26.04.2022
Elektrisierende Lösung für Containerhäfen
Zeit ist Geld: Das gilt wohl für jeden Containerhafen dieser Welt. Mit einer zunehmenden Automatisierung lassen sich nicht nur Zeit und Kosten, sondern auch CO2-Emissionen reduzieren. Dies zeigt eine Lösung von Conductix-Wampfler: Das Unternehmen entwickelte ein System für den automatisierten, elektrischen Antrieb von Portalkranen, bei dem das Positioniersystem PCV eine entscheidende Rolle spielt.
Wenn am Morgen die Sonne aufgeht und den Himmel leuchten lässt, scheint die Luft noch gänzlich unverbraucht. Ein tiefer Atemzug lässt das Lebenselixier durch den Körper strömen und gibt neue Energie. Doch schon in wenigen Jahren könnte die Luft gar nicht mehr so sauber sein – und ehrlicherweise gibt es bereits heute Regionen und Städte, in denen man ein tiefes Einatmen lieber bleiben lässt. Nie war die Reduktion von CO2-Emissionen so dringend wie jetzt. Von Kraftwerken und Industrieanlagen über den Straßenverkehr bis hin zum heimischen alten Kaminofen: Überall dort, wo klimaschädliches Kohlendioxid ausgestoßen wird, braucht es für die Zukunft sauberere Alternativen. In der Klimadebatte ganz und gar nicht außer Acht zu lassen sind die großen Güterumschlagplätze unserer globalisierten Welt. Tagein, tagaus kommen in den Terminals von Containerhäfen zahllose Container aus aller Herren Länder an, werden neu sortiert, gestapelt und umgeladen, um schließlich ihren weiteren Weg anzutreten. 24/7 muss hier alles reibungslos funktionieren, damit sämtliche Güter zeitgerecht an ihrem Ziel ankommen.
Weite Wege, enger Raum
Die Anlagen solcher Containerhäfen sind weitläufig. So umfasst etwa der weltweit größte Hafen in Shanghai eine Fläche von über 3600 ha. Die Strecke, die ein Container von der Anlegestelle des Frachters bis zu seinem Platz auf dem Hafengelände zurücklegen muss, kann also sehr lang sein. Den Transport der Container vom und zum Schiff übernehmen im Hafen verschiedene Fahrzeuge. Eines der typischen Transportmittel sind sogenannte Rubber Tyred Gantry Cranes (RTG), zu Deutsch: gummibereifte Portalkrane. Sie bringen die Container zu ihrem (Zwischen-) Lagerplatz in Containerblöcken im Hafen und holen sie für den Weitertransport wieder hervor. Bisher werden die RTGs häufig noch von Dieselmotoren angetrieben. Dadurch sind sie entsprechend mobil und können frei herumfahren, etwa um die Containergasse zu wechseln oder zu Wartungszwecken zu verlassen. Um einen Container ab- oder aufzuladen, bewegen sich die RTGs in den schmalen, bis zu 300 m langen Containergassen aber lediglich vor und zurück. Denn trotz der Weitläufigkeit ist der Platz in einem Containerhafen ein knappes Gut, sodass hier eng gestapelt werden muss.
