SPS-Steuerung für Brückenkrane: 3-Ebenen-Architektur mit S7-1500
Das Steuerungssystem des Brückenkrans basiert auf der sicherheitsgerichteten SPS S7-1500F von Siemens und umfasst eine dreistufige, verteilte Architektur – von der Hardware-Konfiguration bis zur Software-Programmierung eine systematische Ingenieurslösung für unbemannte Brückenkrane.
Dreistufige Architektur für Kransteuerungen
Die SPS-Steuerung für unbemannte Brückenkrane basiert auf einer bewährten, dreistufigen, verteilten Architektur, die von unten nach oben in Feld-, Steuerungs- und Managementebene gegliedert ist. Die Feldebene umfasst die Frequenzumrichter-Antriebseinheiten (Baureihen G120/SINAMICS S120), Encoder, Laser-Entfernungsmesser, Endschalter, Lichtgitter-Sensoren, Sicherheitstürschlösser und weitere Feldgeräte. Diese kommunizieren über einen PROFINET-Bus in Echtzeit mit der SPS der Steuerungsebene. Als zentrale Steuerung der Steuerungsebene dient die sicherheitsgerichtete SPS S7-1500F von Siemens, ausgestattet mit dem Positioniermodul TM PosInput 2 und weiteren Technologiemodulen. Sie übernimmt die Berechnung und Ausführung der Regelkreise für die Verfahrpositionierung, der Hubgeschwindigkeitssteuerung, der automatischen Greifer- und Lastablage-Logik sowie der Fehlerdiagnose. Auf der Managementebene wird die SPS über Industrial Ethernet an das MES-System der Werkstatt und das Leitsystem (WinCC/SCADA) angebunden. Dies ermöglicht die Fernüberwachung des Kranbetriebs, die Übertragung von Produktionsaufträgen, die Archivierung von Betriebsdaten und die Verwaltung von Alarmmeldungen.
Der entscheidende Vorteil der dreistufigen Architektur liegt in ihrer klaren Struktur, der effektiven Fehlerisolierung und der einfachen Wartung: Ein Ausfall eines Feldgeräts beeinträchtigt nicht die Kommunikation der Managementebene. Ein Fehler der SPS auf Steuerungsebene versetzt die Feldgeräte in einen sicheren Zustand. Netzwerkprobleme auf der Managementebene haben keinen Einfluss auf den automatischen Kranbetrieb. Bei der Konstruktion der Architektur ist auf die Netzwerktrennung der drei Ebenen zu achten: Das Echtzeitnetzwerk PROFINET IRT der Feldebene (Zykluszeit 1–4 ms), das werksinterne Ethernet der Steuerungsebene (nicht-echtzeitfähig, für HMI- und Leitsystem-Kommunikation) und das Büronetz der Managementebene (durch Firewall getrennt). Praxiserfahrungen zeigen: Werden PROFINET IRT und das Büronetz über denselben Netzwerk-Switch geführt, müssen VLAN-Trennung und QoS-Prioritätskennzeichnung (höchste Priorität für IRT-Daten, VLAN Tag 4) aktiviert werden. Andernfalls kann der Jitter der IRT-Kommunikation um 50–200 µs ansteigen.
SPS-Auswahl und I/O-Planung für Krane
Die sicherheitsgerichtete SPS S7-1500F ist die bevorzugte Steuerung für Kran-Sicherheitssteuerungssysteme. Bei der Auswahl sind die Leistungsklasse der CPU und die Sicherheitsstufe (F-Sicherheitsstufe) zu berücksichtigen. Am Beispiel eines 50-t-Gießkrans (jeweils ein Antrieb für Kranbrücke X-Achse, Laufkatze Y-Achse und Hubwerk Z-Achse) wird folgende Konfiguration empfohlen: CPU 1515F-2 PN (6ES7 515-2FM01-0AB0) oder CPU 1517F-3 PN (6ES7 517-3FP00-0AB0, geeignet für komplexe Krane mit mehr als 256 I/O-Punkten). Die 1515F unterstützt den integrierten 4-Port-Switch für PROFINET IRT, eine Verarbeitungsgeschwindigkeit von 65 ns/Bit-Operation und die Sicherheitsstufe SIL3 gemäß EN 60204-32, wodurch sie alle Steuerungsanforderungen eines unbemannten Brückenkrans erfüllt.
