Eigenentwickeltes Servosteuerungssystem für Krane
Eigenentwickeltes Servosteuerungssystem für Krane – Kernalgorithmen zu 100 % inländischer Fertigung. Das von Kelude Schwerindustrie eigenentwickelte Servosteuerungssystem für Krane hat die interne Abnahme bestanden. Die Kernsteueralgorithmen werden zu 100 % durch eigene Entwicklungen ersetzt – ein Meilenstein, der die Unabhängigkeit von importierten Marken im Bereich der elektrischen Kransteuerung markiert.
Das von Kelude Schwerindustrie eigenentwickelte Servosteuerungssystem für Krane hat die interne Abnahme bestanden. Mit der vollständigen Substitution der Kernsteueralgorithmen durch eigene Entwicklungen ist das Unternehmen im Bereich der elektrischen Kransteuerung nicht länger von importierten Marken abhängig. Das System nutzt Servoantriebe und Bewegungssteueralgorithmen mit vollständig eigenem geistigem Eigentum und deckt die synchronisierte Dreiachsensteuerung von Hubwerk, Katzenmechanismus und Kranfahrwerk ab. Es ist für die Hauptmodelle wie QD-Brückenkran, QZ-Greiferbrückenkran und MG-Portalkran geeignet.
Entwicklungshintergrund und technologischer Ansatz
Die elektrischen Kernsteuerungssysteme von Kranen waren lange Zeit von importierten Marken wie Siemens, ABB und Schneider abhängig, was deutliche Nachteile bei der Lieferkettensicherheit, der kundenspezifischen Entwicklung und der Kostenkontrolle mit sich brachte. Kelude Schwerindustrie startete 2023 das Projekt zur Eigenentwicklung eines kranspezifischen Servosteuerungssystems. Der technologische Ansatz setzt auf einen leistungsfähigen, inländischen DSP-Chip als Steuerungskern, kombiniert mit selbst entwickelten Vektorregelungsalgorithmen und einer SVPWM-Modulationsstrategie. Ergänzt wird dies durch inländische IGBT-Leistungsmodule und eine eigenständig entwickelte Treiberplatine. Die Systementwicklung dauerte 18 Monate, die F&E-Aufwendungen überstiegen 4 Millionen CNY (ca. 508.000 EUR). Abgedeckt wurde der gesamte Entwicklungszyklus von der Hardware-Auswahl über PCB-Design und -Prototyping, Treiberentwicklung, Verifizierung der Steueralgorithmen bis hin zur Gesamtsystem-Inbetriebnahme.
Systemarchitektur
Das Servosteuerungssystem verwendet eine verteilte Busarchitektur und besteht aus vier Komponenten: Hauptsteuergerät, Servoantrieb, Bedienterminal und Sensorik. Das Hauptsteuergerät basiert auf einem inländischen GD32-Chip mit ARM Cortex-M7-Kern und einer Taktfrequenz von 480 MHz. Es übernimmt Bewegungsplanung, Logiksteuerung und Kommunikationsmanagement und realisiert einen Drei-Achsen-Synchronisationszyklus von 1 ms. Der Servoantrieb verwendet ein inländisches DSP+FPGA-Doppelchip-Design: Der DSP ist für die Vektorregelung und den Stromregelkreis zuständig, das FPGA für die Encoder-Signalverarbeitung und schnelle E/A-Reaktionen. Die Bandbreite des Stromregelkreises beträgt 2 kHz, die des Drehzahlregelkreises 200 Hz. Das Bedienterminal nutzt ein 7-Zoll-Touchpanel mit Mensch-Maschine-Schnittstelle, basierend auf einem inländischen Allwinner R16-Prozessor und Linux, und unterstützt Programmierung im Kontaktplan (KOP) sowie Online-Parameteranpassung. Die Sensorik verwendet inländische Absolutwertgeber mit einer Auflösung von 23 Bit. In Verbindung mit der eigenen Signalverarbeitungsschaltung wird eine Erkennungsgenauigkeit der Position von 0,001 Umdrehungen erreicht.
