JP5412842B2 - クレーンシステム及びその制御方法 - Google Patents
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このように、従来のエンジン発電機を用いた車両やクレーンシステムでは、モータへの入力電力の平均値に応じた制御をしたり、目標電力を更新したり、レスポンス不良やエネルギー損失を小さくするために蓄電装置を利用したりするのである。
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、しかもエンジン回転数が必要回転数になるまでのタイムラグによるレスポンス不良やエネルギー損失といった犠牲を払うことなく、エンジンの効率化、排出ガス低減も実現可能な蓄電装置を不要としたクレーンシステム及びそのエンジン発電機の制御方法を提供することを目的とする。
請求項1に記載の発明は、交流電力を発電するエンジン発電機と、前記交流電力を直流電力に変換する変換器と、前記直流電力を交流に変換してモータを駆動する駆動用インバータと、前記駆動用インバータ及び前記エンジン発電機を制御するコントローラと、吊荷の状態を検出するクレーン状態検出器を備えたクレーンシステムであって、前記コントローラは、前記モータの動作状態及び前記吊荷が吊られているロープの弛みを含む前記吊荷の状態を用いて次動作の消費電力を予測し、前記予測した消費電力に基づき前記エンジン発電機の回転数指令を決定するようにしたのである。
また、請求項2に記載の発明は、請求項1に記載のクレーンシステムであって、前記コントローラは、前記モータの停止状態では前記ロープの弛み具合により、前記エンジン発電機の回転数指令を決定するようにしたのである。
また、請求項4に記載の発明は、請求項1乃至3のいずれか1項に記載のクレーンシステムであって、前記クレーン状態検出器は、前記吊荷が吊られているのか否かを検出し、 前記コントローラは、前記モータの停止状態で、前記吊荷が吊られている状態のときは、前記モータの減速停止動作直前の前記駆動用インバータのトルク指令の値を用い、前記エンジン発電機の回転数指令を決定するようにしたのである。
また、請求項8に記載の発明は、請求項1乃至7のいずれか1項に記載のクレーンシステムであって、前記変換器は、前記エンジン発電機が発電する交流電力を直流電力に変換するダイオード整流器にしたのである。
請求項10に記載の発明は、交流電力を発電するエンジン発電機と、前記交流電力を電力供給源としてモータを駆動する駆動用インバータと、前記駆動用インバータ及び前記エンジン発電機を制御するコントローラと、吊荷の状態を検出するクレーン状態検出器を備えたクレーンシステムの制御方法であって、前記コントローラは、前記モータの動作状態及び前記吊荷が吊られているロープの弛みを含む前記吊荷の状態を用いて次動作の消費電力を予測するステップと、前記予測した消費電力に基づき前記エンジン発電機の回転数指令を決定するステップとを実行するものである。
また、請求項11に記載の発明は、請求項10に記載のクレーンシステムの制御方法であって、前記次動作の消費電力を予測するステップでは、前記吊荷の吊荷有無判断を行うステップと、前記吊荷の吊荷接地判断を行うステップと、前記吊荷のロープ弛み判断を行うステップと、前記吊荷の巻上位置判断を行うステップと、前記モータの運転状態判断を行うステップと、を実行するものである。
図1に示すように、クレーンシステム100は、エンジン発電機5と、ダイオード整流器7と、DC/DCコンバータ8と、駆動用インバータ20、駆動用モータ30、補機用インバータ25、制動ユニット11、制動抵抗12、コントローラ13、クレーン操作器具14、クレーン状態検出器15とから構成されている。
ダイオード整流器7は、発電機2で発電した3相交流電力を直流電力に整流し、DC/DCコンバータ8は、直流電力の電圧を所定の電圧(例えば600V)に変換し、駆動用インバータ20、補機用インバータ25へ供給する。なお、エンジン1の回転数が固定であるクレーンシステムでは、直流電圧の大きさを変換するDC/DCコンバータ8は不要である。
補機用インバータ25は補機電力供給用のインバータであり、図示していないが照明設備、空調設備等へ電力を供給している。
