Steuerungen & Bedienarten – Steuerpendel, Funk, Kabine; Bedienkonzepte

Für präzise Hubbewegungen im Mikrohub-Bereich sind leistungselektronische Antriebe mit feldorientierter Regelung (FOC) oder direkter Drehmomentregelung (DTC) Stand der Technik. Moderne Frequenzumrichter ermöglichen dank hochauflösender Stromabtastung und schneller Regelzyklen ein praktisch ruckfreies Drehmoment bei sehr geringen Drehzahlen. In Verbindung mit Inkremental- oder Absolutgebern (z. B. Multiturn-Encoder, Resolver) wird eine geschlossene Lageregelung realisiert, die submillimetergenaue Positionierung und definierte Kriechfahrt erlaubt. Für die Feinsteuerung sind S-förmige Geschwindigkeitsprofile und ruckbegrenzte Trajektorien essenziell, um mechanische Schwingungen zu minimieren und die Lastpendeldämpfung zu unterstützen. Ergänzend kompensieren modellbasierte Reibungs- und Totzonenkompensationen statische Haftreibungseffekte, sodass Mikrobewegungen reproduzierbar eingeregelt werden können. Der kooperative Bremsenmanager des Umrichters koordiniert Bremse lösen/schließen mit dem Drehmomentaufbau, was gerade im Mikrohub eine wesentliche Voraussetzung für reproduzierbare Startmomente und lastschonendes Anfahren ist.

Historisch werden Hubwerke häufig über Fahrstufenschaltungen betrieben, z. B. mittels polumschaltbarer Asynchronmotoren (Dahlander) oder schützgeschalteter Widerstands- und Transformatorstufen. Vorteile sind Robustheit, einfache Instandhaltung und geringe Komplexität. Dem gegenüber steht die stufenlose Regelung per Frequenzumrichter mit durchgängiger Drehzahl- und Drehmomentvorgabe.

• Kontinuierliche Anpassung von Geschwindigkeit und Drehmoment an die Prozessanforderung (Feinpositionierung, Mikrohub).

• Reduzierte mechanische Beanspruchung durch sanfte Rampen und Ruckbegrenzung.

• Höhere Energieeffizienz, insbesondere bei Teillast und beim Bremsen mit Rückspeisung.

• Erweiterte Sicherheits- und Diagnosefunktionen (z. B. STO, SLS, Zustandsüberwachung).

• Nachteile der stufenlosen Lösung sind der höhere Investitions- und Integrationsaufwand (EMV, Netzrückwirkungen, Normenkonformität) sowie Anforderungen an Sensorik und Parametrierung. In Anwendungen mit hohem Präzisions- und Komfortbedarf überwiegen jedoch die Vorteile der Umrichterregelung; Fahrstufenschaltungen bleiben dort sinnvoll, wo Einfachheit, extreme Robustheit und geringe Lifecycle-Kosten priorisiert werden.

Soft-Start/Soft-Stop-Funktionen vermeiden Stromstöße und reduzieren dynamische Lastspitzen im Getriebe, an Seilen und Strukturen. Jerk-begrenzte Rampen (S-Kurven) minimieren Lastpendel und verbessern die Positionierbarkeit. Die Bremsensteuerung wird zeitlich mit der Drehmomentrampe synchronisiert (Vor-erregung, Bremsmomentabgleich), um Wegschnapper zu vermeiden. Beim Verzögern erzeugt der Antrieb Rekuperationsenergie.

• Brems-Chopper mit Bremswiderstand: robust, jedoch dissipativ.

• Aktiver Netzeinspeiser (Active Front End, AFE): Rückspeisung ins Netz, verbessert Leistungsfaktor und reduziert Oberschwingungen.

• Gemeinsamer Zwischenkreis: Energiesharing zwischen mehreren Achsen, z. B. Hub- und Fahrantrieben.

• Die Auswahl erfolgt nach Lastkollektiv, Netzqualität, Normen (z. B. Oberschwingungsgrenzen) und Wirtschaftlichkeit.

• Rotative Geber an Motor/Seiltrommel (Inkremental/Absolut) zur direkten Längenableitung.

• Linearsensorik (Magnetband, optische Maßstäbe) für Hubachsen mit hoher Auflösung.

• Laser-Distanzsensoren oder Time-of-Flight-Systeme für absolute Höhenreferenzen und Kollisionsräume.

• Neigungssensoren und IMUs zur Pendelerkennung und Kompensation.

• Endschalter (hart/soft) und Referenzmarken für sichere Betriebsgrenzen.

• Lastmessbolzen, Zugmessdosen oder Seilablenkungs-Monitore zur Last- und Seildehnungsbestimmung, die in die Lagenberechnung einfließt.

• Auf Aktorseite sind elektromagnetische Haltebremsen mit geregeltem Lösemoment, feinfühlige Servoantriebe und ggf. mikromechanische Ausgleichsaktuatoren (z. B. Hubfeinversteller am Lastaufnahmemittel) relevant. Die Sensorfusion in der Steuerung (Kalman-Filter, Beobachter) ermöglicht robuste Schätzung von Position, Geschwindigkeit und Pendelwinkeln und bildet die Basis für modellprädiktive Regelungen.

• Direkte Messung: PTC/NTC in Motorwicklungen, Pt100/Pt1000 an Lager und Getriebe, Öltemperatursensoren.

• Modellbasierte I²t-Überwachung: Online-Thermomodell des Motors/Getriebes zur vorausschauenden Leistungsbegrenzung (Derating) und zum Schutz vor Überhitzung.

• Die Daten fließen in eine Zustandsüberwachung (Condition Monitoring) mit Trendanalytik (z. B. Anstieg der Anfahrströme, Temperaturdrift, Vibrationen). Alarme und prädiktive Wartung lassen sich daraus ableiten; sicherheitsgerichtete Abschaltungen folgen einschlägigen Anforderungen (z. B. STO bei Übertemperatur oder Überlast). In Summe bildet das Zusammenspiel aus präziser Umrichterregelung, intelligenter Sensorik/Aktorik sowie Soft-Start/Stop und Energierückspeisung die Grundlage für hohe Präzision, Effizienz und Lebensdauer des Hubsystems.

Die Pendelneigung von Hänge- und Kranlasten ist eine der dominierenden Störgrößen für Präzision, Taktzeit und Sicherheit. Anti-Sway-Regelungen adressieren diese Dynamik entweder sensorlos über modellbasierte Anregungsformung und Beobachter oder sensorbasiert durch direkte Messung der Schwingungszustände.

Sensorlose Verfahren verwenden ein vereinfachtes (ein- oder doppelt-)Pendelmodell mit variabler Seillänge. Typisch sind Input-Shaping-Ansätze (ZV/ZVD, EI-Shaper) und jerk-begrenzte S-förmige Trajektorien, die die Eigenfrequenzen auslöschen. Ergänzend schätzen Zustandsbeobachter (z. B. Luenberger- oder Kalman-Filter) die Pendelwinkel aus Antriebsgrößen (Drehmoment, Strom, Resolver/Encoder-Geschwindigkeit) und der Fahrtrajektorie. Vorteile: geringe Stückkosten, keine zusätzlichen Sensoren, robuste Funktion in rauen Umgebungen. Grenzen liegen in Modellunsicherheiten (Lastgeometrie, Massenschwerpunkt, Seillängendrift), Windlasten und Nichtlinearitäten, die zu Restschwingungen führen können; adaptives Tuning oder modellprädiktive Regelung (MPC) mitigieren diese Effekte, erhöhen aber den Rechenaufwand.

