Gefahr erkannt, Gefahr gebannt

Wenn Krane kollidieren ist mit hohem Sachschaden zu rechnen. Richtig gefährlich wird es jedoch dann, wenn sie sich ihren Arbeitsbereich auch noch mit zahlreichen Fahrzeugen teilen. Bei aller Umsicht der Mitarbeiter bleibt ein Restrisiko, das nur mit einem automatischen Warnsystem minimiert werden kann. Über längere Zeit suchten die Verantwortlichen in der Flämmerei der Linzer voestalpine Stahl GmbH nach Möglichkeiten der zuverlässigen Positionsbestimmung und der Berechnung von Kollisionsrisiken. Die Position von Kranlastaufnahmen lässt sich gut mit gängigen elektromechanischen Sensoren bestimmen. Für Fahrzeuge bietet sich GPS an, allerdings nur im Freien. Eine Positionierung über WLAN wurde als unzuverlässig verworfen, ein Angebot einer zentralen IT-Lösung zur Berechnung von Positionen und Wegen konnte nicht überzeugen. \“Das bei unserer Schwesterfirma voestalpine Grobblech GmbH sehr erfolgreiche Positionierungssystem zur Produkterfassung brachte uns 2010 auf die Idee, bei der Symeo GmbH in München anzufragen\“, erinnert sich Dipl. Ing. Gerhard Salzmann, der zuständige Betriebsingenieur bei der voestalpine Stahl GmbH. Jeder warnt jeden Das LPR-System von Symeo funktioniert im Prinzip wie die Positionsbestimmung per GPS, nur dass die Bezugspunkte nicht 20.000km über der Erde stehen, sondern auf dem Gelände verteilte Funktransponder sind. In Verbindung mit robusten Radareinheiten auf allen Fahrzeugen und Kranen ist die Frage nach der Technik der Positionsbestimmung gelöst. Wie aber wird aus der Positionsbestimmung eine Kollisionswarnung? Die Antwort ist ein Prinzip, das im Bereich der Segel- und Kleinflugzeuge mit dem FLARM (FLight alARM) bekannt ist: Jeder Teilnehmer funkt seine Position und Bewegungsdaten allen anderen und berechnet mögliche Kollisionen lokal und unabhängig. Ein solches, verteiltes System braucht keine rechnerintensive Zentralinstanz und ist extrem ausfallsicher. voestalpine Stahl beauftragte Symeo über ihren langjährigen Dienstleister ABF Industrielle Automation. Start des Projekts war Anfang 2011. Bei dem Kollisionswarnsystem (KWS) für Brammenheißablage und Flämmerei geht es um einen Bereich von rund 75.000m² Gesamtfläche mit drei problematischen festen Hindernissen, einer auf Schiene verfahrbaren Brennschneideanlage, fünf Krane auf zwei parallelen Kranbahnen, sechs Portalhubwagen und fünf Niederhubkipper. Die Fahrzeuge können die Kranbahnen an drei Stellen kreuzen und auch längs zur Kranbahn direkt unter den Kranen fahren. Redundante Funkmodule Wie sollten nun die Teilnehmer des KWS kommunizieren? Über Tests vor Ort wurde der Nachweis geführt, dass sich der gewählte Standard ZigBee mit dem vorhandenen WLAN verträgt. So kamen Standard-Zigbee-Module (2,4GHz) zum Einsatz, allerdings mit einem Symeo-Datenprotokoll zum gleichzeitigen \’Sprechen\‘ der Fahrzeuge. Gesendet wird über drei ZigBee-Module auf drei verschiedenen, vom vorhandenen WLAN nicht genutzten Funkkanälen. Damit waren die grundsätzlichen Fragen der Lösungsarchitektur geklärt und das Projektteam erarbeitete ein detailliertes Pflichtenheft, in dem die möglichen Kollisionsereignisse definiert wurden. Im August 2011 wurden dann rund 140 LPR-Transponder als Bezugspunkte für die Positionierung im Innen- und Außenbereich von Heißablage und Flämmerei montiert. Danach wurden bis Ende 2011 sukzessive die Krane und Fahrzeuge ausgestattet. Dabei waren bei der Installation Besonderheiten wie extrem hohe Temperaturen von bis zu 80°C durch Abstrahlung der heißen Brammen zu berücksichtigen. Ausfallsichere robuste Elektronik ist der eine Bestandteil der Lösung, Software der andere: Symeo entwickelte die KWS-Berechnung, während sich ABF um die Visualisierung für die Fahrer kümmerte. Zusätzlich