SPS-Steuerung für Brückenkrane: S7-1200 & PROFINET
Das SPS-Steuerungssystem für Brückenkrane basiert auf Siemens S7-1200/S7-1500 und kommuniziert über PROFINET mit den Frequenzumrichtern und dezentralen IO-Stationen. Mit DI 24–40 Punkten / DO 16–24 Punkten / AI 4–8 Punkten lässt sich durch die standardisierte Netzwerkarchitektur die Kommunikationszuverlässigkeit um über 80 % steigern und die Inbetriebnahmezeit um 30 % reduzieren.
Das SPS-Steuerungssystem ist das zentrale Steuerungssystem der elektrischen Ausrüstung eines Brückenkrans. Es koordiniert die drei Fahrwerke (Heben, Kranbrücke, Laufkatze), überwacht die Sicherheitsverriegelung und führt die Fehlerdiagnose durch. Gemäß den Anforderungen der Norm GB/T 15969.2-2008 (Speicherprogrammierbare Steuerungen) und der Norm DIN 15018 (Krane – Grundsätze für die Berechnung) an die Zuverlässigkeit elektrischer Steuerungssysteme kann eine durchdachte SPS-Lösung die elektrische Störungsrate von Brückenkranen um mehr als 60 % senken und gleichzeitig die Betriebseffizienz und Sicherheit deutlich erhöhen.
Das SPS-Steuerungssystem für Brückenkrane verwendet Siemens S7-1200/S7-1500 als zentrale Steuerung. Über das PROFINET-Industrie-Ethernet werden die dezentralen IO-Stationen und die Frequenzumrichter der einzelnen Fahrwerke angebunden. Die SPS erfasst die Signale der Bedienelemente und Sensoren, verarbeitet sie im Programm und gibt Steuerbefehle an die Frequenzumrichter und Schütze aus. Dadurch werden Geschwindigkeitsregelung und Richtungswechsel der drei Fahrwerke realisiert. Die standardisierte Netzwerkarchitektur reduziert den Inbetriebnahmeaufwand und die Wartungskosten spürbar.
Steuerungsarchitektur und Kernprinzipien
Das SPS-Steuerungssystem für Brückenkrane ist in drei Ebenen aufgebaut: Bedienebene, Steuerungsebene und Aktorebene. Die Bedienebene umfasst den Meisterschalter im Führerhaus, Bedienfelder und das HMI-Touchpanel. Sie erfasst die Befehle des Bedieners und zeigt den Systemstatus an. Die Steuerungsebene mit der SPS als Kern kommuniziert über den PROFINET-Bus mit den Stationen und führt die Verriegelungslogik der Fahrwerke, die Sicherheitsverriegelung sowie die Fehlerdiagnoseprogramme aus. Die Aktorebene besteht aus den Frequenzumrichtern der Fahrwerke, Bremsen, Motoren und Endschaltern und setzt die Befehle der SPS direkt in mechanische Bewegungen um.
Die Software ist modular aufgebaut. Der Hauptorganisationsbaustein OB1 übernimmt die zyklische Aktualisierung der Ein-/Ausgänge und die Statusabfrage. Ein separater Sicherheitsbaustein (OB) überwacht synchron die Not-Aus- und Endschaltersignale. Die Frequenzumrichtersteuerung ist in Funktionsbausteinen (FC) gekapselt und umfasst vier Unterprogramme: Steuerwortübertragung, Drehzahl-Sollwertvorgabe, Statuswortauswertung und Fehlercode-Lesen. Um den Sicherheitsanforderungen beim Heben gerecht zu werden, ist die Zykluszeit der SPS auf 20–50 ms ausgelegt. Die Sicherheitsreaktion erfolgt über eine feste Verdrahtung im Sicherheitskreis mit einer Reaktionszeit von maximal 200 ms und erfüllt damit die Anforderungen der Norm DIN 15018 an Sicherheitsschutzeinrichtungen.