Sensorbasierte Systeme erfassen Schwingungszustände direkt am Haken oder an der Last. Inertialsensoren (IMU) liefern Winkel- und Winkelgeschwindigkeitsdaten; Seilablenkwinkel können zudem über Seilablenksensorik, Kameras mit Marker-Tracking oder LiDAR bestimmt werden. Die direkte Messung ermöglicht eine stärkere Rückführung (closed-loop Dämpfung) und höhere Performance insbesondere bei variabler Seillänge und exogenen Störungen. Nachteile sind Integrationsaufwand, Kalibrierbedarf, potenzielle Ausfallpfade und die Härtung gegen Vibrationen. Hybridansätze kombinieren Input-Shaping mit sensorgeführter Restschwingungsregelung und adaptiver Parameteridentifikation; so wird die Inbetriebnahme beschleunigt und zugleich Robustheit gegen Modellabweichungen erreicht.

Für beide Klassen sind Sicherheitsaspekte zentral: Zustandsgrenzen (max. Pendelwinkel), Geschwindigkeitsschranken und der sichere Übergang in reduzierte Modi bei Überschreitung (Safe Limited Speed, SS1/SOS gemäß sicheren Antriebsfunktionen) stellen die funktionale Sicherheit sicher.

Lasttracking beschreibt die kontinuierliche Erfassung der Lastpose (Position, Pendelwinkel) und ihres Verlaufs entlang der Fahrtrajektorie. Neben Beobachtern werden visuelle Systeme (Hakenkamera), UWB/RTLS-Tags oder 3D-LiDAR genutzt, um die Last kinematisch an den Kran zu koppeln und automatisierte Zielanfahrt mit kollisionsvermeidender Führung zu ermöglichen. Die Kopplung an einen digitalen Zwilling erlaubt Soll-Ist-Vergleiche sowie vorausschauende Trajektorienanpassung.

Die Lastabwurfkontrolle adressiert das Erkennen und Verhindern unkontrollierter Lastfreisetzungen. Kernelemente sind zweikanalige Haltebremsen mit Zustandsüberwachung (Bremsmoment, Lüftweg, Temperatur), Drehzahl- und Überdrehzahlerfassung, Schlappseilerkennung, sowie Momenten- und Lastüberwachung über Drehmomentbeobachter oder Wägezellen. Detektiert das System eine plötzliche Lastreduktion (negativer Lastsprung, Drehzahlanstieg), erfolgt eine sichere Reaktion: energieloser Stopp (SS1), Bremsenauslösung im sicheren Kanal und, falls verfügbar, Nachsetzlogik zur Lastsicherung. Integrität und Reaktionszeiten werden gemäß der geforderten Performance (z. B. PL oder SIL) ausgelegt.

Sanftläufe reduzieren mechanische Beanspruchung und Schwingungsanregung durch ruckbegrenzte S-Kurven, harmonische Profilierung und lastadaptive Rampen. In der Feinfahrt werden Mikrobewegungen mit hochauflösender Sollwertquantisierung und drehmomentbasierter Regelung realisiert. Näherungsfunktionen („Approach“) und Zonenprofile senken die Geschwindigkeit in Zielnähe oder bei Hindernissen.

Parkmodi definieren sichere Endzustände: Haken auf definierter Höhe, Ausleger- bzw. Katzstellung in windgünstiger Orientierung, Einrasten von Sturmverriegelungen, automatische Bremstests und energieoptimiertes Abschalten per Standby-Profil. Wetterdaten (Windmonitoring) und Geofencing können den Übergang in Parkzustände auslösen.

Automatische Geschwindigkeitsmodi passen die Dynamik an Last, Umgebung und Prozess an: lastabhängige Höchstgeschwindigkeiten, zonenbasierte Reduktionen, Kollisionszonen mit sicher überwachter Geschwindigkeit (SLS), sowie Qualitätsmodi (präzise vs. schnelle Bedienung). Sicher überwachte Drehzahl/Position über sichere Encoderkanäle und eine Safety-SPS ermöglichen den normgerechten Betrieb; gleichzeitig optimiert ein Supervisionslayer Energieverbrauch und Taktzeit.

Die Zustandsüberwachung (Condition Monitoring) wandelt periodische Sichtprüfungen in datengetriebene, zustandsbasierte Instandhaltung um. Für Drahtseile kommen magnetische Seilprüfung (MFL/MRT) zur Detektion von Drahtbrüchen, Querschnittsverlusten und Korrosion, Durchmesser- und Längungsmessung sowie akustische Emissions- und Schwingungsanalytik zum Einsatz. Für Lastketten werden Verschleiß (Steigungsverlängerung), Querschnittsreduktion, Oberflächenrisse (z. B. mittels Magnetpulver- oder Wirbelstromprüfung) und Werkstoffermüdung überwacht. Sensorik am Seil/der Kette oder an Umlenkelementen erfasst zusätzlich Temperatur, Schmierzustand und Feuchtigkeit.

Die Nutzungsdatenerfassung (Lastkollektive, Lastwechsel, Hubwege, Lastspektren via Rainflow) speist Lebensdauer- und Restlebensdauerabschätzungen, die mit normativen Aussonderkriterien kombiniert werden. Algorithmen fusionieren Kurzzeitindikatoren (lokale Drahtbrüche) mit Langzeitdegradation (Korrosion, Abrieb) und generieren Handlungsempfehlungen: Inspektionsintervalle, Schmierzyklen, Austauschplanung. Digitale Wartungsakten mit eindeutiger Identifikation (z. B. RFID) sichern Nachverfolgbarkeit. Für die Einbindung in das Gesamtsystem sind Datenqualität, Kalibrierung, Cybersecurity und Fail-Safe-Strategien (sichere Abschaltung bei Grenzwertüberschreitung) entscheidend. So wird die Verfügbarkeit erhöht, die Sicherheit gesteigert und die Lebenszykluskosten werden planbar reduziert.

Tandembetrieb: Zwei eigenständige Krane bewegen eine gemeinsame Last. Typischerweise arbeiten beide Operatoren mit abgestimmter Steuerung oder ein Operator führt als „Führer“.

Synchronbetrieb: Mehrere Hubwerke werden regelungstechnisch gekoppelt, sodass Wege, Geschwindigkeiten und/oder Kräfte synchronisiert werden. Dies kann auf einem Kran (mehrere Hubwerke) oder kranübergreifend erfolgen.

• Tandem-Enable: Schlüssel- oder Softwarefreigabe mit zweistufiger Autorisierung (z. B. Schlüsselschalter + HMI-Bestätigung) und eindeutiger Anzeige „Verbundheben aktiv“.

• Auswahl Master/Slave: Eindeutige Zuweisung und gegenseitige Bestätigung (Handshake). Zustandskonsistenz wird zyklisch überwacht.

• Ready/Not-Ready-Handshake: Alle Beteiligten melden Betriebsbereitschaft (Sensorik ok, Lastaufnahmemittel verriegelt, Bremsen gelöst, Überschneidungsbereiche frei). Erst dann werden Setzwerte freigegeben.

• Kommunikationsüberwachung: Watchdogs, Sequenzzähler und Plausibilitätsprüfungen. Bei Kommunikationsverlust: Übergang in sicheren Zustand (z. B. Haltebremsen an, Safe Stop).

