回転が停止されると、スプレッダ１４がツイストロック（図示しない）によりコンテナＣ１を固定する。
【００５７】
そしてインバータ２１からモータ２２へ電力を供給する。そして、モータ２２の始動トルクの発生が確立できると、ブレーキ２４を開き、ドラム２５を回転させる。これにより、コンテナＣ１の巻上げ下げを開始する。
【００５８】
巻上げ下げ開始から定格速度Ｖ０に到達するまでは、インバータ２１がモータ２２をＶ／ｆ制御して、コンテナＣ１の荷重に係わらず（ここではコンテナＣ１の荷重Ｗ１）、第１最大トルクＴｍでコンテナＣ１を巻上げ下げする。つまり、コンテナＣ１を巻上げ下げする実際のトルクＴ１が第１最大トルクＴｍとなる。このときの加速度は、第１トルク領域３２ａで定められる第１トルクから求めることができる。コンテナＣ１を保持する保持
用トルクＴｗは第１保持用トルク領域３１ａで確保されるため、コンテナＣ１の巻上げ下げの途中で、コンテナＣ１が落下するなどの危険がない。
【００５９】
上記の動作によれば、定トルク領域Ａ２内では、第１最大トルクＴｍでコンテナＣ１を巻上げ下げすることができ、従来のクレーンに比べて基準速度Ｖ０に到達するまでの時間を短縮することができるため、荷役時間を短縮することができる。そのため、その短縮した分で消費される電力を削減することができるため、省エネルギー化することができる。
【００６０】
また、吊荷の荷重に係わらずに第１最大トルクＴｍで巻上げ下げするため、複雑な計測や計算を必要とすることがない。
【００６１】
次に図３に示すように、本発明の第１の実施の形態のクレーン１０の制御方法Ｓ１を説明する。また、この制御方法は、吊荷を巻上げ下げ、加速運転及び減速運転共に共通した制御方法である。よって、ここではコンテナＣ１を巻上げる際の制御方法Ｓ１として説明する。
【００６２】
荷役が開始されると、スプレッダ１４を巻き下げるステップＳ２を行う。次にスプレッダ１４がコンテナＣ１に着床したか否かを判断するステップＳ３を行う。ステップＳ３では、スプレッダ１４に設けたリミットスイッチ（図示しない）で着床を確認している。ステップＳ３で着床が確認されると、次に、スプレッダ１４の巻下げを停止するステップＳ４を行う。そして、ブレーキ２４を閉じて、ドラム２３の回転を停止するステップＳ５を行う。ドラムの回転が停止するとスプレッダ１４にコンテナＣ１を吊すステップＳ６を行う。このときスプレッダ１４のツイストロック（図示しない）でコンテナＣ１を固定する。
【００６３】
次に、インバータ２１からモータ２２に電力の供給を開始するステップＳ７を行う。このときインバータ２１は、電圧と周波数の比が一定のＶ／ｆ制御を行うが、電圧と周波数が小さいと始動トルクが定格トルクＴ０よりも小さくなってしまうため、電圧のみを大きくするトルクブーストを行う。これにより、モータ２２の始動からコンテナＣ１を保持するトルクを得ることができる。
【００６４】
次に、モータ２２の始動トルクの発生が確立したか否かを判断するステップＳ８行う。始動トルクが発生していない場合は、再度ステップＳ７へと戻る。始動トルクの発生が確立されると、ブレーキ２４を開いて、ドラムの回転を開始するステップＳ９を行う。
【００６５】
次に、モータ２２は吊荷の荷重（ここではコンテナＣ１の荷重Ｗ１）に係わらず、定トルク領域Ａ２で示される最大のトルクである第１最大トルクＴｍで巻上げするステップＳ１０を行う。このステップＳ１０ではコンテナＣ１の荷重Ｗ１などを計測する必要がなく、また、第１最大トルクＴｍが保持用トルクＴｗよりも大きいため、保持用トルクＴｗを算出する必要がない。荷役開始と同時に、モータ２２のトルクを第１最大トルクＴｍに設定し、コンテナＣ１を巻上げていく。
【００６６】
ここで、ステップＳ１０でコンテナＣ１を巻上げ下げする第１加速度は、第１最大トルクＴｍと保持用トルクＴｗの差分の第１トルクにより求めることができる。この第１加速度は略一定の値となる。このステップＳ１０でも、インバータ２１はＶ／ｆ制御を行い、モータ２２を第１最大トルクＴｍで動作するように制御している。
