Kuinka parannella sähkömittarijärjestelmän luotettavuutta

Sähköalan nopean kehityksen myötä erilaiset mittarit ja laitteet ovat laajasti käytössä teollisessa ohjauksessa ja yhteiskunnan kaikissa elämän osa-alueissa. Samalla mittareiden luotettavuusvaatimukset kasvavat jatkuvasti, ja energiamittarit eivät ole poikkeus. Energiamittareihin liittyvät luotettavuusvaatimukset on määritelty älymittarien teknisissä standardeissa.

Nämä standardit määräävät, että energiamittarien keskiarvomainen käyttöikä tulee olla vähintään kymmenen vuotta, mikä tekee luotettavuussuunnittelun kehitysprosessissa erityisen tärkeäksi. Luotettavuuden mittaamiseen käytetty termi MTBF (Mean Time Between Failures) tarkoittaa keskimääräistä aikaa virheiden välillä. MTBF on yleinen mittari luotettavuuden mittaamiseen. Energiamittarien luotettavuussuunnittelun tavoitteena on lisätä tuotteen MTBF:ta ja varmistaa normaali toiminta.

1. Laitteiston luotettavuussuunnittelu

Energiamittarien virtalähteen häiriösuodatussuunnittelu

Insinöörivalmiiden tilastojen mukaan 70 % energiamittarijärjestelmien häiriöistä pääsee sisään virtalähteestä. Siksi virtalähteen laadun parantaminen on erityisen tärkeää koko järjestelmän luotettavalle toiminnalle. Koska järjestelmän virta perustuu yleensä verkon sähkölle, virtalähteen häiriösuojasuunnittelu keskittyy suodattamiseen syöttöportissa ja väliaikaisten häiriöiden hillitsemiseen.

2. Energiamittarien maanjäristysuunnittelu

Maanjärjestelmän suunnittelu vaikuttaa suoraan koko tuotteen häiriökieltoon. Hyvä suunnittelu voi estää ulkoisten ympäristöhäiriöiden ja tehokkaasti hillitä sisäisiä kohinaan kytkettyjä häiriöitä. Seuraavien kahden näkökulman huomioiminen voi parantaa järjestelmän luotettavuutta: 

Digitaalinen maaji analoginen maaji Digitaalisten signaalien terävät reunat aiheuttavat pulssi-muutoksia digitaalisissa piireissä. Siksi energiamittarisysteemeissä analoginen ja digitaalinen maaji tulisi suunnitella erikseen, yhdistettynä vain yhdessä pisteessä. Piirilevyn digitaaliset ja analogiset piirit tulisi yhdistää omiin "maajiin". Tämä estää tehokkaasti digitaalisen piirin pulssimaajäristyksen kumoamisen analogiseen piiriin yhteisen maajännitteen kautta, muodostamalla väliaikaista häiriötä. Kun järjestelmässä on korkeataajuisia suuria signaaleja, tämä häiriö tulee merkittävämmäksi.

Yhden pisteen ja monen pisteen maaji Alhaisissa taajuudessa maajärjestely yhdistää yleensä rinnakkaista yhden pisteen maajärjestelyä sarjalliseen yhden pisteen maajärjestelyyn parantamaan suorituskykyä. Rinnakkainen yhden pisteen maajärjestely tarkoittaa useiden moduulin maajohtojen yhdistämistä yhteen paikkaan, jossa kukin moduulin maapotenssi liittyy omaan virtaan ja vastukseen. Sen etuna on yhteisen maajohtoresistanssin kumoon liittyvien häiriöiden puuttuminen; haittana on liian paljon maajohtoa käytettävän.

Sarjallinen yhden pisteen maajärjestely tarkoittaa, että useat moduulit jakavat saman maajohtosegmentin. Koska maajohtoresistanssin ekvivalentti luo jänniteputosia, eri moduulien yhdistämispaikat ovat erilaisia potensseja maasta nähden. Minkä tahansa moduulin virtamuutokset vaikuttavat maapotenssiin, muuttaen piirin ulostuloa ja aiheuttaen yhteisen maajohtoresistanssin kumoon liittyviä häiriöitä. Tämä menetelmä on yksinkertaisesti johtava. Monipisteen maajärjestelyä käytetään yleensä korkeataajuissa, jossa jokaisen moduulin maajohto yhdistetään mahdollisimman lähelle maapalkkiin. Sen edut ovat lyhyet maajohtot, alhainen impedanssi, ja yhteisen maajohtoresistanssin kumoon liittyvien häiriöiden kumoaminen.

3. Erillisyyssuunnittelu energiamittareille

Erillisyyssuunnittelun tärkeimpänä tavoitteena on erottaa melulähteet herkkistä piireistä. Erillisyyssuunnittelun ominaisuus on, että energiamittari säilyttää signaalin kommunikaation toimintaympäristönsä kanssa ilman suoraa sähköistä vuorovaikutusta. Pääasialliset toteutustavat ovat muuntajaeristyksen, optokuplerin, relain, eristysvahvistimen ja asettelueristys. 

• Muuntajaeristys Pulsimuuntajilla, joilla on vähän kierroksia, pieni jakautunut kapasitanssi (vain muutamia pikofaradeja) ja primääri/sekundäärikierron kierrätään ytimen vastakkaisilla puolilla, voidaan käyttää eristyskomponenttina pulssisignaalille, saavutetaan digitaalinen signaali eristys.

