Das automatisierte Steuerungssystem für Brückenkrane ist ein zentraler Baustein der intelligenten Fabrik. Entscheidend ist das Zusammenspiel von Sensorgenauigkeit, Kommunikationsnetzwerk-Zuverlässigkeit und Echtzeitfähigkeit der Steuerungslogik. Gemäß den Anforderungen der Norm DIN 15018 und der Norm DIN EN 60204-32 muss ein automatisiertes Kransteuerungssystem in vier Dimensionen engineering-gerechte Kennwerte erfüllen: Positioniergenauigkeit, Lastüberwachung, Lageerkennung und Umgebungsanpassung. Kelude Schwerindustrie hat in zahlreichen Automatisierungsprojekten praktische Erfahrung in Sensorauswahl, SPS-Programmierung und Kommunikationsnetzwerk-Design gesammelt. Dieser Beitrag erläutert aus ingenieurtechnischer Sicht systematisch die Sensorauswahl und die Netzwerkarchitektur.

Sensorauswahl für die Kranautomatisierung

Automatisierte Kransteuerungen stellen deutlich höhere Anforderungen an die Sensorik als manuell bediente Anlagen. Während der Bediener auf Sicht und Erfahrung vertraut, basiert die Automatisierung vollständig auf sensorgesteuerten Entscheidungen. Nachfolgend werden die Auswahlkriterien für die vier wichtigsten Sensorkategorien erläutert.

Positionssensoren bilden das Fundament der Kranautomatisierung. Inkrementalgeber werden an der Motorwelle oder an der Trommel montiert und wandeln Impulszählungen in Wegstrecken um; sie erreichen eine Genauigkeit von 0,1 mm und eignen sich für die Verfahrpositionierung von Kranbrücke und Laufkatze. Absolutwertgeber mit Multiturn-Codierscheibe speichern die Position auch bei Spannungsausfall und bieten eine Auflösung von 0,01 mm – ideal für die präzise Hubhöhenpositionierung und den Schutz gegen Aufsetzen des Hubwerks. Laser-Entfernungsmesser mit einer Messreichweite von bis zu 30 m und einer Genauigkeit von ±1 mm werden für die Positionierung der Kranbrücke bei großen Spannweiten eingesetzt. Gray-Leiter (Gray-Code-Bus) und RFID-basierte Positionierungssysteme nutzen entlang der Kranbahn verlegte Gray-Code-Busse, die über elektromagnetische Induktion eine kontinuierliche Positionserkennung über die gesamte Fahrstrecke ermöglichen; die Genauigkeit beträgt 5 mm, geeignet für berührungslose Positionieraufgaben.

Lastsensoren überwachen die Tragfähigkeit des Krans in Echtzeit, verhindern Überlast und unterstützen die Pendeldämpfungsregelung. Bolzensensoren ersetzen direkt die Verbindungsbolzen der festen Rollenblöcke; ihr Messbereich deckt 0,5–100 t ab, die Genauigkeit beträgt 0,1 % FS, die Überlastfestigkeit 150 % FS. Wägezellen in S-Form oder Speichenbauweise werden zwischen Haken und Drahtseil montiert und eignen sich für die Lastüberwachung mittlerer und kleinerer Krane. Das Ausgangssignal der Lastsensoren (4–20 mA oder digital über RS485) wird über das Analogmodul der SPS erfasst, gefiltert und kalibriert und fließt in die Lastbegrenzung und die dynamische Wägung ein.

Lagesensoren sind die Schlüsselkomponenten für die Pendeldämpfungsregelung und die Überwachung der Lastposition. Neigungsmesser werden an der Hakenflasche oder am Lastaufnahmemittel montiert; sie erreichen eine Genauigkeit von 0,01° und erfassen die horizontale Neigung der Last in Echtzeit. In Verbindung mit dem Pendeldämpfungsalgorithmus der SPS wird die Schwingung der Last aktiv unterdrückt. MEMS-Gyroskope messen die Winkelgeschwindigkeit mit einer Driftrate von 0,1°/h und dienen zur Schätzung von Schwinggeschwindigkeit und -beschleunigung der Last. Beschleunigungssensoren mit einem Messbereich von ±2 bis 16 g überwachen Maschinenschwingungen und Schlaglasten. Kelude Schwerindustrie setzt in Automatisierungsprojekten eine Kombination aus Neigungsmesser und Gyroskop ein; die Restpendelung beträgt dabei ≤ ±50 mm bei 10 m Seillänge.

