Com veurem a augmentar la fiabilitat del sistema de comptadors d'energia
Amb el desenvolupament ràpid de la indústria electrònica, diversos instruments i comptadors són utilitzats ampliament en el control industrial i en tots els aspectes de la vida social. Alhora, les exigències sobre la fiabilitat dels instruments estan augmentant cada vegada més, i els comptadors d'energia no són una excepció. Les exigències de fiabilitat per als comptadors d'energia es troben especificades dins dels estandards tècnics dels comptadors intel·ligents.
Aquests estandards estableixen que la vida útil mitjana dels comptadors d'energia ha de ser com a mínim de deu anys, fent que el disseny de fiabilitat durant el procés de desenvolupament sigui particularment important. La probabilitat de completar les funcions requerides en condicions especificades i dins d'un temps determinat es coneix com Temps Mitjà Entre Falles (MTBF), també conegut com a interval mitjà entre falles. El MTBF és una mètrica comuna per mesurar la fiabilitat. L'objectiu del disseny de fiabilitat per als comptadors d'energia és incrementar el MTBF del producte i assegurar el funcionament normal.
1. Disseny de Fiabilitat Hardware
Disseny de Supressió d'Interferències de l'Alimentació Elèctrica per Comptadors d'Energia
Segons l'anàlisi estadística de dades d'enginyeria, el 70% de les interferències en els sistemes de comptadors d'energia entra a través de l'alimentació elèctrica. Per tant, millorar la qualitat de l'alimentació elèctrica té una gran importància per al funcionament fiable del sistema sencer. Ja que la alimentació del sistema sol provenir de la xarxa elèctrica, el disseny anti-interferències de l'alimentació se centra principalment en la filtració al port d'entrada i la supressió de les interferències transitories.
2. Disseny de Terratge per Comptadors d'Energia
El disseny del sistema de terratge afecta directament la capacitat anti-interferències de tot el producte. Un bon disseny pot bloquejar les interferències ambientals externes i suprimir eficientment el soroll acoblats internament. Considerar els dos aspectes següents pot millorar la fiabilitat del sistema:
Terratge Digital i Analògic Degut a les vores agudes dels senyals digitals, les corrents en circuits digitals presenten canvis pulsats. Per tant, el terratge analògic i digital haurien de dissenyar-se separat en els sistemes de comptadors d'energia, connectant-se només en un únic punt. Els circuits analògics i digitals a la placa de circuit haurien de connectar-se als seus respectius "terrages". Això prevé eficientment que la corrent de terratge pulsada del circuit digital s'acople al circuit analògic a través de la impedància compartida del terratge, formant interferències transitories. Quan hi ha grans senyals d'alta freqüència en el sistema, aquesta interferència es torna més significativa.
Terratge d'Únic Punt i Múltiples Punts En sistemes de baixa freqüència, el terratge generalment combina el terratge d'únic punt en paral·lel amb el terratge d'únic punt en sèrie per millorar el rendiment. El terratge d'únic punt en paral·lel significa connectar juntes diverses branques de terratge de mòduls en un sol lloc, on el potencial de terratge de cada mòdul es relaciona amb la seva pròpia corrent i resistència. La seva avantatge és l'absència d'interferències acoblades per la resistència de la branca de terratge compartida; el desavantatge és l'ús excessiu de branques de terratge.
El terratge d'únic punt en sèrie significa que múltiples mòduls comparteixen el mateix segment de branca de terratge. Com que la resistència equivalent de la branca de terratge crea caigudes de tensió, els punts de connexió de diferents mòduls tenen potencials variables respecte a terra. Els canvis de corrent en qualsevol mòdul afecten el potencial de terratge, alterant la sortida del circuit i causant interferències acoblades per la resistència de la branca de terratge compartida. Aquest mètode té una branca simple. El terratge de múltiples punts s'utilitza comunament en sistemes d'alta freqüència, on cada branca de terratge de mòdul es connecta a la barra de terratge tan a prop com sigui possible. Les seves avantatges inclouen branques de terratge curtes, baixa impedància i eliminació del soroll d'interferència causat per la resistència de la branca de terratge compartida.
3. Disseny d'Isolació per Comptadors d'Energia
Un objectiu principal del disseny d'isolació és separar les fonts de soroll dels circuits sensibles. La característica del disseny d'isolació és que el comptador d'energia manté la comunicació de senyals amb el seu entorn operatiu sense interacció elèctrica directa. Els mètodes principals d'implementació inclouen l'isolació per transformador, l'isolació òptica, l'isolació per relé, els amplificadors d'isolació i l'isolació per disposició.
Isolació per Transformador Els transformadors de polsos, amb poques voltes, capacitància distribuïda petita (només uns pocs picofarads) i bobines primàries/secundàries enroscades en costats oposats del nucli, poden servir com a components d'isolació per senyals de pols, assolint l'isolació de senyals digitals.
