Автоматические системы управления для асфальтоукладчиков

Современные автоматические системы управления, обеспечивающие контроль и поддержание поперечного и продольного профиля покрытия, наряду с технологиями непрерывной укладки создают условия для строительства дорог превосходного качества.

Роботизированный тахеометр Trimble ATS

Начало этому направлению положили аналоговые приборы, работающие с механическими средствами копирования базовой поверхности – короткой лыжей, многоопорной лыжей, копирной струной. Эти средства при всех их недостатках дали возможность сделать значительный шаг вперед в повышении качества укладки, и приборы для работы с ними продолжают выпускать. Так, немецкая компания MOBA-Mobile Automation AG поставляет аналоговые датчики и контроллеры семейства G176/S276.

Щуп датчика опирается на лыжу или скользит по струне и передает сигналы в управляющий блок – контроллер, который вычисляет отклонения от заданной высоты и подает корректирующие команды гидросистеме укладчика – гидроцилиндры поднимают или опускают плиту. Если характеристики управляющего сигнала не совпадают с характеристиками гидросистемы, то работа гидроцилиндров будет замедлена либо, наоборот, чрезмерно резка, что нанесет ущерб ровности покрытия. Следует обращать особое внимание на согласованность работы гидросистем конкретных моделей асфальтоукладчиков и аналоговых систем управления, опираясь на рекомендации производителей.

Укладчик ABG Titan, оснащенный системой MOBA-matic

И это не единственная сложность в работе с механическим инструментом. Многоопорная лыжа громоздкая и создает сложности при ее транспортировке, монтаже и использовании. Она работает вне рабочего габарита укладчика, а значит, сфера ее применения ограничена. Лыжа скользит по всем встретившимся на ее пути выпуклостям, «завышая» соответственно среднюю высоту. Возможно ее прилипание и нанесение покрытию повреждений. Установка и демонтаж копирной струны – трудоемкий процесс, а ее использование в темное время суток затруднено. Кроме того, ни струна, ни тем более лыжа не обеспечивают полного соответствия уложенного покрытия требованиям проекта.

Современные цифровые системы управления, в которых используются ультразвуковые и лазерные датчики высоты, а также системы с построителями плоскости и тахеометрами лишены этих недостатков. В отличие от аналоговых систем цифровые системы можно подстраивать под параметры гидроаппаратуры укладчика. Выработанные стандарты цифровых интерфейсов позволяют комплектовать систему из модулей разных производителей и расширять одно- и двухмерные системы до трехмерных. Системы 3D открыли новые возможности в укладке покрытия со сложным профилем в точном соответствии с проектом и без разметки на местности.

Система ROADware RSS на укладчике Vоgele

Значительным шагом вперед в деле стандартизации стало появление цифровой шины CAN (Controller Area Network). Эту удачную разработку в 1980-х годах предложил для автомобильной промышленности Роберт Бош, затем она была стандартизована ISO и SAE и получила широкое распространение во многих отраслях.

Топология сети CAN представляет собой линейную шину с согласующими резисторами на обоих концах. Узлы сети и источник питания последовательно соединены друг с другом экранированным кабелем. Теоретически к шине можно подключать неограниченное число узлов – датчиков, управляющих и исполнительных механизмов, но шина ограничена по длине. У нее эффективный механизм обнаружения и локализации ошибок, шина устойчива к электромагнитным помехам и автоматически отключает неисправные узлы. Теперь огромные связки проводов не нужны, сеть легко расширяется и при этом не требуются дополнительные кабели.

Разработана стандартная версия сети CAN, управляющая гидравликой асфальтоукладчиков. Для машин, оснащенных CAN-интерфейсом, компания MOBA поставляет модульную систему MOBA-maticCAN. Ее цифровой контроллер DLSII обрабатывает данные и передает управляющие сигналы гидросистеме укладчика. Через один разъем контроллер соединяют кабелем с блоком системы управления гидравликой плиты укладчика, через второй разъем – с датчиком, который контроллер опознает автоматически, сразу переходя в рабочий режим.

