Unbemannter Brückenkran mit Fusionspositionierung, ±5 mm
Eigenentwickeltes Fusionspositionierungssystem für Schwerlast-Brückenkrane besteht Abnahme im Stahlwerk – Positioniergenauigkeit ±5 mm. Das von Kelude Schwerindustrie eigenentwickelte Fusionspositionierungssystem für Schwerlast-Brückenkrane wurde an einem 50-t-Gießkran in einem Stahlwerk erfolgreich abgenommen. Unter Vollastbedingung wird eine konstante Positioniergenauigkeit von ±5 mm erreicht und erfüllt damit die Anforderungen an die präzise Positionierung beim automatischen Heben und Transportieren unbemannter Brückenkrane.
Das von Kelude Schwerindustrie eigenentwickelte Fusionspositionierungssystem für Schwerlast-Brückenkrane wurde an einem 50-t-Gießkran in einem Stahlwerk erfolgreich abgenommen. Unter Vollastbedingung wird eine konstante Positioniergenauigkeit von ±5 mm erreicht und erfüllt damit die Anforderungen an die präzise Positionierung beim automatischen Heben und Transportieren unbemannter Brückenkrane. Das System nutzt ein dreifaches Fusionskonzept aus LiDAR, Absolutwertgeber und Ultrabreitband (UWB). Über einen erweiterten Kalman-Filter (EKF) werden die Sensordaten in Echtzeit fusioniert, wodurch eine bislang im Bereich schwerer Lasten unerreichte Positioniergenauigkeit für inländische Krane erzielt wird.
Dreifach-Fusionstechnologie für präzise Kranpositionierung
Das System besteht aus drei unabhängigen Positionierungseinheiten – LiDAR, Absolutwertgeber und UWB – die jeweils eigene Positionsdaten liefern. Der EKF-Fusionsalgorithmus berechnet daraus die optimale Positionsschätzung. Der LiDAR-Sensor (SICK LMS111, Indoor-Einzeilen-Scanner) ist an der Unterseite der Laufkatze montiert und tastet Bodenmerkmale ab. Die Messgenauigkeit beträgt ±12 mm bei einem Scanwinkel von 270° und einer Datenfrequenz von 50 Hz. Die Absolutwertgeber sind an den Motorwellen der Antriebsmotoren für Kranbrücke und Laufkatze angebracht und messen die Verfahrbewegung über Zahnrad-Zahnstangen-Getriebe. Die Auflösung beträgt 0,1 mm; der kumulative Fehler wird durch eine Endkalibrierung auf ±3 mm begrenzt. Die UWB-Basisstationen werden entlang der Schiene alle 15 m installiert; der Tag ist seitlich am Katzfahrwerkrahmen montiert und liefert eine Distanzmessgenauigkeit von ±10 cm. Dies dient als globale Positionsreferenz, um die Drift von LiDAR und Encoder zu eliminieren. Der EKF-Fusionsalgorithmus läuft auf einer Beckhoff CX2030-Steuerung mit einer Berechnungszykluszeit von 4 ms. Die drei Positionsdatenströme werden zeitlich synchronisiert, Ausreißer entfernt und über Kalman-Gewichtung zur optimalen Positionsschätzung zusammengeführt. Im Praxistest an einem 50-t-Gießkran unter Vollast wurde eine Positioniergenauigkeit von ±5 mm (3σ) gemessen.
