我國“富煤、貧油、少氣”的資源稟賦特征，決定了煤炭是我國基礎(chǔ)能源，其資源的安全穩(wěn)定開發(fā)與國計(jì)民生及能源安全息息相關(guān)。根據(jù)國家能源局發(fā)布，在當(dāng)前我國發(fā)電裝機(jī)容量結(jié)構(gòu)中，主要為火電、水電、風(fēng)電和太陽能四大能源，2024年火電占比高達(dá)43.1%，而煤炭是火電主要工業(yè)原料，在未來我國能源供給中將持續(xù)發(fā)揮“壓艙石”作用。根據(jù)國家統(tǒng)計(jì)局?jǐn)?shù)據(jù)，2024年全國原煤產(chǎn)量47.8億噸，原煤產(chǎn)量創(chuàng)歷史新高，有力支撐我國國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)平穩(wěn)較快發(fā)展。我國以煤炭為主的能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)格局將長期存在，要走合理可持續(xù)開發(fā)煤炭資源的發(fā)展道路。無人智能化可以讓煤炭開采更加安全、高效，是煤炭資源發(fā)展的重要轉(zhuǎn)型升級方向。液壓支架電液控制系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)無人化智能開采的基礎(chǔ)系統(tǒng)。液壓支架電液控制系統(tǒng)使采煤技術(shù)實(shí)現(xiàn)了從機(jī)械化向自動(dòng)化的變革，該系統(tǒng)控制液壓支架形成采煤工作面的安全操作空間，控制液壓支架協(xié)同采煤機(jī)、刮板運(yùn)輸機(jī)移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)采煤工作面液壓支架自動(dòng)化控制，能夠滿足不同類型工作面的應(yīng)用需求。隨著煤炭開采智能化政策的逐漸落地，山西、陜西、內(nèi)蒙古、山東等區(qū)域煤礦企業(yè)客戶的需求增加。根據(jù)格物致勝數(shù)據(jù)，2022年液壓支架電液控制系統(tǒng)市場規(guī)模為36.6 億元，同比增長 27.9%；液壓支架電液控制系統(tǒng)的產(chǎn)品壽命5-8年,存量市場會(huì)有穩(wěn)定的更新需求，預(yù)計(jì)到 2025年市場規(guī)模將達(dá)到42.3 億元。

▲液壓支架電液控制系統(tǒng)（來源：天瑪智控）

液壓控制系統(tǒng)對于單個(gè)液壓支架進(jìn)行控制，是一整套安裝在液壓支架上的控制系統(tǒng)，主要包括液控單向閥、液控?fù)Q向閥、截止閥、回液斷路閥、過濾器、特殊功能閥及其它輔件。通過控制液壓閥閥門開合與閉鎖實(shí)現(xiàn)對乳化液流動(dòng)方向的控制，進(jìn)而控制支架立柱及千斤頂做出伸收及閉鎖動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)液壓支架在綜采工作面的支護(hù)、升降、前移等動(dòng)作，為煤礦開采提供安全操作空間。

▲液壓控制系統(tǒng)示意圖（來源：恒達(dá)智控）

在煤礦生產(chǎn)中，液壓支架是綜合機(jī)械化開采設(shè)備的重要組成部分，承載著煤礦綜合機(jī)械化采煤工作面安全高效運(yùn)行的重要任務(wù)，它們的穩(wěn)定性直接影響礦工的安全和生產(chǎn)的連續(xù)性。同時(shí)為了滿足綜采工作面大數(shù)據(jù)共享的發(fā)展需求，液壓支架控制系統(tǒng)需要連接到互聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)液壓支架名種傳感數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸和對遠(yuǎn)程監(jiān)控中心控制命令的實(shí)時(shí)響應(yīng)。現(xiàn)有的總線通信方式由于通信速度慢等問題，已無法滿足液壓支架智能控制的實(shí)時(shí)通信要求。此外，在工作面向前推進(jìn)的過程中可能因?yàn)榄h(huán)境復(fù)雜、傳感器誤差等因素，液壓支架在移動(dòng)過程中經(jīng)常被不均勻推動(dòng)，導(dǎo)致刮板輸送機(jī)和液壓支架的排列不規(guī)則，影響綜采工作面正常生產(chǎn)。因此，迫切需要開發(fā)一種新型液壓支架控制系統(tǒng)，以滿足液壓支架的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測和自動(dòng)對準(zhǔn)控制的要求。EtherCAT通信基于標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀，優(yōu)化了協(xié)議棧的應(yīng)用層和數(shù)據(jù)鏈路層。將液壓支架的單架控制、鄰架控制和成組控制等命令結(jié)合EtherCAT報(bào)文嵌入以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀中，可實(shí)現(xiàn)直達(dá)IO的以太網(wǎng)控制。

