Das selbst entwickelte hochpräzise integrierte Positionierungssystem für Schwerlast-Krananlagen hat die Abnahme durch das Stahlwerk bestanden; die Positioniergenauigkeit beträgt ±5 mm.
📌 Das selbst entwickelte hochpräzise integrierte Positionierungssystem für Schwerlast-Krananlagen hat die Abnahme durch das Stahlwerk bestanden; die Positioniergenauigkeit beträgt ±5 mm.. Das von Krued Heavy Industry eigenständig entwickelte hochpräzise integrierte Positionierungssystem für Schwerlast-Laufkräne hat die Abnahmetests an einem 50-Tonnen-Gusskran in einem Stahlwerk bestanden. Unter Volllast erreicht das System eine stabile Positioniergenauigkeit von ±5 mm und erfüllt damit die Anforderungen an die präzise Positionierung für den automatischen Transport durch unbemannte Laufkräne.
Das von Krued Heavy Industry eigenständig entwickelte hochpräzise integrierte Positionierungssystem für Schwerlast-Kranbrücken hat die Abnahmetests an einer 50-Tonnen-Gießkranbrücke in einem Stahlwerk bestanden. Unter Volllast erreicht die Positioniergenauigkeit stabil ±5 mm und erfüllt damit die Anforderungen an die präzise Positionierung für den automatisierten Transport durch unbemannte Kranbrücken. Das System nutzt eine dreifache Sensor-Fusion aus Lidar, Absolutwertgeber und UWB (Ultra-Wideband) und realisiert durch den erweiterten Kalman-Filter-Algorithmus (EKF) die Echtzeit-Fusion von Multisensordaten. Damit schließt es eine Produktlücke bei inländischen Kranen im Bereich der hochpräzisen Positionierung unter Schwerlastbedingungen.
Technische Lösung zur Positionsbestimmung durch die Integration dreier Quellen
Das System nutzt drei unabhängige Ortungseinheiten – LiDAR, Absolutwertgeber und UWB (Ultra-Wideband) –, die jeweils Ortungsdaten ausgeben, die anschließend von der EKF-Fusions-Engine zu einer optimalen Positionsschätzung verarbeitet werden. Als Lidar kommt ein SICK LMS111-Innenraum-Einzelstrahl-Radar zum Einsatz, das an der Unterseite des Wagens angebracht ist und charakteristische Punkte auf dem Boden nach unten abtastet. Die Messgenauigkeit in der Ebene beträgt ±12 mm, der Scanwinkel 270° und die Datenaktualisierungsrate 50 Hz. Die Absolutwertgeber sind an den Wellenenden der Antriebsmotoren des Hauptwagens und des Nebenwagens angebracht und messen die Fahrwegverschiebung über einen Zahnstangengetriebeantrieb. Die Auflösung beträgt 0,1 mm, wobei der kumulative Fehler nach der Endpositionskalibrierung auf ±3 mm begrenzt wird. Entlang der Schienenrichtung ist alle 15 Meter eine UWB-Ortungsbasisstation installiert; die Tags sind an den Seiten des Wagenrahmens angebracht. Die Entfernungsmessgenauigkeit beträgt ±10 cm; sie dienen als globale Positionsreferenz zur Kompensation der kumulativen Drift von Lidar und Encodern. Die EKF-Fusions-Engine läuft auf dem Embedded-Controller CX2030 von Beckhoff mit einem Berechnungszyklus von 4 ms. gibt nach zeitlicher Abstimmung der drei Positionsdaten, Ausschluss von Ausreißern und Gewichtung mit Kalman-Gewichten eine optimale Positionsschätzung aus; die gemessene Positionsgenauigkeit beträgt unter Volllastbetrieb eines 50-t-Gießereikranes ±5 mm (3σ).