Schätzung des I/O-Punktes (pro Kran): Digitaleingänge ca. 48 Punkte – Endschalter Hubwerk oben/unten (4 Punkte), Endschalter Kranbrücke links/rechts (4 Punkte), Endschalter Laufkatze links/rechts (4 Punkte), Status Schienenklemme (3 Punkte), Status Bremsung Öffnen/Schließen (6 Punkte), Bedienfeld-Taster (12 Punkte), Sicherheitstür/Lichtgitter (4 Punkte), SSI-Schnittstelle Encoder (3 Wege × 4 = 12 Leitungen, über TM-PosInput-Modul), Reserve 12 Punkte (20 % Reserve). Digitalausgänge ca. 24 Punkte – Freigabe Frequenzumrichter Hubwerk/Kranbrücke/Laufkatze (3 Punkte), Bremssteuerung (3 Punkte), Alarmleuchten (4 Punkte), Lüfter/Schmierölpumpe (4 Punkte), Reserve 10 Punkte. Analogeingänge ca. 8 Punkte – Reserve Laser-Entfernungsmesser 4–20 mA (3 Wege), Temperatursensor (2 Wege), Reserve Strom-/Spannungsrückmeldung (3 Punkte). Empfohlene Module: 2 × DI 32×24V (6ES7 521-1BL00-0AB0), 2 × DQ 16×24V/0,5A (6ES7 522-1BH01-0AB0), 1 × AI 8×U/I (6ES7 534-1HE01-0AB0), 3 × TM PosInput 2 (6ES7 551-1AB00-0AB0, eines pro Achse).
PROFINET-IRT-Ringtopologie konfigurieren
Das Steuerungssystem des Brückenkrans nutzt ein PROFINET-IRT-Ringnetzwerk (Isochroner Echtzeitbetrieb), um eine deterministische Echtzeitkommunikation zwischen Feldgeräten und SPS sicherzustellen. Die Netzwerktopologie bildet einen geschlossenen Ring: SPS → Frequenzumrichter Hubwerk → Frequenzumrichter Kranbrücke → Frequenzumrichter Laufkatze → HMI → SPS. Die IRT-Kommunikationszykluszeit ist auf 2 ms eingestellt (erfüllt die Anforderung einer 5-fachen Abtastung für den Drehzahlregelkreis: 400 µs Positionsabtastung Encoder, 2 ms Drehzahlregelkreis, 125 µs Stromregelkreis intern im G120). Im Ring ist das MRP-Medienredundanzprotokoll (IEC 62439-2) aktiviert. Bei einem Leitungsbruch in einem beliebigen Segment beträgt die Umschaltzeit ≤ 200 ms, ohne Verlust von IRT-Datenpaketen.
