摘要：为解决现阶段液压支架电液控制系统因集成功能增多导致功耗成倍增加，引发电源箱配接数量增多、系统安装维护复杂、成本上升及稳定性和可靠性降低等问题，从硬件、本质安全设计及软件3个层面，采用低功耗技术进行优化。基于低功耗控制技术对系统中各子设备进行电路级降功耗，并通过

为解决现阶段液压支架电液控制系统因集成功能增多导致功耗成倍增加，引发电源箱配接数量增多、系统安装维护复杂、成本上升及稳定性和可靠性降低等问题，从硬件、本质安全设计及软件3个层面，采用低功耗技术进行优化。基于低功耗控制技术对系统中各子设备进行电路级降功耗，并通过软件系统对各功能部件实现时分复用逻辑调度，使系统始终工作在极优的工况能耗下，低功耗技术的设计有效解决了系统功耗过高问题，保证系统平稳可靠运行。

根据目前国内煤矿智能化开采现状及应用情况分析得出，煤矿智能化开采的主要制约因素为成套装备稳定性、可靠性有待进一步提升，在执行层、感知层、装备层、系统层4个层面上，成套装备的稳定性、可靠性均存在一定的限制。对综采工作面液压支架控制系统来讲，传统液压支架控制装置仅具备控制支架动作、压力行程数据采集等功能，按照系统配套经验，单个电源箱可支持6个支架的动作和数据采集。

煤矿智能化的发展，综采工作面液压支架控制系统集成多项功能，增加AI算力、多传感冗余感知定位、集成摄像头和语音识别等，多功能和精度要求使系统和设备设计庞大且复杂，功耗成倍增加，使得配接电源箱数量增多，带来了系统安装维护复杂、成本增加、稳定性、可靠性降低等系列问题。

01、硬件架构低功耗设计与功能适配

采用低功耗技术应用于液压支架电液控制系统的设计，通过选取合适硬件技术实现设备需求适配，改进本质安全设计降低静态功耗影响；软件技术优化设备工作逻辑，时分复用理念按照最小时间节拍调度各功能模块工作。

液压支架控制系统经过理论计算和实际测试，满足当前综采工作面智能化开采对设备的功能和可靠性要求，降低系统功耗，减少系统电源箱配套数量，降低系统成本。基于低功耗技术的液压支架电液控制系统包含硬件架构低功耗设计与功能适配，本质安全优化设计，系统软件动态调度技术。基于低功耗技术的控制器硬件架构如图1所示，低功耗型液压支架电液控制装置如图2所示。

图1 基于低功耗技术的控制器硬件架构

图2 低功耗型液压支架电液控制装置

设备自身电路的低功耗设计，包含功能需求的硬件适配及对应的硬件方案选型，在硬件层面降低设备正常工作状态时的静态功耗。控制器是液压支架控制系统的核心设备，主要功能包括液压支架控制、传感数据采集、视频数据传输、无线控制、人员安全感知、设备状态监测等。通过现状分析。各功能模块的功耗计算见表1。

表1 各功能模块的功耗计算

根据表1计算，按照单组电源最大功率输出12 V/2 000 mA，在实现液压支架基本功能的工况下，电源总消耗功率为12 V/1 365 mA，剩余12 V/635 mA，理论可支持6组支架动作，考虑到实际功耗误差和批量差异性，实际最多仅支持4组支架动作。

数据分析表明，功耗严重制约了综采工作面采煤推进速度。通过分析并制定控制器的功耗优化方案，采用储能形式平抑预留给驱动电磁先导阀的动态功耗，电源动态功耗不再需要预留；采用低功耗器件选型和设计“使能开关”分时复用各功能模块，使得控制器内部降低功耗约30%，传感器同一时间可认为仅有1个接入，按照最大传感器功耗计算，约12 V/50 mA，较改进前有效降低60%以上。

（1）液压支架控制功耗分析

驱动液压阀是控制器的核心功能，常规液压先导阀采用MOS直驱的方式驱动，在运行中大部分时间保持关闭，支架动作时打开MOS开关，单次持续时间约30～60 s，消耗约100 mA电流，平均1组电源内支架同时做4～5个动作，消耗约500 mA电流，电源要预留500 mA容量用于支持支架动作，为有效利用电源容量，在控制器内部集成小储能元件，平时采用“涓流”对储能元件充电，在支架动作时储能瞬时泄放，平抑电源负载变化，“削峰填谷”，有效提高电源负载容量，储能元件功耗效果如图3所示。

