Elektrische Krananlage planen: 5 Schritte
Schritt 1: Dimensionierung des Hauptstromkreises
Der Hauptstromkreis ist der vollständige Leistungsübertragungspfad vom Netzanschluss bis zur Motorwicklung und bildet das Grundgerüst der elektrischen Krananlage. Die Dimensionierung erfolgt schrittweise vom Netzanschluss hin zur Lastseite.
1.1 Netzanschluss und Hauptleistungsschalter
Vom Werksverteiler wird eine Drehstromversorgung mit fünf Leitern (TN-S-System) 380V/50Hz eingespeist. Als Hauptanschluss dient ein Leistungsschalter (MCCB), dessen Bemessungsstrom mit dem 1,25- bis 1,5-fachen des Gesamtnennstroms der Anlage dimensioniert wird. Für einen Brückenkran der 10-t-Klasse wird ein Hauptleistungsschalter mit einem Nennstrom von 160–250 A empfohlen. Der Kabelquerschnitt der Zuleitung wird nach der Strombelastbarkeit berechnet; für Kupferkabel wird 3×70+2×35mm² empfohlen.
1.2 Netzdrossel und Frequenzumrichter
Nach dem Hauptleistungsschalter wird eine dreiphasige Netzdrossel (Induktivität 2–4 %) installiert, um Oberwellen und Spannungsspitzen zu unterdrücken, die die Frequenzumrichter stören könnten. Für das Hubwerk werden Frequenzumrichter der Baureihe SIEMENS G120 oder ABB ACS880 eingesetzt; die Leistung wird mit dem 1,1- bis 1,3-fachen der Motornennleistung bemessen. Die Leistung der Frequenzumrichter für Kranbrücke und Laufkatze beträgt 1/3 bis 1/2 der Hubwerksleistung. Empfohlene Frequenzumrichter-Konfiguration für einen 10-t-Kran: Hubwerk 11 kW, Kranbrücke 2×3 kW, Laufkatze 1,5 kW.
1.3 Ausgangskreis und Motorverdrahtung
Am Ausgang des Frequenzumrichters wird ein Ausgangsdrossel (Induktivität 1–2 %) installiert, um die Motorwicklung vor dV/dt-Belastungen zu schützen. Als Hubmotor wird ein Schleifringläufermotor der Baureihe YZR empfohlen, ausgestattet mit Bremse und Encoder an der Wellenverlängerung. Die Motorverdrahtung muss mit geschirmten Kabeln ausgeführt werden; die Schirmerdung erfolgt einseitig. Der Bremswiderstand wird gemäß den Angaben des Frequenzumrichter-Handbuchs ausgelegt und an der Schaltschrankoberseite oder an der Seitenwand an gut belüfteter Stelle montiert.
Nach Abschluss der Hauptstromkreis-Dimensionierung sind folgende Punkte zu prüfen: Strombelastbarkeit der Kabel ≥ 1,25-facher Nennstrom, Ausschaltvermögen des Leistungsschalters ≥ zu erwartender Kurzschlussstrom, Kabellänge zwischen Frequenzumrichter und Motor darf den zulässigen Wert des Frequenzumrichters nicht überschreiten (ohne Ausgangsdrossel ≤ 50 m, mit Ausgangsdrossel ≤ 150 m). Alle Kranprodukte von Kelude werden nach diesen Grundsätzen für die Hauptstromkreis-Dimensionierung und Kabelauswahl konstruiert.
Schritt 2: Steuerkreis mit SPS-Steuerung auslegen
Der Steuerkreis bildet das logische Herzstück der elektrischen Anlage. Er erfasst Bediensignale und Sensordaten und steuert Schütze sowie Frequenzumrichter zur Ausführung der Bewegungen. Der Steuerkreis ist um die SPS als zentrale Steuerungseinheit aufgebaut und strahlt zu den einzelnen I/O-Stationen und Aktoren aus.
2.1 SPS-Auswahl und I/O-Zuordnung
Für mittlere und große Krane werden Siemens S7-1200 (für kleine und mittlere Anwendungen) oder S7-1500 (für große/hochperformante Anwendungen) empfohlen. Die Abschätzung der SPS-I/O-Punkte: Digitaleingänge ca. 24–40 Punkte, einschließlich Tastersignale, Endschaltersignale, Encodersignale und Rückmeldesignale von Sicherheitsrelais. Digitalausgänge ca. 16–24 Punkte, einschließlich Schützspulen, Leuchtanzeigen und Summer. Analogeingänge ca. 4–8 Punkte, einschließlich Stromrückmeldung der Frequenzumrichter und Temperatursensoren.
Die Signalanschlussklemmen werden mit Schottblechen in Gruppen unterteilt. Die 24-V-Gleichstromversorgung wird in Gruppen gespeist, wobei jede Gruppe nicht mehr als 8 Lasten versorgt. Die Digitaleingänge werden einheitlich als 24-V-PNP-Schaltung (Sourcing-Eingang) ausgeführt, die Digitalausgänge als NPN-Schaltung (Sinking-Ausgang) zur Ansteuerung von Hilfsrelais.
2.2 Frequenzumrichtersteuerung und Feldbus-Kommunikation
Die Kommunikation zwischen Frequenzumrichter und SPS erfolgt über den PROFINET-Feldbus. Dabei werden Drehzahlsollwerte, Statusrückmeldungen und Fehlercodes in Echtzeit übertragen. Der Hubwerk-Frequenzumrichter arbeitet mit Vektorregelung mit Encoder (geschlossener Regelkreis); die Drehzahlgenauigkeit beträgt ≤ 0,01 %. Die Frequenzumrichter für Kranbrücke und Laufkatze arbeiten mit Vektorregelung ohne Encoder (offener Regelkreis); die Drehzahlgenauigkeit beträgt ≤ 0,5 %. Der Frequenzumrichter empfängt vom SPS ein 16-Bit-Drehzahlsollwort (0–16384 entspricht 0–Nennfrequenz) und sendet Ist-Drehzahl, Stromwert und Fehlercodes zurück an die SPS.