Detaillierte Konfigurationsschritte (TIA Portal V18+): Fügen Sie im ersten Schritt in der Gerätesicht die SPS und alle IO-Geräte zur selben IRT-Domäne hinzu. Stellen Sie die Synchronisationsrolle aller Geräte auf „Sync Slave" und die SPS auf „Sync Master". Im zweiten Schritt setzen Sie unter „PROFINET-Schnittstelle > Erweiterte Optionen > Echtzeit-Einstellungen" die Kommunikationszykluszeit auf 2 ms und den IRT-Sendetakt auf ein ganzzahliges Vielfaches von 1 ms (empfohlen: 2 ms gleich Sendetakt). Im dritten Schritt erstellen Sie im „MRP-Domänen"-Menü einen MRP-Ring. Fügen Sie beide Ports der SPS (Port 1 und Port 2) sowie alle IO-Geräte zur Ringdomäne hinzu. Weisen Sie die Ringrolle „Client" zu; die SPS übernimmt als „MRM" (Media Redundancy Manager) die Überwachung und Redundanzumschaltung. Im vierten Schritt vergeben Sie feste IP-Adressen für jedes IO-Gerät (z. B. Frequenzumrichter Hubwerk IP 192.168.1.11, Frequenzumrichter Kranbrücke 192.168.1.12, Frequenzumrichter Laufkatze 192.168.1.13, HMI 192.168.1.20). Der DeviceName wird entsprechend der jeweiligen Funktion vergeben. Nach Abschluss der Ringkonfiguration können Sie im TIA Portal unter „Online- & Diagnose > PROFINET-Topologie" den Ringstatus prüfen und sicherstellen, dass alle Geräte online und die IRT-Kommunikation aktiv ist.
G120-Frequenzumrichter parametrieren
Die Parametrierung der SINAMICS-G120-Frequenzumrichter unterscheidet sich erheblich zwischen den drei Kranmechanismen; ein einheitlicher Parametersatz ist nicht zulässig. Das Hubwerk (Z-Achse) ist eine konstante Drehmoment- und potenzielle Last. Der Frequenzumrichter ist mit 120 % des Nennstroms des Motors zu dimensionieren (G120-Power-Modul PM240-2, Schwerlast 125 % Überlast für 60 s). Kernparameter: P1300=22 (Drehmomentregelung mit Drehzahlregler, zwingend für Hubwerk mit Lastrutsch-Schutz im geschlossenen Regelkreis), P1082=50 Hz/Max. Drehzahl=3000 rpm, P1240=1 (Vdc-Regelung aktiv, verhindert ÜberSpannungsabschaltung durch Rückspeisung beim Senken schwerer Lasten), Bremssteuerung P1215=3 (Standard-Bremsung/Motor-Holding-Brake aktiv; die Bremsung wird automatisch eingeleitet, wenn die Ausgangsfrequenz des Hubwerk-Frequenzumrichters unter P2162=1,5 Hz fällt, um Lastrutschen zu verhindern).
Kranbrücke (X-Achse) und Laufkatze (Y-Achse) sind Verfahreinrichtungen mit hoher Massenträgheit, aber ohne potenzielle Last. Parameter Frequenzumrichter Kranbrücke: P1300=22 (Vektorregelung mit geschlossenem Regelkreis, erforderlich für präzise Positionierung), P1082=40 Hz/Max. Drehzahl=2400 rpm, Beschleunigungszeit P1120=8 s (aufgrund der hohen Trägheit der Kranbrücke für sanftes Anfahren/Stoppen und Pendeldämpfung), Verzögerungszeit P1121=8 s. Der Frequenzumrichter der Laufkatze hat kurze Verfahrwege und häufige Beschleunigungs-/Verzögerungszyklen: Beschleunigungszeit P1120=4 s, Verzögerungszeit P1121=4 s (geringe Trägheit der Laufkatze ermöglicht kurze Rampen für höhere Effizienz), P1496=5 (Beschleunigungs-Vorsteuerungskoeffizient, reduziert den Geschwindigkeits-Folgefehler für präzisere Positionierung). Logik der Bremssteuerung für alle drei Mechanismen einheitlich: Frequenzumrichter P1215=3 (Standard-Bremsung/Motor-Holding-Brake aktiv). Die Bremsenöffnungsbedingung ist eine Ausgangsfrequenz ≥ 3 Hz und abgeschlossener Magnetflussaufbau (P1216 Bremsenöffnungsverzögerung = 0,1 s). Die Bremsschließbedingung ist eine Ausgangsfrequenz ≤ 1 Hz (P1217 Bremsschließverzögerung = 0,3 s, verhindert ein vorzeitiges Schließen der Bremse vor dem Umrichterstopp, was zu einem Ruck führen könnte). Hinweis: Für das Hubwerk ist die Bremsschließverzögerung P1217 auf 0,5 s einzustellen (0,2 s länger als bei den Verfahreinrichtungen), um sicherzustellen, dass die Last vollständig zum Stillstand kommt, bevor die Bremse schließt – dies verhindert Lastrutschen. Es wird empfohlen, nach der Inbetriebnahme einen Lastrutsch-Test mit Nennlast durchzuführen: Die Senkbewegung nach dem Stopp des Hubwerk-Frequenzumrichters darf ≤ 20 mm betragen.