entwickelte ABF ein Tool zur zentralen Auswertung und Analyse von Gefahrenmomenten (Warnungen, Beinahekollisionen und Kollisionen werden nachvollziehbar) und zur Onlinevisualisierung aller Teilnehmer im Überwachungsbereich. Dynamische Sicherheitszonen Das für voestalpine Stahl entwickelte Kollisionswarnsystem arbeitet mit dynamischen Sicherheitszonen der Teilnehmer. Ausgehend von den äußeren Abmessungen eines Fahrzeugs wird in Abhängigkeit von Bewegungsrichtung und Geschwindigkeit ein Bereich der Kollisionsgefahr definiert. Während zwei redundante ZigBee-Module für die Übertragung der Position an alle anderen Teilnehmer zuständig sind, funkt ein drittes die Information über den Kollisionsbereich. Jedes Fahrzeug hat neben dem Kollisionsbereich auch einen definierten Annäherungsradius. Um unnötigen Rechenaufwand zu vermeiden, kann die On-Board-Kollisionsberechnung andere Fahrzeuge ignorieren, solange sich die Annäherungsradien nicht schneiden. Das KWS stellt sicher, dass alle Teilnehmer – Krane, Schwerfahrzeuge, aber auch Hindernisse – jederzeit Position und Bewegung der anderen \’sehen\‘ und Alarm schlagen würden, sollte ein Funk-Modul ausfallen. \“Damit die Berechnungen des Kollisionswarnsystems auch zu einer Warnung führen, auf die der Fahrer angemessen reagieren kann, haben wir eine Anzeige entwickelt, auf der die Situation unmittelbar klar wird\“, sagt Dipl. Ing. Bernhard Siegfried, Projektleiter bei der ABF Industrielle Automation GmbH. Über die von der ABF entwickelte Oberfläche erfassen Fahrer und Kranführer die Situation mit einem Blick auf einem Sechs\“-Display. In der Mitte des Bildschirms steht die symbolische Anzeige des eigenen Fahrzeugs inklusive seiner Orientierung beziehungsweise Fahrtrichtung. Innerhalb eines festgelegten Entfernungsbereichs werden zudem die umgebenden Fahrzeuge, Krane und festen Hindernisse symbolisch dargestellt. Drei farbkodierte Warnstufen weisen die Teilnehmer auf Kollisionsgefahren hin: Warnstufe 1 (Farbumschlag gelb) zeigt einen berechneten Kollisionspartner innerhalb von 30m an. Warnstufe 2 (Farbumschlag orange und akustisches Signal) signalisiert die Kollisionsgefahr durch Annäherung eines Fahrzeugs oder Krans und Warnstufe 3 (Farbumschlag rot und akustisches Signal) bedeutet: Kollision droht, sofortiger Halt. Das rechte Maß an Warnungen \“Die Zusammenarbeit mit Symeo und ABF war sehr gut\“, lobt Gerhard Salzmann. \“Wir sind mit Lösung und Projektverlauf sehr zufrieden. Beide Partner sind sehr gut auf unsere Wünsche und Vorstellungen eingegangen.\“ Letzteres bezieht sich nicht nur auf die Konzeption des Systems, sondern vor allem auch auf seine Anpassung an die tägliche Praxis in der Heißablage. Bei ersten Tests zeigte sich, dass es zu viele Warnungen gab, so die Rückmeldung der Mitarbeiter. Obwohl das KWS dezentral funktioniert, werden zusätzlich alle Bewegungen zur Kollisions- und Störmeldeauswertung zentral erfasst und archiviert. So konnte das Projektteam die Warnereignisse der Testphase analysieren. Es zeigte sich, dass das System korrekt funktionierte. Doch die Fahrzeuge mussten im Betrieb dichter aneinander vorbeifahren können als dies die definierten Kollisionsbereiche des KWS vorgesehen hatten. Um den operativen Betrieb nicht durch unnötige Warnmeldungen zu stören, wurden die Warnmeldungen über Parameter weiter optimiert. Dichtes Aneinandervorbeifahren führte so nicht mehr zu Warnungen, sondern nur noch Fälle, in denen eines der Fahrzeuge steht oder rückwärts fährt. Eine weitere Rückmeldung aus der Praxis: Krane fahren im Tandembetrieb sehr dicht, Puffer an Puffer, nebeneinander – auch hier wurden überflüssige Warnungen abgestellt, indem eine Restkollisionsgeschwindigkeit \’erlaubt\‘ wurde. Ausfallsicher und optimal angepasst