Brückenkran-SPS-Umrüstung: Lohnt sich der Wechsel von Relais auf SPS? 5-Schritte-Vergleich & Amortisationsrechnung

Brückenkrane sind das Herzstück des Materialtransports in Fabrikhallen. Viele ältere Brückenkrane, die vor 2010 in Betrieb genommen wurden, verwenden noch Relais-Schütz-Steuerungen – im Schaltschrank befinden sich dutzende Hilfsrelais, Zeitrelais und Schütze, die über eine feste Verdrahtung logisch verriegelt sind. Bei jeder Änderung des Produktionsablaufs oder der Hinzufügung einer Sicherheitsverriegelung muss der Elektriker die Verdrahtung im Schaltschrank ändern und Relais austauschen – zeitaufwendig und fehleranfällig.

Dieser Artikel basiert auf der Norm DIN 15018 (Krane; Grundsätze für Stahltragwerke) und dem IEC 61131-3-Standard für SPS-Programmierung. Er vergleicht systematisch die Unterschiede zwischen Relaissteuerung und SPS-Steuerung in fünf Dimensionen: Fehlerdiagnose, Verdrahtungskomplexität, Logikänderung, Sicherheitsfunktionen und Betriebskosten. Zudem werden SPS-Auswahloptionen für verschiedene Traglastklassen und eine Kostenschätzung für die Umrüstung bereitgestellt.

Warum die alte Relaissteuerung im Schaltschrank modernisiert werden sollte

Die Relaissteuerung eines konventionellen Brückenkrans basiert auf einer „festen Verdrahtung + elektromagnetischen Relais"-Logik. Die Heben/Senken-Verriegelung des Hubwerks, die Endschalter-Verriegelung der Kranbrücke und der Not-Halt-Kreis werden ausschließlich durch die Reihen- und Parallelschaltung von Relaiskontakten realisiert. Diese Lösung war vor 20 Jahren der Standard, doch mit zunehmender Betriebsdauer treten folgende Probleme immer deutlicher hervor:

Das erste Problem ist die aufwendige Fehlersuche. Relaissteuerungen bieten keine Diagnosefunktionen. Wenn die Anlage plötzlich stoppt, muss der Elektriker Punkt für Punkt prüfen – welcher Relaiskontakt ist abgebrannt? Welche Leitung ist lose? Welcher Endschalter klemmt? Die durchschnittliche Fehlersuche dauert über 30 Minuten. Bei einem Fehler in der Nachtschicht und einem weniger erfahrenen Elektriker ist ein halbtägiger Stillstand keine Seltenheit.

Das zweite Problem ist die unflexible, fest verdrahtete Logik. Wenn die Produktionslinie angepasst werden muss, z. B. die Hubhöhenbegrenzung geändert oder eine neue Sicherheitsverriegelung hinzugefügt werden soll, muss die Verdrahtung physisch geändert werden. Jede zusätzliche Verriegelungsbedingung bedeutet ein weiteres Hilfsrelais und ein Dutzend zusätzlicher Drähte – der Schaltschrank wird immer unübersichtlicher.

Das dritte Problem ist die zunehmende Sicherheitsgefahr. Die Kontakte der Relais oxidieren und brennen bei häufigem Öffnen und Schließen allmählich ab. Der erhöhte Kontaktwiderstand führt zu Erwärmung und im schlimmsten Fall zum Verschweißen der Kontakte. Gemäß der Vorschrift TSG 51-2023 (Sicherheitstechnische Sondervorschrift für Sonderausrüstung) müssen Sicherheitsschutzeinrichtungen von Hebezeugen regelmäßig inspiziert werden. Doch verdeckte Fehler im Relaissystem – wie ein Anstieg des Kontaktwiderstands von normalerweise unter 50 mΩ auf über 500 mΩ – sind bei einer regulären Inspektion nur schwer zu erkennen.

Relais vs. SPS: Der 5-Punkte-Vergleich im Detail

Eine SPS ersetzt das Relais nicht einfach – sie verändert die Architektur der elektrischen Steuerung des Brückenkrans grundlegend. Die folgenden fünf Dimensionen verdeutlichen die technischen Unterschiede.

