Jak zlepšit spolehlivost systému elektrických měřičů

S rychlým rozvojem elektronického průmyslu jsou různé přístroje a měřicí zařízení široce používány v průmyslovém řízení a ve všech oblastech společenského života. Zároveň se požadavky na spolehlivost přístrojů stávají čím dál vyššími a toto se týká i měřicích přístrojů pro energii. Požadavky na spolehlivost měřicích přístrojů pro energii jsou stanoveny v technických normách pro inteligentní měřicí přístroje.

Tyto normy stanovují, že průměrná doba životnosti měřicích přístrojů pro energii musí být nejméně deset let, což zvláště zdůrazňuje důležitost návrhu spolehlivosti během vývojového procesu. Pravděpodobnost dokončení požadovaných funkcí za určených podmínek a v daném časovém intervalu se nazývá Průměrná Doba Mezi Poruchami (MTBF), také známá jako průměrný interval mezi poruchami. MTBF je běžný ukazatel pro měření spolehlivosti. Cílem návrhu spolehlivosti pro měřicí přístroje pro energii je zvýšit MTBF produktu a zajistit jeho normální fungování.

1. Návrh hardwarové spolehlivosti

Návrh potlačení rušení napájení pro měřicí přístroje pro energii

Podle analýzy inženýrských statistických dat vstupuje 70 % rušení do systému měřicího přístroje pro energii prostřednictvím napájení. Proto má zlepšení kvality napájení velký význam pro spolehlivé fungování celého systému. Protože systém je obvykle napájen z síťového proudu, zaměřuje se návrh proti rušení hlavně na filtraci na vstupu a potlačení přechodných rušení.

2. Návrh zemlení pro měřicí přístroje pro energii

Návrh zemlení systému přímo ovlivňuje celkovou odolnost produktu proti rušení. Dobrý návrh může blokovat vnější environmentální rušení a efektivně potlačit interně spojené rušivé signály. Zohlednění následujících dvou aspektů může zlepšit spolehlivost systému: 

Digitální zem a analogová zem Vzhledem k ostrým hranám digitálních signálů se proudy v digitálních obvodech mění pulzně. Proto by měly být v systémech měřicích přístrojů pro energii navrženy samostatné analogové a digitální země, spojené pouze v jednom bodě. Analogové a digitální obvody na obvodové desce by měly být připojeny k jejich vlastním "zemím". Toto efektivně brání pulznímu zemnímu proudu digitálního obvodu, aby se spojoval s analogovým obvodem prostřednictvím sdílené impedancí země, což vytváří přechodné rušení. Když v systému existují vysokofrekvenční velké signály, toto rušení se stává významnějším.

Jednobodové a vícebodové zemlení V nízkofrekvenčních systémech se obvykle kombinuje paralelní jednobodové zemlení s sériovým jednobodovým zemlením, aby se zlepšila výkonnost. Paralelní jednobodové zemlení znamená, že se více modulových zemních drátů spojuje dohromady v jednom místě, kde každý modul má svůj vlastní zemní potenciál vztahující se k jeho vlastnímu proudu a odporu. Výhodou je absence krušivého rušení způsobeného společným zemním vedením; nevýhodou je přílišná spotřeba zemních vedení.

Sériové jednobodové zemlení znamená, že více modulů sdílí stejnou část zemního vedení. Protože ekvivalentní odpor zemního vedení vytváří pád napětí, mají různé moduly různé potenciály vzhledem k zemi. Změny proudu v libovolném modulu ovlivňují zemní potenciál, což změní výstup obvodu a způsobí krušivé rušení způsobené společným zemním vedením. Tento způsob má jednoduché vedení. Vícebodové zemlení se často používá v vysokofrekvenčních systémech, kde se každé modulové zemní vedení připojuje k zemní sběrnici co nejblíže. Jeho výhody zahrnují krátké zemní vedení, nízkou impedanci a eliminaci rušivého šumu způsobeného společným zemním vedením.

3. Návrh izolace pro měřicí přístroje pro energii

Hlavním cílem návrhu izolace je oddělit zdroje rušení od citlivých obvodů. Charakteristikou návrhu izolace je, že měřicí přístroj udržuje komunikaci signálů se svým provozním prostředím bez přímého elektrického interakce. Hlavní metody implementace zahrnují transformátorovou izolaci, optickou izolaci, reléovou izolaci, izolační zesilovače a rozvržení izolace. 

• Transformátorová izolace Pulsové transformátory s malým počtem závitů, malou distribuovanou kapacitou (pouze několik pikofaradů) a primárními a sekundárními vinutími namotanými na opačných stranách jádra, mohou sloužit jako izolační komponenty pro pulsové signály, dosahují izolace digitálních signálů.