Die Relaissteuerung ist zentral auf einer Steuerplatine angeordnet. Alle Hilfsrelais werden mit DC 24 V betrieben; die Kontaktbelastbarkeit beträgt AC 250 V/5 A. Schütze werden mit dem 1,5-fachen des Nennstroms ausgelegt. Hauptschütz und Bremsschütz müssen elektrisch verriegelt sein.
Schritt 3: Sicherheitskreis mit dreistufiger Sicherheitsvorkehrung
Der Sicherheitskreis ist die kritischste Ebene der elektrischen Anlage. Er verwendet eine Reihenschaltung von Öffnerkontakten, sodass die gesamte Anlage sofort stillgesetzt wird, wenn ein Kontakt öffnet. Der Sicherheitskreis arbeitet unabhängig von der SPS-Steuerlogik und ermöglicht eine schnelle Abschaltung über die Hardware-Schaltung.
3.1 Dreistufige Sicherheitsarchitektur
Stufe 1: Not-Aus-Taster in Reihenschaltung. Im Bedienstand und an beiden Enden der Kranbrücke ist jeweils ein Not-Aus-Taster (roter Pilzkopf, selbsthaltend) installiert. Bei Betätigung wird die Spannungsversorgung des Hauptschützes sofort unterbrochen; alle Frequenzumrichter und Motoren werden spannungsfrei und stoppen. Stufe 2: Sicherheitskreis der Endschalter. Die Öffnerkontakte des Hubhöhenbegrenzers (obere und untere Grenze), des Kranfahrweg-Endschalters und des Fahrweg-Endschalters der Katze sind in Reihe in den Sicherheitskreis geschaltet. Wird ein Endschalter ausgelöst, wird das Freigabesignal des entsprechenden Frequenzumrichters unterbrochen. Stufe 3: Sicherheitsrelais und redundante Doppelbremse. Das Hubwerk ist mit einer Doppelbremse ausgestattet (Betriebsbremse + Sicherheitsbremse). Ein Sicherheitsrelais überwacht den Schaltzustand beider Bremsen; fällt eine Bremse aus, kann die andere die Last weiterhin sicher halten.
Der technische Leiter von Kelude erklärt: „Die dreistufige Sicherheitsvorkehrung ist das Kernstück der Sicherheit einer elektrischen Krananlage. Insbesondere die redundante Doppelbremse am Hubwerk bietet unter extremen Bedingungen die letzte Sicherheitsbarriere. Dieses Konzept haben wir in mehreren hundert Kranprojekten erfolgreich verifiziert.“
3.2 Sicherheitsverriegelung und elektrische Verriegelung
Verriegelung Hubwerk/Laufkatze: Während das Hubwerk in Betrieb ist, ist eine Beschleunigung des Katzfahrwerks gesperrt. Verriegelung Kranbrücke/Laufkatze (Spurweite): Mehrere Krane auf derselben Kranbahn müssen über SPS-Kommunikation gegenseitig verriegelt sein, um Kollisionen zu vermeiden. Verriegelung Bremse/Frequenzumrichter: Das Öffnungssignal der Bremse darf erst nach Aufbau der Ausgangsspannung des Frequenzumrichters freigegeben werden, um Lastrutschen zu verhindern. Nach einem Not-Aus dürfen die Antriebe nicht automatisch neu starten; der Not-Aus-Taster muss manuell entriegelt und die Anlage neu gestartet werden.
Nach Abschluss der Sicherheitskreis-Dimensionierung ist eine Verifikation mit einem Multimeter erforderlich: Nach Betätigung des Not-Aus müssen alle Freigabeklemmen der Frequenzumrichter unterbrochen sein; nach Auslösen eines Endschalters muss der entsprechende Antrieb stoppen; bei offenem Bremskreis darf das Hubschütz nicht anziehen. Alle Verifikationsdaten werden im Werksabnahmeprotokoll dokumentiert. Kelude führt diesen Verifikationsprozess bei der Sicherheitskreis-Dimensionierung konsequent durch, um sicherzustellen, dass jeder Kran die geforderten Sicherheitsstandards erfüllt.
Kommentar des technischen Leiters von Kelude:
„Der am häufigsten unterschätzte Aspekt bei der Konstruktion elektrischer Krananlagen ist das Zusammenspiel zwischen Sicherheitskreis und Kommunikationsnetz. Viele Störungen vor Ort äußern sich zunächst als Fehlermeldung am Frequenzumrichter, die eigentliche Ursache liegt jedoch oft in Signalstörungen im Steuerkreis oder in der Kontaktalterung im Sicherheitskreis. Unsere Erfahrung aus zahlreichen Projekten zeigt: Wer die Trennung der drei Ebenen bereits in der Konstruktionsphase konsequent umsetzt – Hauptstromkabel mit ≥ 300 mm Abstand zu Signalleitungen, ausschließlich zwangsgeführte Relais im Sicherheitskreis, geschirmte, einseitig geerdete Kommunikationskabel als verdrillte Zweidrahtleitung – kann über 80 % der späteren Inbetriebnahmeprobleme vermeiden. Darüber hinaus wird die Wärmeabfuhr der Bremswiderstände häufig unterschätzt. Wir empfehlen den Einbau eines Kühlgebläses an der Schaltschrankoberseite; der Temperaturschalter sollte bei 55 °C ansprechen.“
Schritt 4: Kommunikationsnetzwerk-Design und Schritt 5: Inbetriebnahme der Gesamtanlage
4.1 Kommunikationsnetzwerk-Architektur
Das Kommunikationsnetzwerk des Brückenkrans basiert auf PROFINET Industrial Ethernet als Rückgrat und verbindet die PLC-CPU, verteilte I/O-Stationen, Frequenzumrichter und das HMI-Touchpanel. Die Netzwerktopologie ist als Sternstruktur ausgelegt, wobei alle Geräte an einen Netzwerk-Switch angeschlossen sind. Der übergeordnete Rechner (MES-System auf Werkstattebene oder PC) kommuniziert über Ethernet mit der PLC und erfasst Betriebsdaten sowie Störungsinformationen. Als Kommunikationskabel werden industrietaugliche geschirmte Netzwerkkabel (CAT5e oder höher) verwendet. Bei der Verlegung ist ein Mindestabstand von ≥ 200 mm zu Stromkabeln einzuhalten, um elektromagnetische Störungen zu vermeiden.
