一種多維度顯示的礦用保護(hù)裝置

安同平，何龍，侯繼海，魯雅斌

（南京弘毅電氣自動(dòng)化有限公司，江蘇南京，210039）

0 引言

煤炭行業(yè)是我國的支柱能源產(chǎn)業(yè)[1]，而電力又是煤礦生產(chǎn)的主要能源，安全可靠供電不僅直接影響煤礦企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益，而且直接關(guān)系到設(shè)備和人身安全，對(duì)安全生產(chǎn)以及提高經(jīng)濟(jì)效益等方面都有十分重要的意義[2]。煤礦生產(chǎn)大多集中在井下，工作條件比較惡劣，供電系統(tǒng)和電氣設(shè)備常常出現(xiàn)各種電氣故障[3]，煤礦供電系統(tǒng)繼電保護(hù)裝置能夠快速可靠地切除電氣故障，保證煤礦供電系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定和安全，保護(hù)裝置主要包括過電流、漏電、接地、防越級(jí)跳閘等功能[4]。

目前礦用保護(hù)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(hù)裝置的控制部分和顯示部分采用分離式結(jié)構(gòu)，通過硬接線連接安裝在防爆柜內(nèi)，在地面雖然可以通過通信方式查看遙信遙測(cè)數(shù)據(jù)以及定值壓板的整定修改，但是通過通信方式傳輸?shù)膬?nèi)容有限，礦用保護(hù)裝置仍然有很多內(nèi)部信息和配置無法通過通信方式查看和修改，且當(dāng)顯示終端出現(xiàn)故障時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)工作人員無法進(jìn)行查看和操作，嚴(yán)重影響礦用保護(hù)裝置的運(yùn)行維護(hù)和檢修，因此，迫切地需要一種新的方案解決上述技術(shù)問題。

1 整體設(shè)計(jì)方案

隨著智慧礦山的快速發(fā)展，煤礦系統(tǒng)的遠(yuǎn)端控制平臺(tái)、交互式信息平臺(tái)等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)趨于完善，工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)、手持終端設(shè)備及其應(yīng)用軟件的推廣和應(yīng)用，對(duì)礦用保護(hù)裝置顯示終端的改進(jìn)和提升帶來了新的設(shè)計(jì)思路。

針對(duì)礦用保護(hù)裝置現(xiàn)有顯示技術(shù)中存在的問題，結(jié)合目前廣泛應(yīng)用的通信技術(shù)、客戶端/服務(wù)器、任務(wù)優(yōu)先級(jí)和任務(wù)調(diào)度概念，設(shè)計(jì)了一種多維度顯示的礦用保護(hù)裝置，多維度顯示的礦用保護(hù)裝置主要有兩部分組成，一是主控單元，實(shí)現(xiàn)顯示調(diào)度、信息采集、邏輯判斷、故障隔離等功能；一是顯示終端，實(shí)現(xiàn)采樣和狀態(tài)信息以及保護(hù)動(dòng)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(hù)裝置可以集成多個(gè)顯示終端，顯示終端可以是顯示單元、手持設(shè)備、以及臺(tái)式機(jī)和筆記本電腦等，主控單元和多個(gè)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(shè)備采用WiFi通信，臺(tái)式機(jī)和筆記本電腦采用以太網(wǎng)通信，如圖1所示，用戶可以根據(jù)不同的應(yīng)用場(chǎng)景選擇合適的顯示終端。

客戶端/服務(wù)器是主從式網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，服務(wù)器為客戶端提供計(jì)算或者應(yīng)用服務(wù)，服務(wù)器提供的服務(wù)和信息通過客戶端顯示出來，當(dāng)系統(tǒng)中有狀態(tài)變化和事件發(fā)生時(shí)，服務(wù)器軟件需要主動(dòng)向客戶端發(fā)送信息。結(jié)合網(wǎng)絡(luò)通信客戶端/服務(wù)器的設(shè)計(jì)思想，將多維度顯示的礦用保護(hù)裝置主控單元設(shè)定為服務(wù)器，顯示終端設(shè)定為客戶端，主控單元和多個(gè)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(wù)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(jù)當(dāng)前顯示信息和顯示終端傳遞的控制信息，對(duì)顯示終端進(jìn)行界面切換，刷新繼電器控件信息等。

