Системы интеллектуального управления лесных машин
Интеллектуальные системы измерения и управления (СИУ) в настоящее время в такой степени интегрированы в некоторые виды техники, что мы порой не замечаем их и не ощущаем, как они влияют на работу механизмов и устройств. Операторы современных лесозаготовительных машин не задумываются, как кабина валочно-пакетирующей машины сама выравнивается на холмистой местности, и уж тем более как работает система гидравлики. И операторам такая «нелюбознательность» простительна. Но вот владелец лесозаготовительного бизнеса должен со всей серьезностью относиться к системам измерения и управления, иначе рискует упустить существенную выгоду.
Какая же польза от систем измерения и управления для лесозаготовительной техники и какие системы измерения и управления представлены сегодня на рынке?
Обзор, предлагаемый вниманию читателей, посвящен системам, которые устанавливаются на харвестерах и форвардерах - самой распространенной паре машин в сортиментной лесозаготовке. Использованию систем измерения и управления именно на этих машинах производители уделяют особое внимание.
Зачем нужны системы измерения и управления
Производственный процесс лесозаготовки состоит из трех основных операций: лесосечных работ, транспортировки леса и складирования заготовленного сырья на лесопромышленном складе (предприятии). И на каждом из этих этапов компании-лесозаготовителю необходимо четко знать, сколько древесины заготовлено, перевезено и помещено на склад. Эти сведения необходимы не только для того, чтобы точно рассчитать, какую прибыль может получить компания, но и для долгосрочного планирования заготовок.
В современных деловых отношениях договор выше стандартов. Это значит, что параметры лесоматериалов при отгрузке должны в первую очередь соответствовать условиям заключенного договора и лишь потом (при необходимости) - нормативным документам. Поэтому стандартизированные методы подсчета круглых лесоматериалов, которые применялись некоторое время назад, сейчас уже неактуальны - большая погрешность (как в плюс, так и в минус) в определении объемов недопустима.
Именно желание прогнозировать расходы и прибыль и необходимость получать точную информацию о количестве заготовленного леса подвигли разработчиков лесозаготовительной техники (ЛЗТ) на создание системы измерения, которая могла бы самостоятельно вести учет срубленного леса.
Ни одна из ведущих компаний - производителей лесозаготовительных машин не претендует на титул первооткрывателя в области создания систем измерения и управления, кроме того, все они придерживаются единого формата данных, которые определяются с помощью систем измерения и управления, - эти факты говорят о том, что разработки систем измерения и управления велись повсеместно. Поиск первоисточников систем измерения и управления затрудняется также тем, что все ведущие мировые производители лесной техники используют наработки либо поглощенных ими компаний, либо сторонних конструкторов.
Если системы управления облегчают жизнь в первую очередь операторам техники, то системы измерения помогают ее владельцам или менеджерам, ответственным за рациональное использование ресурсов. В большей степени продвинутые системы измерения и управления со всеми предустановленными модулями (навигационными картами, финансовыми пакетами и проч.) нужны при эксплуатации большого парка лесозаготовительной техники. Использование систем измерения и управления обусловлено необходимостью управлять множеством машин одновременно, что требует серьезного анализа и прогнозирования расходов и доходов, а также корректировки этих показателей. Чем больше парк, тем больше риски. Однако находятся и индивидуальные предприниматели, которые оборудуют свою единственную машину всеми возможными дополнительными опциями. И в таком подходе тоже есть здравый смысл. Пример - опционально установленная система управления манипулятором Intelligent Boom Control от компании John Deere. Такая система позволяет автоматически совмещать движения стрелы, рукояти и телескопа. Применение системы на среднетоннажном (номинальной грузоподъемностью 12-13 т) форвардере позволяет сэкономить на одной погрузке примерно полторы минуты, что обеспечит одну дополнительную ходку форвардера каждый рабочий день (конечно, многое зависит и от расстояния от делянки до верхнего склада). Нетрудно подсчитать, что таким образом при перевозке пиловочника, отпускная рыночная цена одного кубометра которого, например, 2000 руб., предприятие может дополнительно получить 50 тыс. руб. прибыли в день, что позволит окупить систему стоимостью примерно 1,5 млн руб. уже за месяц работы. А годовой эффект от использования системы может составить до 15 млн руб.
