Immer größere Baumaschinen – Sensoren machen es möglich

Laut Guinnessbuch der Rekorde erreicht die größte Betonpumpe der Welt eine Höhe von 101 Metern. Die Betonpumpen, die beim Bau des weltweit höchsten Gebäudes, dem 828 Meter hohen Burj Khalifa in Dubai, eingesetzt wurden, hatten eine Förderhöhe von unglaublichen 606 Metern. Weltrekord! Diese Superlative sind nur mit einem ausgeklügelten Sensorkonzept möglich, das sowohl zuverlässige Stabilitätskontrollsysteme für die Standsicherheit als auch eine präzise Überwachung aller Bewegungen umfasst. Die Sensoren für die Mobilhydraulik von Gefran beispielsweise sind für solche Anwendungen konzipiert.

Nicht nur Betonpumpen, auch Mobilkräne und Hubarbeitsbühnen gehen bei der Frage der Standstabilität auf Nummer Sicher. Zum Teil sind dabei strenge Sicherheitsvorschriften zu erfüllen, wie beispielsweise die ASME B30.5 in den USA oder hierzulande die Anforderungen der EU-Maschinenrichtlinie 2006/42/EG und der harmonisierten technischen Norm DIN EN 12999:2011. Letztere konkretisiert die einschlägigen Anforderungen aus Anhang I der Maschinenrichtlinie. Sie fordert insbesondere die Integration einer Fahrzeugstabilitätskontrolle in die Sicherheitseinrichtungen des Fahrzeugs.

Solche Systeme umfassen meist zusätzlich zur Kontrolle der Fahrzeugneigung auch die Überwachung der Lastverteilung auf die Fahrzeugstützen und die gezielte Positionierung der ausfahrbaren Stabilisatoren. Bei der Auswahl der Komponenten spielen neben der erzielbaren Genauigkeit speziell Robustheit und langjährige Betriebssicherheit eine Rolle. Die Aufgabe des Stabilitätskontrollsystems einer Betonpumpe ist, den Betrieb automatisch einzuschränken, zu verzögern oder gar ganz zu stoppen, sollten die Kriterien für die Stabilität des Systems nicht vollständig erfüllt sein.

Ursachen für eine mangelnde Stabilität können beispielsweise eine zu geringe seitliche Abstützung bei kritischer Positionierung des Pumpenarms oder eine zu hohe Seitenneigung des Fahrzeugs sein. Dabei müssen die Sicherheitseinrichtungen auch nach jahrelangem Betrieb im Freien und unter widrigen Bedingungen mit Staub, Feuchtigkeit sowie außerplanmäßigen Krafteinwirkungen absolut störungsfrei funktionieren, um Sach- oder Personenschäden zu auszuschließen.

Um die Sicherheitsanforderungen zu gewährleisten, werden unterschiedliche Sensoren im Zusammenspiel mit den hydraulischen Komponenten eingesetzt. Im Falle von Betonpumpen basiert das Stabilitätskontrollsystem auf drei Hauptsensortypen. Ein Seilzugsensor, wie zum Beispiel der GSF, detektiert die Position der seitlichen Fahrzeugstützen und bestimmt, wie weit diese ausgefahren sind.

Doppel-Achsen-Neigungssensoren wie der GIT ermitteln den Neigungswinkel des Fahrzeuges oder seines Untergrundes. Damit gestatten sie die Beurteilung, ob das Fahrzeug möglicherweise so schief steht, dass Kippgefahr besteht. Weitere einachsige Neigungssensoren überwachen die Position des Pumpenarms. In den Stützzylindern ermitteln Drucksensoren – beispielsweise aus der KH-Baureihe – die Lastverteilung auf die Stützfüße. Die genannten Sensoren sind mit einer Canopen-Schnittstelle ausgestattet, die direkt an das Motorsteuergerät (ECU) angeschlossen ist. Damit lässt sich jeder Arbeitsgang überwachen.

Die Daten der Seilzug-, Neigungs- und Drucksensoren geben Auskunft über die Situation der Betonpumpe und lassen erkennen, ob alle nötigen Eigenschaften zur Sicherstellung der Maschinen- und Bedienersicherheit erfüllt sind. Ist dies der Fall, kann mit der Maschine gearbeitet werden.

Die Informationen über das System, also Position der seitlichen Stützen und des Pumpenarms, Lastverteilung und Kippwinkel der Fahrzeugbasis, sowie die Erfüllung aller nötigen Sicherheitsparameter entscheiden darüber, ob der Betrieb als einwandfrei gelten kann oder ob er automatisch verlangsamt wird oder gar bestimmte Funktionen abgeschaltet werden. Diese Einschränkungen werden aufrechterhalten, bis Abhilfe geschaffen wurde.

Seilzugsensoren messen, wie weit ein Teleskoparm ausgefahren ist. Ein Beispiel ist hier der potenziometrische Seilzugaufnehmer GSF. Er ist je nach Anwendung für Messbereiche von 1.800 bis 8.300 Millimeter erhältlich. Seilzugaufnehmer finden außerdem an den ausfahrbaren Fahrzeugstützen Verwendung. Hier erfassen sie an jeder Stütze, in welchen Abstand vom Fahrzeug diese bereits ausgefahren ist.

