Пътностроителни машини

Автоматизация и роботизация

През последните 15 години започнаха да се появяват нови и все по-модерни технологии за автоматизация и дори роботизация на пътностроителните машини.

Текст: списание Инфрабилд

снимка: Автоматизация - Wirtgen Group

Автоматизация при асфалтополагачите

Триизмерните системи (3D) за автоматизация на управлението на асфалтополагачи до голяма степен приличат на използваните технологии при булдозерите и автогрейдерите. Вместо насочването на греблото тук се управлява автоматично насочването на полагащата маса (наричана понякога дъска, screed на англ. ез.) по наклон и издигане съобразно предварително изготвен дигитален проект, вместо да се следва изпъната корда. Съществуват системи, които използват комбинация от няколко технологии: позициониране и ориентация чрез сателитна връзка, лазерна система за максимална прецизност, тотални станции и сензори. Други разчитат на локално позициониране чрез използване на роботизирани тотални станции. За оползотворяване на тези най-съвременни технологии производителите на асфалтополагачи си партнират основно с компании като Topcon, Trimble и Leica.

Обичайно съвременните асфалтополагачи разполагат с фабрична система за управление (2D), която контролира издигането на полагащата маса, ширината на полагане и наклона є. За референция се използва съществуващият профил на пътя, следва се корда и/или се използват ултразвукови или друг тип сензори и дори системи от сензори. При необходимост се налага корекция на издигането или на наклона на полагащата маса. В общия случай асфалтовата смес се полага с еднаква дебелина върху основата или долния слой.

При триизмерните системи за автоматизация се подхожда съвсем различно. За референция не се използва съществуващият профил на пътя или на терена, а фиксирана точка (позиция) с известни координати. За целта се изготвя подробен и много прецизен проект, който се чертае например, със софтуер CAD. Той се качва в компютърния модул на автоматичната система за управление и на база на него при стартиране на работата към машината и полагащата маса се подава информация за разположение, издигане и наклон, които съответстват на точката с известни координати. Така че вместо да следва физическия профил на терена, системата следва виртуалния проект, базиран на точката с известни координати и го транслира към положението на полагащата маса и нейното управление.

Но това, че една система е обозначена като 3D, не означава, че управлението на машината се извършва в трите повърхнини, а че се следва триизмерен проект. Всъщност голяма част от предлаганите 3D-системи управляват полагащата маса по издигане и наклон. Най-съвременните обаче, като например Navitronic Plus, автоматично управляват не само издигането и наклона на масата, но също и работната є ширина, както и завиването на самата машина (при верижните асфалтополагачи). При този вариант задължението на операторите е най-вече да наблюдават работата на асфалтополагача.

През последните десет години автоматизацията навлезе в голяма степен при пътностроителните компании в Западна Европа. Според проучване на Кънстракшън Екуипмънт в нея инвестират основно средни по големина фирми, много често след като са спечелили поръчка за голям обект. Факт е, че технологията е сравнително сложна и скъпа и се изплаща от големи проекти. Има специалисти, които смятат, че стандартното управление на асфалтополагача е икономически по-ефективно и то не само за малките фирми. Техният основен аргумент е, че пътностроителните компании в днешно време по-скоро правят ремонти на съществуващи пътища и улици, където референтните точки се вземат от съществуващата повърхност. Но те не изключват възможността за по-широко разпространение на триизмерните системи за автоматично управление при положение, че станат по-практични и по-лесни за усвояване.

Автоматизация при валяците

Автоматизацията при валяците следва доста по-различен път. Тя еволюира на база на системите за измерване на степента на уплътняване и на практика ги надгражда. Чрез измерване на уплътняването на настилката - почва или асфалт (с температура над 100°С), се установява дали валирането е достатъчно и се елиминират излишните допълнителни минавания с валяка, които влекат след себе си необосновани разходи за гориво, амортизации на машината, преразход на време и др. подобни. Измерването на уплътняването се базира на вкоравяването (съпротивлението на деформация) на настилката по време на уплътняването. Системата за измерване използва взаимовръзката между ускорението на вибриращия бандаж и коравината на настилката - с увеличаването на коравината на настилката се повишава и ускорението на бандажа.

Разчита се на един или два сензора за измерване на ускоряването и от тези данни се определя ефективната контактна сила между настилката и бандажа. Когато контактната сила се отнесе към хода на вибрацията, се получава крива на натоварване и разтоварване за всеки оборот на ексцентричната тежест вътре в бандажа. Показателят EVIB се получава от анализа на кривата на натоварване, тъй като тя корелира с коравината на настилката. При първоначалното въвеждане на технологията информацията за степента на уплътняване става достъпна чрез показване на дисплей в кабината на валяка за ориентация на оператора, а след това се въвеждат и принтери за документиране на извършената работа. След това идва ред на бордовия компютър с цветен дисплей, на който се вижда целият обект и как протича валирането, съответно къде са слабите места в настилката. 

Тук местоположението и посоката на работа се въвеждат ръчно, като се обозначават съответните работни лентови зони. Следващата логична стъпка е използването на сателитна връзка (със или без наземна референтна базова станция) и съвсем ясна представа къде е валякът, къде уплътнява и какъв е резултатът, т. е. картографиране на уплътняването на целия обект. Някои производители предпочитат използването само на тотални станции, като при този вариант референтните точки се въвеждат ръчно и/или валякът трябва да мине по границите на обекта, за да го очертае. Автоматизацията на работата с валяка се надгражда над тези технологии. Тук операторът само избира от дисплея дебелината на асфалта, а автоматичната система върши всичко останало. По време на валирането амплитудата, с която вибрира бандажът, намалява автоматично според степента на уплътняване и изстиване на асфалта.

