為解決現(xiàn)階段液壓支架電液控制系統(tǒng)因集成功能增多導(dǎo)致功耗成倍增加，引發(fā)電源箱配接數(shù)量增多、系統(tǒng)安裝維護(hù)復(fù)雜、成本上升及穩(wěn)定性和可靠性降低等問題，從硬件、本質(zhì)安全設(shè)計及軟件3個層面，采用低功耗技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化?；诘凸目刂萍夹g(shù)對系統(tǒng)中各子設(shè)備進(jìn)行電路級降功耗，并通過軟件系統(tǒng)對各功能部件實現(xiàn)時分復(fù)用邏輯調(diào)度，使系統(tǒng)始終工作在極優(yōu)的工況能耗下，低功耗技術(shù)的設(shè)計有效解決了系統(tǒng)功耗過高問題，保證系統(tǒng)平穩(wěn)可靠運行。

文章來源：《智能礦山》2025年第8期“學(xué)術(shù)園地”欄目

作者簡介：王朕，主要從事液壓支架電液控制系統(tǒng)與設(shè)備的相關(guān)研究工作。 E-mail：wangzhen@tdmarco.com

作者單位：北京天瑪智控科技股份有限公司

引用格式：王朕.基于低功耗技術(shù)設(shè)計的液壓支架電液控制系統(tǒng)[J].智能礦山，2025，6(8)：63-68.

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根據(jù)目前國內(nèi)煤礦智能化開采現(xiàn)狀及應(yīng)用情況分析得出，煤礦智能化開采的主要制約因素為成套裝備穩(wěn)定性、可靠性有待進(jìn)一步提升，在執(zhí)行層、感知層、裝備層、系統(tǒng)層4個層面上，成套裝備的穩(wěn)定性、可靠性均存在一定的限制。對綜采工作面液壓支架控制系統(tǒng)來講，傳統(tǒng)液壓支架控制裝置僅具備控制支架動作、壓力行程數(shù)據(jù)采集等功能，按照系統(tǒng)配套經(jīng)驗，單個電源箱可支持6個支架的動作和數(shù)據(jù)采集。

煤礦智能化的發(fā)展，綜采工作面液壓支架控制系統(tǒng)集成多項功能，增加AI算力、多傳感冗余感知定位、集成攝像頭和語音識別等，多功能和精度要求使系統(tǒng)和設(shè)備設(shè)計龐大且復(fù)雜，功耗成倍增加，使得配接電源箱數(shù)量增多，帶來了系統(tǒng)安裝維護(hù)復(fù)雜、成本增加、穩(wěn)定性、可靠性降低等系列問題。

硬件架構(gòu)低功耗設(shè)計與功能適配

采用低功耗技術(shù)應(yīng)用于液壓支架電液控制系統(tǒng)的設(shè)計，通過選取合適硬件技術(shù)實現(xiàn)設(shè)備需求適配，改進(jìn)本質(zhì)安全設(shè)計降低靜態(tài)功耗影響；軟件技術(shù)優(yōu)化設(shè)備工作邏輯，時分復(fù)用理念按照最小時間節(jié)拍調(diào)度各功能模塊工作。

液壓支架控制系統(tǒng)經(jīng)過理論計算和實際測試，滿足當(dāng)前綜采工作面智能化開采對設(shè)備的功能和可靠性要求，降低系統(tǒng)功耗，減少系統(tǒng)電源箱配套數(shù)量，降低系統(tǒng)成本。基于低功耗技術(shù)的液壓支架電液控制系統(tǒng)包含硬件架構(gòu)低功耗設(shè)計與功能適配，本質(zhì)安全優(yōu)化設(shè)計，系統(tǒng)軟件動態(tài)調(diào)度技術(shù)?；诘凸募夹g(shù)的控制器硬件架構(gòu)如圖1所示，低功耗型液壓支架電液控制裝置如圖2所示。

圖1 基于低功耗技術(shù)的控制器硬件架構(gòu)

圖2 低功耗型液壓支架電液控制裝置

設(shè)備自身電路的低功耗設(shè)計，包含功能需求的硬件適配及對應(yīng)的硬件方案選型，在硬件層面降低設(shè)備正常工作狀態(tài)時的靜態(tài)功耗?？刂破魇且簤褐Ъ芸刂葡到y(tǒng)的核心設(shè)備，主要功能包括液壓支架控制、傳感數(shù)據(jù)采集、視頻數(shù)據(jù)傳輸、無線控制、人員安全感知、設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測等。通過現(xiàn)狀分析。各功能模塊的功耗計算見表1。