| Vergleichsmerkmal | Li DAR | Absolutwertgeber | UWB-Positionierung | Drei-Quellen-Fusion |
|---|---|---|---|---|
| Einzelquelle Genauigkeit | ±12mm | ±3mm(Kalibrierung Nach) | ±10cm | ±5mm |
| Fehler | Starke Beeinträchtigung durch Staubabdeckung | Kumulativer Fehler erforderlich Kalibrierung | Genauigkeit Niedrig, Mehrwegeinterferenz | Gegenseitige Kompensation |
| Aktualisierung Frequenz | 50Hz | Kontinuierlich | 10Hz | 250Hz |
| Umgebungsanpassungsfähigkeit | Mittel(Staubempfindlich) | Stark | Mittel(Empfindlich gegen Metallabschirmung) | Stark |
Abnahmeergebnisse im Stahlwerk
Die Abnahme erfolgte an einem 50-t-Gießkran in der Stahlwerkshalle eines Stahlherstellers. Die Umgebungsbedingungen während der Prüfung: Umgebungstemperatur 45–65 °C, Staubkonzentration ca. 8 mg/m³, starke elektromagnetische Störungen durch Frequenzumrichter und Hochleistungs-Lichtbogenöfen. Das Prüfprogramm wurde gemäß DIN 15018 (Krandimensionierungsnorm) und FEM 1.001 (Kranprüfvorschrift) durchgeführt und umfasste vier Kernkennwerte: statische Positioniergenauigkeit, dynamische Tracking-Genauigkeit, Wiederholgenauigkeit der Positionierung sowie automatische Umschaltung bei Sensorausfall. Die Ergebnisse: statische Positioniergenauigkeit ±4,2 mm (Mittelwert aus 50 Messungen), dynamische Tracking-Genauigkeit ±5,8 mm (bei einer Fahrgeschwindigkeit der Laufkatze von 0,5 m/s), Wiederholgenauigkeit der Positionierung ±3,1 mm (10 Wiederholungen an derselben Position), Umschaltzeit bei Sensorausfall <200 ms (bei Verlust eines beliebigen Sensors schaltet das Fusionssystem automatisch auf die verbleibenden Sensoren um und liefert weiterhin Positionsdaten). Alle drei wesentlichen Kennwerte übertrafen die konstruktiven Zielvorgaben.
Branchenübergreifende Einführung und Einsatz
Bereits vor der Abnahme im Stahlwerk wurde das Positionierungssystem in 8 Projekten über 5 Branchen hinweg erfolgreich eingesetzt: Stahl und Metallurgie (3 Projekte mit Gießkränen), Schwermaschinenbau (2), Nichteisenmetalle (1), Automobilfertigung (1) und Papierindustrie (1). Die Tragfähigkeit der eingesetzten Brückenkrane reichte von 10 t bis 100 t, die Triebwerksgruppe von A5 bis A7 bei Spannweiten von 12 m bis 31,5 m. Von den 8 Projekten arbeiteten 6 im Vollautomatikbetrieb für Heben und Transportieren ohne Bedienpersonal, 2 im halbautomatischen Modus mit Unterstützung durch das Bedienpersonal. Die durchschnittliche Inbetriebnahmezeit vor Ort betrug 5–8 Arbeitstage – eine Reduzierung um ca. 50 % gegenüber den 14 Tagen in der frühen Entwicklungsphase. Die kumulierte störungsfreie Betriebszeit übersteigt 12.000 Stunden; es kam zu keinem einzigen Vorfall mit Kollision oder Transportschaden aufgrund von Positionierungsfehlern. Die Sensorfusions- und Fehlertoleranzarchitektur des Systems wurde gemäß den Anforderungen der DIN 15018 an Sicherheitsüberwachungs- und Managementsysteme umgesetzt. Es unterstützt die Datenschnittstelle zum MCSS-Dispositionssystem von Kelude Schwerindustrie und liefert damit die hochpräzise Positionsdatenbasis für die unbemannte Kransteuerung in der intelligenten Fabrik.
Weitere technische Lösungen: Vergleich hochpräziser Positionierungssysteme für Brückenkrane: Auswahlleitfaden für LiDAR, Encoder und UWB-Fusion (detaillierte Erläuterung der technischen Prinzipien, des Kostenvergleichs und des Auswahlprozesses für sechs Positionierungsvarianten). AGV/RGV und Brückenkran in Multi-Fahrzeug-Koordination: Praxisleitfaden für unbemannte Transportsysteme in der intelligenten Fabrik (Integrationskonzept des MCSS-Dispositionssystems mit dem Positionierungssystem).
Häufige Fragen (FAQ)
F: Funktioniert das Drei-Sensor-Fusionspositionierungssystem unter starken elektromagnetischen Störungen zuverlässig?
A: Die Zuverlässigkeit des Systems unter starken elektromagnetischen Störungen wurde bei der Abnahme im Stahlwerk nachgewiesen. Durch die Fusionslogik des erweiterten Kalman-Filters wird das Gewicht eines gestörten Sensors automatisch reduziert, während die übrigen Sensoren weiterhin Positionsdaten liefern. Im Volllastbetrieb des 50-t-Gießkrans wurde bei gleichzeitigem Betrieb von Frequenzumrichter und Hochleistungs-Lichtbogenofen eine Positioniergenauigkeit von ±5 mm erreicht. Sämtliche Sensoren und Kommunikationsverbindungen sind mit geschirmten Kabeln und Metallgehäusen ausgeführt und erfüllen die Anforderungen der DIN 15018 an die elektromagnetische Verträglichkeit der elektrischen Ausrüstung.