Vergleich der Kernleistung: Relaissteuerung vs. SPS-Steuerungssystem
| Vergleichspunkt | KonventionellRelaissteuerung | SPS-Steuerungssystem |
|---|---|---|
| Steuerungsart | Feste VerdrahtungLogik+Zeitrelais | Programmierbare Softwarelogik+Netzwerkkommunikation |
| Fehlerdiagnose | Manuelle Fehlersuche abschnittsweise,Durchschnittlich mehrere Stunden | PLCOnlineDiagnose+FehlercodePositionierung,Minutenbereich |
| Funktionsänderung | Neuverdrahtung erforderlich,Produktionsstillstand über mehrere Tage | Online-Programmänderung,In wenigen Minuten abgeschlossen |
| Kommunikationsvernetzung | Keine,Geräte arbeiten autark | PROFINETEinheitliche Vernetzung,Datenaustausch |
| Wartungskosten | RelaisVerschleißanfällig,ErsatzteilVielfältige | ErsatzteilEinheitlich,ModulAustausch |
| Referenznorm | —— | GB/T 15969.2 / Norm DIN 15018 |
Kennwerte und technische Daten im Überblick
SPS-Auswahl und I/O-Punktkonfiguration
Die I/O-Liste eines Standard-Brückenkran-SPS-Steuerungssystems umfasst drei Signalkategorien, die wie folgt aufgeteilt sind:
Digitaleingänge (DI) (24–40 Punkte) – 12 Punkte für Taster am Bedienpult (Heben auf/ab, schnell/langsam; Kranbrücke links/rechts; Laufkatze vor/zurück); 6 Punkte für Endschalter (Heben obere/untere Grenze, Kranbrücke beidseitig, Laufkatze beidseitig); 4 Punkte für Sicherheitsrelais-Rückmeldung (Not-Halt, Sicherheitstür, Bremsenstatus); 2–4 Punkte für Encoder-Hochgeschwindigkeitszählung; 4–6 Punkte für Überlast-, Temperatur- und Positionsschalter.
Digitalausgänge (DO) (16–24 Punkte) – 4 Punkte für Schützspulen (Hauptschütz, Bremsschütz); 3 Punkte für Frequenzumrichter-Freigabe (Heben/Kranbrücke/Laufkatze); 6 Punkte für Signalleuchten (Betrieb/Störung/Alarm); 2 Punkte für Alarmausgänge (Summer/Warnleuchte).
Analogeingänge (AI) (4–8 Punkte) – 3 Punkte für Stromrückmeldung der Frequenzumrichter; 2–4 Punkte für Temperatursensoren.
Bei der Auswahl sind die Nenntragfähigkeit des Krans, die Triebwerksgruppe und die Anforderungen an die Steuerungsfunktionen zu berücksichtigen. Gemäß den Anforderungen der Norm DIN 15018 an das elektrische Steuerungssystem sowie der Norm IEC 61784-1:2019 für industrielle Kommunikationsnetze müssen bei der SPS-Auswahl drei Kernkennwerte besonders beachtet werden: Art und Anzahl der Kommunikationsschnittstellen, die I/O-Erweiterbarkeit und die Programmspeicherkapazität. Die S7-1200 eignet sich für Einzelträger-Brückenkrane der Triebwerksgruppe A3 bis A5, während die S7-1500 für Zweiträger-, Hütten- und Gießkrane der Triebwerksgruppe A6 bis A8 konzipiert ist. Beide Systeme ermöglichen eine einheitliche Netzwerkarchitektur über PROFINET.
S7-1200 vs. S7-1500: Konfigurationsvergleich für die Auswahl
| Konfigurationsparameter | S7-1200Lösung(≤10t) | S7-1500Lösung(≥16t) |
|---|---|---|
| CPU Typ | 1214C / 1215C | 1511 / 1513 |
| Integration IO | DI14/DO10/AI2 | ErweiterbarIOModul |
| Erweiterungsfähigkeit | 8Signal+3NetzwerkkommunikationModul | 32Signal+8NetzwerkkommunikationModul |
| PROFINETSchnittstelle | 1StückPNSchnittstelle | 2StückPNSchnittstelle(Redundanz) |
| Bewegungssteuerung | 3AchseGeschwindigkeitBewegungssteuerung | 8AchseGeschwindigkeit/Positionssteuerung |
| Sichere Kommunikation | Nicht nativ unterstütztPROFIsafe | Nicht nativ unterstütztPROFIsafe |
| HMIEmpfohlen | Präzision7Zoll KTP700 | Präzision10Zoll TP1000 |
| Einsatzszenario | EinträgerBrückenkran/Elektrokettenzug | ZweiträgerBrückenkran/MetallurgieGießen |
PROFINET-Kommunikation: Netzwerkaufbau und Inbetriebnahme
PROFINET ist das führende Industrial-Ethernet-Protokoll für Steuerungssysteme von Brückenkranen. Für diese Anwendung wird der Echtzeit-Kommunikationsmodus RT empfohlen. Die Netzwerktopologie ist als Sternstruktur ausgelegt, mit einem Industrial-Ethernet-Switch als zentralem Knotenpunkt, der die SPS-CPU, Frequenzumrichter, dezentrale IO-Stationen, das HMI und den Leitstand verbindet. Als Kommunikationskabel werden geschirmte Industrial-Ethernet-Leitungen der Kategorie CAT5e oder höher verwendet; die maximale Länge eines Kabelsegments beträgt 100 m. Bei der Verlegung ist ein Mindestabstand von 200 mm zwischen Kommunikations- und Stromkabeln einzuhalten; Kreuzungen sind im 90-Grad-Winkel auszuführen. Es wird empfohlen, mindestens 30 % der Switch-Ports für spätere Erweiterungen und Wartungsarbeiten freizuhalten.
