Die Zukunft der Industrie für Maschinensteuerungssysteme: Automatisierung, GNSS und datengesteuerte Baustellen

Maschinensteuerungssysteme haben sich von einer Spezialität der ersten Stunde zu einer Standardanforderung bei ernsthaften Infrastrukturprojekten entwickelt, und die Branche tritt nun in eine größere Wachstumsphase ein. Drei Kräfte treiben den Markt gemeinsam voran: rasante Fortschritte in der maschinennahen Automatisierung, ausgereifte Hochpräzisions-GNSS-Technologie und digitale Bauabläufe, die endlich die Planungsmodelle mit den physischen Erdarbeiten verbinden. Das Ergebnis ist eine Baustelle, auf der Grader, Bagger und Planierraupen keine isolierten Werkzeuge mehr sind, sondern lebendige Knotenpunkte in einem einzigen Datennetzwerk. Dieser Artikel befasst sich mit der Frage, wohin dieser Wandel führt, welche Anforderungen er an die auf der Maschine installierten Systeme stellt und wie CHC Navigation seine Maschinensteuerungspalette für die nächste Phase positioniert.

Ein Markt in der Wachstumsphase

Die Nachfrage nach Maschinensteuerungssystemen steigt in allen Bereichen, in denen Erde und Gestein in großem Umfang bewegt werden. Straßen- und Eisenbahninfrastrukturprogramme in Asien, Europa und dem Nahen Osten haben mehrjährige Investitionszyklen, und Erdbewegungsunternehmen, die die Planierarbeiten beim ersten Durchgang mit weniger Nacharbeit erledigen können, erhalten den Zuschlag. Im Bergbau hat der Druck zur Verringerung des Dieselverbrauchs, der Zykluszeiten und der Arbeitsstunden des Bedienpersonals dazu geführt, dass die automatisierte Planier- und Sohlenvorbereitung zu einem messbaren Hebel für die Produktionskosten geworden ist und nicht nur ein Nice-to-have. Im Hoch- und Tiefbau ist es aufgrund des Arbeitskräftemangels in vielen Regionen schwieriger geworden, Projekte mit erfahrenen Grader- und Planierraupenfahrern zu besetzen, die früher die Oberfläche nach Gefühl fertigstellten; Maschinensteuerungssysteme schließen diese Qualifikationslücke, indem sie neueren Fahrern die gleiche Genauigkeit bei der ersten Überfahrt bieten.
 

In allen drei Segmenten ist die zugrunde liegende Geschichte dieselbe. Eine Baustelle kann schneller und mit weniger Ausschuss geplant, ausgeführt und überprüft werden, wenn jede Maschine weiß, wo sie sich befindet, wo die geplante Oberfläche liegt und welcher Schnitt oder welche Füllung für den nächsten Arbeitsgang erforderlich ist. Das Wachstum auf dem Markt für Maschinensteuerungssysteme ist darauf zurückzuführen, dass der Markt erkannt hat, dass die Produktivitätslücke zwischen Maschinen mit Steuerung und Maschinen ohne Steuerung groß und stabil ist und nicht nur eine Modeerscheinung.

Automatisierung und GNSS: die Hauptantriebskräfte

Hinter dieser Produktivitätslücke verbergen sich zwei Technologieströme. Die erste ist die Automatisierung: Hydrauliksteuerungs-Hardware an der Maschine sowie die Software-Schleifen, die sie steuern. Die zweite ist die Positionierung: Echtzeit-GNSS mit einer Genauigkeit im Zentimeterbereich, oft in Verbindung mit einem Trägheitssensor für den Kurzzeit-Bewegungsausgleich. Keiner der beiden Ströme ist für sich genommen neu. Was sich in den letzten fünf Jahren geändert hat, ist, wie zuverlässig, erschwinglich und gut integriert die Kombination geworden ist.
 

Auf der Positionierungsseite stellen GNSS-Empfänger mit mehreren Bändern und Konstellationen unter realistischen Standortbedingungen (leichtes Blattwerk, Häuserschluchten, niedrige, reflektierende Metallkonstruktionen, Wetterbedingungen) jetzt eine Positionsbestimmung im Zentimeterbereich sicher. Trägheitsmessgeräte sind im Preis gesunken und in der Leistung gestiegen, so dass selbst ein kompaktes, maschinenmontiertes System einen kurzen GNSS-Ausfall überstehen kann, ohne aus der Reihe zu tanzen. GNSS-Referenzplattformen auf der Baustelle oder außerhalb der Baustelle liefern kontinuierlich Korrekturen, wobei die Abonnementkosten kleinere Auftragnehmer nicht mehr abschrecken.
 

