Zeppelin
Megatrend Automatisierung

21.02.2020 Einig sind sich alle Bauexperten: Um die Produktivität zu steigern, müssen Bauprojekte stärker als bisher automatisiert werden. Im Kern geht es darum, die Erstellungskosten zu senken, die Arbeit auf den Baustellen zu beschleunigen und Bauprojekte viel effizienter als bisher abzuschließen.

Baumaschinenhersteller wie Caterpillar treiben autonome Baumaschinen voran, um den Bergbau sicherer zu machen sowie konstante und effiziente Produktionsleistung zu gewährleisten.
© Foto: Caterpillar/Zeppelin
Baumaschinenhersteller wie Caterpillar treiben autonome Baumaschinen voran, um den Bergbau sicherer zu machen sowie konstante und effiziente Produktionsleistung zu gewährleisten.

Doch wie ist derzeit der Stand der Automatisierung, auf den die Bauunternehmen schon heute zurückgreifen können? Tatsache ist: Unternehmer und Fahrer werden in Zukunft mit einer neuen Art der Interaktion zwischen Mensch und Maschine sowie zwischen Maschinen untereinander gegenüberstehen und gewinnen dadurch ein neues Maß an Geschwindigkeit und Genauigkeit in ihrer Arbeit.

Multifunktionale Joysticks

Wer als Fahrer in der Vergangenheit Baumaschinen bedienen wollte, konnte dies erst nur mechanisch und später hydraulisch vornehmen, indem er Hebel und Schalter betätigte, um zu fahren oder den Aushub oder eine Planie zu erstellen. Längst halten Fahrer keine großen Lenkräder und mächtige Bedienhebel, sondern multifunktionale Joysticks in der Hand, die den Steuerkonsolen von Computerspielen gleichen. Mit ihnen nehmen sie – feinfühlig und komfortabel – Einfluss auf die Leistung und Funktion ihrer oft schon elektrohydraulisch angesteuerten Arbeitsgeräte, können jederzeit eingreifen oder gegensteuern. Die elektrohydraulische Vorsteuerung über die Joysticks im Gegensatz zur hydraulischen Vorsteuerung bildet die Grundvoraussetzung für die weitere Automatisierung, denn ohne sie wären schon einfache Assistenzsysteme nicht oder nur mit erheblichem Mehraufwand möglich. Die elektrischen Impulse der Joysticks werden im Bordrechner verarbeitet und in hydraulische Bewegungen umgesetzt. Hierdurch weiß die Maschine, was der Fahrer will – Grundvoraussetzung für die eigene Maschinen-Intelligenz, ohne die es keine Automatisierung geben kann.

Ferner sind moderne Touchscreen-Monitore feste Bestandteile in den Kabinen der neuesten Baumaschinengeneration, die alle Informationen zum produktiven Arbeiten übersichtlich und wohldosiert zur Verfügung stellen. Sie bilden die intuitive Bedienerschnittstelle, welche die Daten in einem sinnvollen Zusammenhang mit den Arbeitsschritten anzeigt, sodass Entscheidungen in Echtzeit möglich sind. So erkennt eine intelligente Steuerung, was der Fahrer bezweckt. Beispielsweise erscheint automatisch beim Einlegen des Rückwärtsgangs der Bildschirm der Rückfahrkamera, um dem Fahrer die Sicht nach hinten anzuzeigen. Daran gekoppelt sind optische und akustische Warnsysteme. Über die Touchscreen-Monitore lassen sich verschiedene Fahrerprofile anlegen, aber auch weit über 40 Sprachen auswählen. Zum Standard geworden ist das Abspeichern von bis zu 20 Anbauwerkzeugen, die mit entsprechenden Hydraulikvolumen und -drücken hinterlegt sind und nur noch abgerufen werden müssen, die Einstellung geschieht dann automatisch. Als nächster Schritt kommt dann eine automatische Werkzeugerkennung, damit der Fahrer nicht bei jedem Werkzeugwechsel eine neue Auswahl im Display für das aktuelle Anbauwerkzeug treffen muss, sondern das Trägergerät erkennt automatisch, um welchen Löffel, Hammer oder Greifer es sich handelt.

Vernetzung von Baumaschinen

Was die Umsetzung von Automatisierung in der Praxis betrifft, besteht die Herausforderung auch darin, mit dem Fortschritt der Baustelle und den ständig wechselnden Baustellenbedingungen Schritt zu halten und das Zusammenspiel einer Vielzahl von Akteuren auf den Baustellen so zu koordinieren, dass automatisierte Maschinenfunktionen unterstützend wirken können. Der Schlüssel dazu ist die Vernetzung von Baumaschinen, wenn in Zukunft digital geplant und gebaut wird. Als Vorreiter mobiler Maschinen gilt die Landmaschinentechnik, insbesondere weil bereits in Mähdreschern und Traktoren Technologien eingesetzt werden, die den Landwirt wesentlich entlasten und signifikante Leistungssteigerungen ermöglichen. Längst haben moderne Kommunikations- und Informationstechnologien in Verbindung mit Steuerungstechnik, Sensoren und intelligenten Ventilen bei Cat Baumaschinen Einzug gehalten.