表1 各功能模塊的功耗計算

根據(jù)表1計算，按照單組電源最大功率輸出12 V/2 000 mA，在實現(xiàn)液壓支架基本功能的工況下，電源總消耗功率為12 V/1 365 mA，剩余12 V/635 mA，理論可支持6組支架動作，考慮到實際功耗誤差和批量差異性，實際最多僅支持4組支架動作。

數(shù)據(jù)分析表明，功耗嚴(yán)重制約了綜采工作面采煤推進(jìn)速度。通過分析并制定控制器的功耗優(yōu)化方案，采用儲能形式平抑預(yù)留給驅(qū)動電磁先導(dǎo)閥的動態(tài)功耗，電源動態(tài)功耗不再需要預(yù)留；采用低功耗器件選型和設(shè)計“使能開關(guān)”分時復(fù)用各功能模塊，使得控制器內(nèi)部降低功耗約30%，傳感器同一時間可認(rèn)為僅有1個接入，按照最大傳感器功耗計算，約12 V/50 mA，較改進(jìn)前有效降低60%以上。

（1）液壓支架控制功耗分析

驅(qū)動液壓閥是控制器的核心功能，常規(guī)液壓先導(dǎo)閥采用MOS直驅(qū)的方式驅(qū)動，在運行中大部分時間保持關(guān)閉，支架動作時打開MOS開關(guān)，單次持續(xù)時間約30～60 s，消耗約100 mA電流，平均1組電源內(nèi)支架同時做4～5個動作，消耗約500 mA電流，電源要預(yù)留500 mA容量用于支持支架動作，為有效利用電源容量，在控制器內(nèi)部集成小儲能元件，平時采用“涓流”對儲能元件充電，在支架動作時儲能瞬時泄放，平抑電源負(fù)載變化，“削峰填谷”，有效提高電源負(fù)載容量，儲能元件功耗效果如圖3所示。

圖3 儲能元件功耗效果

（2）傳感器接入和數(shù)據(jù)分析

控制器具有監(jiān)測支架壓力、油缸行程、支架姿態(tài)、煤機(jī)位置等功能，并根據(jù)傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行支架自動控制、危險預(yù)警、狀態(tài)干預(yù)等；當(dāng)前液壓支架控制系統(tǒng)傳感數(shù)據(jù)為離散采集；按照安全標(biāo)準(zhǔn)要求，遠(yuǎn)程控制和緊急停止時間300 ms，根據(jù)狀態(tài)監(jiān)測數(shù)值實行安全干預(yù)，要求數(shù)據(jù)更新時間應(yīng)150 ms，目前多數(shù)處理器和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器處理時間非常充足，可采用分時采集模式，各傳感器硬件設(shè)計采用“使能開關(guān)”，軟件進(jìn)行時間分片，單個時間只打開1種傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，采集一系列離散數(shù)據(jù)點，再利用插值原理進(jìn)行曲線復(fù)原；電源功耗同一時間只有1種傳感器工作，有效降低電源功耗壓力。

（3）優(yōu)化器件選型

為實現(xiàn)自動控制+遠(yuǎn)程干預(yù)的開采模式，需上傳工作面視頻數(shù)據(jù)，常規(guī)方案是在控制器內(nèi)部放置1個交換機(jī)模塊，引出1個百兆網(wǎng)口連接攝像儀，視頻數(shù)據(jù)通過交換機(jī)模塊轉(zhuǎn)發(fā)到架間通信的以太網(wǎng)鏈路進(jìn)行上傳。綜采工作面中常采用720 pix、1 080 pix高清攝像儀，以720 pix居多。采用H.264編碼的1 080 pix攝像儀上行帶寬為4～8 Mbit/s，在攝像儀接入口選用10Base-T1L技術(shù)代替現(xiàn)有的100Base-T1，10 Mbit/s通信帶寬滿足當(dāng)前使用需求。以ADIN1100為例，最大功耗僅80 mW，較基于100Base-T1的PHY芯片功耗下降約400 mW。

綜上所述，在控制器內(nèi)部采用儲能原理降低支架動作的動態(tài)功耗；利用“使能開關(guān)”和“時間分片”原理降低傳感器工作功耗；按照功能適配降低網(wǎng)絡(luò)分支接口的帶寬，降低通信功耗。

