Comment améliorer la fiabilité du système de comptage d'électricité
Avec le développement rapide de l'industrie électronique, divers instruments et compteurs sont largement utilisés dans le contrôle industriel et tous les aspects de la vie sociale. En même temps, les exigences en matière de fiabilité des instruments deviennent de plus en plus élevées, et les compteurs d'énergie ne font pas exception. Les exigences de fiabilité pour les compteurs d'énergie sont spécifiées dans les normes techniques des compteurs intelligents.
Ces normes stipulent que la durée de vie moyenne des compteurs d'énergie doit être d'au moins dix ans, ce qui rend la conception de la fiabilité particulièrement importante lors du processus de développement. La probabilité de réaliser les fonctions requises dans des conditions spécifiées et dans un délai déterminé est appelée Temps Moyen Entre Défaillances (MTBF), également connu sous le nom de temps moyen entre pannes. Le MTBF est une métrique courante pour mesurer la fiabilité. L'objectif de la conception de la fiabilité pour les compteurs d'énergie est d'augmenter le MTBF du produit et d'assurer son fonctionnement normal.
1.Conception de la fiabilité matérielle
Conception de la suppression des interférences de l'alimentation pour les compteurs d'énergie
Selon l'analyse statistique des données d'ingénierie, 70 % des interférences dans les systèmes de comptage d'énergie entrent par l'alimentation. Par conséquent, l'amélioration de la qualité de l'alimentation est d'une grande importance pour le fonctionnement fiable de l'ensemble du système. Puisque l'alimentation du système provient généralement du réseau électrique, la conception anti-interférences pour l'alimentation se concentre principalement sur le filtrage à l'entrée et la suppression des interférences transitoires.
2. Conception de la mise à la terre pour les compteurs d'énergie
La conception du système de mise à la terre affecte directement la capacité anti-interférence de l'ensemble du produit. Une bonne conception peut bloquer les interférences de l'environnement extérieur et supprimer efficacement le bruit couplé internement. La considération des deux aspects suivants peut améliorer la fiabilité du système :
Mise à la terre numérique et analogique En raison des bords nets des signaux numériques, les courants dans les circuits numériques présentent des changements pulsés. Par conséquent, la mise à la terre analogique et numérique devrait être conçue séparément dans les systèmes de comptage d'énergie, connectée uniquement en un seul point. Les circuits analogiques et numériques sur la carte de circuit doivent être connectés à leurs propres "mises à la terre". Cela empêche efficacement le courant de mise à la terre pulsé du circuit numérique de se coupler au circuit analogique via l'impédance de mise à la terre commune, formant des interférences transitoires. Lorsqu'il existe des signaux de haute fréquence de grande amplitude dans le système, cette interférence devient plus significative.
Mise à la terre en un point et en plusieurs points Dans les systèmes de basse fréquence, la mise à la terre combine généralement la mise à la terre en un point parallèle avec la mise à la terre en un point en série pour améliorer les performances. La mise à la terre en un point parallèle consiste à connecter ensemble les fils de mise à la terre de plusieurs modules en un seul endroit, où le potentiel de mise à la terre de chaque module est lié à son propre courant et résistance. Son avantage est l'absence d'interférence de couplage due à la résistance du fil de mise à la terre commun ; l'inconvénient est l'utilisation excessive de fils de mise à la terre.
La mise à la terre en un point en série signifie que plusieurs modules partagent le même segment de fil de mise à la terre. Comme la résistance équivalente du fil de mise à la terre crée des chutes de tension, les points de connexion des différents modules ont des potentiels variables par rapport à la terre. Les changements de courant dans n'importe quel module affectent le potentiel de mise à la terre, modifiant la sortie du circuit et causant des interférences de couplage dues à la résistance du fil de mise à la terre commun. Cette méthode présente un câblage simple. La mise à la terre en plusieurs points est couramment utilisée dans les systèmes de haute fréquence, où chaque fil de mise à la terre de module est connecté à la barre de mise à la terre aussi près que possible. Ses avantages incluent des fils de mise à la terre courts, une faible impédance et l'élimination des bruits d'interférence causés par la résistance du fil de mise à la terre commun.
3.Conception d'isolation pour les compteurs d'énergie
L'un des objectifs principaux de la conception d'isolation est de séparer les sources de bruit des circuits sensibles. La caractéristique de la conception d'isolation est que le compteur d'énergie maintient la communication des signaux avec son environnement de fonctionnement sans interaction électrique directe. Les principales méthodes de mise en œuvre comprennent l'isolation par transformateur, l'isolation optique, l'isolation par relais, les amplificateurs d'isolation et l'isolation de disposition.
Isolation par transformateur Les transformateurs d'impulsions, dotés de peu de spires, d'une faible capacité distribuée (seulement quelques picofarads) et dont les bobinages primaire et secondaire sont enroulés de part et d'autre du noyau, peuvent servir de composants d'isolation pour les signaux d'impulsion, réalisant ainsi l'isolation des signaux numériques.