Mehrere Fliegen mit einer Klappe
Das Unternehmen Conductix-Wampfler mit Hauptsitz im süddeutschen Weil am Rhein machte sich die eingeschränkte Mobilität in den Containergassen bei seiner Lösung für die Elektrifizierung der RTGs zunutze. Bereits vor einigen Jahren erkannte der Hersteller von Energie- und Datenübertragungssystemen beim Antrieb der Container-Stapelkrane ein großes Potenzial zur Einsparung von CO2-Emissionen, aber auch von Zeit und Wartungskosten. Das Unternehmen entwickelte deshalb ein automatisiertes Energiezuführungssystem. „Unsere Lösung für Containerhäfen ermöglicht es, den Portalkran von der ersten Containerreihe an über eine Schleifleitung mit Energie zu versorgen und so vom Diesel- auf einen Elektroantrieb umzustellen“, erklärt Armin Schildecker, Project Manager Global E-RTG Projects bei Conductix-Wampfler. Die Schleifleitung ist dafür an einem Tragprofil entlang der Containergasse installiert, während sich am RTG eine bewegliche Stromabnehmereinheit, die sogenannte Drive-In-Unit (DIU), befindet. Bei der Einfahrt in die Gasse dockt die DIU an der Schleifleitung an. Ab dann wird der Containerkran mit Strom versorgt. „Damit beim Andocken und Antriebswechsel kein zusätzliches Personal notwendig ist, haben wir das System so entwickelt, dass dieser Vorgang vollautomatisch erfolgt“, berichtet Schildecker. „Um dies zu ermöglichen, haben wir Pepperl+Fuchs für die benötigten Automatisierungskomponenten mit ins Boot geholt.“
„Unsere Lösung für Containerhäfen ermöglicht den vollautomatischen Antriebswechsel von der ersten Containerreihe an. Für die benötigten Automatisierungskomponenten haben wir Pepperl+Fuchs mit ins Boot geholt.“
Automation trifft Präzision
Integraler Bestandteil der Lösung von Conductix-Wampfler ist das DataMatrix-Positioniersystem PCV (Position Coded Vision) von Pepperl+Fuchs. Mit der Schutzart IP67 und einem Temperaturbereich von −20 bis +60 °C ist es auch den Umgebungsbedingungen von Meerwasser und Seeluft gewachsen. „Unsere Kombination aus 2-D-Kamerasystem und DataMatrix-Codeband gibt bei der Lösung von Conductix-Wampfler das entscheidende Signal und ermöglicht das automatische Umschalten von Diesel- auf Elektroantrieb“, erläutert Timo Hähnert, Vertriebsingenieur bei Pepperl+Fuchs. „Das Codeband ist dafür fest am Tragprofil der energieführenden Schleifleitungen installiert, während sich der PCV-Lesekopf an der DIU am Portalkran befindet.“ Sobald ein RTG in die Containergasse einfährt, erfasst das 2-D-Kamerasystem über Eventmarker, in welchem Containerblock sich der RTG befindet. Außerdem teilt das System mit, dass der Strom nun ein- und der Dieselmotor abgeschaltet werden kann. Ab diesem Zeitpunkt fährt der RTG rein elektrisch. „Der gesamte Vorgang – vom Einfahren in den Containerblock bis zum elektrischen Weiterfahren – geschieht in weniger als einer Minute“, erklärt Schildecker.
Doch das Positioniersystem ermöglicht nicht nur den vollautomatischen Wechsel des Antriebs, sondern stellt auch die präzise Positionierung des RTGs in der Gasse sicher. So kann der RTG mithilfe des PCV zum Beispiel an eine vordefinierte Position fahren, um einen Container auf- oder abzuladen. „Die automatisierte Positionierung des Krans erleichtert die Arbeit vor Ort deutlich“, berichtet Schildecker. „Die relative Position zwischen Kran und Container basierte bis jetzt auf der rein manuellen Tätigkeit des Kranpersonals. Mit Hilfe des Positioniersystems kann sie deutlich vereinfacht werden. Die Zeitersparnisse, die sich dadurch ergeben, sind gravierend.“
„Unsere Kombination aus 2-D-Kamerasystem und DataMatrix-Codeband gibt bei der Lösung von Conductix-Wampfler das entscheidende Signal und ermöglicht das automatische Umschalten von Diesel- auf Elektroantrieb.“
Mit Blick in die Zukunft
Dank PCV ist die Hafenleitstelle jederzeit in der Lage, die genaue Position des Portalkrans einzusehen und diese wiederum mit der Position eines Containers zu korrelieren. Die Datenübertragung erfolgt dabei über ProfiDAT® – ein Datenübertragungssystem, das Video-, Audio-, Steuer- und Realtime-Daten mit sehr hohen Datenraten und niedrigen Latenzzeiten zuverlässig in einem Schlitzhohlleiter überträgt. „Die Automatisierung des Containerhandlings geht dank der Verfügbarkeit der Daten in Echtzeit sogar so weit, dass Kranführer gar nicht mehr unbedingt hoch oben im Führerhaus sitzen müssen, sondern den RTG bequem von der Hafenleitstelle aus steuern können“, erklärt Schildecker. „Auch Anwendungen wie autonomes Positionieren, Beschleunigen und Abbremsen sind mit dem System in Zukunft möglich.“
Um für diese Szenarien eine Redundanz zu schaffen, installiert Conductix-Wampfler bei der Systemlösung zwei 2-D-Kameras. „Dank der Verwendung von zwei PCV-Leseköpfen erreichen wir hier den notwendigen Sicherheitslevel. So ermöglicht das DataMatrix-Positioniersystem nicht nur einen umweltfreundlicheren Antrieb der RTGs, sondern auch deren sichere und bequeme Steuerung aus der Ferne und somit eine Arbeitserleichterung für das Hafenpersonal“, fasst Hähnert zusammen.
