Maschinensteuerung und autonome Geräte treffen sich auf halbem Weg mit den Auftragnehmern
Da die Maschinenhersteller die Elektrifizierung und den autonomen Betrieb weiter vorantreiben, wollen Anbieter von Positionierungs-, Middleware- und Robotertechnologien wie Moog Construction, Built Robotics und Trimble den Bauunternehmern helfen, die Gewässer der Zukunft zu testen.
Die Umstellung auf einen elektrischen oder autonomen Betrieb ist für Bauunternehmer keine kleine Ausgabe. Die Kosten variieren, aber ein batteriebetriebenes schweres Gerät kann einen Aufschlag von 50 % oder mehr gegenüber Dieselmaschinen haben, und das, bevor die Kosten für die Installation von Ladestationen und die Aktualisierung von Servicebuchten berücksichtigt werden.
Durch die Elektrifizierung von dieselbetriebenen Maschinen auf dem Nachrüstmarkt können sich Bauunternehmer zu einem niedrigeren Preis an diese neuen Systeme gewöhnen, während vom Händler installierte Sensorpakete einen Vorgeschmack auf halbautonome Maschinen bieten. Mietkanäle sind eine weitere Möglichkeit, diese neuen Arbeitsweisen auszuprobieren.
SunBelt Rental hat im Jahr 2022 die ersten 100 Exemplare des vollelektrischen Bobcat Kompakt-Raupenladers T7X übernommen und diese Vereinbarung Anfang dieses Jahres um weitere Exemplare erweitert. Der T7X verfügt über das integrierte Software-Framework von Moog, eine elektrische Maschinensteuerung, elektrische Hub- und Kippantriebe sowie elektrische Fahrmotoren. Der Hub wird nicht hydraulisch, sondern elektrisch angetrieben, so dass der T7X zwar die Leistung eines normalen Bobcat T76-Raupenladers hat, aber durch die Batterie- und Steuerungskomponenten etwa 1.000 Pfund schwerer ist, was für den Fahrer eine etwas andere Handhabung bedeutet.
Solarnachfrage treibt Initiativen zur Arbeitseinsparung an
Keith Churchill, Chief Innovation Officer von Bechtel, und Ken Burke, Global Operations Manager des Unternehmens, arbeiteten im Jahr 2021 auf dem Ausrüstungsgelände des Unternehmens in Houston mit Hardware von Built, die es ermöglicht, die Bagger des Unternehmens völlig autonom zu betreiben.
Churchill sagte, dass es aufgrund des wettbewerbsintensiven Arbeitsmarktes für die erfahrenen Bediener des großen EPC-Auftragnehmers von Vorteil war, mehrere der autonomen Bagger von einem Anhänger aus zu beaufsichtigen, anstatt stundenlang Gräben für große Solarparkprojekte in Texas und Louisiana auszuheben.
Die Bediener konnten die Komatsu- und Caterpillar-Bagger auf der Baustelle überwachen, während sie Gräben für elektrische Leitungen und Löcher für Pfähle zur Befestigung der Platten aushoben. Burke und sein Team testeten das Built-System auf der Werft von Bechtel und entwickelten Verbesserungen, wie z. B. die Verwendung eines Geofence, der sicherstellt, dass die Bagger automatisch abgeschaltet werden, wenn sie zu nahe an Menschen herankommen. Das von Built entwickelte System passt auf normale Hydraulikbagger von Caterpillar und Komatsu und überträgt die elektrohydraulische Steuerung der Maschine auf einen Bordcomputer, der so programmiert ist, dass er standardisierte und sich wiederholende Aushubarbeiten ausführt, die vor dem Einsatz geladen werden. Bei den Solarprojekten von Bechtel erreichten die mit Built ausgestatteten Bagger eine Betriebszeit von 93 % bei einer Produktivität von 191 linearen Fuß pro Stunde - eine Produktivitätssteigerung von 45 % gegenüber einem einzelnen Baggerführer, der Gräben aushebt.
Die autonomen, vollelektrischen Raupenlader von Moog werden in ähnlicher Weise bei einem Solarprojekt eines großen Solarenergieanbieters im Westen New Yorks eingesetzt. Jeder Lader verfügt über eine GPS-Einheit sowie vorne und hinten angebrachte Kameras und LiDAR-Sensoren, die direkt mit der Moog-Software kommunizieren. Auf diese Weise kann der Bediener einfache Befehle programmieren, z. B. die Aufnahme von Materialpaletten in einem Lagerbereich und deren Lieferung an den Ort, an dem sie benötigt werden, um dann zu wenden und die Aufgabe zu wiederholen.