Sicherheitsfunktionen und SIL3-Design
Die sicherheitsgerichtete SPS S7-1500F in Kombination mit den integrierten Sicherheitsfunktionen der G120-Frequenzumrichter ermöglicht den Aufbau eines Kran-Sicherheitssteuerungssystems der Sicherheitsstufe SIL3. Die Sicherheitsfunktionen werden über das PROFIsafe-Kommunikationsprotokoll (Safety-Profile auf PROFINET) realisiert. Die Sicherheitstelegramme werden parallel zu den Standard-Prozessdaten in der IRT-Kommunikation übertragen, eine separate Sicherheitsbus ist nicht erforderlich. Zu den Kernfunktionen gehören STO (Safe Torque Off) und SS1 (Safe Stop 1).
STO (Safe Torque Off) ist eine Sicherheitsfunktion auf der Umrichterseite. Über ein F-DI-Signal (sicherer Digitaleingang) werden die Ansteuerimpulse der Leistungshalbleiter im Umrichter unterbrochen, wodurch der Motor ohne Drehmoment ausläuft. Das F-DQ-Modul der S7-1500F sendet den STO-Befehl über PROFIsafe an den G120 (Aktivierung im Umrichterparameter P9601=C01800, um STO via PROFIsafe zu aktivieren; standardmäßig deaktiviert, muss manuell aktiviert werden). In der Kran-Sicherheitslogik wird STO ausgelöst durch: Öffnen des Sicherheitstürschlosses, Unterbrechung des Lichtgitters, Betätigung des Not-Aus-Tasters, oder Auslösung der Überdrehzahlerkennung (bei Überschreitung von 110 % der Nenndrehzahl im Hubwerk wird STO sofort ausgelöst; die Überdrehzahlerkennung kann entweder durch die SPS-Berechnung der Encodergeschwindigkeit oder durch die integrierte Drehzahlüberwachung P2159 des G120 erfolgen).
SS1 Sicherer Stopp 1 wird über eine SPS-Steuerung mit Sicherheitsfunktion realisiert, die den Frequenzumrichter gemäß einer sicherheitsdefinierten Verzögerung abbremst. Erst wenn die Geschwindigkeit unter den sicheren Schwellenwert gefallen ist, wird STO ausgelöst, um das Drehmoment abzuschalten. In der S7-1500F wird SS1 über den F-Funktionsbaustein „DRV_SS1" umgesetzt (integriert in der Drive-Lib Sicherheitsbibliothek von TIA Portal). Die Parametrierung umfasst: maximale Verzögerung (für die Kranfahrwerke empfohlen 2,5 m/s², um Pendeln zu vermeiden; für das Hubwerk empfohlen 1,5 m/s², um Drahtseil-Stöße beim Notstopp zu verhindern), Überwachungsschwellen für die sichere Geschwindigkeit (Hubwerk ≤ 50 rpm, d. h. ca. 1 % der Nenndrehzahl; Kranfahrt ≤ 100 rpm). Der Vorteil von SS1 gegenüber einem direkten STO-Stopp liegt in der sanfteren Abbremsung: Wird der Lichtvorhang unterbrochen, verzögert der Brückenkran zunächst mit der sicheren Verzögerung bis zum Stillstand und schaltet erst danach das Drehmoment ab. Dadurch werden Lastpendeln und Drahtseil-Stöße durch abruptes Anhalten vermieden. Nach einer SS1-Auslösung muss der Bediener manuell quittieren, bevor der Frequenzumrichter wieder freigegeben wird – so wird sichergestellt, dass kein Sicherheitsereignis unbestätigt bleibt, bevor der Betrieb wieder aufgenommen wird.
