SPS-Steuerung für Brückenkrane: Vom EA-Modul bis Synchronsteuerung

Im modernen Industriekranbereich hat sich die SPS (speicherprogrammierbare Steuerung) als zentrale Steuerungseinheit von Krananlagen etabliert. Gegenüber konventionellen Schütz-Relais-Steuerungen bietet die SPS-Technologie entscheidende Vorteile in Zuverlässigkeit, Wartbarkeit und funktionaler Erweiterbarkeit. Bei einem 20-t-Zweiträger-Brückenkran muss das elektrische Steuerungssystem die mehrachsigen Bewegungen – Heben, Brückenfahrwerk und Katzfahren – im Millisekundenbereich koordinieren und gleichzeitig sicherheitsrelevante Signale wie Endschalter, Überlastschutz und Not-Halt-Kreis in Echtzeit überwachen.

Die Entwicklung eines SPS-Steuerungssystems für Krane ist keine bloße Aneinanderreihung von Hardwarekomponenten, sondern ein systematischer Engineering-Prozess, der von der Signalerfassung über die I/O-Zuordnung bis zur Kommunikationsarchitektur reicht. Gemäß den Anforderungen der Norm DIN 15018 an elektrische Steuerungssysteme sowie der in GB/T 28264 – Sicherheitsüberwachungs- und Managementsystem für Hebezeuge definierten Pflichtüberwachungsfunktionen muss ein qualifiziertes SPS-Steuerungssystem in den drei Dimensionen Sicherheitsintegrität, Echtzeitfähigkeit und Mehrkran-Synchronisation industriellen Standards genügen. Dieser Beitrag beschreibt am Beispiel eines 20-t-Zweiträgerkrans den vollständigen Entwurfsprozess eines SPS-Steuerungssystems – von der SPS-Auswahl bis zur kranübergreifenden Kommunikation.

SPS-Auswahl für Krane: Siemens S7-1200 vs. Mitsubishi FX5U vs. Inovance AM600

Bei der Auswahl der SPS für Krananwendungen sind fünf Dimensionen zu berücksichtigen: I/O-Kapazität, Motion-Control-Fähigkeit, Kommunikationsschnittstellen, Sicherheitsfunktionen und Umgebungsbedingungen. Ein 20-t-Zweiträger-Brückenkran benötigt typischerweise ca. 200 digitale I/O-Punkte, 16 analoge Eingänge, 8 Hochgeschwindigkeitszähler sowie mindestens zwei Kommunikationsschnittstellen (Profinet/EtherNet/IP für das HMI, CANopen für die Frequenzumrichter). Zudem muss die Erweiterbarkeit um ein Sicherheits-SPS-Modul gegeben sein. Nachfolgend werden drei gängige SPS-Systeme der Kompaktklasse gegenübergestellt.

Vergleich der Kernparameter für die SPS-Auswahl

Aus der Praxis der Kransteuerung betrachtet, dominiert die Siemens S7-1200 den Markt für Krananwendungen dank der integrierten TIA-Portal-Engineering-Umgebung und der nativen Unterstützung von PROFINET RT für verteilte EA-Systeme. Die Mitsubishi FX5U punktet in kostenbewussten Projekten mit einem hervorragenden Preis-Leistungs-Verhältnis, stößt jedoch bei großen Krananlagen hinsichtlich der Kommunikationserweiterung an ihre Grenzen. Der Inovance AM600 gewinnt im mittleren Marktsegment durch den schnellen EtherCAT-Bus und einen äußerst wettbewerbsfähigen Preis rasch an Bedeutung – insbesondere für Projekte mit hohen Anforderungen an die Mehrachsen-Synchronisation.

EA-Belegungsplan: Vollständige EA-Tabelle für 20-t-Zweiträgerkran

Die EA-Belegung ist der erste und zugleich fehleranfälligste Schritt bei der Auslegung eines SPS-Steuerungssystems. Eine zu knappe Dimensionierung lässt später keinen Erweiterungsspielraum, eine zu großzügige Auslegung verteuert unnötig die Hardware. Bei Zweiträgerkranen empfiehlt es sich, die EA-Module nach Funktionsbereichen zu gliedern statt nach räumlicher Anordnung – das erleichtert die Unterprogrammstruktur im Hauptprogramm erheblich. Nachfolgend die vollständige EA-Belegungstabelle für einen 20-t-Zweiträgerkran mit insgesamt 128 Digitaleingängen, 64 Digitalausgängen, 16 Analogeingängen und 4 Analogausgängen.

