Kran-Encoder wählen: Inkremental, Absolut, Multiturn

Der Encoder ist ein unverzichtbares Element für die Positionsrückmeldung im elektrischen Steuerungssystem eines Krans. Ob es um die Verfahrpositionsbestimmung der Kranbrücke, die Querbewegungssteuerung der Laufkatze, die Hübhöhenerkennung oder die Synchronisation der Stützbeine bei einem Portalkran geht – präzise Positions- und Geschwindigkeitssignale sind in allen Fällen erforderlich. Mit zunehmender Automatisierung von Kränen hat sich die Encoderauswahl von der einfachen Anforderung „Impulse liefern“ hin zu einer komplexen Entscheidung entwickelt, die Faktoren wie Auflösung, Schnittstellenkompatibilität, Montageart, Schutzart und Lebenszykluskosten berücksichtigt.

Dieser Artikel basiert auf den Anforderungen der Norm DIN 15018 (Krane – Grundsätze für die Berechnung) und EN 60204-32 (Sicherheit von Maschinen – Elektrische Ausrüstung von Kranen) sowie den Vorgaben zur Positioniergenauigkeit aus ISO 4306 (Krane – Terminologie). Er bietet einen systematischen Überblick über die Auswahlkriterien, Montagerichtlinien und typische Fehlerbehebungen für vier Encodertypen: Inkrementalgeber, Absolutwertgeber Single-Turn, Absolutwertgeber Multi-Turn und Seilzuggeber.

Encoder-Typen und Funktionsprinzipien

Für den Einsatz im Kranbereich werden hauptsächlich vier Encodertypen nach Funktionsweise und Signalart unterschieden, jeweils mit spezifischen Einsatzbereichen:

Inkrementalgeber – geben drei Rechtecksignale A, B und Z aus. Die um 90° phasenverschobenen Signale A/B dienen der Drehrichtungserkennung, das Z-Signal (ein Impuls pro Umdrehung) als Referenzmarke. Übliche Auflösungen sind 1024 PPR, 2048 PPR, 3600 PPR und 5000 PPR. Vorteile sind die schnelle Reaktionszeit (Ausgangsfrequenz bis 300 kHz) und die geringen Kosten (ca. 40 € bis 150 €). Nachteilig ist das Fehlen einer absoluten Positionsinformation – nach einem Stromausfall oder einem Neustart der SPS ist eine Referenzfahrt („Homming“) erforderlich. Geeignet für den Drehzahlregelkreis von Heben, Kranbrücke und Laufkatze sowie für einfache Positionieraufgaben ohne Spannungsausfallsicherheit.

Absolutwertgeber Single-Turn – jeder Winkelposition ist ein eindeutiger digitaler Code zugeordnet (z. B. 13 bit = 8192 Schritte/Umdrehung, 25 bit = 33.554.432 Schritte/Umdrehung). Die aktuelle Winkelposition wird über die synchrone serielle Schnittstelle (SSI) oder die bidirektionale synchrone serielle Schnittstelle (BiSS-C) in Echtzeit ausgegeben. Nach dem Wiedereinschalten ist die Position sofort verfügbar, eine Referenzfahrt entfällt. Mit Schutzarten bis IP67~IP69K eignen sie sich für die Drehwinkelerfassung an der Trommel oder die Positionierung des Drehwerks. Typischer Preis: ca. 100 € bis 380 €.

Absolutwertgeber Multi-Turn – erweitert den Single-Turn-Geber um ein mechanisches Getriebegehäuse, das die absolute Position über bis zu 4096 Umdrehungen erfasst (z. B. 12 bit Getriebe + 13 bit Single-Turn = 25 bit Gesamtauflösung). Die Multiturn-Erfassung benötigt keine Batterie (basierend auf dem Wiegand-Sensor oder einer Getriebekonstruktion), die Umdrehungszahl bleibt auch ohne Spannung erhalten. Unterstützt werden Industrial-Ethernet-Schnittstellen wie PROFINET, EtherCAT und CANopen, über die Position, Geschwindigkeit, Temperatur und Diagnosedaten übertragen werden können. Ideal für die vollständige Hübhöhenmessung, die Synchronsteuerung mehrerer Krane und Pendeldämpfungssysteme, die eine absolute Koordinate über den gesamten Messbereich benötigen. Typischer Preis: ca. 250 € bis 1.000 €.