【００６７】
次に、コンテナＣ１の荷重Ｗ１を算出した否かを判断するステップＳ１１を行う。これまでコンテナＣ１の荷重Ｗ１が算出されていないので、次のコンテナＣ１の荷重Ｗ１を取得するステップＳ１２を行う。ステップＳ１２はモータ２２に流れる電流をインバータ２
１で計測し、ドラム２３の回転を計測する速度センサ２５で速度Ｖ１を計測し、それら電流と速度Ｖ１から荷重Ｗ１を算出するステップである。
【００６８】
コンテナＣ１の荷重Ｗ１を取得すると、次は、コンテナＣ１の巻上げの最大速度Ｖｍａｘを算出するステップＳ１３を行う。モータ２２の出力特性は予め制御装置２０に記憶されており、取得した荷重Ｗ１とその出力特性（図２参照）を用いて、最大速度Ｖｍａｘを算出する。このステップＳ１２の荷重の取得方法は上記の方法に限定せず、例えば、クレーン１で荷役する前に取得したデータを用いる方法でもよい。また、ステップＳ１３の最大速度を算出する方法も上記の方法に限定しない。
【００６９】
次に、コンテナＣ１の巻上げ速度Ｖ１が基準速度Ｖ０に達したか否かを判断するステップＳ１４を行う。基準速度Ｖ０に達していない場合は再度ステップＳ１０へと戻る。速度Ｖ１が基準速度Ｖ０に達した場合は、定出力領域Ａ３の速度Ｖ１に反比例する最大トルクである第２最大トルクＴｖを算出するステップＳ１５を行う。このステップＳ１５からは、インバータ２１はベクトル制御を行う。ベクトル制御とは、モータ２２に流れる電流と電圧の位相角から、トルクと回転数を推定し、それに基づいて電圧と周波数を変化させ、目的のトルクと回転数を得る制御方法である。これはモータ２２などの電動機が回転数を上げるほど内部抵抗が増え、電流を励磁電流と負荷電流に分解して制御しなければならないからである。このベクトル制御は速度センサを用いる制御方法であるが、速度センサを用いずに制御するセンサレスベクトル制御でもよい。また、ベクトル制御に換えて、すべり周波数制御を用いることもできる。
【００７０】
このステップＳ１５の第２最大トルクＴｖを算出する方法は、その時点の速度Ｖ１から、モータ２２の出力特性から算出する方法や、前述のインバータ２１のベクトル制御から推定する方法などを用いることができる。第２最大トルクＴｖは、速度Ｖ１に反比例するため、ステップＳ１５は速度Ｖ１が変化する度に算出される第２最大トルクＴｖの値が異なる。このステップＳ１５から後述するステップＳ１７までが一定単位時間毎に行われ、その都度、第２最大トルクＴｖを算出する。
【００７１】
第２最大トルクＴｖが算出されると、次に第２最大トルクＴｖでコンテナＣ１を巻上げするステップＳ１６を行う。ステップＳ１５で算出した可変トルクＴｖと、ステップＳ１２で取得した荷重Ｗ１から算出した保持用トルクＴｗの差分の第２トルクを算出する。その算出した第２トルクによりコンテナＣ１を可変の第２加速度で巻上げ下げする。
【００７２】
ここで、定出力領域Ａ２で加速する場合は保持用トルクＴｗと、加速する第２トルク（第２最大トルクＴｖと保持用トルクＴｗの差分トルク）の和がモータ２２の最大出力（第２最大トルクＴｖ）を超えなければよいため下記の数式２〜５で表すことができ、第２加速度をアクティブに制御することができる。現在の巻上げ速度をＶ１（ｍ／ｓ）、荷重をＷ１（ｔｏｎ）、慣性モーメントをΣＧＤ２、定格速度をＶ０（ｍ／ｓ）、定格モータ回転数をＮ０（ｒｐｍ）、機械効率をη、回転数と速度との比をαとする。また、定出力領域Ａ２の一定の出力をＰｍａｘとする。数式２を巻上げ加速度、数式３を巻上げ減速度、数式４を巻下げ加速度、数式５を巻下げ減速度とする。
【数２】
【数３】
【数４】
【数５】
【００７３】
次に一定期間、例えば１０ｍｓ〜１００ｍｓ間後に、速度Ｖ１が最大速度Ｖｍａｘに到達しているか否かを判別するステップＳ１７を行う。ステップＳ１７で速度Ｖ１が最大速度Ｖｍａｘ未満であれば、ステップＳ１５へ戻り、再度そのときの速度Ｖ１から第２最大トルクＴｖを算出し、ステップＳ１６を行う。この繰返しは速度Ｖ１が最大速度Ｖｍａｘに到達するまで行う。