• Weg-/Geschwindigkeitssynchronisation: Slaves halten eine definierte relative Position/Speed zum Master (Koppeln über Weg). Vorteil: exakte geometrische Führung; Nachteil: mögliche Kraftungleichverteilung bei Geometrieabweichungen.

• Kraft-/Momentenverteilung: Lastzellen erfassen Seilkräfte; ein Lastteilungsregler trimmt Hubhöhen, um Kraftgleichheit oder vorgegebene Verhältnisse zu erreichen (Koppeln über Kraft).

• Kombinierte Regelung: Äußere Synchronisationsschleife (Weg) mit innerer Lastteilungs- oder Trimmregelung (Kraft). Deadband-Logik verhindert Jagereffekte.

Technisch sind schnelle, störausblendende Messketten (Load-Pins, Wägezellen, Seilzuggeber, Laserdistanz) und deterministische Antriebsregelung erforderlich. Für Antriebe sind Sicherheitsfunktionen wie STO, SLS, SS1 (gemäß antriebsbezogenen Normen) sinnvoll, um begrenzte, sichere Nachlaufbewegungen zu unterstützen.

• Nur freigegebene Bewegungsachsen aktiv; Einzelbefehle werden in Tandemmode unterdrückt.

• Hubverriegelung: Start nur, wenn Lastverteilung im zulässigen Fenster (z. B. ΔKraft, ΔHöhe, Schräglagenwinkel) liegt. Abbruch bei Grenzwertverletzung.

• Fahrverriegelung: Längs-/Querfahrt nur synchron; Differenzgeschwindigkeit begrenzt. Anti-Kollision zwischen Kranbrücken ist aktiv.

• Schwenk-/Drehantriebe (bei Anschlagmitteln) nur in koordinierten Geschwindigkeitsprofilen.

• Creep-Modus: Reduzierte Geschwindigkeiten und Rampen für Feinpositionierung; Not-Halt wirkt auf alle beteiligten Antriebe.

• Risikoanalyse und Betriebsanweisung: Festlegung von Lastfällen, Geometriegrenzen, Wind-/Umgebungsgrenzen, Flucht- und Sperrzonen.

• Sicherheitsfunktionen: Sicherheitsgerichtete Ausführung der Synchron-/Freigabefunktionen mit validierter Performance (typischerweise nach EN ISO 13849-1 oder IEC 62061; Ziel-Performance abhängig vom Risiko, häufig im Bereich PL d/SIL 2). Not-Halt, Betriebsartenwahl und sichere Geschwindigkeitsbegrenzung müssen alle beteiligten Antriebe umfassen.

• Sensorische Redundanz/Plausibilität: Redundante Wege-/Lastsignale oder Diversität (Kraft + Weg). Grenzwertüberwachung mit sicherer Abschaltung.

• Mechanische/organisatorische Maßnahmen: Geeignete Lasttraversen, Anschlagmittel mit Überlastsicherung, definierte Anschlagpunkte und Lastschwerpunkt. Absperrung des Gefahrenbereichs, klare Rollenverteilung im Team.

• Vorhub: Probelift von wenigen Zentimetern zur Kontrolle der Lastverteilung und Anschlagung, anschließend Freigabe des Hauptlifts.

• Geregeltem Stopp mit Haltebremsen bei Überschreitung von ΔWeg/ΔKraft.

• Degradationsmodus: Nur Kriechgeschwindigkeit, keine Einzelbewegung, nur synchrones Absenken in sichere Lage.

• Wiederankopplung: Nach Störung nur nach Ursachebehebung, Systemcheck und erneuter Freigabelogik. E-Stop darf nicht überbrückt werden; „Rettungsfahrt“ nur mit zusätzlicher Schutzmaßnahme (z. B. Lastablage).

• Kompatibilitätsprüfung: Tragfähigkeit, Hubhöhen, Fahrwege, Steuerungen und Funkkanäle der beteiligten Krane.

• Kommunikationsprotokoll im Team: Fest definierte Funkkommandos, ein Operator als „Führer“, Rückmelden jedes Kommandos (Closed-Loop-Communication).

• Training/Drills: Wiederkehrende Übungen für Verbundheben, Störfälle, Notablage.

• Dokumentation/Logging: Ereignis- und Datenerfassung (Setzwerte, Abweichungen, Eingriffe) zur Nachweisführung und kontinuierlichen Verbesserung.

Die Raum- und Zonensteuerung bildet die sicherheitskritische und funktionale Grundlage für den Betrieb autonomer mobiler Systeme in komplexen Umgebungen. Sie verknüpft semantisch annotierte Flächen (Funktionszonen) mit Schutzkonzepten (Schutzzonen) und stellt über mehrstufige Sensorik, regelbasierte Logik und funktional sichere Aktorik sicher, dass Bewegungen, Annäherungen und Interaktionen mit Personen, Anlagen und Gütern beherrscht bleiben.

• Funktionszonen: Inbetriebnahme, Transferstationen, Lade- und Dockingbereiche, Engstellen, Kreuzungen, Begegnungszonen, Pufferflächen. Diese Zonen sind in der Navigationskarte als Polygone hinterlegt und tragen Verhaltensregeln (z. B. Prioritäten, Fahrtrichtungen, zulässige Geschwindigkeiten, Haltepunkte).

• Schutzzonen: Umgebungen mit erhöhtem Risiko (z. B. manuelle Arbeitsplätze, Maschine-in-Operation, Staplerverkehr) erhalten strengere Restriktionen (reduzierte Geschwindigkeit, verpflichtende Ankündigung, Stop-and-Go, Zugang nur mit Freigabe).

• Hierarchie und Arbitrierung: Überlagerte Zonen werden über Prioritäten und Hysterese gehandhabt, um Flattern zu vermeiden (z. B. Schutzzone > Funktionszone > Standardverkehr). Übergänge werden mit räumlichen Pufferstreifen und zeitlichen Mindestverweilzeiten geglättet.

Die Zonenverwaltung erfolgt als mehrlagige Kartenrepräsentation (topologisch-geometrisch), die vom Lokalisierungsmodul (z. B. SLAM, RTLS) kontinuierlich referenziert wird. Für sicherheitsrelevante Verhaltensänderungen wird eine zweikanalige Bewertung (z. B. Navigation + unabhängige Zonenbeobachtung in Safety-PLC) empfohlen.

• Quellen der Georeferenzierung: SLAM-Karten, UWB-/RTLS-Anker, Boden-RFID/QR-Tags, reflektorbasierte Landmarken; im Außenbereich ggf. GNSS mit RTK/DGNSS.

• Durchsetzung: Der Planer löst Pfad- und Geschwindigkeitsprofile unter Berücksichtigung polygonaler Verbotsflächen; bei Lokalisierungsunsicherheit wird ein Inflationspuffer angewandt.

• Dynamische Geofences: Zeit- oder zustandsabhängige Aktivierung (z. B. Baustellenmodus, Reinigungsfenster). Änderungen erfolgen versionsgesichert, signiert und mit Audit-Trail; sicherheitskritische Modifikationen nur über freigegebene Workflows.

• Cyber-Resilienz: Schutz vor Manipulation (Signaturen, Härtung der Konfigurationsschnittstellen) und Konsistenzprüfung mit redundanten Sensorquellen.

• 2D/3D-Laserscanner (Sicherheits-LiDAR) mit umschaltbaren Schutz- und Warnfeldern, seitliche Abdeckung an Kurven.

• Stereokameras/ToF für volumetrische Erkennung, Personendistinktion, Hand-/Fußfreiheit an Dockings.

