Intelligente Kransteuerung: Relais zu SPS & Frequenzumrichter
Intelligentes Umbaukonzept für Kransteuerschränke von Kelude
Für veraltete Kransteuerschränke mit Schütz-Steuerung und Drehzahlregelung über Läufervorwiderstände bietet Kelude ein integriertes Umbaukonzept: „Originalen Elektromotor, Getriebe und mechanische Struktur beibehalten, nur den Steuerschrank ersetzen.“ Die Relais-Logik wird durch eine Siemens S7-1200 SPS ersetzt, die Widerstandsdrehzahlregelung durch einen Frequenzumrichter Inovance MD500. Nach dem Umbau verfügen Hubwerk, Kranbrücke und Laufkatze über eine frequenzgesteuerte Vektor-Drehzahlregelung mit einer Positioniergenauigkeit von ±5 mm, einer Energieeinsparung von 30 % bis 40 % und einer Reduzierung der Störungsrate von 3–5 Mal/Monat auf unter 0,5 Mal/Monat. Die Bauzeit beträgt 3–5 Tage, die Amortisationszeit 12–18 Monate. Bereits 168 Brückenkrane in 41 Unternehmen wurden erfolgreich umgerüstet.
Kelude Schwerindustrie gibt die offizielle Markteinführung des intelligenten Umbaukonzepts für Kransteuerschränke bekannt. Das Konzept richtet sich an die zahlreichen inländischen Bestandsbrückenkrane mit Schütz-Steuerung und Drehzahlregelung über Läufervorwiderstände (konservativ geschätzt über 80.000 Einheiten) und bietet eine standardisierte Lösung: „Kein neuer Kran, kein neuer Motor, nur ein neuer Steuerschrank.“ Die Relais-Logik wird durch eine Siemens S7-1200 SPS ersetzt, die Läufervorwiderstands-Regelung durch Frequenzumrichter der Baureihe Inovance MD500 und die Anzeigeleuchten am Bedienstand durch ein 7-Zoll-HMI. Die folgenden Daten stammen aus der Betriebsdatenbank von 168 Umbauprojekten der Kelude Schwerindustrie (März 2022 bis Juni 2026, Projektnummern KL-CU-2022-001 bis 168) und basieren auf EN 60204-32 sowie den allgemeinen technischen Bedingungen für drehzahlverstellbare elektrische Antriebssysteme mit Niederspannungs-Wechselstrom-Frequenzumrichtern.
Typische Schwachstellen konventioneller Steuerschränke
In vielen inländischen Brückenkranen ist noch immer die in den 1980er- bis 2000er-Jahren konstruierte Schütz-Steuerung mit Drehzahlregelung über Läufervorwiderstände im Einsatz. Typische Probleme dieser Steuerschränke:
① Unstetige Drehzahlregelung – Die Widerstandsregelung ermöglicht nur eine Stufenregelung in 3 bis 6 Stufen. Der Anlaufstromstoß beträgt das 2- bis 2,5-fache des Nennstroms, was zu starkem Pendeln der Last führt.
② Häufige Störungen durch Kontaktverschleiß – Relais und Schütze haben eine durchschnittliche elektrische Lebensdauer von etwa 100.000 bis 500.000 Schaltspielen. Häufige Schaltvorgänge führen zu Kontaktoxidation und Lichtbogenverschweißung. Die durchschnittliche Störungsrate liegt bei 3 bis 5 Mal pro Monat (basierend auf Daten von 168 Kranen vor dem Umbau), wobei jede Störung 1 bis 3 Stunden Wartungszeit verursacht.
③ Erheblicher Energieverlust – Bei der Drehzahlregelung über Läufervorwiderstände werden im unteren Drehzahlbereich etwa 30 % bis 40 % der elektrischen Energie in den Vorwiderständen in Wärme umgewandelt. Die Abwärme führt zu einer Übertemperatur von 50 bis 60 °C im Elektroschrank und beschleunigt die Alterung der elektrischen Komponenten.
④ Keine Kommunikationsschnittstelle – Eine Anbindung an MES-/SCADA-Systeme und OPC-UA-Datenerfassung ist nicht möglich. Der Kran bleibt eine Informationsinsel im intelligenten Werk.
Kern des Umbaukonzepts: SPS und Frequenzumrichter
Die zentralen Austauschkomponenten des Umbaukonzepts:
① SPS ersetzt Relais-Logik – Die bisherige Relais-Steuerung wird durch eine Siemens S7-1200 CPU 1212C AC/DC/RLY (6ES7212-1BE40-0XB0, Firmware V4.6, DI×8/DO×6/AI×2 + Signalerweiterung SM1231 AI×4, 6ES7231-4HD32-0XB0) ersetzt. Die SPS-Programmierung übernimmt die Logiksteuerung, Sicherheitsverriegelung, Fehlerdiagnose und Kommunikation für Hubwerk, Kranbrücke und Laufkatze.
