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Krananlagen und Hebebühnen: Sensoren sorgen für Standsicherheit

01  Bagger, Krane, Bohrfahrzeuge und Hebebühnen erreichen heute ein hohes Maß an Betriebssicherheit

01  Bagger, Krane, Bohrfahrzeuge und Hebebühnen erreichen heute ein hohes Maß an Betriebssicherheit

02  Teilredundante Hardware und die Software der Drehgeber sind so ausgelegt, dass mindestens der SIL2/PL-d-Status erreicht wird

02  Teilredundante Hardware und die Software der Drehgeber sind so ausgelegt, dass mindestens der SIL2/PL-d-Status erreicht wird

03  Die Software für den Drehkranzgeber ist so ausgelegt hat, dass das ­Ausgangssignal des Gebers auf die Position des Drehkranzes kalibriert ist

03  Die Software für den Drehkranzgeber ist so ausgelegt hat, dass das ­Ausgangssignal des Gebers auf die Position des Drehkranzes kalibriert ist

Führende Hersteller mobiler Arbeitsgeräte haben begonnen, ihre Maschinen verstärkt zu automatisieren. So erreichen Bagger, Krane, Bohrfahrzeuge und Hebebühnen ein hohes Maß an Betriebssicherheit, eine größere Effizienz und einen größeren Wirkungsgrad. Zusätzlich ist eine wichtige Industrienorm in Kraft getreten, die DIN EN ISO 13849-1. Diese gibt vor, wie Risiken, die von Maschinen ausgehen, zu bewerten sind.

Bei mobilen Arbeitsmaschinen ist die Standsicherheitskontrolle ein großes Thema (Bild 1). Je höher ­eine ­Anlage ist, desto wichtiger und schwieriger ist es, die Standsicherheit zu gewährleisten. Es gibt unterschiedlichste Lösungsansätze. Zum Beispiel die Messung der auftretenden Kräfte und die daraus resultierenden Schwerpunktsverlagerungen in der Abstützung der Baumaschine. ­Diese Verlagerungen und Kräfte können in Relation zu den Gegen­gewichten – wenn vorhanden – gebracht werden. Die Überwachung der Neigungswinkel von Auslegern, Hubmitteln und Unter­wagen kann als Frühindikator für eine bevorstehende Standunsicherheit genutzt werden. Der Auszugswinkel von Seilen an Hebeeinrichtungen lässt sich überwachen. Häufige Unfallursache ist das Schrägziehen von Lasten mit Krananlagen, die nicht dafür ausgelegt sind.

Sensorik-Lösungen aus einer Hand
TWK hat in den letzten Jahren eine breite Produktpa­lette von Safety-Sensoren entwickelt, die eine ganze Reihe von Messaufgaben an ­mobilen Maschinen abdeckt: Drehgeber, Neigungs­sensoren, Nockenschaltwerke und Vibra­tionssensoren. Bewährte Sicherheitskonzepte – integriert in diese Sensoren – stellen die Grundlage dar. Teilredundante Hardware und die Software sind so ausgelegt, dass mindestens der SIL2/PL-d-Status erreicht wird – vom TÜV zertifiziert (Kategorie-2-Bauform). SIL3 ist auch schon in Arbeit. Die sichere Kommunikation mit der Steuerung findet in der Regel über ein Bussystem, beispielsweise Profinet oder CAN­open, statt (Bild 2).
Eine zweite Möglichkeit, ein hohes Maß an Betriebssicherheit zu erreichen, ist die, voll-redundante Senso­ren zu verwenden, zum Beispiel Sensoren der Kategorie 3. Hier sind auch analoge Schnittstellen ­realisiert.
Mittels TWK-Neigungssensoren lassen sich nicht nur die eingangs erwähnten Neigungswinkel erfassen. Fahr­zeuge können auch komfortabel, schnell und sicher nivelliert werden. Dieses geschieht am Unterwagen. Der Fahrzeugführer ist hier nicht nur der Fahrer. Er ist auch dafür verantwortlich, dass die Maschine standsicher aufgestellt wird. Er ­alleine trägt die Verantwortung, und meist werden die Baufahrzeuge aus Personal- und Kostengründen nur mit einer Person besetzt. Somit sind ein hoher Automatisierungsgrad und die entsprechende Sicherheit verpflichtend.

