Automatisiertes Steuerungssystem für Krane

Das automatisierte Steuerungssystem für Krane ist ein integriertes elektrisches Steuerungs- und Informationssystem, das aus folgenden Komponenten besteht: einer speicherprogrammierbaren Steuerung (SPS) als zentraler Steuerungseinheit, Frequenzumrichtern mit Drehzahlregelung als Antriebsaktorik, einem Sensorsystem als Wahrnehmungsorgan, einem Kommunikationsnetzwerk als Datenübertragungsgerüst, einem Sicherheitssteuerungssystem als Schutzbarriere sowie einer Mensch-Maschine-Schnittstelle (HMI) und einer Fernüberwachungsplattform als Interaktionsfenster. Die Funktionsweise: Sensoren (Absolutwertgeber, Laser-Entfernungsmesser, Gray-Code-Leiter usw.) erfassen in Echtzeit Zustandsdaten wie Position, Geschwindigkeit, Last und Pendelwinkel des Krans. Diese Daten werden über PROFINET/PROFIBUS-Feldbus an die SPS-Steuerung übertragen (Siemens S7-1200 für Standardanwendungen, S7-1500 für hochdynamische Präzisionsregelung). Die SPS führt die anwenderprogrammierten Steuerungsabläufe aus – darunter Logiksteuerung, PID-Regelung, Input-Shaping-Pendeldämpfungsalgorithmen und Sicherheitsverriegelungslogik – und gibt die berechneten Stellgrößen an die Frequenzumrichter (Siemens SINAMICS G120/V90) zur Motoransteuerung aus. Parallel dazu ermöglichen HMI-Bedienpanels (Siemens KTP-Serie oder Weinview) und das Fernüberwachungssystem die Mensch-Maschine-Interaktion und Datenvisualisierung. Auf diese Weise wird der gesamte intelligente Kranbetrieb von der manuellen Bedienung bis zum vollautomatischen, unbemannten Einsatz realisiert.

Mit der fortschreitenden Entwicklung von Industrie 4.0 und Intelligenter Fertigung durchlaufen Hebezeuge als Schlüsselausrüstung für den Materialtransport einen tiefgreifenden Wandel von der traditionellen manuellen Steuerung hin zur Digitalisierung, Intelligenz und unbemannten Automatisierung. Kelude Schwerindustrie ist seit vielen Jahren im Kranbau tätig und nutzt das industrielle Automatisierungsökosystem von Siemens, um ein vollständiges Lösungsportfolio für die Kranautomatisierung anzubieten, das fünf Automatisierungsstufen abdeckt: manueller Betrieb, Funkfernbedienung, halbautomatischer Betrieb, vollautomatischer Betrieb und unbemannter Betrieb. Dieser Beitrag analysiert umfassend die Systemarchitektur, das SPS-Design, die frequenzgesteuerte Drehzahlregelung, die Positionierung und Pendeldämpfung, die Sicherheitssteuerung, das Kommunikationsnetzwerk, die Fernüberwachung sowie die Anbindung an MES-/Lagerverwaltungssysteme.

Automatisiertes Steuerungssystem: Architektur im Überblick

Das automatisierte Steuerungssystem für Krane ist als hierarchische, dezentrale Architektur mit vier Ebenen konzipiert: Feldebene, Steuerungsebene, Überwachungsebene und Informationsebene. Die Feldebene umfasst sämtliche Sensoren (Absolutwertgeber, Laser-Entfernungsmesser, Endschalter, Lastsensoren, Laserscanner usw.) sowie Aktuatoren (Frequenzumrichtermotoren, Bremsen, Hydraulikstoßantriebe). Die Steuerungsebene basiert auf einer Siemens S7-1200- oder S7-1500-SPS, die Echtzeit-Steuerungsprogramme und Sicherheitslogik ausführt. Die Überwachungsebene bietet über HMI-Bedienpanels (Siemens KTP700/1200-Serie oder Weinview MT/iP-Serie) eine lokale Bedien- und Überwachungsschnittstelle. Die Informationsebene ist über Industrial Ethernet mit übergeordneten Servern, Datenbanken sowie betrieblichen MES-/Lagerverwaltungssystemen verbunden und ermöglicht den bidirektionalen Austausch von Produktions- und Steuerdaten.

In der Kommunikationsarchitektur ist das Hauptnetzwerk des Steuerungssystems als PROFINET-Ringtopologie mit isochroner Übertragung (IRT) ausgelegt, wodurch die Datenaustauschverzögerung zwischen den Teilnehmern unter 1 ms gehalten wird. Die drahtlose Kommunikationsebene nutzt WiFi-6-Zugangspunkte (IEEE 802.11ax) in Kombination mit industriellen Wireless-Clients, um die Echtzeit-Datenrückübertragung von beweglichen Komponenten wie Laufkatzen und Drehwerken sicherzustellen. Für Fernüberwachungsszenarien kommt ein 5G-SA-Netz (Standalone) zum Einsatz, das eine Ende-zu-Ende-Latenz von unter 10 ms gewährleistet und die simultane Übertragung von HD-Videostreams und Echtzeit-Steuerdaten unterstützt.