Damit die Fahrer nicht zu viel oder zu wenig ausheben und ein zentimetergenaues Planum erzielen, können sie inzwischen auf innovative Technologien zurückgreifen, allen voran moderne Assistenzsysteme. Diese setzen per dreidimensionaler Maschinensteuerung das digitale Geländemodell beim Aushub und dem Auftrag von Erdmassen oder Anlegen einer Böschung zusammen mit GPS oder Totalstation um. Mit ihrer Hilfe und den Daten aus dem digitalen Geländemodell sollte möglichst nur das Material bewegt werden, welches für das gewünschte Ergebnis notwendig ist. Bei Cat Dozern und Gradern wurde bereits ein hoher Automatisierungsgrad erreicht. Bei den Cat Baggern der neuen Generation ist die Halbautomatik beim Abziehen zum Standard dazugekommen. Beim Erstellen von Flächen mit einer oder zwei Neigungen, wie Park-, Sport- oder Lagerplätzen, reicht ein 2D-System vollkommen aus. Für anspruchsvolle Geländekonturen, wie Umgehungsstraßen, Lärmschutzwälle oder Regenrückhaltebecken, werden 3D-Systeme in Verbindung mit der Cat Halbautomatik eingesetzt.

Genauigkeit im Zentimeterbereich

Vor einigen Jahren wäre kaum denkbar gewesen, was Cat Kettenbagger in Kombination mit Sensorik, Elektronik, GPS-basierter Satellitennavigation, Plug-in- Technologien, informativen Multifunktions-Displays und Minicomputern an Bord erreichen können. Mit den 3D-GPS-Systemen ist eine Genauigkeit im Zentimeterbereich möglich. Wenn der notwendige Emp-fang von Satellitensignalen nicht funktioniert, etwa in Geländeeinschnitten, Chausseen, Hallen oder Tunneln gearbeitet wird, kann die Positionsbestimmung über eine UTS (Universal Total Station, umgangssprachlich Totalstation) erfolgen.

Grundsätzlich sind bei dem Einsatz von 3D-Steuerungen bereits ab Werk integrierte Systeme für Cat Kettenbagger wie in den Modellen 320, 323, 330 und 336 sowie in den Cat Dozern wie einem D4 (vormals D6K2), D5 (vormals D6N), D6 (vormals D6T) und D8 (vormals D8T) verfügbar. Seit 2018 wurde konsequent die Integration von Maschinensteuerung vorangetrieben, was eine wesentlich höhere Produktivität auf Baustellen gewährleistet und die Nachteile bei der Nachrüstung, wie zusätzliche Schweißarbeiten an der Arbeitsausrüstung und/oder Eingriffe in die Hydraulik mit der Gefahr der Systemverschmutzung vermeidet.

Fahrerlose Lösungen

Ganz ohne Fahrer im Cockpit kommen inzwischen Cat Skw (Schwerlastkraftwagen) am anderen Ende der Welt aus, wenn sie in den Minen von Australien ihre Runden drehen und Rohstoffe transportieren. FMG (Fortescue Metals Group) gilt hier als Vorreiter und war das erste Unternehmen der Welt, das 2012 die autonome Technologie von Caterpillar im kommerziellen Maßstab einsetzte. Seitdem wurde die Flotte erweitert: Derzeit sind 137 autonome Skw im Betrieb, die bislang eine Milliarde Tonnen Eisenerz bewegten und dabei über 33,5 Millionen Kilometer zurücklegten. Bis 2020 soll deren Zahl auf 175 steigen – die Rohstofftransporte will dann die FMG als erster Gewinnungsbetrieb der Welt komplett autonom betreiben. In der Kabine der gewaltigen Transportfahrzeuge sitzen keine Fahrer mehr, die das Lenkrad oder die Gas- und Bremspedale bedienen, sondern das übernehmen intelligente On-Board-Systeme. Quasi wie von Geisterhand suchen sich die Muldenkipper auf fest definierten Routen und basierend auf einem vorgegebenen Ablaufplan ihren Weg durch die Lagerstätte. Sie können einer zugeordneten Spur durch ein sich ständig veränderndes Abbaugebiet folgen oder den besten Weg wählen, um die zugewiesenen Ladestellen anzusteuern, nehmen ihre Position für den Ladevorgang ein und fahren zum Abkippen zum Brecher, sobald die Mulde gefüllt ist. Geleitet werden sie von einem intelligenten Kontrollsystem. Dabei passieren sie andere Fahrzeuge, ohne diese zu tangieren, und gehen ihren Aufgaben nach. Dazu sind die Skw mit einem System der Naherkennung und Kollisionsvermeidung ausgestattet, um Gefahren sofort zu identifizieren und zu umgehen. Die autonom fahrenden Muldenkipper bremsen automatisch ab, sobald sich ihnen etwas Unerwartetes in den Weg stellt, weichen aus oder nehmen, wenn die Einsatzbedingungen es erlauben, die maximale Geschwindigkeit auf. All das erfolgt, ohne dass ein Fahrer von der Kabine aus eingreifen muss.

Nichtsdestotrotz dominiert bei den Fortschritten eine zentrale Frage: Werden Baumaschinen-fahrer nun arbeitslos, wenn sie nicht mehr hinter dem Steuer sitzen? Baumaschinenhersteller Caterpillar sagt, dass die bisherigen Tätigkeiten komplett umgekrempelt werden, weil Fahrer andere Aufgaben übernehmen – sie werden die autonomen Maschinen im Kontrollzentrum überwachen, Daten kontrollieren und müssen jederzeit korrigierend eingreifen können, um stets die volle Kontrolle über Schwergewichte mit weit über 230 Tonnen Nutzlast zu haben.

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