• Optická izolace Přidání optokupleru může potlačit špičkové pulsy a různé rušivé signály. Použití optické izolace zajišťuje, že není žádná elektrická interakce mezi hostitelským počítačovým systémem a komunikačním portem měřicího přístroje pro energii, což zlepšuje odolnost systému proti rušení. Optokupléry mohou izolovat digitální signály, ale nejsou vhodné pro analogové signály. Běžné metody pro izolaci analogových signálů zahrnují: A. Převod napětí na frekvenci následovaný optickou izolací, což vede k komplikovaným obvodům; B. Diferenciální zesilovače, které nabízejí nižší izolační napětí; C. Izolační zesilovače, které se osvědčily, ale jsou dražší. 

• Reléová izolace Protože mezi cívkou a kontakty relé neexistuje žádné elektrické spojení, cívka může přijímat signály, zatímco kontakty je předávají, což efektivně řeší problém interakce silných a slabých elektrických signálů a dosahuje izolace rušení.

• Rozvržení izolace Dosahování izolace prostřednictvím rozvržení PCB, především oddělením silných a slabých elektrických obvodů.

4. Návrh proti rušení pro tiskací obvodové desky (PCB) měřicích přístrojů pro energii

Tiskací obvodová deska slouží jako nosič komponent obvodu a poskytuje elektrické spojení mezi nimi. Kvalita návrhu PCB přímo ovlivňuje odolnost systému proti rušení. Obecné principy, které se dodržují při návrhu PCB, zahrnují:

• Umístěte křišťálové oscilátory co nejblíže ke čipům centrálního zpracovacího jednotku (CPU). Zemněte a zabezpečte jejich kovové pouzdře a pak izolujte oblast hodinového signálu pomocí zemního vedení – tento postup zabrání mnoha obtížným problémům;

• Použijte nižší frekvence křišťálových oscilátorů pro CPU a udržujte digitální obvody co nejpomaleji možná, pokud splňují požadavky na výkon systému;

• Neobsazené vstupně-výstupní piny CPU by neměly být nevytěžené; měly by být připojeny k napájecímu napětí systému nebo k zemi, a to samé platí pro ostatní čipy;

• Minimalizujte délku vedení mezi vysokofrekvenčními komponentami. Udržujte funkční komponenty pro vstup a výstup daleko od sebe a neumisťujte komponenty náchylné k rušení příliš blízko k sobě;

• Vyhněte se proudovým smyčkám v nízkofrekvenčních a slabých signálových obvodech. Pokud je to nezbytné, minimalizujte plochu smyčky, aby se snížilo indukované rušení;

• Vyhněte se 90-stupňovým zákrutům vedení systému, aby se zabránilo emisi vysokofrekvenčního rušení;

• Vstupní a výstupní vedení v systému by měla vyhnout paralelnímu vedení. Přidejte zemní vedení mezi dvěma vodiči, aby se efektivně zabránilo reaktivnímu spojení.

5. Návrh softwarové spolehlivosti

5.1 Návrh digitální filtrace pro měřicí přístroje pro energii 

V současné době se různé měřicí integrované obvody (IC) široce používají v měřicích přístrojích pro energii. Centrální zpracovací jednotka komunikuje s těmito měřicími čipy prostřednictvím Serial Peripheral Interface (SPI) nebo Universal Asynchronous Receiver/Transmitter (UART) pro získání parametrů energetického systému. Pokud je sběrnice rušena nebo měřicí čip nefunguje správně, centrální zpracovací jednotka přijme nesprávná data.

Proto je zásadní zahrnout softwarovou filtraci. Pro běžné parametry energie lze použít metodu průměrování: shromáždit pět až šest datových bodů, odstranit maximální a minimální hodnoty a pak vypočítat průměr. Pro údaje o energii lze odhadnout dynamický rozsah v jednotkovém čase na základě nominálního pracovního prostředí měřicího přístroje; pokud se objeví neobvyklé údaje o energii, software může tyto datové sady zahodit. Další metody zahrnují mediánovou filtraci, aritmetické průměrování a první stupeň nízkopropustné filtrace. Praxe ukázala, že použití softwarové filtrace maximalizuje spolehlivost čtení parametrů.

5.2 Návrh redundance dat pro měřicí přístroje pro energii

Pro zlepšení spolehlivosti systému lze nastavení parametrů systému a kalibračních parametrů použít vícekopií. Pokud se jedna sada dat poškodí, lze aktivovat další kopii. Pro zajištění bezpečnosti dat a zvýšení pravděpodobnosti přežití dat při chybných operacích by mělo být několik sad dat uloženo v různých místech.

5.3 Návrh ověření dat a redundance operací pro měřicí přístroje pro energii

Když centrální zpracovací jednotka zapisuje nastavení nebo kalibrační parametry do paměti, může rušení způsobit, že budou zapsána nesprávná data, ale procesor nemůže určit správnost zapsaných dat. Aby bylo zajištěno správné zápis dat, provede software "kontrolní součet" dat, která mají být zapsána, a uloží kontrolní součet spolu s daty. Po každém zápisu se provádí čtení a kontrolní součet přečtených dat se porovnává s uloženým kontrolním součtem. Pokud nesouhlasí, zápis se opakuje, dokud nebudou data správně zapsána. Pokud je překročen limit opakování, zobrazí se chyba zápisu.