係留ウインチドラムの位置決め精度：エンコーダーフィードバックシステムが港湾タグボート作業におけるケーブルの重なりをどのように解消するか

係留ウインチドラムにおけるケーブルの重なりが「単なる迷惑」ではない理由 ― 機械的損傷の結果

私はYining Hydraulicで15年間、係留ウインチの制御システムを設計し、ロッテルダムからシンガポールまで、港湾事業者向けにサービスを提供してきました。彼らが報告する最も根深い運用上の問題は、ケーブルの重なりです。これは、係留ケーブルがドラム上の前の層を横切ることで挟み込みが発生し、ケーブルの撚り線が潰れて疲労亀裂が生じ、ケーブルの耐用年数が60～70%短縮されるというものです。ケーブルの重なりは見た目の問題ではなく、構造的な損傷を引き起こすメカニズムであり、1万5000ドルもする係留ケーブルを、設計上の耐用年数である8～10年ではなく、わずか2～3年でスクラップに変えてしまう原因となる。損傷メカニズム：ケーブルの交差が発生すると、上層のケーブルが下層のケーブル撚線に集中荷重をかけます。この荷重は、ケーブルが設計上耐えられる分散荷重の約3～5倍です。この点荷重によって個々の撚線が圧縮され、応力集中点が生じ、50～100回の荷重サイクルで疲労亀裂が発生します。

ケーブルの重なりが発生する根本原因：開ループ式油圧ウインチ制御システムには、ドラムの回転角度とケーブルガイドの位置を関連付けるフィードバック機構がありません。ウインチ操作員は比例弁レバーでドラム速度を制御し、ケーブルガイドの位置は手動または別のレバーで制御します。ドラム速度とケーブルガイド速度のタイミングがわずか200～300ミリ秒ずれると、ケーブルの巻き取りが不均一になります。10～15回の不均一な巻き取りの後、クロスオーバーが発生します。係留ウインチが1日に20～40サイクル実行される港湾タグボート作業では、1日に2～4回のクロスオーバーが発生し、年間約700～1,400回のクロスオーバーが発生し、その都度ケーブルに徐々に損傷を与えます。イニン油圧我々は係留ウインチにケーブル荷重計を取り付け、各交差点で300～400%の荷重スパイクが発生することを確認した。つまり、通常運転で10トンの荷重がかかるケーブルは、交差点で30～40トンの局所的な圧縮力を受けることになる。

エンコーダフィードバックの基礎：閉ループ位置制御がケーブルの重なりを解消する方法

エンコーダベースの閉ループケーブル位置決めシステムは、2つのセンサーとコントローラで構成されています。ドラムシャフトに取り付けられたロータリーエンコーダは、ドラムの角度位置を1度以下の分解能で測定し、リニアエンコーダ（またはケーブルガイドのリードスクリューに取り付けられた2つ目のロータリーエンコーダ）は、ケーブルガイドの横方向の位置を測定します。コントローラ（通常はPLCまたは専用のモーションコントローラ）は、ドラムの形状（直径、幅、ケーブル径、層数）に基づいて、任意のケーブルガイド位置に必要なドラム回転数を計算し、油圧比例弁に指令を出して、ドラム速度をガイド位置にリアルタイムで一致させます。

制御アルゴリズム：ドラム回転数（RPM）は、ケーブルガイドの横方向位置（x）をケーブルピッチ（直径＋巻線間の2mm間隔）で割った値に、層補正係数を乗じた値です。第1層では、ドラム回転数＝ガイド速度／（π×Ddrum）となります。ここで、Ddrumはドラムの直径です。第2層では、ドラム回転数＝ガイド速度／（π×（Ddrum＋1.732×Dcable））となります。これは、第2層のらせん状ケーブル経路を考慮したものです。層補正係数は不可欠です。なぜなら、ケーブルは第一層の上に垂直に積み重ねられるのではなく、隣接する第一層ケーブル間の溝に収まり、ドラムの直径の2倍ではなく、ケーブル直径の1.732倍の有効直径を持つらせん状の巻き付け経路を形成するからです。この補正がないと、2層目のドラム速度が約13%ずれてしまい、位置決め誤差は層が増えるごとに徐々に蓄積されます。SAE油圧制御規格では、エンコーダフィードバック付きクローズドループ位置制御により、ケーブルガイドにおける位置決め精度が±0.5mmとなる。これは、一般的な動作速度におけるオープンループ油圧制御の±8～12mmと比較して優れている。

エンコーダの選定：絶対値エンコーダとインクリメンタルエンコーダ、係留ウインチ用途におけるマルチターン要件

係留ウインチのドラム位置検出に絶対式ロータリーエンコーダとインクリメンタル式ロータリーエンコーダのどちらを選択するかは、運用上の要件によって異なります。絶対式エンコーダは電源喪失後もドラムの位置を記憶しますが、インクリメンタル式エンコーダは起動時にホーミングシーケンスが必要です。港湾タグボートの係留ウインチでは、係留作業中の停電が重大な安全上の問題となるため、絶対マルチターンエンコーダが標準的に採用されています。絶対エンコーダは、測定範囲内の各シャフト位置に対して固有のデジタルコードを出力するため、PLCはドラムがホームセンサーまで回転するのを待つことなく、電源投入時にドラムの絶対位置を即座に読み取ることができます。12ビットのシングルターン分解能（1回転あたり4,096ポジション）と12ビットのマルチターンカウンタ（4,096回転の測定範囲）を備えたマルチターン絶対エンコーダは、16,777,216個の固有の角度位置を提供します。これは、ケーブルが空の状態から満タンの状態まで50～100回転する係留ウインチドラムには十分すぎるほどです。