Die Konfiguration der PROFINET-Geräte erfolgt nach folgendem standardisierten Verfahren:
Schritt 1: Projekt anlegen – Projekt in TIA Portal erstellen, SPS-CPU hinzufügen und IP-Adresse zuweisen (192.168.0.1/24).
Schritt 2: Dezentrale IO konfigurieren – Dezentrale IO-Station ET200SP hinzufügen und Gerätename sowie IP-Adresse vergeben.
Schritt 3: Frequenzumrichter hinzufügen – Frequenzumrichter G120 hinzufügen, GSDML-Datei importieren und IP-Adressen zuweisen (Heben: 192.168.0.10, Kranbrücke: 192.168.0.11, Laufkatze: 192.168.0.12).
Schritt 4: Kommunikationsbereich konfigurieren – IO-Kommunikationsbereiche einrichten: PZD1 Steuerwort/Statuswort (16 Bit) und PZD2 Drehzahlsollwert/Istwert (16 Bit) für die Frequenzumrichter.
Schritt 5: Kompilieren und Laden – Nach dem Kompilieren und Laden müssen die PN-LEDs aller Geräte dauerhaft grün leuchten. Gemäß den Anforderungen der Norm IEC 61784-1:2019 für industrielle Kommunikationsnetze sind nach der Inbetriebnahme ein Test der Kommunikationslast sowie ein Test der Nachrichtenverlustrate durchzuführen, um die Stabilität des Systems sicherzustellen.
Installation, Inbetriebnahme und Wartungsanforderungen
Installationsort und Umgebungsanforderungen – Der Schaltschrank für die SPS-Steuerung sollte in der Nähe des Kranführerhauses oder im elektrischen Betriebsraum aufgestellt werden. Die Umgebungstemperatur muss im Bereich von 0 bis 55 °C liegen, die Relative Luftfeuchtigkeit darf 95 % ohne Kondensation nicht überschreiten.
Anforderungen an die Stromversorgung – Im Schaltschrank muss ein separates 24-VDC-Netzteil zur Versorgung von SPS und Sensoren installiert werden. Bei gemeinsamer Aufstellung mit der Antriebsleistung der Frequenzumrichter sind ein EMV-Filter und ein Trenntransformator vorzusehen.
Verdrahtungsrichtlinien – Die Verdrahtung im Schaltschrank muss dem Prinzip der Trennung von Stark- und Schwachstrom folgen. Der Abstand zwischen 24-V-Signalleitungen und 220-V-Stromleitungen muss mindestens 100 mm betragen. Analoge Signalleitungen sind als geschirmte Twisted-Pair-Leitungen auszuführen und einseitig zu erden.
Die regelmäßige Wartung des Systems umfasst die Prüfung des CPU-Betriebszustands, die Überwachung des Kommunikationsstatus und die Prüfung der IO-Kanäle. Gemäß den Anforderungen der Norm GB/T 15969.2-2008 für die Wartung von SPS-Systemen wird empfohlen, monatlich die CPU-Statusanzeige und die Batteriepufferung zu prüfen sowie vierteljährlich einen vollständigen IO-Kanal-Test und eine Bewertung der Kommunikationsverbindungsqualität durchzuführen. Tritt die Busfehlermeldung „BF“ auf, sind zuerst der Portstatus des Switches und die Qualität der Netzwerkverbindungen zu prüfen – dies ist die häufigste Ursache für Kommunikationsstörungen im Feldbetrieb.
Systemvorteile und wirtschaftlicher Nutzen
Der zentrale Mehrwert des SPS-Steuerungssystems für Brückenkrane liegt in der deutlichen Verbesserung von Zuverlässigkeit und Wartbarkeit. Im Vergleich zu herkömmlichen Relaissteuerungen verkürzt das SPS-System die Fehlersuche von mehreren Stunden auf wenige Minuten. Durch die Online-Programmüberwachung lassen sich fehlerhafte Ein-/Ausgänge und Programmpositionen schnell lokalisieren. Das System unterstützt Ferndiagnose und Programm-Upgrades, sodass Ingenieure die meisten Softwareprobleme beheben können, ohne vor Ort sein zu müssen. Dies reduziert die Wartungskosten und Stillstandszeiten erheblich.