Fehlerdiagnose – Bei einem Ausfall der Relaissteuerung muss der Elektriker mit einem Multimeter Spannung und Durchgang Punkt für Punkt messen, was durchschnittlich über 30 Minuten dauert. SPS-Systeme hingegen verfügen über einen integrierten Diagnosepuffer, der jede Änderung der I/O-Signale, Kommunikationsunterbrechungen und Programmfehler automatisch aufzeichnet. Über die TIA-Portal-Software kann der Techniker den Fehlercode innerhalb von 60 Sekunden auslesen und die Störung präzise einem bestimmten Modul oder Kanal zuordnen.

Verdrahtungskomplexität – Am Beispiel eines 32-t-Zweiträger-Brückenkrans benötigt die Relaislösung ca. 50 Hilfsrelais und über 200 Verdrahtungspunkte. Die SPS-Lösung hingegen nutzt PROFINET-Bus, um entfernte I/O-Stationen direkt am Kran zu platzieren. Für die gesamte Signalerfassung und Steuerungsausgabe genügen so nur ca. 60 I/O-Punkte und ein einziges Netzwerkkabel.

Flexibilität bei Logikänderungen – Bei der Relaislösung dauert jede Änderung einer Verriegelungslogik 2–4 Stunden (Abschalten, Verdrahtung ändern, Relais tauschen, Testen). Mit der SPS-Lösung kann die Logik in TIA-Portal als KOP- oder SCL-Programm geändert, kompiliert und heruntergeladen werden – die Änderung ist in weniger als 30 Minuten wirksam.

Sicherheitsintegritätslevel – Relais können nur einfache Endschalter- und Not-Halt-Verriegelungen realisieren und erfüllen nicht die Anforderungen an SIL (Safety Integrity Level). Die Sicherheits-SPS S7-1500F realisiert über das PROFIsafe-Protokoll STO (Safe Torque Off) und SBC (Sicherheitsbremssteuerung) und erreicht damit SIL3. Dies erfüllt die Anforderungen der Vorschrift TSG 51-2023 an die Sicherheitsredundanz von Metallurgiekranen.

Betriebsdatenanalyse – Relaissysteme zeichnen keinerlei Betriebsdaten auf. Eine SPS kann automatisch die Anzahl der Betriebszyklen, die kumulierte Betriebszeit, die Fehlerarten und den Zeitpunkt ihres Auftretens für jede Bewegungseinrichtung erfassen. Diese Daten bilden die Grundlage für ein Management über den gesamten Lebenszyklus und eine vorbeugende Wartung.

Berechnung der I/O-Punkte für die SPS-Umrüstung

Der wichtigste Schritt vor der Umrüstung ist die präzise Erfassung der I/O-Punkte, da sie direkt die CPU-Baureihe und Modulkonfiguration der SPS bestimmt. Die Berechnung der I/O-Punkte folgt dem Prinzip „Antriebsbezogene Erfassung plus 20 % Reserve".

Berechnung der DI-Punkte (Digitaleingänge) – Am Beispiel eines Brückenkrans mit drei typischen Antrieben (Hubwerk + Kranfahrwerk + Laufkatze): Das Hubwerk benötigt 8 DI (obere Endlage, untere Endlage, Überdrehzahlsicherung, Bremsenöffnungsrückmeldung x2); das Kranfahrwerk benötigt 6 DI (linke Endlage, rechte Endlage, linke Verzögerung, rechte Verzögerung, Fahrbremsenrückmeldung x2); die Laufkatze benötigt 6 DI (vordere Endlage, hintere Endlage, vordere Verzögerung, hintere Verzögerung, Katzenbremsenrückmeldung x2).

Das Sicherheitssystem benötigt 8 DI (Not-Aus-Taster x3, Sicherheitstürschalter x2, Kontakte des Lastmomentbegrenzers x2, Überlastkontakt x1); weitere Signale ca. 10 DI (Bedientaster, Wahlschalter usw.). Insgesamt ergeben sich 38 DI, zuzüglich 20 % Reserve ergibt das 46 Punkte.

