Rys. Leica Geosystems

Rozwój technologii pozwala coraz częściej na sterowanie maszynami, a ich praca może być prowadzona w oparciu o:

• metody wizualne, gdzie poziomem odniesienia dla operatora są paliki zastabilizowane zgodnie z projektem,
• systemy pomiarowe, gdzie poziomem odniesienia dla czujników zamontowanych na maszynie jest płaszczyzna wyznaczona przez laser lub dane z tachimetru, a dla operatora poziomem odniesienia są wskazania czujnika,
• systemy sterowania, gdzie poziomem odniesienia są dane pochodzące z nawigacyjnych systemów satelitarnych i z projektu numerycznego przetworzone przez komputer pokładowy i wyświetlone na ekranie w kabinie.

Ciągłe dążenie producentów systemów do doskonalenia ich dokładności, trwałości oraz niezawodności, ma zapewnić potencjalnemu użytkownikowi maksymalną wydajność.

Niektóre prace ziemne czy drogowe wymagają najwyższej dokładności wykonania i narzucają konieczność wyznaczenia współrzędnych odpowiednich punktów z milimetrową dokładnością. Z uwagi na szybki rozwój technologiczny, nowoczesne systemy sterowania cechuje duża elastyczność i możliwość dekomponowania o dobrze określonych granicach oraz dobrze wyspecyfikowanym interfejsie pomiędzy poszczególnymi podzespołami. Szeroki wachlarz zastosowań w budownictwie ziemnym, drogowym czy też mieszkaniowym, korzystnie wpływa na konkurencyjność danego systemu sterowania. Możliwość mierzenia odpowiedniej wysokości, kąta nachylenia i wychylenia, to podstawowe kryteria doboru.

Systemy sterowania mają głównie za zadanie: przyśpieszenie wykonania powierzonych zadań, zmniejszenie liczby poprawek, ograniczenie do minimum wytyczeń geodezyjnych i prac kontrolnych, w efekcie czego – zredukować koszty i polepszyć zarządzanie maszynami roboczymi.

Systemy 1D, 2D i 3D na koparki i koparkoładowarki
Koparka i koparkoładowarka są specyficznymi maszynami do sterowania, jako że wykorzystuje się je przy wykopach, remontach kapitalnych, a nawet do precyzyjnej niwelacji terenu. Prace te niekiedy są wspomagane przez wizualizację pozycji łyżki koparkowej w czasie rzeczywistym oraz wskazówki dla operatora wyświetlane na ekranie, a więc: widok łyżki z profilu, kierunek wykopu (widok), widok przekroju, aktualna wysokość czy też wybór punktu odniesienia.

System 1D to system jednospadkowy, w którym do pracy nie wykorzystuje się lasera. Głębokość kopania jest wyświetlona bezpośrednio na panelu kontrolnym w kabinie operatora.

System sterowania 1D na koparkę wykorzystuje trzy czujniki zamontowane na: łyżce koparkowej, ramieniu i wysięgniku. Czujnik na ramieniu ma wbudowany odbiornik laserowy. System za każdym przestawieniem musi być odnoszony wysokościowo do powierzchni laserowej lub fizycznego punktu (np. palik, krawężnik, reper). Projektowana głębokość od wysokości odniesienia oraz spadek muszą być zadawane w panelu kontrolnym. Ten system umożliwia pracę tylko ze spadkiem jednokierunkowym. Strzałki na ekranie wskazują operatorowi czy kopie za głęboko, za płytko czy też zgodnie z projektem. Informacje są także podawane za pomocą sygnałów dźwiękowych. Wartości liczbowe są wyświetlane na ekranie LED w metrach lub stopach. Funkcje i zastosowanie systemu 1D na koparki i koparkoładowarki to:

• głębokość (wykopy pod ławy fundamentowe),
• spadek (budowa nasypów z zadanym spadkiem),
• głębokość i spadek (wykonywanie wykopów pod rurociągi),
• wykopy pod wodą,
• równanie terenu,
• odniesienie laserowe, umożliwiające wykorzystanie płaszczyzny laserowej jako odniesienia,
• zaawansowany wykop ze spadkiem wzdłużnym na zadanej głębokości,
• alarm wysokości. Sygnał dźwiękowy ostrzega operatora jeśli najwyższy element maszyny przekroczy zadaną wysokość, co jest przydatne podczas kopania wykopów pod mostami i pod liniami energetycznymi.

