Intelligentes Kransteuerungssystem erhält Patent
Intelligentes Kransteuerungssystem von Kelude erhält nationales Patent – Kernalgorithmen zu 100 % in Eigenentwicklung. Der Grad der Eigenentwicklung eines intelligenten Kransteuerungssystems entscheidet direkt über die Sicherheit und Steuerbarkeit der Anlage sowie über den Handlungsspielraum bei künftigen technischen Aufrüstungen.
Der Autonomiegrad des intelligenten Kransteuerungssystems bestimmt maßgeblich die Betriebssicherheit der Anlage und die Flexibilität für spätere technische Upgrades. Das von der Kelude Schwerindustrie eigenentwickelte intelligente Kransteuerungssystem hat kürzlich die nationale Patentzulassung erhalten. Das Patent trägt den Titel „Verfahren und System zur intelligenten Bahnplanung und Antischwingungsregelung für Brückenkrane". Das System bildet die zentrale Steuerungsebene der KI-basierten optischen Inspektionstechnologie für Brückenkrane und ersetzt vollständig die bisherige SPS-Steuerung ausländischer Hersteller durch eine inländische Steuerungsplattform. Die Eigenentwicklungsquote der Kernalgorithmen liegt bei 100 %. Dieser Beitrag beleuchtet das System aus drei Perspektiven: patentierte Technologie, Architektur der Steuerungsplattform und Grad der Lokalisierung.
Patentierte Kernalgorithmen für Bahnplanung und Antischwingung
Das erteilte Patent umfasst zwei Kernalgorithmen. Der optimierte Bahnplanungsalgorithmus basiert auf einem verbesserten A*-Suchverfahren und führt die Pfadsuche im zweiachsigen Bewegungsraum von Kranbrücke und Katzfahrwerk durch. Der Antischwingungsregelungsalgorithmus nutzt einen adaptiven linearen quadratischen Regler (LQR), der die Gewichtungsmatrizen Q und R des LQR-Reglers anhand derEchtzeit erfassten Pendelwinkel und Winkelgeschwindigkeiten des Hakens dynamisch anpasst. Bei koordinierter Arbeitsweise erzeugt das Bahnplanungsmodul Bewegungsbefehle, während das Antischwingungsmodul die Beschleunigungs- und Verzögerungskurven in den Ausführungsbefehlen in Echtzeit korrigiert. Dadurch wird die Pendelamplitude der Last beim Erreichen der Zielposition auf ±50 mm begrenzt.
Eingebettete Steuerungsplattform mit Echtzeitbetriebssystem
Die intelligenten Steuerungsalgorithmen laufen auf einer eigenentwickelten eingebetteten Steuerungsplattform. Diese basiert auf dem inländischen Loongson-2K1000-Doppelkernprozessor mit 1,0 GHz Taktrate und einem 64-Bit-Betriebssystem. Vorinstalliert ist ein RTOS-Echtzeitbetriebssystem, das gewährleistet, dass die Bahnplanungs- und Antischwingungsalgorithmen ihre Berechnungen und Steuerbefehle innerhalb definierter Zeitfenster abschließen. Über die industriellen Ethernet-Schnittstellen PROFINET und EtherCAT kommuniziert die Plattform mit Frequenzumrichtern und Servoantrieben und ermöglicht so die präzise Bewegungssteuerung von Kranbrücke, Katzfahrwerk und Hubwerk.
Lokalisierungsstrategie: Hardware, Betriebssystem und Algorithmen
Die Lokalisierung des intelligenten Steuerungssystems erfolgt auf drei Ebenen – von der Hardware bis zur Software. Auf der Hardwareebene ersetzt der inländische Loongson-2K1000-Prozessor importierte ARM-Cortex-A-Serien. Auf Betriebssystemebene kommt ein inländisches RTOS anstelle von VxWorks oder FreeRTOS zum Einsatz. Sämtliche Bahnplanungs- und Antischwingungsalgorithmen wurden vollständig eigenentwickelt. Das intelligente Steuerungssystem wurde bereits bei drei Kundenstandorten gemeinsam mit dem KI-basierten optischen Inspektionssystem für Brückenkrane in Betrieb genommen. Die Auswertung der Betriebsdaten zeigt: Im automatischen Positioniermodus reduziert sich die durchschnittliche Zykluszeit für einen Hubvorgang von ca. 8 Minuten bei manueller Bedienung auf unter 3 Minuten.