コントローラ13は、駆動用インバータ20に運転指令と速度指令を、ECU(エンジンコントロールユニット)3にエンジン回転数指令を送出し、また、駆動用インバータ20や補機設備の運転準備信号である主幹信号も制御する。さらに、コントローラ13は、搬送距離が制限される巻上と横行について、巻上用モータ31と横行用モータ32の回転速度を速度検出器で検出して検出された速度信号を積分して現在位置の演算もしている。
クレーン状態検出器15は、近接センサとロードセルを備え、近接センサはコンテナの所持・非所持(つまり、吊荷の有無)の検出、コンテナやスプレッダが地面もしくは下面のコンテナに接地しているか否かの接地・非接地(つまり、吊荷の状態)の検出を行う。ロードセルは、スプレッダを吊るロープが弛んでいるか否かの検出を行う。これらの検出信号は、コントローラ13へ送出される。なお、ロープの弛み検出は、コンテナの接地検出後に更に巻下運転し、接地検出してからの巻上位置からの変位量で判断しても良い。
本発明を実施するクレーンシステムでは、所定レートで加速した際のトルク指令の大きさで駆動用インバータ20の速度指令を制限するようになっている。図2は、巻上用インバータ21でのトルク指令と速度制限値の関係を示したものである。図における横軸は、所定の加速レートで加速しているときの平均トルク指令としている。駆動用インバータ20、モータ30で消費される電力は、モータトルクとモータ回転数の積で計算できるので、トルク指令の値で速度指令を制限することで、巻上用インバータ21は消費電力を制限できるようになっている。
図3からわかるように、巻上において荷無し時と吊荷最大時で所要電力直線の傾きが大きく異なり、任意の吊荷の場合には直線U1と直線U2の間の傾きを持つことになる。エンジン1は、この電力供給可能曲線Xの傾きよりも小さくなる消費電力の場合は、巻上開始でエンジン1の回転数を最大回転数へ変化させれば電力供給は出来るが、直線Xを超えるところでは消費電力の全てをエンジン1のみで供給するということはできない。
なお、図3には走行、横行での消費電力についても記載しているが、必要によりエンジン1の回転数を上げれば問題とならないことがわかる。
以上の説明からわかるように、巻上時に電力不足する箇所で事前にエンジン1の回転を上げることができれば、充電装置を不要としたクレーンシステムを構築することができる。
クレーン操作器具14の主幹スイッチにより制御される主幹信号がオフのときは、駆動用インバータ20は動作しないので、補機用インバータ25の動作だけでは、エンジン1による発電電力だけでも電力不足になることはない。
図4は、典型的なクレーンの動作における所要電力を示したタイムチャートである。図4に示す動作は、待機状態から、吊具のみで巻下げ運転してコンテナを掴み、コンテナを所持した状態で巻上運転し、コンテナを保持した状態で横行して、その後にコンテナを所持した状態で巻下げ運転してコンテナを降ろして、吊具のみで巻上運転して、その後に走行運転を行っている。各区間A〜Nにおける動作は、運転条件により下記のようになる。
A区間は主幹信号オフ、B区間は主幹信号オン、C区間は巻下運転(吊具のみ)、D区間はコンテナへ接地、コンテナ非所持から所持へ切替、E区間は巻上運転(コンテナ所持で速度制限状態)、F区間は巻上運転(コンテナ所持)、G区間は横行運転(コンテナ所持)、H区間は巻下運転(コンテナ所持)、I区間はコンテナへ接地、コンテナ所持から非所持へ切替、J区間は巻上運転(吊具のみ)、K区間は吊具のみ待機、L区間は走行運転(吊具のみ)、M区間は作業待機、N区間は主幹信号オフを示している。
このF区間では、D区間でコンテナ所持状態であること、巻上加速状態であること、直前の動作においてコンテナ接地動作があること、E区間で直前の動作においてロープ弛み動作があることで認識することは可能である。
ところが、F区間で荷役作業待機状態(コンテナ所持、ロープが張った状態で停止)では、いつ加速開始されるか不明であるので、エンジン1はE区間中に予めエンジン回転数を例えばエンジンの定格回転数へ上げて待機させることが必要になる。このときは例外的に、上記説明での消費電力に応じたエンジン回転数の制御では対応できない。
また、M区間で作業待機が生じた場合には、クレーン操作者が自分で主幹スイッチを用いて主幹信号をオフしたり、駆動用インバータが一定時間(例えば5分間)動作していないということをコントローラ13に内蔵するプログラムが検出して主幹信号をオフしたりするようにすれば良い。
