一种多维度显示的矿用保护装置

安同平，何龙，侯继海，鲁雅斌

（南京弘毅电气自动化有限公司，江苏南京，210039）

0 引言

煤炭行业是我国的支柱能源产业[1]，而电力又是煤矿生产的主要能源，安全可靠供电不仅直接影响煤矿企业的经济效益，而且直接关系到设备和人身安全，对安全生产以及提高经济效益等方面都有十分重要的意义[2]。煤矿生产大多集中在井下，工作条件比较恶劣，供电系统和电气设备常常出现各种电气故障[3]，煤矿供电系统继电保护装置能够快速可靠地切除电气故障，保证煤矿供电系统运行的稳定和安全，保护装置主要包括过电流、漏电、接地、防越级跳闸等功能[4]。

目前矿用保护装置的显示终端一般是和主控单元集成在一起，也有部分矿用保护装置的控制部分和显示部分采用分离式结构，通过硬接线连接安装在防爆柜内，在地面虽然可以通过通信方式查看遥信遥测数据以及定值压板的整定修改，但是通过通信方式传输的内容有限，矿用保护装置仍然有很多内部信息和配置无法通过通信方式查看和修改，且当显示终端出现故障时，现场工作人员无法进行查看和操作，严重影响矿用保护装置的运行维护和检修，因此，迫切地需要一种新的方案解决上述技术问题。

1 整体设计方案

随着智慧矿山的快速发展，煤矿系统的远端控制平台、交互式信息平台等基础设施建设趋于完善，工业以太网技术、手持终端设备及其应用软件的推广和应用，对矿用保护装置显示终端的改进和提升带来了新的设计思路。

针对矿用保护装置现有显示技术中存在的问题，结合目前广泛应用的通信技术、客户端/服务器、任务优先级和任务调度概念，设计了一种多维度显示的矿用保护装置，多维度显示的矿用保护装置主要有两部分组成，一是主控单元，实现显示调度、信息采集、逻辑判断、故障隔离等功能；一是显示终端，实现采样和状态信息以及保护动作事件信息的展示，以及将用户的操作控制信息传递给主控单元。

多维度显示的矿用保护装置可以集成多个显示终端，显示终端可以是显示单元、手持设备、以及台式机和笔记本电脑等，主控单元和多个显示终端之间基于通信方式交互信息，不同的显示终端采用不同的通信方式，显示终端采用串口通信，手持设备采用WiFi通信，台式机和笔记本电脑采用以太网通信，如图1所示，用户可以根据不同的应用场景选择合适的显示终端。

客户端/服务器是主从式网络架构，服务器为客户端提供计算或者应用服务，服务器提供的服务和信息通过客户端显示出来，当系统中有状态变化和事件发生时，服务器软件需要主动向客户端发送信息。结合网络通信客户端/服务器的设计思想，将多维度显示的矿用保护装置主控单元设定为服务器，显示终端设定为客户端，主控单元和多个显示终端之间基于通信方式交互信息，显示终端作为客户端连接主控单元服务器后，将显示终端的控制信息传送给主控单元，主控单元根据当前显示信息和显示终端传递的控制信息，对显示终端进行界面切换，刷新继电器控件信息等。

任务调度是操作系统的核心内容，主要与任务的优先级和调度算法有关，任务调度优先级反映了不同任务的重要性与紧迫性，任务调度方式常规可分为基于优先级的抢占调度以及先来先服务的非抢占调度。结合抢占任务调度和非抢占任务调度的设计思想，将不同通信方式的显示终端操作分为不同的优先级，当主控单元同时具有多个显示终端连接时，对多个显示终端操作进行调度，具有高优先级的显示终端操作抢占低优先级的显示终端，如果操作的显示终端具有相同的优先级，采用先来先服务的非抢占调度，这样始终只有一个显示终端的操作是有效的，其余显示终端只能用于显示，不能进行操作，获得操作权限的显示终端操作完成后，主控单元将操作结果同步到所有显示终端，进行界面切换，刷新继电器控件信息等。

2 硬件设计

多维度显示的矿用保护装置主要有主控单元和显示终端两部分组成，主控单元是多维度显示的矿用保护装置的核心，将电气回路的电压电流信息和开关设备状态信息采样处理后，由CPU进行逻辑判断，当系统发生故障时，将故障进行隔离和定位，保证设备和人身安全，同时主控单元和显示终端进行通信，将采样和状态信息以及保护动作事件信息通过显示终端进行展示，并对来自显示终端的操作控制信息进行处理。

主控单元采用32位浮点处理器和现场可编程门阵列（FPGA）芯片，硬件设计主要包括用于将外部电源进行隔离和不同电压转换的电源模块，用于存储主控单元程序数据以及配置信息的储存模块，用于采集电压电流交流信息的采样模块，用于采集外部开关状态及非电量保护信息的开入模块，用于控制外部开关动作以及启动温湿度加热的开出模块，用于交互显示操作信息的串口通信模块、以太网通信模块、WiFi通信模块等，硬件设计见图2。

