一种隧道施工装备及其控制系统的制作方法

本发明涉及隧道施工，具体涉及一种隧道施工装备及其控制系统。

背景技术：

1、目前钻爆法是我国隧道掘进施工最常用的施工方法之一，施工装备的行走动力来源于柴油发电机，作业动力来源于隧道内动力电。由于隧道内通风效果差，作业空间有限，施工装备行走转场期间的尾气排放和噪音污染会给施工人员的健康带来隐患。

2、近年来逐步出现了隧道专用设备新能源控制系统的相关研究，如《一种纯电动湿喷机底盘供电控制系统》(申请公布号为cn115958968a)的中国发明专利，公开了一种纯电动湿喷机底盘供电控制系统，未涉及新能源上装控制系统及其作业状态下的控制方法；《电动行驶模式和电动作业模式的控制系统》(申请公布号为cn109606129a)的中国发明专利，公开了一种电动行驶模式和电动作业模式的控制系统，但两种系统共用一套控制系统，其动力来源均经过电池组相连，若控制系统与为其提供动力的相连电池组发生通信故障，作业模式将无法运行，另外作业模式的负载通常功率较大，电池容量加大使其成本增加；因此，发明一种可靠的隧道专用设备电控系统很有必要。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种隧道施工装备及其控制系统，用以解决通信故障时，施工装备无法运行的问题。

2、为解决上述技术问题，本发明提供了一种隧道施工装备控制系统，包括上装控制子系统和底盘控制子系统，上装控制子系统包括上装hcu控制器，底盘控制子系统包括底盘vcu控制器，上装hcu控制器通过第2网络通信连接上装控制子系统中的其他控制单元，底盘vcu控制器通过第4网络通信连接底盘控制子系统中的其他控制单元；上装hcu控制器还通过第1网络通信连接底盘vcu控制器；上装hcu控制器还通过第5网络通信连接底盘控制子系统中的其他控制单元，以在底盘vcu控制器与底盘控制子系统中的其他控制单元发生通信故障时，通过第5网络实现上装hcu控制器与底盘控制子系统中的其他控制单元的通信；底盘vcu控制器还通过第3网络通信连接上装控制子系统中的其他控制单元；以在上装hcu控制器与上装控制子系统中的其他控制单元发生通信故障时，通过第3网络实现底盘vcu控制器与上装控制子系统中的其他控制单元的通信。

3、进一步地，上装控制子系统中的其他控制单元包括整流器控制器、互锁切换装置控制器和上装多合一控制器，底盘控制子系统包括电池组bms，上装控制子系统还包括整流器和互锁切换装置，底盘控制子系统还包括电池，整流器控制器连接整流器，电池组bms连接电池，互锁切换装置控制器连接互锁切换装置；整流器的交流端用于连接交流电网，整流器的直流端通过互锁切换装置连接上装多合一控制器，电池的输出端通过互锁切换装置连接上装多合一控制器；当为电网供电模式时，互锁切换装置使整流器的直流端和上装多合一控制器之间处于连通状态以实现仅由整流器给上装多合一控制器供电；当为电池供电模式时，互锁切换装置使电池的输出端和上装多合一控制器之间处于连通状态以实现仅由电池给上装多合一控制器供电。

4、进一步地，互锁切换装置包括第一接触器、第二接触器、第三接触器和第四接触器；第一接触器串联在整流器直流端正极和多合一控制器正极之间，第二接触器串联在电池正极和上装多合一控制器正极之间，第三接触器串联在整流器直流端负极和上装多合一控制器负极之间，第四接触器串联在电池负极和上装多合一控制器负极之间，互锁切换装置控制器控制连接所述第一接触器、第二接触器、第三接触器和第四接触器；且为电网供电模式时，第一接触器和第三接触器处于闭合状态，第二接触器和第四接触器处于关断状态；为电池供电模式时，第二接触器和第四接触器处于闭合状态，第一接触器和第三接触器处于关断状态。

5、进一步地，控制系统还包括obc充电机，obc充电机与电池连接，用于将输入的交流电转换为电池所需的直流电；在电网供电模式中，若总装机功率高于上装实时功率，则通过obc充电机对电池进行浮动功率充电。

6、进一步地，对电池进行浮动功率充电的方式为：上装hcu控制器用于通过上装多合一控制器获取上装实时功率，并结合总装机功率，计算得到obc最大的可执行输出功率并发送给底盘vcu控制器；底盘vcu控制器用于根据obc最大的可执行输出功率和实时采集到的obc充电机输入电压计算得到电流并发送给obc充电机，obc充电机用于根据底盘vcu控制器计算得到的电流给电池充电。

7、进一步地，根据obc最大的可执行输出功率计算得到obc充电机最高允许充电端电压及电流的计算公式如下所示：

8、

9、式中：p为obc最大的可执行输出功率；u为实时采集到的obc充电机的输入电压；i为电流；cosφ为功率因数；η为效率。

10、进一步地，上装多合一控制器和底盘pdu控制器还均连接隧道施工装备中的蓄电池，以在处于底盘行走状态时通过底盘pdu给蓄电池充电，在处于上装作业状态时通过上装多合一控制器给蓄电池充电。

11、进一步地，第1网络、第2网络、第3网络、第4网络和第5网络都为can网络。

12、为解决上述技术问题，本发明还提供了一种隧道施工装备，包括隧道施工装备控制系统。

13、其有益效果为：本发明属于改进型发明创造，将控制系统分为上装控制子系统和底盘控制子系统，二者之中的上装hcu控制器和底盘vcu控制器具有通信连接互为冗余，上装hcu控制器通信连接底盘控制子系统中的其他控制单元，底盘vcu控制器通信连接上装控制子系统中的其他控制单元，当两者中任意一个控制器发生通信故障后，发生通信故障的控制器通过另一个正常工作的控制器接收通信故障的控制器通信连接的控制单元的通信信息，以实现正常控制，使整车系统能够继续正常运行，增强了系统的可靠性。