Снизить издержки лесозаготовительных работ поможет также, например, диагностика машины. Удаленная диагностика дает возможность выявить неисправности машины или отдельных ее узлов, заранее подготовиться к возможному ремонту и заказать запчасти у дилера. Диагностика также может выявить непродуктивное использование машины оператором, в частности, нерациональное использование мощности машины на некоторых операциях.
Кроме того, диагностика машины с использованием систем измерения и управления существенно облегчает поиск неисправностей техники. Система может выявить неработающий узел и в некоторых случаях даже указать причину случившегося. Учитывая суммы, которые теряют лесозаготовители во время простоев техники, подобные возможности систем измерения и управления могут стать существенным подспорьем для оперативного устранения неисправностей.
Суммарный эффект использования многофункциональных систем измерения и управления лесозаготовительных машин сложно переоценить - это и повышение производительности, и контроль всего парка техники (вместе с операторами), а главное, возможность прогнозировать расходы и прибыль предприятия.
Первые системы измерения
Пример расположения контроллеров харвестера
John Deere:
1 – монитор бортового компьютера;
2 – контроллеры консоли;
3 – контроллер кабины (CAB);
4 – блок управления двигателем (ECU);
5 – контроллер трансмиссии (TRC);
6 – контроллер Tier4 (T4C);
7 – контроллер клапана хода (ВМС);
8 – контроллер рамы (FRC);
9 – контроллер манипулятора (BOC);
10 – контроллер харвестерной головки (HHC).
Финская компания Ponsse начала разработку систем измерения «руками» соотечественников - фирмы Epec Oy, которая в 1987 году выпустила систему измерения для харвестеров Harvemeter 4000. У этого «большого калькулятора» с монохромным дисплеем и двумя окошками (в одном отображалась длина срезаемого ствола, а во втором - диаметр) не было памяти. По времени появление Harvemeter 4000 совпало с выпуском первых харвестеров и харвестерных головок Ponsse. Компания Epec специализируется на разработке и производстве систем управления и механизмов, работающих в сложных условиях: горного оборудования, дорожно-строительной техники и т. д. Однако и сегодня Epec, 100% акций которой с 2004 года принадлежат Ponsse, выпускает измерительные системы для харвестеров.
Последняя (на текущий момент) версия систем измерения и управления от Epec - 4W Herman, как и любая современная система измерения и управления для лесной техники, состоит из органов управления, дисплея для отображения информации и внутрисистемных датчиков и процессоров, связывающих посредством CAN-шины поток данных между всеми элементами систем измерения и управления. В ходе заготовки леса система получает данные о диаметре, длине сортиментов и прочем от датчиков, установленных на харвестерной головке, об уровне давления в системе гидравлики и другую информацию - от датчиков, установленных в моторном отсеке и в других жизненно важных узлах и элементах лесной машины, и передает их на дисплей монитора. Системам измерения и управления, приведенная в качестве примера, и подобные ей обеспечиваются штатно необходимым ПО.
Вторая компания, входящая в «большую тройку» производителей лесной техники, - американская John Deere - использует системы, созданные специалистами канадской компании Timbrerjack, которую John Deere купила в 2000 году. Интересно, что Timbrerjack на начальном этапе развития использовала системы, разработанные упомянутой выше Epec.
Учитывая, что все современные лесозаготовительные машины снабжаются предустановленными системами измерения и управления, покупка подобной системы, как правило, актуальна для тех, кто решил переоборудовать, например, экскаватор в харвестер.
Третий производственный гигант в области лесозаготовительной техники - компания Komatsu, так же, как и Ponsse и John Deere, вначале использовала опыт стороннего производителя лесозаготовительной техники и по совместительству разработчика систем измерения и управления: компании Valmet.
Valmet выпустила первую простейшую компьютеризированную систему обмера древесины (которая могла лишь определять диаметр и длину ствола) в 1973 году. А созданная в 1976 году версия систем измерения и управления не только могла измерять параметры дерева, но и содержала в своей памяти данные о восьми вариантах длины сортиментов. Оператор мог выбрать предустановленные варианты нарезки ствола с определенными размерами - остальное машина делала сама.
В 1978 году появилась система MD1 - прообраз современных систем измерения и управления для техники Komatsu. В 2004 году Komatsu приобрела компанию Valmet и начала производить и лесную технику, и систем измерения и управления для нее самостоятельно.