4.2 Inbetriebnahmeprozess der Gesamtanlage
Die Inbetriebnahme der Gesamtanlage in Schritt 5 erfolgt in vier Phasen. Phase 1 – Spannungsprüfung: Messung des Isolationswiderstands des Hauptstromkreises (≥ 1 MΩ mit 500-V-Isolationsmessgerät), Überprüfung der Drehspannungssymmetrie (Abweichung ≤ 2 %) sowie Funktionsprüfung aller Leistungsschalter. Phase 2 – Tippbetrieb im Leerlauf: Inbetriebnahme der Frequenzumrichter einzeln, Parametrierung der Motordaten (Nennspannung, Nennstrom, Nenndrehzahl, Leistungsfaktor) und Tippbetrieb im Leerlauf zur Überprüfung der Drehrichtung des Motors und zur Fehlerdiagnose des Frequenzumrichters. Phase 3 – Lastprüfung: Das Hubwerk wird mit 50 %, 100 % und 125 % der Nennlast beaufschlagt. Geprüft werden der Bremsweg beim Senken (≤ v/100) sowie der Ausgangsstrom des Frequenzumrichters (≤ 110 % des Nennstroms). Phase 4 – Verifikation der Sicherheitsfunktionen: Einzeltests von Not-Halt, Endschaltern, Verriegelungen und Bremsen-Redundanz. Nach bestandener Prüfung aller Kennwerte wird der Inbetriebnahmebericht erstellt.
Der technische Leiter von Kelude betont: „Die Inbetriebnahme der Gesamtanlage muss strikt in den vier Phasen nacheinander durchgeführt werden. Jede Abweichung von diesem Ablauf kann zu schwerwiegenden Sicherheitsrisiken führen. Wir verlangen, dass während des gesamten Inbetriebnahmeprozesses vollständige Testdaten dokumentiert werden, um sicherzustellen, dass jeder Schritt rückverfolgbar und verifizierbar ist.“
Übersicht der wichtigsten Parameter der elektrischen Krananlage
| Konstruktionsphase | Kernkomponente | KriteriumParameter | AuswahlNorm | Häufige Fehler |
|---|---|---|---|---|
| Leistungskreis | MCCBLeistungsschalter·Netzdrossel·Frequenzumrichter·Bremswiderstand | Nennstrom1.25~1.5fach·Drossel2~4% | EN 60204-32.1-2019-2019 | KabelÜberlänge ohne AusgangsschutzDrossel |
| Steuerkreis | PLC·EA-Modul·Hilfsrelais·Encoder / Drehgeber | DI24~40·DO16~24·AI4~8·DC24V | GB/T 15969.1-2017.2-2008 | DI/DOgemeinsame NutzungStromversorgungfehlende gruppenweise Trennung |
| Sicherheitskreis | Not-Aus-Taster·Endschalter·Sicherheitsrelais·Bremse | NOT-AUS-Reaktion≤200ms·Endschalterabstand zum Anschlag≥200mm | GB/T 28264 — Sicherheitsüberwachungs- und Managementsystem-2017 | Abhängigkeit des SicherheitskreisesPLCProgramm stattFeste Verdrahtung |
| Kommunikationsnetzwerk | Netzwerk-Switch·PROFINET·HMI·Leitrechner | CAT5e·undStromleitungAbstand≥200mm | IEC 61784 | KommunikationskabelundStromkabelparallele Verlegung |
| Gesamtanlagen-Inbetriebnahme | Multimeter·Isolationsmessgerät·Stromzange·Tachogenerator | Isolation≥1MΩ·BremsungLastabsenkung≤v/100 | TSG Q7015-2016 | Leerfahrt überspringenTippbetriebdirekte Lastaufnahme |
Auslegung des Hauptstromkreises
Der Netzanschluss erfolgt als TN-S-System mit Drehstrom und fünf Leitern (380 V/50 Hz). Der Hauptleistungsschalter wird mit dem 1,25- bis 1,5-fachen des Nennstroms bemessen, die Netzdrossel mit 2–4 % Induktivität. Die Leistung der Frequenzumrichter wird mit dem 1,1- bis 1,3-fachen der Motorleistung gewählt, die Ausgangsdrossel mit 1–2 %.
Signalverteilung im Steuerkreis
Die SPS verfügt über 24–40 digitale Eingänge (Endschalter, Taster, Encoder) und 16–24 digitale Ausgänge (Schütze, Leuchten). Zusätzlich stehen 4–8 analoge Eingänge (Frequenzumrichter-Rückmeldung, Temperatur) zur Verfügung. Die 24-V-Stromversorgung ist in Gruppen aufgeteilt, mit maximal 8 Lasten pro Gruppe.
Dreistufiger Sicherheitskreis
Stufe 1: Der Not-Aus-Taster unterbricht die Stromversorgung in ≤ 200 ms. Stufe 2: Endschalter lösen zuverlässig bei einem Abstand von ≥ 200 mm zur Endlage aus. Stufe 3: Das Hubwerk ist mit einer redundanten Doppelbremse ausgestattet – fällt eine Bremse aus, kann die andere das Hubwerk weiterhin halten. Der Sicherheitskreis ist unabhängig von der SPS aufgebaut.