【００７４】
速度Ｖ１が最大速度Ｖｍａｘに到達すると、次に最大速度Ｖｍａｘで巻上げるステップＳ１８を行う。次に、コンテナＣ１を巻上げる目標の高さ（コンテナＣ１の実際の巻上げ高さから、巻上げ減速動作で巻上げる高さを差し引いた高さ）に達したか否かを判断するステップＳ１９を行う。ステップＳ１９で目標の高さに達したと判断されると、次に巻上げを停止するステップＳ２０を行い。次にブレーキ２４を閉じてドラム２５の回転を停止するステップＳ２１を行い制御は完了する。
【００７５】
上記のクレーン１０の制御方法Ｓ１によれば、コンテナＣ１を巻上げ下げするときに、
モータ２２の定トルク領域Ａ２で定められる最大トルクである第１最大トルクＴｍと保持用トルクＴｗの差分の第１トルクで基準速度Ｖ０まで一定の第１加速度で巻上げ下げし、定出力領域Ａ３で定められる最大トルクである第２最大トルクＴｖと保持用トルクＴｗの差分の第２トルクで基準速度Ｖ０から最大速度Ｖｍａｘまで可変の第２加速度で巻上げ下げすることができるため、荷役時間を短縮することができる。よって、クレーン１０が消費する電力を荷役時間が短縮した分だけ削減することができる。
【００７６】
特に巻上げ下げの開始から基準速度Ｖ０までは、コンテナＣ１の荷重Ｗ１に係わらずに第１最大トルクＴｍで巻上げ下げを行うため、複雑な制御を行わずに、基準速度Ｖ０に達する時間を短縮すると共に、その時間の間に巻上げ下げする距離も長くすることができる。
【００７７】
また、モータ２２の始動トルクの発生が確立されるまで、つまり、モータ２２が始動するまでや、モータ２２の巻上げ下げ動作の切り替わるときには、ブレーキ２４によって、ドラム２５の回転を停止することにより、コンテナＣ１を保持することができる。モータ２２が始動するとトルクブーストによりコンテナＣ１の保持に必要なトルクを発生させることができる。
【００７８】
次に本発明の第２の実施の形態のクレーン２０について図４を参照しながら説明する。クレーン２０は、図１で示した本発明の第１の実施の形態のクレーン１０のスプレッダ１４に、ロードセル２８を備える。その他の構成は同様である。このロードセル２８は荷重や力を電気信号に変換するセンサであり、好ましくは、引張型のＳ字型ロードセルなどを用いる。ロードセル２８は前述の制御方法Ｓ１において使用することもでき、制御方法Ｓ１のステップＳ１２で、コンテナＣ１の荷重Ｗ１を取得することができる。
【００７９】
上記の構成によれば、コンテナＣ１の荷重Ｗ１を取得するためにロードセル２８を用いることで、より速く精密に測定することができる。また、ロードセル２８は他のセンサに比べてコストが安く寿命が長いため、クレーン１０の製造コストを下げることができる。
【００８０】
次に、前述した図４の制御方法Ｓ１とは異なる、クレーン２０の制御方法Ｓ３０を、図５を参照しながら説明する。ステップＳ３１からステップＳ３５までは、前述した制御方法Ｓ１と同じ制御である。次に、コンテナＣ１の荷重Ｗ１を取得するステップＳ３６を行う。ステップＳ３６はロードセル２８で荷重Ｗ１を算出するステップである。コンテナＣ１の荷重Ｗ１をロードセル２８で取得すると、次は、コンテナＣ１の巻上げの最大速度Ｖｍａｘを算出するステップＳ３７を行う。この最大速度Ｖｍａｘの算出方法は前述の制御方法Ｓ１と同様である。
【００８１】
以降、ステップＳ３８〜ステップＳ５０までは前述した制御方法Ｓ１と同様である。
【００８２】
上記のクレーン２０の制御方法Ｓ３０によれば、コンテナＣ１を巻上げる前にコンテナＣ１の荷重Ｗ１を計測することができる。そのため、モータ２２が始動してからは、モータ２２の制御のみを行えばよいため、制御を単純化することができる。
【００８３】