Auf der Automatisierungsseite gehen moderne Schaufelsteuerungssysteme dazu über, nicht mehr nur anzuzeigen, wohin der Fahrer zielen soll, sondern die Hydraulik in Echtzeit aktiv gegen die Planierfläche zu fahren. Der Graderfahrer muss die Anzeige nicht mehr ablesen und in Hand- und Fußbewegungen umsetzen; das System macht den Schnitt, der Fahrer steuert die Linie. Das Interaktionsmodell verlagert sich von angeleiteter manueller Arbeit zu überwachter Automatisierung, wodurch die Nachbearbeitungsschleife entfällt, die auf herkömmlichen Baustellen so viel Arbeit verschlang.

Ähnliche Integrationsprinzipien werden von den Herstellern von Maschinensteuerungssystemen bei Baggern, Planierraupen und Gradern angewendet. Das untenstehende Schema zeigt, wie GNSS-Antennen, ein Empfänger, eine IMU und das 3D-Führungsdisplay in der Kabine in den Bagger integriert werden, um die Positionierung des Löffels und die Aushubführung in Echtzeit anhand der Planfläche zu ermöglichen.

Digitale Bauabläufe vom Entwurf bis zur Fertigstellung

Die dritte Kraft ist die Workflow-Ebene oberhalb der Maschine. Die meiste Zeit des letzten Jahrzehnts lebte das Entwurfsmodell in der BIM- oder Civil-3D-Umgebung im Büro, und eine Papier- oder PDF-Kopie ging an den Bauleiter. Die Maschine vor Ort wusste nichts davon. Heute wandern die Entwurfsoberflächen und Ausrichtungsdateien von der Entwurfssoftware ohne Zwischenschritt auf Papier in die Maschinenkabine, und die Bestandsdaten von der Maschine fließen am Ende jeder Schicht zurück in das Büro.
 

Dieser Hin- und Rückweg verändert den Vertrag. Der Bauherr kann täglich sehen, inwieweit das Projekt nach dem Entwurf gebaut wurde, und zwar in übersichtlicher Form. Der Auftragnehmer kann Abweichungen frühzeitig erkennen, anstatt sie erst bei der Abnahme festzustellen. Der Vermesser kann die Verifizierungsarbeiten anhand der tatsächlichen Maschinenspur und nicht anhand von Schätzungen planen. Ein 3D-Maschinensteuerungssystem, das an diesem Arbeitsablauf teilnimmt, ist nicht nur ein Stück Kabinenhardware, sondern der lebende Endpunkt des digitalen Konstruktionskreislaufs. Die nächste Generation von Systemen wird von Anfang an unter dieser Workflow-Annahme gebaut.

Datengesteuerte Baustellen: Sensoren, Positionierung, Cloud-Konnektivität

Die Baustelle der nächsten fünf Jahre hat mehr Sensoren pro Maschine, mehr Maschinen, die in Echtzeit Bericht erstatten, und ein Baustellennetzwerk, das sie miteinander verbindet. Ein Grader verfügt über einen hochpräzisen GNSS-Empfänger, eine integrierte IMU, zwei Neigungssensoren auf dem Streichblech, eine Steuerventilschnittstelle zur Hydraulik, eine Mobilfunk- oder Funkverbindung zum Baustellennetz und eine Kabinenanzeige, die mit dem Konstruktionsmodell verbunden ist. Das sind sechs oder sieben Datenströme von einer Maschine. Multipliziert man dies mit zehn Maschinen bei einem mittelgroßen Straßenbauauftrag, erzeugt die Baustelle täglich Gigabytes an Positionierungs-, Hydraulik- und Oberflächenfortschrittsdaten.
 