图3 储能元件功耗效果

（2）传感器接入和数据分析

控制器具有监测支架压力、油缸行程、支架姿态、煤机位置等功能，并根据传感器数据进行支架自动控制、危险预警、状态干预等；当前液压支架控制系统传感数据为离散采集；按照安全标准要求，远程控制和紧急停止时间300 ms，根据状态监测数值实行安全干预，要求数据更新时间应150 ms，目前多数处理器和数据转换器处理时间非常充足，可采用分时采集模式，各传感器硬件设计采用“使能开关”，软件进行时间分片，单个时间只打开1种传感器进行数据采集，采集一系列离散数据点，再利用插值原理进行曲线复原；电源功耗同一时间只有1种传感器工作，有效降低电源功耗压力。

（3）优化器件选型

为实现自动控制+远程干预的开采模式，需上传工作面视频数据，常规方案是在控制器内部放置1个交换机模块，引出1个百兆网口连接摄像仪，视频数据通过交换机模块转发到架间通信的以太网链路进行上传。综采工作面中常采用720 pix、1 080 pix高清摄像仪，以720 pix居多。采用H.264编码的1 080 pix摄像仪上行带宽为4～8 Mbit/s，在摄像仪接入口选用10Base-T1L技术代替现有的100Base-T1，10 Mbit/s通信带宽满足当前使用需求。以ADIN1100为例，最大功耗仅80 mW，较基于100Base-T1的PHY芯片功耗下降约400 mW。

综上所述，在控制器内部采用储能原理降低支架动作的动态功耗；利用“使能开关”和“时间分片”原理降低传感器工作功耗；按照功能适配降低网络分支接口的带宽，降低通信功耗。

02、本质安全设计优化

电火花和热效应是引起爆炸性危险气体爆炸的主要点燃源，本质安全设计的本质是限制电火花和热功率可能的点燃源。按照GB/T 3836.1-2021标准，热功率考量基于5.3.3条，煤矿用设备属于Ⅰ类电气设备，元件表面积≥20 mm2时，最大耗散功率应3.3 W；按照GB/T 3836.4-2021标准，火花点燃与施加最大输入电压Ui时的储能电容值有关、与输入最大电流Imax时的最大储能电感有关，按照以上标准原则分析并优化设计本质安全电路。

（1）热功率平衡优化

综采工作面隔爆兼本安型电源输出12 V/2 A的功率用于控制器、传感器等设备供电。在考虑故障情况下，24 W功率全部施加到控制器内部电路的每个元器件，控制器电源转换流程如图4所示。

图4 控制器电源转换流程

限压保护电路后端的功率限制在安全范围内，但电源转换芯片位于限压保护电路前端，热耗散功率Ps按照Ps=Ui×Ix×1.7评估，其中Ui为本安参数；Ix为保险丝限流值。通过对控制器内部功能模块划分，将各模块采用分时供电方式，控制器分布式电源转换流程如图5所示，每组电源输入限流保险管可选择更小限流值，降低本组输入的热功率，同时由图1中的MCU模块对其他模块的上电使能和上电时序进行控制，有效降低控制器本身的静态功耗，并且降低上电时对电源箱的负载冲击。

图5 控制器分布式电源转换流程

（2）储能元件火花能量限制

安全火花参数主要取决于电压（U）、电流（I）、电感（L）、电容（C）等。电感一般应用于DC-DC变换电路，通过二极管续流并整体浇封形式进行火花抑制，但二极管本身存在压降，流过电流后会产生热功率，增加了能量浪费。

采用MOS管续流，MOS管续流示意如图6所示，在电感释放电流初期，MOS管的体二极管先导通续流，紧接着MOS管的场效应管的导通电阻Rs导通将导通电阻降低到几毫欧等级，对体二极管“短路”，降低体二极管热功率损耗，以通过电流200 mA为例，体二极管导通压降约0.7 V，耗散功率约0.14 W，而MOS管的Rs一般为5～10 mΩ，耗散功率最大约0.02 mW。