显示终端采用手持设备、以及台式机和笔记本电脑时，硬件是标准的手持设备或个人电脑，只需要在上面运行保护装置专用APP即可。采用串行通信的显示单元和主控单元一起在现场运行，显示单元采用MSP430系列16位处理器，显示单元由电源模块、液晶屏、指示灯、串行通信模块、无线测温模块、红外传感器、红外感知模块等组成，硬件设计见图3，液晶屏和指示灯显示装置的运行状态和实时信息，串行通信模块和主控单元交互信息，无线测温模块测量工作环境温度，红外传感器接收遥控器的按键信息，显示单元红外感知模块感知运维人员在显示终端停留时自动点亮液晶屏，方便进行操作，长时间未检测到信号时关闭液晶屏以节省能源。

3 显示调度

多维度显示的矿用保护装置可以集成多个显示终端，主控单元和多个显示终端之间基于通信方式交互信息，采用服务器/客户端模式，主控单元设定为服务器，显示终端设定为客户端，显示终端将控制信息以通信方式传送给主控单元，主控单元对多个显示终端操作进行调度。虽然主控单元和多个显示终端可以同时进行连接，但由于主控单元是嵌入式系统，出于成本预算考虑，不能提供足够的硬件和软件资源，而且从实际的安全性应用角度考虑，不能让所有的显示终端同时操作主控单元，而只能有一个显示终端锁定操作，但主控单元需要通知其他显示终端。

根据显示终端不同的应用场景和重要程度，将显示终端划分为不同的优先级，优先级决定了显示终端在操作时的优先次序。现场运行维护人员直接面对供电系统和电气设备，对现场运行情况最为了解，而地面后台操作运行人员对现场实际运行情况的了解会有一定时间滞后，甚至和实际运行情况有所偏差，所以现场操作的显示终端应该具有高优先级，地面后台操作的显示终端具有低优先级，现场操作的显示终端又分为就地串行通信连接和WiFi模块连接两种。根据显示终端实际使用情况，多个显示终端操作具有不同的优先级，就地串行通信连接的显示终端具有最高优先级，WiFi模块连接的显示终端具有次优先级，以太网模块连接的显示终端具有最低优先级，当多个不同优先级显示终端同时操作时，主控单元锁定具有最高优先级的显示终端，当多个相同优先级显示终端操作时，主控单元锁定最先进行操作的显示终端，并对其余进行操作的显示终端提示显示操作已被锁定。低优先级的显示终端可以被高优先级的显示终端操作抢占，主控单元具有多个显示终端链接，对一个显示终端操作时，主控单元同步进行其余显示终端界面切换，刷新继电器控件信息等，显示调度流程如图4所示。

以图1所示为例来说明显示调度流程，多维度显示的矿用保护装置由一个主控单元和四个显示终端组成，显示单元是现场运行设备，通过串行通信连接主控单元；手持设备是运行维护人员使用的便携设备，巡检时在现场通过WiFi连接主控单元；台式机和笔记本电脑是后台运行设备，通过以太网连接主控单元。台式机或笔记本电脑正在地面通过APP查看装置的电压电流信息，现场运行维护人员在巡检时发现供电设备出现异常情况，需现场紧急切断开关，可以通过遥控器来对就地安装的显示单元来进行操作，但是身边没有携带遥控器，这时可以用手机APP通过WiFi连接矿用保护装置，WiFi模块连接的显示终端操作比以太网模块连接的显示终端操作具有更高优先级，因此手机APP的操作抢占台式机或笔记本电脑在地面的操作权限，APP通过WiFi连接好矿用保护装置后，主控单元通知显示终端、台式机和笔记本电脑，显示终端操作被手持设备抢占，台式机和笔记本电脑不能继续进行操作，手持设备对矿用保护装置进行操作时，显示单元、台式机和笔记本电脑画面同步进行切换，地面工作人员可以了解现场运维人员的操作流程，用手机APP操作切断开关后，供电设备的异常情况得到及时响应和处理，避免带来进一步的危害和影响。

4 小结

多维度显示的矿用保护装置可以实现多场景应用，就地使用显示单元通过串行通信进行显示和操作，或者使用手机和手持设备通过WiFi通信进行显示和操作，在地面使用台式机或笔记本电脑通过以太网通信远程进行显示和操作，使用灵活方便；装置采用了多冗余的模块化设计方案，当一个显示终端出现故障时，可以通过其他显示终端显示和控制，不影响主控单元正常运行，并且现场装置可不配置显示终端，巡检时用手机或手持设备进行显示和操作，降低了应用成本。

结合目前广泛应用的通信技术、客户端/服务器、任务优先级和任务调度概念，多维度显示的矿用保护装置将显示终端的功能应用于手持设备和电脑等，拓展了矿用保护装置显示终端的应用场景，给矿用保护装置研究提供了一定的借鉴意义。