Автоматизация при земекопните строителни машини

Основните предизвикателства на строителния бизнес могат да се обобщят до недостиг на квалифицирани работници и оператори, сравнително ниска производителност на строителния сектор и необходимост от повече безопасност. В отговор през последните 15 години се появиха нови технологии за автоматизация и дори роботизация на земекопните машини. Новостите и тенденциите ще разгледаме в статията.

Текст: списание Инфрабилд

Снимка: Caterpillar

Кадровите предизвикателства в строителството съвсем логично налагат търсене на решения в областта на автоматизацията, в т.ч. при земекопните машини, като целта е тя да компенсира максимално по-малкия опит и по-ниското ниво на знания и умения на една част от операторите и дори да намали до минимум човешкия фактор. Съответно роботизацията цели да елиминира изобщо този фактор при изпълнение на земекопните работи. От друга страна, ниската производителност на труда в строителството отдавна е станала пословична. Едно много показателно изследване на Бюрото по трудова статистика към Министерството на търговията на САЩ показва, че производителността на труда в строителството се понижава постепенно от 1964 г. насам и в наши дни е дори с около 30% по-ниска. В същото време в индустриалните производства, а при тях масово се разчита на автоматизация и роботизация, производителността на труда е нараснала близо три пъти.

При земекопната строителна техника, както и при много други видове мобилни машини, технологиите еволюират на база на степента на възприетата дигитализация и трансфер на данни чрез различни видове връзка: сателитна, интернет, GSM и др. По тази линия първата технологична вълна (от края на 90-те години насам) обхвана разработване и приложение на телематични системи за проследяване на местоположение, работно и техническо състояние на машините. Този тип системи имат някакъв ефект върху ефективността, производителността и безопасността, но той не е голям. Малка стъпка напред са технологиите за измерване на извършената работа в реално време - колко тона материал са изкопали, натоварили или превозили дадени машини за определен времеви период (час, ден, седмица и т.н.). Тези системи са важни за мениджмънта, но при тях все още в голяма степен се разчита на опитните квалифицирани оператори. 

Системи за насочване при верижните багери

След 2000 г. започват разработките и на първите системи, целящи директен ефект върху производителността с намаляване ролята на човешкия фактор. Това са т.нар. системи за насочване на оператора. При тях няма автоматизиране на процеса. Те просто подпомагат работа на оператора. При верижните багери от среден клас (с работна маса обикновено от 23 до 36 т) системата показва на монитора в кабината ограниченията на проектния профил, какво е свършил оператора и какво още има да свърши. Тя използва също визуална и звукова сигнализация, която го предупреждава, когато например копае под зададената проектна дълбочина или къде започва да отнема повече материал и нарушава проектния профил на терена.

При системите за насочване на оператора реалното въвеждане и приложение започна в партньорство с една от трите компании Topcon, Trimble и Leica. Всъщност това са фирми, специализирани в производство на измервателни дигитални устройства и системи, с приложение в геодезията и други индустрии. Няколко примера за сътрудничества (някои още от зората на първите системи за насочване) са напълно достатъчни. С Topcon си партнират например Caterpillar, Komatsu, Volvo CE и JCB, с Trimble - Caterpillar, Hitachi, Kobelco и Doosan, а с Leica - Case CE и Kobelco.

Още в началото се разработват по-прости двуизмерни, но и по-сложни триизмерни системи (2D и 3D). Като цяло на дисплея за управление се изобразява графично точното положение на режещата част на кофата спрямо проектната повърхност, а системата позволява използването на различни кофи. В днешно време в допълнителното оборудване обичайно се използват сензори, отчитащи положението на стрелата, рамото и кофата, както и за наклона на корпуса на самия багер и за неговото завъртане (инерционен модул със сензори за положение и ъглова скорост). Използва се модул за управление, основен и допълнителен екран, както и сателитен приемник с външна антена при 3D. Има варианти за добавяне на лазерна система, ако профилът трябва да се изкопае по един и същи начин на целия обект.

Днес обичайно се предлагат няколко нива на системи за насочване: например обикновена двуизмерна със задаване на целева дълбочина на копаене и наклон от дисплея, двуизмерна с възможност за изготвяне на опростен проект на място (добавя се втори дисплей), както и триизмерна - за следване на сложен предварително изготвен дигитален проект на обекта в съчетание със сателитно позициониране (задължително втори дисплей, сателитен приемник и антена). 