Berechnung der DO-Punkte (Digitalausgänge) – Das Hubwerk benötigt 4 DO (Hubschütz, Senkschütz, Bremsenlüftung, Störungsanzeigeleuchte); das Kranfahrwerk benötigt 4 DO (Fahrt links, Fahrt rechts, Bremsenlüftung, Störungsleuchte); die Laufkatze benötigt 4 DO (Fahrt vor, Fahrt zurück, Bremsenlüftung, Störungsleuchte); das Sicherheitssystem benötigt 4 DO (Akustischer und Optischer Alarm, Sicherheitsrelais-Reset); weitere ca. 6 DO. Insgesamt ergeben sich 22 DO, zuzüglich 20 % Reserve ergibt das 27 Punkte.

AI-Punkte (Analogeingänge) und HSC (Hochgeschwindigkeitszähler) – Die Wägezelle belegt 1–2 AI-Kanäle (4–20 mA), die Laser-Entfernungsmessung belegt 1 AI-Kanal, der Encoder belegt 1–3 HSC-Kanäle (je einer für Hubwerk, Kranfahrwerk und Laufkatze). Nach 20 % Reserve ergeben sich ca. 6 AI und ca. 4 HSC. Zusammenfassend benötigt das SPS-System eines 32-t-Brückenkrans mit drei Antrieben mindestens 46 DI, 27 DO, 6 AI und 4 HSC. Empfohlen wird eine S7-1513 CPU mit 3 DI16-Modulen, 2 DO16-Modulen und 1 AI8-Modul.

Umrüstungskosten und Amortisationsrechnung im Detail

Die Kosten für eine SPS-Umrüstung setzen sich im Wesentlichen aus Hardwarebeschaffung, Programmierlizenz sowie Montage und Inbetriebnahme zusammen. Sie variieren je nach Tragfähigkeit des Krans erheblich.

Für elektrische Einträger- oder kleine Brückenkrane bis 16 t ist die S7-1215C CPU ausreichend (Arbeitsspeicher 150 KB, max. 100 DI/DO). Die komplette Hardware (CPU + DI/DO-Module + Stromversorgung + Netzwerk-Switch) kostet ca. 770 EUR, die Programmierlizenz TIA Portal Basic ca. 320 EUR, Montage und Inbetriebnahme (3 Tage) ca. 640 EUR. Das Gesamtbudget liegt damit bei etwa 1.900 EUR.

Für mittlere Brückenkrane von 16–100 t empfehlen sich die S7-1513 oder S7-1516 CPU (Arbeitsspeicher 1 MB, unterstützt Motion-Control-TO). Die komplette Hardware kostet ca. 1.900 EUR, die Programmierlizenz ca. 1.000 EUR, Montage und Inbetriebnahme (7 Tage) ca. 1.900 EUR. Die Gesamtkosten belaufen sich auf etwa 5.100 EUR.

Für schwere Metallurgiekrane über 100 t oder Anwendungen mit Sicherheits-SPS ist die S7-1516F Safety-CPU erforderlich. Zusätzlich werden F-DI/F-DQ Sicherheits-IO-Module benötigt. Die komplette Hardware kostet ca. 5.800 EUR, die Programmierlizenz ca. 1.900 EUR, Montage und Inbetriebnahme (10 Tage) ca. 3.200 EUR. Die Gesamtkosten betragen etwa 11.300 EUR. Die genannten Beträge sind Schätzungen für Hardware und Montage; der endgültige Preis richtet sich nach dem konkreten Projektangebot.

