Beim Betrieb mehrerer Brückenkrane in derselben Kranbahn steigt das Kollisionsrisiko mit der Anzahl der Krane exponentiell an. Herkömmliche Ansätze, die auf Sichtprüfung und Erfahrung des Bedienpersonals basieren, sind ineffizient und bergen erhebliche Sicherheitsrisiken. Das intelligente koordinierte Dispositionssystem ermöglicht durch Echtzeitkommunikation zwischen den SPS, eine dreistufige Kollisionsschutz-Verriegelungsstrategie und dynamische Aufgabenzuweisungsalgorithmen den sicheren kooperativen Betrieb mehrerer Krane in derselben Kranbahn. Dieser Artikel erläutert die technische Umsetzung des koordinierten Dispositionssystems für mehrere Brückenkrane umfassend – von der Systemarchitektur über die Kollisionsschutzstrategie, die Aufgabenzuweisungsalgorithmen und die Kommunikationsvernetzungslösung bis hin zur Hardware-Konfiguration.

Kernprobleme der Koordination mehrerer Brückenkrane

Beim Betrieb mehrerer Brückenkrane auf derselben Kranbahn in der Werkshalle treten drei zentrale Probleme auf: Kollisionsrisiko – die Krane können sich sowohl in Richtung der Kranbrücke als auch entlang des Hauptträgers gegenseitig behindern; bei mehr als 3 Kranen in derselben Kranbahn steigt die Wahrscheinlichkeit von Betriebskonflikten deutlich. Dispositionseffizienz – bei gleichzeitigem Betrieb mehrerer Krane beeinflusst die Aufgabenzuweisung direkt die Gesamteffizienz; ohne algorithmische Steuerung sinkt die durchschnittliche Effizienz um 30–50 %. Kommunikationszuverlässigkeit – der Datenaustausch zwischen den SPS muss in Echtzeit und stabil erfolgen; ein Kommunikationsausfall führt direkt zu Sicherheitsrisiken.

Die Designziele des koordinierten Dispositionssystems: Der Mindestabstand zwischen zwei beliebigen Kranen darf die Sicherheitsschwelle (Standard: 1,5 m bis zum Stopp) nicht unterschreiten – Kollisionsrisiko gleich null. Die durchschnittliche Wartezeit bei der Aufgabenzuweisung darf 30 Sekunden nicht überschreiten. Die Systemverfügbarkeit muss mindestens 99,9 % betragen (bei Unterbrechung der SPS-Kommunikation erfolgt automatisch eine Degradierung in den Modus der Zonenverriegelung). Kelude hat bereits in einer Automobil-Stanzerei und einem Stahlbaufertigungsstandort mehrere 6-Kran-Koordinationssysteme installiert, die zusammen über 10.000 Stunden ohne Unfall gelaufen sind (Quelle: Kundendienst-Statistikbericht von Kelude 2025, KL-2025-AFTERSALES-012~015).

Dreistufige Kollisionsschutz-Verriegelungsstrategie

Die Kollisionsschutz-Verriegelung ist die kritischste Sicherheitsebene des koordinierten Dispositionssystems und ist dreistufig aufgebaut: Stufe 1 – Zonenverriegelung: Die Schiene wird in feste Zonen unterteilt (jede Zone ≥ Kranlänge + 2-facher Sicherheitsabstand). In jede Zone darf sich gleichzeitig nur ein Kran bewegen. Die Zonengrenzen werden durch virtuelle Software-Endschalter in der SPS definiert. Wenn ein Kran Zone A belegt, können Krane in benachbarten Zonen zwar einfahren, dürfen aber den Abstand zur Sicherheitsschwelle von Zone A nicht unterschreiten. Die Zonenverriegelung ist die grundlegende Sicherheitsmaßnahme, sie ist unabhängig von Sensoren und bietet die höchste Zuverlässigkeit.

Stufe 2 – Abstandsverriegelung: Der tatsächliche Abstand zwischen zwei benachbarten Kranen wird in Echtzeit über Laser-Entfernungssensoren (oder über die kumulierte Position mittels Encoder/Drehgeber) ermittelt. Unterschreitet der Abstand die Warngrenze (einstellbar, Standard: 5 m), wird ein Akustischer und Optischer Alarm ausgelöst. Wird die Verzögerungsschwelle (Standard: 3 m) unterschritten, wird die Geschwindigkeit automatisch auf 30 % der Nenngeschwindigkeit reduziert. Wird die Stoppschwelle (Standard: 1,5 m) unterschritten, wird die Stromversorgung des Fahrwerks sofort unterbrochen. Die Abstandsverriegelung bietet auf Basis der Zonenverriegelung einen präzisen quantitativen Schutz und vermeidet unnötige Stopps an Zonengrenzen.

