Der zentrale Weg zur Aufrüstung eines konventionellen Krans zum intelligenten Kran führt über die Nachrüstung bzw. den Austausch von Steuerungssystemen, Positionierungssystemen, Sicherheitssystemen und Kommunikationsnetzen. Damit wird der schrittweise Übergang von manueller Bedienung über Fernbedienung und halbautomatische bis hin zu vollautomatischen und schließlich vollständig unbemannten Betriebsweisen ermöglicht.
Der zentrale Weg zur Aufrüstung eines konventionellen Krans zum intelligenten Kran führt über die Nachrüstung bzw. den Austausch von Steuerungssystemen, Positionierungssystemen, Sicherheitssystemen und Kommunikationsnetzen. Damit wird der schrittweise Übergang von manueller Bedienung über Fernbedienung und halbautomatische bis hin zu vollautomatischen und schließlich vollständig unbemannten Betriebsweisen ermöglicht. Basierend auf langjähriger Praxiserfahrung von Kelude lässt sich die Aufrüstung in vier Stufen gliedern: L1 Fernbedienung (Budget 3.000–8.000 €, Dauer 3–5 Tage), L2 Halbautomatisch (10.000–30.000 €, 7–15 Tage), L3 Vollautomatisch (30.000–80.000 €, 20–40 Tage) und L4 Unbemannt (80.000–250.000 €, 45–90 Tage). Dieser Beitrag stellt einen vollständig umsetzbaren technischen Rahmen für die digitale Aufrüstung dar – von der Anforderungsanalyse über den Lösungsvergleich und die Kernsystem-Umrüstung bis hin zum Implementierungsprozess.
Anforderungen an die Kran-Umrüstung analysieren
Konventionelle Krane sind aus der Werkstattproduktion nicht wegzudenken. Doch im Zuge der Digitalisierung stellen viele Unternehmen fest, dass ihre Altanlagen zunehmend zum Engpass für den Aufbau digitaler Fabriken werden. Typische Auslöser für eine Umrüstung sind:
1.1 Effizienzengpässe
Konventionelle Krane sind auf die Bedienung vom Führerhaus oder per Bodenverfolgung angewiesen. Bei jedem Hubzyklus geht wertvolle Zeit durch das Ein- und Aussteigen des Kranführers, Positionierkorrekturen und Wartezeiten auf Anweisungen verloren. Statistiken zeigen, dass bei herkömmlicher Führerhaus-Bedienung die effektive Arbeitszeit nur 40–55 % der Schichtzeit beträgt; der Rest entfällt auf Leerfahrten, Wartezeiten und Hilfsoperationen. Ein intelligenter Kran hingegen steigert die effektive Arbeitszeit durch Bahnplanung und automatische Positionierung auf 75–90 %.
1.2 Sicherheitsdruck
Bei Unfällen mit konventionellen Kranen sind menschliche Faktoren für über 80 % der Fälle verantwortlich. Bedienfehler, tote Winkel und Fehlinterpretationen von Signalen sind häufige Ursachen. Die Norm EN 13000 schreibt vor, dass Hebezeuge über eine umfassende Sicherheitsschutzeinrichtung verfügen müssen. Durch die Nachrüstung mehrerer Sensoren und einer Sicherheits-SPS lässt sich das Unfallrisiko erheblich reduzieren.
1.3 Personalkosten
Die Ausbildung eines qualifizierten Brückenkranführers ist zeit- und kostenintensiv, die Gehaltsansprüche sind hoch, und die Belegschaft altert zunehmend. Bereits auf Stufe L1 verringert sich die Abhängigkeit von der Erfahrung des Bedieners; auf den Stufen L3/L4 kann eine einzelne Person mehrere Anlagen gleichzeitig überwachen, was die Personalkosten deutlich senkt.
1.4 Digitalisierungslücken
In Zeiten zunehmend verbreiteter MES- (Manufacturing Execution System) und ERP-Systeme (Enterprise Resource Planning) wirken konventionelle Krane wie „Informationsinseln“: Sie liefern keine Betriebs-, Bewegungs- oder Fehlerdaten und bilden damit das letzte fehlende Puzzleteil der digitalen Fabrik.
Nachdem diese Anforderungen geklärt sind, kann das Unternehmen anhand von Budget, Produktionsrhythmus und Digitalisierungszielen die passende Ausbaustufe wählen.