• Ultraschall und Kurzstrecken-Radar für transparente/absorbierende Materialien und Staub/Nebel.

• Taktil: Sicherheitsstoßfänger, Kanten, Not-Halt-Seile als letzte Verteidigungslinie.

• Zielgerichtete Anfahrsensorik: Marker (AprilTags/QR), retroreflektive Prismen, Linienführung, Andockkontakte, Kraft-/Momentensensorik zur Feinausrichtung.

Die Sensordaten fusioniert ein Zustandsbeobachter; sicherheitskritische Stop-/SLS-Funktionen laufen in getrennter sicherheitsgerichteter Kette (zwei Kanäle, Querschlussüberwachung).

• S = v × Tgesamt + v² / (2 × a_min) + Sicherheitszuschlag

• v: aktuelle Bahn- bzw. Annäherungsgeschwindigkeit

• Tgesamt: Summe aus Sensor-Update, Erkennungs-, Kommunikations- und Ansprechzeiten der Bremse

• a_min: garantierte Mindestverzögerung unter Worst-Case-Bedingungen

• Sicherheitszuschlag: Toleranzen (Boden, Reifen, Last, Gefälle) und Messunsicherheit

Warnfeld (Geschwindigkeit herabsetzen), Schutzfeld (SLS/Stop), Nachlaufzeitfeld (Nachlaufweg). In Interaktionszonen kommt Speed and Separation Monitoring (SSM) zum Einsatz; in Engstellen kann Safe Limited Speed (SLS) dauerhaft erzwungen werden. Feldumschaltungen sind deterministisch, jitterarm und werden mit Black-Channel-sicheren Protokollen (z. B. PROFIsafe, CIP Safety) übertragen.

• Schranken/Schleusen: Zutrittskontrolle an Übergabestationen. Der Roboter fordert Freigabe an; nach abgesicherter Verriegelung (Sicherheitszuhaltung) erhält er Fahrfreigabe. Zustände werden zweikanalig überwacht, Schlüsseltransfer- oder Tokenlogik verhindert Fehlbedienung.

• Lichtgitter/ESPE: Absicherung offener Materialschleusen mit Muting/Blanking, wenn Lasten passieren. Muting-Sensorik wird logisch mit Fahrfreigabe verknüpft; OSSD-Kanäle werden zyklisch diagnostiziert.

• Sicherheits-Laserscanner: Fahrzeugseitig für Umfeldschutz sowie stationär als Bereichswächter (z. B. Kreuzungen). Überlappende Felder vermeiden tote Winkel; Reflexionen/Spiegelungen werden durch Filter und Layout (Montagehöhe, Abschattungen) mitigiert.

Die Integration erfolgt über eine Safety-PLC, die Infrastruktur-Signale mit fahrzeugseitigen Zuständen (Position, Modus, Geschwindigkeit) verknüpft. Fail-safe Zustände (z. B. Energieabfall, Kommunikationsverlust) führen zu sicherem Halt. Testzyklen und automatische Überwachung (Selbsttests, Heartbeats) erhöhen die Diagnosedeckung (z. B. PL d/e).

• Parametrierung: Zonen als versionierte Artefakte mit semantischen Regeln; Simulation-in-the-Loop zur Vorabprüfung.

• Kalibrierung: Koordinatenabgleich zwischen Karten, Infrastruktur-Sensorik und Robotersystem; End-to-End-Messung der Nachlaufwege.

• Verifikation: Messungen der Schutzfeldgrenzen und Ansprechzeiten, Worst-Case-Bremsung mit Lasten; dokumentierte Risikobeurteilung.

• Betrieb: Monitoring, Ereignisprotokolle, automatische Anomalieerkennung (z. B. häufige Feldverletzungen). Änderungen nur nach Management of Change, inklusive Wirksamkeitskontrolle.

So entsteht eine robuste, nachvollziehbare Raum- und Zonensteuerung, die Sicherheit, Produktivität und Akzeptanz im gemischten Betrieb mit Menschen und Maschinen gewährleistet.

Mensch-Maschine-Schnittstellen (HMI) bilden die zentrale Interaktionsschicht zwischen Bedienpersonal und Anlage. Moderne Bedienpulte kombinieren robuste Hardware mit kapazitiven Multi-Touch-Displays, Not-Halt- und Quittierschaltern sowie kontextsensitiven Bedienelementen. Auslegung und Gestaltung folgen ergonomischen Richtlinien (z. B. konsistente Symbolik, reduzierte Farbcodierung, hohe Kontraste, adaptive Schriftgrößen) und Prinzipien der zustandsorientierten Visualisierung. Farb- und Alarmrichtlinien (z. B. rot für kritische Alarme, gelb für Warnungen, blau für Hinweise) reduzieren kognitive Last und Fehleranfälligkeit. Andon-Anzeigen und Großdisplays machen Schicht- und Linienzustände auf Distanz erkennbar.

• Eindeutige, stabile Codierung mit Mapping-Tabelle in HMI und Handbuch.

• Verlinkte Maßnahmen: „Was ist passiert?“, „Mögliche Ursachen“, „Schritte zur Behebung“, „Sicherheitsstatus“.

• Mehrsprachigkeit und rollenbasierte Detailtiefe (Operator, Instandhaltung, Engineering).

• Kontextbezogene Trends und Zustandsgrößen (z. B. Stromaufnahme, Temperatur) im Fehlerscreen.

Bei Displays empfiehlt sich eine Layer-Architektur: Übersichtsseite (Status, KPIs), Detailseiten (Maschinenmodule), Diagnoseseiten (Alarme, Trends, Rezepturen), Service-Seiten (I/O-Check, Firmwarestand, Netzwerktopologie). Für sicherheitsgerichtete Informationen werden Safe- und Non-Safe-Zustände klar getrennt visualisiert; Quittierungen sind zweistufig und berechtigungsgebunden.

• ringförmige, batteriegepufferte Speicher (FIFO),

• präzise Zeitstempel (PTP/CIP Sync/NTP),

• Versions- und Konfigurationshashes

realisiert, um Reproduzierbarkeit und Auditierbarkeit zu sichern. Ergänzende Ereignisprotokolle (Event Logs) erfassen auch nicht-fehlerhafte Zustände: Benutzeranmeldungen, Parameteränderungen, Rezepturwechsel, Netzwerk-Redundanzumschaltungen, Firmwareupdates. Eine semantische Kategorisierung (Alarm, Warnung, Hinweis, Audit, Security, Maintenance) erleichtert Filterung und Root-Cause-Analysen.

Diagnosedaten werden im HMI mit Drill-Downs zugänglich gemacht (z. B. von Alarm zum betroffenen Kanal, zur E/A-Diagnose, zum Wiring-Diagramm). Für die Instandhaltung sind Funktionen wie I/O-Forcing mit Protokollierung, automatisierte Selbsttests und Zustandsdiagnosen (Condition Monitoring) nützlich. Grenzwertverletzungen werden mit Hysterese und Deadband verarbeitet, um Alarmfluten zu vermeiden. Exportformate (CSV, JSON) und Schnittstellen (OPC UA, REST) erlauben die Übergabe an übergeordnete Systeme.

