Автоматические системы управления для асфальтоукладчиков

Роботизированный тахеометр Trimble ATS

Аналоговые приборы, которые работают с механическими средствами копирования базовой поверхности - копирной струной, многоопорной лыжей и короткой лыжей - положили начало этому направлению. Несмотря на то, что эти средства имеют свои недостатки, они позволили значительно усовершенствовать качество укладки. Для работы с ними налажен выпуск специальных приборов. Например, компания MOBA-Mobile Automation AG (Германия) поставляет контроллеры и аналоговые датчики семейства G176/S276.

Контролер (управляющий блок) принимает сигналы от щупа датчика, который скользит по струне или опирается на лыжу. Контролер обрабатывает данные и определяет отклонения от заданной высоты, подает гидросистеме укладчика корректирующие команды. Согласно полученным командам гидроцилиндры опускают или поднимают плиту. В случае, когда характеристики гидросистемы не соответствуют характеристикам управляющего сигнала, работа цилиндров будет либо чрезмерно резка, либо наоборот, замедлена, что повредит ровности покрытия. Основываясь на рекомендациях производителей, следует обратить внимание на согласованность работы аналоговых систем управления и гидросистем конкретных моделей асфальтоукладчиков.

Существуют и другие сложности в работе с механическим инструментом. Имеются проблемы при использовании, монтаже и транспортировке крупногабаритной многоопорной лыжи. Сфера ее использования ограничена, так как она работает вне рабочего габарита асфальтоукладчика. Имеется вероятность прилипания лыжи и нанесения дорожному покрытию повреждений. Она скользит по всем встретившимся на ее пути выпуклостям, "завышая" соответственно среднюю высоту. Затруднено использование копирной струны в темное время суток. Кроме того, ее демонтаж и установка - достаточно трудоемкий процесс. Ни лыжа, ни струна не обеспечивают абсолютного соответствия уложенного покрытия требованиям проекта.

Не имеют данных недостатков системы с построителями плоскости и тахеометрами, а также современные цифровые системы управления, в которых применяются ультразвуковые и лазерные датчики высоты. Цифровые системы, в отличие от аналоговых систем, можно подстраивать под параметры гидроаппаратуры асфальтоукладчика. За счет выработанных стандартов цифровых интерфейсов одно- и двухмерные системы могут быть расширены до трехмерных, а сама система может быть скомплектована из модулей разных производителей. Системы 3D открыли новые перспективы в укладке покрытия со сложным профилем без разметки на местности и в полном соответствии с проектом.

Укладчик ABG Titan, оснащенный системой MOBA-matic

Существенным техническим прорывом в вопросе стандартизации стало появление шины CAN (Controller Area Network). В 1980-х годах это новшество предложил Роберт Бош. Сначала она была принята для автомобильной промышленности, а затем стандартизована ISO и SAE и стала широко применяться во многих отраслях.

Топология сети CAN - это линейная шина с согласующими резисторами на обоих концах. Она способна автоматически отключать неисправные узлы, устойчива к электромагнитным помехам и обладает эффективным механизмом обнаружения и локализации ошибок. Экранированный кабель последовательно соединяет друг с другом узлы сети и источник питания. Шина имеет ограничение по длине, однако к ней можно подключать любое количество узлов - управляющих и исполнительных механизмов, датчиков. Нет необходимости в больших связках проводов, сеть можно легко расширить без использования дополнительных кабелей.

Создана стандартная версия сети CAN, которая управляет гидравликой асфальтоукладчиков. Компания MOBA предлагает модульную систему MOBA-maticCAN для машин, оборудованных CAN-интерфейсом. Гидросистема укладчика получает управляющие сигналы от цифрового контроллера DLSII. Сам контроллер предназначен для обработки данных. С помощью кабеля через один разъем он соединен с датчиком, а через другой - с гидравликой плиты укладчика. Контроллер опознает датчик автоматически, после чего сразу переходит в рабочий режим.