Така се избягва свръхуплътняването и съответно разтрошаването и промяната на зърнометрията на вложените фракции. Операторът вижда на дисплея в кабината промените в основните параметри. При най-съвършените системи може автоматично да се премине от вибрация към осцилиране или автоматично насочване на посоката на вибрацията съобразно посоката на движение на валяка за максимална гладкост на настилката. Измерването на уплътняването на настилката по гореописания начин има един малък недостатък. То е възможно, само докато е включена вибрацията. Ако тя е изключена или се работи само с осцилиране на бандажа, се получават пропуски в измерването, които се „виждат“ като липса на данни в документираната работа. Ето защо някои производители, като например Caterpillar, измерват уплътняването на друг принцип - чрез съпротивлението при търкаляне на бандажа. Тази система не се използва за асфалт, а за почви и др. подобни по-рохки настилки.

Автоматизация при фрезите за асфалт

При повечето производители на фрези за асфалт има частична автоматизация на някои процеси от работата и настройките на машината, особено относно профила на фрезоването. Но традиционно Wirtgen e винаги няколко стъпки напред и винаги впечатлява с възможно най-модерните си технологии, предлагани на пазара. На световното изложение bauma 2019 в Мюнхен компанията представи за първи път две уникални системи - едната е за измерване на извършеното фрезоване на асфалтовата настилка, а другата е за пълна автоматизация на фрезоването. Wirtgen Performance Tracker (WPT) е решение на немския производител, което за първи път позволява да се документира прецизно и надеждно действително извършеното фрезоване с дадена машина. WPT използва лазерен скенер, с който измерва в напречен разрез фрезования профил (дължина, ширина, дълбочина). Площта и обемът на фрезоване се калкулират точно чрез позициониране по GPS и няколко сензора.

Самият оператор може да следи най-важната информация в реално време от дисплея пред себе си. След приключване на фрезоването автоматично се генерира доклад във формат Excel и PDF, в който фигурират данните от извършената работа и разхода на гориво. Той се изпраща по и-мейл до съответния ръководител. Основно предимство на WPT е възможността да се изчислят точно разходите по изпълнението на обекта, както и да се направят обективни сравнения между производителността и ефективното оползотворяване на ресурса на фрезите в машинопарка на фирмата. Така може да се прецени действително коя фреза е най-подходяща за даден вид обекти.

На свой ред системата за автоматизация Mill Assist бе номинирана за наградата bauma 2019 Innovation Award. Mill Assist взема работни параметри като дълбочина и скорост на фрезоване, обороти на двигателя и др. подобни и съставя над 1 700 000 комбинации от тях. Така машината реагира интелигентно и динамично към промените на работните условия. Дефакто Mill Assist поема почти изцяло отговорността за работата на фрезата вместо оператора, като му предлага винаги най-благоприятното съотношение между производителност на фрезоване и експлоатационните разходи, в т. ч. гориво.  Целият процес се картографира и симулира в реално време. Системата сама може да определи работните си параметри, да информира оператора дали работи икономично, а и го „учи“ в движение какво трябва да прави. Например, ако по проект трябва да се фрезоват 20см и операторът е избрал режим ЕСО, Mill Assist може да му препоръча фрезата да мине два пъти и да отнема всеки път по 10см.

Роботизация при пътностро­ителните машини

В днешно време роботизацията при пътностроителната техника едва прохожда. Засега прототипи на валяци-роботи или т. нар. валяци с автономно управление официално имат само две компании: Hamm и Bomag. Преди няколко години от Caterpillar обявиха, че започват разработки за роботизиране на пътностроителни машини, но засега не е представян прототип. На 18 юни 2020 г. от Caterpillar обявиха придобиването на Marble Robot - специализирана инженерингова компания в областта на автономното и роботизирано управление на машини. Очаквано, роботизацията е следващата логична стъпка след системите за измерване на извършената работа и автоматизацията. Изпитанията на прототипите на валяци-роботи разкриват интересна информация, но също и поставят редица въпроси. Като начало тестовете показват, че се постига значително повишаване на качеството и ефективността при уплътняване. Липсата на оператор и кабина за него, от една страна, се „компенсира“ от значително много повече сензори, следящи не само валирането, но и зоната около валяка: сензори за пространствено разположение, посока на движение, разстояние от други обекти, текущи параметри на уплътняваната настилка, метеорологична обстановка и др.

Валякът трябва да може да „мисли“ и да сравнява тези данни с дадената задача: кои зони имат нужда от още валиране, колко валяка работят едновременно и къде са, къде е асфалтополагачът, каква е целевата степен на уплътняване и подходяща скорост на движение, и др. От друга страна се разкриват големи възможности за генерално преконструиране на машините - например с бандажи с много по-големи диаметри, по-обемисти резервоари за вода, възможност за влагане на обемни пакети от тягови батерии за работа на електричество и др. Една от автономните машини на Hamm с работна маса 9 тона използва бандаж с диаметър почти 2м, а в същото време габаритната є височина е по-ниска от конвенционалните модели с кабина. Един от най-важните въпроси, които сами изникват при избистрянето на концептуалните модели, е например кой носи отговорност при инцидент, причинен от валяк-робот - производителят, собственикът на машината или ръководителят на обекта. Възможностите за неговото решаване подсказват колко много път има за изминаване, докато роботите станат част от строителното ни ежедневие. Все пак посоката е ясна.