Netzwerkaufbau und Inbetriebnahme-Checkliste
Die Inbetriebnahmephase umfasst folgende Schritte in dieser Reihenfolge: Elektroschrank-Montage und Verdrahtung (Verbindung zwischen GND-Sammelschiene und PE-Schiene im SPS-Schrank über 10 mm² Kupfergeflechtband, Widerstand ≤ 0,1 Ω; SSI-Leitungen der Drehgeber und PROFINET-Kabel getrennt verlegen mit einem Abstand ≥ 200 mm zur Vermeidung elektromagnetischer Störungen), PROFINET-Ringverlegung und Durchgangstest (Überprüfung von Belegung, Länge und Dämpfung jedes Kabelsegments mit dem Fluke Networks MicroScanner; alle RJ45-Verbindungen mit PROFINET-spezifischen metallisch geschirmten Steckverbindern FIT 180°), TIA-Portal-Hardwarekonfiguration und Netzwerkzuweisung (Import der GSDML-Dateien aller IO-Geräte und Frequenzumrichter, Prüfung der Topologieverbindungen und IP-Adressvergabe), Erstellung des Sicherheitsprogramms sowie Kompilierung und Download auf die F-CPU (beim ersten Download des Sicherheitsprogramms ist das F-Target-Passwort erforderlich; der Download erfolgt erst nach bestandener CRC-Prüfung des F-Frames).
Checkliste für die Vor-Ort-Inbetriebnahme: Spannungsversorgung prüfen – PLC-Versorgung 24 V ±5 %, Spannung im Gleichspannungszwischenkreis des G120 stabil (PM240-Modul Nennwert DC 540 V), Link-LEDs der PROFINET-Netzwerk-Switches normal (grünes Dauerlicht = Verbindung aktiv, gelbes Blinken = Datenkommunikation). IO-Signaltest – alle 48 DI-Eingänge einzeln prüfen (Eingang kurzschließen und korrekte Aktualisierung der Online-Variablen in der SPS beobachten), alle 24 DQ-Ausgänge testen (Ausgang forcen und korrekte Relais-Schaltfunktion prüfen), 8 AI-Analogeingänge kalibrieren (Drei-Punkt-Kalibrierung bei 4 mA, 12 mA und 20 mA). Frequenzumrichter-Inbetriebnahme – statische und rotatorische Identifikation der drei Frequenzumrichter über STARTER-Software oder das BOP-2-Bedienfeld (P1910 statische Identifikation zur Erfassung des Motorwicklungswiderstands, P1960 rotatorische Identifikation zur Ermittlung der Fluss- und Drehzahlregler-PI-Parameter). Positionierungssystem-Test – Drehgeber-Positionswerte müssen kontinuierlich und ohne Sprünge variieren (Drehgeberachse um 360° drehen und prüfen, ob die von der SPS gelesenen Werte gleichmäßig entsprechend der Impulszahl ansteigen); Laser-Entfernungsmesser-Messwerte mit tatsächlicher Distanz vergleichen (Drei-Punkt-Abgleich mit Maßband bei 10 m, 20 m und 50 m, Abweichung ≤ 5 mm). Abnahme der Sicherheitsfunktionen – STO- und SS1-Bedingungen einzeln auslösen (Not-Halt, Schutztür, Lichtvorhang, Drehzahlüberschreitung simulieren) und bestätigen, dass die Sicherheitsfunktionen korrekt ansprechen und die Stoppzeiten sowie Verzögerungen den Konstruktionsanforderungen entsprechen. Jeder Punkt dieser Checkliste sollte nach Prüfung abgezeichnet und archiviert werden – sie dient als Grundlage für die Abnahme des Steuerungssystems des Brückenkrans.