Kernalgorithmen
Die größte technologische Errungenschaft des Steuerungssystems sind die drei vollständig eigenentwickelten Kernsteueralgorithmen. Der sensorlose Vektorregelungsalgorithmus schätzt die Rotorfluss-Position und die Drehzahl in Echtzeit über ein Motormodell und macht den Encoder im Drehzahlregelkreis überflüssig. Die Drehmomentregelgenauigkeit des Hubwerks beträgt im gesamten Frequenzbereich von 0,5 Hz bis 120 Hz ±3 %. Der Antischwing-Steueralgorithmus basiert auf der Eingangsformung. Er zerlegt die Bewegungsbefehle für Heben und Katzfahren in einen Hauptimpuls und überlagerte Verzögerungsimpulse, um das Pendeln der Last während Beschleunigungs- und Verzögerungsphasen zu unterdrücken. Die Lastschwankung wird auf ±3 cm begrenzt, was einer Effizienzsteigerung der Pendeldämpfung von ca. 40 % gegenüber herkömmlichen Bedienungsarten entspricht. Der Mehrfachmotor-Leistungsausgleichsalgorithmus ist für die Doppelmotor-Hubwerke von Kranen mit großer Tragfähigkeit ausgelegt. Über eine Drehmoment-Regelkreissteuerung wird die Abweichung des Ausgangsdrehmoments der beiden Motoren auf nicht mehr als ±2 % begrenzt. Dies verhindert strukturelle Schieflasten und Stoßbelastungen im Antriebssystem, die durch nicht synchronisierte Doppelmotoren entstehen können.
Hardware-Autonomie
Das Hardware-Design des Servoantriebs wurde vollständig eigenständig durchgeführt, die Kernkomponenten sind zu 100 % aus inländischer Fertigung. Der Leistungsteil verwendet inländische IGBT-Module und eine eigene dreiphasige Gleichrichter-Wechselrichter-Schaltung. Der Nennstrom deckt fünf Leistungsklassen von 50 A bis 600 A ab und passt für Kranantriebe von 5 t bis 100 t Tragfähigkeit. Die Steuerplatine ist als 4-Lagen-PCB ausgeführt und integriert eine Hochgeschwindigkeits-ADC-Abtastschaltung (16 Bit, 1 MHz Abtastrate), eine galvanisch getrennte Treiberschaltung sowie dreifache Schutzschaltungen gegen Überstrom, Überspannung und Übertemperatur. Die Kommunikationsschnittstelle unterstützt sowohl EtherCAT-Slave als auch CANopen-Protokoll und kann in gängige industrielle Ethernet-Steuerungssysteme integriert werden. Das Kühlsystem verwendet ein unabhängiges Luftkanaldesign in Verbindung mit einem Aluminium-Strangpresskühler. Die Übertemperatur des Antriebs bleibt unter Nennbedingungen innerhalb von 45 K. Das EMV-Design erfüllt die Norm GB/T 12668.3; die Störfestigkeit gegen elektrostatische Entladung beträgt ±6 kV bei Kontaktentladung und ±8 kV bei Luftentladung.
Prüfung und Verifizierung
Das Servosteuerungssystem wurde strengen Labortests und Feldversuchen unterzogen. In der Laborphase wurden 62 Funktionstests, 38 Leistungstests, 15 Zuverlässigkeitstests und 8 EMV-Tests durchgeführt. Die Funktionstests umfassten grundlegende Operationen wie Heben/Senken/Stopp/Not-Halt, Katzfahren nach links/rechts und Kranfahren vorwärts/rückwärts sowie präzise Steuerungsmodi wie Tippbetrieb, Schleichgang und Positionierstopp. Die Leistungstests konzentrierten sich auf das Anlaufmoment bei Volllast (150 % des Nenndrehmoments für 5 Sekunden), die Drehzahlregelgenauigkeit (stationäre Drehzahlabweichung innerhalb ±0,5 %), die Positionsgenauigkeit (Positionierfehler innerhalb ±2 mm) sowie die Beschleunigungs-/Verzögerungsleistung (einstellbare Beschleunigung von 0,2 m/s² bei Volllast). Die Zuverlässigkeitstests umfassten einen 1.000-stündigen Dauerbetrieb und 5.000 Hubspiele unter Volllast. Der geschätzte MTBF-Wert des Systems übersteigt 15.000 Stunden. Die EMV-Testergebnisse erfüllen die Klasse-A-Anforderungen für industrielle Umgebungen. Konstruktion & Fertigung erfolgten durchgängig nach den nationalen Normen DIN 15018 (Krandimensionierungsnorm) und GB/T 12668 (drehzahlverstellbares elektrisches Antriebssystem).
