Kran-Automatisierung: Von Frequenzumrichter zu unbemanntem Betrieb

Schicht 1: Parameteroptimierung bei der Frequenzumrichter-Aufrüstung und Geschwindigkeitssteuerung

Viele Kunden verstehen die Automatisierung fälschlicherweise als „Austausch eines Frequenzumrichters plus Fernsteuerung“. Bei der Nachrüstung von 50-t- bis 300-t-Doppelträgerkranen nach EU-Norm durch Kelude Schwerindustrie steht jedoch nicht das einzelne Bauteil im Fokus, sondern die gesamte Geschwindigkeitskette: vom Steuersignal über die Frequenzumrichter-Ausgabe und Motoreigenschaften bis hin zum Bremsmodul und Encoder-Rückmeldung. Bei bestehenden Krandimensionierungsnorm-Konstruktionsmerkmalen mit Widerstandsschaltreglern zur Drehzahlregelung wird zunächst die Widerstandsschaltschrank entfernt und durch einen vektor-gesteuerten Frequenzumrichter für Hebezeuge ersetzt. Bei bereits frequenzgesteuerten Modellen mit unzureichender Regelperformance stehen die Überprüfung von Beschleunigungs-/Verzögerungszeiten, dem Drehmoment bei niedriger Frequenz und der Abstimmung des Bremswiderstands im Vordergrund.

Diese Ebene bestimmt maßgeblich Tippbetrieb, Lastrutschen-Schutz und die präzise Positionierung bei niedrigen Geschwindigkeiten. Am Beispiel eines 50-t-Doppelträgerkranen nach europäischer Norm von Kelude Schwerindustrie liegt die Nenngeschwindigkeit des Hubwerks bei 5 m/min; nach der Umstellung auf Frequenzumrichter ist eine stufenlose Drehzahlregelung von 0,5 bis 5 m/min möglich. Für das Kranfahren (Großbewegung) beträgt der Bereich 20 bis 60 m/min und für das Katzfahren (Kleinführung) 10 bis 40 m/min. Die Ausgangsfrequenzauflösung des Frequenzumrichters beträgt 0,01 Hz, die Zykluszeit des Stromregelkreises 2 ms. Bei Großtonnage-Maschinen mit 300 t wird beim Hubwerk üblicherweise ein Doppelmotor mit starrer Synchronisation eingesetzt, wobei die Geschwindigkeitsabweichung auf ±0,5 % begrenzt wird, um eine Torsion des Hauptträgers infolge unsynchronisierter Doppelhubpunkte zu vermeiden.

Die Bremsicherheit muss neu berechnet werden. Gemäß DIN 15018 (ehemals DIN 15018) dürfen die Bremswege und Sicherheitsfaktoren der Einrichtungen nicht ausschließlich auf mechanische Bremsen verlassen werden. Vielmehr sollte zuerst eine elektrische Verzögerung erfolgen, gefolgt von der mechanischen Bremsung. Ein technisches Rechenbeispiel: Bei einer Kranfahrgeschwindigkeit von 60 m/min (entspricht 1 m/s) und einer elektrischen Bremsverzögerung von 0,5 m/s² beträgt der theoretische Bremsweg s = v²/(2a) = 1² / (2 × 0,5) = 1 m. Unter Berücksichtigung einer Reaktionszeit der Sicherheitsüberwachung von 0,3 s legt das Fahrzeug während dieser Zeit weitere 0,3 m zurück. Der erforderliche Sicherheitsabstand zur Kollisionsvermeidung beträgt somit 1 m + 0,3 m = 1,3 m. Dieser Wert von 1,3 m ist kein willkürlicher Ansatz, sondern ein vor Ort rechnerisch überprüfbarer Grenzwert.

