Auf der traditionellen Baustelle – bevor die mobile Automation den Arbeitsalltag erleichterte – sah der Arbeitsablauf in der Regel so aus: Anhand der Bauzeichnung wurde das Gelände vermessen. Dem geplanten Bauvorhaben entsprechend galt es dann, planerisch bestimmte Punkte oder Höhen abzustecken. Die Baumaschinenführer arbeiteten anschließend nur mit diesen visuellen Hilfspunkten, ohne weitere Referenz, und waren somit auf die Unterstützung der Vermessungsingenieure angewiesen. Der Absteckungsaufwand war sehr hoch und bei der Genauigkeit des Resultats kam es maßgeblich auf die Erfahrung des Maschinenführers an. An der Tagesordnung wären häufige Kontrollmessungen, Nacharbeiten und Korrekturen. Wurde beispielsweise zu viel Material abgetragen, musste dies anschließend wieder aufgefüllt werden. Entsprechend zeit-, kosten- und personalintensiv war die Arbeit. Heutigen Ansprüchen an die Genauigkeit im Erd- oder Straßenbau, an Qualität und an Schnelligkeit würde dieses Vorgehen kaum mehr gerecht werden.

2D-Systeme erobern die Baustelle

Mit dem ersten Schritt in Richtung mobiler Automation entstanden 2D-Maschinensteuerungssysteme, die eine Höhen- und Neigungskontrolle ermöglichten. Diese Systeme arbeiten mit einer Referenz zur Höhenerfassung – beispielsweise einem Bordstein, einem Seil, einem Laserstrahl oder dem Untergrund. Anhand dieser Referenz ist die Arbeitshöhe jederzeit bekannt und der Bauplan entsprechend genau umsetzbar – entweder automatisch, indem die Zielvorgabe in das System eingegeben wird, oder halbautomatisch, indem das System den Fahrer leitet und ihm anzeigt, wann die richtige Höhe erreicht wird, wie beispielsweise bei Baggersteuerungen. 2D-Systeme arbeiten mit mechanischen Sensoren, Neigungssensoren zum Beispiel oder Drehgebern, die direkten Kontakt zur Referenz benötigen, oder mit Ultraschallsensoren, die die Referenz berührungslos via Ultraschall abtasten.

In der Praxis funktionieren solche Systeme so: Über ein Bedienpanel gibt der Maschinenführer die angestrebten Höhen- und Neigungswerte ein. Das System erfasst mit den Sensoren die jeweilige Höhe und Neigung. Diese Werte gleicht der Controller mit den Soll-Werten ab. Bei Abweichungen sendet er sofort entsprechende Signale an die Hydraulik, um die Bohle oder Schar entsprechend zu steuern. So lässt sich sowohl im Erd- als auch im Straßenbau eine Genauigkeit im Millimeterbereich erzielen, was Einbauhöhe und -neigung betrifft. Der Bediener erhält alle Angaben in Echtzeit auf dem Display, um sofort reagieren zu können, sollten Korrekturen oder Änderungen nötig sein.

Das Nivelliersystem 'Moba-matic' ist mit verschiedenen Sensoren kombinierbar.

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Die Systeme müssen unter den baustellentypischen Extrembedingungen, wo Staub, Vibrationen und sonstige Umwelteinflüsse auf die Maschine und die Maschinensteuerung einwirken müssen, teils sehr komplexe Prozesse beherrschen. Aus diesem Grund ist neben einer hohen Leistungsfähigkeit der Controller auch eine robuste, widerstandsfähige Bauart der Gehäuse und ein entsprechender Schutz der Elektronik unerlässlich.

Erste Anwendungen solcher Maschinensteuerungssysteme gab es in den 1960er Jahren. Und auch heute noch kommen solche Systeme häufig zum Einsatz, wie beispielsweise das Nivelliersystem 'Moba-matic' für den Einsatz auf Asphaltfertigern.

3D für komplexe Projekte

3D-Maschinensteuerung: Darstellung auf dem Panel

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Vor rund 15 Jahren kamen die ersten 3D-Systeme auf den Markt. Im Prinzip erledigt ein 3D-System die gleichen Aufgaben wie eine 2D-Steuerung: Es verarbeitet den Input der Sensoren, berechnet den Unterschied zu den Zielwerten und gibt die entsprechenden Befehle mit den Korrekturen an die Ventile weiter. Im Unterschied zu 2D-Systemen können 3D-Systeme jedoch auch die genaue Position und Ausrichtung der Maschine erfassen, so dass Höhenreferenzen überflüssig sind. Mit 3D-Systemen lassen sich somit auch komplexe Projekte mit vielen verschiedenen Neigungen einfach umsetzen. Darüber hinaus verfügen die Systeme über weitaus mehr Funktionen und kommunizieren beispielsweise via WLAN, Bluetooth oder Telematik.