• Profinet/PROFIsafe: Profinet liefert Echtzeitkommunikation (RT/IRT), Gerätekonfiguration via GSDML, Topologieerkennung (LLDP) und MRP-Redundanz. Azyklische Kanäle unterstützen umfangreiche Geräte- und Kanaldiagnosen (z. B. Maintenance Required/Demanded). PROFIsafe realisiert funktionale Sicherheit nach dem Black-Channel-Prinzip und trennt sicherheitsbezogene Telegramme logisch von Standarddaten. Präzise Zeitsynchronisation (IEEE 1588/PTP) verbessert korrelierte Ereignisanalyse.

• EtherNet/IP: Basierend auf dem Common Industrial Protocol (CIP) werden zyklische (I/O) und azyklische (Message) Daten abgebildet. CIP Safety stellt die sichere Kommunikation bereit, CIP Sync ermöglicht Zeitsynchronisation. Device- und Port-Diagnostik, Quality-of-Service (QoS) und Device-Level-Ring (DLR) erhöhen Verfügbarkeit.

• Modbus (TCP/RTU): Einfache, weit verbreitete Client/Server-Kommunikation; ideal für Gateways, Energiezähler oder einfache E/A. Begrenzte Diagnosefähigkeiten und keine inhärente Sicherheit erfordern ergänzende Schutzmechanismen.

Netzwerkdesign umfasst Segmentierung (VLANs), deterministische Pfade, Priorisierung (QoS), EMV-gerechte Verkabelung sowie Redundanz (MRP, DLR, RSTP). Gerätebeschreibungen (GSDML, EDS) sichern konsistente Parametrierung; SNMP und integrierte Webserver unterstützen Zustandsdiagnosen auf Infrastrukturebene.

• gesicherte Verbindungen (VPN, TLS), Multi-Faktor-Authentifizierung, rollenbasierte Zugriffskontrolle,

• Netzwerkzonen und DMZ gemäß Defense-in-Depth,

• Protokollierung aller Remote-Aktivitäten (Audit Trail) und zeitlich begrenzte Freigaben.

• Pufferung bei Verbindungsabbruch, verlustarme Kompression,

• Abtaststrategien (ereignisgesteuert, zeitgesteuert, adaptiv) und Deadband,

• semantische Modelle (Tags, Einheiten, Gültigkeitsbereiche) für spätere Analysen.

Schnittstellen wie OPC UA (Client/Server und Pub/Sub) oder MQTT ermöglichen die Anbindung an MES/SCADA und Cloud-Dienste. Edge-Analytik (z. B. KPI-Berechnung, Anomalieerkennung) verkürzt Reaktionszeiten und reduziert Datenvolumen. Für Validierungs- oder Compliance-Anforderungen sorgen unveränderliche Logs, Signaturen und Zeitquellen mit hoher Genauigkeit für Nachvollziehbarkeit.

Durch die kohärente Gestaltung von HMI, robusten Diagnosefunktionen, standardkonformer Vernetzung und sicherer Fernwartung entsteht ein durchgängiges Ökosystem, das Verfügbarkeit erhöht, Instandhaltung unterstützt und die Basis für datengetriebene Optimierungen legt.

• 2,4 GHz: Weltweit harmonisiert, hohe Geräteverfügbarkeit (Wi‑Fi, Bluetooth, Zigbee), bis 100 mW EIRP in der EU. Vorteilhaft sind breite Bandbreiten und robuste, breit implementierte Protokolle. Nachteilig wirken sich höhere Freiraumdämpfung, stärkere Absorption an Wasser/Personen und hohe Belegung durch WLAN aus. Regulatorisch ist v. a. ETSI EN 300 328 (Adaptivität/Koexistenz) und EN 301 489 (EMV) relevant.

• 868 MHz: Bessere Gebäudedurchdringung und Reichweite bei gleicher Sendeleistung, geringere Mehrwegeempfindlichkeit; dafür teils geringere Datenraten. EIRP typ. 25 mW (14 dBm) in 868,0–868,6 MHz (meist 1 % Duty Cycle), bis 500 mW in 869,4–869,65 MHz (10 % Duty Cycle). Für kontinuierliche Übertragung sind Listen-Before-Talk (LBT) und Adaptive Frequency Agility (AFA) nach EN 300 220 erforderlich. Außerhalb Europas existieren abweichende Bänder (z. B. 915 MHz in den USA), was für global einsetzbare Produkte berücksichtigt werden muss.

Niedrige Latenz und deterministische Steuerung bevorzugen robuste, schmalbandige oder FHSS-basierte Verfahren im 868‑MHz‑Band; hohe Datenrate und weltweite Verfügbarkeit sprechen für 2,4 GHz mit adaptiven Mechanismen und sorgfältiger Koexistenzplanung.

• LBT/AFA: Vor dem Senden wird das Spektrum geprüft; bei Belegung wird ausgewichen.

• Kanal-Blacklisting und dynamische Hop-Set-Aktualisierung basierend auf RSSI/Packet-Error-Rate.

• Zeitliche Entzerrung (Zeitschlitze) zur Reduktion von Kollisionen bei vielen Knoten.

• Transmit-Power-Control (TPC), um Störungen zu minimieren und die Linkbilanz zu optimieren.

Die HF-Parameter (Hop-Dwell-Time, Hop-Anzahl, Bandbreite) sind so auszulegen, dass sowohl regulatorische Anforderungen als auch die Echtzeitanforderungen der Steuerung (z. B. ≤20 ms Latenz) erfüllt werden.

• ESD: IEC 61000-4-2 (Kontakt/ Luft, typ. ±8/±15 kV)

• HF‑Feldfestigkeit: IEC 61000-4-3 (bis 10 V/m oder höher)

• Burst/EFT und Surge: IEC 61000-4-4/-5 für Versorgungs- und Signalleitungen

• Leitungsgebundene HF: IEC 61000-4-6

Mehrstufige Filter (Pi/C‑Filter), Massekonzept mit definierter Rückführung, galvanische Trennung der Leistungsstufen, Schirmung/abgetrennte HF‑Kammer, saubere Taktführung, ausreichende Abblockung (HF‑nahe MLCCs), ESD‑Schutzdioden an externen Ports. Auf der Firmware-Seite erhöhen CRC, Retransmissions, Link-Supervision und Failsafe-Strategien die funktionale Robustheit.

• Gegenseitige Authentifizierung mittels Challenge‑Response (z. B. AES‑128/256), Nonces und Zähler zur Replayschutz.

• Session‑Schlüssel aus gerätespezifischen, vorinstallierten Root‑Keys (HKDF) oder über Out‑of‑Band‑Kanäle (NFC, QR‑Code).

• Whitelisting der Geräte-Identitäten und physische Bestätigung (Taster) für das Pairing.

• Integrität/Authentizität der Firmware (Secure Boot, signierte Updates) zur Vermeidung bösartiger Modifikationen.

• Regelmäßiger Key‑Rollover und Zeitstempelprüfung.

Historische Rolling‑Code‑Verfahren ohne starke Kryptografie gelten als unzureichend; moderne Systeme nutzen geprüfte AEAD‑Schemata (z. B. AES‑GCM) bei geringer Latenz.

• Antennentypen: PCB‑Inverted‑F (PIFA) für kompakte Geräte, Stabantenne (λ/4) für robuste Reichweite, Dipole/Externe Antennen bei Metallnähe. Die Wirksamkeit hängt stark von der Massefläche und dem Gehäuse ab.

• Diversität: Räumliche oder Polarisationsdiversität (zwei Antennen mit ~λ/2 Abstand; bei 2,4 GHz ≈ 6,25 cm, bei 868 MHz ≈ 17 cm) reduziert Fading. Antennenselektion oder ‑kombination (Maximal Ratio Combining) steigert die Linkqualität.

