一種多維度顯示的礦用保護裝置

安同平，何龍，侯繼海，魯雅斌

（南京弘毅電氣自動化有限公司，江蘇南京，210039）

0 引言

煤炭行業是我國的支柱能源產業[1]，而電力又是煤礦生產的主要能源，安全可靠供電不僅直接影響煤礦企業的經濟效益，而且直接關系到設備和人身安全，對安全生產以及提高經濟效益等方面都有十分重要的意義[2]。煤礦生產大多集中在井下，工作條件比較惡劣，供電系統和電氣設備常常出現各種電氣故障[3]，煤礦供電系統繼電保護裝置能夠快速可靠地切除電氣故障，保證煤礦供電系統運行的穩定和安全，保護裝置主要包括過電流、漏電、接地、防越級跳閘等功能[4]。

目前礦用保護裝置的顯示終端一般是和主控單元集成在一起，也有部分礦用保護裝置的控制部分和顯示部分采用分離式結構，通過硬接線連接安裝在防爆柜內，在地面雖然可以通過通信方式查看遙信遙測數據以及定值壓板的整定修改，但是通過通信方式傳輸的內容有限，礦用保護裝置仍然有很多內部信息和配置無法通過通信方式查看和修改，且當顯示終端出現故障時，現場工作人員無法進行查看和操作，嚴重影響礦用保護裝置的運行維護和檢修，因此，迫切地需要一種新的方案解決上述技術問題。

1 整體設計方案

隨著智慧礦山的快速發展，煤礦系統的遠端控制平臺、交互式信息平臺等基礎設施建設趨于完善，工業以太網技術、手持終端設備及其應用軟件的推廣和應用，對礦用保護裝置顯示終端的改進和提升帶來了新的設計思路。

針對礦用保護裝置現有顯示技術中存在的問題，結合目前廣泛應用的通信技術、客戶端/服務器、任務優先級和任務調度概念，設計了一種多維度顯示的礦用保護裝置，多維度顯示的礦用保護裝置主要有兩部分組成，一是主控單元，實現顯示調度、信息采集、邏輯判斷、故障隔離等功能；一是顯示終端，實現采樣和狀態信息以及保護動作事件信息的展示，以及將用戶的操作控制信息傳遞給主控單元。

多維度顯示的礦用保護裝置可以集成多個顯示終端，顯示終端可以是顯示單元、手持設備、以及臺式機和筆記本電腦等，主控單元和多個顯示終端之間基于通信方式交互信息，不同的顯示終端采用不同的通信方式，顯示終端采用串口通信，手持設備采用WiFi通信，臺式機和筆記本電腦采用以太網通信，如圖1所示，用戶可以根據不同的應用場景選擇合適的顯示終端。

客戶端/服務器是主從式網絡架構，服務器為客戶端提供計算或者應用服務，服務器提供的服務和信息通過客戶端顯示出來，當系統中有狀態變化和事件發生時，服務器軟件需要主動向客戶端發送信息。結合網絡通信客戶端/服務器的設計思想，將多維度顯示的礦用保護裝置主控單元設定為服務器，顯示終端設定為客戶端，主控單元和多個顯示終端之間基于通信方式交互信息，顯示終端作為客戶端連接主控單元服務器后，將顯示終端的控制信息傳送給主控單元，主控單元根據當前顯示信息和顯示終端傳遞的控制信息，對顯示終端進行界面切換，刷新繼電器控件信息等。

任務調度是操作系統的核心內容，主要與任務的優先級和調度算法有關，任務調度優先級反映了不同任務的重要性與緊迫性，任務調度方式常規可分為基于優先級的搶占調度以及先來先服務的非搶占調度。結合搶占任務調度和非搶占任務調度的設計思想，將不同通信方式的顯示終端操作分為不同的優先級，當主控單元同時具有多個顯示終端連接時，對多個顯示終端操作進行調度，具有高優先級的顯示終端操作搶占低優先級的顯示終端，如果操作的顯示終端具有相同的優先級，采用先來先服務的非搶占調度，這樣始終只有一個顯示終端的操作是有效的，其余顯示終端只能用于顯示，不能進行操作，獲得操作權限的顯示終端操作完成后，主控單元將操作結果同步到所有顯示終端，進行界面切換，刷新繼電器控件信息等。

2 硬件設計

多維度顯示的礦用保護裝置主要有主控單元和顯示終端兩部分組成，主控單元是多維度顯示的礦用保護裝置的核心，將電氣回路的電壓電流信息和開關設備狀態信息采樣處理后，由CPU進行邏輯判斷，當系統發生故障時，將故障進行隔離和定位，保證設備和人身安全，同時主控單元和顯示終端進行通信，將采樣和狀態信息以及保護動作事件信息通過顯示終端進行展示，并對來自顯示終端的操作控制信息進行處理。

主控單元采用32位浮點處理器和現場可編程門陣列（FPGA）芯片，硬件設計主要包括用于將外部電源進行隔離和不同電壓轉換的電源模塊，用于存儲主控單元程序數據以及配置信息的儲存模塊，用于采集電壓電流交流信息的采樣模塊，用于采集外部開關狀態及非電量保護信息的開入模塊，用于控制外部開關動作以及啟動溫濕度加熱的開出模塊，用于交互顯示操作信息的串口通信模塊、以太網通信模塊、WiFi通信模塊等，硬件設計見圖2。