図６は、本発明の実施の形態のクレーン１０の制御方法Ｓ１で吊荷を巻上げたときの速度と時間を示した図である。この図６には従来のクレーン１０Ｘで巻上げたときの速度と時間も比較対象として示してある。荷重Ｗ１、最大速度Ｖ１ｍａｘ、基準速度Ｖ０は各クレーンで共通である。実施の形態のクレーン１０の基準速度Ｖ０に達する時間とｔ１とし、最大速度Ｖ１ｍａｘに達する時間をｔ３とし、巻上げ完了した時間をｔ５とする。従来のクレーン１０Ｘの基準速度Ｖ０に達する時間をｔ２とし、最大速度Ｖ１ｍａｘに達する時間をｔ４とし、巻上げ完了した時間をｔ６とする。
【００８４】
実施の形態のクレーン１０と従来のクレーン１０Ｘの最大速度Ｖ１ｍａｘは同一であるが、実施の形態のクレーン１０の方が最大速度Ｖ１ｍａｘに達する時間ｔ３が速いため、その分だけ完了する時間ｔ５も早くなっていることがわかる。特にクレーン１０は従来のクレーン１０Ｘに比べて基準速度Ｖ０に到達する時間ｔ１が早い。加えて、加速度も大きいため、基準速度Ｖ０に到達した時点での移動距離も長くなる。これは、巻上げ開始から直ぐに第１最大トルクＴｍでコンテナＣ１を巻上げることができるためである。よって従来のクレーン１０Ｘに比べて、より実施の形態のクレーン１０は荷役時間を短縮することができる。
【００８５】
加えて、クレーン１０の巻上げの加速度が巻上げ開始から基準速度Ｖ０まで（０〜ｔ１の区間）は一定の第１加速度を使い、基準速度Ｖ０から最大速度Ｖ１ｍａｘまで（ｔ１〜ｔ３の区間）は可変の第２加速度を使う。この第２加速度の最大値は、第１加速度よりも必ず小さくなる。一方、従来のクレーン１０Ｘの定格速度Ｖ０から最大速度Ｖ１ｍａｘまで（ｔ２〜ｔ４の区間）は、それまでの加速度よりも一時的に大きくなるため、吊荷に衝撃がかかり、安定した巻上げを実現することができない。
【００８６】
吊荷を安全に巻上げ下げするためには、加速度の変化をできるだけ緩やかに制御することが好ましく、本発明のクレーン１０及びクレーン２０は巻上げ開始から一定に第１加速度で加速して、基準速度Ｖ０からは、第１加速度から徐々に小さくなる第２加速度で行うため、加速度の変化を緩やかにすることができる。そのため、吊荷の巻上げ下げを安全に行うことができる。
【００８７】
上記の制御方法Ｓ１及びＳ２は、クレーン１０及び２０の巻上げ下げ動作に限らず、トロリ１２の横行動作にも用いることができる。また、クレーン１０及び２０に限らず、動作させる対象物の荷重によって出力を変動する電動機であれば利用することもできる。
【産業上の利用可能性】
【００８８】
本発明の港湾荷役機器は、消費電力する電力量を変えずに、荷役時間を短縮することができ、その短縮した分の荷役機器が消費するエネルギーを削減することができる。そのため、消費エネルギーの少ない港湾荷役機器として、岸壁クレーン、門型のヤードクレーン、ゴライアスクレーン、ジブクレーン、タワークレーン、アンローダークレーン、天井クレーン、及びストラドルキャリアなどの港湾荷役機器に用いることができる。
【符号の説明】
【００８９】
１０ クレーン
１１ 桁部
１２ トロリ
１３ 運転室
１４ 吊り具
１５ ワイヤー
１６ 機械室
１７ 搬送台車
２０ 制御装置
２１ インバータ
２２ モータ（電動機）
２３ 減速装置
２４ ブレーキ（停止機構）
２５ ドラム
２６ 速度センサ
２７ 運転装置
２８ ロードセル
Ｇ 岸壁
Ｓ 船舶
Ｃ コンテナ（吊荷）
【特許請求の範囲】
【請求項１】
吊荷を巻上げ下げする電動機を備えた港湾荷役機器の制御方法において、前記電動機が、前記吊荷の荷重に係わらず、吊荷の巻上げ下げの開始から少なくとも予め定めた基準速度までは、前記電動機が出力できる最大のトルクを出力することを特徴とする港湾荷役機器の制御方法。
【請求項２】
前記電動機が、前記吊荷の荷重に係わらず、前記吊荷の巻き上げ下げの開始から前記基準速度までは、出力トルクが一定で動作する定トルク領域の第１最大トルクを出力し、前記基準速度から前記吊荷の荷重から算出される最大速度までは、速度に反比例して出力トルクが低下する定出力領域の第２最大トルクを出力することを特徴とする請求項１に記載の港湾荷役機器の制御方法。
【請求項３】
