Jak zwiększyć niezawodność systemu liczników energetycznych

Wraz z szybkim rozwojem przemysłu elektronicznego, różne przyrządy i liczniki są szeroko stosowane w sterowaniu przemysłowym i we wszystkich aspektach życia społecznego. W tym samym czasie wymagania dotyczące niezawodności przyrządów stają się coraz wyższe, a liczniki energii nie stanowią wyjątku. Wymagania dotyczące niezawodności liczników energii są określone w normach technicznych dla inteligentnych liczników.

Te normy określają, że średni czas użytkowania liczników energii musi wynosić co najmniej dziesięć lat, co sprawia, że projektowanie niezawodności podczas procesu rozwoju jest szczególnie ważne. Prawdopodobieństwo wykonania wymaganych funkcji w określonych warunkach i w określonym czasie nazywane jest Średnim Czasem Między Awariami (MTBF), znany również jako średni czas między awariami. MTBF to powszechna miara pomiaru niezawodności. Cel projektowania niezawodności liczników energii polega na zwiększeniu MTBF produktu i zapewnieniu prawidłowego działania.

1. Projektowanie niezawodności sprzętowej

Projektowanie tłumienia zakłóceń zasilania dla liczników energii

Na podstawie analizy statystycznej danych inżynierskich, 70% zakłóceń w systemach liczników energii wpływa przez zasilanie. Dlatego poprawa jakości zasilania ma duże znaczenie dla niezawodnego działania całego systemu. Ponieważ zasilanie systemu zwykle pochodzi z sieci elektrycznej, projektowanie ochrony przed zakłóceniami skupia się głównie na filtrowaniu na wejściu i tłumieniu zakłóceń przejściowych.

2. Projektowanie uziemienia dla liczników energii

Projekt systemu uziemienia bezpośrednio wpływa na zdolność całkowitego produktu do ochrony przed zakłóceniami. Dobry projekt może blokować zakłócenia środowiskowe i efektywnie tłumić sprzęgane hałasy wewnętrzne. Rozważenie następujących dwóch aspektów może poprawić niezawodność systemu: 

Uziemienie cyfrowe i analogowe Ze względu na ostre krawędzie sygnałów cyfrowych, prądy w obwodach cyfrowych cechują się impulsowymi zmianami. Dlatego uziemienie analogowe i cyfrowe powinno być oddzielnie zaprojektowane w systemach liczników energii, połączone tylko w jednym punkcie. Obwody analogowe i cyfrowe na płytce powinny być połączone ze swoimi odpowiednimi "uziemieniami". To efektywnie zapobiega sprzęganiu impulsowego prądu uziemienia obwodu cyfrowego do obwodu analogowego przez wspólną impedancję uziemienia, tworząc zakłócenia przejściowe. Gdy w systemie występują wysokoczęstotliwościowe duże sygnały, te zakłócenia stają się bardziej istotne.

Jednopunktowe i wielopunktowe uziemienie W niskoczęstotliwościowych systemach, uziemienie zwykle łączy równoległe jednopunktowe uziemienie z szeregowym jednopunktowym uziemieniem, aby poprawić wydajność. Równoległe jednopunktowe uziemienie oznacza łączenie wielu przewodów uziemienia modułów w jednym miejscu, gdzie potencjał uziemienia każdego modułu zależy od jego własnego prądu i oporu. Jego zaletą jest brak sprzężenia zakłóceń z rezystancji wspólnego przewodu uziemienia; wadą jest nadmierny użytek przewodów uziemienia.

Szeregowe jednopunktowe uziemienie oznacza, że wiele modułów dzieli ten sam segment przewodu uziemienia. Ponieważ równoważna rezystancja przewodu uziemienia tworzy spadki napięcia, punkty połączeń różnych modułów mają różne potencjały względem ziemi. Zmiany prądu w każdym module wpływają na potencjał uziemienia, zmieniając wyjście obwodu i powodując sprzężenie zakłóceń z rezystancji wspólnego przewodu uziemienia. Ta metoda charakteryzuje się prostym kablowaniem. Wielopunktowe uziemienie jest często stosowane w wysokoczęstotliwościowych systemach, gdzie każdy moduł ma swój przewód uziemienia połączony jak najbliżej z przewodem uziemienia. Jego zalety obejmują krótkie przewody uziemienia, niską impedancję i eliminację zakłóceń hałasów spowodowanych rezystancją wspólnego przewodu uziemienia.

3. Projektowanie izolacji dla liczników energii

Głównym celem projektowania izolacji jest oddzielenie źródeł hałasu od wrażliwych obwodów. Charakterystyczną cechą projektowania izolacji jest to, że licznik energii utrzymuje komunikację sygnałową ze swoim środowiskiem operacyjnym bez bezpośredniego kontaktu elektrycznego. Głównymi metodami realizacji są: transformatorowa izolacja, optoizolacja, izolacja relays, izolatorów i izolacja układów. 

• Transformatorowa izolacja Transformatory pulsacyjne, które mają niewiele zwojów, małą rozłożoną pojemność (tylko kilka pikofaradów) i zwoje pierwotne/wzbudzające nawinięte po przeciwnych stronach rdzenia, mogą służyć jako elementy izolacji dla sygnałów impulsowych, umożliwiając izolację sygnałów cyfrowych.

