Automatisierung in der Baubranche: Effizienz durch intelligente Maschinen
Die Baubranche steht vor der Herausforderung, die Produktivität zu steigern und Bauprojekte effizienter abzuschließen. Ein zentraler Ansatzpunkt hierfür ist die Automatisierung von Bauprozessen. Diese Entwicklung führt zu einer neuen Interaktion zwischen Mensch und Maschine sowie zwischen Maschinen untereinander, was Geschwindigkeit und Genauigkeit in der Arbeit erhöht.
Die Grundlage für die Automatisierung von Baumaschinen bilden elektrohydraulische Vorsteuerungen. Wo früher mechanische oder hydraulische Hebel bedient wurden, kommen heute multifunktionale Joysticks zum Einsatz. Diese ähneln Steuerkonsolen aus Computerspielen und ermöglichen eine feinfühlige und komfortable Steuerung der Arbeitsgeräte. Die elektrischen Impulse der Joysticks werden im Bordrechner verarbeitet und in hydraulische Bewegungen umgesetzt. Dies ist die Voraussetzung für die Maschinenintelligenz und damit für die Automatisierung.
Moderne Baumaschinen sind zudem mit Touchscreen-Monitoren ausgestattet, die alle relevanten Informationen übersichtlich darstellen. Diese intuitive Bedienerschnittstelle zeigt Daten im Kontext der Arbeitsschritte an und ermöglicht Entscheidungen in Echtzeit. So erkennt eine intelligente Steuerung beispielsweise, wenn der Rückwärtsgang eingelegt wird, und schaltet automatisch die Rückfahrkamera ein. Optische und akustische Warnsysteme sind daran gekoppelt. Über die Monitore lassen sich verschiedene Fahrerprofile anlegen und bis zu 20 Anbauwerkzeuge mit hinterlegten Hydraulikvolumen und -drücken abspeichern, deren Einstellung dann automatisch erfolgt. Zukünftig soll eine automatische Werkzeugerkennung den manuellen Auswahlprozess überflüssig machen.
Assistenzsysteme für präzises Arbeiten
Um ein zentimetergenaues Planum zu erzielen und Über- oder Unteraushub zu vermeiden, greifen Fahrer auf innovative Assistenzsysteme zurück. Diese nutzen dreidimensionale Maschinensteuerungen, um das digitale Geländemodell beim Aushub, dem Auftrag von Erdmassen oder dem Anlegen von Böschungen präzise umzusetzen. Dabei kommen GPS oder Totalstationen zum Einsatz. Ziel ist es, nur das Material zu bewegen, das für das gewünschte Ergebnis notwendig ist.
Bei Cat Dozern und Gradern ist bereits ein hoher Automatisierungsgrad erreicht. Die neuen Generationen der Cat Bagger verfügen serienmäßig über eine Halbautomatik beim Abziehen. Für Flächen mit ein oder zwei Neigungen, wie Park- oder Sportplätze, sind 2D-Systeme ausreichend. Anspruchsvolle Geländekonturen wie Umgehungsstraßen oder Lärmschutzwälle erfordern 3D-Systeme in Verbindung mit der Cat Halbautomatik.
Die Kettenbagger der neuesten Maschinengeneration, wie die Modelle 320, 323, 330 und 336, sind ab Werk mit elektronischen Steuerungselementen und elektrohydraulischer Joystick-Steuerung ausgestattet. Dazu gehören eine 2D-Steuerung, Planierautomatik, Arbeitsraumbegrenzung (Höhe, Tiefe, Schwenken) und eine Baggerlastwaage. Diese Systemintegration führt laut Herstellerangaben zu einer Effizienzsteigerung von bis zu 45 Prozent.
Cat Grade bietet 2D-Führungshilfen für Tiefe, Neigung und horizontalen Abstand zum Planum, um das Arbeitsergebnis schnell und präzise zu erreichen. Das serienmäßige 2D-System lässt sich auf Cat Grade mit 3D-GPS oder 3D-UTS (Totalstation) von Trimble aufrüsten.
Die integrierte Planierautomatik Grade Assist steuert die Bewegungen von Ausleger und Löffel, sodass ein genaues Planum mit nur einer Joystick-Bewegung für den Stiel erstellt werden kann.
Die Funktion E-Fence begrenzt den Arbeits- und Schwenkbereich der Maschine, um sicheres Arbeiten unter Bauwerken oder in der Nähe von Verkehr zu gewährleisten. Die Maschine bewegt sich nicht außerhalb der vom Fahrer festgelegten Sperrzone.
Das serienmäßige Wägesystem Cat Payload hilft, Transportfahrzeuge optimal auszuladen und Überladungen zu vermeiden. Die Gewichtsmessung erfolgt automatisch während des Ladevorgangs mit einer Genauigkeit von plus/minus zwei Prozent. Ein Display zeigt die aktuelle Nutzlast für Löffel und Lkw an.
3D-GPS-Systeme ermöglichen eine Genauigkeit im Zentimeterbereich. Bei fehlendem Satellitenempfang, beispielsweise in Geländeeinschnitten oder Tunneln, kann die Positionsbestimmung über eine Universal Total Station (UTS) erfolgen. Integrierte Systeme sind für Cat Kettenbagger und Dozer ab Werk verfügbar, was die Produktivität erhöht und Nachteile bei der Nachrüstung vermeidet. Für ältere Geräte oder den flexiblen Einsatz an mehreren Maschinen bietet der Zeppelin-Partner Sitech Nachrüstungen mit Trimble 3D-Steuerungen an. Seit 2008 sind alle Cat Dozer (D4K bis D8T) und Cat Grader (120M bis 160M2, 14M) ab Werk für die Nachrüstung von Trimble-Maschinensteuerungen vorbereitet.
