Como mellorar a fiabilidade do sistema de contadores de enerxía
Coa rápida desenvolvemento da industria electrónica, varios instrumentos e contadores están amplamente utilizados no control industrial e en todos os aspectos da vida social. Ao mesmo tempo, as solicitacións de fiabilidade dos instrumentos están a aumentar cada vez máis, e os contadores de enerxía non son unha excepción. As solicitudes de fiabilidade para os contadores de enerxía están especificadas dentro das normas técnicas dos contadores inteligentes.
Estas normas estipulan que a vida útil media dos contadores de enerxía debe ser de polo menos dez anos, o que fai que o deseño de fiabilidade durante o proceso de desenvolvemento sexa particularmente importante. A probabilidade de completar as funcións necesarias ba condicións especificadas e dentro dun tempo determinado chámase Tempo Medio Entre Fallos (MTBF), tamén coñecido como intervalo medio entre fallos. O MTBF é unha métrica común para medir a fiabilidade. O obxectivo do deseño de fiabilidade para os contadores de enerxía é aumentar o MTBF do produto e asegurar o funcionamento normal.
1. Deseño de Fiabilidade de Hardware
Deseño de Supresión de Interferencias na Alimentación Eléctrica para Contadores de Enerxía
Segundo a análise de datos de enxeñaría, o 70% das interferencias nos sistemas de contadores de enerxía entran a través da alimentación eléctrica. Polo tanto, mellorar a calidade da alimentación eléctrica é de gran importancia para o funcionamento fiable do sistema completo. Xa que a enerxía do sistema xeralmente deriva da corrente eléctrica principal, o deseño anti-interferencia para a alimentación eléctrica centrase principalmente na filtraxe no porto de entrada e na supresión de interferencias transitórias.
2. Deseño de Terra para Contadores de Enerxía
O deseño do sistema de terra afecta directamente á capacidade anti-interferencia do produto completo. Un bo deseño pode bloquear as interferencias do ambiente externo e suprimir eficazmente o ruído acoplado internamente. A consideración dos dous seguintes aspectos pode mellorar a fiabilidade do sistema:
Terra Digital e Terra Analóxica Debido ás aristas agudas das señales digitais, as correntes nos circuitos digitais mostran cambios pulsantes. Polo tanto, a terra analóxica e a terra digital deben deseñarse separadamente nos sistemas de contadores de enerxía, conectándose só nun punto. Os circuitos analóxicos e digitais na placa de circuitos deben conectarse ás súas respectivas "terras". Isto prevén eficazmente que a corrente pulsante da terra do circuito digital se acople ao circuito analóxico a través da impedancia compartida da terra, formando interferencias transitórias. Cando existen grandes señales de alta frecuencia no sistema, esta interferencia é máis significativa.
Terra de Punto Único e Terra Múltiple En sistemas de baixa frecuencia, xeralmente combínase a terra de punto único paralela coa terra de punto único en serie para mellorar o rendemento. A terra de punto único paralela refírese a conectar múltiples cables de terra de módulos xuntos nunha localización, onde o potencial de terra de cada módulo está relacionado coa súa propia corrente e resistencia. A súa vantaxe é a ausencia de interferencia acoplada debido á resistencia común do cable de terra; a desvantaxe é o uso excesivo de cables de terra.
A terra de punto único en serie significa que múltiples módulos comparten o mesmo segmento de cable de terra. Debido á caída de tensión creada pola resistencia equivalente do cable de terra, os puntos de conexión de diferentes módulos teñen potenciais diferentes respecto á terra. Os cambios de corrente en calquera módulo afectan o potencial de terra, alterando a saída do circuito e causando interferencia acoplada debido á resistencia común do cable de terra. Este método ten un cableado simple. A terra múltiple é comúnmente utilizada en sistemas de alta frecuencia, onde o cable de terra de cada módulo se conecta tan preto como sexa posible a un barramento de terra. As súas vantaxes inclúen cables de terra curtos, baixa impedancia e eliminación do ruido de interferencia causado pola impedancia común do cable de terra.
3. Deseño de Aislamento para Contadores de Enerxía
Un obxectivo principal do deseño de aislamento é separar as fontes de ruido dos circuitos sensibles. A característica do deseño de aislamento é que o contador de enerxía mantén a comunicación de señales co seu entorno operativo sen interacción eléctrica directa. Os métodos principais de implementación inclúen aislamento por transformador, aislamento óptico, aislamento por reles, amplificadores aislados e aislamento de disposición.
Aislamento por Transformador Os transformadores de pulsos, con poucas espiras, pequena capacitancia distribuída (só uns pocos picofarads) e bobinas primaria y secundaria enroladas en lados opostos do núcleo, poden servir como componentes de aislamento para señales de pulso, logrando o aislamento de señales digitais.