上記では巻上時のみ考察したが、走行時においては、エンジン1を最低回転数でのみ運転していれば電力供給不足の可能性はあるが、走行開始からエンジン回転数を上げれば何ら問題は発生しない。
エンジン1の回転数指令の決定は、コントローラ13で実施され、その決定にあたっては、まず、下記に説明するパターンA〜Cのいずれかを選択するようになっている。また、決定された回転数指令は、ECU(エンジンコントロールユニット)3へ送出される。
ステップ1は、主幹オンであるか否かを判断して主幹オフであればステップ2へ進み、主幹オンであればステップ3へ進む。
ステップ2では、エンジン回転数指令の決定方法をパターンAとする。
ステップ3は、吊荷ありであるか否かを判断し、吊荷なしであればステップ2へ進み、吊荷ありであればステップ4へ進む。
ステップ5では、主幹オフ指令の処理により主幹信号を強制的にオフし、ステップ1へ進む。
ステップ6は、接地であるか否かを判断し、接地でなければステップ7へ進み、接地であればステップ10へ進む。
ステップ7は、巻上位置が所定位置以上であるか否かを判断し、所定位置以上であればステップ8へ進み、所定位置に満たなければステップ9へ進む。
ステップ9では、エンジン回転数指令の決定方法をパターンCとする。
ステップ10は、ロープが弛んでいるか否かを判断し、ロープ弛みでなければステップ11へ進み、ロープ弛みであればステップ12へ進む。
ステップ11では、エンジン回転数指令の決定方法をパターンBとする。
ステップ13では、エンジン回転数指令の決定方法をパターンBとする。
ステップ14では、エンジン回転数指令の決定方法をパターンAとする。
このようにして、エンジン回転数指令の決定方法としてパターンA〜Cのいずれかを選択する。
パターンAは、図4におけるE、F区間及びF区間後の荷役作業待機状態(ロープが張った状態で停止)のどれにも該当しないので、消費電力に応じたエンジン回転数指令に制御される。
パターンBは、図4におけるE区間に該当するので、次のF区間動作を予測して最大回転数のエンジン回転数指令に制御される。また、パターンBの時には駆動用インバータ20へは速度指令に対し、図2を用いて説明した速度制限を行っている。
パターンCは、図4におけるF区間後の荷役作業待機状態(ロープが張った状態で停止)に該当するので、把握しているコンテナ重量に応じたエンジン回転数指令に制御される。
また、巻上、横行動作が同時に行われる場合についてであるが、通常のクレーンシステムでは走行動作は単独でしか運転できないように制御されていて、図3における横行動作による消費電力をU1直線に加算しても、巻上と横行動作の和による消費電力は電力供給可能曲線Xの傾きよりも小さいので本発明を実施できることは言うまでもない。走行動作も同時に運転される場合があっても、図3のU1直線へ走行時の、あるいは走行時と横行時の和の消費電力を加算した消費電力線を準備しておいて、運転指令の入力状況に応じ新たに準備した消費電力線を用いてエンジン回転数を決定すればよい。
例えば、図6に示すようにダイオード整流器7、DC/DCコンバータ8は、エンジン発電機5が発電する交流電力を直流電力へ変換するPWMコンバータ10で構成するようにしてもよい。
図において、システム管理部40は、荷役スケジュールの管理、コンテナ(吊荷)の搬入・搬出についての作業指示内容(どこからどこへ運搬するのか)、取り扱うコンテナ(吊荷)の認識番号やサイズ、重量などを管理していて、クレーンシステム101内のコントローラ13へ作業内容、コンテナ情報についての情報を送出する。コンテナ情報とは、例えば、クレーンシステム101がヤード内で使用される場合では、ヤード全体で管理されているコンテナ情報が該当し、複数のクレーンに対し1つのシステム管理部で管理されている。
このようにして、エンジンの応答を犠牲とせずに、負荷の電力状態により燃料消費率の低いエンジン回転数でクレーンを動作させることができる。
2 発電機
3 ECU(エンジンコントロールユニット)
4 AVR(自動電圧調節器)
5 エンジン発電機
7 ダイオード整流器
8 DC/DCコンバータ
10 PWMコンバータ
11 制動ユニット
12 制動抵抗
13 コントローラ
14 クレーン操作器具
15 クレーン状態検出器
20 駆動用インバータ