Das Automatisierungskonzept von Kelude Schwerindustrie für Krane lässt sich je nach Automatisierungsgrad in fünf Entwicklungsstufen unterteilen. Die folgende Vergleichstabelle zeigt die wesentlichen Unterschiede der einzelnen Stufen:

Wie aus der obigen Tabelle hervorgeht, steigert sich mit dem Übergang von manueller zu unbemannter Steuerung die Positioniergenauigkeit von Zentimeter- auf Millimeterniveau, während sich die Betriebsart von vollständig erfahrungsbasierter Bedienung hin zu KI-gestützter autonomer Entscheidungsfindung entwickelt – ebenso wie die Investitionsklassen. Unternehmen sollten die für sie geeignete Automatisierungsstufe entsprechend ihren Fertigungsprozessanforderungen, ihrem Investitionsbudget und ihrer Wartungskompetenz wählen.

PLC-Steuerungssystem: Das Gehirn der Kranautomation

Die speicherprogrammierbare Steuerung (SPS) bildet das zentrale Nervensystem eines automatisierten Steuerungssystems für Krane. Kelude Schwerindustrie hat auf Basis der vollständigen Siemens-SPS-Produktpalette zwei standardisierte Steuerungskonzepte entwickelt: Für konventionelle Anforderungen kommt die Siemens-S7-1200-Serie zum Einsatz, für anspruchsvolle Hochleistungsanwendungen die Siemens-S7-1500-Serie.

2.1 Siemens S7-1200 Standardlösung

Die S7-1200-SPS eignet sich für Krane mittlerer und kleinerer Tragfähigkeit (Nennlast ≤ 50 t) mit maximal vier Achsen (Kranfahren, Katzfahren, Haupthubwerk, Hilfshubwerk). Die typische Konfiguration umfasst eine CPU 1215C DC/DC/DC (integriert 14DI/10DO/2AI), erweitert um ein digitales Mischmodul SM 1223 (8DI/8DO) und ein Analogmodul SM 1234 (4AI/2AO); über das Signalbrett SB 1232 wird ein zusätzlicher Analogausgang realisiert. Die Programmierung erfolgt mit Siemens TIA Portal V17 und höher, primär in KOP (Kontaktplan) ergänzt durch SCL (Strukturierter Text) für Achssteuerung und PID-Berechnungen. Die S7-1200 kommuniziert über PROFINET mit den Umrichtern G120 und den HMI-KTP-Bedienpanels; die Zykluszeit ist auf 10 ms eingestellt, was die Echtzeitanforderungen allgemeiner Brückenkrane und Portalkrane erfüllt.

2.2 Siemens S7-1500 Hochleistungslösung

Für anspruchsvolle Anwendungen wie große Gießkrane, Metallurgiekrane und Werft-Portalkrane, die hohe Echtzeitanforderungen, Mehrachs-Synchronisation (über 6 Achsen) und SIL3-Sicherheitsintegration verlangen, kommt die S7-1500-Serie zum Einsatz. Empfohlen wird eine CPU 1516F-3 PN/DP (mit integrierter Sicherheitsfunktion F-CPU), erweitert um ET200SP-Dezentralperipherie (verteilt an Endträger und Hubwerk) sowie ein Technologiemodul TM Timer DIDQ zur hochauflösenden Erfassung von Encodersignalen. Der isochrone Modus (IRT) der S7-1500 ermöglicht eine Synchronisationsgenauigkeit der Achspositionen von besser als 0,1 ms; die PROFINET-Kommunikationszykluszeit beträgt 1 ms und gewährleistet damit einen stabilen, zuverlässigen Mehrachsbetrieb. Sicherheitsrelevante Logik wird in F-KOP oder F-SCL programmiert und läuft getrennt vom Standardprogramm in einem unabhängigen Sicherheitskanal.

2.3 Kernmodule der SPS-Steuerungsprogramme

Das SPS-Steuerungsprogramm für Krane gliedert sich in folgende Kernmodule:

• Hauptablauf-Logikmodul: Verwaltet die Ablaufsteuerung von Heben, Katzfahren und Kranfahren, Verriegelungsschutz sowie Betriebsartenumschaltung (manuell / halbautomatisch / vollautomatisch).
• Drehzahl-Sollwertmodul: Generiert aus Bedienbefehlen (Joystick-Proportionalwert / automatische Positionsabweichung) die Drehzahlsollwerte für die Frequenzumrichter, inklusive S-förmiger Beschleunigungs-/Verzögerungskurven und Mehrfachgeschwindigkeits-Umschaltlogik.
• Geschlossener Positionsregelkreis: Liest Positionsrückmeldungen von Encodern bzw. Laser-Entfernungsmessern, führt PID- oder Vorsteuer-Rückkopplungs-Regelalgorithmen aus und gibt Positionskorrekturwerte an die Drehzahlsollwerte aus.
• Pendeldämpfungsmodul: Berechnet auf Basis von Input-Shaping-Technik oder geschlossener PID-Pendeldämpfung Kompensationsgeschwindigkeiten zur Unterdrückung von Lastpendelbewegungen.
• Sicherheitsverriegelungsmodul: Übergeschwindigkeitserkennung, Lastbegrenzung, Endschalterüberwachung, Türverriegelungsüberwachung und Not-Aus-Logik, unabhängig verarbeitet durch die Sicherheits-SPS.
• Kommunikationsschnittstellenmodul: Verantwortlich für PROFINET-Datenaustausch, OPC-UA-Dateninteraktion mit dem übergeordneten SCADA-System sowie Datenübertragung zu drahtlosen Endgeräten.

