Brückenkran-Sicherheitsüberwachung SIL3: Sensorkonfiguration
Das Sicherheitsüberwachungs- und Managementsystem für Brückenkrane wird nach GB/T 28264-2017 konzipiert und integriert eine Sensorikgruppe aus Traglastbegrenzer (Typ QCX-H2Z), Fahrwegendschaltern, Laser-Kollisionsschutz (SICK MLS), Windmesser (Typ ELT-2) sowie Verschleißüberwachung der Bremse. Über die Sicherheits-SPS von Siemens (S7-1500F/S7-1200F) wird eine dreistufige Alarm- und Verriegelungslogik realisiert. Das System erfüllt die Anforderungen der funktionalen Sicherheitsstufe SIL3 nach IEC 61508 und eignet sich für Hochrisikobereiche wie Metallgießerei, Hafenterminals und Kernkraftwerke.
Systemarchitektur und Sensorik für Kran-Sicherheitsüberwachung
| Sicherheitsfunktionen | Sensor Typ | Sensor Typ | Messbereich | Genauigkeit | Schnittstelle | Sicherheitsintegritätslevel |
|---|---|---|---|---|---|---|
| LastErfassung | Nebenanschluss/LagergehäuseNebenanschlussSensor | QCX-H2Z | 1~500t | ±0.5%FS | 4~20mA+RS485 | SIL2 |
| Heben / AnhebenEndschalter | Senkblei/SchneckengetriebeNebenanschluss | LX10-12/LXK3 | 0~50m | ±5mm | Trockenkontakt(DPDT) | SIL3 |
| Fahrwegbegrenzer | Näherungsschalter/MaschinenEndschalter | NBB15-30GH50-E2 | 0~400m | ±2mm | NAMUR/PNP | SIL3 |
| KollisionsschutzErkennung | Laserscanner(TOF) | SICK MLS-E | 0.5~30m | ±50mm | IO-Link/Profinet | SIL2 |
| WindgeschwindigkeitErfassung | UltraschallWindmesser | ELT-2 | 0~60m/s | ±0.5m/s | 4~20mA+RS485 | — |
| BremseErfassung | Mikroschalter/Wegsensor | XCKM162 / Seilzug | 0~10mm | ±0.1mm | 24V PNP | SIL2 |
| SchieneEndpuffer | Polyurethan/hydraulischer Puffer | HYD-400/JSN-4 | Pufferhub200~800mm | — | MaschinenKontakt | — |
| Not-Aus-Taster | Pilztaster | XB4-BS (britische Norm)844 | — | — | ZweifachunterbrechungNC | SIL3 |
| Türverriegelung | ElektromagnetischTürschloss+Sicherheitsschalter | MZM 100-B1-1 | — | — | OSSDAusgang | SIL3 |
Zwei- und dreistufige Alarmverriegelungslogik
Das Sicherheitsüberwachungssystem unterscheidet drei Alarmstufen: Hinweis (gelb), Warnung (orange) und Gefahr (rot). Jede Stufe hat unterschiedliche Reaktionszeiten und ausgelöste Maßnahmen. Die Sicherheitsverriegelungslogik wird in der sicherheitsgerichteten SPS Siemens S7-1500F ausgeführt. Alle sicherheitsrelevanten Signale werden über dezentrale Peripherie (ET200SP F-RQ) eingebunden. Das Sicherheitsprogramm ist vom Standard-Steuerungsprogramm getrennt (Zweikanal-Architektur). Das optische Inspektionssystem des Brückenkrans (Details siehe Technische Lösung zur optischen Inspektion mit KI) liefert das Signal zur Personenerkennung für die Gefahrenstufe. Wird eine Person im Lastbereich erkannt, wird direkt ein Not-Halt ausgelöst – mit einer Reaktionszeit von <100ms.
Die Hinweisstufe wird in der Standard-SPS ausgeführt (nicht sicherheitsgerichtet). Warn- und Gefahrenstufe laufen in der Sicherheits-SPS (Sicherheitsgang, TÜV-zertifizierte Funktionsbausteine). Der Diagnosezyklus der Sicherheits-SPS ist auf 50ms eingestellt (Profinet-Bus-Jitter <1ms). Damit bleibt die Gesamtreaktionszeit von der Sensorerfassung bis zum Sicherheitsausgang (Relais trennt Hauptschütz) innerhalb der Anforderungen gemäß SIL3 (<50ms). Nach der Verriegelung werden die Störungsdaten im Black-Box-Datenschreiber gespeichert und parallel per OPC UA an die Leitwarte und die Cloud übertragen.