• Optoizolacja Dodanie optokuplera może tłumić impulsy i różne zakłócenia hałasów. Użycie optoizolacji zapewnia brak interakcji elektrycznej między systemem głównym a portem komunikacyjnym licznika energii, poprawiając odporność systemu na zakłócenia. Optokuplerzy mogą izolować sygnały cyfrowe, ale nie są odpowiednie dla sygnałów analogowych. Wspólne metody izolacji sygnałów analogowych obejmują: A. Konwersję napięcia na częstotliwość, a następnie optoizolację, co prowadzi do złożonych obwodów; B. Wzmocnienie różnicowe, które oferuje niższe napięcie izolacji; C. Izolatory, które działają dobrze, ale są kosztowne. 

• Izolacja relays Ponieważ między cewką i kontaktami relays nie ma połączenia elektrycznego, cewka może odbierać sygnały, podczas gdy kontakty je przesyłają, efektywnie rozwiązując problem interakcji silnych i słabszych sygnałów elektrycznych oraz osiągając izolację zakłóceń.

• Izolacja układów Osiągnięcie izolacji poprzez układ PCB, głównie poprzez rozdzielenie silnych i słabszych obwodów elektrycznych.

4. Projektowanie antyzakłócające płyt drukowanych (PCB) dla liczników energii

Płyta drukowana służy jako nośnik dla komponentów obwodowych i zapewnia ich połączenia elektryczne. Jakość projektowania PCB bezpośrednio wpływa na odporność systemu na zakłócenia. Ogólne zasady stosowane w projektowaniu PCB obejmują:

• Umieszczanie kwarców jak najbliżej pinów centralnego procesora (CPU). Uziemienie i zabezpieczenie ich metalowych obudów, a następnie izolacja obszaru zegara przewodem uziemienia - ta metoda zapobiega wielu trudnym problemom;

• Używanie kwarców o niższej częstotliwości dla CPU i utrzymanie obwodów cyfrowych jak najwolniejszych, pod warunkiem spełnienia wymagań dotyczących wydajności systemu;

• Nie pozostawiaj nieużywanych portów wejścia/wyjścia CPU w stanie swobodnym; powinny one być połączone z zasilaniem lub uziemieniem systemu, a to samo dotyczy innych chipów;

• Minimalizuj długość ścieżek między komponentami wysokoczęstotliwościowymi. Trzymaj komponenty funkcyjne wejścia/wyjścia z dala od siebie, a nie umieszczaj blisko siebie komponentów podatnych na zakłócenia;

• Unikaj pętli prądowych w obwodach niskoczęstotliwościowych i słabszych sygnałów. Jeśli jest to nieuniknione, minimalizuj obszar pętli, aby zmniejszyć indukowany hałas;

• Unikaj zakrętów o 90 stopni w przewodzeniu systemu, aby zapobiec emisji hałasu wysokoczęstotliwościowego;

• Linie wejścia/wyjścia w systemie powinny unikać biegu równoległego. Dodaj linię uziemienia między dwoma przewodami, aby skutecznie zapobiec sprzężeniu reaktywnemu.

5. Projektowanie niezawodności oprogramowania

5.1 Projektowanie filtrów cyfrowych dla liczników energii 

Obecnie różnorodne układy pomiarowe są szeroko stosowane w licznikach energii. Procesor centralny komunikuje się z tymi układami pomiarowymi za pomocą Serial Peripheral Interface (SPI) lub Universal Asynchronous Receiver/Transmitter (UART), aby uzyskać parametry systemu energetycznego. Jeśli magistrala zostanie zakłócona lub układ pomiarowy będzie działał nieprawidłowo, procesor centralny otrzyma niepoprawne dane.

Dlatego incorporacja filtrów oprogramowania jest kluczowa. Dla zwykłych parametrów mocy można zastosować metodę uśredniania: zebranie pięciu do sześciu punktów danych, usunięcie maksymalnej i minimalnej wartości, a następnie obliczenie średniej. Dla danych energii, można oszacować dynamiczny zakres w jednostce czasu na podstawie nominalnego środowiska pracy licznika; jeśli pojawią się nieprawidłowe dane energii, oprogramowanie może odrzucić ten zestaw danych. Inne metody to filtr medianowy, uśrednianie arytmetyczne i filtr dolnoprzepustowy pierwszego rzędu. Praktyka pokazała, że użycie filtrów oprogramowania maksymalizuje niezawodność odczytów parametrów.

5.2 Projektowanie redundantności danych dla liczników energii

Aby poprawić niezawodność systemu, parametry ustawień systemu i kalibracji mogą wykorzystywać wielokrotne kopie zapasowe. Jeśli jeden zestaw danych zostanie uszkodzony, można aktywować inny zestaw kopii zapasowej. Aby zapewnić bezpieczeństwo danych i zwiększyć prawdopodobieństwo przetrwania danych w przypadku błędnych operacji, kilka zestawów danych powinno być przechowywanych w rozproszonych lokalizacjach.

5.3 Projektowanie weryfikacji danych i redundancji operacji dla liczników energii

Kiedy procesor centralny zapisuje parametry ustawień lub kalibracji do pamięci, zakłócenia mogą spowodować zapisanie nieprawidłowych danych, ale procesor nie może określić poprawności zapisanych danych. Aby zapewnić poprawność zapisywania danych, projekt oprogramowania wykonuje "sumę kontrolną" danych do zapisania i przechowuje sumę kontrolną razem z danymi. Po każdej operacji zapisu wykonuje się operację odczytu, a suma kontrolna odczytanych danych jest porównywana z przechowaną sumą kontrolną. Jeśli nie zgadzają się, operacja zapisu jest powtarzana, aż dane zostaną poprawnie zapisane. Jeśli limit ponownych prób zostanie przekroczony, wyświetlane jest błąd zapisu.