Auch die Dimensionierung des Bremswiderstands gehört zur ersten Schicht. Am Beispiel eines 80-t-Doppelträgerkranen nach EU-Norm mit einem 75-kW-Hubwerkmotor wird die Spitzenleistung beim Senken üblicherweise mit dem 1,1- bis 1,2-fachen der Motorleistung abgeschätzt, also ca. 82,5 kW bis 90 kW. Der Widerstandswert muss basierend auf der Gleichspannungszwischenkreis-Spannung und dem Bremsstrom des Frequenzumrichters berechnet werden; die finale Auswahl orientiert sich am tatsächlichen Vertrag und folgt keiner festen Standardwert-Tabelle. Bei unzureichender Wärmeableitung steigt die Spannung im Zwischenkreis bei kontinuierlichem Senken an, was häufig zu Überspannungsfehlern führt.

Bei der Übergabe der ersten Schicht liefert Kelude Schwerindustrie in der Regel eine Gerätetabelle, die Frequenzumrichter-Parameterkonfiguration, das Dokument zur Neuberechnung des Bremswegs sowie eine Liste der Verriegelungslogiken aus – man verlässt die Baustelle nicht nach der bloßen Installation eines Frequenzumrichters.

Schicht 2: Integration von Sicherheitsüberwachung und Zustandserfassung zur Signalgenerierung

Die zweite Schicht transformiert die manuelle Beobachtung („Augen des Fahrers, Urteilsvermögen der Hand“) in automatisierte Prozesse: Sensor-Erfassung, SPS-Auswertung und Systemstillstand. Die Vorschrift TSG 51-2023 stellt an die Sicherheitsüberwachung, die Traglastbegrenzung, den Wegschutz und den Wind-/Rutschschutz von Hebezeugen höhere, systematischere Anforderungen. Viele im Betrieb befindliche Krane verfügten bisher nur über mechanische Endschalter und Überstromschutz. Bei der Nachrüstung müssen daher Lastsensoren, Höhenencoder, Positionssensoren für Groß- und Kleinführung, Windmesser, Temperatursensoren für Motorwicklungen und Schwingungssensoren an kritischen Stellen ergänzt werden.

Typische Parameter der Sensorikschicht bei Kelude Schwerindustrie sind: Eine Überwachungsgenauigkeit der Tragfähigkeit von ±2 %, eine Auflösung der Höhenmessung von 5 mm, eine Aktualisierungsrate der Positionserkennung für Groß- und Kleinführung von 20 ms, eine Alarmschwelle für Motorlager-Temperaturen von 85 °C und für Wicklungstemperaturen von 135 °C. Bei Erreichen dieser Schwellwerte gilt eine dreistufige Strategie: Stufe 1 löst eine Fernwarnung aus, Stufe 2 initiiert eine automatische Geschwindigkeitsreduzierung, Stufe 3 bewirkt einen Stillstand mit Bremsung. Diese drei Stufen werden nicht in einem einzigen Programmblock verarbeitet, sondern unabhängig voneinander geprüft.

Kollisionsschutz darf sich nicht nur auf punktuelle Ultraschall- oder Lasermessungen verlassen. Nehmen wir zwei 50-t-Doppelträgerkranen in derselben Halle an: Bei einer Fahrgeschwindigkeit von 60 m/min (1 m/s) und dem oben genannten Bremsweg von 1 m zuzüglich der Reaktionsstrecke von 0,3 m darf der Auslöseabstand für den Halt nicht unter 1,3 m liegen. Es wird jedoch empfohlen, den Auslöseabstand für die Verlangsamung auf 3 m festzulegen, um die Geschwindigkeit zunächst von 60 m/min auf 10 m/min zu senken, bevor der Haltebereich betreten wird. Dies verhindert starkes Pendeln durch abruptes Bremsen bei hoher Geschwindigkeit. Zur Logik siehe auch Sicherheitsabstand zur Kollisionsvermeidung von Kelude Schwerindustrie.

Auch die Strukturüberwachung ist kein optionales Extra. Risse in kritischen Schweißnähten breiten sich unter Hochlastbetrieb allmählich aus. Kelude Schwerindustrie empfiehlt daher bei der Nachrüstung eine Fehlerprüfung der Hauptträger-Schweißnähte sowie optional den Einbau von Schallemissions- oder Dehnungsmessstreifen. Langfristige Trendanalysen sind hier aussagekräftiger als Einzelmesswerte. Details zu den Prüfverfahren finden sich im Abschnitt Schweißrisserkennung.