Frequenzumrichter-Antriebssystem: Präzision und Effizienz

Das Frequenzumrichter-Antriebssystem bildet das leistungsbezogene Herzstück der Kranautomation. Es beeinflusst direkt das ruckfreie Heben und Senken des Hubwerks, die präzise Positionierung von Kran- und Katzfahrt sowie den Gesamtenergieverbrauch. Kelude Schwerindustrie setzt auf zwei standardisierte Antriebslösungen der Siemens-SINAMICS-Serie: den universellen G120 und den servobasierten V90.

3.1 SINAMICS G120 Frequenzumrichter im Hubwerk

Der Siemens SINAMICS G120 Frequenzumrichter (Leistungsbereich 0,37 kW bis 250 kW) eignet sich für Hubwerk, Kranfahrt und Katzfahrt. Das modulare Design des G120 trennt Control Unit (CU250S-2 PN) und Power Module (PM240-2/PM250), unterstützt PROFINET-Kommunikation und bietet drei Regelungsmodi: V/f-Kennlinie, Vektorregelung (VC) und Servoregelung. Für Krananwendungen wird die Vektorregelung mit Encoder (VC with encoder) empfohlen: Die Drehzahlregelgenauigkeit erreicht 0,01 % der Nenndrehzahl, die Drehmoment-Reaktionszeit liegt unter 5 ms – dies erfüllt die Anforderungen an Nullgeschwindigkeits-Halten und Lastrutsch-Verhinderung des Hubwerks.

Zu den Schlüsseltechnologien der Frequenzumrichter-Steuerung im Hubwerk zählen:

• Vierquadrantenbetrieb: Die beim Senken anfallende regenerative Energie wird über Bremswiderstände oder einen gemeinsamen Gleichspannungs-Zwischenkreis ins Netz zurückgespeist; die Energieeinsparung beträgt 20 % bis 35 %.
• Nullgeschwindigkeits-Halten: Die Funktion „Drehmoment halten bei Nullgeschwindigkeit“ des G120 stellt bei Null-Drehzahlsollwert ein Haltemoment von 150 % des Nennmoments bereit und gewährleistet in Verbindung mit der mechanischen Bremse sicheres Halten.
• Mehrstufige Drehzahlvorwahl: Automatische Umschaltung der Geschwindigkeitsstufen je nach Last – Leerlast mit hoher Geschwindigkeit (100 % Nenndrehzahl), Mittellast mit mittlerer Geschwindigkeit (60 %), Schwertlast mit niedriger Geschwindigkeit (30 %) – für optimale Effizienz und Sicherheit.
• Bremssteuerlogik: Die integrierte Bremssteuerung (Brake Control) des Frequenzumrichters stellt sicher, dass die mechanische Bremse erst nach Aufbau ausreichenden Motordrehmoments gelöst wird, wodurch Lastrutschen zuverlässig vermieden wird.

3.2 SINAMICS V90 Servoantrieb für präzise Positionierung

Für Präzisionshandhabungen mit Positioniergenauigkeit ≤ 5 mm – etwa bei Hochregallager-Regalbediengeräten oder Präzisionsmontage-Hubanlagen – kommen der Siemens SINAMICS V90 Servoantrieb und der SIMOTICS S-1FL6 Servomotor zum Einsatz. Der V90 unterstützt PROFINET-Kommunikation und die integrierte EPOS-Positionierfunktion (Easy Position), sodass ohne zusätzliches Positioniermodul Punkt-zu-Punkt-Positionierung, elektronische Getriebesynchronisation und Nockenschaltwerk-Tracking möglich sind. Im geschlossenen Positionsregelkreis arbeitet der V90 mit einem 20-Bit-Absolutwertgeber (Auflösung ca. 0,01°) und Laser-Entfernungsmessung als Positionsrückmeldung; die Wiederholgenauigkeit der Positionierung erreicht ±1 mm.

Die „Adaptive-Filter“-Funktion des V90 unterdrückt automatisch mechanische Resonanzfrequenzen des Krans (typischerweise 5 bis 20 Hz) und reduziert so Strukturschwingungen während Beschleunigungs- und Verzögerungsphasen von Kran- und Katzfahrt – ein deutlicher Gewinn an Positioniergenauigkeit und Bedienkomfort. Bei Pendeldämpfungsanwendungen kompensiert die Drehmoment-Vorsteuerung des V90 lastbedingte Störungen auf die Seilpendelbewegung proaktiv.