Der speziell für die Mobilhydraulik konzipierte Sensor GSF zeichnet sich durch IP-Schutzart 67 sowie durch Schock- und Vibrationsfestigkeit und besonders gute elektromagnetische Verträglichkeit aus. Er wurde als robuste Lösung für den Einsatz in Mobilkranen und anderen Hebezeugen konzipiert. Das Zugseil aus Edelstahl AISI316 mit einem Durchmesser von 0,85 Millimeter wurde für bessere Haltbarkeit mit Nylon beschichtet.

Neu vorgestellt wird dieses Jahr auf der Bauma in München der Seilzugsensor GSH, der die Vorzüge des bewährten Modells GSF mit der berührungslosen Technologie von Hallsensoren der neusten Generation verknüpft. Er besitzt die gleichen Anschlussmaße wie sein Schwestermodell.

Abhängig von den Fahrzeug-Dimensionen, der Nutzlast und den Anforderungen wird der Neigungsalarm normalerweise ausgelöst, wenn der Neigungssensor eine Grenzwertüberschreitung um ±1,2 Grad bis 1,5 Grad erfasst. Nicht nur die Fahrzeugneigung im Gelände lässt sich mit Neigungssensoren überwachen, auch die Position des Teleskopmastes oder Pumpenarms einer Betonpumpe. In Verbindung mit Informationen über Lastverteilung und die Mastlänge verhindert so die Steuerung ein Kippen des Fahrzeugs.

Neigungssensoren mit einer oder zwei Achsen arbeiten unter anderem auf Basis der MEMS-Technologie. Der für die Mobilhydraulik konzipierte Sensor GIT gehört zu dieser Gruppe. Er verfügt über Analog- und Digitalausgänge und ist schock- sowie vibrationssicher. Genauigkeit und einfacher Einbau machen ihn zu einem geeigneten Neigungssensor für den Einsatz in Hebezeugen, Erdbewegungsmaschinen und landwirtschaftlichen Maschinen.

Sehr wichtig in diesem Zusammenhang ist die Leistungsfähigkeit eines Neigungssensors hinsichtlich der thermischen Drift: Das GIT-Modell kann beispielsweise bei Betriebstemperaturen von -40 bis 85 Grad Celsius eingesetzt werden und erreicht eine Drift von weniger als 0,005 Grad pro Grad Celsius im Bereich von -10 bis 60 Grad Celsius.

Redundanz, also Dopplung der Systeme, um beim Ausfall eines Moduls auf ein Ersatzsystem zurückgreifen zu können, spielt in Sicherheitskonzepten nicht erst seit der Erfindung der Zweikreisbremsanlage im Auto eine wesentliche Rolle. In Anwendungen mit Straßenzulassung wird häufig physikalisch redundant gearbeitet, das heißt pro Aufgabenstellung werden zwei einzelne, baugleiche Systeme eingesetzt.

Viele Sensoren können aber auch redundant, also mit zwei unabhängigen Messsystemen in einem Gehäuse, ausgeführt werden. Dies ist insbesondere dort von Vorteil, wo nicht genug Einbauraum für zwei Sensoren zur Verfügung steht. Überdies lassen sich so bereits im Sensor Sicherheitsroutinen wie zum Beispiel Messwertabgleich und Fehlerdiagnostik integrieren.

In der Vergangenheit wurde die Sicherheit bei der Kranaufstellung hauptsächlich durch den Betreiber und dessen Sichtprüfungen sichergestellt. Damit kam in erster Linie der Sorgfalt, der Erfahrung und der Fachkompetenz des Bedieners höchste Bedeutung zu. Die ersten Sensoren unterstützten nur informativ durch Ausgabe eines Messwertes; für Interpretation und korrigierende Maßnahmen war der Bediener verantwortlich.

Inzwischen können moderne Sensoren für ein anspruchsvolles Sicherheitsmanagement den Bediener in seiner Verantwortung stark entlasten. Die Signale fließen heute zum größten Teil direkt als Regelgrößen in die Fahrzeugsteuerung und werden so – teilweise unbeeinflussbar vom Faktor Mensch – vom vegetativen Nervensystem der Maschine automatisch verarbeitet und zur sicheren Steuerung der relevanten Funktionen genutzt.

Das verbessert nicht nur die Sicherheit, sondern auch die Effizienz und den Bedienkomfort für den Nutzer, der nicht mehr allein auf seine Fähigkeiten gestellt ist. Nicht nur in kritischen und schwierigen Situationen kann so auf elektronische Hilfsmittel zurückgegriffen werden.

Mit Hilfe moderner Sensorik lassen sich komplette Bewegungsabläufe vorprogrammieren; die Überwachung kritischer Daten reduziert das Fehlerrisiko und erhöht die Sicherheit. Der Fortschritt bei den MEMS- und CMOS-Hybrid-Hall-Technologien hat hier in den letzten Jahren bemerkenswerte Entwicklungsschritte ermöglicht.

Nach Can Open kam SAE J1939, entwickelt für die amerikanische LKW-Industrie, um die standardisierte Kommunikation mit Anhängern und Zusatzausrüstung markenunabhängig zu ermöglichen. In Europa haben insbesondere Hersteller von Landmaschinen dieses Protokoll für sich entdeckt. Mit Can Open Safety steht auch bei Gefran die nächste Entwicklungsstufe in den Startlöchern. Gleichzeitig laufen im Unternehmen mehrere Projekte unter dem Oberbegriff Industrie 4.0, in denen die Zukunft der Sensoren hinsichtlich Integration von Funktionen, Ferndiagnostik, Wartungsmeldungen und mehr für die Anwender smarter gestaltet werden soll. do