▲液壓支架基于EtherCAT的通信原理

EtherCAT技術(shù)能夠?yàn)橐簤褐Ъ?a target="_blank">控制器提供微秒級循環(huán)時(shí)間的同步精度，確保液壓支架各執(zhí)行機(jī)構(gòu)在高動(dòng)態(tài)響應(yīng)要求下的精確控制。將控制命令結(jié)合EherCAT協(xié)議嵌人以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀中，實(shí)現(xiàn)對液壓支架護(hù)幫油缸、前后立柱油缸、側(cè)護(hù)油缸等多個(gè)節(jié)點(diǎn)的遠(yuǎn)程集中控制。EtherCAT網(wǎng)絡(luò)支持線型、星型樹型等多樣化的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，為液壓支架控制系統(tǒng)的布局提供了極大的靈活性，同時(shí)其即插即用和熱插拔功能極大地方便了現(xiàn)場安裝與維護(hù)。

01

基于EherCAT總線的液壓支架控制系統(tǒng)

液壓支架控制器是實(shí)現(xiàn)液壓支架智能控制的核心部分。基于EherCAT總線的液壓支架控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)包括支架控制器設(shè)計(jì)、相關(guān)傳感器選擇和EtherCAT電路設(shè)計(jì)，以確保系統(tǒng)的高效通信和穩(wěn)定運(yùn)行。支架控制器由主控制面板和操作面板組成，以實(shí)現(xiàn)對液壓支架控制和各種傳感器的數(shù)據(jù)采集。整個(gè)液壓支架系統(tǒng)基于EtherCAT網(wǎng)絡(luò)搭建出來，所有數(shù)據(jù)的傳輸與控制命令均在網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)。傳感器在監(jiān)測液壓支架工作狀態(tài)、識別采煤機(jī)位置、監(jiān)測瓦斯報(bào)警等方面起著重要作用，主要包括拉線位移傳感器、壓力傳感器、三軸傾角傳感器、紅外對管傳感器、瓦斯傳感器等。拉線位移傳感器是檢測液壓支架運(yùn)動(dòng)幅度的關(guān)鍵傳感器，用于反映推移油缸的推移；壓力傳感器通過監(jiān)測支架立柱的壓力調(diào)控支架的支護(hù)狀態(tài)，并實(shí)時(shí)追蹤頂板壓力的變化，為制定合理的開采支護(hù)方案提供依據(jù)；三軸傾角傳感器負(fù)責(zé)檢測液壓支架的支護(hù)姿態(tài)，一旦發(fā)現(xiàn)異常即可發(fā)出預(yù)警，從而提升工作面的支護(hù)質(zhì)量；紅外對管傳感器作為實(shí)現(xiàn)支架自動(dòng)跟隨操作的關(guān)鍵組件，能夠準(zhǔn)確地確定采煤機(jī)的位置；瓦斯傳感器用于監(jiān)測煤層開采過程中的瓦斯體積分?jǐn)?shù)，以確保煤礦開采安全。

▲基于EherCAT網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的液壓支架控制系統(tǒng)

02

基于EherCAT液壓支架主控制板從站系統(tǒng)

主控制板作為液壓支架控制器的處理核心，接收來自操作面板、遠(yuǎn)程監(jiān)控中心以及工作面的支架操作指令，執(zhí)行液壓支架基本操作與刮板輸送機(jī)位移控制。具有EtherCAT通信功能，實(shí)現(xiàn)所有支架的協(xié)同控制，操作電磁換向閥控制支架立柱升降；從液壓支架的各類傳感器收集數(shù)據(jù)，以獲取支架的支護(hù)狀態(tài)、采煤機(jī)的位置信息及故障報(bào)警情況，并發(fā)送至主站，通過環(huán)網(wǎng)傳輸至云服務(wù)器數(shù)據(jù)庫。