Isolació Òptica Afegir un optoacoblador pot suprimir els polsos de punta i diverses interferències de soroll. Utilitzar l'isolació òptica assegura que no hi hagi interacció elèctrica entre el sistema de l'ordinador host i el port de comunicació del comptador d'energia, millorant el rendiment anti-interferències del sistema. Els optoacobladors poden isol·lar senyals digitals però no són adequats per a senyals analògics. Els mètodes comuns per a l'isolació de senyals analògics inclouen: A. Conversió de tensió a freqüència seguida d'isolació òptica, que resulta en circuits complexes; B. Amplificadors diferencials, que ofereixen una tensió d'isolació menor; C. Amplificadors d'isolació, que funcionen bé però són caros.
Isolació per Relé Com que no hi ha connexió elèctrica entre la bobina i els contactes d'un relé, la bobina pot rebre senyals mentre els contactes els transmeten, resolent efectivament el problema de la interacció entre senyals elèctrics forts i febles i assolint l'isolació d'interferències.
Isolació per Disposició Assolint l'isolació a través de la disposició de la PCB, principalment separant circuits elèctrics forts i febles.
4. Disseny Anti-Interferències de la Placa de Circuit Imprès (PCB) per Comptadors d'Energia
La placa de circuit imprès serveix com a suport per als components del circuit i proporciona connexions elèctriques entre ells. La qualitat del disseny de la PCB impacta directament la capacitat anti-interferències del sistema. Els principis generals seguits en el disseny de la PCB inclouen:
Col·locar els oscil·ladors cristallins tan a prop com sigui possible de les branques de la unitat central de processament (CPU). Aterrar i fixar les seves cares metàl·liques, llavors aïllar l'àrea de rellotge amb un fil de terratge—aquest mètode evita molts problemes difícils;
Utilitzar cristalls de freqüència més baixa per la CPU i mantenir els circuits digitals tan lents com sigui possible, sempre que es compleixin els requisits de rendiment del sistema;
Les branques d'entrada/sortida de la CPU no utilitzades no haurien de deixar-se flotar; haurien de connectar-se a la font d'alimentació del sistema o a terra, i el mateix s'aplica a altres xips;
Minimitzar la longitud de les branques entre components d'alta freqüència. Mantenir components funcionals d'entrada i sortida lluny, i no col·locar components propensos a interferències massa a prop uns dels altres;
Evitar bucles de corrent en circuits de baixa freqüència i senyal feble. Si no es pot evitar, minimitzar l'àrea del bucle per reduir el soroll induït;
Evitar corbes de 90 graus en els fils del sistema per prevenir l'emissió de soroll d'alta freqüència;
Les branques d'entrada i sortida en el sistema haurien d'evitar anar en paral·lel. Afegir un fil de terratge entre dos conductors per prevenir eficientment l'acoblament reactiu.
5. Disseny de Fiabilitat Software
5.1 Disseny de Filtratge Digital per Comptadors d'Energia
Actualment, diversos CI de mesura s'utilitzen àmpliament en comptadors d'energia. La unitat central de processament comunica amb aquests xips de mesura a través de la Interfície Serial Perifèrica (SPI) o el Receptor/Transmisor Asíncron Universal (UART) per obtenir els paràmetres del sistema d'energia. Si la bus queda interferida o el xip de mesura funciona de manera anormal, la unitat central de processament rebrà dades incorrectes.
Per tant, incorporar el filtratge de software és críticament important. Per als paràmetres d'energia normals, es pot adoptar el mètode de mitjana: recopilar cinc o sis punts de dades, eliminar els valors màxims i mínims, i llavors calcular la mitjana. Per a les dades d'energia, estimar el rang dinàmic en una unitat de temps basat en l'entorn operatiu nominal del comptador; si apareixen dades d'energia anormals, el software pot descartar aquest conjunt de dades. Altres mètodes inclouen el filtratge de mediana, la mitjana aritmètica i el filtratge de primer ordre de baix passa. La pràctica ha demostrat que utilitzar el filtratge de software maximitza la fiabilitat de les lectures de paràmetres.
5.2 Disseny de Redundància de Dades per Comptadors d'Energia
Per millorar la fiabilitat del sistema, els paràmetres de configuració del sistema i els paràmetres de calibració poden utilitzar dissenys amb múltiples backups. Si un conjunt de dades es corrompt, es pot activar un altre conjunt de backup. Per assegurar la seguretat de les dades i incrementar la probabilitat de supervivència de les dades en operacions errònies, diverses conjunts de dades haurien de desar-se en ubicacions disperses.
5.3 Disseny de Verificació de Dades i Redundància d'Operacions per Comptadors d'Energia
Quan la unitat central de processament escriu paràmetres de configuració o calibració en la memòria, la interferència pot fer que s'escriuin dades incorrectes, però la unitat de processament no pot determinar la correcció de les dades escrites. Per assegurar l'escriptura correcta de dades, el disseny de software realitza una "suma de verificació" de les dades a escriure i emmagatzema la suma de verificació juntament amb les dades. Després de cada operació d'escriptura, es realitza una operació de lectura, i la suma de verificació de les dades llegides es compara amb la suma de verificació emmagatzemada. Si no coincideixen, s'ha de repetir l'operació d'escriptura fins que les dades s'escriuin correctament. Si s'excedeix el límit de reintent, es mostra un error d'escriptura.