Vektorregelung der Frequenzumrichter
Der Hubwerk-Frequenzumrichter arbeitet mit geschlossenem Regelkreis und Encoder-Rückführung, was eine Geschwindigkeitsgenauigkeit von ≤ 0,01 % ermöglicht. Die Frequenzumrichter für Kranbrücke und Laufkatze verwenden eine Vektorregelung ohne Rückführung mit einer Genauigkeit von ≤ 0,5 %. Die Geschwindigkeitssollwert-Vorgabe erfolgt als 16-Bit-Wort (0–16384 entspricht 0–Nennfrequenz).
PROFINET-Kommunikationsnetzwerk
In einer Stern-Topologie verbindet ein Netzwerk-Switch die SPS, Frequenzumrichter und das HMI. Die abgeschirmten Industriekabel (CAT5e oder besser) werden mit einem Mindestabstand von 200 mm zu Stromkabeln verlegt. Die übergeordnete Steuerung erfasst die Betriebsdaten über Ethernet; die Kabellänge pro Segment beträgt maximal 100 m.
Vierphasige Inbetriebnahme
① Isolationsprüfung ≥ 1 MΩ und Phasenausgleich ≤ 2 %. ② Leerlauf-Tippbetrieb zur Prüfung der Drehrichtung und Fehlerfreiheit der Frequenzumrichter. ③ Lasttest mit 50 %, 100 % und 125 % Last, wobei das Absinken beim Bremsen ≤ v/100 beträgt. ④ Vollständige Überprüfung der Sicherheitsfunktionen und Erstellung des Inbetriebnahmeberichts.
Häufig gestellte Fragen (FAQ)
F: Aus welchen Komponenten besteht das elektrische System eines Brückenkrans?
A: Das elektrische System eines Brückenkrans besteht aus drei Teilen: dem Hauptstromkreis (Netzanschluss, Leistungsschalter, Drossel, Frequenzumrichter, Motor – für die Energieübertragung), dem Steuerkreis (SPS, EA-Modul, Relais, Encoder/Taster – für die Logiksteuerung) und dem Sicherheitskreis (Not-Aus-Taster, Endschalter, Sicherheitsrelais, Bremse – für den fest verdrahteten Schutz). Diese drei Ebenen sind physisch getrennt und funktional unabhängig ausgelegt.
F: Welche Anforderungen gelten für die Auswahl des Kran-Frequenzumrichters?
A: Die Auswahl des Kran-Frequenzumrichters erfolgt auf Basis der schwersten Lastbedingung des Hubwerks. Die Leistung wird mit dem 1,1- bis 1,3-fachen der Nennleistung des Motors bemessen. Für das Hubwerk wird ein Frequenzumrichter mit Vektorregelung (mit Encoder-Rückführung) empfohlen. Für Kranbrücke und Laufkatze kann ein Umrichter mit Vektorregelung ohne Rückführung verwendet werden. Eine typische Konfiguration für einen 10-t-Brückenkran umfasst: 11 kW für das Hubwerk, 2 × 3 kW für die Kranbrücke und 1,5 kW für die Laufkatze. Zusätzlich sind ein Bremswiderstand und eine Netzdrossel erforderlich.
F: Warum muss der Sicherheitskreis unabhängig von der SPS sein?
A: Der Sicherheitskreis muss aus mehreren Gründen unabhängig von der SPS sein: ① Ein SPS-Programm kann durch einen Absturz oder Hänger die Sicherheitsfunktionen beeinträchtigen. ② Ein fest verdrahteter Kreis reagiert deutlich schneller (≤ 200 ms) als die SPS-Zykluszeit (10–50 ms). ③ Der Sicherheitskreis verwendet in Reihe geschaltete Öffner-Kontakte. Wenn ein Kontakt öffnet, wird die Stromversorgung unterbrochen – dies entspricht dem Ausfallsicher-Prinzip. Die Normen GB/T 28264-2017 und TSG Q7015-2016 fordern ausdrücklich eine feste Verdrahtung für den Sicherheitskreis.
F: Worauf ist bei der Inbetriebnahme der Kran-Elektrik besonders zu achten?
A: Bei der Inbetriebnahme sollte besonders auf folgende Punkte geachtet werden: Zuerst die Isolationsprüfung und der Phasenausgleich. Danach die Überprüfung der Drehrichtung im Tippbetrieb. Anschließend der Lasttest mit verschiedenen Laststufen, um das Bremsverhalten zu validieren. Abschließend die vollständige Prüfung aller Sicherheitsfunktionen und die Dokumentation der Ergebnisse. Es ist wichtig, die Prüfungen in der vorgegebenen Reihenfolge durchzuführen, um Fehlfunktionen zu vermeiden.
A: Die Inbetriebnahme muss in vier Phasen strikt nacheinander erfolgen. Vor dem Einschalten ist der Isolationswiderstand zu messen (≥1 MΩ/500 V) und die Spannungssymmetrie der drei Phasen zu prüfen (Abweichung ≤2 %). In der Leerlaufphase wird jeder Frequenzumrichter einzeln zugeschaltet, um die Drehrichtung der Motoren zu kontrollieren. In der Lastphase wird die Last schrittweise von 50 % auf 125 % erhöht; der Bremsweg muss ≤ v/100 betragen. Bei der Sicherheitsfunktionsprüfung werden Not-Halt, Endschalter, Verriegelungen und die Redundanz der Bremsen einzeln getestet; alle Daten sind zu dokumentieren. Kelude empfiehlt, die Inbetriebnahme durch einen zertifizierten Elektroingenieur durchführen zu lassen.
