Das Sicherheitsüberwachungssystem des Brückenkrans ist die letzte Verteidigungslinie für die Sicherheit von Anlage und Personal. Die Normen GB/T 28264-2017 und TSG Q7014-2016 definieren die neun Pflichtüberwachungsfunktionen sowie die Systemarchitektur-Anforderungen. Dieser Beitrag erläutert die technische Umsetzung des Systems umfassend: vom SIL3-Zweikanal-Sicherheits-SPS-Design über die Realisierung der neun Überwachungsfunktionen, die Hardwareauswahl und Datensicherheitskonzeption des Schwarzkastens, die Funktionsmerkmale der Fernaufsichtsplattform bis hin zu Systemkennwerten und Zertifizierungsanforderungen.

SIL3-Zweikanal-Sicherheits-SPS: Architektur und Redundanz

Das Herzstück des Sicherheitsüberwachungssystems ist die Sicherheits-SPS. Kelude setzt auf eine Zweikanal-Redundanzarchitektur mit Siemens S7-1500F (Kanal A) und S7-1200F (Kanal B): Kanal A übernimmt sieben der neun Pflichtfunktionen (Tragfähigkeit / Hubhöhe / Fahrweg / Türbegrenzung / Not-Halt / Übergeschwindigkeitsschutz / Verriegelungsschutz), Kanal B verarbeitet die verbleibenden zwei Funktionen (Differenzialgeschwindigkeitsschutz / Wind- und Rutschsicherung) und dient gleichzeitig als Backup für Kanal A – erkennt die Selbstdiagnose von Kanal A einen Fehler, übernimmt Kanal B automatisch alle sieben Funktionen. Beide Kanäle verfügen über separate CPUs, separate EA-Module und separate Stromversorgungen; der Austausch des Diagnosestatus erfolgt ausschließlich über Profisafe-Kommunikation.

Der Kreuzdiagnosezyklus der beiden Kanäle beträgt ≤10 ms – in jedem Zyklus senden sich die Kanäle gegenseitig Sicherheitstelegramme (F-Kommunikation via Profisafe) und bestätigen damit die Integrität von CPU, EA-Modulen, Stromversorgung und Kommunikationsverbindung. Bleibt ein Telegramm innerhalb eines Zyklus aus, wird ein Kanalfehler angenommen und ein sicherer Stopp ausgelöst. Der PFHd-Wert (Probability of Dangerous Failure per Hour) der Zweikanalarchitektur beträgt ≤10⁻⁸ und erfüllt damit die Anforderungen der Sicherheitsstufe SIL3 (IEC 61508-2010, Teil 2, Tabelle 2 / EN 62061-2021, Tabelle 6). Das Sicherheitssteuerungssystem von Kelude Schwerindustrie ist vom TÜV Süd mit dem SIL3-Funktionssicherheitszertifikat ausgezeichnet (Zertifikatsnummer: Z10 23 04 03847 001). Gegenüber einer Einkanal-SPS (SIL2, PFHd ≤10⁻⁷) wird die Wahrscheinlichkeit eines gefährlichen Ausfalls um 90 % reduziert.

Technische Anforderungen der Sicherheitsstufe SIL3: Gemäß IEC 61508/EN 62061 erfordert SIL3 einen PFHd-Wert ≤10⁻⁸, d. h. die Wahrscheinlichkeit eines gefährlichen Ausfalls der Sicherheitsfunktion liegt unter 10⁻⁸ pro Stunde. Eine Einkanal-SPS erreicht typischerweise nur PFHd-Werte von 10⁻⁷ bis 10⁻⁶ und erfüllt SIL3 nicht. Bei der Zweikanal-Redundanzarchitektur ist die Wahrscheinlichkeit eines gleichzeitigen Ausfalls beider Kanäle das Quadrat des Einzelkanalwerts (PFHd ≈ 10⁻¹²), wird jedoch durch Common-Cause-Fehler (CCF) auf einen tatsächlichen PFHd von ca. 10⁻⁸ begrenzt. Gemäß der CCF-Bewertungstabelle in IEC 61508-6-2010, Anhang D (max. 100 Punkte, Bestehen ab 65 Punkten), umfassen die CCF-Gegenmaßnahmen: Verwendung unterschiedlicher CPU-Chargen für beide Kanäle, getrennte Stromversorgungskreise, Mindestabstand von ≥50 mm bei der Verlegung der EA-Modul-Verdrahtung sowie Schutzlackbeschichtung der Leiterplatten gegen Feuchtigkeit und Staub.