Vier Ausbaustufen der Kran-Automatisierung im Vergleich
Kelude unterteilt die intelligente Kran-Umrüstung in vier klar definierte Stufen – von der einfachen Fernbedienung bis zum vollständig unbemannten Betrieb. Die folgende Tabelle vergleicht die Stufen anhand der Kriterien Umrüstungsumfang, Zusatzausstattung, erzielte Wirkung, Investitionskosten und Umsetzungsdauer:
Stufe
Umrüstungsumfang
Zusatzausstattung
Wirkung
Investition
Dauer
L1 – Fernbedienung
Nachrüstung einer Funkfernsteuerung; Austausch der Steuerung
Funkfernbedienung, Steuerung
Bedienung vom Boden aus; Wegfall der Führerhaus-Bedienung
Die obige Tabelle zeigt die Unterschiede zwischen den einzelnen Ausbaustufen deutlich. Unternehmen sollten die passende Stufe anhand ihrer eigenen Anforderungen wählen: Wenn es lediglich um grundlegende Sicherheits- und Effizienzprobleme geht, ist L1 ausreichend. Für eine tiefe Integration in das digitale Fabriksystem sind L3 oder L4 die richtige Wahl.
Detaillierte Betrachtung der Steuerungssystem-Modernisierung
Das Steuerungssystem ist das „Gehirn“ der intelligenten Kran-Modernisierung und gleichzeitig der technisch anspruchsvollste sowie kostenintensivste Teil. Die Lösungen zur Steuerungsmodernisierung unterscheiden sich je nach Ausbaustufe erheblich.
3.1 Stufe L1: Umbau auf Funkfernsteuerung
Im Mittelpunkt der Stufe L1 steht der Austausch der Bedienungsart. Die bisherige Steuerung über das Fahrerhaus-Bedienpult (Nockenschalter + Schützsystem) wird durch einen Funkempfänger ersetzt. Der Empfänger gibt Relaissignale aus, die direkt die Drehrichtung des Motors und die Bremsung steuern. Die wichtigsten Modernisierungspunkte umfassen:
Auswahl der Fernsteuerung: Industrieausführung mit Schutzart IP65, 2,4-GHz-Frequenzsprungverfahren, Reichweite ≥ 100 m; der Not-Aus-Kreis ist als unabhängiger Hardwarekreis ausgeführt und trennt das Hauptschütz.
Elektrische Modernisierung: Der bestehende Hauptstromkreis bleibt unverändert, nur der Steuerkreis wird umgebaut; ein Umschalter für den Betriebsmodus „Funkfernsteuerung/Fahrerhaus“ wird ergänzt, um Wartung und Notfälle zu erleichtern.
Sicherheitsverriegelung: Die Signale von Not-Aus, Überlastsicherung und Endschaltern werden in Reihe in die Sicherheitskette des Funkempfängers eingebunden.
3.2 Stufe L2: Halbautomatischer Umbau mit SPS
In der Stufe L2 wird eine speicherprogrammierbare Steuerung (SPS) integriert, um grundlegende halbautomatische Funktionen zu realisieren. Empfohlen wird die Baureihe Siemens S7-1200, die sich durch ein gutes Preis-Leistungs-Verhältnis und flexible Programmiermöglichkeiten auszeichnet. Die SPS empfängt Befehle von der Fernsteuerung oder dem HMI und gibt Drehzahl-Sollwerte an die Frequenzumrichter sowie Steuersignale für die Bremsung aus.
Umrüstung auf Frequenzumrichter: Der bisherige Direktanlauf über Schütze wird durch einen Frequenzumrichterantrieb ersetzt, was eine sanfte Drehzahlregelung und präzises Positionieren ermöglicht.
Encoder-Feedback: An Kranbrücke und Laufkatze werden jeweils Inkrementalgeber montiert, um einen geschlossenen Positionsregelkreis zu realisieren.
Mensch-Maschine-Schnittstelle (HMI): Ein 7-Zoll- oder 10-Zoll-Touchpanel zeigt Gerätestatus, Fehlermeldungen und Positionsdaten an.
Halbautomatischer Modus: Der Bediener wählt eine Zielposition (z. B. Arbeitsplatz A oder B) aus, und die SPS führt die Bewegungsabläufe von Kranbrücke, Laufkatze und Heben automatisch in der richtigen Reihenfolge aus. Der Bediener überwacht lediglich die Sicherheit.