| Vergleichsposten | LiDAR | Absolutwertgeber | UWB-Ortung | Die Verschmelzung der drei Quellen |
|---|---|---|---|---|
| Einzelquellen-Genauigkeit | ±12 mm | ±3 mm (nach Kalibrierung) | ±10 cm | ±5 mm |
| Mangel | Staub verursacht erhebliche Sichtbeeinträchtigungen | Kumulierte Fehler erfordern eine Kalibrierung | Geringe Genauigkeit, Mehrwegstörungen | sich gegenseitig ausgleichen |
| Bildwiederholfrequenz | 50 Hz | fortlaufend | 10 Hz | 250 Hz |
| Umweltverträglichkeit | Mittel (Staubempfindlich) | 强 | Mitte (aus Angst vor Metallabschirmung) | 强 |
Ergebnisse der Abnahmeprüfungen im Stahlwerk
Die Abnahme erfolgte an einem 50-Tonnen-Gießkran in der Stahlwerkhalle eines Stahlwerks bei einer Umgebungstemperatur von 45 bis 65 °C, einer Staubkonzentration von ca. 8 mg/m³ und starken elektromagnetischen Störungen (Frequenzumrichter und Hochleistungs-Lichtbogenöfen). Das Testverfahren wurde gemäß den einschlägigen Anforderungen der Normen GB/T 3811 „Normen für die Konstruktion von Kranen“ und GB/T 5905 „Prüfnormen und -verfahren für Krane“ durchgeführt und umfasste die vier Kernkennzahlen statische Positioniergenauigkeit, dynamische Nachführgenauigkeit, Wiederholgenauigkeit der Positionierung sowie Umschaltung bei Ausfall mehrerer Quellen. Die Testergebnisse zeigen: statische Positioniergenauigkeit ±4,2 mm (Mittelwert aus 50 Messungen), dynamische Nachführgenauigkeit ±5,8 mm (bei einer Fahrgeschwindigkeit des Laufwagens von 0,5 m/s), Wiederholgenauigkeit ±3,1 mm (bei 10 Wiederholungen an derselben Position) sowie die Umschaltzeit bei Ausfall mehrerer Quellen<200 ms (Bei Ausfall eines beliebigen einzelnen Sensorschalls wechselt das Fusionssystem automatisch zu den übrigen Sensoren und gibt weiterhin Positionsdaten aus). Alle drei Schlüsselkennzahlen liegen über den Auslegungszielen.
Einführung und Umsetzung in verschiedenen Branchen
Das Ortungssystem wurde bereits vor der Abnahme durch das Stahlwerk in acht Projekten aus fünf Branchen erfolgreich implementiert und getestet. Die Branchen umfassen die Stahlmetallurgie (drei Projekte mit Gießereikranen), die Schwermaschinenbearbeitung (zwei Projekte), die Nichteisenmetallindustrie (ein Projekt), den Automobilbau (ein Projekt) und die Papierindustrie (ein Projekt). Die Tonnage der eingesetzten Laufkräne reicht von 10 t bis 100 t, die Betriebsklassen liegen zwischen A5 und A7 und die Schienenspannweiten betragen 12 m bis 31,5 m. Bei sechs der acht Projekte wurde ein vollautomatischer, bemannungsloser Kranbetrieb realisiert, bei zwei Projekten ein halbautomatischer Betriebsmodus mit Bedienerunterstützung. Die durchschnittliche Vor-Ort-Inbetriebnahmezeit des Positionierungssystems betrug 5 bis 8 Arbeitstage, was einer Verkürzung um etwa 50 % gegenüber den 14 Arbeitstagen in der Anfangsphase der Systementwicklung entspricht. Die kumulierte störungsfreie Betriebszeit des Systems beträgt mehr als 12.000 Stunden, wobei es zu keinen Kollisionen oder Unfällen beim Transport aufgrund von Positionierungsfehlern kam. Die Sensorfusionsalgorithmen und das fehlertolerante Design des Systems entsprechen den Anforderungen der Norm GB/T 3811 für Sicherheitsüberwachungs- und -managementsysteme. Das System unterstützt die Datenanbindung an das MCSS-Mehrmaschinen-Dispositionssystem von Krued Heavy Industry und liefert hochpräzise Positionsdaten als Grundlage für die Disposition unbemannter Laufkräne in intelligenten Fabriken.
Referenzen zu entsprechenden technischen Lösungen:Vergleich von Lösungen für die hochpräzise Positionierung von Laufkränen: Leitfaden zur Auswahl einer Kombination aus LiDAR, Encoder und UWB(Ein Artikel, der die technischen Grundlagen, Kostenvergleiche und den Auswahlprozess für sechs verschiedene Ortungslösungen ausführlich erläutert).Kooperation zwischen AGV/RGV und Kranen: Praktische Anwendung eines intelligenten Dispositionssystems für den fahrerlosen Transport in der Smart Factory(Integrationslösung für das MCSS-Mehrfach-Einsatzleitsystem und das Ortungssystem).
Häufig gestellte Fragen (FAQ)
Frage: Funktioniert das dreifach integrierte Ortungssystem auch unter starken elektromagnetischen Störungen einwandfrei?
