Kollisionsschutz für Brückenkrane: Laserscanner + PLC-Verriegelung

Der gleichzeitige Betrieb mehrerer Krane auf derselben Kranbahn ist ein zentraler Hebel zur Produktivitätssteigerung in der Werkshalle, gleichzeitig vervielfacht sich jedoch das Kollisionsrisiko. Fahren zwei oder mehr Brückenkrane auf derselben Schiene, führt eine falsche Einschätzung des Sicherheitsabstands schnell zu Streifschäden, im Extremfall zu Verformungen der Tragstruktur oder zum Absturz. Herkömmliche Fahrwegendschalter oder die Sichtkontrolle durch den Bediener stoßen bei der Koordination mehrerer Krane an ihre Grenzen. Dieser Beitrag basiert auf den Konstruktionserfahrungen von Kelude Schwerindustrie im Bereich Sonderkran-Kollisionsschutz und erläutert systematisch die technische Umsetzung von Laserscanner-Zonenüberwachung, PLC-Verriegelungslogik, mechanischer Zonenbegrenzung, redundanter Millimeterwellenradar-Erkennung sowie der koordinierten Einsatzplanung mehrerer Krane. Alle technischen Kennwerte entsprechen der Norm DIN 15018 „Konstruktionsvorschriften für Krane" sowie GB 6067 „Sicherheitsvorschriften für Hebezeuge".

Kollisionsrisikoanalyse bei Mehrkranbetrieb auf einer Kranbahn

Das Kollisionsrisiko bei mehreren Kranen auf derselben Kranbahn ist vielschichtig. In räumlicher Hinsicht hängt der erforderliche Sicherheitsabstand bei gegenläufiger Fahrt zweier Brückenkrane direkt von Fahrgeschwindigkeit, Bremsweg und Reaktionszeit ab. Gemäß Abschnitt 5.4.2 der Norm DIN 15018 zur Bremswegberechnung des Fahrwerks beträgt der Bremsweg der Kranbrücke bei einer Nenngeschwindigkeit von 80 m/min etwa 5,3 m. Addiert man die Reaktionszeit des Kranführers von 0,3 bis 0,5 s, was einer Nachlaufstrecke von 0,4 bis 0,7 m entspricht, ergibt sich ein Mindestsicherheitsabstand von nicht weniger als 6 m. Bei mehr als drei Kranen auf derselben Kranbahn ist der mittlere Kran von beiden Seiten bedroht – das Risiko steigt quadratisch. In Bezug auf die Ausrüstung zeigen Daten der Norm GB/T 5972 „Bremsen für Krane", dass das Bremsmoment elektromagnetischer Scheibenbremsen nach 2.000 Betriebsstunden um 8 % bis 15 % abfällt. In älteren Werkshallen weisen über 30 % der Schienenabschnitte eine Geradheitsabweichung von mehr als ±5 mm/10 m auf, wodurch sich die Laufabweichung auf bis zu ±20 mm akkumuliert. Bei den menschlichen Faktoren ist festzustellen, dass bei Sichtweiten unter 5 m in staubigen Werkshallen über 65 % aller Kollisionen auf Bedienfehler zurückzuführen sind. Ein wirksames Schutzkonzept muss daher Sensordetektion, logische Verriegelung und physische Barrieren zu einem dreidimensionalen Kollisionsschutzsystem integrieren.

Laserscanner-Zonenüberwachung für den Kranschutz

Der Laserscanner bildet die erste aktive Schutzstufe im Sonderkran-Kollisionsschutz. Die zentralen technischen Kennwerte werden im Folgenden nach Hardwareparametern, dreistufigem Warnsystem und Montageanforderungen gegliedert.

