SPS-Steuerungssystem für Brückenkrane: S7-1500 Bewegungsteuerung

Die SPS-Steuerung eines Brückenkrans ist das „zentrale Nervensystem" des automatisierten Betriebs: Über PROFINET IO steuert sie Frequenzumrichter und Sensoren, über OPC UA kommuniziert sie mit dem Dispositionssystem und der MES-Plattform, während parallel eine unabhängige SIL3-Sicherheitslogik den Schutz von Anlage und Personal gewährleistet. Eine gut ausgelegte SPS-Steuerung muss Echtzeitfähigkeit, Zuverlässigkeit, Sicherheit und Wartbarkeit gleichermaßen erfüllen. Auf Basis langjähriger Systemintegrationserfahrung mit der Siemens-Steuerungsfamilie S7-1500 hat Kelude Schwerindustrie eine standardisierte Steuerungsarchitektur für Brückenkrane entwickelt, die Hardwareauswahl, Bewegungsteuerungsbausteine, Bremsungssequenzen, Sicherheitslogik und Inbetriebnahmeprozesse umfasst. Dieser Beitrag beschreibt diese engineeringtechnische Praxis auf Systemarchitekturebene.

Hardwareauswahl und Systemkonfiguration der SPS-Plattform

Das SPS-Steuerungssystem für Brückenkrane basiert auf der Siemens-Steuerungsfamilie S7-1500; die konkrete CPU-Auswahl richtet sich nach Tragfähigkeit und Steuerungskomplexität des Krans. Für leichte Krane bis 20 t Tragfähigkeit kommt die CPU 1511-1 PN zum Einsatz, die mit 48 KB Programmspeicher und 32 KB Datenspeicher für Anwendungen mit einem Frequenzumrichter und einfacher IO-Steuerung ausgelegt ist. Mittlere Krane von 20 bis 50 t werden mit der CPU 1513-1 PN ausgestattet, deren Programmspeicher auf 128 KB erweitert ist und die Mehrachs-Bewegungsteuerung sowie OPC-UA-Serverfunktionen unterstützt – sie ist der am häufigsten eingesetzte Typ in den standardisierten Kranprojekten von Kelude Schwerindustrie. Für schwere Krane über 50 t wird die CPU 1516-3 PN/DP verwendet, die Bewegungsteuerung für mehr als drei Achsen, Multiprotokoll-Kommunikation und anspruchsvollere Sicherheitslogik ermöglicht.

Für Anwendungen mit Anforderungen an die funktionale Sicherheit gemäß SIL3 wird die Sicherheits-CPU der F-Serie (z. B. CPU 1515F-2 PN oder CPU 1517F-3 PN/DP) eingesetzt. Über das PROFIsafe-Protokoll werden Standard- und Sicherheitssteuerung in einer einzigen CPU integriert. Dadurch entfällt eine separate Sicherheits-SPS, was sowohl die Hardwarekosten als auch die Verdrahtungskomplexität reduziert.

Bei den Erweiterungsmodulen ist jeder Brückenkran standardmäßig mit einer DI 32×24V DC-Digitaleingangsmodul (zur Erfassung von Endschaltern, Bedientastern und Signalen von Handhängern), einem DO 32×24V DC/0.5A-Digitalausgangsmodul (zur Ansteuerung von Schützen, Leuchten und Summer) sowie zwei AI 8×U/I-Analogeingangsmodulen (zur Erfassung von Lastsensoren, Laser-Entfernungsmessung und Temperatursignalen) ausgestattet. Für sicherheitsrelevante I/Os werden die fehlersicheren Module F-DI 16×24V DC und F-DQ 8×24V DC/2A verwendet. Auf der Antriebsseite sind standardmäßig zwei G120 CU250S-2 DP Control Units mit PROFINET-Schnittstelle verbaut, die jeweils den Hubmotor und die Motoren für Kranbrücke und Laufkatze antreiben.

