«СУСТАВ» — «на пальцах»
или
современное средство автоматизации строительных работ

Говорят, что по состоянию дорог в государстве можно судить о его уровне развития. Помнится и известное высказывание Гоголя о двух великих бедах России… Рубеж двух тысячелетий был непрост для нашего государства. Изменения коснулись не только сфер житейских, но и производственных. Видя как до сих пор «загнивающий в прошлом» запад справляется с решением вопросов дорожного строительства, мы волей-неволей обращаем внимание на то, как и чем они строят свои дороги. С дорожно-строительной техникой, с современными материалами проблем нет. Стоит просто пролистать этот журнал или посетить любую крупную выставку и там можно увидеть массу отечественной техники и зарубежной. Так что с выбором машин вопроса нет. Были бы деньги. А вот создать качественную дорогу и при этом еще сэкономить деньги и время – вот это задача не из простых. Тем не менее, есть масса возможностей добиться этого. Рассмотрим один из самых передовых и эффективных — Системы Управления Строительной Техникой АВтоматические или сокращенно СУСТАВ. Любое строительное производство, связанное с земляными работами, обычно состоит из пяти этапов: съемки, подготовки проекта, выноса проекта в натуру, выполнения земляных работ и контроля подготовленной поверхности. Использование СУСТАВ позволяет ограничиться только тремя, совмещая в один этапы разбивки, выполнения земляных работ и контроля.

Лидирующее положение среди производителей систем управления строительной техникой занимает известная во всем мире корпорация TOPCON. В настоящий момент компанией TOPCON разработаны и успешно эксплуатируются системы для автогрейдеров, бульдозеров, экскаваторов, асфальтоукладчиков и многих других (Рис.1).
Рис.1

Основная идея использования СУСТАВ – определение положения и управление рабочим органом машины непосредственно в процессе земляных работ с целью копирования проекта на местности с максимально возможной точностью, поскольку требования к строительным объектам постоянно растут. Все чаще используются современные качественные и, не редко, дорогостоящие материалы. При этом, строительные компании, выполняющие работы, заинтересованы в быстрой и точной реализации проекта с максимально возможной экономией материалов.

Все системы управления строительной техникой по принципу работы делятся на две большие категории: индикаторные и автоматические. Индикаторные системы предоставляют оператору возможность ручного управления рабочим органом машины, оценивая визуальную информацию, отображаемую во время работы специальными светоиндикаторами. Данные системы дешевле и конструктивно проще, но не обеспечивают такой высокой эффективности как автоматические (СУСТАВ). Последние же требуют непосредственного подключения к гидравлической системе управления рабочим органом машины и обеспечивают выполнение земляных работ в автоматическом режиме при полном соответствии проекту.

По принципу задания и использования проектной информации системы управления подразделяются на 2D и 3D.

2D системы требуют закрепления на местности проектных направлений и плоскостей. При этом обеспечивается подготовка земляного полотна в соответствии с заданными высотами и уклонами.

Рис.2
В основном данные системы используются при работе с достаточно простыми проектами: подготовка ровных площадок, профилирование прямых участков дорог, рытье котлованов и траншей… Проект задается на местности провешиванием монтажных струн (Рис.2), фиксирующих направление работ и копирующих положение проектного профиля, или лазерных построителей плоскости, создающих на объекте ровные опорные поверхности: горизонтальные или с уклонами по двум направлениям.
При работе с системой 2D рабочий орган машины копирует проектную поверхность с определенным постоянным смещением по высоте относительно струны, плоскости лазерного луча или уже подготовленной поверхности.

Недостаток систем 2D заключается в том, что выполнение работ возможно только на ограниченном участке и с необходимой привязкой к струнам или лазерному построителю. Кроме того, затрачивается определенное время на установку и закрепление держателей и струн, а значит, требуется их вынос в натуру (особенно тщательно по высоте).

Системы 2D — модульные и включают в себя бортовой компьютер, датчики, гидравлические клапаны, набор соединительных кабелей и установочных кронштейнов. Компоненты подбираются в зависимости от конкретных видов предстоящих работ и от типа строительной техники. В настоящее время широко используются различные лазерные, ультразвуковые датчики, датчики наклона и вращения.

Рис.3
Лазерный датчик (Рис.3) представляет собой подвижный блок с чувствительным для лазерного луча приемным элементом. При необходимости подготовки ровной поверхности на рабочем объекте инженером в удобном месте устанавливается лазерный построитель плоскости. С помощью встроенной в лазерный инструмент панели управления задаются рабочие параметры: скорость вращения лазерного луча и значения уклонов вдоль и поперек опорного направления. На рабочем органе машины, например, на отвале (Рис.4, 5), закрепляется специальная мачта, на которой размещается лазерный приемник. Далее отвал машины устанавливают на исходной точке объекта (репере), имеющей проектную отметку.
Рис.4
 