3.3 Stufen L3/L4: Vollautomatischer und unbemannter Betrieb
Die Steuerungssysteme der Stufen L3 und L4 erfordern eine leistungsfähigere Plattform. Die Baureihe Siemens S7-1500 ist aufgrund ihrer hohen Rechenleistung und der PROFINET-Kommunikationsfähigkeit die erste Wahl. Die wichtigsten technischen Aspekte:
Bewegungssteuerung: Die Technologieobjekte (Technology Objects) der S7-1500 ermöglichen eine interpolierte Bewegungssteuerung für drei Achsen (X/Y/Z) und eliminieren das Pendeln des Anschlagmittels.
Pendeldämpfungsalgorithmus: Eine Pendeldämpfungsregelung mit geschlossenem Regelkreis, basierend auf Pendelwinkelsensoren oder Beschleunigungssensoren, begrenzt die Restpendelung nach dem Stopp auf ±50 mm und verkürzt die Beruhigungszeit auf 2–3 Pendelzyklen.
Bahnplanung: Die SPS generiert automatisch die optimale Bahn basierend auf den Koordinaten der Arbeitspositionen und vermeidet Hindernisse sowie Kreuzungsbereiche.
Koordination mehrerer Krane: Ein übergeordnetes Dispositionssystem verwaltet die Einsatzbereiche mehrerer Krane, um Kollisionen und Aufgabenkonflikte zu vermeiden.
Sicherheits-SPS mit SIL3: Für die unbemannte Stufe L4 ist eine separate Sicherheits-SPS zwingend erforderlich, die vom Haupt-SPS getrennt ist und eine reine Hardware-Sicherheitskette gemäß ISO 13849 bildet.
Auswahl des Positionierungssystems
Die Positioniergenauigkeit hat direkten Einfluss auf die Arbeitsqualität und Effizienz eines intelligenten Krans. Die Anforderungen an die Positioniergenauigkeit variieren je nach Ausbaustufe, ebenso wie die entsprechenden technischen Lösungen.
4.1 Stufen L1/L2: Positionierung mit Inkrementalgebern
Geeignet für halbautomatische Szenarien mit geringen Genauigkeitsanforderungen (innerhalb ±50 mm). An den Antriebsrädern von Kranbrücke und Laufkatze oder am Ende der Trommel werden Inkrementalgeber montiert, die die Verschiebung über die Impulszählung ermitteln. Vorteile sind die geringen Kosten und die einfache Montage; Nachteile sind die mögliche Akkumulation von Messfehlern sowie Positionsabweichungen durch Schlupf und Verschleiß, die eine regelmäßige Kalibrierung erfordern.
4.2 Stufe L3: Positionierung mit Laser-Entfernungsmessern
Laser-Entfernungsmesser von SICK (z. B. die Baureihen Dx35 oder LMS) sind die gängigste Wahl für die vollautomatische Modernisierung der Stufe L3. Der Laserkopf wird am Kopfträger der Kranbrücke oder am Katzfahrwerkrahmen montiert, die Reflektorplatte am Boden oder am Ende der Schiene. Die Distanzmessung erfolgt über die Laser-Laufzeitmethode (Time of Flight, ToF). Eine typische Systemkonfiguration:
Richtung Kranbrücke: 1 Laser-Entfernungsmesser, Messbereich 50–100 m, Genauigkeit ±3 mm.
Richtung Laufkatze: 1 Laser-Entfernungsmesser, Messbereich 30–50 m, Genauigkeit ±3 mm.
Hubhöhe: Drehgeber oder Absolutwertgeber, die die Höhe über die Anzahl der Trommelumdrehungen berechnen.
Gesamtpositionierung: Die SPS liest die Daten der Entfernungsmesser über den PROFINET-Bus und nutzt die Encoder-Daten als redundante Absicherung.
Mit dem Laser-Entfernungsmessersystem ist eine Gesamtpositioniergenauigkeit von ±10 mm erreichbar, was die Anforderungen der meisten industriellen Anwendungen erfüllt.