技术特征：

1.一种隧道施工装备控制系统，包括上装控制子系统和底盘控制子系统，上装控制子系统包括上装hcu控制器，底盘控制子系统包括底盘vcu控制器，上装hcu控制器通过第2网络通信连接上装控制子系统中的其他控制单元，底盘vcu控制器通过第4网络通信连接底盘控制子系统中的其他控制单元；其特征在于，上装hcu控制器还通过第1网络通信连接底盘vcu控制器；上装hcu控制器还通过第5网络通信连接底盘控制子系统中的其他控制单元，以在底盘vcu控制器与底盘控制子系统中的其他控制单元发生通信故障时，通过第5网络实现上装hcu控制器与底盘控制子系统中的其他控制单元的通信；底盘vcu控制器还通过第3网络通信连接上装控制子系统中的其他控制单元；以在上装hcu控制器与上装控制子系统中的其他控制单元发生通信故障时，通过第3网络实现底盘vcu控制器与上装控制子系统中的其他控制单元的通信。

2.根据权利要求1所述的隧道施工装备控制系统，其特征在于，上装控制子系统中的其他控制单元包括整流器控制器、互锁切换装置控制器和上装多合一控制器，底盘控制子系统包括电池组bms，上装控制子系统还包括整流器和互锁切换装置，底盘控制子系统还包括电池，整流器控制器连接整流器，电池组bms连接电池，互锁切换装置控制器连接互锁切换装置；整流器的交流端用于连接交流电网，整流器的直流端通过互锁切换装置连接上装多合一控制器，电池的输出端通过互锁切换装置连接上装多合一控制器；当为电网供电模式时，互锁切换装置使整流器的直流端和上装多合一控制器之间处于连通状态以实现仅由整流器给上装多合一控制器供电；当为电池供电模式时，互锁切换装置使电池的输出端和上装多合一控制器之间处于连通状态以实现仅由电池给上装多合一控制器供电。

3.根据权利要求2所述的隧道施工装备控制系统，其特征在于，所述互锁切换装置包括第一接触器、第二接触器、第三接触器和第四接触器；第一接触器串联在整流器直流端正极和多合一控制器正极之间，第二接触器串联在电池正极和上装多合一控制器正极之间，第三接触器串联在整流器直流端负极和上装多合一控制器负极之间，第四接触器串联在电池负极和上装多合一控制器负极之间，互锁切换装置控制器控制连接所述第一接触器、第二接触器、第三接触器和第四接触器；且为电网供电模式时，第一接触器和第三接触器处于闭合状态，第二接触器和第四接触器处于关断状态；为电池供电模式时，第二接触器和第四接触器处于闭合状态，第一接触器和第三接触器处于关断状态。

4.根据权利要求2所述的隧道施工装备控制系统，其特征在于，所述控制系统还包括obc充电机，obc充电机与电池连接，用于将输入的交流电转换为电池所需的直流电；在电网供电模式中，若总装机功率高于上装实时功率，则通过obc充电机对电池进行浮动功率充电。

5.根据权利要求4所述的隧道施工装备控制系统，其特征在于，对电池进行浮动功率充电的方式为：上装hcu控制器用于通过上装多合一控制器获取上装实时功率，并结合总装机功率，计算得到obc最大的可执行输出功率并发送给底盘vcu控制器；底盘vcu控制器用于根据obc最大的可执行输出功率和实时采集到的obc充电机输入电压计算得到电流并发送给obc充电机，obc充电机用于根据底盘vcu控制器计算得到的电流给电池充电。

6.根据权利要求5所述的隧道施工装备控制系统，其特征在于，根据obc最大的可执行输出功率计算得到obc充电机最高允许充电端电压及电流的计算公式如下所示：

7.根据权利要求2所述的隧道施工装备控制系统，其特征在于，上装多合一控制器和底盘pdu控制器还均连接隧道施工装备中的蓄电池，以在处于底盘行走状态时通过底盘pdu给蓄电池充电，在处于上装作业状态时通过上装多合一控制器给蓄电池充电。

8.根据权利要求1所述的隧道施工装备控制系统，其特征在于，所述第1网络、第2网络、第3网络、第4网络和第5网络都为can网络。

9.一种隧道施工装备，其特征在于，包括如权利要求1～8任一项所述的隧道施工装备控制系统。

技术总结本发明涉及一种隧道施工装备及其控制系统，属于隧道施工技术领域。本发明通过将控制系统分为上装控制子系统和底盘控制子系统，二者之中的上装HCU控制器和底盘VCU控制器具有通信连接互为冗余，上装HCU控制器通信连接底盘控制子系统中的其他控制单元，底盘VCU控制器通信连接上装控制子系统中的其他控制单元，当两者中任意一个控制器发生通信故障后，发生通信故障的控制器通过另一个正常工作的控制器接收通信故障的控制器通信连接的控制单元的通信信息，以实现正常控制，使整车系统能够继续正常运行，增强了系统的可靠性。技术研发人员：王豪,张豪祺,宋丹,付开勇,江帅,肖威,冯玉婷,刘世文,魏浩鹏,李二闷,张世龙受保护的技术使用者：中铁工程装备集团隧道设备制造有限公司技术研发日：技术公布日：2024/7/15