PLC-Verriegelungslogik für Kollisionsschutz

Die PLC-Verriegelung ist das Entscheidungskernstück für den Kollisionsschutz bei mehreren Kränen auf einer Kranbahn. Jeder Kran ist mit einer Sicherheits-SPS der Kategorie SIL3 ausgestattet. Diese sind über PROFINET in einer Ringtopologie vernetzt; die Selbstheilungszeit bei einer einzelnen Leitungsunterbrechung beträgt ≤50 ms. Der Datenaustauschzyklus liegt bei 20 ms. Jede SPS überträgt die eigene Positionskoordinate (Genauigkeit ±1 mm), Geschwindigkeit (Genauigkeit 0,1 m/min), Fahrtrichtung und den Gerätestatus. Die Verriegelungsentscheidung basiert auf einer zweistufigen Arbitrierung: Zonenpriorität und Distanzpriorität. Die Zonenpriorität unterteilt die Kranbahn in logische Segmente. In jedes Segment darf sich gleichzeitig nur ein Kran bewegen. Die minimale Segmentlänge entspricht dem Bremsweg bei Nenngeschwindigkeit multipliziert mit dem Sicherheitsfaktor 1,5. Die Distanzpriorität berechnet die Kollisionszeit TTC (Time-to-Collision) als aktuellen Abstand geteilt durch die Relativgeschwindigkeit (sofern diese > 0 ist). Ein TTC unter 10 s löst eine Verzögerung aus, ein TTC unter 5 s eine Notbremsung. Beispiel: Zwei Krane bewegen sich aufeinander zu, Abstand 15 m, Relativgeschwindigkeit 1,5 m/s (90 m/min). TTC = 10 s → Verzögerung wird ausgelöst. Verringert sich der Abstand auf 7,5 m, beträgt TTC = 5 s → Notbremsung wird ausgelöst. Die SPS ermöglicht dem Bediener, über das HMI eine Arbeitspriorität (Stufe 1 bis 5, Stufe 1 = höchste Priorität) einzustellen. Fahrzeuge mit höherer Priorität besitzen Vorrang bei der Zonenbelegung; Fahrzeuge mit niedrigerer Priorität warten automatisch außerhalb der Sicherheitsgrenze. Die Reaktionszeit für die Prioritätsumschaltung beträgt ≤100 ms. Alle Verriegelungsereignisse werden in einem lokalen Puffer (10.000 Einträge) gespeichert und über OPC UA an die übergeordnete Steuerung übertragen.

Mechanische Zonenbegrenzung mit Prellböcken

Die mechanische Zonenbegrenzung mit Prellböcken stellt die letzte physische Barriere des Kollisionsschutzsystems dar. Kelude Schwerindustrie befolgt strikt die Anforderungen der Norm DIN 15018 (Abschnitt 5.4.8) für Fahrbegrenzer. Demnach müssen beide Enden des Fahrwerks jedes Krans mit Fahrwegendschaltern ausgestattet sein, die mit den Prellböcken am Schienenende zusammenwirken. In Sonderlösungen werden die Prellböcke auch an Zonengrenzen eingesetzt, um eine physische Trennung der Bereiche zu erreichen. Die Prellböcke besitzen eine keilförmige Pufferkonstruktion. Der Hauptkörper besteht aus Q345B-Stahl (≈S355J2). Auf der Stirnseite ist ein 20 mm dickes Polyurethan-Pufferelement (Shore-Härte 80A ±5A) aufgeschweißt, das eine Aufprallenergie von 3000 J absorbiert. Die Befestigung erfolgt mit vier Schrauben der Güte 8.8 (M20) auf dem im Fundament eingelassenen Einbauteil (Stahlblech). Die Abweichung von der Rechtwinkligkeit zur Schiene beträgt ≤1 mm. Seitlich sind zwei redundante Fahrwegendschalter (ein Öffner, ein Schließer in Reihe) montiert. 50 bis 80 mm bevor der Anschlag des Kopfträgers den Prellbock berührt, wird der Endschalter betätigt, der das Stoppsignal an die SPS sendet. Falls dieser Schalter versagt, trifft der Anschlag direkt auf das Pufferelement. Der maximale Kompressionsweg von 30 mm entspricht der maximal zulässigen Aufprallgeschwindigkeit von 0,5 m/s. Der Abstand zwischen zwei Prellböcken berechnet sich aus: Kranlänge + Verfahrweg im Arbeitsbereich + 100 mm Sicherheitsabstand an jedem Ende. Beispiel: Bei einem allgemeinen Brückenkran mit 22,5 m Spannweite und 6 m Fahrzeuglänge sowie einem effektiven Verfahrweg von 12 m beträgt der Abstand der Prellböcke 18,2 m. Die Oberseite der Prellböcke ist mit gelb-schwarzen Warnstreifen (gemäß DIN 4844, Streifenbreite 100 mm, diagonal im 45°-Winkel) und reflektierenden Markierungen für den Nachtbetrieb versehen.

