Технические средства автоматизации

Маятниковые датчики и копирные системы автоматического нивелирования. Большинство систем, используемых в машинах различного назначения, комплектуют автономным маятниковым датчиком 1, щуповым (копирным) датчиком 2, подъемным устройством 3, электрогидрораспределителем 4, пультом дистанционного управления 5 и вспомогательным блоком 6.
Вместо щупового или маятникового Датчика часто используют следящую систему управления с дискретным регулированием. В этом случае систему дополнительно оснащают унифицированным согласующим устройством 7, лазерным излучателем 8, вырабатывающим световой луч в качестве копира, и фотоэлектрическим приемником 9.
В качестве датчиков поперечного уклона (датчиков углового положения) используют датчики трансформаторного типа, преобразующие угловое положение корпуса относительно гравитационной вертикали в электрический сигнал.
Датчик углового положения типа ДКБ (рисунок 9.3) содержит расположенный в корпусе 1 маятник 3, подвешенный на валу 4, который является чувствительным элементом датчика. Маятник представляет собой тонкостенный цилиндр с дном, подвешенный на оси вращения, у которого центр тяжести смещен относительно точки подвеса. С маятником связан тонкий экран 5, перемещающийся в зазоре блока катушек 6 индуктивнотрансформаторного преобразователя 7. При повороте корпуса Датчика относительно неподвижного маятника происходит взаимное перемещение экрана и катушек, которое приводит к пропорциональному изменению выходного сигнала преобразователя. Демпфирование колебаний маятника, возникающих в процессе движения машины, осуществляет магнитноиндукционный успокоитель на постоянных магнитах 8, соединенных магнитопроводом 9. Все элементы датчика закрыты кожухом 2, а его соединение с пультом управления осуществляется через штепсельный разъем 10.
При работе машин с внешним копирным устройством используют датчики продольного уклона. Датчик продольного уклона типа ДЩБ преобразует высотное положение корпуса относительно жесткой направляющей (троса, опорной поверхности) в электрический сигнал.

Он состоит из корпуса 1 и щупа 2 (рисунок 9.4). Снаружи имеется разъем 3 для подключения питания и зажим 4, позволяющий закреплять датчик на машине. Щуп является чувствительным элементом датчика продольного уклона. При поступательном движении машины щуп скользит по жесткой направляющей, которая определяет заданный продольный профиль. Перемещение щупа вызывает поворот вала с закрепленным на противоположном конце экраном. Экран поворачивается в рабочем зазоре между двумя парами индуктивных катушек, изменяя индуктивную связь каждой пары обмоток. В результате на выходе датчика появляется сигнал, пропорциональный линейному перемещению щупа.
Датчики продольного уклона имеют такое же устройство и электрическую схему, как и датчики поперечного уклона.

У копирных систем имеются следующие недостатки:
а) ограниченные возможности применения - только при линейном производстве работ;
б) увеличенная трудоемкость подготовительных работ по установке копирного троса;
в) погрешности в работе копирно-щуповой системы управления из-за провисания троса, колебания щупа или ошибки высотной привязки.
Ультразвуковые и лазерные датчики избавлены от этих недостатков. Их применяют для измерения и контроля расстояния до дорожного покрытия. Принцип работы ультразвукового датчика заключается в измерении времени, прошедшего с момента выхода направленного ультразвукового сигнала и до приема отраженного. Конструктивно датчик состоит из трех основных блоков - генератора ультразвукового сигнала, приемного устройства и микроконтроллера. Микроконтроллер рассчитывает время возвращения волны и формирует выходной сигнал, пропорциональный расстоянию до покрытия.
Для лазерных датчиков основой системы является сканер 4, посылающий лазерный луч 5 (рисунок 9.5). Луч достигает поверхности дорожного покрытия и частично отражается обратно на приемное устройство. По времени, прошедшему между отправлением и возвращением импульса, электронный модуль определяет расстояние до дорожного покрытия и вырабатывает сигнал, который передается в блок управления системой автоматического нивелирования.
При использовании жесткой опорной базы (например, уже готового дорожного покрытия) воздействие на датчик передается через промежуточный механизм (щуп), который перемещается по базовой поверхности. В качестве такого щупа используют колесо или лыжу с выравнивающими шарнирными или рычажными устройствами.

На рисунке 9.6 приведена схема системы управления рабочих органов холодной фрезы с использованием лыжи-щупа. Заданный уклон относительно базовой плоскости 1, на которую опирается щуп-лыжа 2, устанавливают рукоятками 4. Подъем и опускание фрезы 8 производят двумя гидроцилиндрами 6, управляемыми гидрораспределителями 5 от датчиков 3 с блоками сравнения действительной и заданной величины.