Die Aufgabe des Maschinensteuerungssystems besteht nicht mehr nur darin, die Schaufel gegen die geplante Oberfläche zu fahren. Es soll die maschinennahe Hälfte des Baustellendaten-Systems sein. Das System muss Daten zuverlässig erfassen, sie mit einem genauen Zeitstempel versehen, sie über ein beliebiges Netzwerk auf der Baustelle übertragen und dem Bediener eine Ansicht präsentieren, die einfacher als die Rohdaten ist, aber nicht unübersichtlicher. Die Systeme, die dies gut handhaben, ermöglichen es den Auftragnehmern, schlankere Teams einzusetzen, Produktivitätsengpässe noch in der gleichen Woche zu erkennen, in der sie auftreten, und den Eigentümern mit überprüfbarer Genauigkeit über den Fortschritt zu berichten. Die Systeme, die dies schlecht handhaben, werden ausgetauscht.
 

Die Cloud-Konnektivität ermöglicht auch ein flottenübergreifendes Lernen. Ein Bergbaubetreiber mit hundert Planierraupen in drei Gruben, die alle GNSS-getaggte Schaufelbelastung und Motortelemetrie melden, kann Lücken in der Bedienerschulung, Maschinenverschleißmuster und ineffiziente Routen erkennen, die bei einer Ansicht pro Maschine unsichtbar gewesen wären. Bauunternehmer beginnen, ihren Maschinensteuerungsanbietern die gleichen Fragen zur Datenportabilität und -integration zu stellen wie Flottenbetreiber ihren Telematikanbietern. Diese Konvergenz ist eine der nächsten Etappen in der Branche.

Die CHC-Navigationsmaschinen-Steuerungsreihe

Das Maschinensteuerungsportfolio von CHC Navigation basiert auf den drei oben genannten Kräften. Der MCNAV TX73 bietet eine 3D-Maschinensteuerung für Bagger mit GNSS- und IMU-Schaufelpositionierung gegen die Konstruktionsoberfläche. Das TG63 ist das 3D-Nivelliersystem für Grader, das die Schaufelneigung und -neigung in Echtzeit anhand des Entwurfsmodells steuert. Das TD63 Pro bietet die gleiche modellgesteuerte Schaufelsteuerung für Planierraupen. Das EasyNAV EMG100 übernimmt den GNSS-Positionierungskern, der diese Schaufelsteuerungsprodukte mit der für ihre Leistung erforderlichen Zentimetergenauigkeit versorgt.
 

Die Entscheidung für das Design der gesamten Produktreihe ist die gleiche wie in der Industrie: Integration des Positionierungssensors, des Trägheitssensors, der hydraulischen Schnittstelle und der Workflow-Software auf Systemebene, anstatt sie auf Kosten des Auftragnehmers zusammenzuschrauben. Die gesamte Produktpalette finden Sie auf der CHCNAV-Seite für Maschinensteuerungslösungen, und in der Branchenübersicht des Unternehmens werden die Anwendungsfälle nach Segmenten erläutert.

Was dies für Bauunternehmer und Bauherren bedeutet

Die Branche der Maschinensteuerungssysteme befindet sich an einem Punkt in ihrer Entwicklung, an dem die Technologie feststeht, der Nutzen bewiesen ist und die Frage nicht mehr lautet, ob ein seriöser Bauunternehmer sie einführt, sondern wie tief. Die nächste Phase ist die Integration: engere Automatisierung, schärferes GNSS und ein digitaler Bauablauf, der die Maschine und das Modell endlich als ein durchgängiges System behandelt. CHC Navigation entwickelt die nächste Generation von Maschinensteuerungsprodukten nach diesen Vorgaben. Die Bauunternehmer und Bauherren, die sich jetzt darauf einstellen, werden für den Rest des Jahrzehnts einen Vorsprung vor denjenigen haben, die dies nicht tun.

____

Über CHC Navigation

CHC Navigation (CHCNAV) entwickelt fortschrittliche Kartierungs-, Navigations- und Positionierungslösungen, die die Produktivität und Effizienz steigern. CHCNAV beliefert Branchen wie Geodaten, Landwirtschaft, Maschinensteuerung und Autonomie und liefert innovative Technologien, die Fachleute befähigen und den Fortschritt in der Branche vorantreiben. Mit einer weltweiten Präsenz in über 140 Ländern und einem Team von mehr als 2.200 Fachleuten ist CHC Navigation als führend in der Geospatial-Industrie und darüber hinaus anerkannt. Weitere Informationen über CHC Navigation [Huace:300627.SZ] finden Sie unter: https: //machine-control.chcnav.com/about/overview.