Umgebungssensoren gewährleisten den sicheren Betrieb des Krans im Freien oder in komplexen Umgebungen. Windmesser in Dreischalen- oder Ultraschallausführung decken einen Messbereich von 0–60 m/s ab; bei Windstärke 6 (10,8–13,8 m/s) reduziert das System automatisch die Geschwindigkeit, ab Windstärke 7 erfolgt eine automatische Abschaltung. Temperatursensoren mit einem Bereich von −40 bis 85 °C ermöglichen den Betrieb bei niedrigen Temperaturen in Verbindung mit einer Beheizung und Enteisung. Kollisionsschutz-Radarsensoren (24-GHz-Millimeterwellen-Radar) werden an beiden Enden der Kranbrücken-Endwagen montiert; sie erfassen Hindernisse in einer Entfernung von bis zu 20 m und schützen vor Kollisionen mit Hindernissen oder benachbarten Kranen. Vision-Kameras mit KI-Bildverarbeitung dienen der präzisen Lastpositionierung über Containern und der Hinderniserkennung; die Auflösung beträgt 1920 × 1080 Pixel bei 30 fps.

Kommunikationsnetzwerk für automatisierte Krane

Das Kommunikationsnetzwerk eines automatisierten Kransteuerungssystems muss drei Anforderungen gleichzeitig erfüllen: Echtzeitfähigkeit, Zuverlässigkeit und große Reichweite. Kelude Schwerindustrie empfiehlt eine dreistufige Netzwerkarchitektur: Fernüberwachungsebene, zentrale Steuerungsebene und Feldebene. Durch die Kombination von kabelgebundenen Industrienetzwerken und drahtlosen Kommunikationslösungen wird eine vollständige Werksabdeckung erreicht.

PROFINET-Industrie-Ethernet ist die am weitesten verbreitete Kommunikationslösung zwischen der SPS im Kransteuerschrank, den Frequenzumrichtern, dezentralen IO-Stationen und Sensoren. Die Übertragungsrate beträgt 100 Mbit/s, maximal 128 Teilnehmer, die maximale Entfernung 100 m (durch Switch-Kaskadierung erweiterbar). PROFINET unterstützt den IRT-Modus (Isochronous Real Time) mit einem minimalen Datenaktualisierungszyklus von 31,25 µs und erfüllt damit die Anforderungen an die Drehzahlregelung von Hub- und Verfahrwerken. Im selben Netzwerksegment tauschen S7-1200/S7-1500-SPS über PROFINET Echtzeitdaten mit G120/V90-Umrichtern, ET200SP-Dezentralstationen sowie Sensor-Gateways von SICK/IFM aus. Der umfassende Leitfaden zur Einhaltung von Konstruktions- und Fertigungsnormen für Brückenkrane enthält detaillierte Ausführungen zur PROFINET-Anwendung in Kransteuerungssystemen.

EtherNet/IP-Kommunikation eignet sich für Kransteuerungssysteme mit Geräten verschiedener Hersteller. Bis zu 256 Teilnehmer bei 100 Mbit/s Übertragungsrate; kompatibel mit Allen-Bradley CompactLogix/ControlLogix-SPS sowie Frequenzumrichtern, Encodern und Messgeräten von Drittanbietern. Bei großen Kranen (über 100 t) bietet EtherNet/IP mit impliziten Nachrichten (I/O-Daten) eine feste zyklische Kommunikation mit konfigurierbaren Zykluszeiten von 1–10 ms, was den Bandbreitenbedarf der Hochgeschwindigkeits-Positionierung abdeckt.

Drahtlose Kommunikationslösungen sind die anspruchsvollste Komponente der Kranautomatisierung. 5G-Privatnetz: Durch die Installation eines 5G-Industrie-CPE im Kransteuerschrank werden Ende-zu-Ende-Latenzzeiten von unter 10 ms (die Latenzzeit ist ein wichtiger Indikator) erreicht; die Uplink-Bandbreite beträgt 50 Mbit/s, die Downlink-Bandbreite 200 Mbit/s. Dies unterstützt die Fernsteuerung des Krans und die Videoübertragung. Der 5G-SA-Modus unterstützt Network Slicing, wodurch SPS-Steuerdaten, Videodaten und Wartungsdaten in getrennten Kanälen übertragen werden können. WiFi-6-Lösung: Dualband 2,4 GHz/5 GHz, theoretische Datenrate 1,2 Gbit/s, Abdeckungsradius 50 m (Innenbereich) – geeignet für die drahtlose Kommunikation in kleinen und mittleren Werkshallen. LoRa-Lösung: Für die Fernerfassung von Betriebsdaten mehrerer Krane; Kommunikationsreichweite 2–5 km (Sichtlinie), Datenrate 0,3–50 kbit/s – ideal für die Aggregation und Meldung von Betriebsdaten mehrerer Krane.

Implementierungsablauf des Steuerungssystems

Die Implementierung eines automatisierten Kransteuerungssystems folgt vier Phasen: Hardwareinstallation, Kommunikationskonfiguration, Steuerungsprogrammierung und Abnahme. Kelude Schwerindustrie hat auf Basis zahlreicher Projekterfahrungen einen standardisierten Implementierungsprozess entwickelt.