Der Kern dieser Ebene besteht nicht im bloßen Einbau einer „Blackbox“, sondern in der Anbindung aller Signale an eine zentrale SPS, wodurch Tragfähigkeit, Geschwindigkeit, Temperatur, Position und elektronischer Zaun-State zu einem rückverfolgbaren Steuerstromkreis werden, der Notstopps ermöglicht. Ohne diese Basis fehlen Remote-Operation und unbemannter Betrieb jede Sicherheitsgrundlage.

Schicht 3: Remote-Operation und Mehrkran-Koordination – Schlüsselengpässe bei der Werkstattintegration

Fernbedienung bedeutet nicht einfach, das Führerhaus auf den Boden zu verlegen oder eine Industrielle Fernsteuerung hinzuzufügen. In dieser dritten Schicht adressiert Kelude Schwerindustrie primär Positioniergenauigkeit, Kommunikationslatenz, Aufgabenzuweisung und Mehrkran-Verriegelungen. Die Bodenstation oder das Leitstand muss die Echtzeitposition, die aktuelle Last, den Status der Endschalter und den Aufgabenstatus jedes Brückenkranes visualisieren können; die SignalVerbindung darf keine signifikanten Unterbrechungen oder Latenzen aufweisen.

Zur Positionserkennung kommen bei Groß- und Kleinführung oft Laser-Entfernungsmessung oder Gray-Code-Busse zum Einsatz. Dabei erreicht die Großführung eine Positioniergenauigkeit von ±10 mm, die Kleinführung ebenfalls ±10 mm, und die Haken-Höhe wird mit ±5 mm genau erfasst. Die Kommunikation erfolgt über industrielle Funknetze mit einer Link-Latenz unter 50 ms und einem Steuerbefehl-Zyklus von 20 ms. Überschreitet die Kommunikationsjitter-Marke 80 ms, leidet die „Haptik“ der Fernbedienung spürbar, weshalb der direkte Einsatz automatischer Greifvorgänge nicht empfohlen wird.

Bei der Mehrkran-Koordination schreibt Kelude Schwerindustrie die Logiken für elektronische Zäune und SPS-Verriegelung in dieselbe Steuerung: Wenn der Abstand zwischen zwei Kranen in derselben Halle weniger als 3 m beträgt, werden beide Seiten auf 10 m/min heruntergeregelt; unterschreitet der Abstand 1,3 m, wird ein Halt ausgelöst und die Gegenrichtung gesperrt, eine Wiederaufnahme erfordert manuelle Bestätigung. Bei Kreuzungen zwischen Hallenbereichen wird in den Durchfahrten ein Rot-Zone eingerichtet; erst wenn ein Kran diese Zone verlassen hat, darf der andere eintreten, um hochgradige Kollisionen zu verhindern.

Bei der Anbindung an MES oder ERP der Werkstatt kann die Warteschlange 20 Transportbefehle puffern. Die Zuweisung erfolgt dynamisch basierend auf Pfadlänge, Deadline und Energieverbrauch. Beispiel: Befinden sich in den Endlagen einer Halle ein 300-t- und ein 100-t-Kran, so werden Aufgaben unter 50 t mit überlappenden Pfaden priorisiert dem 100-t-Kran zugewiesen, während der 300-t-Kran für Schwerlastposten reserviert bleibt. Die Regeln sind statisch, sondern berechnen sich dynamisch aus Auslastung, Lastgewicht und Energieeffizienz.

Ein typischer Engpass dieser Ebene ist die Schienengenauigkeit und die Kommunikationszuverlässigkeit. Wenn die Geradheit der Schiene pro 10 m um mehr als 3 mm abweicht oder die Höhendifferenz zwischen den Schienen 5 mm überschreitet, laufen die Krane trotz hochpräziser Sensoren seitlich ab, was die Wiederholgenauigkeit verschlechtert. Daher führt Kelude Schwerindustrie vor der Nachrüstung eine Prüfung von Schiene und Rädern durch; Mängel werden behoben, bevor Garantien für die Positionierung gegeben werden. Andernfalls stoßen Software-Kompensationen an physikalische Grenzen.