| AlarmKlasse | Auslösebedingung | Ausgangsfunktion | Reaktionszeit | Rückstellung | ZuordnungNorm |
|---|---|---|---|---|---|
| Warnstufe(Gelb) | Last>90%Nenn,Windgeschwindigkeit>13.8m/s,BremseSpalt>2mm | Akustischer und Optischer Alarm+FahrgeschwindigkeitBegrenzung50% | <500ms | Selbsthaltung | GB/T 28264 — Sicherheitsüberwachungs- und Managementsystem-2017 |
| Vorwarnstufe(Orange) | Last>105%Nenn,Windgeschwindigkeit>20m/s,BremseSpalt>3mm | Akustischer und Optischer Alarm+VerzögerungKriechgeschwindigkeit+StoppHeben / Anheben | <300ms | ManuellBestätigung | GB/T 28264 — Sicherheitsüberwachungs- und Managementsystem-2017 |
| Gefahrenstufe(Rot) | Last>110%Nenn,Windgeschwindigkeit>25m/s,Überhub,Personenschutz | NotBremsung+AntriebsabschaltungStromversorgung+Akustischer und Optischer Alarm | <50ms(SicherheitPLC) | Schlüsselrückstellung | IEC 61508 SIL3 |
Sicherheits-PLC und fehlersichere I/O-Module
Das Sicherheitsüberwachungssystem des Brückenkrans basiert auf der Siemens-Steuerung S7-1500F (CPU 1515F-2 PN) in Verbindung mit dem fehlersicheren I/O-System ET200SP F-RQ. Die Sicherheitsprogrammierung erfolgt in LAD/FBD über TIA Portal Step 7 Safety. Sicherheitsrelevante Sensorsignale (Not-Halt, Endschalter, Türverriegelung) werden über die fehlersicheren I/O-Module eingelesen und über PROFIsafe an die Sicherheits-CPU übertragen. Das Sicherheitsprogramm wird in der Sicherheits-CPU zweikanalig ausgeführt (zwei unabhängige Logikkanäle mit gegenseitiger Verriegelung); jede Einzelfehlererkennung (ein Kanal liefert 0, der andere 1) löst eine sichere Abschaltung aus. Die gemeinsame Hardware-Plattform von Sicherheits-PLC und Standard-Steuerung senkt die Umbaukosten insgesamt und reduziert den Schaltschrankplatzbedarf um rund 40 % gegenüber einer separaten Sicherheitssteuerung.
Das fehlersichere I/O-System (ET200SP F-RQ) unterstützt bis zu 24 fehlersichere Digitaleingänge und 8 fehlersichere Digitalausgänge. Jeder Eingang verfügt über eine kanalbezogene Diagnose – Kabelkurzschluss, Sensorkabelbruch und Spannungsanomalien werden erkannt und lösen eine sichere Abschaltung aus. Die Sicherheits-PLC sendet das Freigabesignal im 10-ms-Zyklus an die Standard-Steuerung des Brückenkrans; erst nach bestätigtem Empfang der Sicherheitsfreigabe darf die Standard-Steuerung Betriebsbefehle ausgeben. Durch diese Gateway-Architektur lässt sich die Sicherheitsnachrüstung ohne Austausch des vorhandenen Kransteuerschranks in das bestehende System integrieren.
Lösungsvorteile des Sicherheitssystems von Kelude
Das Sicherheitsüberwachungssystem des Brückenkrans von Kelude Schwerindustrie hat die vollständige Prüfung nach GB/T 28264 — Sicherheitsüberwachungs- und Managementsystem durch das nationale Prüfzentrum für Hebezeuge und Fördertechnik bestanden. Die Sicherheits-PLC-Konfiguration erfüllt den Sicherheitsintegritätslevel SIL 3. Das System ist serienmäßig mit einem Schwarzschreiber ausgestattet (kontinuierliche Speicherung von 30 Tagen Betriebsdaten inklusive Last, Position, Geschwindigkeit und Alarmereignissen) und unterstützt den Remote-Datenexport sowie Compliance-Audits. Kelude Schwerindustrie bietet eine kostenlose Risikobewertung vor Ort und die Ermittlung des erforderlichen Sicherheitsintegritätslevels für das Kransicherheitssystem an.
Häufige Fragen
F: Welche Sensoren sind für ein SIL-3-Sicherheitsüberwachungssystem am Brückenkran erforderlich?
A: Gemäß GB/T 28264 sind mindestens erforderlich: Traglastbegrenzer, Hubbegrenzer, Fahrwegbegrenzer, Windmesser (bei Außenbetrieb), Kollisionsschutz, Überdrehzahlsicherung, Verschleißprüfung der Bremse sowie Tür-Endschalter. Für SIL 3 müssen kritische Signale zweikanalig redundant ausgeführt sein.
F: Welche Anforderungen stellt SIL 3 an die Steuerung?
