インテリジェント天井クレーンの定義と主要技術

現在、多くの天井クレーンには、可変周波数駆動装置、リモートコントロール、監視プラットフォーム、または揺れ防止機能が搭載されています。しかし、これらの機能を単に組み合わせただけでは、真にインテリジェントなクレーンとは言えません。インテリジェントな天井クレーン技術とは、クレーンが荷物を識別し、自身の位置と作業環境を判断し、走行経路を計画し、荷物の揺れを制御し、機器の状態に基づいてメンテナンスの判断を下せるようにするものでなければなりません。

つまり、インテリジェンスとは単にクレーンを動かすことだけを意味するのではありません。クレーンに感知、分析、意思決定、行動実行、そしてフィードバックを受け取る能力を与えることを意味します。本稿では、荷物識別、空間測位、インテリジェントな吊り上げ装置、経路計画、状態監視、統合機器管理など、自律型クレーン操作に必要な主要技術について概説します。

1. インテリジェント天井クレーンとは何ですか？

従来のクレーンと比較して、インテリジェント天井クレーンは、単に手作業による肉体労働を代替するだけでなく、オペレーターの認知作業の一部を代替または支援することも可能です。センサー、インテリジェントな意思決定ソフトウェア、そしてクレーンが統合され、感知、分析、推論、意思決定、制御といった機能を提供します。これにより、人、機械、そして資材間の相互作用と連携が実現します。

インテリジェント制御システムは、オペレーターの感知、判断、および実行タスクの一部を代行できます。これにより、クレーンは作業環境の変化に適応し、荷重の識別、状態認識、自動運転、および運用管理を実行できます。基本的なワークフローは従来のクレーンとほぼ同じですが、インテリジェント機能により、感知、意思決定、および実行能力が追加され、より自律的な運転が可能になります。

2. 主要なインテリジェント天井クレーン技術

オペレーターの感知、意思決定、および作業実行を代替または支援するために、クレーンは、荷物の位置を検出し、荷物を識別および検証し、荷物を自動的に持ち上げて配置し、走行経路を選択および最適化し、柔軟な吊り上げシステムにおける揺れを抑制し、目標位置で正確に停止し、自身の動作状態を監視できる必要があります。また、自動運転中に故障を診断し、警報を発することも必要です。

2.1 負荷の識別、検証、フィードバック、およびデータストレージ

形状、包装、保管または輸送方法に応じて、積荷には、鋼材、紙、フィルムのコイルなどのコイル、コンテナ、材料ビン、移送ボックスなどの箱、鋼板、ビレット、シールドトンネル部品などのブロック、鋼管、鉄筋、レール、形鋼などの束、ケーブルや線材のコイルなどのリール、バケツや取鍋などの個々の品目、レール、I形鋼、H形鋼、構造用梁などの長尺物が含まれる。

さまざまな状態にある荷物の情報を自動的に識別、検証、フィードバックすることは、標準化されたデータ符号化、収集、識別、管理、および伝送の基礎となります。関連技術には、バーコード認識、RFID、音声認識、光学文字認識、磁気識別、画像認識、パターン認識、および生体認証が含まれます。識別および検証後に保存される荷物情報は、幅広い用途に適用可能で、安定しており、複製が困難である必要があります。

2.2 空間位置特定

一部のハイエンドクレーンは三次元位置決めを採用していますが、位置決め精度は機械システム全体の累積誤差によって依然として制限される可能性があります。一般的な位置決め方法は、次の2つのカテゴリに分類できます。

• 相対アドレス指定：一般的には、ロータリーエンコーダ、レーザーまたはレーダー測距、および視覚認識を用いる。
• 絶対アドレス指定：一般的には、位置リミットスイッチ、グレイコードバスバーなどのコード化ケーブル、リニアエンコーダ、BPSバーコード、スプロケットアンドチェーンシステム、および無線、赤外線、無線RF、GPS、または同様のシステムによるリアルタイム絶対アドレス指定を使用します。

無線通信技術の発展に伴い、携帯電話ネットワーク測位や、Wi-Fi、Bluetooth、赤外線、超広帯域RFID、超音波などの屋内測位技術の精度は向上し続けている。これらの技術は、徐々に機械設備の測位にも応用されつつある。

クレーンの位置決めには、荷物の形状の監視、空き保管場所の検出、荷物の1次元、2次元、または3次元の保管位置の決定だけにとどまりません。フック、フォーク、吸引装置、グラブ、バケットなどの吊り上げ用アタッチメントの1次元、2次元、および3次元の位置決めも含まれます。

クレーンは広範囲にわたって運用されるため、単一の位置決め方法では複雑な環境において必要な精度を確保できない場合が多い。そのため、広範囲かつ複雑な用途では、「相対アプローチアドレッシング＋絶対位置決め」を組み合わせるのが一般的である。相対アドレッシングまたは絶対アドレッシングのみを使用する場合と比較して、この組み合わせた方法は、土木工事の品質に対する要求を低く抑えつつ、精度、安定性、コスト効率を向上させることができる。

2.3 インテリジェントリフティングアタッチメント

従来のクレーンは、主にフックを吊り上げ装置として使用します。これらのフックは通常、手動での取り付けと取り外しが必要であり、対応できる荷物の種類も限られているため、マテリアルハンドリング機器の自動化レベルが制限されます。

バルク材、箱、ボトル、コイルなどのさまざまな積荷に対応するため、インテリジェント天井クレーンには自動吊り上げアタッチメントまたはインテリジェント吊り上げ装置が必要になる場合があります。これらには自動解放装置が含まれます。 フック, Cフック電磁リフター、真空リフター、フォーク、クランプ、治具、リフティングビーム、コンテナスプレッダー、お玉、 バケツを掴むおよび把持装置。負荷条件に適した自動アタッチメントまたはインテリジェントな昇降装置を開発することは、自動保管および取り出しを実現するための重要なステップです。