Erfasssung der Oberwagenposition
In den meisten Baumaschinen mit Ketten­antrieb und drehbarem Oberwagen können sogenannte Drehkranzgeber eingesetzt werden. Sie erfassen hochauflösend über ein Zahnrad die Winkel­position von Ober- zu Unterwagen. Diese ­Position bestimmt, wie weit der Ausleger ausgefahren werden kann. Durch die Ober­wagenposition und die Messung der Last am Ausleger kann der maximale Bewegungs­bereich der Maschine automatisch berechnet werden. ­Zusätzlich kann die auf dem Unterwagen verbliebene Last, die noch abgeladen wird, genutzt werden, um den Aktionsradius zu vergrößern. Je mehr abgeladen wird, umso kleiner wird ­dieser Radius.
Die Abstützung spielt hier auch eine große Rolle, da auf den Baustellen aus Platzgründen meist nur einseitig abgestützt werden kann. Seilzug-Wegaufnehmer des Typs SWD/SWF aus dem Hause TWK liefern Informationen darüber, wie weit die Abstützung ausgefahren wurde.
Weiter ist das Einschränken von Arbeitsbereichen ­wichtig, wenn zum Beispiel ein Bagger direkt neben einer viel befahrenen Straße oder Eisenbahnstrecke arbeitet. Durch eine automatische Abschaltung werden ein unbeabsichtigtes Hineinschwenken in die Fahrstrecke und eine Kollision mit Fahrzeugen verhindert.

Stellung direkt auslesbar
Häufig werden kostengünstige Singleturn-Drehgeber mit SIL2/PL-d-Zertifizierung und CANopen-Safety-Schnitt­stelle in Schleifringkörpern im Zentrum von Drehkränzen eingesetzt. Ist diese zentrale Position bereits belegt, wird, wie ­beschrieben, ein Drehkranzgeber (Bild 3) verwendet. Das Besondere an diesem Geber ist, dass TWK die Software für diesen Geber so ausgelegt hat, dass das Ausgangssignal des Gebers auf die Position des Drehkranzes kali­briert ist. Er gibt die Position bezogen auf 360° mit einer Auflösung von beispielsweise 0,01° aus. Die Stellung des Auslegers ist also direkt auslesbar.
Durch das spielfreie Messzahnrad ZRS, das für die Ankopplung des Drehgebers an den Zahnkranz verwendet werden kann, gibt es kein Wendespiel, wenn der Drehkranz die Richtung ändert. Der Nutzen der eingesetzten Komponenten ist in diesem Fall, einmal angefahrene Positionen wieder zu finden bzw. exakt automatisch wieder anfahren zu können. Sollte es zusätzlich erforderlich sein, bestimmte Posi­tionen durch eine Schalterfunktion zu erfassen, lassen sich bestimmte Drehgeber mit zusätzlichen SIL2/PL-d-Schaltkontakten (Relais) ergänzen.

Schwingungen und Vibrationen
Falls Schwingungen und Vibrationen an der Maschine überwacht werden müssen, kommt der Sensor NVA115 zum Einsatz. Er hat einen Frequenzmessbereich von 0,1 Hz bis 60 Hz und ist weitreichend parametrierbar, um eine gute Anpassung an die Applikation zu erzielen.
Die Beispiele zeigen, dass bei der Konstruktion eines Mobil­krans die Zuhilfenahme intelligenter Sicherheits­sensorik nicht nur eine Bedienungserleichterung durch Automatisierung darstellt, sondern hauptsächlich einen hohen Level an Schutzfunktionen leistet, sodass Umwelt, Mensch und Maschine keinen Schaden erleiden. (mh)

Achim Albertini arbeitet bei der TWK-Elektronik GmbH in ­Düsseldorf in der technischen ­Beratung. a.albertini@twk.de