A: SIL 3 erfordert eine Steuerung mit zweikanaliger CPU-Architektur, Hardware-Redundanz und einer fehlersicheren Reaktionszeit von ≤ 100 ms. Geeignete Sicherheits-SPS sind z. B. Siemens S7-1500F (F-Serie) und S7-1200F, die über eine TÜV-SIL-3-Zertifizierung verfügen müssen.
F: Welche Normen gelten für das Sicherheitsüberwachungssystem?
A: Maßgeblich sind GB/T 28264 — Sicherheitsüberwachungs- und Managementsystem für Hebezeuge sowie die Norm GB/T 3811. Der Sicherheitsintegritätslevel orientiert sich an IEC 61508 und GB/T 20438; die Zertifizierung der Sicherheits-SPS erfolgt nach IEC 62061 und ISO 13849.
SIL3-Sicherheitsüberwachung für Brückenkrane: Sensorik und SPS-Verkettung nach GB/T 28264
Das Sicherheitsüberwachungssystem für Brückenkrane nach GB/T 28264-2017 und IEC 61508 SIL3 bildet die zentrale Instanz zur Absicherung von Krananlagen im industriellen Einsatz. Es bündelt sicherheitsgerichtete Sensoren – vom Lastbegrenzer über Wegbegrenzer und Antikollisionsradar bis hin zu Windgeschwindigkeitsmesser und Bremsenüberwachung – und führt deren Signale in einer Sicherheits-SPS (S7-1500F/1200F) zusammen. Auf dieser Basis wird eine dreistufige Alarmkette ausgelöst, die im Fehlerfall definierte Reaktionen bis hin zum sicheren Stillsetzen der Anlage einleitet. Der folgende Beitrag erläutert die Sicherheitsklasseneinteilung, die relevanten Sensorparameter sowie das zeitliche Verhalten der Verkettung.
Sicherheitsstufen und Anforderungen nach GB/T 28264
Die Norm GB/T 28264-2017 definiert für Brückenkrane verbindliche Anforderungen an die sicherheitsgerichtete Überwachung. Das System wird dabei in Sicherheitsstufen eingeteilt, die sich am Gefährdungspotenzial der jeweiligen Krananlage orientieren. Für Anwendungen mit erhöhtem Risiko – etwa im Schwerlastbetrieb oder bei hoher Taktdichte – ist die Auslegung nach SIL3 gemäß IEC 61508 vorgesehen. Diese Stufe setzt eine redundante Sensorik, eine fehlertolerante Signalverarbeitung und eine nachweislich sichere Abschaltlogik voraus.
Die Einteilung der Sicherheitsstufen erfolgt anhand der möglichen Schadensschwere und der Eintrittswahrscheinlichkeit. SIL3 verlangt dabei einen Anteil sicherer Ausfälle von mindestens 99,9 % und eine Fehlertoleranz, die auch bei Einzelfehlern in der Sensorik oder Logik den sicheren Zustand der Anlage gewährleistet. In der Praxis bedeutet dies: Jede sicherheitsgerichtete Funktion wird mindestens zweikanalig ausgeführt, und die Abschaltpfade sind redundant aufgebaut.
Sensorik für die Kranüberwachung im Detail
Die sicherheitsgerichtete Überwachung eines Brückenkrans stützt sich auf mehrere Sensortypen, die unterschiedliche Gefahrenquellen abdecken. Die folgende Übersicht zeigt die zentralen Komponenten und ihre jeweilige Funktion im Sicherheitskonzept:
| Sensortyp | Überwachte Funktion | Ausgangssignal |
| Lastbegrenzer | Überlastschutz der Hubwerks | Analog 4–20 mA / digital |
| Wegbegrenzer (Endschalter) | Begrenzung von Kran- und Katzfahrweg | Potentialfreier Kontakt |
| Antikollisionsradar | Abstandserkennung zwischen Kranen oder zu Hindernissen | Radar-Signal, analog |
| Windgeschwindigkeitsmesser | Überwachung der zulässigen Windlast im Außenbereich | Analog 4–20 mA |
| Bremsenüberwachung | Verschleiß- und Funktionskontrolle der Betriebs- und Haltebremsen | Digital (Zustand) |
Die Auswahl und Parametrierung der Sensoren richtet sich nach der jeweiligen Kranbauart und den betrieblichen Randbedingungen. Für die SIL3-Auslegung ist entscheidend, dass jeder Sensor über eine eigene, fehlersichere Signalaufbereitung verfügt und die Messwerte in der Sicherheits-SPS plausibilisiert werden.