Die autonomen Raupenlader liefern Materialien wie Polysilizium-Photovoltaikmodule, die jeweils 80 Pfund wiegen. Der Projektstandort befindet sich wie die meisten Solaranlagen in einem abgelegenen Gebiet, und die Installationsteams müssen jede Woche Hunderte von Paletten mit Modulen anliefern. Aditya Sharma, Business Development Manager bei Moog, sagte, dass die autonome Lieferfunktion eine gewisse Konsistenz mit sich bringt, die der Auftragnehmer benötigt.
Er sagte, dass Moogs Wurzeln in der Mechatronik, die bereits in der Weltraumforschung, bei militärischen Anwendungen und bei der Öl- und Gasexploration weit verbreitet ist, ein Vorteil für Unternehmenspartner wie Bobcat und Sunbelt sind, wenn es um Autonomie und elektrischen Betrieb geht.
Laut Greier liegt der derzeitige Schwerpunkt des Unternehmens auf Solarprojekten, da diese arbeitsintensiv, schmutzig und abgelegen sind und im Rahmen der laufenden Umstellung auf saubere Energieerzeugung stark nachgefragt werden. Greier glaubt auch, dass die Betreiber, sobald sie verstehen, was sie mit elektrischen Maschinen tun können, diese den Dieselmaschinen vorziehen werden.
Sensoren und GPS bieten den Betreibern Orientierungshilfe
Trimble verfolgt einen ähnlichen Ansatz, um Kunden die Möglichkeit zu geben, ihren vorhandenen Maschinenpark auf neue Weise zu nutzen, und bietet Upgrades an, mit denen die 3D-Maschinenführung in die Kabine gebracht werden kann, damit die Bediener Zeit sparen. 3D-Maschinensteuerungen und -führungen sind zwar schon seit mehr als einem Jahrzehnt auf dem Markt, aber es ist gewöhnungsbedürftig, sie für die Neigungsbestimmung in der Fahrerkabine zu nutzen und damit die Notwendigkeit zu beseitigen, dass ein Vermesser oder ein anderer Arbeiter Neigungspflöcke außerhalb der Maschine halten muss. Aber die Möglichkeit, heute ein Maschinensteuerungssystem für eine minimale Investition zu installieren, im Vergleich zur Investition in eine ganz neue Maschine, verändert die Kalkulation der Bauunternehmer.
Siteworks Machine Guidance nutzt die Trimble Siteworks-Software für Vermessung und Projektplanung, um dem Fahrer über ein Tablet-Display in der Kabine Anweisungen zu geben. Ein einziger Baggerfahrer kann Tätigkeiten ausführen, für die früher eine ganze Mannschaft erforderlich war - mit GPS-Geräten, die neben dem Fahrer arbeiten und Vermessungs- und Planungsaufgaben vor Ort übernehmen. Die Aufzeichnung von Daten über ausgehobene Gräben oder die genaue Anzahl der ausgehobenen Eimer kann ebenfalls automatisch erfolgen.
"Es hilft den Auftragnehmern, vor allem den kleineren Unternehmen, die ich als Nicht-Unternehmen bezeichnen würde, die in der Regel Eigentümer-Betreiber sind, in die Technologie einzusteigen und wirklich produktiver zu sein", sagt Steve DiBenedetto, Trimble Produktmanager für Tiefbau und Feldlösungen. Die Bediener müssen jetzt nicht mehr in die Maschine ein- und aussteigen". Er merkt an, dass Siteworks Machine Guidance den Bauunternehmern auch bei personellen Herausforderungen helfen kann, da sie für Vermessungsarbeiten keine separate Person in einem Loch mit einem Pfahl benötigen oder einen Vermesser auf die Baustelle zurückrufen müssen, wenn jemand Pfähle umstößt, die bereits gesetzt wurden.
Siteworks Machine Guidance kann in wenigen Stunden von einem Trimble SITECH Händler installiert werden. Es besteht aus drei Teilen: einer Trimble GPS-Antenne, die an der Oberseite des Baggerarms befestigt wird, einem IMU-Sensor (Inertial Measurement Unit), der am Dogbone des Baggerarms angebracht ist, und dem Feldtablett in der Kabine. Zusammen mit einem Kabelbaum kann das System laut Trimble auf jedem kleinen bis mittelgroßen Bagger installiert werden.