3.3 Wesentliche Parameter der Frequenzumrichter-Einstellung

Positionierung und Pendeldämpfungssystem

Positioniergenauigkeit und Pendeldämpfung sind die zentralen Kennwerte für den Automatisierungsgrad eines Krans. Der manuelle Betrieb ist auf die visuelle Beurteilung und Erfahrung des Bedieners angewiesen, was zu großen Positionierabweichungen, geringer Effizienz und Sicherheitsrisiken führt. Kelude Schwerindustrie setzt auf ein Fusionspositionierungssystem mit mehreren Sensoren und eine Pendeldämpfungsregelung mit geschlossenem Regelkreis, um eine präzise Positionierung im Millimeterbereich und ein schnelles Abklingen der Lastschwingungen zu erreichen.

4.1 Fusionspositionierungssystem mit mehreren Sensoren

Das Positionierungssystem des Krans basiert je nach Messprinzip und Montageart auf der Zusammenarbeit der folgenden drei Sensortypen:

Absolutwertgeber: Montiert an der Nicht-Lastseite des Antriebsmotors von Kranbrücke und Laufkatze oder an der Schnelllaufwelle des Getriebes, misst dieser direkt den Drehwinkel und die Umdrehungen des Motors und rechnet diese in die zurückgelegte Strecke um. Empfohlen werden Multiturn-Absolutwertgeber (z. B. SICK AFS60/AFM60 oder Pepperl+Fuchs PVM58 Serie) mit einer Auflösung von 16 bis 18 Bit. Diese benötigen nach einem Stromausfall keine Referenzfahrt und liefern nach dem Einschalten sofort die absolute Position – ideal für den häufigen Lastwechselbetrieb von Kranen.

Laser-Entfernungsmesser: Montiert am Endwagen der Kranbrücke oder am Katzfahrwerkrahmen, sendet dieser einen Laserstrahl zu einer fest an der Werkshalle angebrachten Reflektorplatte und misst die Distanz nach dem Laufzeitverfahren (ToF) oder dem Phasenvergleichsverfahren. Kelude Schwerindustrie empfiehlt den SICK DL100 Pro (Phasenvergleich, Messbereich 100 m, Genauigkeit ±2 mm) oder den Pepperl+Fuchs OMD30M-R2000-B23-V1V1D-1L (Impulsverfahren, Messbereich 30 m, Genauigkeit ±5 mm). In Kombination mit dem Absolutwertgeber bildet der Laser-Entfernungsmesser eine redundante Positionsprüfung: Weicht die Messung der beiden Sensoren um mehr als einen festgelegten Schwellwert (z. B. 10 mm) ab, wird eine Störung gemeldet, was die Systemintegrität erhöht.

Gray-Code-Bus (induktive Positionserfassung): Geeignet für langstreckige Außenanwendungen wie Portalkräne oder schienengebundene Containerbrücken. Der Gray-Code-Bus wird entlang der Schiene verlegt, die Antennenbox ist am beweglichen Teil des Krans montiert. Über elektromagnetische Kopplung wird eine berührungslose, absolute Positionserfassung mit einem Messbereich von über 400 m und einer Auflösung von 2 mm erreicht – unempfindlich gegen Regen, Schnee und Staub.

4.2 Pendeldämpfungsregelung mit geschlossenem Regelkreis

Die Pendelbewegung des Anschlagmittels ist eine der größten Herausforderungen für automatisierte und schnelle Kranprozesse. Bei schnellem Beschleunigen oder Bremsen sowie bei äußeren Störungen führt die flexible Verbindung über das Drahtseil zu periodischen Einfach- oder Mehrfachpendelungen der Last. Kelude Schwerindustrie setzt eine zweistufige Pendeldämpfungsarchitektur ein:

Stufe 1 – Input-Shaping: In den Geschwindigkeits-Sollwertpfad der SPS wird ein Input-Shaper-Filter integriert, der das ursprüngliche, sprungförmige Geschwindigkeitsprofil in eine Folge von zwei oder mehr überlagerten Impulsen umwandelt. Durch die Steuerung von Amplitude und Zeitversatz (in der Regel eine halbe Schwingungsperiode T/2) löschen sich die vorwärts- und rückwärtsgerichteten Wellen am Anschlagmittel gegenseitig aus, wodurch die Schwingung theoretisch eliminiert wird. Die Koeffizienten des Input-Shapers werden anhand der Pendelfrequenz ω=√(g/L) (L = Seillänge) in Echtzeit berechnet und passen sich so unterschiedlichen Hubhöhen an. Dieses Verfahren benötigt keine Rückmeldung des Pendelwinkels, ist einfach zu implementieren und eignet sich für halbautomatische Steuerungen.

Stufe 2 – Aktive Pendeldämpfung mit geschlossenem Regelkreis (PID): In vollautomatischen und unbemannten Szenarien erfassen Pendelsensoren (Neigungssensor oder Beschleunigungssensor) am Anschlagmittel oder ein Bilderkennungssystem an der Laufkatze den Pendelwinkel θ und die Winkelgeschwindigkeit ω in Echtzeit. Diese Signale werden an den PID-Antischwingregler in der SPS übergeben. Der Regler erzeugt eine Geschwindigkeitskorrektur, die den Sollwerten für Kranbrücke und Laufkatze überlagert wird, sodass die Laufkatze dem Pendelzentrum der Last kontinuierlich „nachläuft“ und die Schwingung aktiv unterdrückt wird. Moderne Regelalgorithmen wie LQR (Linear-quadratischer Regler) oder MPC (Modellprädiktive Regelung) können die Dämpfungswirkung weiter verbessern. In Kombination mit einer Vorsteuerung zur Kompensation von Parameteränderungen durch unterschiedliche Hubhöhen lässt sich der Pendelwinkel innerhalb von 2 bis 3 Schwingungsperioden auf ±0,5° reduzieren.

