Synchronsteuerung für 100t-Zweiträger-Brückenkrane im Tandembetrieb

Die Sektions-Endmontage zählt zu den anspruchsvollsten Prozessen im Schiffbau. Eine typische Mittelsektion eines mittelgroßen Containerschiffs wiegt zwischen 150 und 200 Tonnen und ist über 20 Meter lang. Ein einzelner Kran – selbst mit 200 t Tragfähigkeit – kann diese Last aufgrund der großen Hakenabstände und der begrenzten Abstützpunkte nicht sicher handhaben. Die Lösung ist der Tandembetrieb zweier Krane. Doch wie lässt sich dabei eine Synchronisationsgenauigkeit von ±3 mm sicherstellen? Die Sektionsmontagehalle einer mittelständischen Werft in China liefert dafür einen praxiserprobten Beleg.

Warum ist der Tandembetrieb mit zwei Kranen zwingend erforderlich?

Schiffssektionen sind keine standardisierten Stahlcoils oder Container. Sie sind komplexe Stahlkonstruktionen mit großen Abständen zwischen den Anschlagpunkten (typischerweise 8–16 m), deren Schwerpunktlage je nach Sektionstyp variiert. Selbst wenn die Nennlast eines einzelnen Krans 200 t beträgt, führt ein Anschlagpunktabstand, der die Spurweite der Laufkatze überschreitet, zu unzulässigen Lastverteilungen:

① Die einseitige Laufkatze wird überlastet (eine für 100 t ausgelegte Laufkatze muss tatsächlich 120 t+ aufnehmen), was den Überlastschutz auslöst.
② Die Sektion neigt sich, die Stoßkanten verschieben sich und ein korrektes Fügen zum Schweißen ist unmöglich.③ Der Hauptträger wird durch die asymmetrische Last auf Torsion beansprucht, was bei Dauerbetrieb zu Ermüdung der Struktur führt.

Gemäß den Lastkombinationen der FEM 1.001 – Konstruktionsvorschriften für Krane ist für den Transport langer, unregelmäßiger Bauteile der Tandembetrieb mit zwei Kranen die bevorzugte Lösung. Dabei wird die Last auf vier Hakenpunkte verteilt – jede der beiden Laufkatzen eines Krans trägt etwa 45 t und liegt damit weit unter der zulässigen Nennlast von 100 t.

Das Kernprinzip der Synchronsteuerung: Mehr als nur gleiche Geschwindigkeit

Ein häufiger Irrglaube beim Tandembetrieb ist, dass es ausreicht, die Frequenzumrichter beider Krane auf denselben Sollwert zu stellen. In der Praxis führen jedoch Unterschiede in den Motorkennlinien, Unebenheiten der Schiene und unterschiedlicher Radverschleiß dazu, dass die tatsächlichen Positionen der Krane voneinander abweichen. Über eine Fahrstrecke von 30 m kann die Abweichung 15–25 mm erreichen – weit mehr als die geforderten ±3 mm für das Fügen der Sektionen.

Das Synchronisationskonzept dieses Projekts basiert auf einer elektrischen Kreuzkopplungsregelung mit geschlossenem Regelkreis über Laser-Entfernungsmessung:

① Echtzeit-Feedback per Laser-Entfernungsmesser. Zwischen den Kopfträgern der beiden Krane ist ein SICK DL100 Laser-Entfernungsmesser (Messbereich 50 m, Auflösung 0,1 mm) installiert. Er übermittelt die aktuelle Positionsdifferenz der beiden Krane alle 10 ms an die zentrale SPS.

② Kreuzkopplungs-Kompensationsalgorithmus. Die SPS arbeitet nicht im klassischen „Master-Slave“-Modus (bei dem ein Kran dem anderen folgt). Stattdessen wird die Positionsabweichung gleichzeitig an die Frequenzumrichter beider Krane übermittelt – bei positiver Abweichung wird der vordere Kran abgebremst und der hintere beschleunigt, bei negativer Abweichung umgekehrt. Diese Kreuzkopplungsstrategie vermeidet die bei reinen Master-Slave-Systemen auftretende Fehlerakkumulation. In Anlehnung an die Prinzipien der elektronischen Pendeldämpfung für Krane basiert die Synchronsteuerung im Kern auf einem zweifachen Regelkreis aus Position und Drehzahl.

③ Sanfte Endlagenbegrenzung im Tandembetrieb. Im Tandembetrieb nutzen beide Krane eine gemeinsame „virtuelle Endlage“. Sobald einer der Krane diese Soft-Limit erreicht, werden beide Krane kontrolliert abgebremst und gestoppt. Dadurch wird verhindert, dass die Sektion durch ein einseitiges Notstopp ins Kippen gerät.

Technische Details der Krananlage

Warum nicht einfach einen schwereren Einzelkran wählen?

Die naheliegende Frage lautet: Warum nicht direkt einen Zweiträger-Brückenkran mit 250 t Tragfähigkeit einsetzen? Die Antwort: Wirtschaftlichkeit und Flexibilität schließen sich hier gegenseitig aus.

Kostenvergleich: Ein Brückenkran mit 250 t Tragfähigkeit (A5, 36 m Spannweite) schlägt mit etwa 1,8 bis 2,2 Mio. CNY zu Buche, während zwei Krane mit je 100 t zusammen rund 3,2 bis 4,0 Mio. CNY kosten. Die Anfangsinvestition ist also rund 80 % höher – aber:

Flexibilität: Zwei Krane mit je 100 t können unabhängig voneinander arbeiten (gleichzeitiger Transport von zwei mittelgroßen Sektionen unter 80 t) oder im Tandembetrieb gekoppelt werden. Ein 250-t-Kran hingegen arbeitet immer solo – Engpässe in der Werkstatt, etwa beim Wenden und Zusammenführen von Sektionen, führen zu längeren Wartezeiten. Der Flaschenhals in einer Werft ist nie die einzelne Hubkapazität, sondern die Effizienz der Endmontage – zwei parallel arbeitende Krane steigern die Produktionskapazität weit mehr als ein einzelner 250-t-Kran.

Baukosten: Die Radlast eines 250-t-Krans liegt bei etwa 350 bis 400 kN – die Anforderungen an Kranbahnträger und Kragsteine sind damit doppelt so hoch wie bei einem 100-t-Kran (Radlast ca. 180 bis 200 kN). Bei einem Umbau im Bestandsgebäude können die Verstärkungsarbeiten an den Kranbahnträgern schnell 500.000 bis 800.000 CNY verschlingen – ein Posten, der häufig unterschätzt wird.

Häufige Fragen zum Tandembetrieb

Fallquelle: Branchenrecherche | Referenznormen: FEM 1.001· TSG 51-2023 · ISO 4301 — Einteilung der Krane