Системы интеллектуального управления экскаваторов

Однако преимущества этих экскаваторных систем управления, подробнее на которых мы остановимся ниже, вызывают у строительных компаний интерес. К тому же, когда на строительном объекте работают бульдозеры и автогрейдеры, уже оснащенные автоматизированными системами управления и технологиями спутниковой навигации GPS/ ГЛОНАСС, а для экскаватора приходится привлекать для разметки геодезистов и по старинке вбивать вешки, затрачивая лишние деньги и время, у строителей возникает естественное желание поднять «интеллектуальный уровень» экскаваторов. Как пошутил один строитель: «Это то же самое, что жить в доме без водопровода, когда у всех соседей уже есть горячая и холодная вода».

Сначала на экскаваторах применялись системы автоматизированного управления, разработанные для автогрейдеров и бульдозеров и приспособленные под функции экскаватора, а поскольку характер рабочих движений экскаватора существенно отличается от движений других машин, подобные системы имели ряд недостатков. Поэтому в последние годы компании – разработчики автоматизированных систем управления земляными работами стали создавать продукты специально для экскаваторов.

Кроме того, гидросистемы современных экскаваторов «умнеют», производители переходят от гидромеханических систем к электрогидравлическим, благодаря чему повышаются и функциональные возможности гидросистем, и возможности автоматизировать различные функции. Расширяются возможности выбора режимов работы и регулировок систем экскаватора, а значит, и возможности повышения производительности и экономичности работы машин.

Работа интеллектуальных систем управления

В состав любой экскаваторной интеллектуальной системы управления земляными работами входит несколько датчиков наклона (акселерометры) и углового ускорения (поворота), которые могут устанавливаться на ковше, рукояти и стреле, корпусе надстройки, в гидроцилиндрах подъема и наклона, шарнирах стрелы и рукояти. По их показаниям система определяет положение режущей кромки ковша.

Прежде всего, существуют системы интеллектуального управления базового (начального) уровня – указывающие/ сигнализирующие. Оператор вводит на мониторе необходимую глубину копания, и система в процессе копания будет указывать, на каком расстоянии режущая кромка или зубья ковша находится от заданного уровня. Когда режущая кромка ковша при копании приближается к заданной глубине на расстояние около 100 мм, система предупреждает оператора световыми сигналами (например, в виде точек) на мониторе в кабине, и раздается звуковой сигнал. Тон звука меняется по мере приближения ковша к заданному уровню. Однако точность этой работы зависит от того, насколько точно оператор выполняет указания системы.

Системы управления более высокого уровня могут ограничивать движение ковша так, что он не сможет копать ниже установленной глубины, автоматически регулируют высоту положения стрелы, поддерживают постоянный угол наклона режущей кромки, который оператор может задать, чтобы усилие внедрения ковша при копании было оптимальным в данных условиях, и ковш формирует заданную в проекте линию поверхности с точностью в пределах 20 мм. Автоматика не позволяет ковшу забирать грунта больше, чем необходимо. Оператор просто управляет движением рукояти ковша с помощью одного джойстика и может сосредоточить внимание на перемещении грунта. В зависимости от конкретных задач управление может быть 2- или 3-мерным.

Заметим, что полнофункциональная 3D-система интеллектуального управления экскаватора может стоить в 3–6 раз дороже 2D-системы начального уровня, поэтому, если у строительной компании есть сомнения, смогут ли при ее не очень больших объемах земляных работ быстро окупиться капиталовложения в интеллектуальную систему управления, она может приобрести систему базового уровня. Она работает от вращающегося источника лазерного сигнала и обеспечивает в основном такие же указания оператору для выполнения земляных работ, как и системы более высокого уровня: световые и звуковые предупредительные сигналы на стандартном мониторе в кабине экскаватора, когда режущая кромка ковша достигает заданной глубины.