System 2D umożliwia wykonywanie m.in. wykopów o różnej głębokości poszczególnych jego części oraz skarp, z dowolną orientacją, bez potrzeby resetowania maszyny lub wysokości lasera prowadzącego. System wyświetla aktualne położenie łyżki koparkowej względem głębokości projektowanej oraz skarpy, ułatwiając operatorowi szybsze wykonanie zadanego profilu. Operator może rozpocząć od pracy z systemem jednospadkowym, a następnie rozbudować do dwuspadkowego, dodając sensory obrotu i pochylenia łyżki. Funkcja ta pozwala na precyzyjne kształtowanie krawędzi, skarp i obrysów w dowolnym kierunku.

Jeśli koparka ma zamontowaną głowicę wychylno-obrotową (rys. 1), operator otrzymuje czytelne informacje dotyczące bieżącego wychylenia i kąta obrotu łyżki w stosunku do powstającego obiektu, np. wykopu.

Rys. 1. Koparka z zamontowaną wiertnicą obrotową
Rys. Leica Geosystems

System 2D w koparkach obsługuje również przystawki wiercące (wiertnice obrotowe) (rys. 1). System umożliwia graficzną wizualizację położenia góry i dołu wiertnicy:

• szpic wiertnicy jest pokazany jako wypełniony zielony okrąg, jeśli punkt wiercenia znajdzie się w odległości (0-5 cm) od szpicu, a góra jest pokazana jako pusty pomarańczowy okrąg, jeśli znajdzie się ona w odległości +5 cm od punktu wiercenia;
• szpic zmieni kolor na czerwony jeśli znajdzie się w odległości +5 cm od punktu wiercenia, a góra wiertnicy zmieni kolor na niebieski, jeśli znajdzie się nad punktem wiercenia;
• góra i dół wiertnicy znajdują się we właściwej pozycji – można rozpocząć wiercenie, ramię można przesunąć/obrócić górną część i odczytać wartości X i Y dla kolejnego punktu do wiercenia.

Systemy 3D ułatwiają realizację złożonych projektów drogowych i przygotowanie placu budowy. Daje to operatorowi kontrolę nad jego pracą bez potrzeby polegania na osobach trzecich podczas prowadzenia łyżki koparkowej. System umożliwia zarówno pracę ze spadkiem dwukierunkowym w 2D, a także zależnościami między poszczególnymi modułami funkcyjnymi systemu i danymi GNSS (Globalne Systemy Nawigacji Satelitarnej) w 3D.

Zaawansowane sterowanie 3D wykorzystuje modele projektowe 3D (CAD). Informacje projektowe oraz wskazania góra/dół są wyświetlane na panelu sterowania w kabinie maszyny, pozwalając na szybką realizację wykopów w odniesieniu do projektu. System eliminuje konieczność kontroli spadku, zwiększając zarówno bezpieczeństwo operatora jak i wydajność pracy. Geodeci nie muszą przebywać na obszarze prac ziemnych.

Rys. 2. Koparka jednonaczyniowa z głowicą wychylno-obrotową wyposażona w wymienny system sterowania 2D/3D
Rys. Leica Geosystems

W przypadku koparek systemy 2D/3D (rys. 2) przysparzają następujących korzyści:

• eliminują możliwość wykonania zbyt głębokiego wykopu i kosztownego przewożenia urobionego gruntu;
• zwiększają wydajność maszyny, redukując zależność od ekip pomiarowych (geodetów);
• zmniejszają ilość poprawek i zwiększają wydajność pracy, pozwalając zaoszczędzić paliwo, zmniejszyć obłożenie maszyny oraz szybciej wykonać dane zlecenie;
• umożliwiają wykonywanie wykopów podwodnych i „na ślepo”;
• pozwalają na precyzyjne kształtowanie krawędzi, skarp i obrysów w dowolnym kierunku dzięki obsłudze głowic obrotowo-wychylnych.

Rozwiązania 2D i 3D na spycharki i równiarki
Spycharka pojawia się w procesie budowlanym tam, gdzie istnieje konieczność przemieszczenia dużej ilości materiału gruntowego, zazwyczaj na poziomie podłoża. Zadaniem równiarki jest końcowe wyrównanie nawierzchni przygotowanej już wcześniej „z grubsza” przez ciężki sprzęt, taki jak zgarniarki i buldożery. Aby praca tych maszyn była dokładnie i precyzyjnie wykonana, można je wyposażyć w systemy sterowania:

• w spycharkach spotyka się systemy 1D, 2D jak i 3D,
• w równiarkach natomiast 2D i 3D.