Sicherheitssteuerungssystem für Hebezeuge

Als Spezialausrüstung ist die Sicherheitssteuerung für Krane die oberste Priorität und die rote Linie bei jedem Automatisierungsumbau. Kelude Schwerindustrie realisiert ein mehrstufiges Sicherheitskonzept mit SIL3-Sicherheitsintegritätslevel gemäß den Anforderungen der Norm DIN 15018 (Konstruktionsvorschrift für Krane) und GB 6067.1-2010 (Sicherheitsvorschriften für Hebezeuge, Teil 1: Allgemeine Regeln).

5.1 Sicherheits-SPS und Sicherheitsarchitektur

Für Kransteuerungen mit hohen Sicherheitsanforderungen werden die Sicherheits-SPS Siemens S7-1200F oder S7-1500F eingesetzt. Die F-Serie verfügt über zwei unabhängige Verarbeitungskerne – der Standardkern führt das reguläre Steuerungsprogramm aus, der Sicherheitskern die Sicherheitsfunktionen (F-Runtime). Die beiden Kerne prüfen sich gegenseitig (Verriegelung), sodass jeder einzelne Fehler erkannt und in einen sicheren Zustand überführt werden kann. Sicherheitsrelevante Signale werden über das PROFIsafe-Protokoll (IEC 61784-3-3) auf dem PROFINET-Bus übertragen. PROFIsafe-Telegramme werden gegenüber Standard-Ethernet-Frames um CRC-Prüfsumme, Sequenznummer und Zeitstempel erweitert, um Datenwiederholung, -verlust, -einfügung oder -manipulation zu verhindern und die Sicherheitsstufe SIL3 zu erreichen.

Die Sicherheitsarchitektur folgt dem Prinzip der „Redundanz + Diversität“:

• Zweikanaliger Not-Aus-Kreis: Jeder Kran verfügt über mindestens zwei unabhängige Not-Aus-Taster (im Führerhaus und am Bodenbedienplatz), die in Reihe an das F-DI-Modul der Sicherheits-SPS angeschlossen sind. Das Betätigen eines beliebigen Tasters löst einen sicheren Stopp aus.
• Sicherheitstürschloss-Verriegelung: Die Zugangstüren zum Endwagen der Kranbrücke, die Schränke der Elektroschrank und die Führerhaustür sind mit Sicherheitstürschlössern ausgestattet (empfohlen: SICK i10 Lock oder Schmersal AZM Serie). Beim Öffnen wird die Stromversorgung des jeweiligen Antriebsbereichs unterbrochen.
• Überdrehzahlerkennung: Das Hubwerk ist mit einem Sicherheits-Encoder (SICK DFS60S Pro SIL3) ausgestattet, dessen Impulssignale direkt an den schnellen F-DI-Zähleingang der Sicherheits-SPS gehen. Bei Überschreiten des Schwellwerts (in der Regel 1,25-fache Nenndrehzahl) wird eine Notbremsung ausgelöst.
• Lastbegrenzer: Zwei redundante Lastsensoren (Messbolzen oder Scherstab-Sensoren, Genauigkeit ±0,5 % vom Messbereich) erfassen die Last. Die Sicherheits-SPS vergleicht die beiden Signale in Echtzeit. Bei einer Abweichung über dem Grenzwert oder bei Überschreitung der Nennlast um 110 % wird ein Alarm ausgelöst und der Hubvorgang gesperrt.

5.2 LiDAR-Laserscanner zur Bereichsabsicherung

Zur Sicherung des Personals im Fahrbereich des Krans werden an den Endwagen der Kranbrücke und an beiden Seiten der Laufkatze Sicherheits-Laserscanner (LiDAR) vom Typ SICK microScan3 oder Pepperl+Fuchs R2000 installiert. Der LiDAR erfasst mit einer Auflösung von 50 mm in einem Scanbereich von 270° in Echtzeit, ob sich Personen oder Hindernisse im Gefahrenbereich befinden. Die maximale Erfassungsdistanz beträgt 8 m (konfigurierbar in zwei Zonen: Schutzfeld und Warnfeld). Wenn eine Person in das Schutzfeld eindringt, löst die Sicherheits-SPS innerhalb von 20 ms einen sicheren Stopp (STO, Safe Torque Off) aus, der alle Antriebe in die entsprechende Richtung stoppt. Der LiDAR erreicht die Sicherheitsstufe SIL3 (IEC 61496-3 Typ 3) und bietet gegenüber herkömmlichen Sicherheitsschaltleisten oder Lichtgittern eine größere Erfassungsfläche und mehr Flexibilität.