本質(zhì)安全設(shè)計優(yōu)化

電火花和熱效應(yīng)是引起爆炸性危險氣體爆炸的主要點燃源，本質(zhì)安全設(shè)計的本質(zhì)是限制電火花和熱功率可能的點燃源。按照GB/T 3836.1-2021標(biāo)準(zhǔn)，熱功率考量基于5.3.3條，煤礦用設(shè)備屬于Ⅰ類電氣設(shè)備，元件表面積≥20 mm時，最大耗散功率應(yīng)3.3 W；按照GB/T 3836.4-2021標(biāo)準(zhǔn)，火花點燃與施加最大輸入電壓Ui時的儲能電容值有關(guān)、與輸入最大電流_max時的最大儲能電感有關(guān)，按照以上標(biāo)準(zhǔn)原則分析并優(yōu)化設(shè)計本質(zhì)安全電路。

（1）熱功率平衡優(yōu)化

綜采工作面隔爆兼本安型電源輸出12 V/2 A的功率用于控制器、傳感器等設(shè)備供電。在考慮故障情況下，24 W功率全部施加到控制器內(nèi)部電路的每個元器件，控制器電源轉(zhuǎn)換流程如圖4所示。

圖4 控制器電源轉(zhuǎn)換流程

限壓保護(hù)電路后端的功率限制在安全范圍內(nèi)，但電源轉(zhuǎn)換芯片位于限壓保護(hù)電路前端，熱耗散功率按照×1.7評估，其中為本安參數(shù)；為保險絲限流值。通過對控制器內(nèi)部功能模塊劃分，將各模塊采用分時供電方式，控制器分布式電源轉(zhuǎn)換流程如圖5所示，每組電源輸入限流保險管可選擇更小限流值，降低本組輸入的熱功率，同時由圖1中的MCU模塊對其他模塊的上電使能和上電時序進(jìn)行控制，有效降低控制器本身的靜態(tài)功耗，并且降低上電時對電源箱的負(fù)載沖擊。

圖5 控制器分布式電源轉(zhuǎn)換流程

（2）儲能元件火花能量限制

安全火花參數(shù)主要取決于電壓（）、電流（）、電感（）、電容（）等。電感一般應(yīng)用于DC-DC變換電路，通過二極管續(xù)流并整體澆封形式進(jìn)行火花抑制，但二極管本身存在壓降，流過電流后會產(chǎn)生熱功率，增加了能量浪費。

采用MOS管續(xù)流，MOS管續(xù)流示意如圖6所示，在電感釋放電流初期，MOS管的體二極管先導(dǎo)通續(xù)流，緊接著MOS管的場效應(yīng)管的導(dǎo)通電阻Rs導(dǎo)通將導(dǎo)通電阻降低到幾毫歐等級，對體二極管“短路”，降低體二極管熱功率損耗，以通過電流200 mA為例，體二極管導(dǎo)通壓降約0.7 V，耗散功率約0.14 W，而MOS管的一般為5～10 mΩ，耗散功率最大約0.02 mW。

圖6 MOS管續(xù)流示意

電容器件通過阻塞二極管限制對外輸出的能量，并通過限壓電路限制儲能容量。阻塞二極管由于串聯(lián)在電路中，流過電流時產(chǎn)生的壓降會增加熱功率消耗。采用可控硅防反思路，單向可控硅具有和二極管單向?qū)娏鞯奶匦?，可控硅續(xù)流示意如圖7所示，在設(shè)備電流很低的時候，二極管先導(dǎo)通做阻塞，隨電流增加，二極管壓降增加，后端電流檢測電流達(dá)到設(shè)定閾值，可控硅導(dǎo)通，導(dǎo)通壓降由1 V下降到0.2 V，耗散功率約下降60%。

圖7 可控硅續(xù)流示意

軟件功能邏輯優(yōu)化

（1）狀態(tài)監(jiān)測與控制決策

軟件算法在硬件設(shè)備的關(guān)鍵電路位置設(shè)置電壓、電流、功率等采集電路，實時監(jiān)測和分析控制器內(nèi)部及所配接的功能模塊運行狀態(tài)，并按照當(dāng)前所運行的功能需求對各功能模塊進(jìn)行控制和決策，系統(tǒng)軟件功能邏輯如圖8所示。