Кабели от нескольких датчиков, подключенных к контроллеру, соединяются тройниками. Датчик Sonic-Ski предназначен для контроля продольного профиля. Он оборудован пятью ультразвуковыми сенсорами, замеряющими высоту пяти точек на отрезке 25...30 см. Минимальный и максимальный результат не учитывается, а оставшиеся три усредняются. После исключения случайных препятствий или единичных отклонений, датчик Sonic-Ski дает более близкий к проектному продольный профиль. Расположенный под прямым углом к остальным, шестой сенсор нужен для определения скорости звука в конкретных атмосферных условиях и корректировки полученных результатов.

Комбинация из трех датчиков Sonic-Ski улучшает ровность покрытия. Они расположены на аналоге длинной лыжи - легкой 12-метровой балке. Каждый из трех датчиков работает одинаково, вычисляя среднюю высоту трех точек. Полученные результаты от всех датчиков усредняются контроллером. Компания Moba называет этот инструмент Big-Sonic-Ski. Для работы в двухмерном пространстве, которое требует контроля как поперечного, так продольного уклонов, применяется датчик уклона Digi-Slope. Специальные механизмы компенсируют нагрев и вибрацию.

Голландская компания ROADware создала интересную альтернативу длинной лыже - систему RSS (Road Scanning System). Она состоит из двух компонентов - пульта управления и лазерного сканера, которые поочередно подключаются к контроллеру. Система подключается к уже установленной системе управления.

Контроллер Moba DLSII на укладчике Demag

Сканер создает лазерный импульс и регистрирует его отражение, вычисляет расстояние до поверхности на основании данных о времени прохождения импульсом пути до покрытия и обратно. Измеряя расстояние через каждый градус, сканер способен обследовать сектор 180° за 13 мкс. Полученные измерения направляются в компьютер, который исключает существенные отклонения и рассчитывает среднюю высоту поверхности по оставшимся точкам.

Сканер устанавливают на боковом несущем рычаге плиты укладчика или на боковом щитке на высоте 2...2,5 м над поверхностью дороги. Он способен сканировать зону позади и впереди себя длиной до 30 м снаружи или внутри рабочего габарита укладчика. Это дает возможность использовать систему при укладке покрытия на узких улицах, где затруднено или невозможно применение выступающего за боковой габарит плиты инструмента, что особенно актуально, например, на городских улицах.

Системе перед началом работы задают точку отсчета, "мертвую зону" - минимальную долю достоверных точек в массиве измерений (55...80%) и отрезок зоны сканирования, приходящийся на выглаживающую плиту. Изменение высоты сканера и сокращение длинны зоны сканирования (не менее 9 м) зависит от конкретных атмосферных и дорожных условий. Компания ООО "Дорожник-92" (г. Санкт-Петербург) одна из первых дорожно-строительных организаций в России начала использовать систему RSS.

Лазерный приемник в качестве датчика высоты (например, Moba LS-250) используется при укладке обширных площадей, как под уклоном, так и горизонтальных, в том числе двусторонних. Он монтируется на боковину плиты на высоте до 4,5 с. Работающий на длине волны 670...1000 нм ротационный лазерный построитель плоскости ставят в зоне видимости. Вращаясь вокруг горизонтальной оси, лазерный луч создает плоскость вокруг построителя. Приемник во время движения асфальтоукладчика регистрирует отклонения от данной плоскости и передает сигнал котроллеру, который корректирует положение плиты.

Японская корпорация Topcon формирует свою линейку аппаратуры по тем же принципам, что и компания MOBA. Частью ее системы Paver System 5 является контроллер с ЖК-дисплеем, к которому подключают датчики уклона, а также ультразвуковые датчики высоты. Датчики являются аналогом длинной лыжи Smoothtrac и включают в себя четыре датчика Sonic Tracker II на легкой длинной несущей. Система совместима с предшествующей ей System 4. Работающий с построителем плоскости RT-5S лазерный приемник Topcon 9130 можно подключать вместо датчиков высоты. Асфальтоукладчик оборудован бортовым компьютером с сенсорным экраном Leica Machine Computer MPC, к которому подключена призма и двухосевой сенсор уклона. Призма установлена на боковом несущем рычаге выглаживающей плиты на мачте.