Контроллер Moba DLSII на укладчике Demag

При подсоединении к контроллеру двух датчиков и более кабели от них соединяют тройниками. Для контроля продольного профиля предназначен датчик Sonic-Ski, оснащенный пятью ультразвуковыми сенсорами, которые замеряют высоту пяти точек на отрезке 25...30 см. При этом самый большой и самый маленький результаты отбрасываются, а оставшиеся три усредняются. Таким образом, исключив единичные отклонения или случайные препятствия, Sonic-Ski дает продольный профиль, более близкий к проектному. Шестой сенсор, расположенный под прямым углом к остальным, предназначен для измерения скорости звука в конкретных атмосферных условиях и внесения корректив в результаты измерения.

Ровность покрытия улучшает комбинация из трех датчиков Sonic-Ski, закрепленных на легкой 12-метровой балке – аналоге длинной лыжи. Каждый датчик работает так же, как одиночный, вычисляя среднюю высоту трех точек, но контроллер еще раз усредняет показания трех датчиков. Этот инструмент компания Moba называет Big-Sonic-Ski. Чтобы оперировать в двухмерном пространстве, контролируя не только продольный, но и поперечный уклон, используют датчик уклона Digi-Slope. Вибрацию и нагрев компенсируют специальные механизмы.

Интересную альтернативу длинной лыже разработала голландская компания ROADware. Ее систему RSS (Road Scanning System) подключают к уже установленной системе управления. Она заменяет датчик высоты и состоит из двух компонентов: лазерного сканера и пульта управления, которые последовательно подключаются к контроллеру.

Призма, входящая в 3D-систему Leica

Сканер устанавливают на высоте 2...2,5 м над поверхностью дороги на боковом щитке либо на боковом несущем рычаге плиты укладчика. Он сканирует зону впереди и позади себя длиной до 30 м снаружи или внутри рабочего габарита укладчика, т. е. систему можно применять при укладке покрытия, например, на городских улицах или узких дорогах, где использование инструмента, выступающего за боковой габарит плиты, затруднено или невозможно. Сканер генерирует лазерный импульс и регистрирует его отражение. По времени прохождения импульсом пути до покрытия и обратно сканер вычисляет расстояние до поверхности. За 13 мкс сканер обследует сектор 180°, измеряя расстояние через каждый градус. Данные измерений посылаются в компьютер, который отфильтровывает существенные отклонения, а по оставшимся точкам рассчитывает среднюю высоту поверхности.

Перед началом работы системе задают точку отсчета, «мертвую зону» – отрезок зоны сканирования, приходящийся на выглаживающую плиту, и минимальную долю достоверных точек в массиве измерений (55...80%). В зависимости от конкретных дорожных и атмосферных условий длину зоны сканирования сокращают (но не менее 9 м) и изменяют высоту сканера. В России одной из первых дорожно-строительных организаций систему RSS начала применять питерская компания ООО «Дорожник-92».

Роботизированный тахеометр Leica TCA2003

При укладке обширных площадей, как горизонтальных, так и под уклоном, в том числе двусторонним, в качестве датчика высоты применяют лазерный приемник, например, Moba LS-250. Его устанавливают на высоте до 4,5 м на мачте на боковину плиты. В зоне видимости ставят ротационный лазерный построитель плоскости, работающий на длине волны 670...1000 нм. Лазерный луч, вращаясь вокруг горизонтальной оси, образует вокруг построителя плоскость. Во время движения укладчика приемник реагирует на отклонения от этой плоскости и подает соответствующий сигнал контроллеру, который в свою очередь корректирует положение плиты.

По таким же принципам, как и компания MOBA, выстраивает свой модельный ряд аппаратуры японская корпорация Topcon. В состав ее системы Paver System 5 последнего поколения (совместима с предшественницей System 4) входит контроллер с ЖК-дисплеем, к которому подключают датчики уклона, ультразвуковые датчики высоты, аналог длинной лыжи Smoothtrac, включающий четыре датчика Sonic Tracker II на легкой длинной несущей. Вместо датчиков высоты можно подключить лазерный приемник Topcon 9130, работающий с построителем плоскости RT-5S.