Planung der elektrischen Krananlage nach der 5-Schritte-Methode: Hauptstromkreis-Design, Steuerstromkreis-Design, Sicherheitskreis-Design, Kommunikationsnetzwerk-Design und Gesamtanlagen-Inbetriebnahme. Eine vollständige elektrische Krananlage ist in drei Ebenen gegliedert: Der Hauptstromkreis (Antriebsebene) versorgt Frequenzumrichter und Motoren mit Energie, der Steuerstromkreis (Logikebene) führt die SPS-Befehle aus und erfasst periphere Signale, der Sicherheitskreis (Schutze Ebene) bietet mehrstufige Schutzfunktionen wie Not-Halt, Endschalter und Verriegelungen. Eine normgerechte Planung reduziert elektrische Störungen um über 80 %.
Die 5-Schritte-Methode für elektrische Krananlagen führt vom Hauptstromkreis bis zur Gesamtinbetriebnahme durch den gesamten Planungsprozess. Die folgende Abbildung zeigt die topologische Beziehung der drei Ebenen: Hauptstromkreis (Antriebsebene), Steuerstromkreis (Logikebene) und Sicherheitskreis (Schutze Ebene). Die Planung der elektrischen Krananlage muss der Norm EN 60204-32 (elektrische Ausrüstung von Maschinen) und der Norm DIN 15018 (Krane) entsprechen. Kernprinzipien: Der Hauptstromkreis ist getrennt von den Signalleitungen zu führen, um elektromagnetische Störungen zu vermeiden. Der Sicherheitskreis verwendet in Reihe geschaltete Öffnerkontakte, um Ausfallsicherheit zu gewährleisten. Das Kommunikationsnetzwerk nutzt PROFINET Industrial Ethernet für den Echtzeit-Datenaustausch.
Hauptstromkreis-Design für Krane
Der Hauptstromkreis ist der vollständige Energieübertragungspfad vom Netzanschluss bis zur Motorwicklung und bildet das Fundament der elektrischen Krananlage. Die Planung erfolgt schrittweise vom Netzanschluss hin zur Last.
1.1 Netzanschluss und Hauptleistungsschalter
Der Anschluss erfolgt über das Werksnetz als Drehstrom mit fünf Leitern (TN-S-System) 380 V/50 Hz. Als Hauptabsicherung dient ein Leistungsschalter (MCCB), dessen Bemessungsstrom das 1,25- bis 1,5-fache des Gesamtnennstroms der Anlage beträgt. Für einen Brückenkran der 10-t-Klasse wird ein Hauptleistungsschalter mit einem Bemessungsstrom von 160–250 A empfohlen. Der Kabelquerschnitt des Netzanschlusses wird nach der Strombelastbarkeit berechnet; empfohlen wird ein Kupferkabel mit 3×70+2×35 mm².
1.2 Netzdrossel und Frequenzumrichter
Nach dem Hauptleistungsschalter wird eine dreiphasige Netzdrossel (Induktivität 2–4 %) installiert, um Oberwellen und Spannungsspitzen zu unterdrücken. Für das Hubwerk werden Frequenzumrichter der Baureihe SIEMENS G120 oder ABB ACS880 eingesetzt; die Leistung wird mit dem 1,1- bis 1,3-fachen der Motornennleistung dimensioniert. Die Frequenzumrichter für Kranbrücke und Laufkatze werden mit 1/3 bis 1/2 der Leistung des Hubwerks ausgelegt. Beispielkonfiguration für einen 10-t-Kran: Hubwerk 11 kW, Kranbrücke 2×3 kW, Laufkatze 1,5 kW.
1.3 Ausgangskreis und Motorverdrahtung
Am Ausgang des Frequenzumrichters wird eine Ausgangsdrossel (Induktivität 1–2 %) installiert, um die Motorwicklung vor dV/dt-Spannungsspitzen zu schützen. Für den Hubmotor wird ein Schleifringläufermotor der Baureihe YZR mit Bremse und Encoder auf der Verlängerungswelle empfohlen. Die Motorverdrahtung muss mit geschirmtem Kabel erfolgen; die Schirmung ist einseitig zu erden. Der Bremswiderstand wird gemäß den Angaben des Frequenzumrichter-Handbuchs dimensioniert und an einem gut belüfteten Ort auf dem Schrank oder an der Seitenwand montiert.
Nach Abschluss der Hauptstromkreisplanung sind folgende Punkte zu prüfen: Kabelbelastbarkeit ≥ 1,25-facher Nennstrom, Schaltvermögen des Leistungsschalters ≥ zu erwartender Kurzschlussstrom, Kabellänge zwischen Frequenzumrichter und Motor darf den zulässigen Wert nicht überschreiten (ohne Ausgangsdrossel ≤ 50 m, mit Ausgangsdrossel ≤ 150 m). Alle Kranprodukte von Kelude werden nach diesen Standards für Hauptstromkreis und Kabelauswahl konstruiert.
SPS-Steuerung und Steuerkreis-Layout
Der Steuerstromkreis ist das logische Herzstück der elektrischen Anlage. Er erfasst Bediensignale und Sensordaten und steuert Schütze und Frequenzumrichter. Das Design ist zentral um die SPS aufgebaut und strahlt zu den verschiedenen I/O-Stationen und Aktoren aus.
2.1 SPS-Auswahl und I/O-Zuordnung
Für mittlere und große Krane werden Siemens S7-1200 (für kleine/mittlere Anwendungen) oder S7-1500 (für große/hochperformante Anwendungen) empfohlen. Die Anzahl der SPS-I/Os wird wie folgt geschätzt: DI (Digitaleingang) ca. 24–40 Punkte, einschließlich Taster, Endschalter, Encoder-Signale und Rückmeldungen von Sicherheitsrelais. DO (Digitalausgang) ca. 16–24 Punkte, einschließlich Schützspulen, Leuchten und Summer. AI (Analogeingang) ca. 4–8 Punkte, einschließlich Stromrückmeldung vom Frequenzumrichter und Temperatursensoren.