• Polarisationskonzept: Kreuz‑ oder zirkulare Polarisation kann Orientierungsabhängigkeiten mindern.

• Installationspraxis: Antennen hoch und frei von Metallflächen montieren, Fresnel‑Zone beachten, verlustarme Koaxleitungen (z. B. statt RG‑174 bessere Dämpfungswerte) einsetzen, Stecker/Übergänge minimieren.

• Netzplanung: Spektrummessung und Vor‑Ort‑Begehung, Kanal-/Hop‑Set‑Planung, ggf. Repeater/Access‑Points in Sichtlinien, Segmentierung großer Hallen in Funkzellen, Redundanzpfade. 868 MHz bietet oft bessere Flächendeckung; 2,4 GHz erfordert sorgfältigere Zellplanung bei dichtem WLAN.

Eine belastbare Funksteuerung kombiniert eine zum Anwendungsprofil passende Bandwahl mit adaptivem Hopping, normgerechter EMV‑Auslegung, starker Authentifizierung und einem diversitätsfähigen Antennendesign, das explizit auf die rauen Ausbreitungsbedingungen in Hallen abgestimmt ist.

Mechanische Schutzmaßnahmen bilden die letzte, physikalisch robuste Barriere im mehrstufigen Sicherheitskonzept von Hebe- und Förderanlagen. Sie wirken unabhängig von Software, sind weitgehend fehlertolerant und behalten ihre Schutzwirkung auch bei partiellen Ausfällen der Steuerung. Im Sinne der Risikominderung nach ISO 12100 ergänzen sie funktionale Sicherheit (z. B. gemäß ISO 13849/IEC 62061) durch passive Begrenzung von Bewegungs- und Energiezuständen.

• Bauarten: Elastomerpuffer (z. B. PUR), Federpuffer, Reibungs- oder hydraulische Puffer. Hydraulikpuffer bieten durch strömungsabhängigen Widerstand eine nahezu konstante Verzögerung und begrenzen Spitzkräfte.

• Auslegung: Die aufzunehmende Energie E umfasst kinetische Energie (0,5·m·v²) zuzüglich potenzieller Anteile (z. B. Hublastanteil bei abwärtsgerichteter Bewegung) sowie Sicherheitszuschläge für Toleranzen, Windlasten und Reaktionszeiten. Zulässige Verzögerungen leiten sich aus Bauteilfestigkeit, Gleislagerkräften, Lastschutz (Schwingungsanregung) und ggf. Personensicherheit ab.

• Integration: Puffer werden so positioniert, dass vor dem mechanischen Kontakt eine Geschwindigkeitsreduktion über Vorabschaltung oder sanfte Bremsung möglich ist. Befestigung und Unterkonstruktion sind auf die maximalen Stoßkräfte zu dimensionieren. Regelmäßige Inspektionen adressieren Verschleiß, Alterung (Temperatur-/UV-Einfluss bei Elastomeren) und Ölleckagen bei hydraulischen Puffern.

• Fahrbegrenzungen: Am Kranfahrwerk kommen Schienenendanschläge in Kombination mit Puffern und Endlagenschaltern zum Einsatz. Zunehmend werden mehrstufige Zonen realisiert: Vorwarnzone (Reduktion der Geschwindigkeit), Bremszone (kontrolliertes Abbremsen), Sicherheitsendlage (mechanischer Anschlag als Ultima Ratio).

• Hubbegrenzungen: Bei Hubwerken verhindern obere und untere Begrenzungen Seilaufstocken, Hakenanschlag, Kettenablage und Flaschenzugkollision. Konstruktive Maßnahmen umfassen Seiltrommel-Nutenführung, Seilabstreifer, Unterflaschenabweisbleche sowie definierte Mindestumschlingungen.

• Erweiterte Funktionen: Programmierbare Endlagen und Sperrzonen (z. B. Sperrbereiche über sensibler Infrastruktur) werden über Wegmesssysteme (Encoder, Absolutwertgeber) realisiert. Eine sichere langsame Geschwindigkeit in Endlagen reduziert Stoßlasten und Pufferbeanspruchung. Anti-Kollision zwischen Kranen basiert auf redundanten Endlagen und Abstandssensorik.

• Kennwerte: Energieaufnahmevermögen (J), maximale Gegenkraft (Fmax), wirksamer Hub (s), Temperatur- und Frequenzverhalten. Elastomere zeigen viskoelastische, temperatur- und geschwindigkeitsabhängige Kennlinien; hydraulische Dämpfer erlauben definierte, nahezu geschwindigkeitsunabhängige Verzögerung innerhalb des Auslegungsbereichs.

• Bemessung: Neben E müssen die zulässigen Grenzwerte für Struktur- und Antriebsbauteile sowie für die transportierte Last berücksichtigt werden (z. B. empfindliche Güter). Prüfungen umfassen Typ- und Abnahmeversuche mit Energiedurchsatz und Wiederholfestigkeit. Nach einem harten Anschlag ist die Wiederverwendbarkeit (insbesondere bei verformungsbasierten Absorbern) zu bewerten.

• Messprinzipien: Ermittlung des Kipp- bzw. Strukturmoments über Lastsensorik (z. B. Drucksensor an Hubzylinder, Zugmessbolzen, Seilkraftaufnehmer) in Kombination mit Geometrieerfassung (Auslegerwinkel/Radius über Potentiometer, Inklinometer, Weggeber). Die Momentbildung M ≈ F·l berücksichtigt Kalibrierkurven, Flaschenzugübersetzungen und Reibungsverluste.

• Funktion: Mehrstufige Reaktionen (Warnung, Leistungsreduzierung, Sperrung bestimmter Bewegungsrichtungen) mit Soft-Derating nahe der Grenze. Plausibilitätsprüfungen (Cross-Checks mehrerer Sensoren, Stillstandsabgleich) erhöhen die diagnostische Abdeckung. Windlasten, Schrägstellung und dynamische Faktoren (Anfahr- und Bremsvorgänge, Pendeln) werden mittels Zuschlägen berücksichtigt.

• Sicherheit: Umsetzung als sicherheitsgerichtete Funktion mit definierter Performance (z. B. PL d/e). Manipulationsschutz und nachvollziehbare Kalibrierung sind erforderlich, inklusive Protokollierung von Eingriffen.

• Bauformen: Mechanische Rollen- oder Hebelschalter mit zwangsöffnenden Kontakten, Nockenschalter an Seiltrommeln, induktive oder magnetische Näherungsschalter. Für Hubwerke wird eine Kombination aus Vorabschaltung (reduzierte Geschwindigkeit) und Notendschalter (Zwangsabschaltung) umgesetzt.

• Lasthöhenbegrenzer: Oberer Lasthöhenbegrenzer verhindert Hakenanschlag; Auslöser über Seilgewichtsschalter, Fangleine oder Zungenhebel am Unterflasche. Der untere Begrenzer schützt vor Seilentlastung/Überabwicklung (Erkennung von Seilschlappheit). Eine definierte Hysterese verhindert Prellen. Mechanische Fangeinrichtungen (Seilfang, Kettenfang) ergänzen die elektrische Abschaltung.

• Integration und Diagnose: Verdrahtung in sicherheitsgerichteten Kreisen, regelmäßige Funktionsprüfungen, Schutz gegen Fehlausrichtung und Verschmutzung. Einstellbare Nocken ermöglichen präzise Referenzierung; Verriegelungen verhindern unbefugte Verstellungen.