5.3 Kollisionsschutz und räumliche Sicherheitsmaßnahmen

Beim Einsatz mehrerer Krane in derselben Werkshalle müssen Kollisionen unbedingt verhindert werden. Kelude Schwerindustrie setzt eine Strategie der vernetzten Zonensteuerung ein: Jeder Kran überträgt seine Positionskoordinaten und Fahrtrichtung in Echtzeit über PROFINET an die Steuerungen der benachbarten Krane im Ring. Die empfangende SPS berechnet den relativen Abstand. Unterschreitet dieser den sicheren Stoppabstand (in der Regel das 1,5-fache des minimalen Bremswegs), wird die Geschwindigkeit automatisch reduziert. Wird der Grenzabstand unterschritten, wird eine Notabschaltung ausgelöst. Für Bereiche mit festen Hindernissen (z. B. Säulen, Stapelplätze) werden in der SPS virtuelle Begrenzungszonen hinterlegt, bei deren Annäherung der Kran automatisch abbremst und ausweicht.

Referenznormen: Die Konstruktion des Sicherheitssystems folgt strikt den verbindlichen Anforderungen und empfohlenen Praktiken der folgenden Normen –

• DIN 15018 – Konstruktionsvorschrift für Krane
• GB 6067.1-2010 – Sicherheitsvorschriften für Hebezeuge, Teil 1: Allgemeine Regeln
• ISO 13849-1 – Sicherheit von Maschinen – Sicherheitsbezogene Teile von Steuerungen
• IEC 61508 – Funktionale Sicherheit sicherheitsbezogener elektrischer/elektronischer/programmierbarer elektronischer Systeme

Kommunikations- und Netzwerksystem

Das Kommunikationsnetzwerk ist die Datenautobahn, die alle Steuerungsknoten des Krans verbindet. Seine Zuverlässigkeit und Echtzeitfähigkeit bestimmen die Leistungsgrenze des automatisierten Steuerungssystems. Kelude Schwerindustrie realisiert eine mehrschichtige Kommunikationsarchitektur mit PROFINET Industrial Ethernet als Rückgrat, ergänzt durch WiFi6-Funk und 5G-Mobilfunk.

6.1 PROFINET-Ring als Kommunikationsrückgrat

PROFINET ist das bevorzugte Kommunikationsprotokoll für automatisierte Kransteuerungen. Es basiert auf Standard-Industrial-Ethernet mit 100 Mbit/s oder 1 Gbit/s und unterstützt zwei Kommunikationskanäle: RT (Real-Time, Zykluszeit 1–10 ms) und IRT (Isochronous Real-Time, Zykluszeit 0,25–1 ms). In der Ringtopologie werden in jedem Elektroschrank des Krans SCALANCE XC208- oder XR324-Netzwerk-Switches installiert, die über Twisted-Pair-Kabel oder Industrie-Lichtwellenleiter einen physischen Ring bilden. Mit aktiviertem MRP (Media Redundancy Protocol) wird eine Leitungsunterbrechung an beliebiger Stelle innerhalb von 200 ms automatisch überbrückt – eine Voraussetzung für die hohe Verfügbarkeit der Kransteuerung.

Das PROFINET-Netzwerk überträgt folgende Datenströme:

• Zyklische Prozessdaten zwischen SPS und Frequenzumrichter (Drehzahl-Sollwert, Ist-Drehzahl, Statuswort, Drehmomentstrom usw., jedes Datenpaket ≤ 100 Byte, Aktualisierungszyklus 2–4 ms)
• Erfassung digitaler/analoger Signale zwischen SPS und Remote-I/O-Station ET200SP (DI/DO/AI/AO, Aktualisierungszyklus 4–8 ms)
• PROFIsafe-Sicherheitskommunikation (Not-Halt, Türverriegelung, Überdrehzahl und andere Sicherheitssignale, Aktualisierungszyklus 6–10 ms, SIL3-Zertifizierung)
• Datenaustausch zwischen SPS und HMI (Cache-Variablenbereich, nichtzyklisches Lesen)

6.2 WiFi6-Funklösung

Bei Drehwerken (z. B. Drehplattform von Turmdrehkranen) oder weit verfahrbaren Portalkranen verursachen Energiekettensysteme Probleme wie Verschleiß, Bruch und hohe Austauschkosten. Kelude Schwerindustrie setzt daher auf die industrielle Funklösung WiFi6 (IEEE 802.11ax) als Ersatz für herkömmliche Kabel. An der Werkshallendecke oder an Säulen werden mehrere SCALANCE W1780 Industrial-APs (Access Points) installiert, im Elektroschrank des Krans das SCALANCE-W7740-Clientmodul. Die OFDMA-Technologie (Orthogonal Frequency Division Multiple Access) von WiFi6 ermöglicht mehreren Clients die gleichzeitige Datenübertragung im selben Frequenzband, reduziert Kollisionsverzögerungen effektiv und unterstützt einen Datendurchsatz von über 50 Mbit/s pro Kran – für die parallele Übertragung von Echtzeit-SPS-Daten, Kameravideostreams und HMI-Remotedesktop.