Praxiseinsatz
Das Servosteuerungssystem wurde an zwei Vorführmodellen im eigenen Werk von Kelude Schwerindustrie unter realen Bedingungen verifiziert. Der erste Prototyp war ein 10-t-QD-Brückenkran, installiert in der Montage- und Inbetriebnahmewerkstatt. Die Steuerung dieses Systems folgt den Spezifikationen der KI-basierten visuellen Normen für Krane. Es wurden über 200 Stunden kontinuierlicher Hebe- und Transportbetrieb mit den vier Betriebsbedingungen Leerlauf, Teillast, Volllast und Überlastprüfung absolviert. Der zweite Prototyp war ein 20-t-MG-Portalkran, installiert im Freilager. Er war rauen Umgebungsbedingungen wie Hitze (40 °C), Kälte (-5 °C), Feuchtigkeit und Staub ausgesetzt und lief stabil und störungsfrei. Die beiden Prototypen absolvierten insgesamt über 8.000 Hubspiele. Das Feedback der Bediener war durchweg positiv. Das Systemdesign ist nun abgeschlossen; es befindet sich in der Kleinserienfertigung. Die ersten 20 Antriebe befinden sich in der Produktionsplanung und sind für Neugeräte vorgesehen, die in der zweiten Jahreshälfte 2026 ausgeliefert werden.
Vergleich mit Importmarken
Vergleichstests zeigen, dass die wichtigsten Leistungskennwerte des eigenen Servosteuerungssystems in Krananwendungen auf dem gleichen Niveau liegen wie die der Siemens S120-Antriebsserie. Die Drehmoment-Reaktionszeit beträgt beim eigenen System 4,5 ms, beim Siemens S120 ca. 3,8 ms. Diese Differenz ist akzeptabel und in nicht hochdynamischen Anwendungen für den Benutzer nicht spürbar. Bei der Antischwingregelung erreicht das eigene System eine Lastschwankung von ±3 cm, was besser ist als bei herkömmlichen Bedienungsarten und auf dem Niveau importierter Antischwing-Module liegt. Der wettbewerbsfähigste Vorteil liegt bei Preis und Service: Bei gleicher Leistungskonfiguration liegen die Gesamtkosten des eigenen Systems bei etwa 60 % einer Importlösung. Die Reaktionszeit für technische Unterstützung konnte von 2–4 Wochen bei Importmarken auf unter 48 Stunden verkürzt werden.
Entwicklungsplanung
Die weitere Entwicklung des Servosteuerungssystems bei Kelude Schwerindustrie umfasst drei Schwerpunkte. Erstens die Produktfamilien-Erweiterung: Basierend auf der bestehenden DSP-Plattform werden leistungsstärkere Antriebe für Krane mit größerer Tragfähigkeit (Klasse 800 A/1000 A) sowie kostengünstige Antriebe für leichte Anwendungen mit kleiner Tragfähigkeit (Klasse unter 30 A) entwickelt, um eine vollständige Produktmatrix über den gesamten Leistungsbereich abzudecken. Zweitens die Erweiterung der Kommunikationsprotokolle: Zukünftige Versionen werden PROFINET-Slave und EtherNet/IP unterstützen, um die Kompatibilität mit SPS-Steuerungssystemen weiterer Hersteller zu erhöhen und Integrationsbarrieren abzubauen. Drittens die intelligente Aufrüstung: Die Integration von Vibrationserkennungsschnittstellen und Oberschwingungsanalyse des Stroms in die Antriebsplattform ermöglicht die Online-Überwachung des Gesundheitszustands von Motor und Antriebssystem und realisiert damit die Fähigkeit zur Prädiktiven Wartung.
Häufige Fragen (FAQ)
F: Was ist der Unterschied zwischen dem eigenen Servosteuerungssystem von Kelude Schwerindustrie und herkömmlichen Frequenzumrichter-Lösungen?