Интерфейс программ управ­ления совершенствуется. Диалоговые системы управления земляными работами могут быть сложными для освоения и эффективного использования. Поэтому разработчики подобных систем для экскаваторов идут по пути интеграции их в общую систему управления машиной, чтобы исключить ручное управление выемкой грунта и планировкой участка. Оператор должен иметь возможность управлять машиной быстро и интуитивно. С этой целью разработчики отказались от клавиш и ручек, управление системой осуществляется через сенсорный экран. Меню и диалоговые кнопки имеют достаточные размеры даже для работы в перчатках. Оператору намного проще нажать пальцем на нужную функцию, а не вспоминать, какие клавиши каким функциям соответствуют.

Преимущества интеллектуальных систем управления

Испытания, проведенные компанией Caterpillar, показали, что применение простой указыва­ющей/ сигнальной системы земляными работами может повысить производительность даже квалифицированного оператора экскаватора на величину до 22–35%, а при использовании полнофункциональной 3D-системы – на 45%.

На основании этих цифр можно оценить размеры возможной прибыли строительной компании от применения данных систем.

Приведем пример из практики. Одна компания оснастила простой указывающей/ сигнальной системой экскаватор. На машину посадили оператора, имевшего опыт работы всего 30–40 часов. Обучали его в течение менее чем двух часов, после чего поручили выкопать траншею для трубы длиной 90 м. Он выкопал всю эту траншею совершенно самостоятельно, точно выдержал глубину – ее после проверили GPS-нивелиром. Работа заняла вдвое меньше рабочего времени (человеко-часов) по сравнению с ситуацией, когда подобная система не используется. При прокладке траншеи традиционным способом был бы нужен работник, проверяющий глубину, либо оператору пришлось бы самому периодически покидать кабину и проверять глубину траншеи. К тому же, неоднократно покидая и вновь забираясь в кабину, оператор рискует упасть и травмироваться. Да еще и экскаватор, работая на холостом ходу, потребляет лишнее топливо. Остался доволен и руководитель работ – ему уже не нужно было нянчиться с малоопытным оператором, и появилось больше времени для важных дел.

Итак, применение на экскаваторе интеллектуальных систем управления позволяет выполнять земляные работы быстрее и точнее. Все данные доступны оператору непосредственно в кабине машины. Информация о сравнении данных цифрового проекта с действительным положением ковша постоянно отображается на экране монитора.

Отсюда появляется целый ряд преимуществ: исключаются затраты на установку геодезических вешек, оплату труда геодезистов и исправление ошибок при работе. Не выкапывается/ отсыпается лишний материал – нет затрат на его транспортировку. Экономятся топливо и моторесурс машин, оплата рабочей силы.

Интеллектуальные системы управления помогают оператору в работе, до определенной степени дают возможность работать вслепую, когда оператор не может ориентироваться по геодезическим отметкам, и тем самым позволяют решить проблему с кадрами экскаваторщиков, которая всегда стоит остро.

И наконец, повышение скорости и качества земляных работ – это преимущество компании при участии в тендерах.

Системы различных компаний

Topcon Positioning Systems, Inc. X63 – трехмерная спутниковая экскаваторная система управления обеспечивает полный планово-высотный контроль положения ковша экскаватора относительно проектной поверхности. Позволяет загрузить в бортовой блок управления цифровой проект, строить картограммы земляных работ и выполнять окончательное сравнение подготовленной поверхности с проектом. Имеется функция выполнения топографической съемки средствами самого экскаватора. На экране монитора в кабине отображается динамика выполнения земляных работ, включая трехмерную визуализацию рельефа с текстурами, графически указывается точное положение экскаватора на объекте и режущей кромки ковша относительно проектной поверхности. Управление системой осуществляется посредством сенсорного экрана.

Определение координат и ориентация экскаватора на рабочем объекте происходит с помощью системы навигации GPS/ ГЛОНАСС.