6.3 5G-Firmennetz für Fernsteuerung

Für Szenarien der fernbedienten, unbenannten Kransteuerung über Werksgrenzen oder sogar Städte hinweg realisiert Kelude Schwerindustrie gemeinsam mit Netzbetreibern ein 5G-SA-Konzept (Standalone) als industrielles Firmennetz. Am Kran wird ein 5G-Industrie-Gateway (mit MPUPT- und URLLC-Slicing) installiert, das SPS-Daten, Videostreams und LiDAR-Punktwolken in Echtzeit über das 5G-Netz an das Fernüberwachungszentrum überträgt. Die Ende-zu-Ende-Latenz im 5G-Firmennetz liegt stabil bei 8–12 ms, die Uplink-Bandbreite erreicht über 200 Mbit/s – damit ist eine Millisekunden-genaue Fernsteuerung des Krans von einem entfernten Operator-Arbeitsplatz möglich. Darüber hinaus unterstützt die 5G-Netzwerkslicing-Technologie die getrennte Übertragung von Steuerdaten und Videodaten, sodass Steuerbefehle nicht durch hochvolumige Videodatenströme beeinträchtigt werden.

Fernüberwachungssystem für Krananlagen

Das Fernüberwachungssystem fungiert als „Auge“ und „Instrumententafel“ der automatisierten Kransteuerung und ermöglicht eine umfassende visuelle Überwachung von Betriebszustand, Arbeitsdaten und Störungsinformationen der Anlage. Kelude Schwerindustrie bietet auf Basis von Siemens WinCC OA (Open Architecture) und SCADA-Plattform eine Fernüberwachungslösung für Konzern- und Werksanwendungen.

7.1 Lokale HMI-Mensch-Maschine-Schnittstelle

Jeder Kran ist mit einem Siemens KTP700 Basic PN oder KTP1200 Comfort Touchpanel-HMI ausgestattet, das am Führerhaus-Steuerpult montiert wird. Das HMI ist über PROFINET direkt mit der SPS verbunden und zeigt folgende Inhalte: Betriebszustand der einzelnen Antriebe (Betrieb/Stillstand/Störung), Echtzeit-Positionskoordinaten, Lasthubdaten, Störmeldungsliste, Betriebsartenwahl (Manuell/Halbautomatisch/Vollautomatisch), Parametereinstellungen und Wartungshinweise. Das HMI wird mit TIA Portal WinCC konfiguriert und folgt dem „Drei-Zonen-Prinzip“: oben Statusanzeige, mittig dynamisches Prozessflussdiagramm, unten Bediennavigation.

7.2 SCADA-Überwachungsplattform auf Leitebene

Die SCADA-Zentralüberwachungsplattform auf Werksebene ist in der zentralen Leitwarte installiert und über Industrial Ethernet mit allen Kran-SPS im selben Hallenbereich verbunden. Die Plattform basiert auf Siemens WinCC V7.5 oder WinCC Unified und bietet folgende Kernfunktionen:

• Anlagenübersicht: Darstellung aller Krane in der Halle als Draufsicht mit Echtzeit-Position, Betriebszustand und Auftragsfortschritt; Farbcodierung (Grün = Betrieb, Gelb = Bereitschaft, Rot = Störung).
• Trendanalyse: Aufzeichnung und Wiedergabe historischer Verläufe wichtiger Parameter als Kurven, darunter Hubmotor-Strom, Ausgangsfrequenz des Frequenzumrichters, Fahrgeschwindigkeit, Lastrate usw. – zur Unterstützung der Anlagenzustandsbewertung.
• Fehlerdiagnose: Empfang der von der SPS über PROFINET übertragenen Störmeldungen, automatische Auswertung von Fehlercodes und möglichen Ursachen mit Wartungsempfehlungen; Alarmmeldung per SMS und E-Mail.
• Berichtserstellung: Automatische Erzeugung von Betriebsberichten (täglich/wöchentlich/monatlich) mit Kennwerten wie Verfügbarkeit, Auslastung, Energieverbrauch und Störungsabschaltzeiten.

7.3 Cloud-Plattform-Fernüberwachung

Für Konzernkunden bietet Kelude Schwerindustrie eine Fernüberwachungslösung auf Basis von MindSphere (Siemens Industrial Cloud) oder einer eigenen Private-Cloud an. Über das im Kran-PLC konfigurierte Kommunikationsmodul CP 1543-1 (mit OPC-UA-Serverfunktion) werden die Echtzeitdaten der Anlage per 5G/kabelgebundenem Netzwerk an die IoT-Plattform in der Cloud übertragen. Die Fernüberwachung ist über PC-Webbrowser und Mobiltelefon-App verfügbar; das Konzernmanagement kann sich ortsunabhängig in Echtzeit über Betriebszustand und OEE-Kennwerte (Overall Equipment Effectiveness) der Krane in allen Werken informieren – für ein Management über den gesamten Lebenszyklus der Anlagen.

Weitere Informationen zu Einsatzszenarien und Praxisbeispielen von Kran-Fernüberwachungssystemen finden Sie in unseren Fachbeiträgen: Design von Fernüberwachungs- und intelligenten Wartungssystemen für Krane sowie Auswahl- und Konfigurationsleitfaden für industrielle Kran-SPS-Steuerungssysteme.