Stufe 3 – Prioritätsverriegelung: Wenn ein Kollisionsrisiko unvermeidbar ist (z. B. wenn mehrere Krane gleichzeitig einen Eilauftrag erhalten), entscheidet das System basierend auf der Aufgabenpriorität: Der Kran mit der höheren Priorität (z. B. Beschickung eines Schmelzofens) erhält Vorfahrt, der Kran mit niedrigerer Priorität weicht automatisch aus oder stoppt und wartet. Die Priorität wird vom MES-System bei der Aufgabenzuweisung mitgegeben; die SPS sortiert die Aufgaben automatisch in der Warteschlange. Das dreistufige Verriegelungssystem von Kelude wurde in mehreren Projekten validiert, die Fehlalarmrate liegt unter 0,1 %.

Vergleich der SPS-Aufgabenzuweisungsalgorithmen

Wenn das MES einen Transportauftrag an das koordinierte Dispositionssystem übergibt, muss die SPS der Dispositionsanlage (oder die SPS des Hauptkrans) den Auftrag dem am besten geeigneten Brückenkran zuweisen. Die folgenden drei Algorithmen haben jeweils ihre spezifischen Einsatzbereiche; in der Praxis werden sie je nach Betriebsbedingung kombiniert eingesetzt.

Die drei Zuweisungsalgorithmen unterscheiden sich deutlich in ihrer tatsächlichen Leistungsfähigkeit bei der kooperativen Einsatzplanung von Brückenkranen. Die Bewertungskriterien umfassen die Ausgewogenheit der Auslastung (Gleichmäßigkeit der Arbeitslast über alle Krane), die durchschnittliche Wartezeit (Zeit von der Auftragserteilung bis zur Ausführung), die Reaktionsfähigkeit auf Eilaufträge sowie die Komplexität der SPS-Programmierung. Im Folgenden werden die Algorithmen systematisch anhand von sieben Kennwerten verglichen. In der Praxis kommt üblicherweise eine Kombination aus Prioritätswarteschlange und gewichteter Rotation zum Einsatz – Eilaufträge werden vorgezogen, während nicht eilige Aufträge nach gewichteten Kriterien der kürzesten Wege zugewiesen werden. Dies gewährleistet sowohl Effizienz als auch Ausgewogenheit. Das koordinierte Dispositionssystem von Kelude verwendet standardmäßig diesen hybriden Ansatz; die Gewichtungsparameter können flexibel an die Produktionsabläufe des Kunden angepasst werden.

Kommunikationsvernetzungslösung und Echtzeitanalyse

Das koordinierte Dispositionssystem stellt strenge Anforderungen an die Echtzeitfähigkeit der Kommunikation zwischen den SPS-Steuerungen: Der Datenaustausch für die Kollisionsschutz-Verriegelung darf 10 ms nicht überschreiten, die Latenz für Aufgabenzuweisungen liegt bei maximal 50 ms. Bei der industriellen Ethernet-Lösung sind Profinet IRT (Isochroner Echtzeitbetrieb) und EtherCAT die beiden bevorzugten Feldbus-Systeme.

Profinet IRT Ringredundanz-Lösung: Die SPS-Steuerungen werden über SCALANCE X Netzwerk-Switches zu einem Ringnetzwerk verbunden, das das Media Redundancy Protocol (MRP) unterstützt. Bei einer einzelnen Leitungsunterbrechung beträgt die Selbstheilungszeit des Netzwerks ≤ 200 ms. Im IRT-Modus kann der Datenzyklus auf bis zu 250 μs reduziert werden, mit einem Jitter von ≤ 1 μs. Diese Lösung eignet sich besonders für Fabriken mit Siemens-Ökosystem und ist nativ kompatibel mit S7-1200/1500.

EtherCAT-Lösung: Dank der verteilten Uhr (DC)-Technologie liegt der Synchronisations-Jitter zwischen den Slave-Stationen unter 1 μs. Der Datenzyklus kann auf bis zu 100 μs verkürzt werden. Sie unterstützt Hot-Plugging sowie Linien- und Baumtopologien und benötigt keine teuren verwalteten Switches. Ideal für Anwendungen mit höchsten Echtzeitanforderungen (z. B. Servopositionierung). Das Koordinationssystem von Kelude unterstützt beide Varianten; die Empfehlung erfolgt basierend auf der vorhandenen SPS-Marke des Kunden und den Echtzeitanforderungen.

Vorteile der kooperativen Einsatzplanung für Brückenkrane von Kelude

Kelude Schwerindustrie verfügt über umfangreiche Projekterfahrung im Bereich der kooperativen Einsatzplanung und hat bereits mehrere Systeme in Branchen wie Automobilfertigung, Stahlkonstruktionsbau und Nichteisenmetallurgie installiert. Hier sind die Servicevorteile:

Häufige Fragen zur Kran-Koordination