Cómo Mejorar la Confiabilidad del Sistema de Medidores de Energía

Con el rápido desarrollo de la industria electrónica, diversos instrumentos y medidores se utilizan ampliamente en el control industrial y en todos los aspectos de la vida social. Al mismo tiempo, las exigencias de fiabilidad de los instrumentos son cada vez mayores, y los medidores de energía no son una excepción. Las exigencias de fiabilidad para los medidores de energía están especificadas dentro de los estándares técnicos de contadores inteligentes.

Estos estándares establecen que la vida útil media de los medidores de energía debe ser de no menos de diez años, lo que hace que el diseño de fiabilidad durante el proceso de desarrollo sea particularmente importante. La probabilidad de completar las funciones requeridas bajo condiciones especificadas y dentro de un tiempo determinado se llama Tiempo Medio Entre Fallos (MTBF), también conocido como tiempo medio entre fallos. El MTBF es una métrica común para medir la fiabilidad. El objetivo del diseño de fiabilidad para los medidores de energía es aumentar el MTBF del producto y garantizar su funcionamiento normal.

1. Diseño de Fiabilidad de Hardware

Diseño de Supresión de Interferencias en la Alimentación para Medidores de Energía

Según el análisis de datos estadísticos de ingeniería, el 70% de las interferencias en los sistemas de medidores de energía entra a través de la alimentación. Por lo tanto, mejorar la calidad de la alimentación es de gran importancia para el funcionamiento fiable de todo el sistema. Dado que la alimentación del sistema generalmente se deriva de la electricidad de la red, el diseño anti-interferencia para la alimentación se centra principalmente en el filtrado en el puerto de entrada y la supresión de interferencias transitorias.

2. Diseño de Puesta a Tierra para Medidores de Energía

El diseño del sistema de puesta a tierra afecta directamente a la capacidad anti-interferencia de todo el producto. Un buen diseño puede bloquear las interferencias del entorno externo y suprimir eficazmente el ruido acoplado internamente. La consideración de los siguientes dos aspectos puede mejorar la fiabilidad del sistema:

Tierra Digital y Tierra Analógica Debido a los bordes agudos de las señales digitales, las corrientes en los circuitos digitales muestran cambios pulsados. Por lo tanto, la tierra analógica y la tierra digital deben diseñarse por separado en los sistemas de medidores de energía, conectándose solo en un único punto. Los circuitos analógicos y digitales en la placa de circuito deben conectarse a sus respectivas "tierras". Esto evita eficazmente que la corriente de tierra pulsada del circuito digital se acople al circuito analógico a través de la impedancia de tierra compartida, formando interferencias transitorias. Cuando existen señales de alta frecuencia de gran amplitud en el sistema, esta interferencia se vuelve más significativa.

Puesta a Tierra de Un Solo Punto y de Múltiples Puntos En sistemas de baja frecuencia, la puesta a tierra generalmente combina la puesta a tierra de un solo punto en paralelo con la puesta a tierra de un solo punto en serie para mejorar el rendimiento. La puesta a tierra de un solo punto en paralelo se refiere a conectar varios cables de tierra de módulos juntos en un solo lugar, donde el potencial de tierra de cada módulo se relaciona con su propia corriente y resistencia. Su ventaja es la ausencia de interferencia de acoplamiento por la resistencia de los cables de tierra comunes; la desventaja es el uso excesivo de cables de tierra.

La puesta a tierra de un solo punto en serie significa que varios módulos comparten el mismo segmento de cable de tierra. Debido a que la resistencia equivalente del cable de tierra crea caídas de tensión, los puntos de conexión de diferentes módulos tienen potenciales variables en relación con la tierra. Los cambios de corriente en cualquier módulo afectan el potencial de tierra, alterando la salida del circuito y causando interferencia de acoplamiento por la resistencia de los cables de tierra comunes. Este método tiene un cableado simple. La puesta a tierra de múltiples puntos se utiliza comúnmente en sistemas de alta frecuencia, donde el cable de tierra de cada módulo se conecta a la barra de tierra lo más cerca posible. Sus ventajas incluyen cables de tierra cortos, baja impedancia y eliminación del ruido de interferencia causado por la impedancia de los cables de tierra comunes.

3. Diseño de Aislamiento para Medidores de Energía

Un objetivo principal del diseño de aislamiento es separar las fuentes de ruido de los circuitos sensibles. La característica del diseño de aislamiento es que el medidor de energía mantiene la comunicación de señales con su entorno operativo sin interacción eléctrica directa. Los principales métodos de implementación incluyen aislamiento por transformador, aislamiento óptico, aislamiento por relé, amplificadores aislados y aislamiento de disposición. 

• Aislamiento por Transformador Los transformadores de pulso, que tienen pocas vueltas, pequeña capacitancia distribuida (solo unos pocos picofaradios) y bobinas primarias/secundarias enrolladas en lados opuestos del núcleo, pueden servir como componentes de aislamiento para señales de pulso, logrando el aislamiento de señales digitales.