Датчик поперечного уклона 7 используют, если необходимо выдерживать заданный поперечный профиль поверхности.
Лазерные системы автоматического управления. Ведущие производители дорожно-строительных машин в качестве копиров в основном используют лазерные системы управления. Их можно применять для управления как одной машиной, так и группой машин на значительных площадях и расстояниях (до 1500 м) при больших скоростях движения. Их применение обеспечивает управление курсом машины и толщиной укладываемого слоя, а также автоматическую ориентацию рабочих органов в пространстве. Опорной базой в этой системе служит секторная (в горизонтальной плоскости) или крестообразная форма излучения, образованная пересечением двух секторов.
Для этих целей служат лазерные координаторы различных конструкций. В их числе сканирующие и растровые системы.
Сканирующий координатор (рисунок 9.7, а) состоит из лазерного излучателя 1, который формирует оптический луч 2, воздействующий на фотоприемник 4, установленный на рабочем органе 9 машины (в данном случае на отвале бульдозера). Полученный фотоприемником сигнал проходит через блок его усиления 5, электронный ключ 6, цифровое измерительное устройство 7 и подается на датчик положения отвала 3, связанного с блоком рассогласования фотоприемника 8.

Растровый автокоординатор (рисунок 9.7, 6) используют для программного управления рабочими органами машин. От сканирующих излучателей он отличается наличием растрового излучателя 10, фильтров частот 11 и 12, детекторов 13 и 14 и усилительно-множительного устройства 15.
Спутниковые навигационные системы управления Дорожностроительными машинами. В конце прошлого столетия ведущими космическими странами были созданы глобальные системы навигации (позиционирования): США - Global Positioning System (GPS), Россией - Глонасс, Евросоюзом - Galileo.
Управление дорожно-строительными работами с использованием GPS можно условно разделить на две категории: машино-контроль и грейд-контроль.
Машино-контроль обеспечивает эффективное управление работой различных машин (автогрейдеров, бульдозеров, скреперов, катков и экскаваторов) за счет оптимизации процессов резания, наполнения рабочих органов или уплотнения. Оператору, благодаря автоматическому снабжению необходимой информацией, всегда известны позиция рабочего органа и машины в целом на участке производства работ по отношению к заданным параметрам. В результате обеспечиваются стабильность и точность курсовой устойчивости машины без большого количества контрольных ориентиров и вешек.
Грейд-контроль обеспечивает управление качеством нивелирования и уплотнения обрабатываемой рабочей среды. Контрольные устройства системы грейд-контроля позволяют выполнить в процессе работы топографический обзор или точечную локацию места работы. Эти данные сравнивают с электронной версией рабочего проекта и при необходимости оперативно устраняют несоответствие продольного и поперечного профилей проектному заданию.
Технологии производства дорожно-строительных работ с использованием GPS основаны на трех базовых системах (рисунок 9.8):
- спутниковом комплексе;
- комплексе слежения за спутниками (базовая станция - дифференциал, корректирующий радиосигналы из космоса с учетом помех);
- комплексе оборудования производителя работ (уплотнительная или землеройно-транспортная машина с установленными на ней антеннами и приемником-накопителем информации - ресивером).
Основой технологии GPS (см. рисунок 9.8) является группа спутников 1, движущихся вокруг Земли по заданным орбитам. Спутники сканируют радиосигналами заданные районы местности и находят необходимый объект 4. Каждый спутник передает два сигнала, которые содержат информацию о взаимном расположении всей группы спутников, а также точные индивидуальные поправки к своей орбите.
На машине установлены приемник - накопитель сигналов (ресивер) 4, две антенны 3, которые связаны с приемником кабелем, устройство передачи информации 5 и компьютер 6. Принимая космические сигналы в заданной точке, GPS-приемник 4 вычисляет расстояние до каждого спутника. Для определения собственных координат в трехмерном пространстве (долгота - широта - высота) GPS-приемник учитывает сигналы четырех (и более) спутников. Чтобы уменьшить влияние различных помех (слоев атмосферы с различными электрофизическими свойствами, рельефа местности, сооружений, деревьев и др.), используют базовую станцию 2 - дифференциал GPS (DGPS). В качестве дифференциала применяют специальный GPS-приемник, по сигналам которого непрерывно корректируется информация, принятая мобильным приемником на машине.
При работе системы блок управления в машине непрерывно сравнивает ее фактические координаты (от мобильного ресивера) с заданными проектными параметрами (планом, продольным и поперечным профилями др.), введенными в его память перед началом работ. При расхождении текущих параметров с заданными вырабатывается сигнал, который после усиления поступает в электрогидрораспределители, управляющие гидроцилиндрами отвала бульдозера. В свою очередь гидроцилиндры меняют положение отвала до тех пор, пока текущие координаты рабочего органа не будут совпадать с проектными.