 
Датчик смещают и закрепляют на мачте таким образом, чтобы лазерный луч построителя при вращении попадал на центральную область приемника. При этом система визуальной индикации сигнализирует о соответствии положения рабочего органа машины проекту. Машина начинает движение, и в случае смещения положения режущей кромки отвала от проектного уровня по высоте, световой индикатор сигнализирует об уходе с проектной плоскости, а бортовой компьютер немедленно генерирует корректирующий сигнал, посылаемый в систему гидропривода машины. Рабочий орган возвращается на проектный уровень. Этот процесс выполняется непрерывно. Таким образом, обеспечивается ровное грейдирование с точностью соответствия проекту по высоте в пределах одного сантиметра. При этом для контроля поперечного уклона отвала может быть использован датчик поперечного наклона или установлены сразу две мачты с лазерными датчиками по краям отвала.
Рис.5
 
Рис.6
В некоторых случаях более эффективным может быть использование ультразвуковых датчиков. Они, как и лазерные датчики, могут располагаться на обоих краях отвала. По своей сути ультразвуковой датчик (Рис. 6) – дальномер, определяющий расстояния с помощью звуковой волны. В одном устройстве объединены звуковой излучатель, микрофон и секундомер. При установке машины на исходной точке ультразвуковой датчик, закрепленный на отвале, позиционируется над опорной поверхностью или струной. Измеренное в данный момент расстояние фиксируется и используется при дальнейшей работе как эталон.
 
Главным условием является то, что фронт звуковой волны не должен уходить с опорной поверхности, т.е. грейдер или другая строительная машина работает только вдоль струны, бордюрного камня и прочих опорных поверхностей. При увеличении расстояния, измеренного между датчиком и опорой, выдается визуальная информация на индикатор, а бортовой компьютер моментально исправляет положение. Таким образом, машина в движении создает профиль. т.е точную копию опорной поверхности. Ультразвуковые датчики вместе с датчиками наклона также нашли широкое применение в системах управления асфальтоукладчиками (Рис. 7).
Рис.7
 

Самыми эффективными при производстве земляных работ являются 3D системы. Они полностью лишены ограничений, присущих системам 2D. Машина, оснащенная такой системой, может свободно перемещаться по всему рабочему объекту, выполняя подготовку поверхности с точностью 1-2 сантиметров в плане и по высоте с выдержкой необходимых уклонов. При этом работа может выполняться в любое время суток и в любую погоду. В настоящий момент компанией TOPCON предлагаются два типа систем 3D: 3D LPS и 3D GPS, использующих в качестве основных измерительных средств соответственно роботизированные электронные тахеометры и приемники сигналов спутников GPS+ГЛОНАСС.

Рис.8
Системы 3D LPS (Рис.8) обеспечивают наилучший контроль положения рабочего органа машины с точностью нескольких миллиметров, но имеют ряд недостатков. Установленный на рабочем объекте тахеометр может одновременно следить за работой только одной машины, и при этом требуется прямая видимость между ними. Ограничивается и общее количество машин на одном объекте, оснащенных системами 3D LPS, поскольку каждой машине необходим дорогостоящий «персональный» тахеометр.
Тем не менее, сейчас это самый точный способ выполнения земляных работ. Чаще всего системы 3D LPS эксплуатируются на грейдерах (Рис.9). Для начала, в бортовой компьютер загружаются данные рабочего проекта. Тахеометр устанавливается инженером на объекте на известную точку и ориентируется. Данная процедура проста и требует всего нескольких минут. На отвале закрепляется мачта со специальным отражателем кругового обзора.
Рис.9
 Далее определяются геометрические параметры положения отражателя относительно режущей кромки отвала и заносятся в бортовой компьютер. В процессе работ тахеометр непрерывно отслеживает перемещения машины и измеряет координаты отражателя. Полученные результаты передаются по оптическому каналу в бортовой компьютер машины, где координаты редуцируются на режущую кромку.
Затем эти данные сравниваются с проектом, загруженным в память блока управления и, при необходимости, вносятся корректировки в положение отвала путем воздействия на систему гидропривода. Процесс управления отвалом полностью берет на себя автоматика. Оператору машины (бульдозера, Рис.10) необходимо лишь выбирать направление движения. В процессе работы все компоненты системы постоянно контролируются на возможные ошибки или сбои. Эта информация также доступна на экране бортового компьютера.
Рис.10
 
Системы 3D GPS (Рис.11)полностью лишены недостатков тахеометрических систем. Один базовый приемник обеспечивает одновременную работу на объекте в диапазоне нескольких километров всего возможного парка машин и не требует прямой видимости, т.к. для передачи основной координатной информации используется радиоканал.
Рис.11
Для обеспечения работы строительной машины используется один общий базовый приемник GPS, устанавливаемый на точке с известными координатами, и бортовой приемник, размещаемый в кабине. Приемная антенна закрепляется на отвале и соединяется с приемником кабелем. Традиционный комплект системы 3D GPS помимо приемника и бортового компьютера включается в себя датчик вращения отвала, датчики поперечного и продольного уклона, а также комплект гидравлических клапанов для конкретной модели машины. Все компоненты системы соединены друг с другом кабелями.
 