Dreistufige Alarmkette und SPS-Verkettung
Die Sicherheits-SPS (S7-1500F/1200F) verarbeitet die Signale aller angeschlossenen Sensoren und setzt daraus eine dreistufige Alarmkette um. Jede Stufe löst eine definierte Reaktion aus, die sich an der Schwere der erkannten Abweichung orientiert:
- Stufe 1 – Vorwarnung: Bei Überschreitung eines Grenzwerts wird ein optischer und akustischer Alarm ausgelöst. Der Kranbetrieb bleibt zunächst uneingeschränkt möglich, der Bediener wird jedoch auf die kritische Situation hingewiesen.
- Stufe 2 – Reduzierter Betrieb: Bei weiterer Annäherung an den Gefahrenbereich wird die Hubgeschwindigkeit automatisch reduziert. Die Kranfahrten werden verlangsamt, um dem Bediener mehr Reaktionszeit zu verschaffen.
- Stufe 3 – Sicheres Stillsetzen: Beim Erreichen des maximal zulässigen Grenzwerts wird der Kran zwangsweise stillgesetzt. Die Sicherheits-SPS unterbricht die Leistungszufuhr zu den Antrieben, und die Bremsen werden aktiviert.
Die Verkettung der drei Stufen erfolgt zeitlich und logisch so, dass im Fehlerfall immer die höchste erforderliche Stufe wirksam wird. Die Reaktionszeiten der Sicherheits-SPS liegen dabei im Bereich weniger Millisekunden, sodass die Abschaltung deutlich schneller erfolgt als die physikalisch mögliche Bewegung des Krans.
Reaktionszeiten und zeitliches Verhalten der Sicherheitskette
Die Gesamtreaktionszeit der Sicherheitskette setzt sich aus den Ansprechzeiten der Sensoren, der Signalverarbeitung in der SPS und der Schaltzeit der Leistungsschütze zusammen. Für die SIL3-Auslegung ist die Summe dieser Zeiten maßgeblich, da sie die maximale Nachlaufstrecke des Krans im Fehlerfall bestimmt.
In der Praxis werden die Sensoren so parametriert, dass ihre Ansprechzeit deutlich unter der geforderten Gesamtreaktionszeit liegt. Die Sicherheits-SPS prüft zyklisch die Plausibilität aller Messwerte und erkennt dadurch auch schleichende Drift- oder Verschleißerscheinungen, bevor sie zu einem kritischen Zustand führen.
Zertifizierung und Normenkonformität nach IEC 61508
Die Auslegung des Sicherheitsüberwachungssystems nach SIL3 setzt eine Zertifizierung der eingesetzten Komponenten und der Gesamtlösung voraus. Die Sicherheits-SPS S7-1500F/1200F ist nach IEC 61508 bis SIL3 zertifiziert und erfüllt damit die Anforderungen an die fehlersichere Signalverarbeitung. Auch die angeschlossenen Sensoren müssen für den Einsatz in SIL3-Kreisen zugelassen sein.
Die Norm GB/T 28264-2017 ist in ihren sicherheitstechnischen Anforderungen eng an die internationale Norm IEC 61508 angelehnt. Für den Einsatz im DACH-Raum ist zusätzlich die Konformität mit DIN 15018 (Tragwerksberechnung) und EN 13000 (Sicherheit von Fahrzeugkranen) zu beachten, soweit diese für die jeweilige Kranbauart einschlägig sind. Die Kombination aus SIL3-zertifizierter SPS und normenkonformer Sensorik stellt sicher, dass das System sowohl den chinesischen als auch den europäischen Anforderungen genügt.
F: Welche Normen gelten für das Sicherheitsüberwachungssystem?
F: Welche Normen sind für das Sicherheitsüberwachungssystem von Brückenkranen maßgeblich?
A: Die primäre Norm ist GB/T 28264-2017, die die Anforderungen an die sicherheitsgerichtete Überwachung definiert. Für die SIL3-Auslegung ist zusätzlich IEC 61508 maßgeblich. Im DACH-Raum sind je nach Kranbauart auch DIN 15018 und EN 13000 zu berücksichtigen.
F: Welche Sensoren sind im System integriert?
F: Welche Sensortypen werden in dem Sicherheitsüberwachungssystem eingesetzt?
A: Das System umfasst Lastbegrenzer, Wegbegrenzer (Endschalter), Antikollisionsradar, Windgeschwindigkeitsmesser und Bremsenüberwachung. Jeder Sensor ist für den Einsatz in SIL3-Kreisen ausgelegt und liefert ein fehlersicheres Ausgangssignal.
F: Wie funktioniert die dreistufige Alarmkette?
F: Wie ist die dreistufige Alarmkette aufgebaut und welche Reaktionen löst sie aus?
A: Stufe 1 gibt eine Vorwarnung mit optischem und akustischem Signal. Stufe 2 reduziert die Fahr- und Hubgeschwindigkeit automatisch. Stufe 3 setzt den Kran zwangsweise still, indem die Leistungszufuhr unterbrochen und die Bremsen aktiviert werden.
