Wenn Brückenkran und AGV/RGV im selben Arbeitsbereich operieren, ist die Sicherheitsverriegelung zwischen den Geräten die erste Verteidigungslinie gegen Kollisionen. Die Verriegelung muss fünf Gerätekombinationen abdecken: Kran-Kran, Kran-AGV, AGV-AGV, Kran-RGV und AGV-RGV. Dieser Artikel erläutert die technische Umsetzung anhand der vier Ebenen der Verriegelungsauslegung, der Datenstruktur für den Statusaustausch, der dreistufigen Sicherheitsschwellen, der Abstimmung an Koppelstationen sowie der Kommunikationsprotokoll-Zuordnung.

Kollisionsschutz-Szenarien und Verriegelungsstrategien im gemeinsamen Fahrweg

Beim Betrieb von Kran und AGV auf gemeinsamer Fahrbahn entstehen Kollisionsrisiken aus mehreren Dimensionen. Die Verriegelungspriorität der fünf Szenarien: Kran-Kran am höchsten (bei Gegenverkehr auf derselben Schiene sind die Folgen schwerwiegend), AGV-AGV am niedrigsten (niedrige Geschwindigkeit, geringe Masse). Die Leit-SPS empfängt alle 100 ms die Statusübertragung aller Geräte, berechnet für jedes Paar die dreidimensionale Distanz (X/Y/Hublast-Höhe) und führt die dreistufige Reaktion Vorwarnung/Verzögerung/Stopp aus. Bei 12 Geräten müssen 66 Paardistanzen berechnet werden; der Verriegelungscode umfasst ca. 200 Zeilen SCL und benötigt 1–2 ms Ausführungszeit.

Koppelstation-Design und Positionierungsabstimmung zwischen Kran und AGV

Die Koppelstation zwischen Kran und AGV ist der kritische Knotenpunkt der kooperativen Arbeit; die Koppelgenauigkeit beeinflusst direkt die Zuverlässigkeit und Effizienz des Materialübergangs. Konstruktionsmerkmale der Koppelstation: Die Positioniergenauigkeit des AGV im Stationsbereich muss ±10 mm betragen (Korrektur über Laser-Reflektor oder QR-Code), die Positioniergenauigkeit der Kran-Lastabsenkung ±5 mm (Fusion aus Laser- und Encoder-Positionierung). Die Kopplung zwischen Kranhaken und AGV-Ladefläche nutzt ein Führungskegel-Design – der Hakenboden hat einen 60°-Kegelwinkel, die Positionierbohrung der AGV-Ladefläche eine 45°-Fase. Die Kegelführung ermöglicht eine automatische Zentrierung bei horizontalen Abweichungen bis ±15 mm.

Zeitliche Parameter der Kopplung: Der AGV fährt in die Koppelstation ein und positioniert sich präzise (3–5 s), sendet „Kopplung bereit“, der Kran startet nach Empfang das Senken; bei 500 mm Abstand zwischen Lastboden und AGV-Ladefläche wird auf 20 % der Nenngeschwindigkeit reduziert, bei den letzten 100 mm auf 5 % der Nenngeschwindigkeit; der Endschalter wird ausgelöst, Position bestätigt, der Haken wird ausgekoppelt, der Kran hebt auf sichere Höhe (≥ AGV-Höhe + 500 mm) und sendet „Kopplung abgeschlossen“; der AGV verlässt die Station nach Sicherheitsbestätigung. Der gesamte Kopplungszyklus dauert ca. 20–30 s, davon die Kran-Senkphase ca. 12–18 s. Kelude Schwerindustrie erreichte in einem Automobilwerk eine Kopplungserfolgsrate von 99,7 % (3 Fehlversuche bei 1.000 Kopplungen, jeweils durch AGV-Positionierungs-Timeout mit Retry verursacht).