Seilzuggeber – wandeln eine lineare Bewegung über einen Edelstahl-Seilzug und eine Federrückholung in eine Drehbewegung des Encoders um. Der integrierte Absolutwertgeber (Multi-Turn) bietet einen Messbereich von 1~50 m (übliche Hübhöhen: 3 m, 5 m, 10 m), eine Linearität von ±0,05 % vom Messbereich und eine maximale Seilgeschwindigkeit von 4 m/s. Der Vorteil liegt in der einfachen Montage: Der Geberkörper wird am Kranrahmen befestigt, das Seilende am beweglichen Teil (Laufkatze/Haken); eine Kupplung oder Halterung ist nicht erforderlich. Geeignet für die Distanzmessung der Kranbrücke, die Positionsrückmeldung der Laufkatze und die unterstützende Hübhöhenmessung. Typischer Preis: ca. 190 € bis 770 €.

Technische Parameter im Vergleich

Auswahlhilfe: Encoder im Vergleich

Die folgende Tabelle stellt die wichtigsten Auswahlparameter der vier Encodertypen für typische Krananwendungen gegenüber. Bei der Auswahl sollten zunächst die geforderte Positioniergenauigkeit, die verfügbare SPS-Schnittstelle und der Bauraum berücksichtigt werden.

Montagerichtlinien und elektrische Verdrahtung

Die Montagequalität des Encoders hat direkten Einfluss auf Messgenauigkeit und Lebensdauer. EN 60204-32 stellt klare Anforderungen an die Verlegung der Signalkabel von Drehgebern:

Mechanische Montage – Die Koaxialitätsabweichung zwischen der Encoderwelle und der Motorwelle bzw. Trommelwelle sollte innerhalb von ±0,05 mm liegen (bei Verwendung einer elastischen Kupplung bis ±0,2 mm zulässig). Als Kupplung sind Ausführungen aus Edelstahl-Wellschlauch oder als drehelastische Klauenkupplung zu wählen; starre Verbindungen sind unzulässig. Die Montagehalterung muss eine ausreichende Steifigkeit aufweisen; empfohlen wird eine Ausführung aus Dickblech mit mindestens 6 mm Materialstärke, abgekantet bzw. gebogen. Die Schwingungsbeschleunigung an der Halterung sollte 5 g nicht überschreiten. Bei Hohlwellen-Encodern ist darauf zu achten, dass die axiale Anpresskraft den vom Hersteller angegebenen Maximalwert (üblicherweise 40–80 N) nicht überschreitet.

Elektrische Verdrahtung – Das Signalkabel des Encoders ist getrennt vom Stromkabel zu verlegen; der Mindestabstand beträgt 200 mm. Bei unvermeidbarer Kreuzung ist ein Winkel von 90° einzuhalten. Die Schirmung ist an beiden Enden – Encoder- und SPS-Seite – über EMV-Kabelschellen zu erden (Schirmungserdung); der Querschnitt des Erdungsleiters beträgt mindestens 4 mm². Bei HTL-Push-Pull-Ausgang ist eine maximale Übertragungsstrecke von 200 m (bei 0,75 mm² Kabelquerschnitt) möglich, bei RS-485-Differenzsignal bis zu 1200 m. Für PROFINET-Schnittstellen ist ein Industrial-Ethernet-Kabel der Kategorie CAT5e oder höher zu verwenden; die maximale Länge beträgt 100 m.