Automatisierung auf Ebene 4: Unbemannter Betrieb und adaptive Entscheidungsfindung – Von der automatisierten Ausführung zur Risikovorsorge

Die vierte Ebene baut auf den drei vorherigen Stufen auf und erweitert diese um visuelle Erkennung, Pendeldämpfung, Bahnplanung sowie Fehlerprognose. „Unbemannter Betrieb“ bedeutet nicht die vollständige Abwesenheit von Personal, sondern die Übertragung repetitiver Hebe- und Transportaufgaben an das System, während menschliche Mitarbeiter für außergewöhnliche Eingriffe und Ausnahmefälle zuständig bleiben. Bei der Umsetzung unbemannter Systeme an Doppelträgerkränen nach europäischer Norm im Bereich von 50 t bis 300 t teilt Kelude Schwerindustrie die Aufgaben typischerweise in eine dreistufige Mensch-Maschine-Kooperation ein: Automatischer Betrieb – Überwachung mit Eingriffsmöglichkeit – Manuelle Übernahme.

Die visuelle Erkennung dient dazu, die Position der Last, die Haltung des Lastaufnahmemittels sowie das Eindringen von Personen in den Arbeitsbereich zu identifizieren. Die Kamera kann bei einer Montagehöhe von 15 m einen Erkennungsfehler von ±15 mm sicher kontrollieren; die Wiederholungsungenauigkeit bei 20 aufeinanderfolgenden Positionierungen beträgt maximal 10 mm. Für unterschiedliche Lastaufnahmemittel wie Stahlspulen, Aluminiumspulen oder Schmelzpfannen ruft das System spezifische Greifstrategien und Drehmomentbegrenzungen auf, um Fehlgreife und Unterlast zu verhindern.

Die Pendeldämpfung ist der Kern für einen stabilen unbemannten Betrieb. Kelude Schwerindustrie kombiniert vorsteuernde Geschwindigkeitsformung mit einem geschlossenen Regelkreis zur Pendelwinkelkompensation. Dadurch lässt sich die Ausschlagamplitude des Lastaufnahmemittels auf ±0,2° begrenzen, die statische Konvergenzzeit beträgt weniger als 5 s. Der Steueralgorithmus unterteilt Änderungen der Beschleunigung von Kranbrücke und Laufkatze in mehrere glatte Kurvenabschnitte, anstatt schlagartig Vollgeschwindigkeit zu geben. Detaillierte Informationen zu den Algorithmen finden Sie unter AI-Pendeldämpfungsalgorithmus.

Im Bereich der Fehlerprognose arbeiten Schwingungssensoren mit einer Abtastrate von 25,6 kHz. Dies ermöglicht eine Hüllkurvenanalyse früherer Schäden an Getriebelagern, Zahnradverzahnung und Motorlagern. Steigt die Energie der charakteristischen Frequenz eines Lagers kontinuierlich um mehr als 6 dB und hält diesen Zustand über eine Stunde an, gibt das System einen Inspektionshinweis aus, statt erst bei Erreichen der Temperaturwarnschwelle abzuschalten. Auch Daten aus der Schweißrisserkennung am Hauptträger werden als zusätzlicher Input für die Strukturelle Sicherheit langfristig gespeichert.

Hinsichtlich der Sicherheitsredundanz setzen unbemannte Brückenkran-Systeme bei uns auf doppelte SPS-Hot-Standby-Lösungen, eine kreuzweise Verifizierung der Positionsdaten durch doppelte Encoder sowie Not-Aus-Kreise gemäß SIL2. Der Verlust einer beliebigen redundanten Komponente löst innerhalb von 200 ms einen sicheren Stillstand aus. Kelude Schwerindustrie gliedert jeden Umbau auf unbemannten Betrieb in fünf Module: Nachprüfung der mechanischen Struktur, elektrische Antriebskomponenten, Sensorsysteme, Steuerungssoftware sowie Abnahmeprüfung. Diese werden phasenweise abgenommen; der Einzeltest dauert mindestens 72 Stunden, die werkstattübergreifende Integrationstestphase mindestens 168 Stunden. Maßgeblich ist der tatsächliche Vertrag.

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