Sicherheitsschwellen und Not-Halt-Kreis

Die Sicherheitsabstände beim gemeinsamen Betrieb von Kran und AGV werden in drei Schwellenstufen festgelegt. Am Beispiel einer Strangguss-Halle in einem Stahlwerk: 12 Brückenkrane und 8 AGV arbeiten gleichzeitig; die Sicherheitsabstände werden getrennt für die fünf Szenarien Kran-Kran, Kran-AGV, AGV-AGV, Kran-RGV und AGV-RGV festgelegt. Die Echtzeit-Distanz wird vom UWB-Positionierungssystem (Genauigkeit ±10 cm, Aktualisierungsrate 10 Hz) an die SPS gemeldet, die gemäß folgender Schwellentabelle die dreistufige Reaktion auslöst:

Nachrüstung von AGV-Verriegelung an alten Brückenkranen

Für die Nachrüstung einer AGV-Verriegelung an Brückenkranen mit einer Betriebsdauer von 5 bis 15 Jahren ist ein differenziertes Umbaukonzept erforderlich, das sich am Typ der vorhandenen elektrischen Steuerung orientiert. Der Umbau gliedert sich in drei Ebenen: Sensorik (Nachrüstung von UWB-Positionierungstags und Distanzsensoren), Steuerungsebene (SPS-Aufrüstung oder -Erweiterung) und Kommunikationsebene (Ethernet-Vernetzung und Programmierung der Verriegelungslogik). Im Folgenden werden die Lösungen nach Kransteuerungstyp erläutert.

Brückenkran mit Relaissteuerung (ca. 30 % des Bestands). Diese Krane verfügen über keine SPS, sondern nur über Schütz-Relais-Steuerkreise und müssen daher komplett aufgerüstet werden. Empfohlene Lösung: Neuer Schaltschrank mit Siemens S7-1200 (CPU 1212C, SM1222 DO-Modul ×1, SM1231 AI-Modul ×1, 24V-Schaltnetzteil, Gehäuse) sowie Austausch von Meisterschalter und Fahrschalter. Verdrahtungshinweise: Die Spulen der Hub-/Fahrschütze werden über die DO-Module der S7-1200 angesteuert (galvanisch getrennt über Zwischenrelais); die vorhandenen Thermorelais-Signale werden auf DI-Kanäle geführt. Kosten ca. 16.000 EUR pro Kran (inkl. Schaltschrank, Sensoren, Montage & Inbetriebnahme), Umbauzeit 5–7 Tage (inkl. Stillstandszeit für Elektroarbeiten, Programmierung und Inbetriebnahme).

Brückenkran mit vorhandener SPS (ca. 50 %). Die meisten Krane sind bereits mit einer SPS ausgestattet (Siemens S7-200/S7-300 oder Mitsubishi FX-Serie). Die vorhandene SPS bleibt erhalten; es werden lediglich Kommunikationsmodule und die Verriegelungslogik ergänzt. Für die S7-200 wird das Ethernet-Modul CP243-1 (ca. 1.500 EUR) verwendet, für die S7-300 das CP343-1 (ca. 2.500 EUR). In das bestehende SPS-Programm wird ein AGV-Verriegelungs-Unterprogramm integriert: Die SPS empfängt über Ethernet die Positionskoordinaten und den Sicherheitszonenstatus vom AGV-Dispositionssystem, vergleicht diese mit der eigenen Position und gibt das Verriegelungssignal aus. Der Programmumfang beträgt ca. 80–120 KOP-Zeilen, inkl. Heartbeat-Überwachung (Zyklus 500 ms, 3 aufeinanderfolgende Verluste lösen eine Notabschaltung aus). Kosten ca. 3.000–5.000 EUR pro Kran (inkl. Modul, Programmierung und Inbetriebnahme), Umbauzeit 2–3 Tage.