② Frequenzumrichter ersetzt Widerstandsregelung – Die Läufervorwiderstände und die zugehörige Schützgruppe werden durch Frequenzumrichter der Baureihe Inovance MD500 ersetzt (Hubwerk: MD500T45GB-NA 45 kW/60 HP mit geschlossenem Regelkreis und PG-Karte MD34PG01; Kranbrücke/Laufkatze: MD500T7R5GB-NA 7,5 kW/10 HP mit offenem Regelkreis, jeweils mit Bremsmodul MD34BR0450A und Bremswiderstand 3,9 Ω/5 kW). Das integrierte Bremsmodul des Umrichters übernimmt zusammen mit der vorhandenen mechanischen Bremse die Bremssteuerung.
Beibehaltene Komponenten: Originale Schleifringläufer-Asynchronmotoren (optionaler Austausch gegen Käfigläufermotoren gleicher Leistung), Getriebe, Kupplungen, Radblöcke und Bremsen (der Elektromagnet kann optional durch eine hydraulische Schubstangenbremse mit Frequenzumrichter-Ansteuerung ersetzt werden).
Vergleich der Umbaukonzepte im Überblick
Das Umbaukonzept bietet drei Ausbaustufen zur Auswahl:
Bei allen drei Versionen bleiben die gesamte mechanische Struktur wie Kranbahnschiene, Hauptträger, Kopfträger und Katzfahrwerkrahmen im Original erhalten.
Umbauwirkung: Messbare Verbesserungen im Überblick
Statistische Auswertung von 168 abgeschlossenen Umbauprojekten (Vergleich jeweils 12 Monate vor und nach dem Umbau):
Die Hubgeschwindigkeit wurde von einer 3-stufigen Schaltung (12/24/36 m/min) auf eine stufenlose Drehzahlregelung umgestellt (stufenlos einstellbar von 0 bis 40 m/min).
Typischer Fall: Modernisierung einer Gießerei-Werkstatt
In einem Maschinenbauunternehmen wurden 12 elektrische Einzelträger-Brückenkrane des Typs LD mit 16 t Tragfähigkeit (Baujahr 2006, Relais- und Widerstands-Drehzahlregelung) in der Gießerei-Werkstatt im Jahr 2025 einem standardisierten Umbau unterzogen (Projektnummer KL-CU-2025-042, Standardversion ¥72.000 pro Kran, Gesamtinvestition ¥864.000). Vor dem Umbau: durchschnittlich 4,8 Störungen pro Monat, 7,2 Stunden Stillstand pro Monat, monatliche Wartungskosten von ¥15.400. Nach dem Umbau (Daten aus 15 Monaten Betrieb): durchschnittlich 0,4 Störungen pro Monat, 0,5 Stunden Stillstand pro Monat, monatliche Wartungskosten von ¥1.800. Die jährlichen Einsparungen belaufen sich auf ¥163.000 bei den Wartungskosten und ¥87.000 bei den Stromkosten (Energieeinsparung von 35,2 %), insgesamt also ¥250.000 pro Jahr. Die statische Amortisationszeit beträgt ¥864.000 ÷ ¥250.000 ≈ 3,5 Jahre. Da bei diesem Projekt die vorhandenen Motoren und die mechanische Struktur erhalten blieben, verlängert sich die Auslegungslebensdauer der Anlagen um 8 bis 10 Jahre.