В том же 2004 году специалисты финской компании Logset приступили к разработке собственной системы измерения и управления под названием TOC (Total Operational Control), к слову, единственной работающей на операционной системе Linux (в основном производители используют систему Windows). До того момента Logset использовала систему измерения и управления, созданные сторонними компаниями.
Как это работает
Как и в случае с велосипедом, который нельзя изобрести дважды, у всех систем измерения и управления схожие принцип работы и конструкция. Все они состоят из ПК, который снабжен специализированным ПО, датчиками, контроллерами и блоками управления. Связь между устройствами поддерживается, как правило, посредством CAN-шины.
Датчики отслеживают параметры работы всех узлов и систем машины. Так, например, харвестер оснащен датчиками давления в гидравлической системе, положения бревна в харвестерной головке (с помощью которых измеряется длина и диаметр дерева), положения пильной шины и манипулятора. Кроме того, машина может оснащаться датчиками положения кабины относительно горизонта и др.
На харвестере и форвардере также установлен десяток контроллеров, принимающих входные сигналы от датчиков, органов управления, других контроллеров, генерирующих команды для исполнительных механизмов (таких как соленоиды гидравлического распределителя) и управляющих питанием потребителей электроэнергии.
Обмен данными между контроллерами, датчиками и исполнительными механизмами обеспечивает шина данных, играющая роль нервной системы машины. Вся информация собирается и обрабатывается в бортовом ПК с помощью ПО, а затем отображается на экране монитора. Безусловно, разные производители используют разные датчики и контроллеры, однако их функционал и принцип действия во многом схожи, а вот программное обеспечение различается.
Надо также отметить, что каждая новая функция машины (например, управление гидравликой по нагрузке) требует не только новой прошивки ПО. Зачастую необходима установка нового модуля/датчика/контроллера, который надо еще подружить с «мозгом» машины. Это одна из причин немалой стоимости дополнительных функций.
Многофункциональность = высокая производительность
Современные высокопроизводительные форвардеры и харвестеры позволяют (а производители техники даже рекомендуют) оператору активно вмешиваться в настройки машины и менять многочисленные параметры - от положения кресла до используемых в разных режимах работы оборотов двигателя. Все эти тонкие подстройки «под себя» позволяют максимально автоматизировать работу. Так, например, харвестер может осуществлять протяжку и раскряжевку леса в полуавтоматическом режиме по созданным оператором индивидуальным инструкциям, в которых прописаны параметры (длина и диаметр) сортиментов. При этом в память компьютера заносятся не только параметры машины на каждом этапе работы, но и характеристики всех поваленных деревьев и размеры сортиментов.
Экран монитора работающего харвестера и форвардера, как правило, может работать в нескольких режимах отображения, различающихся по типу подаваемой информации. Например, в режиме диагностики ПК выдает на экран данные о текущем состоянии узлов и механизмов машины, о режимах работы систем. Получая информацию от датчиков, ПО анализирует ее и выдает рекомендации, касающиеся изменения режимов работы отдельных агрегатов или систем, в частности, рекомендацию сменить масло в гидросистеме.
Во время же непосредственно работы харвестера его монитор, как правило, работает в режиме раскряжевки. В этот момент отображается информация о кругляке: его диаметр в месте захвата бревна харвестерной головкой, длина планируемых сортиментов, а в некоторых моделях техники даже сбежистость ствола.
Кроме того, большинство производителей лесозаготовительной техники включают в свое ПО возможность отображения на экране монитора данных о максимально ценных сортиментах обрабатываемого в настоящий момент ствола. Такой анализ возможен благодаря наличию в памяти ПО банка стволов.
На основании сведений из банка стволов систем измерения и управления может по данным, полученным от харвестерной головки после захвата дерева, спрогнозировать сбежистость обрабатываемого ствола и определить размер и положение наиболее ценных сортиментов. Конечно, последнее слово остается за человеком (только он может визуально определить, например, повреждение ствола дерева или степень его кривизны), однако оператор может доверить автоматике распилить ствол по схеме, предложенной ПО.