• Optokupleri Optokuplerin lisääminen voi hillitä spike-pulssia ja erilaisia meluhäiriöitä. Optokuplerin käyttö takaa, että isäntäjärjestelmällä ei ole sähköistä vuorovaikutusta energiamittarin viestintäportin kanssa, parantaen järjestelmän häiriökieltoa. Optokuplerit voivat eristää digitaalisia signaaleja, mutta ne eivät sovellu analogisille signaaleille. Yleisiä analogisien signaalien eristystapoja ovat: A. Jännite-taajuusmuunnos, jälkeen optokupleri, joka johtaa monimutkaiseen piiriin; B. Differenssivahvistimet, jotka tarjoavat alhaisemman eristysjänniten; C. Eristysvahvistimet, jotka toimivat hyvin, mutta ovat kalliita. 

• Relaieristys Koska relaissa ei ole sähköistä yhteyttä sen kiertovirtapiirin ja kosketuspisteen välillä, kiertovirtapiiri voi vastaanottaa signaaleja, kun taas kosketuspisteet siirtävät niitä, ratkaisevaan tapaan ratkaistaan vahvojen ja heikkojen sähköisten signaalien vuorovaikutusongelma ja saavutetaan häiriöeristys.

• Asettelueristys PCB-asettelun avulla voidaan saavuttaa eristys, pääasiassa erottamalla vahvat ja heikot sähköiset piirit.

4. Energiamittarien painettujen piirilevyjen (PCB) häiriökieltoon suunniteltu suunnittelu

Painettu piirilevy toimii komponenttien kannalta ja tarjoaa niiden välillä sähköiset yhteydet. PCB-suunnittelun laatu vaikuttaa suoraan järjestelmän häiriökieltoon. Yleisiä periaatteita, joita noudatetaan PCB-suunnittelussa, ovat:

• Aseta kristallisvärähdyslaitteet mahdollisimman lähelle keskusprosessori (CPU) pinne. Maajaa ja kiinnitä niiden metalliset kotelot, sitten erota kellonaika alue maajolla—tämä menetelmä estää monia vaikeita ongelmia;

• Käytä alemman taajuuden kristalleja CPU:lle ja pidä digitaaliset piirit mahdollisimman hitaina, jos järjestelmän suorituskykyvaatimukset täyttyvät;

• Käyttämättömät CPU-syöte/tulosteportit eivät saa jäädä levittämättä; niiden pitäisi olla yhdistetty järjestelmän virtaan tai maajiin, ja sama pätee muihin piireihin;

• Minimoi korkeataajuisten komponenttien väliset jäljitysten pituudet. Pitäkää syöte ja ulostulo toimintoja kaukana, ja älkää asettako häiriöalttiita komponentteja liian lähelle toisiaan;

• Vältä virtasilmukoita alhaisissa taajuudessa ja heikoissa signaalipiireissä. Jos sitä ei voida välttää, minimoi silmukan ala vähentääkseen indusoituja meluja;

• Vältä 90-asteisia kulmia järjestelmän johtojen asettamisessa, jotta vältetään korkeatajuinen melusuola;

• Järjestelmän syöte ja ulostulojohtoja tulisi välttää kuljettamasta rinnakkain. Lisää maajana kahden johtajan välille tehokkaasti estääksesi reaktiivisen kumouksen.

5. Ohjelmistoluotettavuussuunnittelu

5.1 Energiamittarien digitaalinen suodatussuunnittelu 

Nykyisin erilaisia mittaus-IC:tä käytetään laajasti energiamittareissa. Keskusprosessori kommunikoi näiden mittauspiirien kanssa Serial Peripheral Interfacen (SPI) tai Universal Asynchronous Receiver/Transmitterin (UART) kautta saadakseen energiasysteemin parametreja. Jos bussia häiriöidään tai mittauspiiri toimii epänormaalisti, keskusprosessori vastaanottaa väärän tiedon.

Siksi ohjelmistosuodatuksen ottaminen käyttöön on erittäin tärkeää. Yleisille energiaparametreille voidaan käyttää keskiarvomenetelmää: kerätään viisi kuusi datapistettä, poistetaan maksimi- ja minimiarvot, sitten lasketaan keskiarvo. Energiatietoja varten voidaan arvioida dynaaminen alue yksikköaikana mittarin nimellisessä toimintaympäristössä; jos anomalia energia dataa esiintyy, ohjelmisto voi hylätä kyseisen datan. Muut menetelmät ovat mediaanisuodatus, aritmeettinen keskiarvo ja ensimmäisen asteen alipäästösuodatus. Käytännön kokemus on osoittanut, että ohjelmistosuodatuksen käyttö maksimoi parametrien lukemisen luotettavuuden.

5.2 Energiamittarien datan monikappaleisuussuunnittelu

Järjestelmän luotettavuuden parantamiseksi järjestelmän asetusparametrit ja kalibrointiparametrit voivat käyttää monikappaleisuussuunnittelua. Jos yksi datasaaristo on vaurioitunut, toinen varakopio voidaan aktivoida. Dataturvallisuuden ja datan selviytymismahdollisuuden varmistamiseksi virheellisessä toiminnassa useita datasaaristoja tulisi tallentaa hajautetuissa sijainneissa.

5.3 Energiamittarien datan tarkistus ja toiminnon monikappaleisuussuunnittelu

Kun keskusprosessori kirjoittaa asetus- tai kalibrointiparametreja muistiin, häiriö voi aiheuttaa väärän datan kirjoittamisen, mutta prosessori ei voi määrittää kirjoitetun datan oikeellisuutta. Varmistaakseen oikean datan kirjoittamisen ohjelmistosuunnittelu suorittaa "checksum" kirjoitettavalle datalle ja tallentaa checksumin yhdessä datan kanssa. Jokaista kirjoitusoperaatiota seuraa lukutoiminto, ja luetun datan checksum verrataan tallennettuun checksumiin. Jos ne eivät vastaa, kirjoitusoperaatio toistetaan, kunnes data kirjoitetaan oikein. Jos uudelleenyritysten raja ylitetään, näytetään kirjoitusvirhe.