KI-Fehlerdiagnose für Krane: Pendeldämpfung

KI-gestützte Pendeldämpfung: Regelkreis und Sensorik im Überblick

Herkömmliche Pendeldämpfungssysteme basieren meist auf einem vereinfachten Pendelmodell und unterdrücken die Lastpendelung über eine feste Geschwindigkeitskurve in der Steuerkette oder eine konstante Filterung. Dieses Verfahren funktioniert zuverlässig, solange Seillänge, Last und Laufkatzenbeschleunigung einigermaßen konstant bleiben. Bei Doppelträgerkranen nach europäischer Norm mit 50 t bis 300 t – also bei großer Spannweite, langen Hubseilen, außermittiger Last und plötzlichen Windstörungen – führen feste Parameter jedoch schnell zu Unter- oder Überkompensation. Besonders bei Not-Aus, schnellem Tippbetrieb oder verlagertem Lastschwerpunkt kann das Modell der Steuerkette die tatsächliche Pendelphase des Lastaufnahmemittels nicht rechtzeitig erfassen und muss das Abklingen der Schwingung passiv abwarten.

Das KI-Pendeldämpfungssystem führt „Erfassen – Vorhersagen – Korrigieren" in den geschlossenen Regelkreis ein. Die Sensorikschicht fusioniert Signale wie Laufkatzenposition, Kranbrückenposition, Hubseillänge, Lastmasse, Neigungswinkel, Beschleunigung, Motorstrom und Windgeschwindigkeit. Die Vorhersageschicht schätzt Amplitude und Phase der Lastpendelung mithilfe eines online trainierten Zeitreihenmodells vorab. Die Korrekturschicht überführt diese Vorhersage in Feinabstimmungswerte für Laufkatzen- und Hubgeschwindigkeit. Statt „erst pendeln, dann dämpfen" setzt die KI auf „erst vorhersagen, dann kompensieren". Gibt der Kranführer beispielsweise einen Fahrbefehl, fügt die KI während der Beschleunigungsphase der Laufkatze synchron eine gegenläufige Geschwindigkeitskompensation hinzu, sodass die Nachlaufgröße der Last in einem engeren Bereich bleibt.

In der Praxis ersetzt die KI-Pendeldämpfung nicht die SPS-Hauptsteuerung, sondern arbeitet als zusätzliche Bewegungsebene. Führungssignale, Endschaltersignale und Bremslogik verbleiben in der bestehenden SPS; die KI korrigiert lediglich die Geschwindigkeitsvorgaben geringfügig. Der Vorteil: Selbst bei einer Störung des KI-Modells kann das System in den regulären geschlossenen Regelkreis oder in den manuellen Modus zurückkehren, ohne die bestehende Sicherheitskette zu beeinträchtigen. Bei Doppelträgerkranen nach europäischer Norm mit 50 t bis 300 t ist diese Architektur besonders wichtig, da ein außer Kontrolle geratenes schweres Lastaufnahmemittel ein weit höheres Sicherheitsrisiko darstellt als bei kleinen Kranen.

Für Fehlerdiagnose und datengeschlossenen Kreislauf lässt sich der Rahmen von ISO 24621:2022 „KI-Fehlerdiagnose für Krane" heranziehen, um Sensorresiduen, Modellabweichungen und Antriebsstrommerkmale in die Diagnosestichproben aufzunehmen. So kann die Pendeldämpfungssteuerung nicht nur Schwingungen unterdrücken, sondern auch frühzeitig Sensor-Drift, Seilabnutzung und nachlassende Motorreaktion erkennen. Je vollständiger die Sensordaten, desto stabiler die Erkennung der Lastpendelung durch die Kran-KI und desto wirksamer das anschließende Online-Lernen.

Kelude Schwerindustrie setzt die KI-Pendeldämpfung in hochwertigen Sonderanfertigungen von Doppelträgerkranen nach europäischer Norm mit 50 t bis 300 t als eigenständige Steuerungsebene über der bestehenden SPS-Sicherheitslogik ein. Fällt die KI-Steuerung aus, kann das Gerät in den regulären geschlossenen Regelkreis oder in den manuellen Modus zurückfallen, ohne Hauptstromkreis und Sicherheitsschutz zu beeinträchtigen. Die Regelungsperiode liegt üblicherweise bei 10 bis 20 ms, wodurch die wesentlichen Frequenzbänder der Lastpendelung abgedeckt werden, ohne das industrielle Netz übermäßig zu belasten.