Unbemannte Szenarien erfordern hohe Zuverlässigkeit und eine lückenlose Erfassung der Umgebung. Empfohlen werden 2–4 3D-Laserscanner (z. B. die Baureihen SICK LMS oder Velodyne), die den gesamten Arbeitsbereich des Krans abdecken. Die Punktwolken der Scanner werden von einer Edge-Computing-Einheit verarbeitet, um eine dreidimensionale Szenenkarte zu erstellen. Dies ermöglicht:
Hinderniserkennung: Erkennung dynamischer Hindernisse wie Personen, Materialien und Geräte, was automatisch einen Stopp oder ein Ausweichmanöver auslöst.
Präzises Positionieren: 3D-Konturabgleich des Ziel-Ablagepunkts (z. B. Behälter, AGV, Bearbeitungszentrum) für eine Positioniergenauigkeit von ±5 mm.
Umgebungsmodellierung: Ein Digitaler Zwilling rekonstruiert die dreidimensionale Werkstattumgebung in Echtzeit für Fernüberwachung und Optimierung der Einsatzplanung.
Wichtige Aspekte der Sicherheitssystem-Modernisierung
Sicherheit hat bei der Kran-Modernisierung oberste Priorität. Die Norm EN 13000 legt die Anforderungen an Sicherheitseinrichtungen fest. Bei der intelligenten Modernisierung dürfen die vorhandenen Schutzeinrichtungen nicht abgeschwächt werden; vielmehr müssen für den automatisierten Betrieb zusätzliche Sicherheitsmaßnahmen implementiert werden.
5.1 Erhalt und Aufrüstung bestehender Sicherheitseinrichtungen
Alle traditionellen Sicherheitseinrichtungen müssen erhalten oder aufgerüstet werden:
Überlastsicherung: Alle Überlastsicherungen werden durch digitale Ausführungen mit einer Genauigkeit von ±5 % ersetzt, die einen Überlastalarm und eine Abschaltfunktion bieten.
Fahrwegendschalter: Die mechanischen Endschalter bleiben als harte Sicherheitsredundanz erhalten, zusätzlich werden elektronische Fahrwegbegrenzer (Soft-Endschalter in der SPS) implementiert.
Not-Aus: Fernsteuerung, HMI und Bodenbedienstation verfügen jeweils über einen eigenen Not-Aus-Taster, die alle in Reihe in die Hardware-Sicherheitskette eingebunden sind.
Windschienenklemme/Verankerungseinrichtung: Bei Außenkranen muss die Schienenklemme mit der SPS verriegelt sein; ein Betrieb ist nur bei gelöster Klemme möglich.
5.2 Ergänzung intelligenter Sicherheitsfunktionen
Für den automatisierten Betrieb sind folgende zusätzliche Sicherheitsfunktionen erforderlich:
Bereichsüberwachung: In kritischen Bereichen der Kranbahn (z. B. Fußgängerwege, Materialzwischenlager) werden Sicherheits-Laserscanner von SICK installiert, die einen räumlichen Schutzbereich aufbauen. Beim Eindringen von Personen wird sofort eine Geschwindigkeitsreduzierung oder ein Stopp ausgelöst.
Geschwindigkeitsüberwachung: Die SPS überwacht die Ist-Geschwindigkeit jeder Achse in Echtzeit; bei Überschreitung wird automatisch abgebremst bis zum Stillstand.
Überwachung der Lastpendelung: Pendelwinkelsensoren erfassen die Auslenkung des Anschlagmittels; bei Überschreitung eines Sicherheitsschwellwerts wird automatisch die Geschwindigkeit reduziert.
Schutz bei Kommunikationsausfall: Wenn die Kommunikation zwischen Fernsteuerung oder Leitrechner und SPS länger als eine festgelegte Zeit (in der Regel 500 ms) unterbrochen ist, führt das System automatisch einen Stopp durch und hält die Bremse.
Kollisionsschutz: Bei mehreren Kranen auf derselben Kranbahn sendet jeder Kran seine Position in Echtzeit; das übergeordnete Dispositionssystem oder die SPS-Verbundlogik verhindert Kollisionen.
