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能源，其資源的安全穩定開發與國計民生及能源安全息息相關。根據國家能源局發布，在當前我國發電裝機容量結構中，主要為火電、水電、風電和太陽能四大能源，2024年火電占比高達43.1%，而煤炭是火電主要工業原料，在未來我國能源供給中將持續發揮“壓艙石”作用。根據國家統計局數據，2024年全國原煤產量47.8億噸，原煤產量創歷史新高，有力支撐我國國民經濟和社會平穩較快發展。我國以煤炭為主的能源消費結構格局將長期存在，要走合理可持續開發煤炭資源的發展道路。無人智能化可以讓煤炭開采更加安全、高效，是煤炭資源發展的重要轉型升級方向。液壓支架電液控制系統是實現無人化智能開采的基礎系統。液壓支架電液控制系統使采煤技術實現了從機械化向自動化的變革，該系統控制液壓支架形成采煤工作面的安全操作空間，控制液壓支架協同采煤機、刮板運輸機移動，實現采煤工作面液壓支架自動化控制，能夠滿足不同類型工作面的應用需求。隨著煤炭開采智能化政策的逐漸落地，山西、陜西、內蒙古、山東等區域煤礦企業客戶的需求增加。根據格物致勝數據，2022年液壓支架電液控制系統市場規模為36.6 億元，同比增長 27.9%；液壓支架電液控制系統的產品壽命5-8年,存量市場會有穩定的更新需求，預計到 2025年市場規模將達到42.3 億元。

▲液壓支架電液控制系統（來源：天瑪智控）

液壓控制系統對于單個液壓支架進行控制，是一整套安裝在液壓支架上的控制系統，主要包括液控單向閥、液控換向閥、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現對乳化液流動方向的控制，進而控制支架立柱及千斤頂做出伸收及閉鎖動作，實現液壓支架在綜采工作面的支護、升降、前移等動作，為煤礦開采提供安全操作空間。

▲液壓控制系統示意圖（來源：恒達智控）

在煤礦生產中，液壓支架是綜合機械化開采設備的重要組成部分，承載著煤礦綜合機械化采煤工作面安全高效運行的重要任務，它們的穩定性直接影響礦工的安全和生產的連續性。同時為了滿足綜采工作面大數據共享的發展需求，液壓支架控制系統需要連接到互聯網，實現液壓支架名種傳感數據的實時傳輸和對遠程監控中心控制命令的實時響應。現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時通信要求。此外，在工作面向前推進的過程中可能因為環境復雜、傳感器誤差等因素，液壓支架在移動過程中經常被不均勻推動，導致刮板輸送機和液壓支架的排列不規則，影響綜采工作面正常生產。因此，迫切需要開發一種新型液壓支架控制系統，以滿足液壓支架的遠程實時監測和自動對準控制的要求。EtherCAT通信基于標準的以太網數據幀，優化了協議棧的應用層和數據鏈路層。將液壓支架的單架控制、鄰架控制和成組控制等命令結合EtherCAT報文嵌入以太網數據幀中，可實現直達IO的以太網控制。

▲液壓支架基于EtherCAT的通信原理

EtherCAT技術能夠為液壓支架控制器提供微秒級循環時間的同步精度，確保液壓支架各執行機構在高動態響應要求下的精確控制。將控制命令結合EherCAT協議嵌人以太網數據幀中，實現對液壓支架護幫油缸、前后立柱油缸、側護油缸等多個節點的遠程集中控制。EtherCAT網絡支持線型、星型樹型等多樣化的網絡拓撲結構，為液壓支架控制系統的布局提供了極大的靈活性，同時其即插即用和熱插拔功能極大地方便了現場安裝與維護。