Dzięki tym systemom w spycharkach możliwe jest uniknięcie błędów w zakresie wykopów oraz można mieć kontrolę nad zużyciem materiałów. Można przy tym znacznie zwiększyć wydajność na budowie. Szczególnie w przypadku spycharki, która wykonuje prace na tzw. „wymiar”, systemy te eliminują konieczność wykorzystania równiarek w kolejnym etapie robót, a co za tym idzie skracają czas pracy tych maszyn.

Rys. 3. Konfiguracje systemów 2D dla spycharki
Rys. Leica Geosystems

Systemy w spycharkach umożliwiają automatyczną kontrolę zarówno spadku, jak i wysokości. Korzystając z dwóch masztów z czujnikami laserowymi można pracować niezależnie od kierunku spadku. Konfiguracje systemów 2D dla spycharek (rys. 3) są następujące:

• sterowanie przez odbiornik laserowy i czujnik spadku (rys. 3a),
• sterowanie przez dwa odbiorniki laserowe (rys. 3b),
• sterowanie przez maszt elektryczny z odbiornikiem laserowym i czujnikiem spadku (rys. 3c),
• sterowanie przez dwa maszty elektryczne z odbiornikami laserowymi (rys. 3d).

Funkcja automatycznego pochylenia umożliwia stałą kontrolę nad lemieszem spycharki, a czujnik pochylenia jest montowany na lemieszu celem kontroli spadku poprzecznego lemiesza. W funkcji automatycznej wysokości, odbiorniki laserowe wykrywają wiązkę lasera w zakresie 360º.

W przypadku spycharek z 6-stopniowym lemieszem, zastosowanie znalazły systemy 3D. Takie rozwiązanie oparte jest na dwóch antenach GNSS (fot. 1) i umożliwia prace z maksymalną szybkością, zapewniając precyzję i elastyczność zastosowań. Dokładne obliczenie kierunku oraz kąta pochylenia lemiesza pozwala na precyzyjne rozkładanie materiału za każdym przejazdem dzięki czemu operator jest w stanie bardzo szybko wykonać daną pracę, minimalizując poprawki. Skośne ustawienie lemiesza i bardziej efektywne kontrolowanie materiału, umożliwia pracę z pełną prędkością i maksymalną dokładnością.

Fot. 1. System 3D w spycharkach z 6-stopniowym lemieszem
Fot. Leica Geosystems

System 3D na spycharkę wykorzystywany jest głównie przy równaniu ostatnich warstw materiału. Operatorowi pozwala kontrolować powierzchnie oraz krawędzie projektowe, i nie jest on zależny od palików i linek tyczonych przez geodetów. Przy pomocy systemów do równiarek możliwe jest bardzo precyzyjne wykończenie podłoża i przygotowanie go do etapu końcowego.

Systemy 2D na równiarki umożliwiają przygotowanie terenu pod realizacje projektów budowlanych. Systemy te regulują wysokość i spadek poprzeczny za pomocą czujników:

• pochylenia lemiesza (montowany na lemieszu celem kontroli spadku poprzecznego lemiesza);
• pochylenia maszyny (kompensacja pochylenia umożliwia precyzyjną kontrolę spadku i wysokości bez względu na uwarunkowania terenowe);
• obrotu (wyposażony w potencjometr, który umożliwia określenie kąta obrotu lemiesza).

Rys. 4. Konfiguracje systemów 2D dla równiarek
Rys. Leica Geosystems

Konfiguracje systemów 2D (rys. 4) dla równiarek są następujące:

• system ultradźwiękowy (rys. 4a),
• system z jednym masztem elektrycznym (rys. 4b),
• system ultradźwiękowy i maszt z odbiornikiem laserowym(rys. 4c),
• system z dwoma masztami elektrycznymi (rys. 4d).