Достоинством X63 является возможность быстрого монтажа и настройки компонентов системы на любой экскаватор на гусеничном или колесном ходу. Установка системы на экскаватор занимает примерно день, столько же требуется на выполнение калибровки основных измерительных узлов. В дальнейшем калибровка может выполняться только при необходимости (при установке системы на другую машину или после ремонта), специального технического обслуживания не требуется.

Topcon также предлагает полнофункциональную 3D-систему для экскаваторов Х33 с определением местоположения ковша и формирования поверхностей с помощью GPS/ ГЛОНАСС. Данная система имеет дисплей небольшого размера GX 30 и обновленный спутниковый приемник. Благодаря этому система X33 относится к более бюджетному классу, не теряя основных преимуществ оборудования Topcon. С этого года Topcon предлагает на рынок также и новейшую систему контроля X53. Одной из ключевых особенностей этой системы является использование новой панели управления GX-55. Это самая тонкая защищенная панель в классе. Благодаря новому оборудованию система Х53 может традиционно использовать для определения координат спутниковые приемники, а также благодаря обновленной конфигурации получать позицию от роботизированного электронного тахеометра, что полезно в закрытых от неба местах.

Все системы предназначены для выполнения больших объ­емов земляных работ, дорожного строительства, выемки котлованов под фундамент и т. д. Эти системы особенно помогают оператору в ситуациях, когда выемка грунта производится в сложных условиях: «вслепую», за какими-то препятствиями или под водой.

Благодаря модульной архитектуре отдельные компоненты систем могут переставляться или обмениваться с другими машинами и системами.

Системы могут быть включены в состав и взаимодействовать с комплексной телематической системой управления всей техникой строительного объекта.

В ноябре 2014 г. компания Komatsu представила мод. PC210LCi-10 – первый в мире «интеллектуальный экскаватор с автоматизированной 3D-навигационной спутниковой системой управления земляными работами». Система разработана совместно с компанией Topcon, автоматизирует выполнение части операций копания, предотвращая выемку грунта больше необходимого, сокращает время выполнения земляных работ на величину до 63%, она гибкая и может настраиваться в зависимости от потребности.

Lieca Geosystems. Система Leica PowerDigger Lite iCON – это простая, экономичная и надежная система автоматизированного управления для экскаваторов. Датчики устанавливаются на стрелу, рукоять и ковш. Блок управления планировкой склона с цветным 3,5-дюймовым дисплеем можно легко модернизировать в 2-мерную систему управления планировкой двойных склонов. Может работать с лазерным нивелиром. Возможна модернизация в форму 3D-управления, система поддерживает работу с навигационным оборудованием GPS/ ГЛОНАСС. На экране точно указываются значения высоты и угла наклона поверхности. Система упрощает работу вслепую – при выемке грунта под водой и в других случаях, когда не видно рабочей зоны. Возможно дистанционное управление с помощью водонепроницаемого беспроводного пульта.

Компания Case в стратегическом партнерстве с Lieca Geosystems разрабатывает и внедряет системы автоматизированного управления на оборудование Case.

Trimble предлагает простую и надежную интеллектуальную систему управления земляными работами для экскаваторов GCSFlex. Система предлагается в нескольких конфигурациях для различных видов и условий работ. Для установки компонентов системы не требуется ни сварки, ни сверления отверстий, поэтому система удобна для оснащения арендованной техники. GCSFlex может работать с системой навигации GPS/ ГЛОНАСС, с лазерным сканером поверхности, имеет практически не ограниченный объем памяти для архивации координат и настроек на разные модели ковшей.

Чтобы упростить адаптацию для машины системы автоматического трехмерного управления, компания Trimble упростила требования к инфраструктуре GPS/ ГЛОНАСС, которая необходима для использования на небольших строительных объектах. Существует альтернативная возможность использовать базовую станцию связи Wi-Fi с системой автоматизированного управления Trimble. Связь для навигации по GPS/ ГЛОНАСС фактически осуществляется через Wi-Fi машины. Хотя такая организация несколько ограничивает дальность связи, она прекрасно подходит для небольших строительных объектов, поскольку в таких случаях не требуется, чтобы машины сильно удалялись от базовой станции.