F: Worin unterscheidet sich das eigene Servosteuerungssystem von herkömmlichen Frequenzumrichter-Lösungen?
A: Herkömmliche Frequenzumrichter-Lösungen setzen auf Standard-Umrichter in Verbindung mit einer externen SPS für die Logiksteuerung. Die einzelnen Antriebe kommunizieren über den Feldbus, was die Systemintegration aufwendig und die Reaktionszeiten spürbar erhöht. Das eigene Servosteuerungssystem integriert Bewegungssteuerung, Antrieb und Kommunikation auf einer einzigen Hardware-Plattform. Der Synchronisationszyklus der drei Achsen wird auf 1 ms verkürzt. Zudem wurde das System speziell für den Vierquadrantenbetrieb und die Rückspeisung des Hubwerks optimiert, wodurch der Rückspeisewirkungsgrad um ca. 15 % gesteigert wird. In Bezug auf Kosten und Lieferzeit unterscheiden sich beide Ansätze kaum, doch das eigene System bietet deutliche Vorteile bei Steuerungsleistung, Integrationsgrad und kundenspezifischer Weiterentwicklung.
F: Welche Schulungsanforderungen stellt das Servosteuerungssystem an das Bedienpersonal?
A: Die Mensch-Maschine-Schnittstelle des Servosteuerungssystems arbeitet mit einem Touchpanel in deutscher Sprache. Die Bildschirmstruktur ist an die herkömmliche Bedienung im Kranführerhaus angelehnt, und die Steuerknüppel für Hubwerk, Laufkatze und Kranbrücke folgen der Standardanordnung. Das Bedienpersonal kann daher ohne zusätzliche Einweisung sofort arbeiten. Das System verfügt über eine Ein-Tasten-Parameterwiederherstellung und eine Fehlerselbstdiagnose. Häufige Störungen wie Encoderfehler, Überstrom oder Kommunikationsunterbrechung – insgesamt über zehn Fehlerklassen – werden mit genauer Fehlerposition und Behebungsvorschlag auf dem Bildschirm angezeigt. Das Wartungspersonal ist nach ca. zwei Arbeitstagen Schulung in der Lage, die gängigsten Störungen selbst zu beheben.
F: Lässt sich das eigene Servosteuerungssystem mit vorhandener Anlagentechnik kombinieren?
A: Ja. Das System wurde von Beginn an für den Mischbetrieb ausgelegt und unterstützt die Vernetzung mit Frequenzumrichtern namhafter Importmarken über PROFIBUS DP oder CANopen Feldbus. Bei Umbauprojekten kann je nach Kundenbudget entweder nur der Antrieb des Hubwerks oder die komplette Antriebstechnik aller drei Achsen ersetzt werden. Ein Motortausch ist nicht erforderlich: Die eigenen Antriebe sind kompatibel mit Asynchron- und Permanentmagnet-Synchronmotoren gängiger in- und ausländischer Hersteller. Die Encoder-Schnittstelle unterstützt sowohl inkrementelle als auch absolute Drehgeber. Für zwei bestehende Anlagen wurden bereits Umbauprojekte mit abgeschlossener Konzeptplanung realisiert.
F: Wie sind Lieferzeit und Kundendienst beim Servosteuerungssystem geregelt?
A: Die eigenen Servoantriebe werden im Werk von Kelude Schwerindustrie gefertigt. Die Lieferzeit für Standardprodukte beträgt 15 Arbeitstage ab Bestelleingang. Vor Auslieferung durchläuft jeder Antrieb einen 4-stündigen Volllast-Alterungstest sowie einen vollständigen Funktionstest. Es gelten ein Jahr Garantie sowie lebenslanger technischer Support. Der Support erfolgt über drei Wege: telefonische Hotline, Ferndiagnose-Plattform und Vor-Ort-Service. Die Störungsreaktionszeit beträgt im Notfall höchstens 4 Stunden. Gängige Ersatzteile wie IGBT-Module, Steuerplatinen und Stromversorgungsplatinen sind auf Lager; die Reparaturdurchlaufzeit beträgt maximal 3 Arbeitstage.