2.4 フレキシブル昇降システムの経路計画と電子式揺れ防止制御

フレキシブルホイストシステムの走行経路計画と揺れ防止位置決め制御は、自動クレーン操作に不可欠です。橋桁とトロリーの加減速、および荷物の吊り上げは、荷物の揺れを引き起こす可能性があります。これは作業効率を低下させ、事故リスクを高める可能性があります。

経路計画と横揺れ防止制御には、開ループ制御と閉ループ制御が一般的に用いられます。開ループ制御には、主に入力整形に基づく位置決めおよび横揺れ防止制御と、軌道計画に基づく位置決めおよび横揺れ防止制御が含まれます。閉ループ制御には、フィードバック線形化、ゲインスケジューリング制御、スライディングモード制御、予測制御、ファジー制御、ニューラルネットワーク制御、受動性に基づく制御などがあります。

障害物が固定された既知の位置にある場合は、静的経路計画で一般的に十分です。障害物の位置を事前に特定できない場合、または複数のクレーンが同じエリアで作業する場合は、安全な経路をオンラインで生成するために動的経路計画が必要です。関連する計画アルゴリズムには、人工ポテンシャル場法、確率的ロードマップ法、急速探索ランダムツリー法、遺伝的アルゴリズム、およびアリコロニーアルゴリズムなどがあります。

無線移動通信の発展に伴い、吊り上げ装置にジャイロスコープ、加速度センサー、方位センサーなどのデバイスを搭載することで、三次元的な荷物位置決め、経路計画、および揺れ防止制御をさらに強化することが可能になる。

2.5 状態監視と自動故障診断

状態監視は、定義された方法を用いて機器の稼働状況を把握し、追跡します。故障診断は、状態監視情報と機器の動作原理、構造特性、動作パラメータ、履歴データを合わせて分析します。これにより、潜在的な故障を予測したり、発生済みまたは発生しつつある故障について、その性質、種類、深刻度、場所、傾向などを評価することができます。

昇降機械の一般的な監視パラメータには、吊り上げ能力、荷重モーメント、吊り上げ高さまたは下降深さ、移動距離、リーチ、橋梁の傾斜、水平度、風速、旋回角度、同一または異なるレール上の機構間の安全距離、アウトリガーの垂直度、稼働時間、累積稼働時間、および各作業サイクルが含まれます。

監視対象となる一般的な状態には、モーター、ブレーキ、可変周波数ドライブ、防風装置および滑り止め装置、インターロック、ドアリミットスイッチ、機構間のインターロック、運転条件設定、電源ケーブルリール、貫通穴または移送セクションの状態が含まれます。監視対象には、ビデオシステムや、橋梁の剛性および強度をリアルタイムで自己診断する機能も含まれます。

2.6 リアルタイムオンライン監視と遠隔診断

リアルタイム監視および遠隔診断システムは、一般的に、センサー監視、リアルタイム無線伝送、データ管理、情報照会、根本原因分析、傾向分析、専門家による診断、状態予測、およびIoTベースの遠隔監視を組み合わせて構成されます。

既存機器に監視ゲートウェイを設置し、Wi-Fiまたは携帯電話ネットワーク経由で稼働データや障害データを送信することで、遠隔監視と可視化された管理が可能になります。新規機器については、遠隔管理システムを統合機器管理プラットフォームに組み込み、資産保守管理システムに接続することで、保守効率と機器性能を向上させることができます。

システムは、機器の状態を無線でリアルタイムに収集した後、自動的に保守点検計画を作成し、データ分析を通じて状態基準に基づく予知保全を段階的に実施することができる。

予知保全は、状態監視と故障診断を基盤とし、実際の設備状態と生産ニーズに基づいて保守計画を立てます。その目的は、故障の初期兆候を特定し、故障の種類、深刻度、場所、進行傾向を把握し、重大な事故を回避または軽減することです。故障が発生した場合、システムは故障の全過程を記録し、根本原因分析と今後の改善に役立てることができます。

2.7 統合機器監視および管理

バルク材、箱、コイル、その他の積荷など、さまざまな保管形態や要件に対応するため、インテリジェントな天井クレーン監視・管理システムは、積荷識別、空間測位、自動保管・取り出し、状態監視といった機能を組み合わせることができます。このシステムは、インターフェースサブシステム、位置・在庫管理サブシステム、積荷識別サブシステム、配車・クレーン操作サブシステム、空間測位サブシステムなどから構成されます。これらの機能が連携することで、効率的、安全、かつインテリジェントな天井クレーン操作を実現します。

3．結論

スマート製造、スマート物流、スマートメンテナンスの分野では、インテリジェント天井クレーンの需要が高まっています。上記で説明した技術は、ソフトウェア、製品、制御技術を通じて、インテリジェント天井クレーンソリューションおよび完全な機器システムに統合できます。用途としては、冶金、製紙、自動車製造におけるワークステーションの移送、物流における保管および資材搬送などが挙げられます。

インテリジェント天井クレーンの核心は、可変周波数駆動装置、リモートコントロール、監視プラットフォームを単に追加することではありません。それは、荷物の識別、空間位置決め、自動搬送、経路計画、揺れ防止制御、状態監視、故障診断、機器管理といった一連の機能を網羅する完全なループを形成する能力にあります。プロセス操作を自動化し、稼働状況をリアルタイムで記録し、予知保全をサポートすることで、インテリジェント天井クレーンは、運転効率の向上、運転・保守コストの削減、そして機器の設計、保守、本質的安全性の向上に役立つデータを提供します。

シンディ

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