3D-Steuerungen für verbesserte Effizienz
3D-Steuerungen vergleichen permanent die Ist-Höhe mit der Soll-Höhe des digitalen Geländemodells. Dem Fahrer werden Draufsicht, Längs- und Querprofil, Höhendifferenz, Stationierung, Querwert zur Achse und die absolute Position übersichtlich angezeigt. Die Bedieneinheit berechnet mehrmals pro Sekunde die exakte Position der Löffelspitzen mithilfe von GPS-Antennen, der Neigung des Oberwagens und der Winkelstellung von Ausleger, Stiel und Löffel. Dies reduziert den Bedarf an Absteckungen mit Pflöcken und Böschungslehren auf der Baustelle.
Dozer-Fahrer können mit 3D-Steuerungen sowohl beim Feinplanieren als auch bei der schweren Erdbewegung die Effizienz verbessern. In Verbindung mit der automatischen Traktionskontrolle des Dozers wird das grobe Abschieben effizienter ausgeführt. Meldet der Dozer, dass die GPS-Geschwindigkeit unter der Kettengeschwindigkeit liegt, wird das Schild automatisch angehoben, sodass der Fahrer immer mit voller Motorleistung schieben kann, ohne dass die Ketten durchdrehen.
Weitere integrierte Assistenzsysteme wie Cat Slope Assist helfen dem Fahrer, die gewünschte Neigung des Schwenkschildes beizubehalten. Die Cat Stable Blade Technologie überwacht teilautomatisiert die Schildbewegung und passt die Schildstellung für das Anheben und Absenken in Abstimmung mit dem Fahrer an, um das Planum mit weniger Überfahrten zu erzielen. Cat Slope Indicate zeigt die Quer- und Längsneigung der Maschine in Echtzeit an, was die Positionierung der Maschine auf der gewünschten Neigung erleichtert und die Planumskonstanz über mehrere Durchgänge hinweg sichert.
Autonome Fahrzeuge und ihre Auswirkungen
Die Entwicklung autonomer Fahrzeuge schreitet weltweit voran. Caterpillar präsentierte auf der bauma die Fernsteuerung Cat Command für den Dozer D8T. Diese Anwendung ermöglicht das Steuern der Maschine aus sicherer Distanz, beispielsweise bei Arbeiten mit Kampfmitteln oder unter schwierigen Umweltbedingungen. Der Fahrer kann den Dozer entweder über eine tragbare Konsole in unmittelbarer Nähe oder von einer Fernbedienungs-Fahrerkabine aus steuern.
Im Bergbau sind bereits autonome Cat Schwerlastkraftwagen (Skw) im Einsatz, die ohne Fahrer in den Minen Australiens Rohstoffe transportieren. Die Fortescue Metals Group (FMG) setzte diese Technologie bereits 2012 kommerziell ein. Aktuell sind 137 autonome Skw in Betrieb, die über eine Milliarde Tonnen Eisenerz bewegten und mehr als 33,5 Millionen Kilometer zurücklegten. Bis 2020 soll die Flotte auf 175 Fahrzeuge anwachsen, um die Rohstofftransporte vollständig autonom zu betreiben.
Diese Muldenkipper navigieren auf fest definierten Routen und basierend auf einem vorgegebenen Ablaufplan durch die Lagerstätte. Sie folgen zugewiesenen Spuren, wählen den besten Weg zu Ladestellen, nehmen ihre Position für den Ladevorgang ein und fahren zum Abkippen, sobald die Mulde gefüllt ist. Ein intelligentes Kontrollsystem leitet sie dabei. Die Skw sind mit Systemen zur Naherkennung und Kollisionsvermeidung ausgestattet, um Gefahren zu identifizieren und zu umgehen. Sie bremsen automatisch ab, weichen aus oder nehmen die maximale Geschwindigkeit auf, ohne dass ein Fahrer eingreifen muss.
Die zunehmende Automatisierung wirft die Frage nach der Zukunft der Baumaschinenfahrer auf. Caterpillar betont, dass sich die Tätigkeiten der Fahrer verändern werden. Sie werden autonome Maschinen in Kontrollzentren überwachen, Daten kontrollieren und bei Bedarf korrigierend eingreifen, um die volle Kontrolle über die Maschinen zu behalten.
Laut der Studie „Mining Automation Market“ wird der Markt für autonomes Bergbauequipment voraussichtlich von 2,22 Milliarden US-Dollar im Jahr 2017 auf 3,29 Milliarden US-Dollar bis 2023 wachsen, was einem jährlichen Wachstum von 6,77 Prozent entspricht. Steigender Bedarf an Arbeitskräften und der demografische Wandel sind Schlüsselfaktoren für diesen Trend. Im deutschen Baugewerbe waren im Jahr 2000 32 Prozent der Erwerbstätigen 45 Jahre oder älter; 2016 waren es bereits 50 Prozent. Ein Großteil dieser Fahrer wird in den nächsten 10 bis 15 Jahren in den Ruhestand gehen, was den "war of talents" für Baufirmen verschärft.
Die laufenden Betriebskosten werden ein entscheidender Faktor für die Etablierung autonomer Systeme sein. Fahrerlose Steuerungssysteme versprechen weniger Unfälle und konstante Arbeitsabläufe, da monotone Fahrten Übermüdung und menschliches Versagen reduzieren. Hightech wie GPS, Kameratechnik, Radar und Software tragen zur Entlastung der Fahrer und zur Erhöhung der Sicherheit bei. Im innerstädtischen Baustellenverkehr, wo präzises Rangieren erforderlich ist, sehen Fachleute jedoch noch Grenzen für führerlose Fahrzeuge, auch wenn Autos heute bereits selbstständig einparken können.