Auswahlkriterien für die Sicherheits-SPS in der Praxis: Kelude hat sich aus folgenden Gründen für die Siemens-F-Serie (S7-1200F/1500F) entschieden: ① Das Profisafe-Sicherheitsprotokoll integriert sich nahtlos in Profinet – kein separater Sicherheitsbus erforderlich; ② TIA Portal bietet eine einheitliche Programmierumgebung für Standard- und Sicherheits-SPS und erhöht die Inbetriebnahmeeffizienz; ③ Die F-EA-Module unterstützen 1oo1- und 1oo2-Mischkonfigurationen und optimieren Kosten und Sicherheit; ④ Mit einem Marktanteil von über 80 % in China ist die Ersatzteilbeschaffung unkompliziert. Das Profisafe-Schwarzkanal-Prinzip: Die Sicherheits-SPS verlässt sich nicht auf die Sicherheit des zugrunde liegenden Profinet-Protokolls – jedes F-Telegramm enthält eine 24-Bit-CRC, einen 32-Bit-Zeitstempel und eine 8-Bit-Sequenznummer, sodass Datenmanipulationen selbst bei kompromittiertem Netzwerk erkannt werden.

Aufschlüsselung der Sicherheitsreaktionszeit gemäß GB/T 28264-2017, Abschnitt 5.1.3 und TSG Q7014-2016, Abschnitt 4.2: Der vollständige Zyklus Sensor → Sicherheits-SPS → Aktuator beträgt ≤100 ms. Messwerte der Einzelkomponenten: Sicherheitssensor ≤10 ms bzw. ≤50 ms (Analogwerte), Scanzyklus der Sicherheits-SPS ≤10 ms, Profisafe-Verzögerung ≤5 ms (im IRT-Modus 1 ms), Sicherheitsrelais ≤20 ms (SICK UE43), Schütz/Bremse ≤30 ms. Bei einer Krandrehzahl von 1 m/s entspricht die Reaktionszeit von 100 ms einem Nachlaufweg von ≤100 mm – deutlich unter der geforderten Sicherheitsdistanz von 1,5 m.

Neun Pflichtüberwachungsfunktionen: Sensoren, Schwellwerte und Umsetzung

Die Norm GB/T 28264-2017 definiert für die neun Pflichtüberwachungsfunktionen die Sensorauswahl, Aktionsschwellwerte und Inbetriebnahmeverfahren. Jede Funktion basiert auf der Dreistufenarchitektur „Sensor + Zweikanal-Sicherheits-SPS + Aktuator“: Der Sensor erfasst das physikalische Signal, die Zweikanal-Sicherheits-SPS verifiziert die Plausibilität durch Kreuzdiagnose, und der Aktuator führt die Sicherheitsaktion aus. Die folgende Übersichtstabelle enthält für jede Funktion die Sensorauswahl, das Aktuator-Element, die Sicherheits-Schwellwerte und die wesentlichen Inbetriebnahmepunkte – die technische Grundlage für die Inspektion nach TSG Q7014-2016.

Hardware-Auswahl und technische Spezifikationen des Datenschreibers

Der Datenschreiber des Brückenkrans ist eine gemäß Abschnitt 5.4 der Norm GB/T 28264-2017 geforderte Einrichtung, deren Funktionsweise dem Flugschreiber ähnelt – sie zeichnet zyklisch Betriebsdaten und Sicherheitsereignisse des Brückenkrans auf, wobei die Daten manipulationssicher sind. Der Datenschreiber von Kelude basiert auf einem industriellen ARM-Cortex-M4-Prozessor (STM32F407, 168-MHz-Taktfrequenz). Die Datenspeicherung erfolgt auf einer industriellen SD-Karte (SLC-NAND, Schreib-/Löschzyklen ≥ 100.000), die einen Ausfallschutz unterstützt (Superkondensator hält die Stromversorgung ≥ 30 Sekunden aufrecht, um den letzten Datenschreibvorgang abzuschließen). Die Speicherkapazität beträgt 64 GB und ermöglicht die kontinuierliche Aufzeichnung von vollständigen Betriebsdaten über mehr als 30 Tage (einschließlich Tragfähigkeit/Hubhöhe/Fahrwegposition/Fahrgeschwindigkeit/Ströme der einzelnen Motoren/Betriebszustand der einzelnen Antriebe/Zustand der Sicherheitseinrichtungen usw. – insgesamt 128 Datenpunkte, aufgezeichnet einmal pro Sekunde).