21 巻上用インバータ
22 横行用インバータ
23 走行用インバータ
25 補機用インバータ
30 駆動用モータ
31 巻上用モータ
32 横行用モータ
33 走行用モータ
40 システム管理部
100、101 クレーンシステム
Claims (11)
- 交流電力を発電するエンジン発電機と、前記交流電力を直流電力に変換する変換器と、前記直流電力を交流に変換してモータを駆動する駆動用インバータと、前記駆動用インバータ及び前記エンジン発電機を制御するコントローラと、吊荷の状態を検出するクレーン状態検出器を備えたクレーンシステムであって、
前記コントローラは、前記モータの動作状態及び前記吊荷が吊られているロープの弛みを含む前記吊荷の状態を用いて次動作の消費電力を予測し、
前記予測した消費電力に基づき前記エンジン発電機の回転数指令を決定することを特徴とするクレーンシステム。 - 前記コントローラは、前記モータの停止状態では前記ロープの弛み具合により、前記エンジン発電機の回転数指令を決定することを特徴とする請求項1記載のクレーンシステム。
- 前記クレーン状態検出器は、前記吊荷が接地状態であるかを検出し、
前記コントローラは、前記モータの停止状態では前記吊荷の接地具合により、前記エンジン発電機の回転数指令を決定することを特徴とする請求項1又は2に記載のクレーンシステム。 - 前記クレーン状態検出器は、前記吊荷が吊られているのか否かを検出し、
前記コントローラは、前記モータの停止状態で、前記吊荷が吊られている状態のときは、前記モータの減速停止動作直前の前記駆動用インバータのトルク指令の値を用い、前記エンジン発電機の回転数指令を決定することを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載のクレーンシステム。 - 前記コントローラは、前記吊荷の位置を演算し、前記モータの停止状態で、前記吊荷の位置が所定位置より上方であれば、前記エンジン発電機の回転数指令を所定速度にすることを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項に記載のクレーンシステム。
- 前記クレーン状態検出器は、前記吊荷が吊られているのか否かを検出し、
前記コントローラは、前記モータの停止状態で、前記吊荷が吊られている状態が所定時間以上経過したときは、前記駆動用インバータの動作を遮断することができる主幹信号をオフとすることを特徴とする請求項1乃至5のいずれか1項に記載のクレーンシステム。 - 吊荷の荷重情報を管理するシステム管理部をさらに備え、
前記コントローラは、前記システム管理部からの前記吊荷の荷重情報を用いて前記エンジン発電機の回転数指令を決定することを特徴とする請求項1乃至6のいずれか1項に記載のクレーンシステム。 - 前記変換器は、前記エンジン発電機が発電する交流電力を直流電力に変換するダイオード整流器であることを特徴とする請求項1乃至7のいずれか1項に記載のクレーンシステム。
- 前記変換器は、前記エンジン発電機が発電する交流電力を直流電力に変換し、前記直流電力を制御可能なPWMコンバータであることを特徴とする請求項1乃至7のいずれか1項に記載のクレーンシステム。
- 交流電力を発電するエンジン発電機と、前記交流電力を電力供給源としてモータを駆動する駆動用インバータと、前記駆動用インバータ及び前記エンジン発電機を制御するコントローラと、吊荷の状態を検出するクレーン状態検出器を備えたクレーンシステムの制御方法であって、
前記コントローラは、前記モータの動作状態及び前記吊荷が吊られているロープの弛みを含む前記吊荷の状態を用いて次動作の消費電力を予測するステップと、
前記予測した消費電力に基づき前記エンジン発電機の回転数指令を決定するステップと、を実行する
ことを特徴とするクレーンシステムの制御方法。 - 前記次動作の消費電力を予測するステップでは、
前記吊荷の吊荷有無判断を行うステップと、
前記吊荷の吊荷接地判断を行うステップと、
前記吊荷のロープ弛み判断を行うステップと、
前記吊荷の巻上位置判断を行うステップと、
前記モータの運転状態判断を行うステップと、
を実行することを特徴とする請求項10記載のクレーンシステムの制御方法。
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