Abschließend entfalten mechanische Schutzmaßnahmen ihre maximale Wirksamkeit im Verbund: abgestufte Endlagenkonzepte, geeignet dimensionierte Puffer/Energieabsorber, präzise LMB-Regelung und redundant ausgeführte Endlagenschalter. Diese Kombination gewährleistet robuste, fehlertolerante Sicherheit und erhöht zugleich die Verfügbarkeit durch kontrolliertes, stoßarmes Betriebsverhalten.

Elektronische Schutzmaßnahmen folgen dem Prinzip der funktionalen Sicherheit und werden aus der Risikobeurteilung abgeleitet. Zentrale Normen sind EN ISO 13849-1/-2 (Performance Level, Kategorien, MTTFd, DCavg, CCF), IEC 62061 (SIL), EN 60204-1 (Stopp-Kategorien) sowie IEC 61800-5-2 für antriebsintegrierte Sicherheitsfunktionen. Ziel ist, durch architektonische Maßnahmen (z. B. zweikanalige Ausführung, Querschlussüberwachung, Fehlererkennung) das geforderte PLr zu erreichen. Die Realisierung erfolgt über Sicherheitsrelais oder programmierbare Sicherheitssteuerungen (SPS mit sicheren Ein-/Ausgängen) und zunehmend über sichere Feldbusse (z. B. PROFIsafe, CIP Safety, FSoE).

Der Not-Halt (EN ISO 13850 in Verbindung mit EN 60204-1) ist eine zusätzliche Schutzmaßnahme, um bei Gefahr schnell eine Gefährdung zu stoppen; der Not-Aus (häufig prozesstechnisch: energiefreies Schalten) zielt auf das Abschalten von Energiezufuhr. Für Maschinen ist der Not-Halt maßgeblich.

• Ausführung: Roter Pilztaster auf gelbem Hintergrund, rastend, Verriegelung bis zur manuellen Quittierung. Bediengeräte sind so zu platzieren, dass sie leicht erreichbar sind.

• Stopp-Kategorien (EN 60204-1): Kategorie 0 = ungeregelter Stopp durch sofortiges Energieaus; Kategorie 1 = geregelter Stopp mit anschließender Energieabschaltung; Kategorie 2 = geregelter Stopp ohne Energieaus (i. d. R. nicht sicher). In der Praxis entspricht SS1 funktional einem Stopp Kat. 1.

• Schaltung: Zweikanalige Verdrahtung bis in das Abschaltglied (z. B. Sicherheitskontaktoren) mit Rückführkreis/EDM (External Device Monitoring). Querschluss- und Erdschlussüberwachung, Testpulse und Kanaltrennung sind sicherheitstechnisch nachzuweisen.

• Rücksetzen: Der Wiederanlauf darf nur durch eine absichtlich betätigte, separat angeordnete Quittierung möglich sein (keine Selbsthaltung). Eine unerwartete Wiederanlaufsituation ist zu verhindern.

• STO (Safe Torque Off): Sichere Drehmomentfreischaltung; verhindert das Anlegen von Drehmoment am Motor.

• SS1/SS2 (Safe Stop 1/2): Sichere Bremsrampe bis Stillstand (SS1) und Halten; SS2 hält kontrolliert mit aktivem Drehmoment, oft als Vorstufe zu SOS.

• SOS (Safe Operating Stop): Sicherer Betriebsstillstand mit aktivem Drehmoment, Position wird gehalten, Überwachung verhindert Abweichen.

• SLS (Safely-Limited Speed): Sicher begrenzte Geschwindigkeit; Überdrehzahl wird erkannt und führt zu sicherem Stopp. Nützlich im Einrichtbetrieb (reduced speed).

• SLT (Safely-Limited Torque): Sicher begrenztes Drehmoment; schützt bei Klemm-/Quetschgefahren und bei kollaborativen Szenarien, indem Kräfte begrenzt werden.

• SDI/SD (Safe Direction): Sichere Richtung; Bewegung nur in freigegebener Richtung, Richtungsumkehr wird sicher erkannt und verhindert.

• SSM (Safe Speed Monitor): Signalisiert, wenn eine sichere Geschwindigkeitsgrenze unterschritten ist (z. B. Freigabe einer Schutztür).

Die Implementierung erfordert sichere Erfassung (integrierte Encoder, redundante Geber oder SinCos/EnDat mit Sicherheitsprotokoll), parametrierte Grenzwerte und eine sichere Reaktionskette. Parameteränderungen sind gegen Manipulation gesichert (Schutzstufen, CRC, Freigabeprozesse). Die Validierung umfasst Stop-Zeit-/Weg-Messungen und Funktionsprüfungen.

• Zweihandbedienung (EN ISO 13851): Typ III C für hohe Risiken; beide Taster innerhalb eines kurzen Zeitfensters (typ. ≤ 0,5 s) betätigen und gehalten, Anti-Tiedown (Überbrückungsschutz) und Kanalüberwachung. Die sichere Logik verhindert Flanken- und Kontaktklebe-Fehler. Integration via spezieller Zweihand-Relais oder Safety-SPS.

• Schutztürschalter und -verriegelungen (EN ISO 14119): Kodierte, manipulationssichere Sensoren (RFID) und Verriegelungen mit Zuhaltung (Power-to-lock/Power-to-unlock) abhängig von Nachlaufzeiten. Sichere Serie mit Diagnose (OSSD) ist möglich, aber hinsichtlich PL/Diagnoseabdeckung zu bewerten. SSM/SLS können die Türfreigabe bedingen.

• Berührungslos wirkende Schutzeinrichtungen (AOPD, EN IEC 61496): Lichtvorhänge mit OSSD-Ausgängen, Integration mit EDM, Muting/Blanking nur risikogerecht und dokumentiert. Restart-Interlock verhindert unerwarteten Wiederanlauf.

• Zustimmtaster (EN ISO 13851): Dreistufig, für Einrichtbetrieb in Kombination mit SLS/SOS; nur Mittelstellung wirkt freigebend, bis zum sicheren Stopp redundant überwacht.

• Steuerungstechnik: Sichere Ein-/Ausgangsmodule mit Testpulsen, galvanischer Trennung, geeignete Entstörung. Sichere Feldbusse (PROFIsafe, CIP Safety, FSoE) ermöglichen durchgängige Diagnostik und reduzierte Verdrahtung. Externe Abschaltglieder (Doppelkontaktoren) werden über EDM rückgemeldet.

Die Auslegung wird über PL-Berechnung (MTTFd der Kanäle, DCavg, CCF ≥ 65 Punkte) oder SIL-Nachweis geführt. Verifikation umfasst Schaltpläne, Software-Reviews (V-Modell), Sicherheitsparameter der Komponenten (Sicherheitsmanuals) und Messungen von Stoppzeiten/-wegen. Wiederkehrende Prüfungen (Proof-Tests), Ereignis- und Parameterlogging sowie Zustandsdiagnosen erhöhen die Verfügbarkeit und die nachweisbare Sicherheit. Änderungen am System unterliegen einem formalen Änderungsmanagement mit erneuter Risikobeurteilung und Aktualisierung der Validierungsdokumentation.

• Lidar/ToF: 2D- und 3D-Laserscanner bzw. Time-of-Flight-Kamera-Systeme liefern dichte Punktwolken mit hoher Winkelauflösung und ermöglichen adaptive Schutzfelder sowie die Verfolgung bewegter Objekte. Sie sind unempfindlich gegenüber Umgebungslicht, jedoch anfällig für optische Störeinflüsse (Staub, Nebel).

