Дистанционно-автоматизированное управление машинами

Современный человек уже с детских лет достаточно свободно оперирует высокотехнологичными продуктами и технологиями. Ярким примером тому служат масштабные модели машин и игрушки, управляемые с дистанционного мобильного и ручного пульта. Юные операторы давно оценили преимущества дистанционно-управляемой техники, успешно и с удовольствием ее эксплуатируют. А как обстоят дела с этим у предприятий, оперирующих не моделями, а их многотонными оригиналами? Насколько далеко продвинулись достижения российских ученых и специалистов, работающих в области разработки и использования систем дистанционного управления дорожно-строительных, землеройных и транспортных машин? И насколько могут быть востребованы конструкции таких машин в горнодобывающих отраслях промышленности? Это основные мотивы диалога, состоявшегося между сотрудником журнала «Горная Промышленность» М.Н. Котровским и главным инженером Инновационного центра «Интеллектуальные транспортные системы», к.т.н. А.Н. Таракановым.

Еще в 70-е годы, рассказывает А.Н.Тараканов, австралийские исследователи установили, что переход на дистанционное управление строительной машиной с выходом оператора за пределы кабины повышает ее производительность на 10–30% в зависимости от характера выполняемых технологических операций. Этот факт породил бум производства радиоуправляемых машин. Но уже через 10–12 лет производство строительных радиоуправляемых машин практически полностью прекратилось вследствие высокой цены и сложности их эксплуатации.

Низкая потребительская ценность разработанных машин обусловлена в первую очередь некорректностью ряда системных и научных подходов, положенных в основу используемых технических решений. Главная системная ошибка заключалась в том, что разработчики сконцентрировали усилия на создании универсальных и специализированных строительных роботов – аналогов промышленным роботам. Универсальные роботы создавались в расчете на все многообразие строительных процессов и условий их протекания. Универсализация предопределила такую функциональную избыточность технических решений, что цена их реализации оказалась неприемлемой для потребителя.

Серьезным недостатком принятых технических решений является необходимость значительных конструктивных изменений роботизируемых строительных машин. Характер этих изменений не только породил определенные проблемы в технологии их производства, но и предопределил вывод машин из строительного процесса на все время ремонта или профилактического обслуживания радиоэлектронного оборудования. Сегодня мы можем с уверенностью говорить, что грубой ошибкой разработчиков стала ориентация на идентичность штатного и дистанционного управления. В отличие от штатного управления, осуществляемого машинистом из кабины, при дистанционном управлении вся эргономическая нагрузка ложится на руки оператора. Количество команд и динамика их исполнения при реализации принципа идентичности повлекли такое усложнение компоновки пультов управления, что возникла необходимость длительного специального обучения операторов.

Кроме того, следует отметить, что реализация принципа идентичности обусловила использование аналоговых сигналов при формировании команд, подаваемых с пультов управления. Сложность обеспечения требуемого уровня их помехозащищенности и прецизионности исполнения существенно выше, чем при решении этих задач для дискретных сигналов. В конце концов, общий уровень сложности реализации принятых технических решений потребовал включения в штат обслуживающего персонала не только операторов, но и высокооплачиваемых специалистов по радиоэлектронике, что, в свою очередь, предопределило высокий уровень расходов на поддержание в эксплуатационной готовности таких машин.

Несмотря на то, что практика внедрения строительных роботов подтвердила вывод австралийских ученых о влиянии дистанционного управления на повышение производительности, некорректность используемых подходов породила устойчивое общественное мнение о целесообразности использования радиоуправляемых строительных машин только в экстремальных условиях.

– Вы подробно рассказали о причинах, которые по существу завели в тупик разработчиков системы дистанционного управления техникой и сделали ее практически не применимой. Однако спрос на дистанционную управляемую технику в различных отраслях промышленности будет всегда, где же выход из тупиковой ситуации, т.е. имеется ли другой путь развития?

– Мы предлагаем совершенно другой подход, cущность которого состоит в том, что необходимо автоматизировать не управление самой землеройной машиной, а управление отдельными технологическими операциями, выполняемые машиной. Поэтому целесообразно создавать не системы, а агрегатный комплект программно-технических средств дистанционного контроля и управления.

Синтез систем на базе этого комплекта следует осуществлять исходя из специфики технологических операций, выполняемых машиной, и условий ее работы, ориентируясь на увеличение прибыли. При этом с целью минимизации затрат на синтез системы, бортовое оборудование должно монтироваться без серьезных конструктивных изменений стандартной землеройной машины.

Очень важен принцип идентичности, согласно которому управление машинами осуществляется в строгом соответствии с заводской инструкцией ее эксплуатации вне зависимости от уровня квалификации оператора. Реализация этого принципа существенно увеличивает срок эффективной эксплуатации технологического оборудования.