Häufig gestellte Fragen (FAQ)
F: Ist das intelligente Steuerungssystem mit der vorhandenen SPS-Steuerung des Krans kompatibel? Muss der elektrische Schaltschrank ausgetauscht werden?
A: Das intelligente Steuerungssystem arbeitet als übergeordnete Steuerungsebene parallel zum bestehenden SPS-System – es ersetzt dieses nicht. Die vorhandene SPS-Steuerung übernimmt weiterhin die Sicherheitskreislogik und den konventionellen Betriebsmodus. Das intelligente Steuerungssystem liest über PROFINET Statusdaten von der SPS und sendet optimierte Bewegungsbefehle an die Frequenzumrichter. Ein Austausch des elektrischen Schaltschranks ist nicht erforderlich; es genügen die Nachrüstung des intelligenten Steuerungsmoduls und die entsprechende Kommunikationsverdrahtung. Die Umbauphase beträgt in der Regel 2 bis 3 Arbeitstage inklusive Inbetriebnahme.
F: Wie wirkt sich die Antischwingungsregelung im realen Kranbetrieb aus?
A: Messdaten von drei Kundenstandorten belegen: Beim Transport eines 5-t-Stahlcoils reduziert die adaptive LQR-Antischwingungsregelung die Restpendelamplitude nach dem Stoppen von durchschnittlich ±200 mm bei manueller Bedienung auf ±42 mm. Die Beruhigungszeit verkürzt sich von ca. 25 Sekunden auf ca. 8 Sekunden. Beim Transport einer 15-t-Form liegt die Restpendelamplitude bei ±55 mm, die Beruhigungszeit bei ca. 10 Sekunden. Wenn das optische Inspektionssystem zusätzlich die Lastposition in Echtzeit rückmeldet, reduziert sich die Anzahl der Nachjustiervorgänge beim automatischen Positionieren von 3 bis 5 manuellen Korrekturen auf 1.
F: Reicht die Rechenleistung des inländischen Loongson-Prozessors für die Echtzeitanforderungen der Steuerung aus?
A: Die Rechenleistung des Loongson-2K1000-Doppelkernprozessors mit 1,0 GHz ist für die Bahnplanungs- und Antischwingungsalgorithmen vollkommen ausreichend. Messungen zeigen: Die A*-Suche für die Bahnplanung benötigt bei einem typischen Szenario mit einer Spannweite von 30 m eine mittlere Berechnungszeit von 12 ms. Die Zustandsrückführung des adaptiven LQR-Reglers beansprucht pro Steuerzyklus lediglich 0,3 ms. Die Prozessorlast liegt im Normalbetrieb bei ca. 35 % und bei gleichzeitiger Bahnneuplanung und Regelungsberechnung unter hoher Last bei ca. 60 %. Damit bleibt eine ausreichende Reservemarge für die Stabilitätsanforderungen der industriellen Steuerungstechnik erhalten.
F: Wie ist der Schutzumfang des Patents und wie lange ist es gültig?
A: Der Schutzumfang des Patents wird durch die Patentansprüche definiert. Das erteilte Patent umfasst 12 Patentansprüche: drei unabhängige Ansprüche für das Bahnplanungsverfahren, das Antischwingungsverfahren und die Systemarchitektur sowie neun abhängige Ansprüche. Die Laufzeit des Patents beträgt 20 Jahre ab dem Anmeldetag. Gemäß der Norm GB/T 29490-2013 zum Management geistigen Eigentums in Unternehmen sind Anmeldung und Aufrechterhaltung von Patenten in das unternehmenseigene IP-Managementsystem zu integrieren. Die unbefugte Nutzung der patentierten Algorithmen und Verfahren stellt eine Patentverletzung dar.