Точность расчетов систем измерения и управления зависит от числа деревьев в банке стволов. При этом при переходе от одной делянки к другой оператор может работать с новым банком стволов, загрузив его из памяти бортового ПК. То есть если машина работает, к примеру, на сосновой делянке, автоматика использует данные для расчета оптимальных схем распила из банка сосновых стволов, который создан при заготовке древесины именно на этой делянке.
Некоторые производители ПО для лесозаготовительной техники предлагают решения для автоматического подсчета экономических показателей проделанной работы и определения наиболее ценных (в денежном выражении) сортиментов. Так, при внесении оператором в компьютер харвестера стоимости определенного вида древесины ПО может вычислить примерную цену сортимента конкретной длины, а получив от харвестерной головки данные о длине и диаметре ствола, - предложить наиболее выгодную с экономической точки зрения схему распила ствола на сортименты. Причем некоторые ПО могут даже отображать стоимость сортимента в режиме реального времени, но такая функция у лесозаготовителей России популярностью не пользуется и устанавливается на лесные машины в основном в Финляндии и Канаде.
Семь раз отмерь
В системах измерения и управления разных производителей используются разные способы измерения ствола, обеспечивающие разную точность. В общем случае диаметр ствола дерева рассчитывается исходя из расстояния между захватывающими вальцами харвестерной головки, а длина сортимента - исходя из диаметра протяжного вальца. Однако некоторые компании, стремясь повысить точность измерений, используют системы, позволяющие определять сбежистость ствола, а диаметр ствола системы измерения и управления измеряют через каждые несколько сантиметров. Точность измерения очень сильно зависит от правильной настройки оборудования и его регулярной калибровки. Поэтому все производители систем измерения и управления настоятельно рекомендуют выполнять систематическую проверку и калибровку систем измерения перед каждой сменой и при переходе с одной делянки на другую.
Анализ данных
Все данные, полученные от оператора, систем измерения и разных датчиков, собирающих информацию о работе машины, ПО сохраняет в разных файлах. Помимо возможности просмотреть полученные данные на мониторе машины, производители лесозаготовительной техники выпускают офисные и мобильные приложения, позволяющие работать с полученными данными в офисе и даже при помощи мобильного телефона.
Возможность следить за работой всего парка лесозаготовительной техники позаимствована в дорожно-строительной сфере - там подобный контроль работы машин был внедрен раньше, чем в лесозаготовках. В настоящее время ведущие мировые производители ЛЗТ предлагают своим клиентам программное обеспечение, позволяющее удаленно следить за техникой, а такие компании, как John Deere и Caterpillar, в производственной линейке которых есть как лесозаготовительные, так и дорожно-строительные машины, используют приложение, позволяющее контролировать работу и харвестеров, и самосвалов.
Современные производители систем измерения и управления для лесных машин, как правило, предлагают пользователю следующий функционал программного обеспечения для контроля техники: расход топлива, продолжительность работы, простоя и рабочих циклов операторов, объем заготовленной (перевезенной) древесины, данные по рабочим делянкам, на которых работают машины, и данные, характеризующие техническое состояние машины. Причем полученную информацию можно сортировать по отдельно взятой машине, конкретному оператору или делянке.
Так, например, отслеживая расход топлива на конкретной машине, можно узнать, в какие моменты горючего было потрачено больше, чем обычно. Опытному лесозаготовителю это скажет о многом - позволит выявить неисправность какой-либо системы в машине или нерациональную работу оператора при выполнении конкретной операции. А перерасход топлива на одной делянке относительно другой может стать аргументом при изменении цены на древесину, вывезенную с конкретного участка.
Передача данных
Для качественного и своевременного анализа полученных данных их необходимо передать с бортового ПК техники на стационарный ПК в офисе или на мобильный телефон менеджера. Это можно сделать посредством беспроводных сетей - так же, как осуществляется передача данных с дорожно-строительных машин. Однако если последние часто работают в зонах покрытия 3G- или 4G-сетями, то у ПК харвестеров и форвардеров зачастую нет доступа к Интернету, что обусловлено удаленностью мест работы лесозаготовительной техники. Способ спутниковой связи из кабины оператора в России не распространен, поэтому самый простой способ передачи данных из машины в офис - использование спутниковых систем связи вахтовых вагончиков, которые, как правило, оборудованы таким видом радиосвязи. В этом случае данные с бортового ПК ЛЗТ либо переписываются на физический носитель и затем отправляются из вахтового вагончика в офис, либо передаются на ПК в вагончике посредством систем удаленного доступа к файлам систем измерения и управления при обслуживании или дозаправке техники.