Genauigkeitsgrenzen der Pendeldämpfung und Feldtest-Vergleich

Die Genauigkeit der Pendeldämpfung wird üblicherweise an drei Kennwerten gemessen: stationäre Pendelamplitude, Positionierabweichung und Wiederholpositionierabweichung. Da das KI-System die Phase der Lastpendelung vorhersagen kann, bringt es kurz vor Erreichen der Zielposition aktiv eine kleine, der Pendelamplitude entgegengerichtete Geschwindigkeitskompensation auf, sodass die Restpendelung nach dem Stoppen der Last deutlich geringer ausfällt. Bei Präzisionsmontage, Werkzeuganschlagen und dem Wenden großer Werkstücke reduziert diese höhere Genauigkeit die Abstimmung per Funk und wiederholtes Tippen.

Die folgenden Vergleichsdaten gelten für Doppelträgerkrane nach europäischer Norm mit 50 t bis 300 t bei typischen Spannweiten von 22 m bis 31 m, Hubhöhen von 12 m bis 18 m und Nennlasten von 50 % bis 80 %. Die tatsächlichen Ergebnisse richten sich nach der Lastprüfung vor Ort.

Wie die vorstehende Tabelle zeigt, liegt der Hauptnutzen der KI-gestützten Pendeldämpfung nicht allein in einem geringeren Pendelausschlag. Hinzu kommen kürzere Parameter-Einstellzeiten und eine schnellere Wiederherstellung nach plötzlichen Störungen. Herkömmliche offene Regelkreise erfordern bei der Inbetriebnahme vor Ort häufig ein iteratives Einstellen der Geschwindigkeitskurve und der Filterzeitkonstante. Ein KI-System passt die Kompensationsparameter durch Online-Selbstlernen automatisch an unterschiedliche Seillängen und Lasten an und reduziert so manuelle Eingriffe.

Zu beachten ist jedoch, dass die Genauigkeitssteigerung durch KI-Pendeldämpfung nicht bedingungslos gilt. Bei unzureichender Encoder-Auflösung, stark schwankendem Hubseil-Signal oder deutlicher Latenz des Pendelwinkelsensors am Lastaufnahmemittel kann selbst ein leistungsfähiges KI-Modell keine stabilen Stellgrößen ausgeben. Daher sollte im Feldtest zunächst die Qualität der Sensorik-Kette bestätigt werden, bevor die KI-Regelungsleistung bewertet wird.

Stabilität durch Multisensorfusion und Online-Parameterselbstabgleich

Stabilität bedeutet nicht, die Pendelung vollständig auf null zu eliminieren, sondern unter verschiedenen Seillängen, Lasten und Windlasten ein vorhersehbares Verhalten ohne Schwingungen und Drift zu gewährleisten. Regler mit festen Parametern neigen bei außermittiger Last, veränderter Seillänge oder wechselnder Schienenneigung zu Resonanzen. Ein KI-Modell lernt diese Veränderungsmuster aus historischen Daten und passt die Regelverstärkung automatisch an Hubhöhe und Lastmoment an. In Werkshallen mit großer Spannweite unterscheidet sich die Schienensetzung an den Enden und in der Mitte der Spannweite. Die KI kann die Kranfahrposition als Eingangsgröße nutzen und die durch Höhenunterschiede der Schiene verursachte seitliche Lastverschiebung vorausschauend kompensieren.

Die Multisensorfusion verwendet einen erweiterten Kalman-Filter (EKF) mit rauschadaptiven Verfahren, um Neigungs-, Winkelgeschwindigkeits- und Beschleunigungssignale zeitlich zu synchronisieren und Ausreißer zu eliminieren. So weisen beispielsweise die drahtlosen Neigungssensordaten am Lastaufnahmemittel und die Encoderdaten der Laufkatze eine Verzögerung von einigen zehn Millisekunden auf. Ohne Kompensation verschiebt sich die Vorhersagephase, und die Wirksamkeit der KI-Pendeldämpfung sinkt. Das technische Team von Kelude führt bei der Systemintegration zunächst eine Sensorkalibrierung der Latenz sowie einen Test der Kommunikationsschwankungen durch, bevor das Modelltraining beginnt.