Кроме того, ориентация на прибыльность позволила найти достаточно простое решение, например, сложнейшей проблемы контроля качества уплотнения дорожных одежд. Разработанный нами способ позволяет не только контролировать степень уплотнения после каждого прохода катка, варьировать режимом укатки в зависимости от пластичности уплотняемого материала, но и синхронизировать работу смежных технологических звеньев, используемых при ремонте дороги. В конечном итоге, сочетание устройств контроля, прибыльности и качества уплотнения с системами дистанционного управления позволяет не только повысить годовой объем условно приведенной прибыли дорожного предприятия, но и существенно снизить долю транспортной составляющей себестоимости продукции, например, реализуемой горнодобывающим предприятием – пользователем дороги.

– Пожалуйста, расскажите подробнее о механизме приведения в действие рабочих органов машины, оснащенной комплектом программно-технических средств дистанционного контроля и управления.

– Комплектом предусматривается два варианта управления машиной: бортовой и дистанционный. В состав бортовой системы входят пульт, логико-коммутационный блок и комплект электромеханических приводов. Управление землеройной строительной машиной осуществляется в основном при помощи дискретных команд: вперед, назад, вправо, влево, скорее, медленнее, поднять, опустить, стоп. Эти команды формируются двумя джойстиками с бортового пульта.

Команды с джойстиков поступают на вход логико-коммутационного блока. В зависимости от вида поступившей команды на выходе этого блока формируется последовательность воздействий на органы управления машины, обеспечивающая идентичность режима ее работы и траектории движения целям оператора. Сигналы с выхода логико-коммутационного блока в зависимости от конструктивных особенностей машины могут поступать непосредственно на входы приводов электродвигателей, электрозолотников гидравлических или пневматических приводов или на входы навесных электромеханических приводов.

Переход на ручное управление осуществляется путем обесточивания электромеханических приводов.

– При заказе машины с дистанционным управлением структура комплекта как-то изменяется?

– Да, при дистанционном управлении машиной система доукомплектовывается выносным пультом с радиопередатчиком и тремя блоками – приема, контроля радиотракта и контроля технического состояния. Выносной пульт выполняется идентичным бортовому. Сигналы с радиопередатчика через блок приема и блок контроля радиотракта поступают на вход логико-коммутационного блока. Сигнал аварийного останова машины формируется при любых сбоях в работе командного радиопередающего устройства. Кроме того, сигнал аварийного останова формируется блоком контроля технического состояния при возникновении любых неисправностей в работе машины. На вход этого блока поступает до 10 аналоговых сигналов с датчиков контроля давления, температуры и других датчиков. Каждый сигнал сравнивается с предупредительной и аварийной уставками.

В случае выхода контролируемых параметров за пределы предупредительных значений включается световая сигнализация. При выходе этих значений за пределы аварийных уставок включается звуковая сигнализация и на входе логико-коммутационного сигнала формируется процедура аварийного останова машины.

При аварийной же остановке происходит автоматическое обесточивание машины, прекращение подачи топлива, а также выполняется ряд других операций, предусматриваемых заводской инструкцией по эксплуатации. Сразу оговорюсь, что дистанционный режим используется только при выполнении технологических операций. Транспортные операции осуществляются либо в ручном режиме, либо при помощи бортового пульта.

Выбор функциональной и технической структуры системы автоматизированного управления строительной машиной должен осуществляться главным образом на основе анализа и сопоставления сложившейся «рентабельности» работы серийной машины и ее прогнозируемого значения при переходе на дистанционное управление.

Как я уже показал, традиционно такие системы создавались с целью повышения безопасности и улучшения условий работы операторов и обслуживающего персонала. Но это только одна сторона вопроса. Нам удалось доказать, что переход на управление по радиоканалу не только в принципе решает проблему обзорности производственной зоны, но создает предпосылки для создания более комфортных условий работы.

Например, расположите кабину экскаватора в точке, обеспечивающей наилучшую обзорность как зоны экскавации, так и зоны погрузки. Это не только повысит прибыльность работы экскаватора, но повысит комфортность работы экскаваторщика. Общеизвестно, что сегодняшние нагрузки вынуждают его увольняться по состоянию здоровья в годы, когда он достиг своей наивысшей квалификации.

Можно привести и ряд других технических решений, ориентированных на повышение производственно-экономического потенциала выпускаемого технологического оборудования, но это, наверное, тема отдельного разговора.

– И все-таки, давайте хотя бы назовем те из них, которые, прежде всего, будут интересны горнякам…

– Например, совместно с фирмой «ТАИСИС» заканчивается разработка эскизного проекта «плавающих дорог». Для строительства таких дорог используются отходы металлоконструкций горнорудных предприятий и отработавшие свой срок шины большегрузных автосамосвалов. Скелет «плавающей дороги» формируется из шин, скрепляемых тросами по принципу кольчуги. Пустоты заполняются специальным составом, изготавливаемым также из отработанных шин. Особо эффективна реализация этой идеи при прокладке дорог по заболоченным участкам, по слабонесущим (песчаным) грунтам, с минимизацией экологического ущерба растительному покрову.