Die Klemmenleisten für die Signalerfassung sind mit Schottblechen segmentiert angeordnet. Die 24-V-Gleichstromversorgung ist in Gruppen aufgeteilt, wobei jede Gruppe nicht mehr als 8 Lasten versorgt. DI-Signale werden einheitlich als 24-V-PNP (Quelleneingang) verdrahtet, DO-Signale als NPN (Senkenausgang) zur Ansteuerung von Hilfsrelais.
2.2 Frequenzumrichtersteuerung
Die Kommunikation zwischen Frequenzumrichter und SPS erfolgt über den PROFINET-Feldbus, über den Drehzahl-Sollwerte, Statusrückmeldungen und Fehlercodes in Echtzeit übertragen werden. Der Hubwerk-Frequenzumrichter arbeitet mit Vektorregelung mit Encoder (geschlossener Regelkreis) und erreicht eine Drehzahlgenauigkeit von ≤ 0,01 %. Die Frequenzumrichter für Kranbrücke und Laufkatze verwenden eine Vektorregelung ohne Encoder (offener Regelkreis) mit einer Drehzahlgenauigkeit von ≤ 0,5 %. Der Frequenzumrichter empfängt einen 16-Bit-Drehzahl-Sollwert von der SPS (0–16384 entspricht 0–Nennfrequenz) und sendet Ist-Drehzahl, Stromwert und Fehlercodes zurück.
Die Relaissteuerung ist zentral auf einer Steuerplatine angeordnet. Alle Hilfsrelais werden mit DC 24 V betrieben; die Kontaktbelastbarkeit beträgt AC 250 V/5 A. Die Schütze sind mit dem 1,5-fachen des Nennstroms zu dimensionieren. Hauptschütz und Bremsschütz müssen elektrisch verriegelt sein.
Sicherheitskreis mit Not-Halt-Funktion
Der Sicherheitskreis ist die kritischste Ebene der elektrischen Anlage. Er verwendet eine Reihenschaltung von Öffnerkontakten, um sicherzustellen, dass die Anlage sofort stoppt, wenn ein Element unterbrochen wird. Der Sicherheitskreis ist unabhängig von der SPS-Steuerung und ermöglicht eine schnelle Abschaltung über die Hardware.
3.1 Dreistufige Sicherheitsvorkehrung
Stufe 1: Not-Aus-Taster in Reihenschaltung. Am Hauptbedienpult im Steuerstand sowie an beiden Enden der Kranbrücke ist jeweils ein Not-Aus-Taster (roter Pilzkopf, selbstverriegelnd) installiert. Bei Betätigung wird die Stromversorgung des Hauptschützes sofort unterbrochen, alle Frequenzumrichter und Motoren werden spannungsfrei geschaltet und kommen zum Stillstand. Stufe 2: Sicherheitskreis der Endschalter. Die Öffnerkontakte des Hubhöhenbegrenzers (obere und untere Grenze), des Kranfahrweg-Endschalters und des Fahrweg-Endschalters der Katze sind in Reihe in den Sicherheitskreis geschaltet. Wird einer dieser Endschalter ausgelöst, wird das Freigabesignal des entsprechenden Frequenzumrichters unterbrochen. Stufe 3: Sicherheitsrelais und redundante Doppelbremse. Das Hubwerk ist mit einer Doppelbremse ausgestattet (Betriebsbremse + Sicherheitsbremse). Ein Sicherheitsrelais überwacht den Schaltzustand beider Bremsen. Fällt eine Bremse aus, kann die andere die Last weiterhin sicher abbremsen.
Der technische Leiter von Kelude Schwerindustrie betont: „Die dreistufige Sicherheitsvorkehrung ist das Herzstück der Sicherheit der elektrischen Krananlage. Insbesondere die redundante Doppelbremse am Hubwerk bietet unter extremen Betriebsbedingungen die letzte Sicherheitsbarriere – ein bewährtes Konzept, das wir in mehreren hundert Brückenkran-Projekten verifiziert haben.“
3.2 Sicherheitsverriegelung und Interlock
Verriegelung Heben/Katzfahrt: Während das Hubwerk in Betrieb ist, ist eine Beschleunigung des Katzfahrantriebs gesperrt. Verriegelung Kranbrücke/Katzfahrwerk: Bei mehreren Brückenkränen auf derselben Kranbahn müssen diese über eine PLC-Kommunikation gegenseitig verriegelt werden, um Kollisionen zu vermeiden. Verriegelung Bremse/Frequenzumrichter: Das Freigabesignal zum Öffnen der Bremse darf erst nach Aufbau der Ausgangsspannung des Frequenzumrichters erteilt werden, um Lastrutschen zu verhindern. Nach einem Not-Aus dürfen die Antriebe nicht automatisch neu anlaufen; der Not-Aus-Taster muss manuell entriegelt und die Anlage neu gestartet werden.
Nach Abschluss der Sicherheitskreisauslegung ist eine Verifikation mit einem Multimeter erforderlich: Nach Betätigung des Not-Aus müssen alle Freigabeklemmen der Frequenzumrichter unterbrochen sein; bei Auslösung eines Endschalters muss der jeweilige Antrieb stoppen; bei offenem Bremskreis darf das Hubschütz nicht anziehen. Alle Verifikationsdaten werden im Werksabnahmeprotokoll dokumentiert. Kelude Schwerindustrie wendet dieses Prüfverfahren im Sicherheitskreisdesign konsequent an, um sicherzustellen, dass die Sicherheitsleistung jedes Brückenkrans den Normvorgaben entspricht.