 
Конструкция датчиков, крепежных кронштейнов и их размещение на машине никак не влияет на работу основных подвижных узлов и агрегатов машины. Датчик вращения размещается на оси круга отвала, датчик поперечного наклона на круге отвала, датчик продольного уклона на раме грейдера. Установка гидравлических клапанов не вызывает никакого изменения технических характеристик машины. После установки компонентов системы на технику выполняется замер геометрических параметров и калибровка датчиков. Этот процесс в зависимости от опыта оператора занимает 20-30 минут. Эти необходимые для работы данные заносятся в память бортового компьютера и сохраняются в ней постоянно до следующей калибровки. Таким образом, нет необходимости выполнять калибровку каждый день.
 
Для полноценного функционирования системы 3D необходимо загрузить проект (Рис.12) в цифровом виде в бортовой компьютер. Такой проект может быть подготовлен любой программой, формирующей трехмерную модель рельефа. Подавляющая часть программных средств типа AutoCAD идеально подходят для этой задачи. Очень важно, что при выполнении земляных работ используется первоисточник, а именно те данные, которые непосредственно подготавливает сам проектировщик, без каких-либо изменений и возможных ошибок.
Рис.12
Рис.13
Обязанность сравнивать в процессе работы текущую поверхность с проектом берет на себя бортовой компьютер (Рис.13). С его помощью оператор может контролировать весь процесс выполнения работы, при необходимости отключать систему от управления грейдером или переходить к работе вручную или в индикаторном режиме. Для удобства такой переключатель выносится на одну из управляющих отвалом рукояток. В процессе работы оператор может вывести на экран компьютера любую интересующую его информацию: о текущем плановом положении машины на объекте; о высотном положении отвала относительно проекта. Кроме того, можно выполнять грейдирование, опираясь на положение важных линейных объектов относительно любой точки отвала, например, оси или границ дороги, бордюрного камня.
При выполнении работ в автоматическом режиме оператор может свободно манипулировать разворотом отвала, его наклоном и поперечным смещением относительно самой машины, в зависимости от условий рельефа и качества грунта. Опыт показывает, что после овладения азами управления машиной и системой 3D GPS, даже новичок способен выполнить подготовку поверхности, полностью соответствующей проекту, максимально быстро и независимо от сложности проекта. Преимущества использования систем 3D GPS очевидны: нет необходимости в сложном выносе в натуру (машина уже работает с проектными данными) и тщательном контроле, т.к. последний обеспечивается непосредственно в процессе выполнения самих земляных работ.
 
В любой момент оператор может задать отвалу смещение по высоте относительно проекта, чтобы подготовить предварительную поверхность для последующей укатки с просадкой или под верхнее покрытие (асфальт и т.п.). Работа с системой проста и интуитивна, бортовой компьютер не имеет рабочих клавиш. Ввод данных или выбор рабочих режимов осуществляется непосредственным нажатием на соответствующие области экрана (Рис.14). По окончании работ основные компоненты системы: приемник GPS, бортовой компьютер могут быть быстро сняты с машины, предотвращая возможные случаи вандализма.
Рис.14
 
Рис.15
Постоянное стремление компании TOPCON к повышению точности грейдирования привело к появлению принципиально новой технологии mmGPS. Данная технология объединяет возможность определения координат отвала с точностью нескольких миллиметров по высоте при использовании спутниковых измерений GPS+ГЛОНАСС в реальном времени совместно с лазерной системой Laser-Zone (Рис.15).
 

Laser-Zone включает в себя три компоненты: лазерный инструмент PZL-1, мобильный датчик PZS-1 для установки на обычную съемочную вешку, надежный датчик PZS-MC для установки на строительную машину.

PZL-1 формирует в пространстве рабочую зону радиусом 300 метров и высотой 10 метров, создаваемую вращающимся лазерным лучом. Внутри этой «лазерной зоны», датчик PZS-1 или PZS-MC мгновенно определяет свое высотное положение относительно лазерного источника PZL-1, которое учитывается в измеренных с помощью GPS координатах. Для крупных объектов протяженностью до 1200м или объектов с перепадами высот до 40м можно комбинировать до 4-х одновременно работающих передатчиков PZL-1.

В заключении нужно отметить, что использование систем СУСТАВ компании TOPCON кардинально меняет производство строительных работ и определяется следующими преимуществами:
* снижением доли инженерных работ (вынос в натуру, полевой контроль);
* подготовкой проектной поверхности за меньшее количество проходов (сокращение времени работ);
* точностью выполнения земляных работ: 0.5-2см (строгое соответствие проекту);
* автоматическим выводом проектного уклона;
* экономией топлива и моторесурса техники;
* простой настройкой и работой с системами.

Таким образом, обеспечивается значительное увеличение эффективности и продуктивности производства земляных работ.

На российском рынке установку систем управления TOPCON, техническую поддержку и обучение персонала обеспечивает компания «ПРИН».


Дата: 19.01.2008

Назад к списку новостей