Vollständige EA-Belegungstabelle für 20-t-Zweiträgerkran

Die EA-Zuweisung folgt drei Prinzipien: Erstens werden Signale desselben Funktionsbereichs auf aufeinanderfolgenden Adressen konzentriert zugewiesen, um Programmierung und spätere Wartung zu erleichtern. Zweitens werden Sicherheitskreissignale (Not-Aus, redundante Endschalterkanäle, Sicherheitstüren) separat auf dedizierten EA-Modulen der Sicherheits-SPS angeordnet und physikalisch von der Hauptsteuerungs-SPS getrennt. Drittens werden Analogkanäle nach Signaltyp gruppiert – 4~20-mA-Stromsensoren (Wägung, Windgeschwindigkeit, Laser-Entfernungsmessung) werden getrennt von 0–10-V-Spannungssignalen verlegt, um Gleichtaktstörungen zu reduzieren. Insgesamt werden sechs verteilte ET-200SP-EA-Stationen eingesetzt, die an beiden Enden der Kranbrücke, auf der Laufkatzenplattform und im Führerhaus installiert sind und über ein Profinet-RT-Ringnetzwerk mit der Hauptsteuerungs-SPS kommunizieren.

Leistungskennwerte der SPS-Steuerung im Überblick

Die Leistungsfähigkeit eines Kran-SPS-Steuerungssystems hängt nicht nur von der CPU-Verarbeitungsgeschwindigkeit ab, sondern auch von Kommunikationszyklus, EA-Aktualisierungszeit und Sicherheits-Reaktionszeit. Die folgenden sechs zentralen Kennwerte bilden die Kernparameter zur Bewertung eines SPS-Steuerungssystems und decken die gesamte Leistungskette von der Programmausführung bis zur Kommunikationslatenz ab.

Sicherheitskreis mit Zweikanal-Redundanz für Not-Aus und Endschalter

Der Sicherheitskreis ist der Bereich mit höchster Priorität und strengster Auslegung im Kran-SPS-Steuerungssystem. Gemäß ISO 13849-1 „Sicherheit von Maschinen – Sicherheitsbezogene Teile von Steuerungen“ und IEC 62061 „Funktionale Sicherheit sicherheitsbezogener elektrischer, elektronischer und programmierbarer elektronischer Steuerungssysteme“ müssen Not-Aus, Hub-Endschalter und Überlastschutz von Kranen SIL2 (Safety Integrity Level 2) bzw. PLd (Performance Level d) erreichen. Dies bedeutet, dass ein einzelner Fehler nicht zum Verlust der Sicherheitsfunktion führen darf.

Das hier beschriebene Beispiel verwendet eine Siemens S7-1200F (failsafe CPU), die unabhängig von der Hauptsteuerungs-SPS arbeitet und eine physikalisch getrennte Zweikanal-Redundanzarchitektur bildet. Jedes Sicherheitseingangssignal (z. B. Not-Aus-Taster, oberer Endschalter, Überlasterkennungsschalter) wird auf zwei unabhängige Kanäle des F-DI-Moduls geführt. Die F-CPU führt in jedem Scanzyklus eine Abstimmung der Zweikanalsignale durch – nur wenn beide Kanäle übereinstimmen, wird das Signal als gültig betrachtet. Bei Abweichung wird sofort ein Sicherheitsstopp ausgelöst und verriegelt. Der Sicherheitsausgang verwendet eine Reihenschaltung von zwei Schützen: Sollte ein Schütz verschweißen oder klemmen, kann das andere den Leistungskreis weiterhin unterbrechen.