Aus wirtschaftlicher Sicht liegen die Kosten für die Aufrüstung eines mittelgroßen Brückenkrans (16 t Zweiträger) auf SPS-Steuerung bei ca. 10.000 bis 19.000 EUR. Jährlich können dadurch durchschnittlich 4.000 bis 6.500 EUR an elektrischen Reparaturkosten eingespart und ungeplante Stillstandszeiten um über 80 % reduziert werden. Über den gesamten Lebenszyklus von 10 Jahren summiert sich die Ersparnis bei den Wartungs- und Betriebskosten auf 38.000 bis 64.000 EUR. Darüber hinaus liefern die vom System erfassten Betriebsdaten (Laufzeiten der einzelnen Antriebe, Anzahl der Starts, Fehlerprotokolle usw.) eine wertvolle Grundlage für die Analyse der Geräteauslastung und die Erstellung von Plänen für die Prädiktive Wartung – eine wesentliche Grundlage für das Management über den gesamten Lebenszyklus des Brückenkrans.
Häufig gestellte Fragen (FAQ)
F: Wie wird die Zuverlässigkeit der Sicherheitsverriegelung im SPS-Steuerungssystem des Brückenkrans gewährleistet?
A: Die Sicherheitsverriegelung basiert auf einer dualen Schutzstrategie: „Feste Verdrahtung + Software“. Der Not-Aus-Taster und die Türbegrenzungsschalter unterbrechen über ein unabhängiges Sicherheitsrelais die Stromversorgung des Hauptschützes. Parallel dazu überwacht die SPS den Zustand des Sicherheitskreises. Auf der Softwareebene werden Verriegelungslogiken für die Hebe-, Kranbrücken- und Katzenmechanismen sowie Zeitlimits für den Langsambetrieb implementiert. Beide Schutzebenen arbeiten unabhängig voneinander – fällt eine Ebene aus, gewährleistet die andere weiterhin die Sicherheit.
F: Wie wählt man zwischen S7-1200 und S7-1500 für Krananwendungen?
A: Die Auswahl richtet sich hauptsächlich nach der Anzahl der Triebwerke und der Triebwerksgruppe. Für einen Einträger-Brückenkran (1 Hubwerk + 2 Fahrwerke, Triebwerksgruppe A3 bis A5) bietet die S7-1200 das beste Preis-Leistungs-Verhältnis; die integrierten IO der CPU 1214C sind in der Regel ausreichend. Für einen Zweiträger-Brückenkran (2 Hubwerke + 2 Fahrwerke, Triebwerksgruppe A6 bis A8) wird die S7-1500 empfohlen, da ihre Erweiterungsfähigkeit und die PROFIsafe-Kommunikation besser für komplexe Steuerungsszenarien geeignet sind.
F: Kann ein älterer Brückenkran auf ein SPS-Steuerungssystem aufgerüstet werden?
A: Ja. Bei der Nachrüstung eines älteren Brückenkrans bleibt der Hauptstromkreis (Motor, Schütz, Bremse) unverändert. Es muss lediglich die Relaissteuerung im Schaltschrank durch eine SPS-Steuerung mit Erweiterungsmodulen ersetzt werden. Die Umbaumaßnahmen sind in der Regel innerhalb von 2 bis 3 Tagen abgeschlossen. Das vorhandene Bedienpult und der Meisterschalter können weiterverwendet werden, was die Umbaukosten erheblich reduziert.
F: Wie erfolgt die Anbindung des Systems an ein übergeordnetes MES-System oder eine Unternehmensplattform?
A: Die SPS fungiert über ihr Ethernet-Modul als MODBUS-TCP-Server und übermittelt Betriebsdaten des Brückenkrans (Status, Geschwindigkeit, Strom, Temperatur, Fehlercode, kumulierte Betriebszeit usw.) an den Leitstand oder das MES-System. Es werden standardisierte Schnittstellenprotokolle und Datenpunkttabellen bereitgestellt, die eine schnelle Integration in gängige MES-Plattformen ermöglichen.
——Kelude Schwerindustrie ist auf die Entwicklung und den Umbau von elektrischen Kransteuerungen spezialisiert und hat in fünfzehn Jahren über 200 SPS-Nachrüstungsprojekte für Brückenkrane erfolgreich abgeschlossen. Wenn Sie mehr über die Anwendung der Normen DIN 15018 (Krane – Grundsätze für die Berechnung) und GB/T 15969.2-2008 (Speicherprogrammierbare Steuerungen) in Steuerungssystemen von Brückenkranen erfahren möchten, kontaktieren Sie bitte das technische Team von Kelude Schwerindustrie für ausführliche Technische Unterlagen.