Автоматизация при верижните багери

Автоматизацията при верижните багери е следващата логическа стъпка в развитието на технологията. На практика тя надгражда системите за насочване. Тук обаче е налице автоматизирано действие на стрелата и кофата на багера, спрямо изготвения дигитален проект, а операторът управлява ръчно от джойстика само рамото (носача) на верижния багер.

В най-добрия случай се използва триизмерен проект на строителния обект. Той се подава към багера чрез интернет връзка или просто се качва чрез най-обикновена USB-флашпамет. Положението и посоката на работа на багера се установяват в реално време с използване на сателитни сигнали, които се изпращат до приемник с антени, монтирани по машината. За максимална прецизност се използват една или няколко базови станции на обекта. Чрез базова станция и виртуална референтна станция се изпращат коригиращи сигнали, така че, ако в проекта се направят някакви промени, те да могат да бъдат да бъдат споделени с багера веднага в реално време по интернет. Както при системите за насочване, по надстройката, стрелата и рамото на багера са монтирани високо прецизни и бързо реагиращи сензори, които позволяват измерване на наклона на багера и ъгъла, под който е разположена работната система на машината (стрела, рамо и кофа). Съответно е необходим модул за управление на хидравликата, който работи съвместно с тези сензори за изпълнение точните движения с работните органи.

Защитата от копаене под проектната дълбочина позволява на оператора да работи бързо и без напрежение. Дори и да иска, той не може да копае по-дълбоко от зададеното в проекта. Интелигентната система за управление контролира ръба на кофата, така че тя да следва точно зададения профил. Ъгълът на кофата може да се поддържа автоматично един и същ при прибиране на рамото за финалното оформяне на откоси например, осигурявайки бързо и прецизно изпълнение без нито едно излишно движение. Така операторът може спокойно да се фокусира върху насочването на стрелата и рамото, без да се интересува повече от ъгъла на кофата. Най-съвременните системи могат да управляват автоматично дори кофа, монтирана на бързосменник с функции наклоняване и въртене наляво и надясно.

Дадената задача - какво точно да се изкопае или как да се профилира терена, се изпълнява според показаното на дисплея на багера. При 3D-системата необходимостта от геодезист на обекта намалява съществено или се елиминира. Ако проектантът междувременно направи някакви промени, той може да прати актуализирания проект през интернет към багера в реално време.

Системата за автоматизиране може да бъде и двуизмерна. Тя използва координати, изчислени от проектните чертежи. Те се превръщат в данни и се въвеждат ръчно от оператора в менюто на монитора на верижната машина. 2D-системата също използва багера като референтна точка, като взема информация за неговото съотносително разположение от сензори на рамото, стрелата и надстройката на машината. Тук има малко по-голяма нужда от геодезист в сравнение с 3D-варианта.

При различните производители на верижни багери има известни разлики в гореизброеното оборудване: някои например използват сензор за въртене, монтиран към щифта, съединяващ стрелата и рамото, лазерен сензор на самото рамо, сензор за положение на стеблото на хидравличния цилиндър, управляващ кофата и др. Други производители на багери пък влагат сензори във всички хидравлични цилиндри по стрелата, рамото и кофата, чрез които се следи хода на движението на стеблата им. Обикновено се влага инерционен модул със сензори за положение и ъглова скорост. Разликите често произтичат от компанията (Topcon, Trimble или Leica), с която си сътрудничи производителят на багери.

Дигитализацията и автоматизацията откриват огромно поле за разработване на най-съвременни системи за безопасност. Те предпазват машината от съприкосновение с предмети и препятствия от околната среда: висящи електрически кабели, преминаващ в непосредствена близост пътен трафик, подземни комуникации и др. Най-напредналите производители предлагат система, която проектира „таван“ над багера, така че след задаване на съответната му височина нито един от работните органи (кофа, рамо, стрела) не може да премине ограничението, независимо от подадената команда с джойстиците. На същия принцип работи и защитната функция за проектиране на „дъно“, която ограничава дълбочината на копаене. Много полезна е функцията, която проектира защитна „стена“ пред багера и не позволява кофата или рамото да преминават отвъд нея. Също много практична е и функцията, ограничаваща въртенето на надстройката и работните органи на багера между две предварително зададени точки.

Системи за насочване при булдозерите

Булдозерите като техника и вид извършвана работа са много по-трудни за ръчно управление и изискват много повече опит знания и умения. В същото време те са по-лесни за пълно автоматизиране от верижните багери. Неслучайно първите системи за автоматизиране на работата при земекопните машини бяха предназначени за булдозери, а паралелно с тях и за автогрейдери. И тук основни партньори на производителите са Topcon, Trimble и Leica.