Компания Caterpillar совместно с компанией Trimble разработала систему автоматизированного управления экскаватором Cat GRADE with Assist. Система автоматизирует движения стрелы и ковша при планировке, выемке траншей и котлованов, формировании склонов. Система значительно уменьшает долю ручной работы при управлении и вероятность ошибок при работе, а также снижает утомляемость оператора и улучшает качество выполнения земляных работ операторами любой квалификации. Обеспечивает точность в пределах 20–30 мм, ускоряет выполнение работ на величину до 45%. Настройка, обеспечивающая точность работ, осуществляется системой автоматически, оператор просто регулирует скорость движений. При наличии препятствий сверху – потолка или воздушных коммуникационных линий – можно задать ограничение по высоте подъема стрелы, рукояти и ковша. Система не позволяет режущей кромке ковша внедряться/ копать грунт ниже заданного уровня. GRADE with Assist предлагается в форме 2-мерного управления, для проектов большой величины или высокой сложности система легко может быть модернизирована в 3-мерную форму, поддерживает работу с GPS/ГЛОНАСС.

MOBA Mobile Automation AG разработала системы автоматизированного управления экскаватором Xsite. Главным их достоинством являются трех­осевые датчики уклона, с помощью которых определяется положение ковша, они устанавливаются на стрелу, рукоять, ковш и поворотную платформу экскаватора и работают по принципу «уклон–вращение». Эта особенность позволяет использовать систему даже в самых сложных условиях. Модульная конструкция систем Xsite позволяет проводить модернизацию от самой простой Xsite Easy до Xsite Link и высокотехнологичной Xsite PRO в форме 2D и 3D. Датчики, связанные через шину CAN, работают с любой из названных модификаций системы.

В процессе работы система Xsite Easy контролирует глубину копания, уклон и расстояние. Она подходит для выполнения различных земляных работ: при устройстве фундаментов, строительстве дорог, планировке поверхностей, прокладке коммуникаций в траншеях, подводной выемке грунта. Результаты работы отображаются на дисплее, например, при выемке под водой на экране всегда видно положение ковша и поверхность грунта. Xsite Easy может работать с лазерным построителем поверхности, есть функция ограничения высоты подъема, полезная при работе под ЛЭП или в помещении.

Система Хsite Link с поддержкой GPS/ ГЛОНАСС предназначена для малых и средних строительных проектов, обеспечивает работу в трехмерном режиме. Используя систему Xsite Link, оператор может самостоятельно создавать цифровые модели небольших трехмерных объектов (котлованы под фундамент, траншеи, каналы и т. д.).

Xsite PRO – универсальная система для крупного строительства. Эта высокотехнологичная система содержит множество дополнительных трехмерных функций и оптимально подходит для строительства дорог на основе трехмерных моделей местности.

В системах Xsite Link и Xsite PRO используются сенсорные дисплеи размером 5,7 или 8,4 дюйма соответственно.

Международная компания Bridgin представляет систему автоматизированного управления экскаваторами iDig. Датчики угла устанавливаются без применения сварки, с помощью быстросъемных магнитных креплений, связь с аппаратурой в кабине осуществляется по радиоволнам, без проводов, благодаря этому систему можно легко переносить с одной машины на другую. Данные о работе машины представляются на цветном мониторе. Система показывает световыми сигналами, какое расстояние осталось от режущей кромки до заданной глубины. Настройки для каждой из нескольких машин сохраняются в памяти машины. iDig может работать на машине, использующей несколько ковшей: она автоматически распознает ковш и включает нужные настройки. Система поддерживает работу с лазерным нивелиром и может быть дополнена приемником лазерного сигнала, что ускоряет работу. iDig предлагается в трех исполнениях, различающихся по функциональности, и способна выполнять следующие виды работ: выемку различных траншей и котлованов под фундаменты и опоры, работу с грейфером и гидробуром и т. д.