Der Schlüssel zum Online-Parameterselbstabgleich ist die Probenqualität. Die Trainingsdaten müssen Betriebszustände wie Leerlauf, Halblast, Volllast, außermittige Last, Beschleunigung, konstante Fahrt, Verzögerung, Not-Aus und Böenstörungen abdecken. Bei unvollständigen Proben kann die KI niederfrequente Pendelungen durch außermittige Last fälschlich als Windstörung einstufen, was zu einer falschen Regelrichtung führt. Kelude sammelt die Basisproben auf dem Werksprüfstand und führt beim Kunden vor Ort inkrementelles Lernen durch, damit sich das Modell schrittweise an die tatsächliche Schiene, das Lastaufnahmemittel und die Bediengewohnheiten anpasst.

Stabilität zeigt sich auch im Schutz der Stellglieder. Ändert sich die KI-Ausgabe zu schnell, führt dies zu häufigen Drehzahlwechseln des Motors und erhöht die Belastung des Getriebes sowie die Seilabnutzung. In der Praxis werden KI-Ausgaben daher üblicherweise begrenzt und mit Steigungsbeschränkungen versehen, damit die Korrekturgrößen im für das mechanische System tragbaren Bereich bleiben. So lässt sich vermeiden, dass eine verbesserte Pendeldämpfung die Lebensdauer des Antriebssystems verkürzt.

KI-Inbetriebnahme und Abnahme bei hochwertigen Sonderanfertigungen von 50 t bis 300 t nach EU-Norm

Bei hochwertigen Sonderanfertigungen mit KI-Pendeldämpfung muss der Inbetriebnahmeprozess um einen „Schattenlauf" erweitert werden. Beim Schattenlauf berechnet die KI nur, ohne Ausgaben zu liefern, und läuft zunächst eine Zeit lang parallel zum bestehenden Steuerungssystem. Der Ingenieur vergleicht die KI-Ausgaben mit den tatsächlichen Betriebskurven und bestätigt, dass das Modell keine Fehlreaktionen zeigt, bevor auf Online-Regelung umgeschaltet wird. Die Dauer des Schattenlaufs beträgt in der Regel mindestens 4 Stunden und kann bei komplexen außermittigen Lasten auf 1 bis 2 Tage verlängert werden.

Für die Abnahme wird empfohlen, Pendelausschlag, Positioniergenauigkeit, Beruhigungszeit und Sicherheitsrückfall als Kernprüfpunkte festzulegen. Bei einem Testpunkt mit 60 % Nennlast, 15 m Hubhöhe und 60 m/min Katzfahrgeschwindigkeit werden beispielsweise 5 aufeinanderfolgende Fahrten durchgeführt und der seitliche Pendelausschlag des Lastaufnahmemittels sowie die Restpendelung nach dem Stopp aufgezeichnet. Gleichzeitig werden Not-Aus, Kommunikationsunterbrechung und Sensorausfall simuliert, um zu prüfen, ob die KI innerhalb von 200 ms auf konventionelle Steuerung oder sicheren Halt zurückfallen kann. Je kürzer die Rückfallzeit, desto höher die Systemsicherheit.

Kelude stellt vor Auslieferung den Parameterbericht des KI-Pendeldämpfungssystems, die Kalibrieraufzeichnungen der Sensoren und die Schattenlaufkurven bereit. Bei der Abnahme vor Ort prüft der Anwender insbesondere, ob die Geschwindigkeitskorrekturfrequenz in den Kurven zu hoch ist, ob das Motordrehmoment häufig reversiert und ob am Drahtseil ungewöhnliche Vibrationen auftreten. Bei hochfrequentem Zittern sollten vorrangig die Kommunikationslatenz und die Encoder-Auflösung geprüft werden, anstatt die KI-Ausgangsverstärkung direkt zu erhöhen.

Bei Doppelträgerkränen nach europäischer Norm von 50 t bis 300 t sollte die KI-Pendeldämpfung zudem mit den drei Mechanismen Heben, Kranfahren und Katzfahren abgestimmt werden. Die Pendeldämpfung eines einzelnen Mechanismus ist begrenzt wirksam. Nur wenn Hubgeschwindigkeit, Katzbeschleunigung und Kranfahrgeschwindigkeit in dasselbe Modell einbezogen werden, lässt sich bei gleichzeitigem Auftreten von Wippen, außermittiger Last und Windstörung eine gute Stabilität erreichen. Kelude führt bei hochwertigen Sonderanfertigungen zunächst eine Simulation entlang des Prozesspfads des Anwenders durch und legt dann die KI-Regelgrenzen sowie die Positionierung der Sensoren fest.

Häufige Fragen