• Aislamiento Óptico Añadir un optoacoplador puede suprimir pulsos de punta y diversas interferencias de ruido. El uso de aislamiento óptico asegura que no haya interacción eléctrica entre el sistema de la computadora central y el puerto de comunicación del medidor de energía, mejorando el rendimiento anti-interferencia del sistema. Los optoacopladores pueden aislar señales digitales pero no son adecuados para señales analógicas. Los métodos comunes para aislar señales analógicas incluyen: A. Conversión de voltaje a frecuencia seguida de aislamiento óptico, lo que resulta en circuitos complejos; B. Amplificadores diferenciales, que ofrecen menor voltaje de aislamiento; C. Amplificadores aislados, que tienen un buen rendimiento pero son caros. 

• Aislamiento por Relé Dado que no hay conexión eléctrica entre la bobina y los contactos de un relé, la bobina puede recibir señales mientras los contactos las transmiten, resolviendo eficazmente el problema de la interacción de señales eléctricas fuertes y débiles y logrando el aislamiento de interferencias.

• Aislamiento de Disposición Lograr el aislamiento a través de la disposición de la PCB, principalmente separando los circuitos eléctricos fuertes y débiles.

4. Diseño Anti-Interferencia de la Placa de Circuito Impreso (PCB) para Medidores de Energía

La placa de circuito impreso sirve como soporte para los componentes del circuito y proporciona conexiones eléctricas entre ellos. La calidad del diseño de la PCB afecta directamente a la capacidad anti-interferencia del sistema. Los principios generales seguidos en el diseño de la PCB incluyen:

• Colocar los osciladores de cristal lo más cerca posible de los pines de la unidad central de procesamiento (CPU). Conectar a tierra y asegurar sus cajas metálicas, luego aislar el área del reloj con un cable de tierra—este método previene muchos problemas difíciles;

• Usar cristales de frecuencia más baja para la CPU y mantener los circuitos digitales tan lentos como sea posible, siempre que se cumplan los requisitos de rendimiento del sistema;

• Los puertos de entrada/salida de la CPU no utilizados no deben quedar flotantes; deben conectarse a la alimentación o a tierra del sistema, y lo mismo aplica para otros chips;

• Minimizar la longitud de las trazas entre componentes de alta frecuencia. Mantener los componentes de entrada y salida funcionales alejados, y no colocar componentes propensos a interferencias demasiado cerca entre sí;

• Evitar bucles de corriente en circuitos de baja frecuencia y señales débiles. Si es inevitable, minimizar el área del bucle para reducir el ruido inducido;

• Evitar giros de 90 grados en el cableado del sistema para prevenir la emisión de ruido de alta frecuencia;

• Las líneas de entrada y salida en el sistema deben evitar correr en paralelo. Añadir una línea de tierra entre dos conductores para prevenir eficazmente el acoplamiento reactivo.

5. Diseño de Fiabilidad de Software

5.1 Diseño de Filtro Digital para Medidores de Energía 

Actualmente, se utilizan ampliamente diversos CI de medición en los medidores de energía. La unidad central de procesamiento se comunica con estos chips de medición a través de la Interfaz Periférica en Serie (SPI) o Transmisor/Receptor Asincrónico Universal (UART) para obtener parámetros del sistema de energía. Si el bus está interferido o el chip de medición opera anormalmente, la unidad central de procesamiento recibirá datos incorrectos.

Por lo tanto, incorporar filtrado de software es críticamente importante. Para parámetros de energía ordinarios, se puede adoptar el método de promedio: recopilar cinco a seis puntos de datos, eliminar los valores máximo y mínimo, luego calcular el promedio. Para los datos de energía, estimar el rango dinámico dentro de una unidad de tiempo basado en el entorno operativo nominal del medidor; si aparecen datos de energía anormales, el software puede descartar ese conjunto de datos. Otros métodos incluyen filtrado de mediana, promedio aritmético y filtrado de paso bajo de primer orden. La práctica ha demostrado que el uso de filtrado de software maximiza la fiabilidad de las lecturas de parámetros.

5.2 Diseño de Redundancia de Datos para Medidores de Energía

Para mejorar la fiabilidad del sistema, los parámetros de configuración del sistema y los parámetros de calibración pueden emplear diseños de múltiples copias de seguridad. Si un conjunto de datos se corrompe, se puede activar otro conjunto de copia de seguridad. Para garantizar la seguridad de los datos e incrementar la probabilidad de supervivencia de los datos ante operaciones erróneas, varios conjuntos de datos deben almacenarse en ubicaciones dispersas.

5.3 Diseño de Verificación de Datos y Redundancia de Operación para Medidores de Energía

Cuando la unidad central de procesamiento escribe parámetros de configuración o calibración en la memoria, la interferencia puede causar que se escriban datos incorrectos, pero la unidad central de procesamiento no puede determinar la corrección de los datos escritos. Para garantizar la correcta escritura de datos, el diseño de software realiza un "checksum" de los datos a escribir y almacena el checksum junto con los datos. Después de cada operación de escritura, se realiza una operación de lectura, y el checksum de los datos leídos se compara con el checksum almacenado. Si no coinciden, se repite la operación de escritura hasta que los datos se escriban correctamente. Si se supera el límite de reintentos, se muestra un error de escritura.