任務(wù)調(diào)度是操作系統(tǒng)的核心內(nèi)容，主要與任務(wù)的優(yōu)先級(jí)和調(diào)度算法有關(guān)，任務(wù)調(diào)度優(yōu)先級(jí)反映了不同任務(wù)的重要性與緊迫性，任務(wù)調(diào)度方式常規(guī)可分為基于優(yōu)先級(jí)的搶占調(diào)度以及先來先服務(wù)的非搶占調(diào)度。結(jié)合搶占任務(wù)調(diào)度和非搶占任務(wù)調(diào)度的設(shè)計(jì)思想，將不同通信方式的顯示終端操作分為不同的優(yōu)先級(jí)，當(dāng)主控單元同時(shí)具有多個(gè)顯示終端連接時(shí)，對(duì)多個(gè)顯示終端操作進(jìn)行調(diào)度，具有高優(yōu)先級(jí)的顯示終端操作搶占低優(yōu)先級(jí)的顯示終端，如果操作的顯示終端具有相同的優(yōu)先級(jí)，采用先來先服務(wù)的非搶占調(diào)度，這樣始終只有一個(gè)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(jìn)行操作，獲得操作權(quán)限的顯示終端操作完成后，主控單元將操作結(jié)果同步到所有顯示終端，進(jìn)行界面切換，刷新繼電器控件信息等。

2 硬件設(shè)計(jì)

多維度顯示的礦用保護(hù)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(hù)裝置的核心，將電氣回路的電壓電流信息和開關(guān)設(shè)備狀態(tài)信息采樣處理后，由CPU進(jìn)行邏輯判斷，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，將故障進(jìn)行隔離和定位，保證設(shè)備和人身安全，同時(shí)主控單元和顯示終端進(jìn)行通信，將采樣和狀態(tài)信息以及保護(hù)動(dòng)作事件信息通過顯示終端進(jìn)行展示，并對(duì)來自顯示終端的操作控制信息進(jìn)行處理。

主控單元采用32位浮點(diǎn)處理器和現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列（FPGA）芯片，硬件設(shè)計(jì)主要包括用于將外部電源進(jìn)行隔離和不同電壓轉(zhuǎn)換的電源模塊，用于存儲(chǔ)主控單元程序數(shù)據(jù)以及配置信息的儲(chǔ)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(guān)狀態(tài)及非電量保護(hù)信息的開入模塊，用于控制外部開關(guān)動(dòng)作以及啟動(dòng)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(wǎng)通信模塊、WiFi通信模塊等，硬件設(shè)計(jì)見圖2。

顯示終端采用手持設(shè)備、以及臺(tái)式機(jī)和筆記本電腦時(shí)，硬件是標(biāo)準(zhǔn)的手持設(shè)備或個(gè)人電腦，只需要在上面運(yùn)行保護(hù)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(xiàn)場(chǎng)運(yùn)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(cè)溫模塊、紅外傳感器、紅外感知模塊等組成，硬件設(shè)計(jì)見圖3，液晶屏和指示燈顯示裝置的運(yùn)行狀態(tài)和實(shí)時(shí)信息，串行通信模塊和主控單元交互信息，無線測(cè)溫模塊測(cè)量工作環(huán)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(yùn)維人員在顯示終端停留時(shí)自動(dòng)點(diǎn)亮液晶屏，方便進(jìn)行操作，長時(shí)間未檢測(cè)到信號(hào)時(shí)關(guān)閉液晶屏以節(jié)省能源。

3 顯示調(diào)度

多維度顯示的礦用保護(hù)裝置可以集成多個(gè)顯示終端，主控單元和多個(gè)顯示終端之間基于通信方式交互信息，采用服務(wù)器/客戶端模式，主控單元設(shè)定為服務(wù)器，顯示終端設(shè)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(duì)多個(gè)顯示終端操作進(jìn)行調(diào)度。雖然主控單元和多個(gè)顯示終端可以同時(shí)進(jìn)行連接，但由于主控單元是嵌入式系統(tǒng)，出于成本預(yù)算考慮，不能提供足夠的硬件和軟件資源，而且從實(shí)際的安全性應(yīng)用角度考慮，不能讓所有的顯示終端同時(shí)操作主控單元，而只能有一個(gè)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(jù)顯示終端不同的應(yīng)用場(chǎng)景和重要程度，將顯示終端劃分為不同的優(yōu)先級(jí)，優(yōu)先級(jí)決定了顯示終端在操作時(shí)的優(yōu)先次序?，F(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行維護(hù)人員直接面對(duì)供電系統(tǒng)和電氣設(shè)備，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行情況最為了解，而地面后臺(tái)操作運(yùn)行人員對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)行情況的了解會(huì)有一定時(shí)間滯后，甚至和實(shí)際運(yùn)行情況有所偏差，所以現(xiàn)場(chǎng)操作的顯示終端應(yīng)該具有高優(yōu)先級(jí)，地面后臺(tái)操作的顯示終端具有低優(yōu)先級(jí)，現(xiàn)場(chǎng)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(jù)顯示終端實(shí)際使用情況，多個(gè)顯示終端操作具有不同的優(yōu)先級(jí)，就地串行通信連接的顯示終端具有最高優(yōu)先級(jí)，WiFi模塊連接的顯示終端具有次優(yōu)先級(jí)，以太網(wǎng)模塊連接的顯示終端具有最低優(yōu)先級(jí)，當(dāng)多個(gè)不同優(yōu)先級(jí)顯示終端同時(shí)操作時(shí)，主控單元鎖定具有最高優(yōu)先級(jí)的顯示終端，當(dāng)多個(gè)相同優(yōu)先級(jí)顯示終端操作時(shí)，主控單元鎖定最先進(jìn)行操作的顯示終端，并對(duì)其余進(jìn)行操作的顯示終端提示顯示操作已被鎖定。低優(yōu)先級(jí)的顯示終端可以被高優(yōu)先級(jí)的顯示終端操作搶占，主控單元具有多個(gè)顯示終端鏈接，對(duì)一個(gè)顯示終端操作時(shí)，主控單元同步進(jìn)行其余顯示終端界面切換，刷新繼電器控件信息等，顯示調(diào)度流程如圖4所示。