顯示終端采用手持設備、以及臺式機和筆記本電腦時，硬件是標準的手持設備或個人電腦，只需要在上面運行保護裝置專用APP即可。采用串行通信的顯示單元和主控單元一起在現場運行，顯示單元采用MSP430系列16位處理器，顯示單元由電源模塊、液晶屏、指示燈、串行通信模塊、無線測溫模塊、紅外傳感器、紅外感知模塊等組成，硬件設計見圖3，液晶屏和指示燈顯示裝置的運行狀態和實時信息，串行通信模塊和主控單元交互信息，無線測溫模塊測量工作環境溫度，紅外傳感器接收遙控器的按鍵信息，顯示單元紅外感知模塊感知運維人員在顯示終端停留時自動點亮液晶屏，方便進行操作，長時間未檢測到信號時關閉液晶屏以節省能源。

3 顯示調度

多維度顯示的礦用保護裝置可以集成多個顯示終端，主控單元和多個顯示終端之間基于通信方式交互信息，采用服務器/客戶端模式，主控單元設定為服務器，顯示終端設定為客戶端，顯示終端將控制信息以通信方式傳送給主控單元，主控單元對多個顯示終端操作進行調度。雖然主控單元和多個顯示終端可以同時進行連接，但由于主控單元是嵌入式系統，出于成本預算考慮，不能提供足夠的硬件和軟件資源，而且從實際的安全性應用角度考慮，不能讓所有的顯示終端同時操作主控單元，而只能有一個顯示終端鎖定操作，但主控單元需要通知其他顯示終端。

根據顯示終端不同的應用場景和重要程度，將顯示終端劃分為不同的優先級，優先級決定了顯示終端在操作時的優先次序。現場運行維護人員直接面對供電系統和電氣設備，對現場運行情況最為了解，而地面后臺操作運行人員對現場實際運行情況的了解會有一定時間滯后，甚至和實際運行情況有所偏差，所以現場操作的顯示終端應該具有高優先級，地面后臺操作的顯示終端具有低優先級，現場操作的顯示終端又分為就地串行通信連接和WiFi模塊連接兩種。根據顯示終端實際使用情況，多個顯示終端操作具有不同的優先級，就地串行通信連接的顯示終端具有最高優先級，WiFi模塊連接的顯示終端具有次優先級，以太網模塊連接的顯示終端具有最低優先級，當多個不同優先級顯示終端同時操作時，主控單元鎖定具有最高優先級的顯示終端，當多個相同優先級顯示終端操作時，主控單元鎖定最先進行操作的顯示終端，并對其余進行操作的顯示終端提示顯示操作已被鎖定。低優先級的顯示終端可以被高優先級的顯示終端操作搶占，主控單元具有多個顯示終端鏈接，對一個顯示終端操作時，主控單元同步進行其余顯示終端界面切換，刷新繼電器控件信息等，顯示調度流程如圖4所示。

以圖1所示為例來說明顯示調度流程，多維度顯示的礦用保護裝置由一個主控單元和四個顯示終端組成，顯示單元是現場運行設備，通過串行通信連接主控單元；手持設備是運行維護人員使用的便攜設備，巡檢時在現場通過WiFi連接主控單元；臺式機和筆記本電腦是后臺運行設備，通過以太網連接主控單元。臺式機或筆記本電腦正在地面通過APP查看裝置的電壓電流信息，現場運行維護人員在巡檢時發現供電設備出現異常情況，需現場緊急切斷開關，可以通過遙控器來對就地安裝的顯示單元來進行操作，但是身邊沒有攜帶遙控器，這時可以用手機APP通過WiFi連接礦用保護裝置，WiFi模塊連接的顯示終端操作比以太網模塊連接的顯示終端操作具有更高優先級，因此手機APP的操作搶占臺式機或筆記本電腦在地面的操作權限，APP通過WiFi連接好礦用保護裝置后，主控單元通知顯示終端、臺式機和筆記本電腦，顯示終端操作被手持設備搶占，臺式機和筆記本電腦不能繼續進行操作，手持設備對礦用保護裝置進行操作時，顯示單元、臺式機和筆記本電腦畫面同步進行切換，地面工作人員可以了解現場運維人員的操作流程，用手機APP操作切斷開關后，供電設備的異常情況得到及時響應和處理，避免帶來進一步的危害和影響。

4 小結

多維度顯示的礦用保護裝置可以實現多場景應用，就地使用顯示單元通過串行通信進行顯示和操作，或者使用手機和手持設備通過WiFi通信進行顯示和操作，在地面使用臺式機或筆記本電腦通過以太網通信遠程進行顯示和操作，使用靈活方便；裝置采用了多冗余的模塊化設計方案，當一個顯示終端出現故障時，可以通過其他顯示終端顯示和控制，不影響主控單元正常運行，并且現場裝置可不配置顯示終端，巡檢時用手機或手持設備進行顯示和操作，降低了應用成本。

結合目前廣泛應用的通信技術、客戶端/服務器、任務優先級和任務調度概念，多維度顯示的礦用保護裝置將顯示終端的功能應用于手持設備和電腦等，拓展了礦用保護裝置顯示終端的應用場景，給礦用保護裝置研究提供了一定的借鑒意義。