01

基于EherCAT總線的液壓支架控制系統

液壓支架控制器是實現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硬件設計包括支架控制器設計、相關傳感器選擇和EtherCAT電路設計，以確保系統的高效通信和穩定運行。支架控制器由主控制面板和操作面板組成，以實現對液壓支架控制和各種傳感器的數據采集。整個液壓支架系統基于EtherCAT網絡搭建出來，所有數據的傳輸與控制命令均在網絡中實現。傳感器在監測液壓支架工作狀態、識別采煤機位置、監測瓦斯報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動幅度的關鍵傳感器，用于反映推移油缸的推移；壓力傳感器通過監測支架立柱的壓力調控支架的支護狀態，并實時追蹤頂板壓力的變化，為制定合理的開采支護方案提供依據；三軸傾角傳感器負責檢測液壓支架的支護姿態，一旦發現異常即可發出預警，從而提升工作面的支護質量；紅外對管傳感器作為實現支架自動跟隨操作的關鍵組件，能夠準確地確定采煤機的位置；瓦斯傳感器用于監測煤層開采過程中的瓦斯體積分數，以確保煤礦開采安全。

▲基于EherCAT網絡結構的液壓支架控制系統

02

基于EherCAT液壓支架主控制板從站系統

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、遠程監控中心以及工作面的支架操作指令，執行液壓支架基本操作與刮板輸送機位移控制。具有EtherCAT通信功能，實現所有支架的協同控制，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據，以獲取支架的支護狀態、采煤機的位置信息及故障報警情況，并發送至主站，通過環網傳輸至云服務器數據庫。

▲基于EherCAT液壓支架主控制板從站系統框架

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數據幀，為從站設備提供數據接口。主控微處理器是應用層控制器，通過SPI實現與ESC數據交換，并實現EtherCAT應用。如果ESC設備需要中斷信號，可以連接微處理器的外部中斷引腳。ESC能夠提供可靠的實時性能，其EtherCAT通信延遲極低，可以實現微秒級的實時控制，從而滿足工業自動化對實時性的苛刻要求。同時，ESC還支持高達100 MB/s的通信速率。

03

碼靈半導體EtherCAT液壓支架從站系統解決方案

EtherCAT從站控制器芯片作為數據傳輸的關鍵組件，承擔著數據幀在物理層和數據鏈路層的處理任務，能夠精準地從大量的數據流中提取出與本從站交互所需數據。碼靈半導體推出的CF110x系列產品為液壓支架從站系統ESC 芯片提供了全新的、高性價比解決方案。碼靈半導體CF110x系列芯片支持三種數據接口（PDI）-數字I/O，SPI和8/16 位uC接口，從站關鍵數據經過CF110x系列芯片的內部處理后，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映射接收并處理數據，在應用層完成數據的解析與處理，并通過自身的外圍驅動程序與外部設備電路交換信息。

▲碼靈半導體CF110x系列芯片實物圖

碼靈半導體CF110x系列芯片內置64位高精度分布式時鐘（DC）同步機制，實現了微秒級的運動控制更新周期，可實現對采煤機位姿及液壓支架升降推進、移動等動作的精確控制，確保了液壓支架從站與主站之間的快速數據交換。

▲碼靈半導體CF110x系列芯片結構框圖

采用CF110x系列芯片實現的EtherCAT總線，可替代CAN等傳統總線后，將通信速率提升至100MB/s，顯著增強了數據傳輸的速度和效率。同時，CF110x系列芯片最多可以提供3個數據收發端口MII，可將網絡拓撲結構從單一的總線型擴展為更加靈活的混合拓撲結構，適應范圍更廣。基于碼靈半導體CF110x系列芯片實現的EherCAT總線液壓支架控制系統，可通過EtherCAT總線實現相鄰機架之間的相互通信。主站將報文統一發送給所有液壓支架，每個支架讀取對應的子報文和發送命令將EherCAT總線通過網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網中，從而確保支架控制器與遠程監控中心之間能夠進行穩定可靠的數據通信。同時，以EtherCAT總線代替傳統總線和以太網形成的通信系統，可提高系統的效率。不僅完善了智能無人采煤開采技術體系，還對促進煤礦工作面的安全高效生產具有重要意義。