EtherCAT科普系列（14）：EtherCAT技术在液压支架智能控制领域的应用

我国“富煤、贫油、少气”的资源禀赋特征，决定了煤炭是我国基础能源，其资源的安全稳定开发与国计民生及能源安全息息相关。根据国家能源局发布，在当前我国发电装机容量结构中，主要为火电、水电、风电和太阳能四大能源，2024年火电占比高达43.1%，而煤炭是火电主要工业原料，在未来我国能源供给中将持续发挥“压舱石”作用。根据国家统计局数据，2024年全国原煤产量47.8亿吨，原煤产量创历史新高，有力支撑我国国民经济和社会平稳较快发展。我国以煤炭为主的能源消费结构格局将长期存在，要走合理可持续开发煤炭资源的发展道路。无人智能化可以让煤炭开采更加安全、高效，是煤炭资源发展的重要转型升级方向。液压支架电液控制系统是实现无人化智能开采的基础系统。液压支架电液控制系统使采煤技术实现了从机械化向自动化的变革，该系统控制液压支架形成采煤工作面的安全操作空间，控制液压支架协同采煤机、刮板运输机移动，实现采煤工作面液压支架自动化控制，能够满足不同类型工作面的应用需求。随着煤炭开采智能化政策的逐渐落地，山西、陕西、内蒙古、山东等区域煤矿企业客户的需求增加。根据格物致胜数据，2022年液压支架电液控制系统市场规模为36.6 亿元，同比增长 27.9%；液压支架电液控制系统的产品寿命5-8年,存量市场会有稳定的更新需求，预计到 2025年市场规模将达到42.3 亿元。

▲液压支架电液控制系统（来源：天玛智控）

液压控制系统对于单个液压支架进行控制，是一整套安装在液压支架上的控制系统，主要包括液控单向阀、液控换向阀、截止阀、回液断路阀、过滤器、特殊功能阀及其它辅件。通过控制液压阀阀门开合与闭锁实现对乳化液流动方向的控制，进而控制支架立柱及千斤顶做出伸收及闭锁动作，实现液压支架在综采工作面的支护、升降、前移等动作，为煤矿开采提供安全操作空间。

▲液压控制系统示意图（来源：恒达智控）

在煤矿生产中，液压支架是综合机械化开采设备的重要组成部分，承载着煤矿综合机械化采煤工作面安全高效运行的重要任务，它们的稳定性直接影响矿工的安全和生产的连续性。同时为了满足综采工作面大数据共享的发展需求，液压支架控制系统需要连接到互联网，实现液压支架名种传感数据的实时传输和对远程监控中心控制命令的实时响应。现有的总线通信方式由于通信速度慢等问题，已无法满足液压支架智能控制的实时通信要求。此外，在工作面向前推进的过程中可能因为环境复杂、传感器误差等因素，液压支架在移动过程中经常被不均匀推动，导致刮板输送机和液压支架的排列不规则，影响综采工作面正常生产。因此，迫切需要开发一种新型液压支架控制系统，以满足液压支架的远程实时监测和自动对准控制的要求。EtherCAT通信基于标准的以太网数据帧，优化了协议栈的应用层和数据链路层。将液压支架的单架控制、邻架控制和成组控制等命令结合EtherCAT报文嵌入以太网数据帧中，可实现直达IO的以太网控制。

▲液压支架基于EtherCAT的通信原理

EtherCAT技术能够为液压支架控制器提供微秒级循环时间的同步精度，确保液压支架各执行机构在高动态响应要求下的精确控制。将控制命令结合EherCAT协议嵌人以太网数据帧中，实现对液压支架护帮油缸、前后立柱油缸、侧护油缸等多个节点的远程集中控制。EtherCAT网络支持线型、星型树型等多样化的网络拓扑结构，为液压支架控制系统的布局提供了极大的灵活性，同时其即插即用和热插拔功能极大地方便了现场安装与维护。