Die Systemnetzwerktopologie basiert auf dem industriellen Ethernet PROFINET RT und erfüllt die harten Echtzeitanforderungen mit einer Kommunikationszykluszeit von unter 10 ms auf Steuerungsebene. Die SPS fungiert als PROFINET-IO-Controller; die G120-Frequenzumrichter, die ET200SP-Dezentralperipherie und die Encoder-Schnittstellenmodule sind als IO-Devices eingebunden. Alle Geräte sind über einen industriellen Netzwerk-Switch (Siemens SCALANCE XC216 oder gleichwertiger Typ) in einem MRP-Ring vernetzt, dessen Wiederanlaufzeit unter 200 ms liegt.

TIA Portal Projektstruktur und OB-Organisationsblöcke

Kelude Schwerindustrie verwendet im TIA-Portal-Projekt für die Kransteuerung einen standardisierten Programmaufbau. Der Hauptzyklus OB1 führt die Bewegungssteuerung, Logikverknüpfungen und den Kommunikationsdatenaustausch aus. Die Zykluszeit ist auf 10 ms eingestellt, um der Aktualisierungsrate des Drehzahlregelkreises der Frequenzumrichter zu entsprechen. Der zyklische Interrupt OB30 (Intervall 50 ms) führt die Berechnungen für den geschlossenen Positionsregelkreis und die Pendeldämpfung aus, während OB32 (200 ms) für die Zustandserfassung und Fehlerdiagnose zuständig ist.

Beim Start führt OB100 die Systeminitialisierung durch, einschließlich Löschen des Fehlerspeichers, Überprüfung der Encoder-Nullposition und Rücksetzen des Not-Halt-Zustands. Der Zeitinterrupt OB10 führt alle 24 Stunden die Betriebszeiterfassung und die Beurteilung der Wartungsintervalle durch. Der Hardware-Interrupt OB40 reagiert auf das Nullimpuls-Signal des Hochgeschwindigkeits-Encoders für die Kalibrierung der Referenzposition.

Bewegungssteuerung: Funktionsbaustein-Design für Kranfahrten

Die zentrale Bewegungslogik des Steuerungssystems des Brückenkrans ist in den Funktionsbausteinen FB_Control und FB_Position gekapselt. FB_Control basiert auf einem endlichen Zustandsautomaten mit sechs Zuständen: IDLE (Bereitschaft, wartet auf Auftrag), ACCEL (Beschleunigung nach S-Kurve auf Zielgeschwindigkeit), CRUISE (Konstantfahrt mit Zielgeschwindigkeit), DECEL (Verzögerung nach S-Kurve bis in die Nähe der Zielposition), POSITION (Feinpositionierung mit niedriger Geschwindigkeit auf ±3 mm Genauigkeit) und STOP (Bremsung einleiten und Frequenzumrichter freigeben).

Die S-Kurven-Beschleunigung wird über eine fünfsegmentige Geschwindigkeitsplanung in FB_Control realisiert: Im Anfangssegment OA steigt die Ruckrate linear von Null auf den Maximalwert, im Halteabschnitt AB erfolgt die Beschleunigung mit konstanter Rate, und im Übergangssegment BC wird die Ruckrate linear auf Null reduziert, um in die Konstantfahrt überzugehen. Das Verzögerungssegment ist symmetrisch umgekehrt. Die Standard-Ruckrate beträgt 0,5 m/s³, die maximale Beschleunigung 0,3 m/s², wodurch der Stoßbeiwert beim Anfahren der Kranbrücke auf unter 1,1 gesenkt wird (bei herkömmlicher Zwei-Stufen-Anfahrsteuerung liegt der Stoßbeiwert bei ca. 1,5–1,8).