Isolation optique L'ajout d'un optocoupleur peut supprimer les impulsions de pointe et diverses interférences de bruit. L'utilisation de l'isolation optique garantit qu'il n'y a aucune interaction électrique entre le système informatique hôte et le port de communication du compteur d'énergie, améliorant ainsi les performances anti-interférences du système. Les optocoupleurs peuvent isoler les signaux numériques mais ne conviennent pas aux signaux analogiques. Les méthodes courantes pour isoler les signaux analogiques comprennent : A. Conversion tension-fréquence suivie d'une isolation optique, ce qui entraîne des circuits complexes ; B. Amplificateurs différentiels, qui offrent une tension d'isolation plus faible ; C. Amplificateurs d'isolation, qui offrent de bonnes performances mais sont coûteux.
Isolation par relais Comme il n'y a pas de connexion électrique entre la bobine et les contacts d'un relais, la bobine peut recevoir des signaux tandis que les contacts les transmettent, résolvant ainsi efficacement le problème de l'interaction entre des signaux électriques forts et faibles et réalisant l'isolation des interférences.
Isolation de disposition Réalisation de l'isolation par la disposition du circuit imprimé, principalement en séparant les circuits électriques forts et faibles.
4. Conception anti-interférence du circuit imprimé (PCB) pour les compteurs d'énergie
Le circuit imprimé sert de support pour les composants du circuit et fournit les connexions électriques entre eux. La qualité de la conception du PCB a un impact direct sur la capacité anti-interférence du système. Les principes généraux suivis dans la conception du PCB comprennent :
Placer les oscillateurs cristal aussi près que possible des broches de l'unité centrale de traitement (CPU). Mettre à la terre et sécuriser leurs boîtiers métalliques, puis isoler la zone de l'horloge avec un fil de mise à la terre - cette méthode prévient de nombreux problèmes difficiles ;
Utiliser des cristaux de fréquence plus basse pour le CPU et garder les circuits numériques aussi lents que possible, tout en respectant les exigences de performance du système ;
Les ports d'entrée/sortie non utilisés du CPU ne doivent pas être laissés flottants ; ils doivent être connectés à l'alimentation ou à la terre du système, et la même chose s'applique aux autres puces ;
Minimiser la longueur des pistes entre les composants de haute fréquence. Garder les composants fonctionnels d'entrée et de sortie éloignés, et ne pas placer les composants sensibles aux interférences trop proches les uns des autres ;
Éviter les boucles de courant dans les circuits de basse fréquence et de faible signal. Si cela est inévitable, minimiser la surface de la boucle pour réduire le bruit induit ;
Éviter les angles de 90 degrés dans le câblage du système pour éviter l'émission de bruit de haute fréquence ;
Les lignes d'entrée et de sortie dans le système doivent éviter de courir parallèlement. Ajouter une ligne de mise à la terre entre deux conducteurs pour prévenir efficacement le couplage réactif.
5. Conception de la fiabilité logicielle
5.1 Conception de filtration numérique pour les compteurs d'énergie
Actuellement, divers CI de mesure sont largement utilisés dans les compteurs d'énergie. Le processeur central communique avec ces puces de mesure via l'interface périphérique en série (SPI) ou le transmetteur-récepteur universel asynchrone (UART) pour obtenir les paramètres du système d'énergie. Si le bus est perturbé ou si la puce de mesure fonctionne anormalement, le processeur central recevra des données incorrectes.
Par conséquent, l'intégration de la filtration logicielle est cruciale. Pour les paramètres d'énergie ordinaires, la méthode de moyenne peut être adoptée : collecter cinq à six points de données, éliminer les valeurs maximales et minimales, puis calculer la moyenne. Pour les données d'énergie, estimer la plage dynamique dans une unité de temps basée sur l'environnement de fonctionnement nominal du compteur ; si des données d'énergie anormales apparaissent, le logiciel peut rejeter cet ensemble de données. D'autres méthodes incluent la filtration médiane, la moyenne arithmétique et le filtrage passe-bas du premier ordre. La pratique a prouvé que l'utilisation de la filtration logicielle maximise la fiabilité des lectures de paramètres.
5.2 Conception de redondance des données pour les compteurs d'énergie
Pour améliorer la fiabilité du système, les paramètres de configuration du système et les paramètres d'étalonnage peuvent utiliser des conceptions multi-backup. Si un ensemble de données est corrompu, un autre ensemble de sauvegarde peut être activé. Pour assurer la sécurité des données et augmenter la probabilité de survie des données en cas d'opérations erronées, plusieurs ensembles de données doivent être stockés dans des emplacements dispersés.
5.3 Conception de vérification des données et de redondance des opérations pour les compteurs d'énergie
Lorsque le processeur central écrit des paramètres de configuration ou d'étalonnage dans la mémoire, les interférences peuvent causer l'écriture de données incorrectes, mais le processeur ne peut pas déterminer la justesse des données écrites. Pour s'assurer que les données sont correctement écrites, la conception logicielle effectue une "somme de contrôle" sur les données à écrire et stocke la somme de contrôle avec les données. Après chaque opération d'écriture, une opération de lecture est effectuée, et la somme de contrôle des données lues est comparée à la somme de contrôle stockée. Si elles ne correspondent pas, l'opération d'écriture est répétée jusqu'à ce que les données soient correctement écrites. Si la limite de réessai est dépassée, une erreur d'écriture est affichée.
