Elektrische Kransteuerung: Vom Stromlaufplan bis zur SPS

Die elektrische Kransteuerung ist das zentrale Steuerungssystem des Brückenkrans und verantwortlich für Logiksteuerung, Bewegungsabläufe, Sicherheitsfunktionen und die Bedienerschnittstelle. Dieser Beitrag beschreibt den vollständigen Planungsprozess einer elektrischen Kransteuerung – von der Erstellung des Stromlaufplans über die Komponentenauswahl und SPS-Programmierung bis hin zur Inbetriebnahme vor Ort. Er dient Elektrokonstrukteuren und Inbetriebnahme-Ingenieuren als praxisorientierter Leitfaden.

Aufbau der elektrischen Kransteuerung im Überblick

Die elektrische Kransteuerung ist als verteilte Steuerungsarchitektur konzipiert und besteht aus drei Ebenen: dem Hauptschaltschrank im Führerhaus, dem Elektroschrank für die Kranbrücke und dem Elektroschrank für die Laufkatze. Der Hauptschaltschrank im Führerhaus beherbergt die SPS-Zentraleinheit, das Touchpanel als Mensch-Maschine-Schnittstelle (HMI) sowie die Steuerknüppel und Bedientasten für alle Kranfunktionen. Der Elektroschrank für die Kranbrücke ist auf dem Laufsteg entlang des Hauptträgers montiert und enthält die Frequenzumrichter bzw. Drehzahlregelungswiderstände für die beiden Brückenfahrmotoren, die Bremswiderstände, die Klemmenleiste sowie die Hilfssteuerungskomponenten. Der Elektroschrank für die Laufkatze ist auf der Katzenbühne installiert und umfasst die Frequenzumrichter für Hubmotor und Katzfahrmotor, das Bremsmodul, den Messumformer des Traglastbegrenzers, den Gleichrichter für die Bremsen sowie die Hilfssteuerungskomponenten. Die Stromversorgung und Kommunikation zwischen den drei Schaltschränken erfolgt über Schleppleitungen oder Kabelkanäle. Die Verbindung zwischen Kranbrücke und Führerhaus wird über mehradrige Kabel hergestellt, die über den Flaschenzug und das Schleppkabelsystem geführt werden; die Verbindung zwischen Laufkatze und Führerhaus erfolgt über ein hängendes Schleppkabel. Die Stromversorgung des Systems ist als Drehstrom mit fünf Leitern (TN-S) ausgeführt. Die Gesamtenergie wird über den Hauptleistungsschalter in den Hauptschaltschrank im Führerhaus eingespeist und über separate Leistungsschalter und Schütze auf die einzelnen Antriebsgruppen verteilt.

Stromlaufplan-Erstellung nach DIN EN 60204-32

Die Erstellung des Stromlaufplans erfolgt nach einer modularen Methode und gliedert sich in vier Bereiche: Hauptstromkreis, Steuerstromkreis, PLC-I/O-Anschlussplan und Sicherheitsstromkreis. Der Hauptstromkreis bildet die Einspeisung der Motoren aller Antriebe ab – von der Einspeisung über den Hauptleistungsschalter, das Hauptschütz, die Zweigleistungsschalter, die Eingangsdrossel des Frequenzumrichters, den Frequenzumrichter (bzw. das Drehzahlregel-Schütz), die Ausgangsdrossel bis zur Anschlussdose des Motors. Alle Bauteile werden mit Typ, Spezifikation und Leitungsquerschnitt beschriftet. Der Steuerstromkreis umfasst die Verdrahtung der Frequenzumrichter-Steuerklemmen, die Spulensteuerung der Bremsschütze, die Verdrahtung aller End- und Näherungsschalter sowie die DI/DO-Verdrahtung der SPS. Jede Ader und Klemme wird eindeutig gekennzeichnet. Der PLC-I/O-Anschlussplan wird getrennt nach Modultypen erstellt: Digitaleingänge, Digitalausgänge, Analogeingänge und Kommunikationsschnittstellen. Angegeben werden Modultyp, Kanalnummer sowie die zugehörigen Adernnummern der Sensoren und Aktoren. Der Sicherheitsstromkreis bildet die Reihenschaltung aus Not-Aus-Tastern, Türbegrenzungsschaltern, Überlastschutzkontakten und dem Notstopp-Relais ab. Die Sicherheitskette arbeitet nach dem Ruhestromprinzip mit redundanten Öffnerkontakten in Reihe. Ein Unterbrechen der Sicherheitskette führt unmittelbar zum Abfall des Hauptschützes und damit zur sicheren Trennung der Antriebe von der Spannungsversorgung.