图6 MOS管续流示意

电容器件通过阻塞二极管限制对外输出的能量，并通过限压电路限制储能容量。阻塞二极管由于串联在电路中，流过电流时产生的压降会增加热功率消耗。采用可控硅防反思路，单向可控硅具有和二极管单向导通电流的特性，可控硅续流示意如图7所示，在设备电流很低的时候，二极管先导通做阻塞，随电流增加，二极管压降增加，后端电流检测电流达到设定阈值，可控硅导通，导通压降由1 V下降到0.2 V，耗散功率约下降60%。

图7 可控硅续流示意

03、软件功能逻辑优化

（1）状态监测与控制决策

软件算法在硬件设备的关键电路位置设置电压、电流、功率等采集电路，实时监测和分析控制器内部及所配接的功能模块运行状态，并按照当前所运行的功能需求对各功能模块进行控制和决策，系统软件功能逻辑如图8所示。

图8 系统软件功能逻辑

综采工作面分为支架动作区域和空闲区域。所有控制器都按照传感状态监测结果进行数据采集和上传，即分时打开监控传感器进行采集，空闲区域控制器仅按照最低采集频率和通信速度报送传感器数据，将电能分配给同一组电源供电的支架动作区域，实时采集立柱压力和油缸行程；同时，支架动作区域储能元件放电驱动电磁先导阀执行支架动作；空闲区域的控制器通过互相通信，判断同组电源供电内的储能元件电量信息，按照最低电量原则仲裁分配储能元件充电。

（2）工作场景功能优化

无线遥控模块和人员定位模块按照安装场景进行功率调整，安装在挡杆支架或回撤支架，因配接传感器少、传输距离远，调大其无线发射功率；安装在工作面中间架上，由于每个支架距离较近，人员站在支架上，可将其无线功率调低。

通信单元按照预估传输的数量带宽进行速率调整，传统液压支架控制系统应用场景中，传输离散的传感数据或支架控制指令时，设置为低速率传输；智能化工作面场景时，要求上传视频数据、大量的传感数据等，设置为高速带宽模式。

04、实际应用

基于低功耗技术设计的液压支架控制系统在陕西陕煤黄陵矿业有限公司一号煤矿（简称黄陵一矿）1009工作面完成井下工业性试验，液压支架电液控制系统架构如图9所示。试验中与传统的SAC型液压支架电液控制系统（简称26 功能控制系统）进行配套连接，实现液压支架控制功能、传感器接入上传、跟机自动化等功能。

图9 液压支架电液控制系统架构

电源箱由1带6提高到1带8的配置，控制器自身功耗约12 V/70 mA，较26功能控制器下降30%；接入器按照“分时复用”模式采集传感器数据，功耗降低约60%。较26功能控制系统增加了更完整的状态监测功能和多传感器集成，提高了系统的稳定性，简化系统配套，降低安装复杂度，黄陵1矿井下运行现场如图10所示。

图10 黄陵1矿井下运行现场

05、结 语

针对液压支架电液控制系统集成的多功能带来供电功耗增加，对系统运行维护带来多种不利影响，优化设计基于低功耗控制技术的液压支架控制系统，量化分析系统设备组成和工作模式，按照功能需求进行硬件方案适配和元器件选型，分析本质安全电路，总结出安全性设计导致的功耗增加点，进行电路方案优化；结合软件状态监测和区分功能场景，控制和决策系统功能模块和配接设备，实现系统可靠运行并降低功耗的目的。低功耗控制技术的应用是智能化装备发展重要趋势，是实现煤炭资源绿色开采的有效技术途径。

文章来源：《智能矿山》2025年第8期“学术园地”栏目

作者简介：王朕，主要从事液压支架电液控制系统与设备的相关研究工作。 E-mail：wangzhen@tdmarco.com

作者单位：北京天玛智控科技股份有限公司

引用格式：王朕.基于低功耗技术设计的液压支架电液控制系统[J].智能矿山，2025，6(8)：63-68.

编辑丨李莎

审核丨赵瑞

来源：智能矿山杂志