Mit der IMU können Messungen wie Tiefe und Neigungswinkel in die Trimble-Software in der Kabine hochgeladen werden. Die GPS-Antenne bringt diese Bewegungen in einen Kontext, einschließlich eines 3D-Modells des Bodens, und nutzt die Positionierungs-Engine der Trimble-Software. Der Sensor, das GPS und die IMU sind alle über Bluetooth verbunden. Die Trimble SPS986 oder die Trimble R780 GNSS Smart Antennas sind beide als GPS-Antenne für Siteworks Machine Guidance erhältlich. Trimble verkauft Siteworks Machine Guidance als Abonnement mit monatlichen Zahlungen oder als traditionelles unbefristetes Angebot. Wenn ein Bauunternehmer bereits ein Trimble-Standortbestimmungssystem mit Siteworks hat, kann das Upgrade je nach regionalen Händlerpreisen rund 5.000 US-Dollar kosten.
Die Anlieferung von Paletten mit Polysilizium-Photovoltaikmodulen mit autonomen CTLs spart Arbeit bei einem Solarprojekt im Westen New Yorks. Foto links mit freundlicher Genehmigung von Moog Construction
"Wir setzen das System vor allem auf unseren kleineren Baustellen ein", sagt Tom Gardocki, Miteigentümer von New Era Excavation in New Hampshire, der auch für seinen YouTube-Kanal "Dirt Ninja" bekannt ist, auf dem er verschiedene von ihm verwendete Geräte demonstriert. "Wir sind bereits Nutzer von Trimble, wir verwenden viele ihrer anderen Systeme, einschließlich der 3D-Nivellierung auf unseren Baggern und Planierraupen, und wir haben auch mehrere Basis- und Rover-Setups für 3D. Dies ist also ein weiteres Werkzeug in unserer Ausrüstung für bestimmte Aufgaben."
Gardocki sagt, dass New Era Siteworks Machine Guidance vor allem bei kleineren Entwässerungs- und Planierprojekten einsetzt, bei denen der Auftrag nicht die Zeit rechtfertigt, ein vollständiges 3D-Modell der Baustelle zu erstellen. Stattdessen geht er einfach auf die Baustelle, nimmt die Vermessungspunkte auf, speichert sie im Grundriss und zeigt sie auf dem Siteworks Machine Guidance-Tablett an, um die Aushubführung zu erhalten. "Das ist der große Vorteil, man hat sozusagen zwei Systeme in einem", sagt Gardocki. "Man hat zwar nicht die vollen Möglichkeiten, die man hätte, wenn man in ein komplettes 3D-System investieren würde, aber es ist auf jeden Fall eine gute Möglichkeit, um in die 3D-Maschinensteuerung einzusteigen."
Gardocki sagt, dass es nur fünf Minuten dauern kann, die Punkte zu definieren, die Maschine einzurichten und mit der Führung in der Kabine genau zu graben.
Wie Moog und Built hat auch Trimble einen interessierten Markt von Bauunternehmern gefunden, die bereit sind, seine Technologie in Solarprojekten der Versorgungswirtschaft einzusetzen.
Als Trimble Anfang des Jahres ein 1,7-MW-Solarmodulfeld zur Stromerzeugung für seinen Hauptsitz in Westminster, Kalifornien, errichtete, setzte das Unternehmen Trimble Groundworks ein, um die Löcher für die Pfähle zu identifizieren und auszuheben, die die Solaranlage tragen sollten.
Mithilfe von GPS-Koordinaten findet das Trimble Groundworks-System die exakte Position für einen Pfahl und gewährleistet eine genaue Lotung und Ausrichtung sowie die richtige Tiefe. Die traditionelle Methode, bei der die Pfähle mit Hilfe von Schnüren ausgerichtet werden, birgt ein Fehlerrisiko und längere Rüstzeiten, ganz zu schweigen von der Stolpergefahr für die Arbeiter, die die Messungen durchführen. Die Tiefe einer Ausgrabung kann anhand des Winkels und der Tiefe der Schaufel, die von der IMU gemessen werden, verfolgt werden, und mit den GPS-Koordinaten werden die Bauunternehmer darauf aufmerksam gemacht, dass die Baustelle nicht eben ist oder nicht in der richtigen Höhe markiert ist, wenn sie vor Ort sind.
Das von Trimble beauftragte Bauunternehmen "zögerte ehrlich gesagt sehr, sich auf die Technologie einzulassen, und wir als Kunde zwangen es gewissermaßen dazu, Groundworks zu verwenden", sagt DiBenedetto und fügt hinzu, dass das Unternehmen kurz nach Abschluss des Projekts "vier Systeme bestellt hat". Er fügt hinzu, dass die Technologie "die Arbeit [des Bauunternehmens] wirklich erleichtert. Der Nutzen ist derselbe - schneller, genauer und es werden weniger Fachkräfte benötigt, um die Pfähle an der richtigen Stelle zu platzieren.