Antwort: Dieses Ortungssystem hat bei den Abnahmetests im Stahlwerk seine Zuverlässigkeit in Umgebungen mit starken elektromagnetischen Störungen unter Beweis gestellt. Durch den erweiterten Kalman-Filter-Fusionsmechanismus reduziert das System automatisch das Fusionsgewicht eines einzelnen Sensors, wenn dessen Signal gestört ist, während die übrigen Sensoren weiterhin Positionsdaten liefern können. Unter Volllastbetrieb eines 50-Tonnen-Gießkrans erreichte das System in einer elektromagnetischen Umgebung, in der Frequenzumrichter und Hochleistungs-Lichtbogenöfen gleichzeitig in Betrieb waren, eine Positioniergenauigkeit von ±5 mm. Sowohl die Sensoren als auch die Kommunikationsverbindungen sind vollständig mit abgeschirmten Kabeln in Industriequalität und Metallgehäusen geschützt und entsprechen den Anforderungen der Norm GB/T 3811 hinsichtlich der elektromagnetischen Verträglichkeit elektrischer Geräte.
Frage: Wie hoch sind der Aufwand und die Kosten für die Nachrüstung bestehender Laufkräne mit diesem Ortungssystem?
Antwort: Bei der Konzeption des Systems wurden Umrüstungsszenarien umfassend berücksichtigt, weshalb ein modularer Aufbau gewählt wurde. Der Lidar wird an den dafür vorgesehenen Halterungen an der Unterseite des Wagens montiert, für den Absolutwertgeber müssen an der Antriebsseite des Laufkrans eine Kupplung und ein Geberhalter angebracht werden, und die UWB-Basisstationen werden an den Seitenwänden der Schiene oder an den Stützen installiert. Die typische Bauzeit für eine Nachrüstung beträgt 3 bis 5 Arbeitstage (ohne gemeinsame Inbetriebnahme der Geräte). Die Nachrüstkosten setzen sich aus drei Komponenten zusammen: Sensorhardware, eingebettete Steuerungen und Inbetriebnahmedienstleistungen. Bei Laufkränen, die bereits über eine Frequenzumrichter-Geschwindigkeitsregelung und ein SPS-Steuerungssystem verfügen, kann das System über einen PROFINET- oder EtherCAT-Bus an den Schaltschrank angebunden werden, ohne dass das bestehende elektrische Steuerungssystem ausgetauscht werden muss.
Frage: Unterstützt das Ortungssystem die Anbindung an das MES- oder WMS-System des Kunden?
Antwort: Ja. Die Positionsdaten des Ortungssystems werden über einen OPC-UA-Server nach außen bereitgestellt. Das Datenmodell umfasst 16 Datenpunkte, darunter die Position des Hauptwagens, die Position des Nebenwagens, die Positionsgenauigkeit und den Zustand der Sensoren. Das MES- oder WMS-System des Kunden kann die Positionsdaten über einen OPC-UA-Client abonnieren, um die automatische Zuweisung von Transportaufträgen und die Bestätigung des Auftragsabschlusses zu ermöglichen. Das System wurde bereits in drei Projekten mit den MES-Systemen der Kunden datentechnisch angebunden; der Datenaktualisierungszyklus ist mit der Ausgabe des Ortungssystems synchronisiert (4 ms), und die End-to-End-Kommunikationsverzögerung beträgt maximal 50 ms.
Frage: Kommt es in einer Situation, in der mehrere Laufkräne im selben Feld betrieben werden, zu Interferenzen zwischen den verschiedenen Ortungssystemen?
Antwort: In einem Szenario, in dem mehrere Laufkräne in derselben Spannweite betrieben werden, arbeiten Lidar und Encoder unabhängig voneinander, sodass keine gegenseitigen Störungen auftreten. Bei der UWB-Ortung werden Zeitfenster über das TDMA-Verfahren (Time Division Multiple Access) zugewiesen, wobei die UWB-Tags jedes Laufkrans ihre Signale in unterschiedlichen Zeitfenstern senden, um Signalkollisionen zu vermeiden. Das System ist so ausgelegt, dass es den gleichzeitigen, störungsfreien Betrieb von bis zu acht Laufkränen unter einer Brücke unterstützt. Die Zuverlässigkeit der Ortung bei gleichzeitigem Betrieb mehrerer Laufkräne wurde bereits in zwei Stahlwerksprojekten nachgewiesen. Die Installationshöhe und der Winkel der UWB-Basisstationen wurden anhand von Vor-Ort-Vermessungen optimiert, um sicherzustellen, dass die Tags jedes Laufkrans auf der gesamten Schienenstrecke von mindestens drei Basisstationen abgedeckt werden.