Schutzmaßnahmen – Encoder, die am Trommelende montiert werden, müssen mit einer Schutzhaube versehen werden, um das Eindringen von Drahtseilschmieröl und Staubablagerungen zu verhindern. Bei Betrieb in Hochtemperaturumgebung (Umgebungstemperatur > 60 °C) ist zwischen Montagehalterung und Encoder eine Wärmedämmplatte (3–5 mm Keramikfaserplatte) einzulegen; bei Bedarf ist eine Druckluftspülung zur Kühlung vorzusehen. In der Anschlussdose von Kran-Encodern für den Außenbereich ist ein Trocknungsmittelbeutel zu platzieren; die Kabeleinführungen sind mit metallischen Wasserdicht-Verschraubungen (Schutzart IP68) auszuführen.

Störungsdiagnose und Fehlerbehebung

Störungen an Kran-Encodern treten typischerweise in drei Erscheinungsformen auf: vollständiger Signalverlust (SPS meldet „Encoderfehler"), Signalsprünge (zufällig springende Positionswerte) und Nullpunktdrift (Positionsverlust oder -versatz nach Spannungsunterbrechung). Im Folgenden werden die Ursachen und die systematische Fehlersuche für jede Störungsart erläutert:

Vollständiger Signalverlust – Zunächst ist die Versorgungsspannung zu prüfen (bei HTL-Encodern üblicherweise 10–30 VDC, bei TTL-Encodern 5 VDC ±5 %). Mit einem Multimeter ist die Spannung direkt am Encoder zu messen; sie darf 90 % des Nennwerts nicht unterschreiten. Anschließend ist die Kabeldurchgängigkeit zu prüfen – mit einem Oszilloskop wird das Signal an der SPS-Seite erfasst; im Normalfall sind Rechteckimpulse sichtbar. Bei fehlendem Signal sind die Zwischen-Anschlussdosen und die Schleppkettenkabel-Abschnitte schrittweise zu prüfen. Häufige Ursachen sind Drahtbruch im Schleppkettenkabel (durch wiederholte Biegeermüdung) oder gelöste bzw. oxidierte Verbindungen an der Klemmenleiste.

Signalsprünge / Impulsverlust – Der von der SPS gelesene Positionswert springt zufällig (z. B. von 12345 auf 15678 und wieder zurück). Drei Hauptursachen kommen in Betracht: ① Elektromagnetische Störungen – wenn das Stromkabel des Frequenzumrichters parallel zum Signalkabel des Encoders verläuft, können hochfrequente PWM-Störungen in die Signalleitung einkoppeln; am Ausgang des Frequenzumrichters ist eine Ausgangsdrossel (du/dt-Filter) zu installieren. ② Unzureichende Schirmungserdung – die Schirmung ist nur an einem Ende geerdet oder der Erdungswiderstand ist zu hoch (sollte < 4 Ω betragen). ③ Kupplungsschlupf – bei gealterter elastischer Kupplung sinkt das übertragbare Drehmoment, was bei Beschleunigungs- und Verzögerungsvorgängen zu einem Winkelschlupf führt; die Kupplung ist zu ersetzen und der Encoder neu zu kalibrieren.

Nullpunktdrift / -verlust – Bei Inkrementalgebern verschiebt sich die Nullposition nach einem Neustart. Vorgehensweise: ① Prüfen, ob das SPS-Programm den aktuellen Zählerstand vor der Spannungsunterbrechung gespeichert hat (Remanenz-Register). ② Prüfen, ob der N-Impuls (Nullimpuls) korrekt anliegt – ein Impuls pro Umdrehung, Impulsbreite ca. 1/4 Periode. ③ Bei Verwendung eines externen Nullimpulses über Näherungsschalter ist der Schaltabstand zu prüfen (üblicherweise 2–4 mm). Wenn bei einem Absolutwertgeber die „Umdrehungszählung" auf Null zurückgesetzt wird, ist dies meist auf eine blockierte interne Zahnrad-Mechanik oder einen defekten Wiegand-Sensor zurückzuführen – in diesem Fall ist das Gerät zur Reparatur einzusenden.