圖8 系統(tǒng)軟件功能邏輯

綜采工作面分為支架動作區(qū)域和空閑區(qū)域。所有控制器都按照傳感狀態(tài)監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和上傳，即分時打開監(jiān)控傳感器進(jìn)行采集，空閑區(qū)域控制器僅按照最低采集頻率和通信速度報送傳感器數(shù)據(jù)，將電能分配給同一組電源供電的支架動作區(qū)域，實時采集立柱壓力和油缸行程；同時，支架動作區(qū)域儲能元件放電驅(qū)動電磁先導(dǎo)閥執(zhí)行支架動作；空閑區(qū)域的控制器通過互相通信，判斷同組電源供電內(nèi)的儲能元件電量信息，按照最低電量原則仲裁分配儲能元件充電。

（2）工作場景功能優(yōu)化

無線遙控模塊和人員定位模塊按照安裝場景進(jìn)行功率調(diào)整，安裝在擋桿支架或回撤支架，因配接傳感器少、傳輸距離遠(yuǎn)，調(diào)大其無線發(fā)射功率；安裝在工作面中間架上，由于每個支架距離較近，人員站在支架上，可將其無線功率調(diào)低。

通信單元按照預(yù)估傳輸?shù)臄?shù)量帶寬進(jìn)行速率調(diào)整，傳統(tǒng)液壓支架控制系統(tǒng)應(yīng)用場景中，傳輸離散的傳感數(shù)據(jù)或支架控制指令時，設(shè)置為低速率傳輸；智能化工作面場景時，要求上傳視頻數(shù)據(jù)、大量的傳感數(shù)據(jù)等，設(shè)置為高速帶寬模式。

實際應(yīng)用

基于低功耗技術(shù)設(shè)計的液壓支架控制系統(tǒng)在陜西陜煤黃陵礦業(yè)有限公司一號煤礦（簡稱黃陵一礦）1009工作面完成井下工業(yè)性試驗，液壓支架電液控制系統(tǒng)架構(gòu)如圖9所示。試驗中與傳統(tǒng)的SAC型液壓支架電液控制系統(tǒng)（簡稱26 功能控制系統(tǒng)）進(jìn)行配套連接，實現(xiàn)液壓支架控制功能、傳感器接入上傳、跟機(jī)自動化等功能。

圖9 液壓支架電液控制系統(tǒng)架構(gòu)

電源箱由1帶6提高到1帶8的配置，控制器自身功耗約12 V/70 mA，較26功能控制器下降30%；接入器按照“分時復(fù)用”模式采集傳感器數(shù)據(jù)，功耗降低約60%。較26功能控制系統(tǒng)增加了更完整的狀態(tài)監(jiān)測功能和多傳感器集成，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，簡化系統(tǒng)配套，降低安裝復(fù)雜度，黃陵1礦井下運行現(xiàn)場如圖10所示。

圖10 黃陵1礦井下運行現(xiàn)場

結(jié) 語

針對液壓支架電液控制系統(tǒng)集成的多功能帶來供電功耗增加，對系統(tǒng)運行維護(hù)帶來多種不利影響，優(yōu)化設(shè)計基于低功耗控制技術(shù)的液壓支架控制系統(tǒng)，量化分析系統(tǒng)設(shè)備組成和工作模式，按照功能需求進(jìn)行硬件方案適配和元器件選型，分析本質(zhì)安全電路，總結(jié)出安全性設(shè)計導(dǎo)致的功耗增加點，進(jìn)行電路方案優(yōu)化；結(jié)合軟件狀態(tài)監(jiān)測和區(qū)分功能場景，控制和決策系統(tǒng)功能模塊和配接設(shè)備，實現(xiàn)系統(tǒng)可靠運行并降低功耗的目的。低功耗控制技術(shù)的應(yīng)用是智能化裝備發(fā)展重要趨勢，是實現(xiàn)煤炭資源綠色開采的有效技術(shù)途徑。

編輯丨李莎

審核丨趙瑞

煤炭科學(xué)研究總院期刊出版公司擁有科技期刊21種。其中，SCI收錄1種，Ei收錄5種、CSCD收錄6種、Scopus收錄7種、中文核心期刊9種、中國科技核心期刊11種、中國科技期刊卓越行動計劃入選期刊4種，是煤炭行業(yè)最重要的科技窗口與學(xué)術(shù)交流陣地，也是行業(yè)最大最權(quán)威的期刊集群。

《智能礦山》

Journal of Intelligent Mine

月刊CN 10-1709/TN，ISSN 2096-9139，聚焦礦山智能化領(lǐng)域產(chǎn)學(xué)研用新進(jìn)展的綜合性技術(shù)刊物。

主編：王國法院士

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