Мы готовы уже сейчас смонтировать и испытать опытный участок дороги, что потребует затрат в размере 1–2 млн. рублей.

– Однако, технология использования горных машин имеет свою специфику. Например, для бурового карьерного станка операции и передвижения от пробуренной к новой скважине и его установка являются технологическими и, следовательно, должны быть включены в перечень операций, управляемых дистанционно. И карьерные станки комплектуются такими пультами. Для бульдозеров, работающих на автомобильных отвалах, и бульдозерно-рыхлительных агрегатов операции передвижения трактора при перемещении призмы волочения и в ходе рыхления также являются технологическими, а стало быть, подлежащими включению в перечень дистанционно управляемых. Что-то подобное Вам уже приходилось выполнять?

– Многое уже реализовано нами на целом ряде машин. Так, на строительстве Рогунской ГЭС в 1980 по 1986 гг. использовались опытные образцы радиоуправляемых бульдозеров и виброкатков. Проведены испытания опытных устройств оперативного контроля степени уплотнения грунтовых материалов. При ликвидации аварии на Чернобыльской АЭС в 1986 г. работало десять опытных образцов радиоуправляемых бульдозеров. В течение 1991–92 гг. совместно с ЧТЗ разрабатывался опытный образец роботизированного виброкатка для строительства высотных грунтовых плотин в Индии. По заказу Минобороны РФ в 1993 г. совместно с ВНИИТрансмашем разрабатывался радиоуправляемый минный танковый тральщик для одной из стран Африки. В 1993–94 гг. по заказу Мособлавтодора совместно с ГосНИИАС начаты работы по созданию мобильного роботизированного комплекса укладки дорожных покрытий.

Нам известно по строительной отрасли, что из-за постоянных вибронагрузок на организм человека, управляющего 10–20 лет экскаватором, бульдозером и некоторыми другими машинами, у операторов возникают заболевания, часто приводящие к инвалидности. Несмотря на то, что в конструкциях многих современных землеройных и дорожно-строительных машин предусмотрены меры по ослаблению динамического воздействия, полного изолирования от него не удается достичь. При эксплуатации тяжелой горной техники эта опасность, вероятно, также присутствует…

– Действительно, горная техника, особенно экскаваторы, бурстанки, автосамосвалы полностью не избавляют оператора от воздействия динамических нагрузок, вибраций и циклически-монотонно совершаемых операций. Что же Вы можете предложить для эффективной защиты?

– Самый радикальный путь решения такой задачи – вывести рабочее место за пределы машины и управлять ею с дистанционного радио или электропульта. На первый взгляд, необычное и, возможно, абсурдное решение. Но, согласитесь, здоровье людей, особенно обладающих высокой квалификацией и опытом управления техникой – дорогого стоит! Подготовить нового специалиста – опять же стоит и денег, и времени. В конечном итоге здоровье квалифицированного персонала – один из самых главных и ценных капиталов любого предприятия. Из наиболее реалистических на сегодня путей – самый простой и дешевый – снабдить машины двойным управлением, включающим дистанционное.

– Возможно в определенных случаях будет оправданным и эффективным предложенное Вами радикальное решение. Но уж очень специфическими должны быть условия работы машины с кабиной, вынесенной за пределы ее платформы (базы). О полезности и даже необходимости дистанционного управления на тракторных механических рыхлителях для горных предприятий, а также на бульдозерной технике, выполняющей планировочные работы на высоких отвалах, особенно в условиях Севера и Сибири, свидетельствует практика. А если иметь в виду тот факт, что горнодобывающая промышленность все больше продвигается в северные и северо-восточные районы России, то спрос на технику с двойным управлением будет увеличиваться. И, в связи с этим, напрашивается очередной вопрос: в какой степени готовности к широкому серийному применению находятся Ваши разработки и как их могут использовать заводы-изготовители, например, тракторной техники?

– Есть два пути: мы можем изготавливать их сами по заказу машиностроительного завода или готовы передать всю техническую документацию для организации производства системы в цехах любого заинтересованного завода. В обоих вариантах завод-изготовитель тракторной техники будет иметь возможность выпускать машины в двух исполнениях: оснащенные дополнительным комплектом для дистанционного управления; в стандартном исполнении, т.е. без такого комплекта.

– И в заключении, последний вопрос: насколько может быть дороже стандартная машина, оснащенная двойной системой управления?

– Величина удорожания машины может составить от нескольких сот до первых тысяч долларов США в зависимости от серийности выпуска и изготовителя системы. Согласитесь, что цена несоизмерима мала в сравнении с эффектом, который эта система может дать.

Журнал "Горная Промышленность" №4 2004