▲基于EherCAT液壓支架主控制板從站系統(tǒng)框架

液壓支架采用EtherCAT總線通信，主控制板硬件采用EtherCAT從站控制器（ESC）+主控微處理器方案。ESC主要用于處理EtherCAT數(shù)據(jù)幀，為從站設(shè)備提供數(shù)據(jù)接口。主控微處理器是應(yīng)用層控制器，通過SPI實(shí)現(xiàn)與ESC數(shù)據(jù)交換，并實(shí)現(xiàn)EtherCAT應(yīng)用。如果ESC設(shè)備需要中斷信號，可以連接微處理器的外部中斷引腳。ESC能夠提供可靠的實(shí)時(shí)性能，其EtherCAT通信延遲極低，可以實(shí)現(xiàn)微秒級的實(shí)時(shí)控制，從而滿足工業(yè)自動(dòng)化對實(shí)時(shí)性的苛刻要求。同時(shí)，ESC還支持高達(dá)100 MB/s的通信速率。

03

碼靈半導(dǎo)體EtherCAT液壓支架從站系統(tǒng)解決方案

EtherCAT從站控制器芯片作為數(shù)據(jù)傳輸?shù)年P(guān)鍵組件，承擔(dān)著數(shù)據(jù)幀在物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的處理任務(wù)，能夠精準(zhǔn)地從大量的數(shù)據(jù)流中提取出與本從站交互所需數(shù)據(jù)。碼靈半導(dǎo)體推出的CF110x系列產(chǎn)品為液壓支架從站系統(tǒng)ESC 芯片提供了全新的、高性價(jià)比解決方案。碼靈半導(dǎo)體CF110x系列芯片支持三種數(shù)據(jù)接口（PDI）-數(shù)字I/O，SPI和8/16 位uC接口，從站關(guān)鍵數(shù)據(jù)經(jīng)過CF110x系列芯片的內(nèi)部處理后，可通過SPI總線被高效地傳輸給微處理器。主控微處理器通過SDO 和PDO映射接收并處理數(shù)據(jù)，在應(yīng)用層完成數(shù)據(jù)的解析與處理，并通過自身的外圍驅(qū)動(dòng)程序與外部設(shè)備電路交換信息。

▲碼靈半導(dǎo)體CF110x系列芯片實(shí)物圖

碼靈半導(dǎo)體CF110x系列芯片內(nèi)置64位高精度分布式時(shí)鐘（DC）同步機(jī)制，實(shí)現(xiàn)了微秒級的運(yùn)動(dòng)控制更新周期，可實(shí)現(xiàn)對采煤機(jī)位姿及液壓支架升降推進(jìn)、移動(dòng)等動(dòng)作的精確控制，確保了液壓支架從站與主站之間的快速數(shù)據(jù)交換。

▲碼靈半導(dǎo)體CF110x系列芯片結(jié)構(gòu)框圖

采用CF110x系列芯片實(shí)現(xiàn)的EtherCAT總線，可替代CAN等傳統(tǒng)總線后，將通信速率提升至100MB/s，顯著增強(qiáng)了數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣群托?。同時(shí)，CF110x系列芯片最多可以提供3個(gè)數(shù)據(jù)收發(fā)端口MII，可將網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)從單一的總線型擴(kuò)展為更加靈活的混合拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，適應(yīng)范圍更廣?；诖a靈半導(dǎo)體CF110x系列芯片實(shí)現(xiàn)的EherCAT總線液壓支架控制系統(tǒng)，可通過EtherCAT總線實(shí)現(xiàn)相鄰機(jī)架之間的相互通信。主站將報(bào)文統(tǒng)一發(fā)送給所有液壓支架，每個(gè)支架讀取對應(yīng)的子報(bào)文和發(fā)送命令將EherCAT總線通過網(wǎng)線接入井下液壓支架主站控制中心，井下的液壓支架主站控制中心通過光纖連接到礦井的環(huán)網(wǎng)中，從而確保支架控制器與遠(yuǎn)程監(jiān)控中心之間能夠進(jìn)行穩(wěn)定可靠的數(shù)據(jù)通信。同時(shí)，以EtherCAT總線代替?zhèn)鹘y(tǒng)總線和以太網(wǎng)形成的通信系統(tǒng)，可提高系統(tǒng)的效率。不僅完善了智能無人采煤開采技術(shù)體系，還對促進(jìn)煤礦工作面的安全高效生產(chǎn)具有重要意義。