Fot. 2. System 3D dla równiarek
Fot. Leica Geosystems

Automatyczne sterowanie równiarką pozwala kontrolować położenie lemiesza z milimetrową dokładnością, dzięki czemu system ten nadaje się do finalnego równania powierzchni. Realizowane jest to na podstawie danych projektowych 3D i pozycjonowania odbiornikiem GNSS (fot. 2) lub tachimetrem. Natomiast podczas precyzyjnego wykonywania załamanej korony drogi lub przedłużenie jej dowolnego elementu na zewnątrz, system może być wyposażony w blokadę spadku.
System 3D na równiarkę może być wyposażony w czujniki:

• ultradźwiękowe (jako odniesienie po jednej stronie maszyny, gdzie przy wykonywaniu krawężnika, sąsiedniego pasa jezdni, zapewnia się dokładne odniesienie wysokości dla lemiesza, a po drugiej spadek poprzeczny);
• obrotu (kompensuje wpływ kąta obrotu obrotnicy na realizowany spadek poprzeczny, a operator ustawia lemiesz dogodnie tak jak tego potrzebuje);
• pochylenia lemiesza (precyzyjnie utrzymujący założony spadek poprzeczny);
• pochylenia maszyny (kompensacja pochylenia umożliwia precyzyjną kontrolę spadku bez względu na uwarunkowania terenowe).

Systemy 2D i 3D na rozkładarki mas bitumicznych
Rozkładanie asfaltu w końcowej fazie przy pomocy rozkładarek różni się od prac ziemnych tym, że materiał i błędy są w tym przypadku bardzo kosztowne. Dlatego ważne jest używanie odpowiedniego systemu 2D lub 3D (fot. 3). Dodając odbiorniki laserowe, można uzyskać dużo lepsze dokładności przy pracach liniowych np.: przy budowie autostrad.

Fot. 3. System sterowania pracą rozkładarki mas bitumicznych
Fot. Leica Geosystems

Do sterowania pracą rozkładarki używane są systemy 2D, które pozwalają na precyzyjne rozkładanie asfaltu. Składają się z trzech typów czujników: pochylenia poprzecznego stołu, podajnika i ultradźwiękowego (zamontowany jest po obu stronach maszyny). Sygnały ze wszystkich sensorów, w tym wysokość stołu nad poziomem odniesienia mierzona przez czujniki ultradźwiękowe, trafiają do dwóch komputerów sterujących, umieszczonych po obu stronach rozkładarki. Czujniki te kontrolują wysokość od poziomu odniesienia – może to być np. powierzchnia remontowanej drogi, krawężnik lub linka referencyjna, wyznaczająca projektowany profil układanej powierzchni. Czujnik podajnika kontroluje ilość podawanej masy asfaltowej. Sygnały sterujące przekazywane są do siłownika hydraulicznego, który automatycznie wprowadza zmiany ustawienia belki. Operator rozkładarki ma możliwość ciągłego kontrolowania wysokości i nachylenia na panelu komputera sterującego i ewentualnie korygowania ustawień. Odpowiedź systemu pozwala zachować właściwy profil w każdym miejscu.

Systemy 3D w rozkładarkach zapewniają automatyczną kontrolę wysokości oraz spadku poprzecznego, umożliwiając sterowanie maszyną bez potrzeby używania linek. Poczynając od danych projektowych, bieżąca pozycja 3D jest mierzona przez tachimetry i/lub odbiorniki GPS i przesyłana do komputera maszyny. Precyzyjne czujniki zapewniają dokładne wyznaczenie spadku podłużnego i poprzecznego. Wyniki porównania wartości bieżących z projektowanymi powodują wprowadzenie poprawek do wysokości i spadku, które są niezbędne, aby utrzymać maszynę na założonej powierzchni, zwykle z dokładnością ±5 mm, zależnie od panujących warunków.

Podsumowanie
Przedstawione w artykule systemy sterowania pracą maszyn roboczych są niewątpliwie ciekawym narzędziem ułatwiającym ich pracę. Znaczne zwiększenie efektywności, oszczędność, wydajność, jakość, to tylko niektóre cechy omówionych powyżej rozwiązań, a to wszystko w celu zapewnienia użytkownikom modułowych i jednolitych rozwiązań zarządzania pracą na placu budowy.
Do zalet systemów sterowania można zaliczyć:

• podniesienie wydajności i dokładności pracy,
• ograniczenie prac przygotowawczych i kontrolnych,
• całkowita kontrola nad przebiegiem pracy poszczególnej maszyny roboczej, jak i zespołu maszyn.

Do wad systemów sterowania można zaliczyć:

• znaczący koszt zakupu,
• brak opłacalności stosowania systemów na małych inwestycjach,
• duża wrażliwość na uszkodzenia mechaniczne,
• szkodliwy wpływ na zdrowie osób pracujących w obrębie strefy bezpośredniego oddziaływania systemu sterowania (np. promieniowanie laserowe).

mgr inż. Paweł Sosiński
OKZ Kursal