F: Wie aufwendig und kostspielig ist die Nachrüstung bestehender Brückenkrane mit diesem Positionierungssystem?
A: Der Umbau ist modular konzipiert und greift nicht in die mechanische Struktur des Krans ein. Die Montage der Sensoren erfolgt an der Laufkatze und entlang der Schiene; die Verkabelung nutzt vorhandene Kabeltrassen. In der Regel sind nur geringfügige Anpassungen an der bestehenden Steuerung erforderlich. Die durchschnittliche Inbetriebnahmezeit beträgt 5 bis 8 Arbeitstage. Die Kosten hängen von der Kranausführung, der Spannweite und der Anzahl der zu integrierenden Sensoren ab. Gegenüber einer kompletten Kranneubeschaffung ist die Nachrüstung deutlich wirtschaftlicher – eine Amortisation ist in der Regel bereits nach kurzer Betriebszeit erreicht.
A: Das System wurde bei der Konstruktion gezielt für Nachrüstszenarien ausgelegt und auf Basis eines modularen Deployments konzipiert. Der LiDAR-Sensor wird an der vorbereiteten Montagehalterung unterhalb der Laufkatze installiert. Der Absolutwertgeber wird an der Antriebsseite des Brückenkrans mit einer Kupplung und einem Encoder-Sockel nachgerüstet. Die UWB-Basisstationen werden entlang der Schiene oder an den Säulen montiert. Die typische Bauzeit für die Nachrüstung beträgt 3–5 Arbeitstage (ohne Systemabstimmung). Die Sanierungskosten setzen sich aus drei Komponenten zusammen: Sensor-Hardware, eingebetteter Steuerung und Inbetriebnahme-Service. Bei Kränen mit vorhandener frequenzgesteuerter Drehzahlregelung und SPS-Steuerung kann das System über PROFINET oder EtherCAT-Bus an den Schaltschrank angebunden werden, ohne die bestehende elektrische Steuerungstechnik ersetzen zu müssen.
F: Unterstützt das Positionierungssystem die Anbindung an ein MES- oder Lagerverwaltungssystem des Kunden?
A: Ja. Die Positionsdaten des Positionierungssystems werden über einen OPC-UA-Server bereitgestellt. Das Datenmodell umfasst 16 Datenpunkte, darunter Position der Kranbrücke, Position der Laufkatze, Positionskonfidenz und Sensor-Status. Das MES- oder Lagerverwaltungssystem des Kunden kann die Positionsdaten über einen OPC-UA-Client abonnieren und so die automatische Zuweisung von Hebe- und Transportaufgaben sowie die Bestätigung des Arbeitsabschlusses realisieren. Das System wurde bereits in 3 Projekten erfolgreich an das MES des Kunden angebunden. Der Datenaktualisierungszyklus ist mit der Ausgabe des Positionierungssystems synchronisiert (4 ms), die Ende-zu-Ende-Kommunikationslatenz beträgt maximal 50 ms.
F: Bestehen Interferenzen zwischen mehreren Positionierungssystemen, wenn mehrere Brückenkräne in derselben Kranbahn betrieben werden?
A: Bei mehreren Kränen in derselben Kranbahn arbeiten die LiDAR-Sensoren und Encoder jeweils unabhängig voneinander – gegenseitige Störungen treten nicht auf. Die UWB-Positionierung nutzt das TDMA-Verfahren (Time Division Multiple Access), um Zeitschlitze zuzuweisen. Die UWB-Tags jedes Brückenkrans senden ihre Signale in unterschiedlichen Zeitschlitzen, wodurch Signalkollisionen vermieden werden. Das System ist für den gleichzeitigen Betrieb von bis zu 8 Brückenkränen in derselben Kranbahn ausgelegt. Die Zuverlässigkeit der Positionierung unter Mehrkran-Betriebsbedingungen wurde bereits in zwei Stahlwerksprojekten verifiziert. Montagehöhe und -winkel der UWB-Basisstationen werden im Rahmen einer Vor-Ort-Aufnahme optimiert, sodass die Tags jedes Krans über die gesamte Schienenstrecke von mindestens 3 Basisstationen abgedeckt werden.