Призма, входящая в 3D-систему Leica

На удобное место в зоне видимости (не более 600 м) устанавливается роботизированный тахеометр Leica (серии TPS1200, TCA1800, TCA2003, TC2003) с загруженными данными проекта. Тахеометр по двум-трем опорным точкам привязывается к системе координат строительной площадки и отслеживает призму в автоматическом режиме. Данные о текущем положении призмы он передает в бортовой компьютер по подключенному к нему радиомодему (TCPS27S). Туда же поступают данные от датчика уклона о дополнительных геометрических параметрах. Компьютер на основании полученных данных строит трехмерную модель выглаживающей плиты, после чего сверяет ее с проектом. Если имеются расхождения, то компьютер сигнализирует об этом контроллерам MOBA-matic или контролеру для того, чтобы они исправили положение плиты. Тахеометр перемещают на новое место после того, как укладчик уходит из его зоны видимости. Схема с двумя тахеометрами позволяет исключить простои укладчика, которые не соответствуют требованиям непрерывной укладки. Укладчик переключается между тахеометрами с помощью программной утилиты Leapfrog Assistant.

С помощью комплекса Leica Machine Guidance System - Road Paver (LMGS-P) швейцарской компании Leica Geosystems система MOBA-matic расширяется до трехмерной. В этом случае она способна выполнять сложные проекты с виражами, уклонами и частым изменением профиля дороги.

Американская компания Trimble Navigation представляет аналогичную трехмерную систему. Ее комплексом BladePro 3D или GCS900 оснащаются бульдозеры, дорожные фрезы и асфальтоукладчики. Комплекс состоит из универсального программного обеспечения Terramodel, бортового компьютера, устанавливаемой на телескопической мачте выравнивающей плиты, призмы, датчиков поперечного и продольного уклона, роботизированного тахеометра Trimble ATS.

Система способна работать в двухмерном режиме с построителем плоскости и лазерными приемниками или с ультразвуковыми датчиками высоты этой же компании. Тахеометр после привязки и включения системы способен самостоятельно найти призму, после чего непрерывно отслеживать ее положение. Установки позволяют определять ее координаты с частотой до 6 раз в секунду.

Поверхности, устраиваемые с помощью лазерного построителя плоскости

Координаты передаются тахеометром в бортовой компьютер с загруженными проектными данными по радиомодему. После сравнения данных от датчиков уклона и тахеометра с проектными данными, компьютер вычисляет корректирующие действия гидросистемы, которые выполняются в автоматическом режиме или водителем вручную. В этой ситуации водитель исходит из информации, которая выводится на сенсорный экран компьютера. Система Topcon System 5 может быть расширена до трехмерной Topcon 3D Machine с аналогичным составом - призмой, бортовым компьютером, датчиками уклона и тахеометром.

Постоянная ровность слоев исключает перерасход асфальта. Система обеспечивает комплексное исполнение с высокой степенью точностью сложных проектов с описанием виражей, кривых и т.д. В оборудование входят несколько небольших по размеру модулей, соответственно, нет трудностей с его транспортировкой, маневрированием укладчика, монтажом и демонтажем. Это выгодно отличает данную систему от систем с многоопорной лыжей или струной. Также исключено влияние базовой поверхности на ровность укладываемого слоя. Если нет контакта с поверхностью, то не происходим механического износа компонентов системы. Имеется возможность работы круглые сутки: водитель ориентируется исходя из показаний приборов. Возможно подключение к тахеометру GPS-приемника, что позволит осуществить привязку тахеометра к системе координат.

Работы выполняются в более короткие сроки при применении систем с роботизированными тахеометрами. Это связано с уменьшением трудоемких операций по контролю после каждого прохода укладчика и выносу проекта на натуру.

По материалам журнала "Основные средства"

Асфальтоукладчики в Торговой системе спецтехники