5.3 Anforderungen an die SIL-Sicherheitsstufe
Die unbemannte Stufe L4 muss die Anforderungen der funktionalen Sicherheit gemäß ISO 13849 oder IEC 61508 erfüllen. Kritische Sicherheitsfunktionen (Not-Aus, Übergeschwindigkeitsschutz, Kollisionsschutz) müssen die Sicherheitsstufe SIL2 oder SIL3 erreichen. Empfohlen wird der Einsatz einer unabhängigen Sicherheits-SPS (z. B. Siemens S7-1500F oder SICK Flexi Soft), die physisch von der Haupt-SPS getrennt ist und über einen sicheren Bus die notwendigen Informationen austauscht. Die Anforderungen an die Reaktionszeit der Sicherheits-SPS sind wie folgt:
Not-Aus-Auslösung bis Hauptschütz öffnet: ≤ 50 ms
Übergeschwindigkeitsauslösung bis Antrieb abgeschaltet: ≤ 100 ms
Zutritt in den Schutzbereich bis Geschwindigkeitsreduzierung/Stopp: ≤ 200 ms
Modernisierung des Kommunikationsnetzwerks
Das Kommunikationsnetzwerk eines intelligenten Krans ist in zwei Ebenen unterteilt: die interne Kommunikation innerhalb des Krans und die Kommunikation zwischen dem Kran und dem übergeordneten System.
6.1 Interne Kommunikation
Für die moderne Industriekommunikation wird das Echtzeit-Ethernet-Protokoll PROFINET bevorzugt. Eine Siemens S7-1500 SPS verbindet über den PROFINET-Bus die folgenden Geräte:
Frequenzumrichter: Siemens Frequenzumrichter der Baureihe G120 oder S120, die über PROFINET Drehzahlsollwerte empfangen und Statusrückmeldungen senden.
Laser-Entfernungsmesser: Der SICK Sensor verfügt über eine integrierte PROFINET-Schnittstelle und überträgt die Distanzdaten zyklisch.
Encoder / Drehgeber: Die Daten des Absolutwertgebers werden über ein PROFINET-Interface-Modul ausgelesen.
HMI: Kommuniziert über PROFINET oder PROFINET RT mit der SPS.
Dezentrale Peripherie (Dezentrale I/O-Stationen): ET200SP-Dezentralstationen, montiert an den Kopfträgern und am Hubwerk, reduzieren den Verdrahtungsaufwand.
6.2 Kommunikation zwischen Kran und übergeordnetem System
Die Kommunikation zwischen der Kran-SPS und dem übergeordneten Werkstattsystem (MES/ERP/Dispositionssystem) ist der Schlüssel zur digitalen Integration. Empfohlene Lösungen:
WiFi 6 (802.11ax): Geeignet für mittlere und große Werkhallen. Mehrere Industrie-WiFi-6-Zugangspunkte (z. B. von Moxa oder Siemens SCALANCE) werden im Hallendach installiert. Das Client-Modul (CP 1543-1) am Kran ermöglicht nahtloses Roaming mit einer Umschaltzeit von < 50 ms. WiFi 6 unterstützt Datenraten von 2,4 Gbit/s und erfüllt die Anforderungen für Video-Rückübertragung und Echtzeit-Steuerdaten.
5G-Privatnetz: Geeignet für sehr große Hallen oder Anwendungen mit extrem niedrigen Latenzanforderungen. Durch die Implementierung eines lokalen 5G UPF kann die Ende-zu-Ende-Latenz auf unter 10 ms gesenkt werden. Die 5G-Lösung eignet sich besonders für Multi-Kran-Koordination und ferngesteuertes Fahren mit Videoübertragung in L4- Automatisierungsszenarien.
Kommunikationsprotokoll: OPC UA (Unified Architecture) wird als übergeordnetes Datenaustauschprotokoll empfohlen. Die SPS fungiert als OPC-UA-Server, während das MES oder Dispositionssystem als Client agiert, um Kranstatusdaten, Aufgabenbefehle und Alarme zu lesen und zu schreiben.
6.3 Redundanzdesign der Kommunikation
Für kritische Anwendungen (z. B. L4-Automatisierung) ist eine redundante Kommunikationsverbindung erforderlich:
Paralleler Betrieb von WiFi 6 und 5G; bei Ausfall der Primärverbindung erfolgt eine automatische Umschaltung.
Konfiguration redundanter Kommunikationsmodule auf der SPS-Seite, die MRP (Media Redundancy Protocol) Ringtopologie unterstützen.
Die OPC-UA-Sitzung zwischen dem übergeordneten System und der SPS verwendet einen Heartbeat-Mechanismus. Eine Unterbrechung der Kommunikation von mehr als 1 Sekunde löst einen sicheren Stopp aus.