Konfiguration des Sicherheitskreises im Detail

Kelude Heavy Industry ist auf die Entwicklung und Integration elektrischer Steuerungssysteme für Industriekrane spezialisierte: Maßgeschneiderte Hebelösungen von Kelude

Kelude Heavy Industry ist ein führender Hersteller von Industriekranen und Hebezeugen. Mit über 30 Jahren Erfahrung in der Branche entwickeln und fertigen wir zuverlässige, leistungsstarke Kransysteme für anspruchsvolle Anwendungen in Fertigung, Logistik und Energieerzeugung. Unser Sortiment umfasst Brückenkrane, Portalkrane, Auslegerkrane sowie Seilzüge und Elektrokettenzüge – stets abgestimmt auf die spezifischen Anforderungen Ihrer Produktion.

Brückenkrane: Effiziente Materialflüsse in der Fertigung

Brückenkrane von Kelude sind das Rückgrat moderner Fertigungsabläufe. Sie ermöglichen den präzisen und sicheren Transport schwerer Lasten entlang der Hallenkranbahn. Je nach Einsatzbereich liefern wir Einzelträger- und Doppelträgerkrane mit Tragfähigkeiten von 1 t bis 50 t und Spannweiten bis zu 34,5 m. Die Krane sind als robuste Standardlösungen oder als kundenspezifische Sonderkonstruktionen verfügbar.

Alle Brückenkrane sind mit moderner Frequenzumrichtertechnik ausgestattet, die ein sanftes Anfahren und präzises Positionieren der Last ermöglicht. Auf Wunsch integrieren wir intelligente Assistenzsysteme wie Laserkollisionsschutz oder automatische Lastwegerkennung, um die Sicherheit und Produktivität weiter zu erhöhen.

Portalkrane: Flexible Lastenhandhabung im Freien

Für den Umschlag von Gütern im Freigelände, auf Lagerplätzen oder an Verladerampen sind Portalkrane von Kelude die ideale Wahl. Sie sind als Vollportal- oder Halbportalvariante mit Tragfähigkeiten von 3,2 t bis 50 t und Spannweiten bis 30 m erhältlich. Die Konstruktion ist für den rauen Außeneinsatz ausgelegt und kann mit verschiedenen Spurweiten und Hubböhen an Ihre Logistik angepasst werden.

Die Portalkrane sind optional mit kundenspezifischen Aufnahmen wie C-Haken, Greifern oder Vakuumhebern ausrüstbar. Für den Einsatz in explosionsgefährdeten Bereichen liefern wir ATEX-konforme Ausführungen nach Richtlinie 2014/34/EU.

Auslegerkrane: Ergonomische Arbeitsplatzlösungen

Auslegerkrane von Kelude optimieren den Materialfluss direkt am Arbeitsplatz. Sie sind als Säulen-, Wand- oder Wandlaufkrane mit Tragfähigkeiten von 125 kg bis 5 t erhältlich. Dank der kompakten Bauweise und des großen Schwenkbereichs von bis zu 270° lassen sich Werkstücke und Werkzeuge mühelos in den Arbeitsbereich bringen.

Die Auslegerkrane sind in verschiedenen Ausführungen wie mit Drehstrom- oder Handantrieb lieferbar. Für sensible Produktionsbereiche bieten wir Versionen mit Edelstahlkomponenten oder speziellen Lackierungen an.

Seilzüge und Elektrokettenzüge: Präzision und Sicherheit für jede Last

Unsere Seilzüge und Elektrokettenzüge sind das Herzstück jedes Kransystems. Sie überzeugen durch hohe Hubgeschwindigkeiten, feinfühlige Steuerung und maximale Betriebssicherheit. Das Programm umfasst Seilzüge mit Tragfähigkeiten von 1 t bis 32 t und Elektrokettenzüge mit Tragfähigkeiten von 125 kg bis 10 t. Alle Komponenten entsprechen den aktuellen DIN- und EN-Normen.

Alle Hebezeuge sind mit einem thermischen Motorschutz sowie einer mechanischen und elektrischen Lastbegrenzung ausgestattet. Auf Wunsch liefern wir Varianten mit erhöhter Hubgeschwindigkeit oder für den Einsatz in Umgebungen mit hoher Staub- oder Feuchtigkeitsbelastung.