Auswahl der Kernkomponenten für Kransteuerung

Strukturierte SPS-Programmierung mit Funktionsbausteinen

Die SPS-Programmierung erfolgt nach der strukturierten Methode. Das Hauptprogramm (OB1) ruft die Funktionsbausteine zyklisch mit einer Zykluszeit von 10ms auf. Die wesentlichen Bausteine sind: Systeminitialisierung (FC_Init) zur Überprüfung der Sensorzustände und zum Selbsttest beim Einschalten; der Start wird nur bei fehlerfreiem Zustand freigegeben. Die Hubsteuerung (FC_Hoist) verarbeitet die Logik für Heben/Senken, Beschleunigen/Verzögern, Nullgeschwindigkeitshaltung, Bremssteuerung und Überlastschutz. Dieser Baustein ist der kritischste Teil der Programmierung; die zeitliche Abstimmung zwischen Bremssteuerung und Frequenzumrichter-Freigabe muss exakt definiert sein. Die Bausteine FC_Trolley (Kranbrücke) und FC_Crab (Laufkatze) übernehmen die bidirektionale Bewegungssteuerung der Horizontalantriebe inklusive Endschalterlogik. Der Sicherheitsbaustein (FC_Safety) überwacht den Zustand aller Sicherheitskreise. Bei Unterbrechung werden alle Antriebe sofort gestoppt und eine Alarmmeldung gespeichert. Die Fehlerdiagnose (FC_Diag) erfasst die Störungswörter aller Frequenzumrichter und bereitet sie für die Anzeige auf. Die Datenaufzeichnung (FC_Log) schreibt Betriebs- und Alarmsdaten in den HMI-Speicher oder überträgt sie über das Kommunikationsmodul an eine Fernplattform. Die Analogwertverarbeitung (FC_Analog) erfasst die 4–20mA-Signale des Traglastsensors und des Windmessers, führt die Umrechnung in physikalische Einheiten durch und vergleicht die Werte mit den Schwellwerten.

HMI-Bedienoberfläche für Krananlagen

Die HMI-Touchscreen-Oberfläche ist funktional in vier Hauptseiten gegliedert. Die Hauptüberwachungsseite zeigt den Gesamtzustand des Brückenkrans, einschließlich der Richtungsanzeige der einzelnen Antriebe, der aktuellen Tragfähigkeit (numerisch und als Balkendiagramm), der Hubhöhe, der Positionen von Kranbrücke und Laufkatze, der Fahrgeschwindigkeit, des Schaltzustands der Bremsen aller Hubwerke (Auf/Zu-Anzeige) sowie der Überlast-Vorwarnung und -Alarmmeldung. Die Alarmseite listet alle Alarme in umgekehrt chronologischer Reihenfolge auf und zeigt Alarmzeit, Alarminhalt (z. B. „Bremse des Hubwerks nicht vollständig geöffnet"), Alarmstufe (Warnung/Alarm/Notfall) und den Bestätigungsstatus des Bedieners. Die Parametereinstellungsseite verfügt über eine zweistufige Zugriffsverwaltung: Auf Bedienerebene lassen sich die Hubhöhenbegrenzung, die Endschalterparameter der Verfahrwege, die Rampenzeit für Beschleunigung/Verzögerung sowie Bedienpräferenzen einstellen; auf Ingenieursebene sind die Kalibrierungskoeffizienten der Tragfähigkeit, die Kommunikationsparameter des Frequenzumrichters und die verschiedenen Schutzschwellen konfigurierbar. Die Seite „Historische Daten" bietet Trendkurven der Betriebsdaten (Tragfähigkeit, Hubhöhe, Fahrgeschwindigkeit usw.) sowie eine Datenexportfunktion. Die Kommunikation zwischen HMI und SPS erfolgt über PROFINET mit einer Aktualisierungsrate von 100 ms.

Inbetriebnahme und Abnahme vor Ort

Die Inbetriebnahme vor Ort erfolgt in folgenden Schritten: Prüfung vor dem Einschalten (Abgleich der Schaltpläne mit der tatsächlichen Verdrahtung, Messung des Isolationswiderstands aller Stromkreise ≥ 0,5 MΩ, Sicherstellung, dass alle Leistungsschalter in der Aus-Stellung sind), Einschaltprüfung (gestaffeltes Zuschalten der Spannungsversorgung: zuerst die Steuerspannungsversorgung zur Bestätigung des ordnungsgemäßen Starts von SPS und HMI, danach die Motorhauptstromversorgung der einzelnen Antriebe), Leerlaufprüfung (Tippbetrieb der einzelnen Antriebe zur Überprüfung der Übereinstimmung von Laufrichtung und Bedienrichtung, Einstellung der Endschalterpositionen und Schaltwege), Lastprüfung (stufenweise Belastung bis zur Nennlast, Kalibrierung des Nullpunkts und der Messbereichsendwerte des Lastbegrenzers, Bestätigung der ordnungsgemäßen Überlastabschaltung) sowie Funktionsprüfung (schrittweise Verifizierung aller Sicherheitsfunktionen wie Not-Halt, Endschalter, Überlast, Türverriegelung, Bremsenfehler, Leitungsbruch am Encoder usw., Dokumentation in den Inbetriebnahmeprotokollen). Während der Inbetriebnahme festgestellte Mängel werden im Inbetriebnahmeprotokoll dokumentiert und nach der Behebung erneut verifiziert.

Häufig gestellte Fragen (FAQ)