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基于EherCAT总线的液压支架控制系统

液压支架控制器是实现液压支架智能控制的核心部分。基于EherCAT总线的液压支架控制系统硬件设计包括支架控制器设计、相关传感器选择和EtherCAT电路设计，以确保系统的高效通信和稳定运行。支架控制器由主控制面板和操作面板组成，以实现对液压支架控制和各种传感器的数据采集。整个液压支架系统基于EtherCAT网络搭建出来，所有数据的传输与控制命令均在网络中实现。传感器在监测液压支架工作状态、识别采煤机位置、监测瓦斯报警等方面起着重要作用，主要包括拉线位移传感器、压力传感器、三轴倾角传感器、红外对管传感器、瓦斯传感器等。拉线位移传感器是检测液压支架运动幅度的关键传感器，用于反映推移油缸的推移；压力传感器通过监测支架立柱的压力调控支架的支护状态，并实时追踪顶板压力的变化，为制定合理的开采支护方案提供依据；三轴倾角传感器负责检测液压支架的支护姿态，一旦发现异常即可发出预警，从而提升工作面的支护质量；红外对管传感器作为实现支架自动跟随操作的关键组件，能够准确地确定采煤机的位置；瓦斯传感器用于监测煤层开采过程中的瓦斯体积分数，以确保煤矿开采安全。

▲基于EherCAT网络结构的液压支架控制系统

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基于EherCAT液压支架主控制板从站系统

主控制板作为液压支架控制器的处理核心，接收来自操作面板、远程监控中心以及工作面的支架操作指令，执行液压支架基本操作与刮板输送机位移控制。具有EtherCAT通信功能，实现所有支架的协同控制，操作电磁换向阀控制支架立柱升降；从液压支架的各类传感器收集数据，以获取支架的支护状态、采煤机的位置信息及故障报警情况，并发送至主站，通过环网传输至云服务器数据库。

▲基于EherCAT液压支架主控制板从站系统框架

液压支架采用EtherCAT总线通信，主控制板硬件采用EtherCAT从站控制器（ESC）+主控微处理器方案。ESC主要用于处理EtherCAT数据帧，为从站设备提供数据接口。主控微处理器是应用层控制器，通过SPI实现与ESC数据交换，并实现EtherCAT应用。如果ESC设备需要中断信号，可以连接微处理器的外部中断引脚。ESC能够提供可靠的实时性能，其EtherCAT通信延迟极低，可以实现微秒级的实时控制，从而满足工业自动化对实时性的苛刻要求。同时，ESC还支持高达100 MB/s的通信速率。

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码灵半导体EtherCAT液压支架从站系统解决方案

EtherCAT从站控制器芯片作为数据传输的关键组件，承担着数据帧在物理层和数据链路层的处理任务，能够精准地从大量的数据流中提取出与本从站交互所需数据。码灵半导体推出的CF110x系列产品为液压支架从站系统ESC 芯片提供了全新的、高性价比解决方案。码灵半导体CF110x系列芯片支持三种数据接口（PDI）-数字I/O，SPI和8/16 位uC接口，从站关键数据经过CF110x系列芯片的内部处理后，可通过SPI总线被高效地传输给微处理器。主控微处理器通过SDO 和PDO映射接收并处理数据，在应用层完成数据的解析与处理，并通过自身的外围驱动程序与外部设备电路交换信息。

▲码灵半导体CF110x系列芯片实物图

码灵半导体CF110x系列芯片内置64位高精度分布式时钟（DC）同步机制，实现了微秒级的运动控制更新周期，可实现对采煤机位姿及液压支架升降推进、移动等动作的精确控制，确保了液压支架从站与主站之间的快速数据交换。

▲码灵半导体CF110x系列芯片结构框图

采用CF110x系列芯片实现的EtherCAT总线，可替代CAN等传统总线后，将通信速率提升至100MB/s，显著增强了数据传输的速度和效率。同时，CF110x系列芯片最多可以提供3个数据收发端口MII，可将网络拓扑结构从单一的总线型扩展为更加灵活的混合拓扑结构，适应范围更广。基于码灵半导体CF110x系列芯片实现的EherCAT总线液压支架控制系统，可通过EtherCAT总线实现相邻机架之间的相互通信。主站将报文统一发送给所有液压支架，每个支架读取对应的子报文和发送命令将EherCAT总线通过网线接入井下液压支架主站控制中心，井下的液压支架主站控制中心通过光纤连接到矿井的环网中，从而确保支架控制器与远程监控中心之间能够进行稳定可靠的数据通信。同时，以EtherCAT总线代替传统总线和以太网形成的通信系统，可提高系统的效率。不仅完善了智能无人采煤开采技术体系，还对促进煤矿工作面的安全高效生产具有重要意义。