Kundenspezifische Lösungen und Modernisierung

Jedes Einsatzgebiet hat seine eigenen Anforderungen. Deshalb entwickeln wir bei Kelude maßgeschneiderte Kranlösungen, die exakt auf Ihre Prozesse zugeschnitten sind. Ob Sonderkonstruktionen mit besonderen Abmessungen, spezielle Hubgeschwindigkeiten oder die Integration in bestehende Steuerungssysteme – unser Ingenieurteam unterstützt Sie von der Konzeption bis zur Inbetriebnahme.

Darüber hinaus modernisieren wir bestehende Krane aller Hersteller. Wir rüsten Ihre Anlagen auf den neuesten Stand der Technik auf – von der Steuerungstechnik über die Antriebstechnik bis hin zu Sicherheitskomponenten. So erhöhen Sie die Verfügbarkeit und Sicherheit Ihrer Anlage und senken gleichzeitig die Betriebskosten.

Service und Ersatzteile – weltweit verfügbar

Unser Engagement endet nicht mit der Lieferung. Ein dichtes Servicenetz in Deutschland und Europa gewährleistet kurze Reaktionszeiten. Qualifizierte Techniker führen Wartung, Inspektion und Reparatur nach DIN 15018 und FEM 1.001 durch. Ein umfangreiches Ersatzteillager stellt die schnelle Verfügbarkeit aller Verschleiß- und Ersatzteile sicher.

Für eine schnelle Hilfe im Störungsfall bieten wir einen 24-Stunden-Notdienst an. Zudem schulen wir Ihr Bedien- und Wartungspersonal umfassend im sicheren Umgang mit den Krananlagen.

Häufig gestellte Fragen (FAQ)

F: Welche Tragfähigkeiten sind bei Brückenkranen möglich?
A: Unsere Brückenkrane sind in Tragfähigkeiten von 1 t bis 50 t erhältlich. Sonderkonstruktionen mit höheren Tragfähigkeiten realisieren wir auf Anfrage.

F: Bieten Sie auch Krane für explosionsgefährdete Bereiche an?
A: Ja, wir liefern Krane und Hebezeuge in ATEX-konformer Ausführung gemäß Richtlinie 2014/34/EU für den Einsatz in Zone 1, 2, 21 und 22.

F: Wie lange ist die Lieferzeit für einen Standard-Brückenkran?
A: Die Lieferzeit für Standardkrane beträgt in der Regel 8 bis 12 Wochen nach Auftragsbestätigung, abhängig von Ausführung und Auslastung.

F: Können Sie bestehende Krane modernisieren?
A: Ja, wir modernisieren Krane aller Hersteller. Wir analysieren Ihre Anlage vor Ort und erstellen ein individuelles Modernisierungskonzept.

F: Welche Normen werden bei der Konstruktion und Fertigung eingehalten?
A: Unsere Krane werden nach DIN 15018 (Tragwerksberechnung), FEM 1.001 (Sicherheit) und EN 60204-32 (Elektrische Ausrüstung) konstruiert und gefertigt.

F: Bieten Sie auch Wartungsverträge an?
A: Ja, wir bieten maßgeschneiderte Wartungsverträge an, die regelmäßige Inspektionen, Wartungsarbeiten und die Behebung von Störungen umfassen.

A: Besonders hervorzuheben ist die „Heartbeat“-Überwachung zwischen der Haupt-SPS und der Sicherheits-SPS im Sicherheitskreis. Die Haupt-SPS sendet alle 10 ms einen Heartbeat-Impuls über eine hartverdrahtete Leitung an die Sicherheits-SPS. Bleibt dieser Impuls über drei aufeinanderfolgende Zyklen (30 ms) aus, löst die Sicherheits-SPS automatisch einen sicheren Stopp aus. Dieser Mechanismus verhindert das extreme Risiko, dass Sicherheitsfunktionen bei einem Absturz der Haupt-SPS oder einer Kommunikationsunterbrechung umgangen werden. In der praktischen Anwendung muss zudem der PFHd-Wert (Probability of Dangerous Failure per Hour) des Sicherheitskreises kleiner als 1×10⁻⁷ nachgewiesen werden, um die quantitativen Anforderungen der SIL2-Stufe zu erfüllen.

