為解決現階段液壓支架電液控制系統(tǒng)因集成功能增多導致功耗成倍增加，引發(fā)電源箱配接數量增多、系統(tǒng)安裝維護復雜、成本上升及穩(wěn)定性和可靠性降低等問題，從硬件、本質安全設計及軟件3個層面，采用低功耗技術進行優(yōu)化?；诘凸目刂萍夹g對系統(tǒng)中各子設備進行電路級降功耗，并通過軟件系統(tǒng)對各功能部件實現時分復用邏輯調度，使系統(tǒng)始終工作在極優(yōu)的工況能耗下，低功耗技術的設計有效解決了系統(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“學術園地”欄目

作者簡介：王朕，主要從事液壓支架電液控制系統(tǒng)與設備的相關研究工作。 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.基于低功耗技術設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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根據目前國內煤礦智能化開采現狀及應用情況分析得出，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、壓力行程數據采集等功能，按照系統(tǒng)配套經驗，單個電源箱可支持6個支架的動作和數據采集。

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)和設備設計龐大且復雜，功耗成倍增加，使得配接電源箱數量增多，帶來了系統(tǒng)安裝維護復雜、成本增加、穩(wěn)定性、可靠性降低等系列問題。

硬件架構低功耗設計與功能適配

采用低功耗技術應用于液壓支架電液控制系統(tǒng)的設計，通過選取合適硬件技術實現設備需求適配，改進本質安全設計降低靜態(tài)功耗影響；軟件技術優(yōu)化設備工作邏輯，時分復用理念按照最小時間節(jié)拍調度各功能模塊工作。

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

圖1 基于低功耗技術的控制器硬件架構

圖2 低功耗型液壓支架電液控制裝置

設備自身電路的低功耗設計，包含功能需求的硬件適配及對應的硬件方案選型，在硬件層面降低設備正常工作狀態(tài)時的靜態(tài)功耗。控制器是液壓支架控制系統(tǒng)的核心設備，主要功能包括液壓支架控制、傳感數據采集、視頻數據傳輸、無線控制、人員安全感知、設備狀態(tài)監(jiān)測等。通過現狀分析。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

根據表1計算，按照單組電源最大功率輸出12 V/2 000 mA，在實現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。

數據分析表明，功耗嚴重制約了綜采工作面采煤推進速度。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留給驅動電磁先導閥的動態(tài)功耗，電源動態(tài)功耗不再需要預留；采用低功耗器件選型和設計“使能開關”分時復用各功能模塊，使得控制器內部降低功耗約30%，傳感器同一時間可認為僅有1個接入，按照最大傳感器功耗計算，約12 V/50 mA，較改進前有效降低60%以上。

（1）液壓支架控制功耗分析

驅動液壓閥是控制器的核心功能，常規(guī)液壓先導閥采用MOS直驅的方式驅動，在運行中大部分時間保持關閉，支架動作時打開MOS開關，單次持續(xù)時間約30～60 s，消耗約100 mA電流，平均1組電源內支架同時做4～5個動作，消耗約500 mA電流，電源要預留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，平抑電源負載變化，“削峰填谷”，有效提高電源負載容量，儲能元件功耗效果如圖3所示。

圖3 儲能元件功耗效果

（2）傳感器接入和數據分析

控制器具有監(jiān)測支架壓力、油缸行程、支架姿態(tài)、煤機位置等功能，并根據傳感器數據進行支架自動控制、危險預警、狀態(tài)干預等；當前液壓支架控制系統(tǒng)傳感數據為離散采集；按照安全標準要求，遠程控制和緊急停止時間300 ms，根據狀態(tài)監(jiān)測數值實行安全干預，要求數據更新時間應150 ms，目前多數處理器和數據轉換器處理時間非常充足，可采用分時采集模式，各傳感器硬件設計采用“使能開關”，軟件進行時間分片，單個時間只打開1種傳感器進行數據采集，采集一系列離散數據點，再利用插值原理進行曲線復原；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

為實現自動控制+遠程干預的開采模式，需上傳工作面視頻數據，常規(guī)方案是在控制器內部放置1個交換機模塊，引出1個百兆網口連接攝像儀，視頻數據通過交換機模塊轉發(fā)到架間通信的以太網鏈路進行上傳。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技術代替現有的100Base-T1，10 Mbit/s通信帶寬滿足當前使用需求。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”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絡分支接口的帶寬，降低通信功耗。

本質安全設計優(yōu)化

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

（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、傳感器等設備供電。在考慮故障情況下，24 W功率全部施加到控制器內部電路的每個元器件，控制器電源轉換流程如圖4所示。

圖4 控制器電源轉換流程

限壓保護電路后端的功率限制在安全范圍內，但電源轉換芯片位于限壓保護電路前端，熱耗散功率按照×1.7評估，其中為本安參數；為保險絲限流值。通過對控制器內部功能模塊劃分，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載沖擊。

圖5 控制器分布式電源轉換流程

（2）儲能元件火花能量限制

安全火花參數主要取決于電壓（）、電流（）、電感（）、電容（）等。電感一般應用于DC-DC變換電路，通過二極管續(xù)流并整體澆封形式進行火花抑制，但二極管本身存在壓降，流過電流后會產生熱功率，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管的體二極管先導通續(xù)流，緊接著MOS管的場效應管的導通電阻Rs導通將導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在電路中，流過電流時產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導通電流的特性，可控硅續(xù)流示意如圖7所示，在設備電流很低的時候，二極管先導通做阻塞，隨電流增加，二極管壓降增加，后端電流檢測電流達到設定閾值，可控硅導通，導通壓降由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

軟件算法在硬件設備的關鍵電路位置設置電壓、電流、功率等采集電路，實時監(jiān)測和分析控制器內部及所配接的功能模塊運行狀態(tài)，并按照當前所運行的功能需求對各功能模塊進行控制和決策，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)測結果進行數據采集和上傳，即分時打開監(jiān)控傳感器進行采集，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據，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)域儲能元件放電驅動電磁先導閥執(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行功率調整，安裝在擋桿支架或回撤支架，因配接傳感器少、傳輸距離遠，調大其無線發(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，可將其無線功率調低。

通信單元按照預估傳輸的數量帶寬進行速率調整，傳統(tǒng)液壓支架控制系統(tǒng)應用場景中，傳輸離散的傳感數據或支架控制指令時，設置為低速率傳輸；智能化工作面場景時，要求上傳視頻數據、大量的傳感數據等，設置為高速帶寬模式。

實際應用

基于低功耗技術設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)）進行配套連接，實現液壓支架控制功能、傳感器接入上傳、跟機自動化等功能。

圖9 液壓支架電液控制系統(tǒng)架構

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“分時復用”模式采集傳感器數據，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，降低安裝復雜度，黃陵1礦井下運行現場如圖10所示。

圖10 黃陵1礦井下運行現場

結 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)運行維護帶來多種不利影響，優(yōu)化設計基于低功耗控制技術的液壓支架控制系統(tǒng)，量化分析系統(tǒng)設備組成和工作模式，按照功能需求進行硬件方案適配和元器件選型，分析本質安全電路，總結出安全性設計導致的功耗增加點，進行電路方案優(yōu)化；結合軟件狀態(tài)監(jiān)測和區(qū)分功能場景，控制和決策系統(tǒng)功能模塊和配接設備，實現系統(tǒng)可靠運行并降低功耗的目的。低功耗控制技術的應用是智能化裝備發(fā)展重要趨勢，是實現煤炭資源綠色開采的有效技術途徑。

編輯丨李莎

審核丨趙瑞

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