Für den geschlossenen Positionsregelkreis kombiniert FB_Position drei Positionsquellen: die inkrementelle Encoder-Position (100-Hz-Aktualisierung, Auflösung 0,1 mm), die absolute Position per Laser-Entfernungsmessung (50-Hz-Aktualisierung, Genauigkeit ±1 mm) sowie einen Gray-Code-Kalibrierpunkt. Ein Komplementärfilter (Grenzfrequenz 0,5 Hz) fusioniert die absolute Laserpositionierung bei niedrigen Geschwindigkeiten mit der inkrementellen Encoder-Positionierung bei hohen Geschwindigkeiten und liefert eine optimierte Positionsschätzung. Die PI-Parameter des Positionsregelkreises werden während der Inbetriebnahme über die Trace-Funktion in TIA Portal kalibriert: Proportionalverstärkung Kp = 8,0, Nachstellzeit Ti = 200 ms.

Bremsensteuerung: Timing und Schutz vor Lastrutschen

Die Bremssteuerung des Hubwerks ist ein kritischer Faktor für Sicherheit und Lebensdauer der Anlage. Das Timing von Bremsöffnung und -schließung bestimmt, ob ein Lastrutschen auftreten kann. Kelude hat eine fünfstufige Bremssteuerungssequenz entwickelt, die über PROFIsafe zwischen dem G120-Frequenzumrichter und der S7-1500-SPS realisiert wird.

Die Öffnungssequenz umfasst drei Phasen: In Phase 1 sendet die SPS den Befehl „Vormagnetisierung" über PROFIsafe an den G120; der Frequenzumrichter baut den Erregerstrom des Motors auf (Dauer 300 ms). In Phase 2 erzeugt der Frequenzumrichter das Hubmoment (110 % des Zielmoments); das Drehmoment-Bestätigungssignal wird über PROFIsafe an die SPS zurückgemeldet (Dauer 200 ms). In Phase 3 gibt die SPS nach bestätigtem Drehmomentaufbau den Befehl zum Öffnen der Bremse aus; das Bremsmagnet wird bestromt (Reaktionszeit 150 ms). Nach vollständigem Öffnen der Bremse sendet die SPS den Befehl „Freigabe zum Betrieb".

Die Schließsequenz umfasst zwei Phasen: In Phase 1 sendet die SPS den Befehl „Stopp"; der Frequenzumrichter verzögert mit der Verzögerungsrampe bis auf Nullgeschwindigkeit (Nullgeschwindigkeits-Haltezeit 200 ms). In Phase 2 sendet die SPS den Befehl zum Schließen der Bremse; die Bremse schließt mechanisch (Reaktionszeit 100 ms). Nach Bestätigung der Nullgeschwindigkeit wird der Frequenzumrichter spannungsfrei geschaltet. Die gesamte Bremszykluszeit (vom Stoppbefehl bis zum vollständigen Schließen der Bremse) beträgt maximal 850 ms.

Zur Kompensation des Bremsbelagverschleißes erfasst das System in jedem Bremszyklus die tatsächliche Öffnungszeit vom „Befehl Bremsöffnung" bis zur „Rückmeldung Bremsmagnet angezogen". Diese wird mit dem kalibrierten Nennwert (150 ms) verglichen. Entsprechend der Zunahme des Belagverschleißes wird der Öffnungsbefehl schrittweise vorgezogen, sodass der tatsächliche Öffnungszeitpunkt stets stabil im Zielbereich bleibt.

Sicherheitslogik und SIL3-Umsetzung im Kranbetrieb

Die Sicherheitsfunktionen des Steuerungssystems des Brückenkrans entsprechen den Normen IEC 61508 und EN ISO 13849-1, die angestrebte Sicherheits-Integritätsklasse ist SIL3. Die Umsetzung erfolgt über die sicherheitsgerichtete CPU der Baureihe S7-1500F sowie das PROFIsafe-Kommunikationsprotokoll. Sicherheitsrelevante Ein-/Ausgänge werden über F-DI- und F-DQ-Module angebunden.