Kranverbund-Kommunikation: Profinet, CANopen und EtherCAT im Vergleich

In großen Stahlbauwerkstätten oder Sektionshallen von Werften werden häufig zwei bis vier Brückenkrane für das gemeinsame Anschlagen überlanger und überschwerer Bauteile eingesetzt. Die zentrale technische Herausforderung beim Kranverbund liegt in der Echtzeit-Positionssynchronisation und der Lastverteilung zwischen den einzelnen Kranen – beides ist von einem zuverlässigen werkstattweiten Kommunikationsnetzwerk abhängig. Die drei gängigsten industriellen Kommunikationsprotokolle – Profinet RT, CANopen und EtherCAT – bieten jeweils spezifische Vor- und Nachteile für den Mehrkranbetrieb.

Vergleich der Kommunikationsprotokolle für den Kranverbund

In der Ingenieurpraxis empfiehlt sich eine hybride Architektur aus Profinet und CANopen: Profinet RT dient als Backbone-Netzwerk in der Werkstatt und übernimmt den Datenaustausch sowie die EA-Kommunikation zwischen den SPS-Steuerungen der Krane und dem zentralen HMI. CANopen fungiert als dedizierter Bus für die Synchronisation mehrerer Krane und nutzt seine native Multi-Master-Fähigkeit sowie den SYNC-Mechanismus, um die Positionsübertragung und Geschwindigkeitssynchronisation von vier Brückenkranen in einem Zyklus von 1–2 ms zu realisieren. EtherCAT eignet sich besser für Anwendungen mit extrem hohen Erfassungsraten (z. B. Schwingungsüberwachung, dynamische Wägung), ist jedoch bei der Multi-Master-Koordination weniger flexibel als CANopen.

Störfestigkeit: Schirmung, Erdung und Filterung

Die Arbeitsumgebung eines Krans gehört zu den anspruchsvollsten Szenarien hinsichtlich elektromagnetischer Störungen im industriellen Umfeld – die starke elektromagnetische Strahlung der PWM-Ausgänge von Frequenzumrichtern, Spannungsschwankungen im Netz durch das Starten und Stoppen großer Motoren sowie kontinuierliche Lichtbogenentladungen zwischen Schleifleitung und Stromabnehmer sind typische Störquellen, denen ein SPS-Steuerungssystem standhalten muss. Ein durchdachtes Schutzkonzept muss daher systematisch die drei Ebenen Schirmung, Erdung und Filterung berücksichtigen.

Kabelschirmung – Alle analogen Signalkabel (4–20-mA-Sensoren, Encoder-Feedback) sind als geschirmte Kabel mit doppelter Abschirmung ausgeführt: Die innere Aluminiumfolie ist einseitig geerdet (auf der Schaltschrankseite der SPS), während das äußere Kupfergeflecht beidseitig geerdet ist. Dies realisiert eine frequenzselektive Schirmungsstrategie („niederfrequent einseitig, hochfrequent beidseitig“). Digitale Signalkabel verwenden eine einfache Schirmung mit beidseitiger Erdung. Für Kommunikationskabel (Profinet/CANopen) werden ausschließlich die vom Hersteller vorgesehenen geschirmten Kabel verwendet.

Erdungssystem – Es wird ein dreistufiges Erdungskonzept umgesetzt: Die Schutzleitererdung (PE) des Schaltschranks und die Schirmungserdung (FE) werden im SPS-Schrank über eine Kupferschiene zusammengeführt und an einem einzigen Punkt mit dem Werkstatt-Erdungsnetz verbunden. Der Erdungswiderstand muss ≤ 4 Ω betragen. Besonders wichtig ist, dass die PE-Leitung des Umrichterschranks und die PE-Leitung des SPS-Schranks getrennt zum zentralen Erdungspunkt geführt werden, um zu verhindern, dass Ableitströme des Frequenzumrichters über eine gemeinsame PE-Leitung in das SPS-System einkoppeln.