Technische Parameter im Vergleich
| Vergleichsmerkmal | Umbauvorher(Relais+WiderstandDrehzahlregelung) | Umbaunachher(SPS+Frequenzgesteuerte Drehzahlregelung) |
|---|---|---|
| Steuerungsart | RelaisSchütz+Nockenschalter | SiemensS7-1200 SPS |
| DrehzahlregelungSteuerungsart | LäuferwiderstandWiderstand3~6StufeStufenregelung | InovanceMD500Frequenzumrichterstufenlose Drehzahlregelung |
| durchschnittliche Störungen pro Monat | 3~5Anzahl | ＜0.5Anzahl |
| durchschnittliche Stillstandzeit pro Monat | 5~8Stunden | ≤0.5Stunden |
| Gesamtenergieverbrauch | Referenz100%(WiderstandEnergieverbrauch30%~40%) | Reduzierung30%~40% |
| Positioniergenauigkeit | ±30~50mm(manuelle Bedienung) | ±5mm(geschlossener Regelkreis (Vektorregelung)) |
| Hubgeschwindigkeit | 3~6StufeBefestigungGeschwindigkeit | 0~40m/minstufenlos verstellbar |
| Kommunikationsschnittstelle | keine | PROFINET / OPC UA / MQTT |
| Fehlerdiagnose | keine(Fehlersuche durch Erfahrung) | HMIAnzeige+automatischDiagnose+Verlauf |
| monatlichWartungKosten | ¥10,000~16,000/Einheit | ¥1,500~2,500/Einheit |
| Bauzeit | — | 3~5Tage |
| bereitsUmbauStückzahl | — | 168Einheit/41Unternehmen |
Weitere Informationen: Kelude Kran Predictive-Maintenance-System Upgrade – Online-Vibrationserfassung + KI-basierte Restlebensdauer-Bewertung, Auswahl und Inbetriebnahme von Kran-Frequenzumrichter-Antriebssystemen: Technischer Vergleich G120/ACS880/ATV930
Häufige Fragen zur Umrüstung
F: Muss der vorhandene Motor des Brückenkrans bei einer Schaltschrank-Umrüstung getauscht werden?
A: Bei der Basis- und Standardversion kann der vorhandene Schleifringläufermotor Original beibehalten werden. Beim Betrieb des Schleifringläufermotors am Frequenzumrichter werden die drei Wicklungsanschlüsse des Rotors kurzgeschlossen (Betrieb als Käfigläufer). Der Wirkungsgrad des umgerüsteten Schleifringläufermotors liegt geringfügig unter dem eines vergleichbaren Käfigläufers (ca. 2 %–3 % niedriger). Für die Premium-Version wird empfohlen, den Motor durch einen Käfigläufer gleicher Leistung zu ersetzen (empfohlen: YE5-Serie, IE5-Energieeffizienzklasse) – der Gesamtwirkungsgrad ist dann höher. Bei allen Versionen bleiben das vorhandene Getriebe, die Kupplungen und die Radblöcke unverändert erhalten.
F: Wie lange muss der Kran für die Umrüstung stillstehen?
A: Der Standard-Ablauf ist auf zwei Tage ausgelegt: Tag 1 (ca. 6 Stunden Stillstand) – Demontage des alten Schaltschranks, Montage des neuen Schaltschranks, Frequenzumrichter und Verdrahtung der POWER-Kabel. Tag 2 (ca. 4 Stunden Stillstand) – SPS-Programm-Download, HMI-Konfiguration, Motorparameter-Identifikation, Leerlauftest und Lastprobefahrt. Die gesamte Stillstandszeit beträgt ca. 10 Stunden. Bei Umrüstung am Wochenende oder an Feiertagen sind die Auswirkungen auf die Produktionsplanung minimal. Die durchschnittliche Umbauzeit bei 41 Unternehmen mit insgesamt 168 Kränen betrug 3,8 Tage (inkl. Inbetriebnahme und Bediener-Schulung).
F: Wie unterscheidet sich die Bedienungsart nach der Umrüstung von der bisherigen?
A: Die gewohnte Bedienung über das vorhandene Bedienpult oder die Fernsteuerung bleibt erhalten (identische Bedienlogik). Neu hinzu kommt ein HMI Touchscreen für Parametereinstellung und Störungsanzeige. Für die Bodenbedienung stehen die Fernsteuerung (Standardausführung) oder ein Bodenbedienkasten zur Wahl. Neue Sicherheitsfunktionen: Not-Aus-Taster (zweikanalig mit Redundanz), Türverriegelung (Hauptstromkreis wird beim Öffnen des Schaltschranks abgeschaltet), Fehlerselbstdiagnose mit Klartextanzeige (Fehlerursache und Behebungsvorschläge). Bediener sind nach ca. 2 Stunden Schulung einsatzbereit.
F: Hat der alte Schaltschrank einen Wiederverkaufswert?
A: Kupferschienen, Kabel, Relais und Schütze im alten Schaltschrank haben einen gewissen Materialwert. Kelude Schwerindustrie bietet einen Rücknahmeservice für Alt-Schaltschränke an (Anrechnung auf den Neupreis ca. 1.000–3.000 ¥/Stück). Die zurückgenommenen Schränke werden demontiert; verwertbare Komponenten werden als Ersatzteile weiterverkauft. Ausgemusterte Widerstandsschränke (Gusseisen-Widerstandszellen mit Edelstahlgehäuse) werden zum Schrottpreis vergütet (ca. 500–800 ¥/Stück).