少なくとも前記電動機の始動トルクの発生が確立するまで、前記電動機によってワイヤーの巻取りと送出しで前記吊荷を巻上げ下げするドラムの回転を停止機構によって停止することを特徴とする請求項１又は２に記載の港湾荷役機器の制御方法。
【請求項４】
前記吊荷を、前記吊荷の巻上げ下げ開始から前記基準速度までは、前記第１最大トルクによる一定の第１加速度で巻上げ下げし、
前記基準速度から前記最大速度までは、前記第２最大トルクと前記吊荷の荷重から算出される保持用トルクとの差分である第２トルクを、予め定めた一定時間毎に算出し、算出した前記第２トルクによる前記一定時間毎に可変する第２加速度で巻上げ下げすることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の港湾荷役機器の制御方法。
【請求項５】
前記基準速度に達するまでの間に、前記荷重の値を取得し、前記荷重から前記最大速度を算出することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の港湾荷役機器の制御方法。
【請求項６】
吊荷を巻上げ下げする電動機を備えた港湾荷役機器において、前記電動機を、前記吊荷の荷重に係わらず、吊荷の巻上げ下げの開始から少なくとも予め定めた基準速度までは、前記電動機が出力できる最大のトルクを出力可能に制御する制御装置を備えることを特徴とする港湾荷役機器。
【請求項７】
前記制御装置が、前記電動機に、前記吊荷の荷重に係わらず、前記吊荷の巻き上げ下げの開始から前記基準速度までは、出力トルクが一定で動作する定トルク領域の第１最大トルクを出力させる手段と、前記基準速度から前記吊荷の荷重から算出される最大速度までは、速度に反比例して出力トルクが低下する定出力領域の第２最大トルクを出力させる手段とを備えることを特徴とする請求項６に記載の港湾荷役機器の制御方法。
【請求項８】
前記電動機によってワイヤーの巻取りと送出しで前記吊荷を巻上げ下げするドラムの回転を停止する停止機構を備え、前記制御装置が、少なくとも前記電動機の始動トルクの発生が確立するまで、前記ドラムの回転を停止するように前記停止機構を制御する手段を備えることを特徴とする請求項６又は７に記載の港湾荷役機器。
【請求項９】
前記制御装置が、前記第１最大トルクの値を算出する手段と、前記第２最大トルクの値を算出する手段と、前記第２最大トルクと前記吊荷の荷重から算出される保持用トルクとの差分の第２トルクの値を予め定めた一定時間毎に算出する手段とを備えると共に、
前記吊荷の巻上げ下げの開始から前記基準速度までは、前記第１最大トルクによる第１加速度で前記吊荷を巻上げ下げする手段と、前記基準速度から前記最大速度までは、前記第２トルクによる前記一定時間毎に変化する第２加速度で前記吊荷を巻上げ下げする手段
を備えることを特徴とする請求項６〜８のいずれか１項に記載の港湾荷役機器。
【請求項１０】
前記基準速度に達するまでの間に、前記吊荷の荷重の値を取得する手段と、前記荷重から前記最大速度を算出する手段とを備えることを特徴とする請求項６〜９のいずれか１項に記載の港湾荷役機器。
【請求項１】
吊荷を巻上げ下げする電動機を備えた港湾荷役機器の制御方法において、前記電動機が、前記吊荷の荷重に係わらず、吊荷の巻上げ下げの開始から少なくとも予め定めた基準速度までは、前記電動機が出力できる最大のトルクを出力することを特徴とする港湾荷役機器の制御方法。
【請求項２】
前記電動機が、前記吊荷の荷重に係わらず、前記吊荷の巻き上げ下げの開始から前記基準速度までは、出力トルクが一定で動作する定トルク領域の第１最大トルクを出力し、前記基準速度から前記吊荷の荷重から算出される最大速度までは、速度に反比例して出力トルクが低下する定出力領域の第２最大トルクを出力することを特徴とする請求項１に記載の港湾荷役機器の制御方法。
【請求項３】
少なくとも前記電動機の始動トルクの発生が確立するまで、前記電動機によってワイヤーの巻取りと送出しで前記吊荷を巻上げ下げするドラムの回転を停止機構によって停止することを特徴とする請求項１又は２に記載の港湾荷役機器の制御方法。