Netzfilterung – Vor der Steuerspannungsversorgung der SPS werden zweistufige EMI-Filter (Gleichtakt- und Gegentakt) installiert. Auf der Eingangsseite schützen parallelgeschaltete Varistoren vor Blitzüberspannungen und Schaltüberspannungen. Auf der Eingangsseite des Frequenzumrichters werden eine Eingangsdrossel (3 % Impedanz) und ein Oberschwingungsfilter installiert, um die Netzrückwirkungen der 5. und 7. Oberschwingung zu reduzieren. Kritische Sensoren werden über DC/DC-Trennmodule (Isolationsspannung 1500 VDC) versorgt, um Störungen durch Erdschleifen zu unterbrechen.

Programmierstruktur: Hauptprogramm, Unterprogramme, Alarmbehandlung

Das SPS-Programm für Krane ist in einer dreischichtigen Softwarearchitektur aufgebaut – „Hauptprogramm-Steuerung, Funktionsunterprogramme, zentrale Alarmbehandlung“ – um die Lesbarkeit, Testbarkeit und Wartbarkeit des Codes zu maximieren. Das Hauptprogramm OB1 wird in einem festen Zyklus von 10 ms ausgeführt und ruft intern die Funktionsunterprogramme nach Priorität auf.

Die Funktionsunterprogramme sind in sechs Module unterteilt, entsprechend den Betriebsarten des Krans: Kranfahren-Steuerung (FC1), Katzfahren-Steuerung (FC2), Hubsteuerung (FC3), Schienenklemm- und Verankerungssteuerung (FC4), Sicherheitsverriegelung (FC5) und Kommunikationsdatenverpackung (FC6). Jedes Unterprogramm verwendet eine Schrittketten-Steuerung (Sequential Function Chart, SFC), die einen vollständigen Arbeitszyklus des Krans in mehrere unabhängige Zustandsschritte unterteilt. Die Übergangsbedingungen zwischen den Schritten sind eindeutig definiert und rückverfolgbar.

Das Alarmbehandlungsmodul (FC100) läuft unabhängig von den Funktionsprogrammen und scannt zyklisch über 200 Alarmbedingungen im gesamten Kran. Die Alarme werden nach Schweregrad in drei Stufen eingeteilt: Stufe 1 (gelbe Warnung) wird nur am HMI angezeigt und beeinträchtigt den Betrieb nicht, z. B. wenn die Temperatur eines Motorlagers 75 °C überschreitet, aber den Schwellwert von 85 °C noch nicht erreicht. Stufe 2 (orange Leistungsreduzierung) begrenzt automatisch die Geschwindigkeit und Beschleunigung der betroffenen Mechanik auf 50 % des Nennwerts, z. B. bei einem Frequenzumrichter im reduzierten Betrieb. Stufe 3 (roter Stopp) löst sofort das Öffnen des Sicherheitsschützes aus und verriegelt den Zustand; ein manuelles Quittieren ist erforderlich, z. B. bei Not-Aus, gleichzeitigem Ansprechen beider Endschalter für die Hub-Endlage oder Überlast über 110 % der Nennlast. Alle Alarmereignisse werden mit Zeitstempel und relevanten Betriebsparametern im remanenten Speicher der CPU abgelegt, sodass sie auch nach einem Stromausfall für die Fehleranalyse verfügbar sind.

Häufige Fragen zur SPS-Steuerung

Kelude ist auf die Entwicklung und Integration elektrischer Steuerungssysteme für Industriekrane spezialisiert und verfügt über umfangreiche Erfahrung in der Ingenieurpraxis mit SPS-Steuerung, Frequenzumrichter und Mehrtakt-Synchronisation. Das technische Team bietet die Lieferung des gesamten Prozesses – von der EA-Punktzuweisung über das Sicherheitskreisdesign bis hin zur Programmierung und Inbetriebnahme. Wir liefern maßgeschneiderte Lösungen für elektrische Steuerungssysteme für verschiedene Brückenkrane und Portalkrane. Für Technische Beratung oder eine Projektplanung kontaktieren Sie bitte das technische Team von Kelude, um eine detaillierte Konfigurationsliste und Projektbeispiele zu erhalten.