Aislamento Óptico Adicionar un acoplador óptico pode suprimir pulsos de punta e varias interferencias de ruido. Utilizando o aislamento óptico, asegúrase que non haxa interacción eléctrica entre o sistema informático principal e o porto de comunicación do contador de enerxía, mellorando o rendemento anti-interferencia do sistema. Os acopladores ópticos poden aislar señales digitais pero non son adecuados para señales analóxicas. Métodos comúns para aislar señales analóxicas inclúen: A. Conversión de tensión a frecuencia seguida de aislamento óptico, que resulta en circuitos complexos; B. Amplificadores diferenciais, que ofrecen menor tensión de aislamento; C. Amplificadores aislados, que teñen un rendemento excelente pero son caros.
Aislamento por Reles Como non hai conexión eléctrica entre a bobina e os contactos dun relé, a bobina pode recibir señales mentres os contactos as transmiten, resolvendo eficazmente o problema da interacción de señales eléctricas fortes e débiles e logrando o aislamento de interferencias.
Aislamento de Disposición Lograr o aislamento a través da disposición da PCB, principalmente separando os circuitos eléctricos fortes e débiles.
4. Deseño Anti-Interferencia de Placas de Circuito Impreso (PCB) para Contadores de Enerxía
A placa de circuito impreso serve como soporte para os componentes do circuito e proporciona conexións eléctricas entre eles. A calidade do deseño da PCB afecta directamente á capacidade anti-interferencia do sistema. Os principios xerais seguidos no deseño de PCB inclúen:
Colocar os cristais osciladores o máis próximo posible aos pines da unidade central de procesamento (CPU). Terre os seus casos metálicos e aíslen a área de reloxos con un cable de terra—este método prevén moitos problemas difíciles;
Utilizar cristais de menor frecuencia para a CPU e manter os circuitos digitais o máis lentos posibles, sempre que se cumpran os requisitos de rendemento do sistema;
Os portos de entrada/saída da CPU non utilizados non deben quedar flotantes; deben conectarse á enerxía do sistema ou á terra, e o mesmo aplica a outras fichas;
Minimizar a lonxitude dos trazos entre os componentes de alta frecuencia. Mantener os componentes funcionais de entrada e saída afastados, e non colocar demasiado próximos os componentes propensos a interferencias;
Evitar bucles de corrente en circuitos de baixa frecuencia e señal débil. Se é inevitable, minimizar a área do bucle para reducir o ruido inducido;
Evitar curvas de 90 graos no cableado do sistema para evitar a emisión de ruido de alta frecuencia;
As liñas de entrada e saída no sistema deben evitar correr en paralelo. Engadir un cable de terra entre dous conductores para prevenir eficazmente o acoplamento reactivo.
5. Deseño de Fiabilidade de Software
5.1 Deseño de Filtro Digital para Contadores de Enerxía
Actualmente, varios CI de medida están amplamente utilizados en contadores de enerxía. A unidade central de procesamento comunica cos chips de medida a través da Interface Periférica en Serie (SPI) ou do Transceptor Universal Asincrónico (UART) para obter os parámetros do sistema de enerxía. Se o bus está interferido ou o chip de medida funciona anormalmente, a unidade central de procesamento recibirá datos incorrectos.
Por tanto, incorporar un filtro de software é críticamente importante. Para parámetros de enerxía ordinarios, pode adoptarse o método de promedio: recopilar cinco a seis puntos de datos, eliminar os valores máximo e mínimo, e calcular o promedio. Para os datos de enerxía, estimar o rango dinámico dentro dunha unidade de tempo baseado no ambiente de funcionamento nominal do contador; se aparecen datos de enerxía anormais, o software pode descartar ese conxunto de datos. Outros métodos inclúen o filtro de mediana, o promedio aritmético e o filtro de paso baixo de primeira orde. A práctica demostrou que utilizar filtros de software maximiza a fiabilidade das lecturas de parámetros.
5.2 Deseño de Redundancia de Datos para Contadores de Enerxía
Para mellorar a fiabilidade do sistema, os parámetros de configuración do sistema e os parámetros de calibración poden empregar diseños de múltiples copias de seguridade. Se un conxunto de datos queda corrupto, outro conxunto de copia de seguridade pode activarse. Para asegurar a seguridade dos datos e aumentar a probabilidade de supervivencia dos datos ante operacións erróneas, varios conxuntos de datos deben almacenarse en ubicacións dispersas.
5.3 Deseño de Verificación de Datos e Redundancia de Operación para Contadores de Enerxía
Cando a unidade central de procesamento escribe parámetros de configuración ou calibración na memoria, a interferencia pode causar que se escriban datos incorrectos, pero a unidade central de procesamento non pode determinar a corrección dos datos escritos. Para asegurar a correcta escritura de datos, o deseño de software realiza un "checksum" sobre os datos a escribir e almacena o checksum xunto coa información. Despois de cada operación de escritura, realiza unha operación de lectura e compara o checksum dos datos leídos co checksum almacenado. Se non coinciden, repite a operación de escritura ata que os datos se escriban correctamente. Se se supera o límite de reintento, amósase un erro de escritura.