以圖1所示為例來說明顯示調(diào)度流程，多維度顯示的礦用保護(hù)裝置由一個(gè)主控單元和四個(gè)顯示終端組成，顯示單元是現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行設(shè)備，通過串行通信連接主控單元；手持設(shè)備是運(yùn)行維護(hù)人員使用的便攜設(shè)備，巡檢時(shí)在現(xiàn)場(chǎng)通過WiFi連接主控單元；臺(tái)式機(jī)和筆記本電腦是后臺(tái)運(yùn)行設(shè)備，通過以太網(wǎng)連接主控單元。臺(tái)式機(jī)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(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行維護(hù)人員在巡檢時(shí)發(fā)現(xiàn)供電設(shè)備出現(xiàn)異常情況，需現(xiàn)場(chǎng)緊急切斷開關(guān)，可以通過遙控器來對(duì)就地安裝的顯示單元來進(jìn)行操作，但是身邊沒有攜帶遙控器，這時(shí)可以用手機(jī)APP通過WiFi連接礦用保護(hù)裝置，WiFi模塊連接的顯示終端操作比以太網(wǎng)模塊連接的顯示終端操作具有更高優(yōu)先級(jí)，因此手機(jī)APP的操作搶占臺(tái)式機(jī)或筆記本電腦在地面的操作權(quán)限，APP通過WiFi連接好礦用保護(hù)裝置后，主控單元通知顯示終端、臺(tái)式機(jī)和筆記本電腦，顯示終端操作被手持設(shè)備搶占，臺(tái)式機(jī)和筆記本電腦不能繼續(xù)進(jìn)行操作，手持設(shè)備對(duì)礦用保護(hù)裝置進(jìn)行操作時(shí)，顯示單元、臺(tái)式機(jī)和筆記本電腦畫面同步進(jìn)行切換，地面工作人員可以了解現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)維人員的操作流程，用手機(jī)APP操作切斷開關(guān)后，供電設(shè)備的異常情況得到及時(shí)響應(yīng)和處理，避免帶來進(jìn)一步的危害和影響。

4 小結(jié)

多維度顯示的礦用保護(hù)裝置可以實(shí)現(xiàn)多場(chǎng)景應(yīng)用，就地使用顯示單元通過串行通信進(jìn)行顯示和操作，或者使用手機(jī)和手持設(shè)備通過WiFi通信進(jìn)行顯示和操作，在地面使用臺(tái)式機(jī)或筆記本電腦通過以太網(wǎng)通信遠(yuǎn)程進(jìn)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(shè)計(jì)方案，當(dāng)一個(gè)顯示終端出現(xiàn)故障時(shí)，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(yùn)行，并且現(xiàn)場(chǎng)裝置可不配置顯示終端，巡檢時(shí)用手機(jī)或手持設(shè)備進(jìn)行顯示和操作，降低了應(yīng)用成本。

結(jié)合目前廣泛應(yīng)用的通信技術(shù)、客戶端/服務(wù)器、任務(wù)優(yōu)先級(jí)和任務(wù)調(diào)度概念，多維度顯示的礦用保護(hù)裝置將顯示終端的功能應(yīng)用于手持設(shè)備和電腦等，拓展了礦用保護(hù)裝置顯示終端的應(yīng)用場(chǎng)景，給礦用保護(hù)裝置研究提供了一定的借鑒意義。