Zu den wesentlichen Sicherheitsfunktionen zählen:

• Safe Torque Off (STO) – Bei Betätigung des Not-Aus-Tasters oder Auslösen eines Endschalters wird die Impulsfreigabe des Frequenzumrichters direkt über PROFIsafe abgeschaltet; die Reaktionszeit beträgt weniger als 20 ms.
• Safe Limited Speed (SLS) – Bei Annäherung an die Endposition wird 200 mm vor dem Anschlag auf 10 % der Nenngeschwindigkeit reduziert; die Reaktionszeit beträgt weniger als 50 ms.
• Safe Brake Control (SBC) – Bei Auslösung von STO wird die Bremsung automatisch geschlossen, um Lastrutschen zu verhindern.
• Safe Direction Indication (SDI) – Verhindert eine ungewollte Bewegung von Kranbrücke und Laufkatze vor Erhalt des entgegengesetzten Richtungsbefehls.

Der Not-Aus-Stromkreis ist zweikanalig redundant aufgebaut: Kanal A erfasst den Öffnerkontakt des Not-Aus-Tasters über ein F-DI-Modul; Kanal B führt den Hilfskontakt des Not-Aus-Tasters über eine hartverdrahtete Reihenschaltung direkt in die Steuerspule des Hauptschützes. Jeder Kanal kann die Stromversorgung der Antriebe unabhängig unterbrechen. Die Testimpulsfrequenz der Sicherheits-I/Os beträgt 1 Hz; die SPS führt in jedem Sicherheits-Scanzyklus (20 ms) die in F-LAD programmierte Sicherheitslogik aus und aktualisiert die sicheren Ausgänge.

Inbetriebnahme und Parametrierung der SPS-Steuerung

Die Inbetriebnahme der SPS-Steuerung des Brückenkrans erfolgt in sechs standardisierten Schritten.

Schritt 1: Netzwerk-Konfiguration und Diagnose – Mit der Software PRONETA werden alle Teilnehmer im PROFINET-Netzwerk gescannt. Gerätenamen und IP-Adressen werden mit der Projektierung in TIA Portal abgeglichen; es wird sichergestellt, dass alle IO-Geräte online sind.

Schritt 2: Parametrierung der Frequenzumrichter – Die G120-Parametersätze werden über STARTER bzw. Startdrive geladen. Für das Hubwerk gelten: P1300 = 20 (sensorlose Vektorregelung), P1120 = 2,0 s (Beschleunigungszeit), P1121 = 2,0 s (Verzögerungszeit), P1240 = 3 (Vdc_max-Regler aktiv). Für das Brückenfahrwerk gelten P1120 = 4,0 s und P1121 = 4,0 s.

Schritt 3: Statische Motordaten-Erkennung – Es wird P1910 = 1 (statische Erkennung) ausgeführt und auf „alle Daten erkennen" gesetzt. Der Erkennungslauf misst automatisch Statorwiderstand, Rotorwiderstand, Streuinduktivität und Hauptinduktivität des Motors. Während der Erkennung darf der Motor nicht mechanisch belastet sein.

Schritt 4: Positions-Kalibrierung – Über das Bedienfeld in TIA Portal wird der Brückenkran manuell in beide Endlagen gefahren. Die Abweichung zwischen den Zählwerten von Encoder und Laser-Entfernungsmessung wird erfasst; Nullpunkt-Offset und positive/negative Endschalterwerte werden eingestellt.

Schritt 5: Bestätigung der Bremszeitfolge – Im Leerbetrieb und unter Nennlast wird jeweils der Drehmomentaufbau beim Öffnen der Bremsung sowie die Nullgeschwindigkeits-Haltefolge beim Schließen verifiziert. Über die Trace-Funktion werden Drehmoment- und Geschwindigkeitskurve erfasst; die Bremszeitparameter werden gegen die Anforderungen der Fünf-Phasen-Steuerung geprüft.

Schritt 6: OPC-UA-Kommunikationsprüfung – Mit UA Expert wird eine Verbindung zum OPC-UA-Server der Kran-SPS hergestellt. Datentypen und Wertebereiche der Knoten werden gelesen; Adressen und Zugriffsrechte der 26 veröffentlichten Datenknoten werden abgeglichen. Die ordnungsgemäße Kommunikation mit dem Dispositionssystem und der MES-Plattform wird bestätigt.

Häufig gestellte Fragen (FAQ)