Der "Dirt Ninja" Tom Gardocki setzt Siteworks Machine Guidance bei kleinen Arbeiten ein, um Kontrollpunkte zu setzen und die Genauigkeit der Grabungen zu messen, bei denen eine vollständige 3D-Modellierung nicht kosteneffektiv wäre. Die Lösung von Trimble verwendet eine GPS-Antenne, einen IMU-Sensor und ein Tablet in der Kabine, das über Bluetooth mit der Antenne und dem Sensor verbunden ist.
Die unbeantwortete Frage des Aufladens für Elektrogeräte
Das Aufladen elektrischer Geräte ist nach wie vor ein Problem für Bauunternehmer, die in abgelegenen Gebieten arbeiten oder einfach keine Ladestationen in der Nähe haben. Selbst wenn Strom leicht verfügbar ist, gibt es immer noch einen Wettbewerb um begrenzte Ladestationen. Derzeit kann der Bobcat T7X über Nacht an Standard-Elektroanschlüssen vollständig aufgeladen werden, aber das Moog-Team ist davon überzeugt, dass es mit seinen firmeneigenen Ladegeräten eine Vollladung in vier Stunden erreichen kann.
"Wir haben ein Schnellladegerät, mit dem man die Geräte viel schneller aufladen kann als mit den meisten anderen elektrischen Maschinen, die zwischen vier und zehn Stunden brauchen", sagt Berg von Moog. "Die Laufzeit beträgt etwa einen halben Tag, aber weil es so schnell aufgeladen werden kann, haben wir ein Konzept für opportunistisches Aufladen, bei dem wir empfehlen können, das Gerät nach einer sicheren Morgenschicht für 10 bis 15 Minuten anzuschließen und dann zu Mittag zu essen. In der Mittagspause laden wir das Gerät wieder auf, so dass es für den Rest des Tages ausreicht. Das ist weniger mühsam und lästig als wenn man das Gerät acht Stunden lang irgendwo hinschleppen müsste, um es aufzuladen."
Wie Trimble arbeitet auch Moog an Lösungen, mit denen sich vorhandene Geräte durch eine Nachrüstung mit neuen Funktionen ausstatten lassen. Moog hat einen elektrischen Batteriekasten entwickelt, der mit vier Schrauben, zwei Steckern an den Seiten und einem Kabelbaum an jeden kleinen bis mittelgroßen Bagger geschraubt werden kann und jeden OEM-Bagger in einen voll elektrischen Bagger verwandelt. Berg sagt, dass die Firma auch die Maschinen, die das große Moog-Batteriepaket verwenden, fernbedienbar machen kann, da der Kabelbaum mit den Joysticks in der Kabine verbunden ist.
Maschinenhersteller, die mit Moog, Trimble und Built zusammenarbeiten, konkurrieren um das Geschäft mit Bauunternehmern, aber auch große Unternehmen wie Komatsu, Caterpillar und John Deere sind bestrebt, die Produktion auf elektrische Maschinen umzustellen, so dass sie ebenfalls ein Interesse daran haben, mit Middleware-Anbietern zusammenzuarbeiten, um ihre Kunden auf diesem Weg zu begleiten.
New Era's Gardocki sagt, dass Lösungen, die den Auftragnehmern auf halbem Weg entgegenkommen und sich wiederholende Aufgaben vereinfachen, das sind, was der Großteil des Marktes - kleine bis mittelgroße Auftragnehmer wie seine Firma - auch in Zukunft von ihren Maschinen brauchen wird, da der Übergang noch in den Kinderschuhen steckt.
"Ich denke, wir sind noch sehr, sehr weit entfernt [von autonomen Maschinen]", sagt Gardocki. "Bestimmte Aufgaben sind natürlich einfacher als andere, aber wir sprechen hier von Bauarbeiten, bei denen sich die Dinge ständig ändern und man auf Probleme stößt, wenn man auf einen unterirdischen Vorsprung stößt und auf andere unterirdische Dinge. Um einen Roboter zu entwickeln, der intelligent genug ist, das zu tun, wird es wohl noch eine ganze Weile dauern.
Er fügt hinzu: "Diese Systeme, die die Aufgaben so vereinfachen, dass [weniger] Menschen benötigt werden, aber immer noch ein Bediener die Verantwortung trägt, werden das sein, wonach jeder sucht, zumindest in den nächsten 10 Jahren oder so."