Anmerkung des technischen Leiters von Kelude Schwerindustrie:
„Das am häufigsten unterschätzte Thema bei der Konstruktion der elektrischen Krananlage ist das Zusammenspiel von Sicherheitskreis und Kommunikationsnetz. Viele Störungen vor Ort äußern sich zunächst als Frequenzumrichterfehler, die eigentliche Ursache liegt jedoch oft in Signalstörungen im Steuerkreis oder in der Kontaktalterung im Sicherheitskreis. Unsere Erfahrung aus realen Projekten zeigt: Wenn man bereits in der Designphase die drei Ebenen sauber trennt – Stromkabel mit ≥300 mm Abstand zu Signalleitungen verlegen, im Sicherheitskreis ausschließlich zwangsgeführte Relais einsetzen, Kommunikationskabel als geschirmte Twisted-Pair-Leitung mit einseitiger Erdung ausführen – lassen sich über 80 % der späteren Inbetriebnahmeprobleme vermeiden. Zudem wird die Wärmeableitung des Bremswiderstands häufig unterschätzt. Wir empfehlen den Einbau eines Kühlgebläses an der Schrankoberseite, das über einen Temperaturschalter bei 55 °C aktiviert wird.“
Schritt 4: Kommunikationsnetzwerk-Design und Schritt 5: Gesamtanlagen-Inbetriebnahme
4.1 Kommunikationsnetzwerk-Architektur
Das Kommunikationsnetzwerk des Brückenkrans basiert auf PROFINET Industrial Ethernet und verbindet die PLC-CPU, dezentrale I/O-Stationen, Frequenzumrichter und den HMI Touchscreen. Die Netzwerktopologie ist als Sternstruktur ausgeführt, alle Geräte sind an einen Netzwerk-Switch angebunden. Der übergeordnete Rechner (MES-System auf Werkstattebene oder PC) kommuniziert über Ethernet mit der PLC und erfasst Betriebs- und Störmeldungen. Als Kommunikationskabel werden industrietaugliche geschirmte Netzwerkkabel (mindestens CAT5e) verwendet. Bei der Verlegung ist ein Abstand von ≥200 mm zu Stromkabeln einzuhalten, um elektromagnetische Störungen zu vermeiden.
4.2 Gesamtanlagen-Inbetriebnahmeprozess
Die Gesamtanlagen-Inbetriebnahme (Schritt 5) gliedert sich in vier Phasen. Phase 1 – Spannungsprüfung: Messung des Isolationswiderstands des Hauptstromkreises (≥1 MΩ bei 500 V mit Isolationsmessgerät), Überprüfung der Drehspannungssymmetrie (Abweichung ≤2 %) sowie Funktionstest aller Leistungsschalter. Phase 2 – Leerlauf-Tippbetrieb: Inbetriebnahme der Frequenzumrichter einzeln, Parametrierung der Motordaten (Nennspannung, Nennstrom, Drehzahl, Leistungsfaktor), Überprüfung der Drehrichtung im Tippbetrieb sowie Fehlerfreiheit der Umrichter. Phase 3 – Lastprüfung: Das Hubwerk wird mit 50 %, 100 % und 125 % der Nennlast beaufschlagt. Geprüft werden der Bremsweg (≤ v/100) sowie der Ausgangsstrom des Frequenzumrichters (≤ 110 % des Nennstroms). Phase 4 – Verifikation der Sicherheitsfunktionen: Test aller Sicherheitsfunktionen wie Not-Aus, Endschalter, Verriegelungen und Bremsenredundanz. Nach Bestehen aller Kennwerte wird der Inbetriebnahmebericht erstellt.
Der technische Leiter von Kelude Schwerindustrie betont: „Die Gesamtanlagen-Inbetriebnahme muss strikt in den vier Phasen nacheinander durchgeführt werden. Jede Abweichung von dieser Reihenfolge kann ein erhebliches Sicherheitsrisiko darstellen. Wir verlangen, dass während des gesamten Prozesses vollständige Testdaten dokumentiert werden, um jeden Schritt rückverfolgbar und verifizierbar zu machen.“
Übersicht der wichtigsten Parameter der elektrischen Krananlage
| Konstruktionsphase | Kernkomponente | KriteriumParameter | AuswahlNorm | Häufige Fehler |
|---|---|---|---|---|
| Leistungskreis | MCCBLeistungsschalter·Netzdrossel·Frequenzumrichter·Bremswiderstand | Nennstrom1.25~1.5fach·Drossel2~4% | EN 60204-32.1-2019-2019 | KabelÜberlänge ohne AusgangsschutzDrossel |
| Steuerkreis | PLC·EA-Modul·Hilfsrelais·Encoder / Drehgeber | DI24~40·DO16~24·AI4~8·DC24V | GB/T 15969.1-2017.2-2008 | DI/DOgemeinsame NutzungStromversorgungfehlende gruppenweise Trennung |
| Sicherheitskreis | Not-Aus-Taster·Endschalter·Sicherheitsrelais·Bremse | NOT-AUS-Reaktion≤200ms·Endschalterabstand zum Anschlag≥200mm | GB/T 28264 — Sicherheitsüberwachungs- und Managementsystem-2017 | Abhängigkeit des SicherheitskreisesPLCProgramm stattFeste Verdrahtung |
| Kommunikationsnetzwerk | Netzwerk-Switch·PROFINET·HMI·Leitrechner | CAT5e·undStromleitungAbstand≥200mm | IEC 61784 | KommunikationskabelundStromkabelparallele Verlegung |
| Gesamtanlagen-Inbetriebnahme | Multimeter·Isolationsmessgerät·Stromzange·Tachogenerator | Isolation≥1MΩ·BremsungLastabsenkung≤v/100 | TSG Q7015-2016 | Leerfahrt überspringenTippbetriebdirekte Lastaufnahme |
Auslegung des Hauptstromkreises
Der Netzanschluss erfolgt als TN-S-System mit Drehstrom und fünf Leitern, 380 V/50 Hz. Der Hauptleistungsschalter wird mit dem 1,25- bis 1,5-fachen Nennstrom dimensioniert, die Netzdrossel mit 2–4 % Induktivität. Die Leistung des Frequenzumrichters wird mit dem 1,1- bis 1,3-fachen der Motorleistung ausgelegt, der Ausgangsfilter mit 1–2 %.