• Radar/FMCW: Robust gegenüber Partikeln, Regen oder Sprühnebel; geringere Auflösung, dafür zuverlässige Detektion bei schwierigen Sichtbedingungen, geeignet für Vorwarnzonen.

• Ultraschall: Kosteneffizient für Nahbereichsüberwachung, sensitiv auf Ausrichtung und Materialeigenschaften der Oberfläche; sinnvoll als ergänzender Sensor zur Lidar-Redundanz.

• Stereokamera/Structured Light: Liefert Volumeninformation und ermöglicht Körpersegmentierung; in sicherheitsgerichteten Anwendungen nur in zertifizierten Ausführungen zulässig.

Für sicherheitsrelevante Funktionen sind ausschließlich geeignete Schutzeinrichtungen mit zertifizierter Ausfallwahrscheinlichkeit (z. B. gemäß EN ISO 13849 oder IEC 62061) einzusetzen. Die funktionale Architektur berücksichtigt die Gesamtreaktionszeit (Sensor + sichere Auswertung + Aktorik) zur Ermittlung der Mindestschutzzone. Daraus resultiert der erforderliche Sicherheitsabstand, damit bei Auslösung ein sicheres Anhalten (z. B. STO, SS1) gewährleistet ist. In der Praxis werden Sensoren diversitär kombiniert: ein sicherheitsgerichteter Scanner definiert Schutzfelder, ein Radar erweitert die Erkennung in harschen Umgebungen, und kurze Ultraschall- oder Taktilelemente (Bumper) sichern den unmittelbaren Kollisionsbereich ab.

• Lichtvorhänge: Auflösung (Finger/Hand/Körper) bestimmt die minimalen Sicherheitsabstände; hohe Sicherheitskategorie und kurze Reaktionszeiten erlauben kompakte Anlagenlayouts. Funktionen wie Muting und Blanking ermöglichen Materialdurchlauf ohne Sicherheitslevel-Absenkung, sofern die Prozesslogik sicher überwacht wird.

• Sicherheits-Laserscanner: Frei definierbare Schutz- und Warnfelder mit Umschaltung in Abhängigkeit von Geschwindigkeit, Richtung oder Betriebsart. Warnfelder lösen Reduktion der Geschwindigkeit (Speed and Separation Monitoring), Schutzfelder führen zum sicheren Halt.

Für kollaborative Anwendungen werden Schutzfelder dynamisch an den Relativabstand Mensch–Maschine angepasst. Die sichere Überwachung von Geschwindigkeit und Abstand (SSM) setzt die kontinuierliche Bewertung der Trägheitsmassen, Bremsvermögen und Sensorreaktionszeit voraus. Druckempfindliche Matten und sicherheitsgerichtete 3D-Kamerasysteme können Schutzvolumina ergänzen, etwa bei komplexen Zugängen oder über Eck.

• Hierarchische Priorisierung: Personenschutz hat Vorrang vor Produkt- und Anlagenschutz; innerhalb der Anlagensegmente bestimmen Gefährdungsgrade die Vorrangordnung der Abschaltmaßnahmen.

• Zonenarbitration: Überlappende Schutzfelder werden in einer sicheren Steuerung zusammengeführt; betritt ein Objekt die Schnittmenge, wird die restriktivere Maßnahme ausgelöst (z. B. sofortiger Halt statt bloßer Geschwindigkeitsreduktion).

• Verriegelungslogiken (Interlocks): Betriebsartenwahl und Zutrittsfreigaben sind verriegelt. Ein Bereich kann erst freigegeben werden, wenn benachbarte Zonen in einem kompatiblen sicheren Zustand sind. Externe Geräteüberwachung (EDM) stellt sicher, dass Abschaltbefehle tatsächlich wirksam wurden.

• Muting-/Zutrittslogik: Zeit-, Reihenfolge- und Richtungsbedingungen verhindern Umgehung der Schutzeinrichtung durch Materialfluss.

• Coded Safety Switches und Guard Locks: Manipulationssichere, kontaktlose Sensorik mit Zuhaltung bei Nachlaufgefahren; Auswahl zwischen power-to-lock und power-to-release je nach Anforderung an Ausfallsicherheit und Notbefreiung.

• Schlüsseltransfer- und Freigabesysteme: Erzwingen von Prozessreihenfolgen (z. B. erst Energie abschalten, dann Zugang), erhöhte intrinsische Sicherheit bei Wartungsarbeiten.

• Zutrittsberechtigung: Kombination aus sicherer Betriebsartenwahl, autorisiertem Login (RFID/Schlüssel) und sicher verriegeltem Zugang. Optional wird eine Supervisor-Freigabe in die Sicherheitssteuerung integriert.

• Torüberwachung: Für großformatige Tore werden sichere Endlagen, Klemmschutz (Druckwellenleisten, Lichtgitter) und Antriebsmomentüberwachung eingesetzt; bei Personenannäherung erfolgt Geschwindigkeitsreduktion bis hin zum Stopp.

Die Wirksamkeit der Kollisionserkennung und des Personenschutzes hängt von der korrekten Auslegung der Sicherheitsfunktion ab: Bestimmung des erforderlichen Performance Levels/SIL, Berechnung der Stop-Distanz, Validierung der Sensorabdeckung und regelmäßige Prüfung der Diagnosefunktionen. Testpulse, Querschlussüberwachung und periodische Selbsttests erhöhen die diagnostische Abdeckung. Für flexible Produktionszellen sind sichere, kontextabhängig schaltbare Zonen (z. B. bei Rüstbetrieb) vorzusehen, deren Zustände in der Mensch-Maschine-Schnittstelle transparent visualisiert und protokolliert werden. So wird technische Schutzwirkung mit betrieblicher Akzeptanz und Prozesskontinuität vereinbart..

• Sicherheitsabstand vs. Detailkontrolle: Funk ermöglicht die sichere Distanzierung vom Gefahrenbereich bei gleichzeitig optimaler Sichtwahl; Pendant bietet maximalen Nahbereichseinblick, erhöht aber Expositionsrisiken. Die Kabine schützt die Bedienperson, erfordert jedoch technische Hilfsmittel (Kameras, Sensorik) gegen tote Winkel.

• Betriebskontext: Für prozessnahe, langandauernde Fahrten mit hohen Lasten oder aggressiven Umgebungen ist die Kabine ergonomisch und sicherheitstechnisch überlegen. Für wechselnde Lastaufnahmen und Kommissionieraufgaben liefert Funk die beste Kombination aus Sicht und Mobilität. Pendant ist für Inbetriebnahme, Service und seltene Fahrten sinnvoll sowie als redundanter Bedienplatz.

• Systemsicherheit: Kabelgebundene Bedienung minimiert Kommunikationsrisiken; Funk verlangt konsequente Failsafe-Strategien (Heartbeat, definierter Stop bei Link-Verlust, Pairing/Authentisierung). Kabinenlösungen verschieben Risiko in Zugangs-, Evakuierungs- und Energieversorgungskonzepte.

• Integration und Lifecycle: Höhere Integrationsaufwände (Kabine, Funk) amortisieren sich bei hohem Nutzungsgrad, komplexen Prozessen und Sicherheitsanforderungen. Pendant bleibt die robuste, kosteneffiziente Basis- und Backup-Lösung.Für Rückfragen stehe ich gerne zur Verfügung. Vielen Dank vorab.