Von der individuellen Anpassung zum Standardprodukt
Bei der Lösung von Conductix-Wampfler kommt der speziell dafür angepasste PCV-Lesekopf PCV50 zum Einsatz. Da die Containergassen im Hafen sehr eng sind und dementsprechend nur wenig Platz vorhanden ist, musste der Abstand zwischen 2-D-Kamera und Codeband sehr gering sein. Der Standardleseabstand von bis dahin 80 mm war für diese Anwendung bereits zu groß, sodass die Experten von Pepperl+Fuchs das System für Conductix-Wampfler weiterentwickelten. „Wir haben unseren Lesekopf mit dem 2-D-Kamerasystem so angepasst, dass er in der Lage ist, auch ganz nah am Codeband die Codes zuverlässig auszulesen“, schildert Armin Hornberger, Head of Product Management Industrial Vision bei Pepperl+Fuchs. „Der weiterentwickelte Lesekopf ist in der Lage, auch in einem Abstand von nur 50 mm die Codes zu erfassen.“ Hinzu kamen neben dem geringeren Leseabstand außerdem eine PROFINET-Schnittstelle und eine angepasste Software. „Aus der individuellen Anpassung des Lesekopfs ist inzwischen nicht nur ein Standardprodukt in unserem Portfolio geworden, wir haben im Zuge dessen auch unser Codeband optimiert“, berichtet Hornberger.
„Wir haben unseren PCV-Lesekopf für die Lösung von Conductix-Wampfler so angepasst, dass er in der Lage ist, auch ganz nah am Codeband die Codes zuverlässig auszulesen."
Wie bei dieser Lösung tut Pepperl+Fuchs stets alles, um eine Anwendung perfekt zu lösen. Gibt es im bestehenden Portfolio kein passendes Produkt, arbeiten die Automatisierungsexperten so lange an einer Lösung, bis sie die Anforderungen exakt erfüllt. Die Basis solcher kundenspezifischen Lösungen sind grundsätzlich die individuelle Beratung und die Kooperation mit den jeweiligen Kunden. „Wir haben bei der Entwicklung der Systemlösung sehr gut und eng mit Pepperl+Fuchs zusammengearbeitet. Der PCV-Lesekopf wurde ganz nach unseren Anforderungen mit einem erweiterten Lesebereich ausgestattet und auch die Software ist individuell auf unsere Anwendung zugeschnitten“, blickt Schildecker zurück. „So erfüllt das Positioniersystem in unserem System nun optimal seine Aufgabe und unsere Kunden profitieren wiederum von einer deutlichen Effizienzsteigerung und Reduktion ihres CO2-Ausstoßes. Wenn man sich vor Augen führt, wie oft so ein RTG am Tag hin- und herfährt, wird schnell klar, wie umfangreich die Einsparungen hier sind und welchen Beitrag die Gesamtlösung damit für umweltfreundlichere Containerhäfen leistet.“
Die DataMatrix-Positioniersysteme von Pepperl+Fuchs verwenden ein Auflichtverfahren zur präzisen Absolutpositionierung. Sie bestehen aus einem 2-D-Kamerasystem, dem sogenannten Lesekopf, und einem DataMatrix-Codeband. Das selbstklebende Codeband wird in der Regel stationär an einem festen Teil der Anlage angebracht, während die Montage des 2-D-Lesekopfes an einem sich parallel dazu beweglichen Fahrzeug erfolgt. Dank Coderedundanz und großem Lesefenster erfasst das DataMatrix-Positioniersystem selbst bei verschmutztem oder beschädigtem Codeband zuverlässig die Position und ist sogar in der Lage, Codebandlücken zu überbrücken.