Phase 1: Hardwareinstallation. Sensorinstallation – Inkrementalgeber werden über elastische Kupplungen mit der Motorwelle verbunden; die Koaxialitätsabweichung darf 0,1 mm nicht überschreiten. Absolutwertgeber werden über Zahnräder oder Zahnriemen angetrieben, um das mechanische Spiel im zulässigen Bereich zu halten. Laser-Entfernungsmesser werden an festen Halterungen an den Endwagen der Kranbrücke montiert; der Laserstrahl ist auf den Boden oder eine Reflektorplatte am gegenüberliegenden Endwagen gerichtet. Der SPS-Steuerschrank wird auf dem Laufsteg des Krans montiert und erfüllt mindestens die Schutzart IP54. Umrichterschrank und SPS-Schrank werden getrennt aufgestellt; der Abstand beträgt mindestens 1 m, um elektromagnetische Störungen zu minimieren.

Phase 2: Kommunikationskonfiguration. PROFINET-Netzwerkkonfiguration – Die SPS wird als IO-Controller konfiguriert, Frequenzumrichter und dezentrale IO-Stationen als IO-Devices. Gerätenamen und IP-Adressen werden vergeben; die Netzwerktopologie wird über TIA Portal oder Step 7 projektiert. Drahtlose Netzwerkkonfiguration – Der 5G-CPE wird mit APN- und Network-Slicing-Parametern eingerichtet. Für WiFi 6 wird eine Dreiband-AP- und AC-Controller-Architektur eingesetzt, die ein nahtloses Roaming während der Kranbewegung ermöglicht (Umschaltzeit (Handover-Latenz) unter 50 ms). LoRa-Gateways werden hinsichtlich Empfangsfrequenz und Spreizfaktor konfiguriert, um eine Übertragungserfolgsrate von mindestens 99 % für Kran-Datenpakete sicherzustellen.

Phase 3: Steuerungsprogrammierung. Das SPS-Programm ist modular aufgebaut: Positioniersteuerungsmodul – geschlossener Regelkreis basierend auf Encoder-Impulszählung und Laser-Entfernungsmessung mit einer Positioniergenauigkeit von ±5 mm. Pendeldämpfungsmodul – Fuzzy-PID-Regelung auf Basis von Neigungsmesser- und Gyroskop-Feedback zur aktiven Schwingungsunterdrückung der Last. Lastüberwachungsmodul – Echtzeiterfassung des Lastsignals und Vergleich mit der Nennlast; bei 110 % Überlast gibt die SPS eine Warnung aus, bei 125 % Überlast wird der Hubvorgang gesperrt. Sicherheitslogikmodul – Verriegelungsschutz für Not-Aus, Endschalter, Kollisionsschutz und Windgeschwindigkeitsüberschreitung; Sicherheitsstufe SIL3.

Phase 4: Inbetriebnahme und Abnahme. Die Abnahmeprüfung erfolgt gemäß DIN EN 60204-32 und ISO 13849-1: Einzeltest ohne Last – alle Antriebe laufen in den drei Geschwindigkeitsstufen (niedrig, mittel, hoch) ruhig und gleichmäßig; Lasttest – Prüfung der Positioniergenauigkeit und Pendeldämpfung bei 50 %/75 %/100 % der Nennlast; Kommunikations-Stresstest – keine Datenverluste zwischen SPS und Frequenzumrichter bei maximaler Kommunikationslast; Fehlersicherheitstest – Simulation von Störungsszenarien wie Sensorkabelbruch oder Kommunikationsunterbrechung zur Bestätigung eines zuverlässigen Systemstillstands.

Unbemannte Steuerung: Kennwerte im Vergleich

Technische Daten im Überblick

Für Werke, die einen Umbau auf unbemannten Betrieb planen, empfiehlt sich eine Bewertung der technischen Machbarkeit auf drei Ebenen: erstens die maschinenbauliche Integration der Sensorik – ob Encoder, Laser-Entfernungsmessung und Neigungsmesser mit der vorhandenen Kranstruktur kollidieren; zweitens die drahtlose Kommunikationsumgebung in der Werkshalle – Dämpfung, Mehrwege-Reflexion und Gleichkanalstörungen von 5G- und WLAN-Signalen durch Metallstrukturen; drittens die Datenprotokolle zwischen Steuerungssystem und bestehendem MES/ERP. Kelude Schwerindustrie bietet den gesamten Prozess von der Vor-Ort-Aufnahme bis zur Systemintegration. Im Kapitel Steuerungstechnik des Sonderanlagen-Leitfadens für Ringkrananlagen wird die Funkauswahl für den Umbau auf unbemannten Betrieb ausführlich analysiert.

Häufige Fragen zum unbemannten Brückenkran