Intelligenter Brückenkran (ca. 20 %). Krane, die ab 2019 ausgeliefert wurden, sind in der Regel standardmäßig mit einer Siemens S7-1200/S7-1500 SPS und Industrial-Ethernet-Schnittstelle ausgestattet. Hier genügt es, einen AGV-Verriegelungsbaustein (FB) in das vorhandene Programm zu integrieren. Kelude Schwerindustrie bietet einen standardisierten Verriegelungsbaustein an (kompatibel mit S7-Graph und KOP). Programmierhinweis: Im OB1 wird der Baustein FC_AGV_Interlock aufgerufen; die Eingangsparameter umfassen die Kran-ID und die UWB-Koordinaten, die Ausgangsparameter den Verriegelungsstatus (0 = Normal, 1 = Vorwarnung, 2 = Verzögerung, 3 = Stopp). Der Verriegelungsstatus wird in die vorgeschaltete Verriegelungskette des vorhandenen Sicherheitsstopp-Programms der SPS geschrieben. Kosten ca. 2.000–3.000 EUR pro Kran, Umbauzeit 1 Tag (inkl. Ferninbetriebnahme). Nach der Aufrüstung werden alle Kran-SPS über Profinet in das Werksnetz integriert; der Datenaustausch mit dem AGV-Dispositionssystem erfolgt in Zyklen ≤ 200 ms.

Verifizierung nach dem Umbau: ① Zuerst Leerlast-Verifizierung der Verriegelungslogik: Simulation der dreistufigen Reaktion (Vorwarnung, Verzögerung, Stopp) für verschiedene Kran-AGV-Abstände, jeweils mindestens 10 Tests pro Stufe; ② anschließend Last-Verifizierung: Wiederholung unter realen Lastbedingungen, Bestätigung des Bremswegs; ③ Dauertest: 24 h Dauerbetrieb ohne Fehlalarm. Alle Testergebnisse werden im Übergabeprotokoll dokumentiert. Kelude Schwerindustrie bietet einen Komplettservice aus Vor-Ort-Besichtigung, Konzeptplanung, Montage und Wartung.

Kommunikationsprotokoll und Datenzuordnung zwischen Kran und AGV

Der Datenaustausch zwischen der Kran-SPS und dem AGV-Dispositionssystem erfolgt über die Standard-Industrieprotokolle Profinet RT oder Modbus TCP. Der Kran sendet alle 100 ms ein Datenpaket (16 Byte) an das AGV-Dispositionssystem: Kran-ID (2B), Position der Kranbrücke (mm, 4B), Hubhöhe der Last (mm, 4B), Betriebsstatus (1B, 0 = frei, 1 = Transport, 2 = Bereitschaft, 3 = Störung), Kennzeichen für Übergabeposition (1B, 0 = nein, 1 = ja), reserviert (4B). Das AGV-Dispositionssystem sendet alle 100 ms ein Broadcast-Paket an den Kran (20 Byte: 4 AGVs × 5 Byte/AGV): AGV-ID (1B), Position X (2B), Position Y (2B), Geschwindigkeit (1B), Richtungswinkel (1B), Übergabestatus mit Kran (1B, 0 = irrelevant, 1 = bereit, 2 = Übergabe aktiv, 3 = abgeschlossen), reserviert (2B).

Die Datenzuordnung wird in TIA Portal konfiguriert: Auf der Kran-SPS wird ein globaler Datenbaustein DB_AGV_Interface (Länge 200 Byte) angelegt, der alle vom AGV-Dispositionssystem geschriebenen Daten abbildet. Das AGV-Dispositionssystem (Leitrechner oder SPS) schreibt über Profinet IO oder Modbus TCP Client in die entsprechenden Adressen des DB_AGV_Interface. Nach der Konfiguration wird die Kommunikationsverbindung mit der Siemens-Software PRONETA verifiziert: Datenaktualisierungszyklus ≤ 100 ms, Paketverlustrate ≤ 0,01 %. Kelude Schwerindustrie stellt eine Standard-Kommunikationskonfiguration bereit, inkl. AGV-Interface-DB für die Kran-SPS (jeweils ein Satz für S7-1200/1500) und der Datenzuordnungskonfiguration für das AGV-Dispositionssystem.

Häufige Fragen zur AGV-Kran-Verriegelung