Форматом единым
Как сказано выше, схожие потребности лесозаготовителей привели большинство производителей систем измерения и управления к единому формату выходных данных. Теперь, если на ваших лесных машинах установлена система измерения и управления одного производителя, вы можете считывать и анализировать данные, полученные этой системой, с помощью программ сторонних разработчиков и ПО производителей-конкурентов. В настоящий момент подавляющее большинство крупных производителей ЛЗТ используют стандарт данных лесной отрасли StanForD, принятый лесозаготовителями в Скандинавских странах.
Стандартизация файлов позволяет упростить перенос информации из ПК лесных машин на ПК лесоперерабатывающего предприятия и обратно.
Светлое будущее систем измерения и управления
Автоматизация всех процессов лесозаготовки идет семимильными шагами. Производители предлагают все более функциональное ПО, призванное серьезно облегчить жизнь как операторам, так и владельцам машин, поднять производительность техники на новый уровень, а главное - помочь владельцам лесозаготовительных компаний зарабатывать больше денег.
Разумеется, никто из производителей ЛЗТ не обнародует планы по внедрению новых функций в свои машины, однако некоторые тенденции в развитии систем измерения и управления заметны. В первую очередь это максимальная автоматизация всех функций харвестеров и форвардеров. Это описанные выше системы, позволяющие совмещать движение стрелы и рукояти, автоматическое выравнивание кабины и системы самостоятельной диагностики машины.
Большое внимание производители систем измерения и управления уделяют методам передачи данных с ПК машины, работающей в лесу, на ПК владельца компании, находящегося, например, в офисе. USB, Wi-Fi и bluetooth не могут передавать данные на большие расстояния, поэтому компании - производители лесозаготовительных машин также занимаются разработкой систем, которые могут обеспечивать обмен данными на больших расстояниях без использования Интернета, в частности, по спутниковым каналам. Пока еще ПО лесозаготовительной техники не оборудовано такими устройствами, однако очевидно, что за ними будущее, тем более что некоторые крупные производители ЛЗТ уже работают над запуском на орбите Земли собственных спутников связи. Еще одним направлением развития систем измерения и управления является переход к беспроводной связи между датчиками и контроллерами внутри самой машины, что позволит повысить отказоустойчивость техники.
Отдельно стоит упомянуть и о появлении на рынке фарвестера (другое название - харвардер) - гибрида харвестера и форвардера, оснащенного системами измерения и управления нового поколения, в которой объединены функции систем обеих лесных машин. Но такая техника только в начале пути развития. Возможно, в будущем мы увидим машины с системами, определяющими породу и ценность древесины, что позволит в корне изменить процесс лесозаготовки, однако и на текущий момент уровень систем измерения и управления настолько высок, что пренебрегать их использованием в лучшем случае означает недополучать выгоду, а в худшем - проигрывать конкурентам.
Василий ЗАХАРОВ, ООО «Универсал-Спецтехника»
Банк стволов
Банк стволов - это собрание в памяти компьютера харвестера данных о параметрах стволов деревьев: длина, диаметр (измеренный много раз через определенное расстояние), сбежистость и порода древесины. Банк стволов можно создать самостоятельно, поочередно внося в память компьютера определенные параметры стволов, а можно «поручить» компьютеру собрать информацию об обработанных деревьях. В этом случае оператору необходимо лишь задать породу каждого обрабатываемого ствола, а размеры кругляка и его сбежистость система определяет сама. Получив данные от датчиков харвестерной головки и от оператора, система заносит данные о параметрах поваленного дерева в память. При достижении объема информации о максимальном числе стволов (у разных систем измерения и управления это число разное) система стирает информацию о самом первом стволе и записывает новую. Таким образом, в памяти системы одновременно хранятся данные о последних, например, 50 обработанных деревьях.
Стандарт STANFORD
(Standard for Forest machine Data and Communication)
Форматы входных данных: apt, ap1, oai.
Форматы вывода данных: apt, ap1, oai, prd, pri, ktr, sdm, drf, prl, pdf.