Ereignisgesteuerter Speichermechanismus: Wenn eine der neun Sicherheitsüberwachungsfunktionen ausgelöst wird (Überlast 110 %/Höhenbegrenzung/Fahrwegbegrenzer usw.), speichert der Datenschreiber automatisch Hochgeschwindigkeitsdaten von 30 Sekunden vor bis 30 Sekunden nach dem Auslöseereignis (Aufzeichnungsrate wird auf 100 Hz erhöht). Es können bis zu 100 unabhängige Ereignisaufzeichnungen gespeichert werden, wobei jede Aufzeichnung vollständige Kontextdaten enthält. Datenexportmöglichkeiten: ① Direkter USB-Export (erfordert Administrator-UKey-Verifizierung); ② Netzwerkexport über die Fernplattform (erfordert gegenseitige TLS-Authentifizierung + Administratorkonto); ③ Physischer SD-Karten-Export (erfordert Entfernen des Siegels + spezielles Kartenlesegerät). Das Datenformat ist eine verschlüsselte Binärdatei (.kdr-Format), die nur mit der speziellen Analysesoftware von Kelude gelesen werden kann. Exportierte Berichte werden automatisch in PDF- und CSV-Format konvertiert.

Referenznormen für das Datenbanksicherheitsdesign: GB/T 22239-2019 „Informationstechnik – Mehrstufiger Schutz der Cybersicherheit – Grundanforderungen“ (Stufe 3), GB/T 25069-2022 „Informationstechnik – Terminologie“, GB/T 32918.4-2016 „SM2-Algorithmus für Public-Key-Kryptographie mit elliptischen Kurven“. Die Datensignatur des Datenschreibers verwendet den nationalen SM2-Kryptoalgorithmus (Schlüssellänge 256 Bit). Erst nach erfolgreicher SM2-Signaturverifizierung können die Daten als rechtliches Beweismittel verwendet werden.

Funktionsarchitektur und Kommunikationsvergleich der Fernaufsichtsplattform

Die Fernaufsichtsplattform ist das Datenaggregations- und Verwaltungszentrum des Sicherheitsüberwachungssystems des Brückenkrans. Sie überträgt Daten der Sicherheits-SPS und des Datenschreibers über MQTT- oder OPC-UA-Protokolle an einen Cloud-Server oder einen lokalen Server. Zu den Kernfunktionen der Plattform gehören: Echtzeit-Überwachungs-Dashboard (Anzeige von Kranposition/Betriebszustand/Alarmmeldungen/Zustand der Sicherheitseinrichtungen über Instrumententafel und 3D-Karte), Alarmmeldung (bei Auslösung einer der neun Überwachungsfunktionen wie Überlast/Begrenzung/Übergeschwindigkeit usw. erfolgt eine dreistufige Benachrichtigung per SMS/APP/E-Mail, Reaktionszeit ≤ 30 Sekunden), Datenanalyse-Berichte (tägliche/wöchentliche/monatliche Betriebsberichte mit Analyse-Diagrammen, automatisch an die Administrator-E-Mail gesendet), Videoverknüpfung (bei Sicherheitsalarm automatische Zuordnung des KI-Kamerabilds des entsprechenden Brückenkrans, Wiedergabe der Aufzeichnung von 30 Sekunden vor bis 30 Sekunden nach dem Alarm).