3D-Systeme arbeiten grundsätzlich anhand von digitalen Geländemodellen, als mit dem Aufkommen von CAD-Zeichnungen auch bei Bauplänen die dritte Dimension ins Spiel kam. Damit werden dreidimensionale Planungsmodelle im Büro erstellt und per USB-Stick oder Telematik auf das System übertragen. Die Positionsbestimmung der Maschine erfolgt entweder mittels Totalstation oder via Satellit. Zur präzisen satellitengestützten Positionierung muss das System die Signale von mindestens fünf Satelliten empfangen können. Dazu werden neben den amerikanischen GPS- auch die russischen Glonass-Satellitensignale verarbeitet. 3D-Systeme, die mit GNSS (GPS und Glonass) arbeiten, erreichen mit RTK-Basisstationen eine sehr hohe Genauigkeit. Totalstationen kommen insbesondere dort zum Einsatz, wo kein oder nur eingeschränkter Satellitenempfang herrscht wie etwa in Tunneln, bei dichter Bebauung oder Baumbestand.

Wie bei den 2D-Systemen gibt es bei 3D sowohl reine Kontroll- als auch Automatiksysteme, die automatisch die Hydraulik der Maschine ansteuern, um die Höhen- und Neigungsvorgaben zu erfüllen. Insgesamt reduzieren 3D-Steuerungen Absteckungs- und Kontrollarbeiten und erhöhen die Genauigkeit. Dies wiederum mindert den Zeit- und Personalaufwand. Und mit der Aufzeichnung aller Arbeitsschritte und der -ergebnisse verfügt der Unternehmer über einen Arbeits- und Qualitätsnachweis.

Welches System für welche Baustelle?

Heutige Controller vereinen 2D- und 3D-Controller in einem Gehäuse

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3D-Systeme sind insbesondere bei Erdbauarbeiten häufig zu sehen. Doch auch 2D-Systeme sind nach wie vor zahlreich im Einsatz – schließlich wird nicht in jedem Fall die teurere 3D-Technologie benötigt: Beispielsweise wenn im Straßenbau der Unterbau bereits mit 3D-Technologie präpariert wurde und somit bereits ideal angelegt ist, bieten sich 2D-Systeme an. Auch bei der Sanierung von Straßen – was etwa 80 % aller Einsätze von Asphaltfertigern ausmacht - ist der Einsatz eines 3D-Systems nicht sinnvoll, da für diese Straßen meist keine 3D-Daten vorliegen und 3D somit gar nicht genutzt werden kann. Wird eine Straße hingegen komplett neu gebaut, kann ein 3D-System auch für den Asphaltfertiger sinnvoll sein, weil dann alle Maschinen auf die 3D-Designfiles zugreifen können.

Für die Entwicklung solcher Systeme ist wichtig, dass verschiedene Elemente miteinander flexibel kombinierbar sind. Dies betrifft sowohl einzelne Sensoren, die je nach Anwendung beliebig zusammengestellt werden können, als auch die Nutzung bestehender Hard- und Software-Komponenten für die Entwicklung neuer Systeme. Der Vorteil solch modularer Systeme ist, dass Entwicklungskosten und -zeiten deutlich sinken. Aus diesem Grund bieten sich für die Praxis heute Systeme an, die als 2D-Systeme die Option zur Aufrüstung auf 3D bieten. So kann bei Bedarf bei Weiternutzung der Sensoren auf 3D aufgerüstet somit. Das 2D-System 'GS-506' von Moba beispielsweise lässt sich direkt mit einem 3D-fähigen Controller ausstatten, so dass bei einem Upgrade lediglich das Display auszutauschen und die GNSS-Antenne beziehungsweise das Prisma zu installieren ist, um die Maschine mit 3D-Daten arbeiten zu lassen.

Entwicklungstrends

Die Entwicklung von Maschinensteuerungssystemen wird immer mehr dahin gehen, die Qualität des gesamten Bauprozesses sowie die Kommunikation der Maschinen untereinander zu verbessern. Für die Qualität im Bauprozess ist dann nicht mehr 'nur' die Steuerung der Maschine, sondern beispielsweise im Asphaltbau der gesamte Materialfluss vom Asphaltwerk bis zur Asphaltierung der Straße von Bedeutung. Die Qualität der zukünftigen Straße lässt sich mit einem durchgängigen, reibungslosen Prozess verbessern. Dazu tragen Neuentwicklungen wie beispielsweise das Qualitätskontrollsystem 'Pave-IR Scan' bei, mit dem die Asphalttemperatur während des Einbaus direkt hinter der Bohle gemessen und anhand des Temperaturprofils etwaige Schwachstellen in der Straßenoberfläche sofort erkannt werden können.

Erste Entwicklungen in der Vernetzung der Maschinen gibt es ebenfalls bereits. Wechselnde Teams, täglich wechselnde Baustellen und unterschiedliche Maschinenflotten stellen die Entwicklung dabei vor Herausforderungen. Diese Komplexität einfach zu halten und unter "einen Hut zu bekommen" wird eine der großen Herausforderungen der Zukunft sein. Aus diesem Grund werden Kommunikationstechnoiken wie 3G und 4G neben bereits genutzten Techniken wie WLAN und Bluetooth bei der Entwicklung künftiger Maschinensteuerungen und deren Vernetzung eine wichtige Rolle spielen.

Autor: Bernhard Marx ist Produktmanager Erdbewegung & Verdichtung bei Moba in Limburg.