Redundante Abstandsmessung mit Millimeterwellen-Radar

Das Millimeterwellen-Radar bietet eine redundante Wahrnehmungsebene zum Laserscanner. Es arbeitet im FMCW-Verfahren bei 77 GHz oder 79 GHz (Wellenlänge ca. 3,9 mm) und weist eine sehr hohe Durchdringungsfähigkeit für Staub und Wasserdampf auf. Bei extremem Staub mit Sichtweiten unter 1 m beträgt die Leistungsminderung des Radars nur 10 % bis 15 %, während ein Laserscanner um über 50 % degradieren kann. Wichtige Parameter: Maximale Erfassungsreichweite 80 bis 120 m (abhängig von der Ziel-RCS), Distanzgenauigkeit ±0,2 m (im High-Precision-Modus ±0,1 m), Geschwindigkeitsgenauigkeit ±0,05 m/s, horizontaler Öffnungswinkel ±60° bis ±90°, Aktualisierungsrate 20 bis 50 Hz. Durch den Doppler-Effekt kann die radiale Geschwindigkeit des Ziels direkt gemessen werden, was die Genauigkeit der TTC-Berechnung um 30 % bis 40 % erhöht. Die Redundanz wird durch eine Doppelsensor-Fusion mit automatischer Umschaltung realisiert. Im Normalmodus werden die Daten beider Sensoren mittels Kalman-Filter fusioniert. Wenn die vom Laserscanner empfangene Lichtintensität unter einen Schwellenwert fällt, die Punktdichte unter 50 % des Normalwerts sinkt oder die Umgebungstemperatur den Bereich von –10 °C bis +55 °C verlässt, wird automatisch auf den Einzelsensor-Modus (Millimeterwellen-Radar) umgeschaltet. Die Umschaltzeit beträgt ≤100 ms. Nach der Umschaltung werden die Warnabstände von 50/20/5 m auf 50/25/8 m angepasst. Sobald der Laserscanner wieder fehlerfrei arbeitet, wird nach drei aufeinanderfolgenden fehlerfreien Datenzyklen (ca. 150 ms) automatisch wieder in den Doppelsensor-Fusionsmodus gewechselt.

Vierstufiges Kollisionsschutzsystem im Vergleich

Die vier Kollisionsschutzansätze – Laserscanner-Zonenüberwachung, PLC-Verriegelungslogik, mechanische Prellböcke und redundantes Millimeterwellen-Radar – haben jeweils spezifische Einsatzbereiche und technische Eigenschaften. Die folgende Übersicht vergleicht die Systeme anhand der Kriterien Erkennungsprinzip, Wirkungsbereich, Reaktionszeit, Zuverlässigkeit, Einsatzbedingungen und Kosten, um eine fundierte Auswahl für die Projektplanung zu ermöglichen.

Integrierter Schaltschrank für Kransteuerung

Der integrierte Schaltschrank bildet die zentrale Steuerungseinheit des Kollisionsschutzsystems. Kelude setzt auf ein standardisiertes Schrankgehäuse mit den Abmessungen 1200 mm Höhe, 800 mm Breite und 400 mm Tiefe. Das Gehäuse besteht aus 1,5 mm kaltgewalztem Stahlblech mit elektrostatischer Pulverbeschichtung in RAL7035. Die Schutzart beträgt IP54; für staubintensive Werkstätten wird IP65 empfohlen. Die interne Anordnung ist in Ebenen gegliedert: oben PLC und Sicherheitsrelais, in der Mitte Frequenzumrichter und Kommunikations-Switch, unten Leistungsschalter und Schaltnetzteil. Zwischen den Ebenen sind Kühlkanäle integriert; ein Axiallüfter an der Schrankoberseite (Fördervolumen ≥ 200 m³/h) wird über einen Temperaturschalter bei Überschreiten von 40 °C automatisch aktiviert. Die elektrische Architektur nutzt 24 V DC als Steuerspannung, der Hauptstromkreis arbeitet mit 380 V AC/50 Hz als Drehstrom mit fünf Leitern. Eine 500 VA USV überbrückt Netzausfälle und hält das System für mindestens 30 Minuten in Betrieb. Signalleitungen sind als EMC-geschirmte Kabel ausgeführt und werden mit einem Mindestabstand von 100 mm zu Stromleitungen verlegt; der Erdungswiderstand beträgt ≤ 4 Ω. Auf der Ausgangsseite der Frequenzumrichter sind du/dt-Filter installiert, die Spannungsspitzen auf das 1,15-fache begrenzen. Als HMI dient ein 10-Zoll-Touchpanel mit Farbdisplay (1024×600, Leuchtdichte ≥ 350 cd/m²). Die Hauptansicht zeigt den Status des Kollisionsschutzsystems, die Echtzeitposition und Geschwindigkeit jedes Fahrzeugs, die visualisierte Radarerfassung, eine Belegungsübersicht der Zonen sowie eine 24-Stunden-Alarmzeitleiste. Die Parametrierung erfolgt über ein dreistufiges Berechtigungskonzept (Bediener, Wartungsingenieur, Systemadministrator); sämtliche Parameteränderungen werden protokolliert und mindestens 180 Tage gespeichert. Erweiterungsschnittstellen: 2× Gigabit-RJ45, 1× RS485, 4 digitale Eingänge (24 V DC), 4 digitale Ausgänge (250 V AC/5 A).

Häufige Fragen zum Schaltschrank