Amortisationsrechnung: Am Beispiel eines Zweiträger-Brückenkrans mit 32 t Tragfähigkeit betragen die Gesamtkosten für die S7-1500-Nachrüstung ca. 40.000 CNY. Nach der Modernisierung sinken die jährlichen Wartungskosten von 36.000 auf 8.000 CNY (jährliche Ersparnis: 28.000 CNY). Die Stillstandszeit durch Störungen reduziert sich um 70 % (bei 40 Stunden Stillstand pro Jahr und einem Stundenumsatz von 500 CNY ergibt sich eine vermiedene Produktionsausfallzeit von ca. 14.000 CNY pro Jahr). Die gesamte jährliche Einsparung beträgt damit ca. 42.000 CNY, die Amortisationszeit liegt bei etwa einem Jahr.

Selbst bei konservativer Schätzung mit einer jährlichen Ersparnis von 30.000 CNY beträgt die Amortisationszeit nur 1,5 bis 2 Jahre.

PLC-Umbau in fünf Schritten: Der Praxisleitfaden

Die SPS-Umrüstung eines Brückenkrans ist kein einfacher „Austausch des Steuerkastens", sondern ein technisches Projekt, das eine ganzheitliche Aufrüstung des elektrischen Systems umfasst. Die Umsetzung erfolgt standardisiert in fünf Schritten.

1. Schritt 1: Bestandsaufnahme und Erstellung der IO-Liste – Der vorhandene Relais-Schaltschrank wird vollständig erfasst: Jedes Relais wird hinsichtlich Spulenspannung und Kontaktfunktion dokumentiert, jede Leitung mit Start- und Endpunkt markiert. Anschließend werden die vollständige IO-Liste und der Stromlaufplan erstellt. Dieser Schritt dauert 1–2 Tage und bildet die Grundlage für alle weiteren Arbeiten.
2. Schritt 2: Hardware-Auswahl und Beschaffung – Basierend auf der IO-Liste wird die Modulkonfiguration ermittelt: Die Anzahl der DI/DO-Punkte wird mit dem Faktor 1,2 multipliziert (20 % Reserve). Zum Einsatz kommt die bewährte Kombination aus Siemens S7-1500 CPU und ET200SP Remote-I/O-Modul. Die Beschaffungsliste umfasst CPU, IO-Module, Stromversorgungsmodul, PROFINET-Netzwerk-Switch und Klemmenleisten.
3. Schritt 3: Schaltschrankfertigung und Programmierung – Im Werkstattbereich werden Bodenplatte, Module und Verdrahtung des neuen SPS-Schaltschranks montiert. Parallel dazu erfolgt die Programmierung in TIA Portal nach IEC 61131-3 (Kontaktplan/SCL). Das Programm umfasst: Zustandsmaschinen für die drei Antriebe (Heben, Kranbrücke, Laufkatze), Sicherheitsverriegelung, Fehlerdiagnose und Alarmierung sowie eine HMI-Oberfläche. Ein vollständiger Funktionstest wird in der PLCSIM-Simulationsumgebung durchgeführt.
4. Schritt 4: Montage und Verdrahtung vor Ort – Im Rahmen eines geplanten Stillstandsfensters (Feiertage oder Wartungsperiode) wird der alte Relais-Schaltschrank demontiert und der neue SPS-Schaltschrank sowie die ET200SP-Remote-I/O-Station an der Kranbrücke installiert. Die Verdrahtung erfolgt Punkt für Punkt gemäß IO-Liste: DI-Signalleitungen mit 0,75 mm² abgeschirmter Leitung, DO-Steuerleitungen mit 1,5 mm². Nach Abschluss der Verdrahtung werden alle IO-Signale einzeln geprüft.
5. Schritt 5: Inbetriebnahme und Abnahme – Nach dem Laden des SPS-Programms erfolgt die schrittweise Inbetriebnahme in drei Laststufen: Leerfahrt, Teillast, Volllast. Geprüft werden: Hubendschalter, Kranbrücken-Endschalter, Not-Halt, Überlastschutz und Bremsenverriegelung. Nach Abschluss der Inbetriebnahme wird ein Prüfbericht erstellt und der Kran der Prüfstelle zur Überwachungsprüfung gemäß Vorschrift TSG 51-2023 vorgelegt. Nach erfolgreicher Abnahme wird der Kran in Betrieb genommen.

Häufige Fragen zur SPS-Nachrüstung von Brückenkranen