Anbindung an MES-/Lagerverwaltungssysteme

Ein automatisiertes Steuerungssystem für Krane entfaltet sein volles Potenzial erst durch die tiefe Integration in übergeordnete Unternehmensinformationssysteme (MES – Manufacturing Execution System, Lagerverwaltungssystem). Kelude Schwerindustrie verwendet OPC UA (Unified Architecture) als standardisierte Datenaustauschschnittstelle für die bidirektionale Kommunikation zwischen Kransteuerung und MES/Lagerverwaltungssystem.

8.1 OPC-UA-Informationsmodell und Datenabbildung

OPC UA ist ein in der Norm IEC 62541 definiertes, plattformunabhängiges Kommunikationsprotokoll und unterstützt nativ die serviceorientierte Architektur von Industrie 4.0. Auf der Kran-SPS-Seite werden die Betriebsdaten über die integrierte OPC-UA-Serverfunktion der Siemens S7-1500 (CPU-Firmware V2.9 und darüber) nach einem standardisierten Informationsmodell veröffentlicht. Die Datenabbildung ist in der folgenden Tabelle dargestellt:

8.2 Interaktionsablauf mit dem MES-System

Der typische Interaktionsablauf gestaltet sich wie folgt: Das MES-System übermittelt basierend auf der Produktionsplanung Transportaufträge an die Zuschnitt-Arbeitsstation oder das Hochregallager (inklusive Quellposition, Zielposition, Materialcode, Priorität usw.). Der OPC-UA-Client liest die Aufträge und schreibt die TaskID sowie die Auftragsparameter in den Datenbaustein der SPS. Das SPS-Programm analysiert den Auftrag und steuert den Kran automatisch zur Ausführung der Bewegungsabläufe: automatische Fahrt zur Quellposition, automatisches Senken zur Lastaufnahme, automatisches Anheben auf Sicherheitshöhe, automatische Fahrt zur Zielposition, automatisches Senken und Absetzen der Last sowie automatische Rückkehr in die Bereitschaftsposition. Nach Abschluss des Auftrags schreibt die SPS das Fertigmeldungs-Flag und das tatsächliche Betriebsprotokoll (Zeitstempel, tatsächliche Wege, Energieverbrauch usw.) zurück in die OPC-UA-Variablen, die vom MES-System erfasst und archiviert werden.

8.3 Datenaustausch mit dem Lagerverwaltungssystem

Im Szenario des automatisierten Hochregallagers verwaltet das Lagerverwaltungssystem den Lagerplatzstatus (frei / belegt / gesperrt). Der Kran erhält vom Lagerverwaltungssystem die Koordinaten des Ziellagerplatzes, die Lagerplatzabmessungen sowie die Lastgewichtsdaten und führt anschließend automatisch Einlagerungs-, Auslagerungs- und Inventuraufträge aus. Zur Effizienzsteigerung kann eine Sammelkommissionierstrategie eingesetzt werden – das Lagerverwaltungssystem übermittelt mehrere Aufträge auf einmal, und das interne Auftragsplanungsmodul der SPS optimiert basierend auf der Auftragspriorität und der aktuellen Kranposition automatisch die optimale Ausführungsreihenfolge und Wegführung, wodurch Leerfahrten und Zeitverluste reduziert werden.

Häufig gestellte Fragen (FAQ)

Fazit und Ausblick

Von der manuellen Steuerung bis zur unbemannten intelligenten Steuerung deckt das automatisierte Steuerungssystem für Krane von Kelude die gesamte Entwicklungslinie von der grundlegenden Elektrifizierung bis zur umfassenden Digitalisierung ab. Dieser Artikel analysiert systematisch die vollständige Technologiearchitektur mit Siemens-SPS (S7-1200/S7-1500) als Steuerungskern, SINAMICS G120/V90-Frequenzumrichtern als Antriebskern, PROFINET als Kommunikationsbackbone, kombinierter Encoder- und Laser-Entfernungsmessung zur Positionierung, geschlossener PID-Pendeldämpfung sowie SIL3-Sicherheits-SPS als Schutzsystem. Darüber hinaus werden die industriellen Internetlösungen für die Fernüberwachung und die Anbindung an MES-/Lagerverwaltungssysteme eingehend erörtert.

Mit der kontinuierlichen Weiterentwicklung von 5G+Industrial Internet, Digitalem Zwilling, künstlicher Intelligenz und Edge-Computing entwickelt sich das automatisierte Steuerungssystem für Krane in Richtung höherer Intelligenz, größerer Sicherheit und gesteigerter Effizienz. Kelude wird seine Kompetenzen in den Bereichen Kernsteuerungsalgorithmen und Systemintegration weiter ausbauen und maßgeschneiderte Kransteuerungslösungen für verschiedene Automatisierungsklassen in Branchen wie Metallurgie, Hafen, Schiffbau, Energieerzeugung und Maschinenbau anbieten – und damit einen Beitrag zur intelligenten und grünen Transformation der Industrie leisten.

Für weiterführende Informationen zur detaillierten Auswahl und Konfiguration von SPS-Steuerungssystemen für Krane empfehlen wir die Fachartikel auf dieser Website: Design von Fernüberwachungs- und intelligenten Wartungssystemen für Krane und Auswahl- und Konfigurationsleitfaden für SPS-Steuerungssysteme für Industriekrane für vertiefte technische Daten und praktische Erfahrungen aus dem Ingenieurbetrieb.