Signalverteilung im Steuerkreis
Die SPS verfügt über 24–40 digitale Eingänge (Endschalter, Taster, Encoder), 16–24 digitale Ausgänge (Schütze, Leuchten) und 4–8 analoge Eingänge (Frequenzumrichter-Rückmeldung, Temperatur). Die 24-V-Stromversorgung ist in Gruppen aufgeteilt, mit maximal 8 Verbrauchern pro Gruppe.
Dreistufiger Sicherheitskreis
Stufe 1: Der Not-Aus-Taster unterbricht die Stromversorgung innerhalb von ≤ 200 ms. Stufe 2: Endschalter lösen zuverlässig bei einem Abstand von ≥ 200 mm zum Anschlag aus. Stufe 3: Das Hubwerk ist mit einer redundanten Doppelbremse ausgestattet – fällt eine Bremse aus, kann die andere das Hubwerk weiterhin sicher abbremsen. Der Sicherheitskreis ist unabhängig von der SPS aufgebaut.
Vektorregelung des Frequenzumrichters
Der Hubwerk-Frequenzumrichter arbeitet mit Vektorregelung mit geschlossenem Regelkreis und Encoder-Rückführung; die Drehzahlgenauigkeit beträgt ≤ 0,01 %. Für Kranbrücke und Laufkatze kommt eine Vektorregelung ohne Rückführung zum Einsatz, mit einer Drehzahlgenauigkeit von ≤ 0,5 %. Der Drehzahlsollwert wird als 16-Bit-Wort übertragen (0–16384 entspricht 0–Nennfrequenz).
PROFINET-Kommunikationsnetzwerk
In Sterntopologie verbindet ein Netzwerk-Switch SPS, Frequenzumrichter und HMI. Die abgeschirmten Industrie-Leitungen (CAT5e oder besser) werden mit einem Mindestabstand von ≥ 200 mm zu Stromkabeln verlegt. Die übergeordnete Steuerung erfasst Betriebsdaten über Ethernet; die Kabellänge pro Segment beträgt ≤ 100 m.
Vierstufige Inbetriebnahme
① Isolationsprüfung ≥ 1 MΩ und Drehstromsymmetrie ≤ 2 %. ② Leerlauf-Tippbetrieb zur Prüfung der Drehrichtung und des Frequenzumrichters auf Störungsfreiheit. ③ Lastprüfung bei 50 %, 100 % und 125 % Nennlast; Bremsweg beim Senken ≤ v/100. ④ Vollständige Prüfung aller Sicherheitsfunktionen und Erstellung des Inbetriebnahmeprotokolls.
Häufige Fragen zur Kran-Elektrik
F: Aus welchen Komponenten besteht das elektrische System eines Brückenkrans?
A: Das elektrische System eines Brückenkrans besteht aus drei Teilen: dem Hauptstromkreis (Netzanschluss, Leistungsschalter, Drossel, Frequenzumrichter, Motor – zur Leistungsübertragung), dem Steuerkreis (SPS, EA-Module, Relais, Encoder/Taster – für die logische Steuerung) und dem Sicherheitskreis (Not-Aus-Taster, Endschalter, Sicherheitsrelais, Bremse – als fest verdrahteter Sicherheitsschutz). Die drei Ebenen sind physisch getrennt und funktional unabhängig ausgelegt.
F: Welche Anforderungen gelten bei der Auswahl des Kran-Frequenzumrichters?
A: Die Auswahl des Kran-Frequenzumrichters erfolgt auf Basis des schwersten Lastfalls des Hubwerks. Die Leistung wird mit dem 1,1- bis 1,3-fachen der Nennleistung des Motors dimensioniert. Für das Hubwerk wird ein Frequenzumrichter mit Vektorregelung und Encoder-Rückführung empfohlen, für Kranbrücke und Laufkatze genügt ein Gerät mit Vektorregelung ohne Rückführung. Eine typische Konfiguration für einen 10-t-Brückenkran: Hubwerk 11 kW, Kranbrücke 2 × 3 kW, Laufkatze 1,5 kW. Bremswiderstand und Netzdrossel sind zwingend erforderlich.
F: Warum muss der Sicherheitskreis unabhängig von der SPS aufgebaut sein?
A: Der Sicherheitskreis muss aus folgenden Gründen unabhängig von der SPS realisiert werden: ① Ein SPS-Programm kann durch einen Absturz oder Hänger die Sicherheitsfunktionen unwirksam machen. ② Ein fest verdrahteter Kreis reagiert deutlich schneller (≤ 200 ms) als die SPS-Zykluszeit (10–50 ms). ③ Der Sicherheitskreis arbeitet mit in Reihe geschalteten Öffnerkontakten – öffnet ein Kontakt, wird die Stromversorgung unterbrochen. Dies entspricht dem Prinzip der Ausfallsicherheit. Die Normen GB/T 28264-2017 und TSG Q7015-2016 schreiben eine fest verdrahtete Ausführung des Sicherheitskreises ausdrücklich vor.
F: Worauf ist bei der Inbetriebnahme der elektrischen Krananlage zu achten?
A: Die Inbetriebnahme ist streng in vier Phasen durchzuführen – ein Überspringen ist unzulässig. Vor dem Einschalten muss der Isolationswiderstand gemessen werden (≥1 MΩ/500 V) sowie die Spannungssymmetrie der drei Phasen bestätigt sein (Abweichung ≤2 %). In der Leerlaufphase wird jeder Frequenzumrichter einzeln zugeschaltet und die Drehrichtung des Motors geprüft. In der Lastphase wird die Last schrittweise von 50 % auf 125 % erhöht; der Bremsweg bei der Bremsung darf v/100 nicht überschreiten. Die Sicherheitsfunktionen – Not-Halt, Endschalter, Verriegelungen und Bremsen-Redundanz – sind einzeln zu testen und alle Messdaten zu dokumentieren. Kelude empfiehlt, die Inbetriebnahme ausschließlich durch zertifizierte Elektrofachkräfte durchführen zu lassen.