Для выполнения сложных проектов с частым изменением профиля дороги, уклонами, виражами систему MOBA-matic можно расширить до трехмерной с помощью комплекса Leica Machine Guidance System – Road Paver (LMGS-P) швейцарской компании Leica Geosystems. На укладчик устанавливают бортовой компьютер (Leica Machine Computer MPC) с сенсорным экраном. К компьютеру подключают двухосевой сенсор уклона и призму, закрепленную на мачте на боковом несущем рычаге выглаживающей плиты.

Поверхности, устраиваемые с помощью лазерного построителя плоскости

Роботизированный тахеометр Leica (серии TPS1200, TCA1800, TCA2003, TC2003) с загруженными данными проекта выносят на удобное место в зоне видимости (до 600 м) и привязывают к системе координат строительной площадки по двум-трем опорным точкам. Тахеометр автоматически отслеживает призму и по подключенному к нему радиомодему (TCPS27S) передает данные о текущем положении призмы в бортовой компьютер, куда поступают также дополнительные геометрические параметры от датчика уклона. На их основе компьютер создает трехмерную модель выглаживающей плиты и сопоставляет ее с проектом. При обнаружении отклонения компьютер подает сигнал контроллеру или контроллерам MOBA-matic с тем, чтобы они скорректировали положение плиты. Когда укладчик уходит из зоны видимости тахеометра, тот переносят на новое место. Чтобы укладчик в это время не простаивал, что противоречит требованиям непрерывной укладки, разработана схема с двумя тахеометрами, между которыми укладчик переключается с помощью программной утилиты Leapfrog Assistant.

Аналогичную трехмерную систему предлагает американская компания Trimble Navigation Limited. Ее комплекс BladePro 3D или GCS900 устанавливают на асфальтоукладчики, а также на дорожные фрезы и бульдозеры. В состав комплекса входят бортовой компьютер, универсальное программное обеспечение Terramodel, призма, устанавливаемая на телескопической мачте выравнивающей плиты, роботизированный тахеометр Trimble ATS, датчики продольного и поперечного уклона.

Система может работать и в двухмерном режиме с лазерными приемниками и построителем плоскости или с ультразвуковыми датчиками высоты, которые также поставляет компания. После привязки тахеометра и включения системы он самостоятельно находит призму и затем постоянно отслеживает ее положение. Частоту определения ее координат можно установить до 6 раз в секунду.

Лазерные построители плоскости Leica

Тахеометр передает по радиомодему координаты в бортовой компьютер, в который загружены проектные данные. Компьютер сопоставляет данные от тахеометра и датчиков уклона с проектными данными и вычисляет корректирующие действия гидросистемы, которые выполняются автоматически или при необходимости вручную оператором, который ориентируется по информации, выводимой на сенсорный экран компьютера. Систему Topcon System 5 также можно расширять до трехмерной – Topcon 3D Machine Control. Состав ее аналогичен – бортовой компьютер, призма, тахеометр и датчики уклона.

При использовании систем с роботизированными тахеометрами работы выполняются быстрее, так как трудоемкие операции по выносу проекта на натуру и контроля после каждого прохода машины сведены к минимуму.

Система обеспечивает комплексное исполнение сложных проектов с описанием кривых, виражей и др. с высокой точностью, исключая перерасход асфальта, поскольку обеспечивается постоянная ровность слоев. Оборудование включает несколько компактных модулей, т. е. нет сложностей с монтажом, демонтажем, маневрированием укладчика и транспортировкой оборудования, как, например, в случае с многоопорной лыжей или струной. Кроме того, если отсутствует контакт с поверхностью, то отсутствует механический износ компонентов системы и исключено влияние базовой поверхности на ровность укладываемого слоя. Работы можно вести круглосуточно: оператор ориентируется «по приборам». Для привязки тахеометра к системе координат возможно подключение к нему GPS-приемника.