Die Wahl der Fernkommunikationslösung hat direkten Einfluss auf die Datenaktualität und -sicherheit. Im Folgenden werden vier Fernkommunikationslösungen technisch verglichen:

Referenzprojekt: Sicherheitsüberwachungssysteme für Brückenkrane bei Kelude

Ein Stahlwerk beauftragte Kelude Schwerindustrie mit der Nachrüstung von 16 Brückenkranen in der Stranggusshalle mit Sicherheitsüberwachungssystemen – ein Vorzeigeprojekt für die Serienintegration unserer Überwachungstechnik. Die Erstbegehung im Juni 2025 ergab: 6 Krane waren mit einer S7-300-SPS ausgestattet und mussten auf S7-1200F aufgerüstet werden, die übrigen 10 Krane mit S7-1200 konnten direkt um F-Erweiterungsmodule ergänzt werden. Der Umbauplan: 6× SPS-Tausch, komplette Sensorik an allen Kranen, Schaltschrankmodernisierung, Datenschreiber (Blackbox) und Anbindung an die Fernplattform. Die Kosten pro Kran lagen bei ca. 35.000 CNY, insgesamt rund 560.000 CNY für alle 16 Einheiten. Insgesamt wurden 128 Sensoren installiert (16 Traglastbegrenzer, 16 Höhenbegrenzungen, 32 Fahrwegbegrenzer-Paare, 32 Türbegrenzungsschalter, 16 Drehgeber für Überdrehzahl, 8 Windmesser, 32 Not-Aus-Taster), die Gesamtkabellänge beträgt ca. 4.800 Meter.

Die sicherheitsgerichtete SPS-Programmierung umfasste rund 280.000 Zeilen FBD-Logik, die Profisafe-Kommunikation wurde für 48 F-Geräte konfiguriert. Die Inbetriebnahme vor Ort dauerte 12 Tage; dabei wurden 117 sicherheitsrelevante Funktionen einzeln geprüft, mit einer Erstabnahme-Quote von 94 %. Die 6 beanstandeten Punkte (3 lose Klemmen, 2 Sensoren mit Kalibrierabweichung, 1 Profisafe-Timeout) wurden innerhalb von 3 Tagen behoben und erfolgreich nachgeprüft. Die Prüfstelle für Spezialausrüstung der Provinz Henan (Prüfbericht Nr. 2025-SP-0384~0399) führte eine 3-tägige Inspektion vor Ort durch: statische Last, dynamische Last und Bremsung bestanden, alle 27 stichprobenartig geprüften Sicherheitsfunktionen waren in Ordnung, und die Daten der Blackbox stimmten exakt mit den SPS-Aufzeichnungen überein. Datenquelle: Betriebsstatistik der Stahlwerks-Abteilung Anlagentechnik von Juli 2025 bis Juni 2026 (Bericht Nr. KL-2025-SAFETY-001~012). Nach der Inbetriebnahme sanken die ungeplanten Stillstandszeiten um 75 %, die jährlichen Schäden durch Anlagenausfälle reduzierten sich von 800.000 CNY auf 200.000 CNY – die Amortisationszeit für das Sicherheitsüberwachungssystem beträgt rund 11 Monate.

Sicherheitsmanagement während der Bauphase: Die gesamte Umbauzeit betrug 42 Tage (ohne 7 Tage Wartezeit auf die TSG-Prüfung). 12 Monteure arbeiteten durchgehend nach der „Sicherheitsvorschrift für den Umbau von Hebezeugen“. Bei Arbeiten in der Höhe (Sensorinstallation an Haupt- und Kopfträger) kam ein dreistufiges Schutzkonzept aus Sicherheitsgurt, Sicherheitsseil und Schutznetz zum Einsatz; elektrische Arbeiten erfolgten nach dem Vier-Schritte-Verfahren: Freischalten, Spannungsfreiheit prüfen, Kennzeichnen und Erden. Während der gesamten Bauzeit gab es keinen einzigen Unfall. Die anschließende Zufriedenheitsumfrage unter den Bedienern des Kunden ergab eine Bewertung von 9,2 von 10. Kelude Schwerindustrie bietet einen Full-Lifecycle-Service für das Sicherheitsüberwachungssystem: vierteljährliche Ferninspektion, jährliche Vor-Ort-Prüfung, Erinnerung an den Sensortausch 3 Monate vor Ablauf der Lebensdauer sowie kostenlose Software-Upgrades auf Lebenszeit.

Häufig gestellte Fragen zum Sicherheitsüberwachungssystem