Kalibrierung und Inbetriebnahme von Encodern

Nach der Montage des Encoders sind folgende Schritte zur Inbetriebnahme und Kalibrierung erforderlich, um die Positioniergenauigkeit gemäß den Anforderungen des Kransteuerungssystems sicherzustellen:

Schritt 1: Prüfung im Stillstand – Encoder mit Spannung versorgen und den aktuellen Encoderwert online in der SPS-Software überwachen. Bei vollständig stillstehendem Kran (Bremsung geschlossen, Motor spannungsfrei) die Schwankung des Positionswerts beobachten. Bei Inkrementalgebern sollte die Schwankung < ±2 Impulse (nach 4-fach Auswertung < ±8 Counts) betragen, bei Absolutwertgebern < ±1 LSB. Bei zu großen Abweichungen die Versorgungsspannung des Encoders auf Restwelligkeit (sollte < 50 mVpp sein) und die Qualität der Erdung prüfen.

Schritt 2: Nullpunkt-Kalibrierung – Inkrementalgeber: Den Kran zur physischen Nullposition fahren (z. B. Endlagenschalter der Kranbrücke, untere Hubgrenze) und das SPS-Referenzierprogramm ausführen – langsam in Richtung Nullposition bewegen und den Zähler beim Erkennen der steigenden Flanke des Z-Impulses auf Null setzen. Absolutwertgeber: Die Funktion „Preset-Wert" in der SPS einstellen – den Encoderwert, der der aktuellen physischen Position entspricht, in das Preset-Register schreiben. Alle nachfolgenden Positionswerte werden relativ zu diesem Referenzpunkt berechnet. Die Berechnung des Preset-Werts erfolgt nach: Preset-Wert = Zielposition (mm) × (Auflösung / Weg pro Umdrehung).

Schritt 3: Verifikation über den gesamten Hubweg – Den Kran mit niedriger Geschwindigkeit (< 10 % der Nenngeschwindigkeit) über den gesamten Verfahrweg bewegen. An fünf Positionen (Start, 25 %, 50 %, 75 %, Ende) die physische Position mit einem Laser-Entfernungsmesser oder Maßband erfassen und mit dem vom Encoder über die SPS angezeigten Wert vergleichen. Die Positionsabweichung sollte ≤ ±(0,1 % des Messbereichs + 1 Encoder-Auflösung) betragen. Bei Überschreitung der Toleranz die Einstellung des Übersetzungsverhältnisses zwischen Encoder und Messwelle sowie die Kupplung auf Winkelschlupf prüfen.

Schritt 4: Dynamischer Genauigkeitstest – Den Kran mit 25 %, 50 % und 100 % der Nenngeschwindigkeit betreiben und die Positionsnachführfehlerkurve der SPS aufzeichnen. Während der Beschleunigungs- und Verzögerungsphasen darf der Nachführfehler vorübergehend auf das 3- bis 5-fache der statischen Genauigkeit ansteigen, muss jedoch im stationären Bereich (konstante Geschwindigkeit) wieder auf die statische Genauigkeit zurückkehren. Bei Pendeldämpfungssystemen sollte der dynamische Positionsfehler ≤ ±5 mm (Heben) und ≤ ±10 mm (Kranbrücke/Laufkatze) betragen, andernfalls die Aktualisierungsrate des Encoders prüfen (empfohlen ≥ 1 kHz).

Weiterführende Normen und Literatur

• ISO 4306 – Auslegung von Brückenkranen – Informationen zu den Anforderungen an das elektrische Steuerungssystem in der Gesamtkonstruktion.

• GB/T 28264 – Sicherheitsüberwachungs- und Managementsystem für Hebezeuge – Anforderungen an die Datenerfassung und -aufzeichnung von Positionssensoren im Sicherheitsüberwachungssystem.

Häufige Fragen zur Encoder-Auswahl und Fehlersuche