エンコーダの取り付けに関する注意事項：エンコーダはドラムシャフトに直接取り付けるか、バックラッシュのないフレキシブルカップリングを介して接続する必要があります。ギアトレインを介して接続してはいけません。ギアのかみ合いにおける0.1～0.2度のバックラッシュは、直径500mmのドラムで5～10mmのケーブル位置決め誤差に相当し、エンコーダの精度を完全に損ないます。直接シャフトに取り付けることで、この誤差源を排除できます。環境保護：船舶デッキ用途の場合、エンコーダは最低IP67の保護等級で、ステンレス鋼製ハウジング（304または316）を備えている必要があります。エンコーダとPLC間のケーブルは、シールド付きツイストペアケーブルで、シールドはPLC側のみで接地する必要があります（エンコーダ信号にノイズを発生させるグランドループを回避するため）。イニン油圧当社の係留ウインチ用エンコーダパッケージには、絶対マルチターンエンコーダ、IP67規格準拠、ステンレス製ハウジング、ドラムシャフトへの直接取り付け、プレターミネート済みシールドケーブル、および自動ホーミングとレイヤー補正アルゴリズムを備えたPLC統合機能が含まれています。

制御ループの調整：エンコーダーデータを滑らかなケーブル巻き取りに変換するPIDパラメータ

エンコーダーデータの品質は、それを処理する制御ループの品質に左右されます。PIDコントローラーの調整が不適切だと、ハンチング振動が発生し、ドラム上でケーブルのバックラッシュを引き起こします。これは、オーバーラップと同様に有害です。ウインチドラム位置のPID制御ループ：設定値は目標ドラム角度位置（ケーブルガイド位置から算出）、プロセス変数は実際のドラム角度位置（エンコーダから取得）、コントローラ出力は油圧比例弁への電圧信号です。チューニング目標：ドラムは、定常状態誤差ゼロ（積分項で除去）、最小限のオーバーシュート（設定値の2%未満、微分項で制御）、およびガイド速度の10%ステップ変化に対する整定時間100ミリ秒未満でガイド位置に追従する必要があります。

250 cc/rev モーターと Bosch Rexroth 4WREE 比例弁を備えた Yining IYJ シリーズ油圧係留ウインチの初期 PID パラメータ: Kp = 0.8、Ki = 0.15、Kd = 0.05、ループ更新時間 10 ミリ秒。これらの値は出発点であり、実際のパラメータは現場での調整が必要です。なぜなら、システムの慣性（ドラムとケーブルの質量）は、空のドラムと満載のドラム（直径36mm、長さ100mの係留ケーブルの場合、ケーブル重量は300～500kg）の間で大きく異なるからです。解決策はゲインスケジューリングです。PIDゲインは、エンコーダで測定したドラム上のケーブル層数に基づいて計算されたドラム慣性の関数です。たとえば、ケーブルが1層の場合、Kpは0.8（低慣性、高速応答）となり、5層の場合、1.2（高慣性、低応答、より高い比例ゲインが必要）に増加します。イニン油圧当社のPLCプログラムには、慣性に基づいたゲインスケジューリングが含まれており、ドラムが空の状態から満タンの状態まで、ドラムの充填範囲全体にわたって位置追跡精度を±0.5mm以内に維持します。

事例研究：寧波港タグボート船団係留ウインチ改修工事、2023年

2023年、寧波港のタグボート船隊の運航会社は、ケーブル交換の問題でYining Hydraulicに相談を持ちかけました。同社のタグボート12隻は、平均して2.2年ごとに係留ケーブルを交換しており、ケーブル1本あたり約18,000米ドルの費用がかかっていました（36mm x 110m、高張力鋼、端部金具、設置作業、タグボートの1日分の運航停止を含む）。12隻のタグボート船隊全体の年間ケーブル交換費用は98,000米ドルを超えていました。係留作業中のウインチの高速ビデオ録画により根本原因が特定されました。係留サイクルごとに平均2.8回ケーブルの重なりが発生しており、重なりが発生するたびに、ケーブルのひずみゲージで測定された負荷が350～450%も急増していました。

改修ソリューションとして、Yining Hydraulic社はドラムシャフトに絶対マルチターンエンコーダ（Heidenhain ECN 413、25ビット分解能）を、ケーブルガイドキャリッジにリニアポテンショメータを設置し、ウインチPLCを当社独自のレイヤー補償型PID制御アルゴリズムにアップグレードしました。ウインチ1台あたりのハードウェアコスト：3,200米ドル（エンコーダ＋ポテンショメータ＋シールドケーブル＋設置ブラケット）、加えてPLCプログラミングと試運転に1,800米ドル。ウインチ1台あたりの総改修コスト：5,000米ドル。総フリートコスト：120,000米ドル（タグボート12台×タグボート1台あたりウインチ2台＝ウインチ24台）。18か月後の結果：ケーブルの重なり事故が97%減少（1サイクルあたり2.8件から0.08件に減少）、ケーブルの平均耐用年数が2.2年から推定7.5年以上（現在の摩耗測定値から外挿）に延長、年間ケーブル交換コストが98,000米ドルから推定28,000米ドルに減少。改修に投じた12万米ドルの投資は、ケーブル交換によるコスト削減だけで17ヶ月以内に全額回収された。

外部参照: SAEインターナショナル · DNV分類 · ABSルール · ISO 4413 油圧システム · ロイズ・レジスター · ISO 5001 · CETOP RP100 · IOM3材料