Разбира се и при тази категория машини се мина през етапа на разработване на системи само за насочване на оператора. Те са сравнително по-опростени. Машината се оборудва с допълнителен дисплей, на който операторът вижда положението на греблото. Информацията за напречен наклон и ъгъл на атака на греблото се подават от сензори. Сателитният приемник с външна антена осигурява необходимата информация за местоположението и посоката на работа на машината. Проектният профил може да се въведе ръчно или да се използва предварително създаден дигитален проект. По време на работа булдозеристът вижда на екрана също индикатори в различен цвят, които го насочват как да профилира терена с греблото. Например червеният цвят показва, че трябва да се направят още минавания с булдозера за допълнително отнемане на материал. Зеленият цвят показва, че булдозерът е постигнал точно профила, а синият - че е отнет повече материал от необходимото. За повишаване на прецизността на подравняване се използва допълнителна лазерна система, която се инсталира на обекта.

Автоматизация при булдозерите

За разлика от верижните багери, системите за насочване при булдозерите почти веднага еволюираха в системи за пълна автоматизация. Ето защо още през 2004-2005 г. имаше предлагане на такива системи. Автоматизация се прилага за всички класове булдозери. При първите варианти допълнителното оборудване включваше дисплей за управление (2D или 3D) и четири сензора (хидравличен, за ъгъла на атака и за наклона на греблото, както и ултразвуков за измерване на височината). Разчита се и на допълнителни хидравлични клапани. Операторът използва дисплея за управление, за да въведе желания профил, който системата трябва да поддържа. Когато машината започне работа, четирите сензора изпращат информация към дисплея за управление, където тя се сравнява с първоначално зададения профил. При необходимост системата изпраща обратно коригиращи сигнали към хидравличните клапани, за да преместят греблото в необходимото положение.

Автоматизираната система за управление 3D по правило се съчетава със спътникова технология за позициониране в реално време. Проектът, предварително подготвен в цифров формат, се прехвърля към дисплея за управление с триизмерен екран. Към гореописаното оборудване се добавя спътников приемник с антена. Сателитният приемник изчислява непрекъснато реалната позиция на греблото (първоначално върху греблото се монтираха две антени), която се сравнява с проекта, качен на дисплея. Корекциите се изпращат постоянно към хидравликата на машината за автоматично настройване на греблото спрямо зададения профил на терена. За постигането на по-голяма точност, на обекта се инсталира базова станция - на място с точно определени координати. Тя получава спътникова информация и изпраща корекции към машината или геодезистите чрез радиовръзка в реално време. За най-голяма прецизност може да се инсталира и лазерна система, която се състои от предавател и два сензора.

В днешно време системите за автоматизация са доста по-усъвършенствани. Сензорите и сателитните антени са премахнати от греблото на булдозера за по-голяма защитеност. Една или две антени се монтират на покрива на машината. Производителите разчитат на сензори за хода на стеблата на хидравличните цилиндри и на инерционни модули със сензори за движение (акселерометри) и сензори за ъглова скорост (жироскопи). Важен компонент е модулът за управление.

В автоматичен режим работата на булдозериста е доста опростена. Той потегля в указаната на екрана посока и греблото се спуска автоматично надолу, докато достигне проектната повърхност или се достигне предварително зададения максимален товар. Преди момента на претоварване греблото автоматично се издига. Когато стигне до края на работната зона, операторът минава на заден ход и се връща. След това той „чуква“ само веднъж джойстика и греблото автоматично слиза на зададена височина и процесът се повтаря, ако е необходимо.

Снимка: KOMATSU

Роботизация при земекопните машини

Към момента няма други видове автоматизирани земекопни машини освен верижните багери от средния клас и булдозерите (ако не включваме автогрейдерите, които биха могли да се класифицират и като земекопна, и като пътностроителна техника). От своя страна роботизацията при земекопните машини е в процес на експериментални разработки. Първият прототип на булдозер-робот бе показан от Liebherr по време на изложението bauma 2019 в Мюнхен. Той работи без операторска намеса, няма операторска кабина, а разчита на компютър, система от датчици, сензори, сателитна връзка и интернет. Изглежда, че е рано да се каже, кога такива роботи ще се появят по строителните обекти, но това е бъдещето.