【請求項４】
前記吊荷を、前記吊荷の巻上げ下げ開始から前記基準速度までは、前記第１最大トルクによる一定の第１加速度で巻上げ下げし、
前記基準速度から前記最大速度までは、前記第２最大トルクと前記吊荷の荷重から算出される保持用トルクとの差分である第２トルクを、予め定めた一定時間毎に算出し、算出した前記第２トルクによる前記一定時間毎に可変する第２加速度で巻上げ下げすることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の港湾荷役機器の制御方法。
【請求項５】
前記基準速度に達するまでの間に、前記荷重の値を取得し、前記荷重から前記最大速度を算出することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の港湾荷役機器の制御方法。
【請求項６】
吊荷を巻上げ下げする電動機を備えた港湾荷役機器において、前記電動機を、前記吊荷の荷重に係わらず、吊荷の巻上げ下げの開始から少なくとも予め定めた基準速度までは、前記電動機が出力できる最大のトルクを出力可能に制御する制御装置を備えることを特徴とする港湾荷役機器。
【請求項７】
前記制御装置が、前記電動機に、前記吊荷の荷重に係わらず、前記吊荷の巻き上げ下げの開始から前記基準速度までは、出力トルクが一定で動作する定トルク領域の第１最大トルクを出力させる手段と、前記基準速度から前記吊荷の荷重から算出される最大速度までは、速度に反比例して出力トルクが低下する定出力領域の第２最大トルクを出力させる手段とを備えることを特徴とする請求項６に記載の港湾荷役機器の制御方法。
【請求項８】
前記電動機によってワイヤーの巻取りと送出しで前記吊荷を巻上げ下げするドラムの回転を停止する停止機構を備え、前記制御装置が、少なくとも前記電動機の始動トルクの発生が確立するまで、前記ドラムの回転を停止するように前記停止機構を制御する手段を備えることを特徴とする請求項６又は７に記載の港湾荷役機器。
【請求項９】
前記制御装置が、前記第１最大トルクの値を算出する手段と、前記第２最大トルクの値を算出する手段と、前記第２最大トルクと前記吊荷の荷重から算出される保持用トルクとの差分の第２トルクの値を予め定めた一定時間毎に算出する手段とを備えると共に、
前記吊荷の巻上げ下げの開始から前記基準速度までは、前記第１最大トルクによる第１加速度で前記吊荷を巻上げ下げする手段と、前記基準速度から前記最大速度までは、前記第２トルクによる前記一定時間毎に変化する第２加速度で前記吊荷を巻上げ下げする手段
を備えることを特徴とする請求項６〜８のいずれか１項に記載の港湾荷役機器。
【請求項１０】
前記基準速度に達するまでの間に、前記吊荷の荷重の値を取得する手段と、前記荷重から前記最大速度を算出する手段とを備えることを特徴とする請求項６〜９のいずれか１項に記載の港湾荷役機器。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１３−１８６４１（Ｐ２０１３−１８６４１Ａ）
【公開日】平成２５年１月３１日（２０１３．１．３１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１５５６１７（Ｐ２０１１−１５５６１７）
【出願日】平成２３年７月１４日（２０１１．７．１４）
【出願人】（０００００５９０２）三井造船株式会社 (1,723)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年１月３１日（２０１３．１．３１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年７月１４日（２０１１．７．１４）
【出願人】（０００００５９０２）三井造船株式会社 (1,723)
【Ｆターム（参考）】
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